O que é solução hipertônica?

A maioria das pessoas está ciente de que alimentos salgados têm a propriedade de induzir a sede. Talvez você também tenha notado que alimentos muito doces tendem a fazer a mesma coisa. Isso ocorre porque o sal (como íons de sódio e cloreto) e açúcares (como moléculas de glicose) funcionam como osmoles ativos quando dissolvido em fluidos corporais, principalmente o componente sérico do sangue. Isso significa que, quando dissolvidos em solução aquosa ou equivalente biológico, eles têm o potencial de influenciar a direção em que a água próxima se moverá. (Uma solução é simplesmente água com uma ou mais substâncias dissolvidas nela.)

"Tom", no sentido de músculos, significa "tensão" ou, de outra forma, implica em algo que é fixado em face de forças concorrentes do estilo de puxar. Tonicidade, em química, refere-se à tendência de uma solução puxar água em comparação com alguma outra solução. A solução em estudo pode ser hipotônico, isotônico ou hipertônico em comparação com a solução de referência. As soluções hipertônicas têm um significado considerável no contexto da vida na Terra.

Antes de discutir as implicações das concentrações relativas e absolutas de soluções, é importante para entender as maneiras pelas quais estes são quantificados e expressos em química analítica e bioquímica.

Freqüentemente, a concentração de sólidos dissolvidos na água (ou outros fluidos) é expressa simplesmente em unidades de massa divididas pelo volume. Por exemplo, a glicose sérica é geralmente medida em gramas de glicose por decilitro (décimo de um litro) de soro, ou g / dL. (Este uso da massa dividida pelo volume é semelhante ao usado para calcular a densidade, exceto que nas medições de densidade, há apenas uma substância em estudo, por exemplo, gramas de chumbo por centímetro cúbico de chumbo.) Massa de soluto por unidade de volume de solvente também é a base para "porcentagem de massa" Medidas; por exemplo, 60 g de sacarose dissolvida em 1.000 mL de água é uma solução de carboidrato a 6 por cento (60 / 1.000 = 0,06 = 6%).

Em termos de gradientes de concentração que afetam o movimento de água ou partículas, no entanto, é importante saber o número total de partículas por unidade de volume, independentemente do seu tamanho. É isso, não a massa de soluto total, que influencia esse movimento, por mais contraintuitivo que seja. Para isso, os cientistas costumam usar molaridade (M), que é o número de moles de uma substância por unidade de volume (geralmente um litro). Este, por sua vez, é especificado pela massa molar, ou peso molecular, de uma substância. Por convenção, um mol de uma substância contém 6,02 × 10²³ partículas, derivado deste sendo o número de átomos em precisamente 12 gramas de carbono elementar. A massa molar de uma substância é a soma dos pesos atômicos de seus átomos constituintes. Por exemplo, a fórmula para glicose é C₆H₁₂O₆ e as massas atômicas de carbono, hidrogênio e oxigênio são 12, 1 e 16, respectivamente. Portanto, a massa molar de glicose é (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Assim, para determinar a molaridade de 400 mL de solução contendo 90 g de glicose, você primeiro determina o número de mols de glicose presente:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Divida pelo número de litros presentes para determinar a molaridade:

(0,5 mol) / (0,4 L) = 1,25 M

Partículas que são livres para se mover em solução colidem umas com as outras aleatoriamente e, ao longo do tempo, as direções de partículas individuais resultantes dessas colisões se cancelam, de modo que nenhuma mudança líquida na concentração resultados. Diz-se que a solução está em equilíbrio sob estas condições. Por outro lado, se mais soluto for introduzido em uma porção localizada das soluções, o aumento da frequência de colisões que se seguem resultam em um movimento líquido de partículas de áreas de maior concentração para áreas de menor concentração. Isso é chamado de difusão e contribui para a obtenção final do equilíbrio, outros fatores mantidos constantes.

A imagem muda drasticamente quando membranas semipermeáveis ​​são introduzidas na mistura. As células são encerradas exatamente por essas membranas; "semipermeável" significa simplesmente que algumas substâncias podem passar enquanto outras não. Em termos de membranas celulares, pequenas moléculas como água, oxigênio e gás dióxido de carbono podem entrar e para fora da célula por meio de difusão simples, evitando as proteínas e moléculas de lipídios que formam a maioria dos membrana. A maioria das moléculas, no entanto, incluindo sódio (Na⁺), cloreto (Cl^-) e a glicose não, mesmo quando há uma diferença de concentração entre o interior e o exterior da célula.

Osmose, o fluxo de água através de uma membrana em resposta às concentrações diferenciais de soluto em ambos os lados da membrana, é um dos conceitos de fisiologia celular mais importantes para dominar. Cerca de três quartos do corpo humano consiste em água e, da mesma forma, para outros organismos. O equilíbrio e as mudanças fluidos são vitais para a sobrevivência literal, momento a momento.

A tendência de ocorrer osmose é chamada de pressão osmótica, e os solutos que resultam em pressão osmótica, o que nem todos fazem, são chamados de osmoles ativos. Para entender por que isso acontece, é útil pensar na própria água como um "soluto" que se move de um lado para o outro da membrana semipermeável como resultado de seu próprio gradiente de concentração. Onde a concentração de soluto é maior, a "concentração de água" é menor, o que significa que a água fluirá em uma direção de alta concentração para baixa concentração, assim como qualquer outro osmole ativo. A água simplesmente se move para equilibrar as distâncias de concentração. Em suma, é por isso que você fica com sede quando come uma refeição salgada: seu cérebro responde ao aumento da concentração de sódio em seu corpo, pedindo-lhe para colocar mais água no sistema - ele sinaliza sede.

O fenômeno da osmose obriga a introdução de adjetivos para descrever a concentração relativa de soluções. Conforme mencionado acima, uma substância que é menos concentrada do que uma solução de referência é chamada de hipotônica ("hipo '" é a palavra grega para "sob" ou "deficiência"). Quando as duas soluções estão igualmente concentradas, elas são isotônicas ("iso" significa "igual"). Quando uma solução é mais concentrada do que a solução de referência, ela é hipertônica ("hiper" significa "mais" ou "excesso").

A água destilada é hipotônica para a água do mar; a água do mar é hipertônica à água destilada. Dois tipos de refrigerante que contêm exatamente a mesma quantidade de açúcar e outros solutos são isotônicos.

Imagine o que poderia acontecer a uma célula viva ou grupo de células se o conteúdo fosse altamente concentrado em comparação com os tecidos circundantes, ou seja, se a célula ou células são hipertônicas ao seu arredores. Considerando o que você aprendeu sobre pressão osmótica, você esperaria que a água se movesse para dentro da célula ou grupo de células para compensar a concentração mais alta de solutos no interior.

Isso é exatamente o que acontece na prática. Por exemplo, os glóbulos vermelhos humanos, formalmente chamados de eritrócitos, são normalmente em forma de disco e côncavos em ambos os lados, como um bolo que foi beliscado. Se forem colocados em uma solução hipertônica, a água tende a deixar os glóbulos vermelhos, deixando-os colapsados ​​e "pontiagudos" - olhando ao microscópio. Quando as células são colocadas em uma solução hipotônica, a água tende a se mover e inchar as células para compensar o gradiente de pressão osmótica - às vezes ao ponto de não apenas inchar, mas estourar o células. Uma vez que a explosão de células dentro do corpo geralmente não é um resultado favorável, está claro que evitar grandes diferenças de pressão osmótica em células adjacentes em tecidos é crítico.

Se você estiver envolvido em uma sessão muito longa de exercícios, como uma maratona de corrida de 42 km ou um triatlo (natação, passeio de bicicleta e corrida), o que quer que tenha comido antes não pode ser o suficiente para sustentá-lo durante o evento, porque seus músculos e fígado só podem armazenar uma determinada quantidade de combustível, a maior parte do qual está na forma de cadeias de glicose chamadas glicogênio. Por outro lado, ingerir qualquer coisa além de líquidos durante exercícios intensos pode ser logisticamente difícil e, em algumas pessoas, causar náuseas. Idealmente, então, você ingeriria líquidos de alguma forma, porque eles tendem a ser mais leves para o estômago, e você desejaria um líquido muito pesado em açúcar (isto é, concentrado) de modo a fornecer o máximo de combustível para o trabalho músculos.

Ou você faria? O problema com essa abordagem muito plausível é que, quando as substâncias que você ingere ou bebe são absorvidas pelo intestino, esse processo depende de um processo osmótico gradiente que tende a puxar substâncias nos alimentos de dentro do intestino para o sangue que reveste seu intestino, graças a ser varrido pelo movimento de agua. Quando o líquido que você consome é altamente concentrado - isto é, se é hipertônico para os fluidos que revestem o intestino - ele interrompe esse gradiente osmótico normal e "suga" a água de volta para o intestino a partir do exterior, fazendo com que a absorção de nutrientes pare e anule todo o propósito de ingerir bebidas açucaradas no vai.

Na verdade, cientistas do esporte estudaram as taxas de absorção relativa de diferentes bebidas esportivas contendo concentrações variáveis ​​de açúcar e descobriram que esse resultado "contra-intuitivo" é o correto. As bebidas hipotônicas tendem a ser absorvidas mais rapidamente, enquanto as bebidas isotônicas e hipertônicas são absorvidas mais lentamente, conforme medido pela mudança na concentração de glicose no plasma sanguíneo. Se você já experimentou bebidas esportivas como Gatorade, Powerade ou All Sport, provavelmente notou que elas têm gosto menos doce do que as colas ou sucos de frutas; isso ocorre porque eles foram projetados para serem de baixa tonicidade.

Considere o problema que os organismos marinhos - ou seja, os animais aquáticos que vivem especificamente nos oceanos da Terra - enfrentam: Eles não apenas vivem em água extremamente salgada, mas devem obter sua própria água e alimentos a partir desta solução altamente hipertônica de sorts; além disso, eles devem excretar produtos residuais nele (principalmente como nitrogênio, em moléculas como amônia, ureia e ácido úrico), bem como derivar oxigênio dele.

Os íons predominantes (partículas carregadas) na água do mar são, como você esperaria, Cl^- (19,4 gramas por quilograma de água) e Na⁺ (10,8 g / kg). Outros osmoles ativos significativos na água do mar incluem sulfato (2,7 g / kg), magnésio (1,3 g / kg), cálcio (0,4 g / kg), potássio (0,4 g / kg) e bicarbonato (0,142 gr / kg).

A maioria dos organismos marinhos, como você pode esperar, é isotônica à água do mar como uma consequência básica da evolução; eles não precisam empregar nenhuma tática especial para manter o equilíbrio porque seu estado natural lhes permitiu sobreviver onde outros organismos não o fizeram e não podem. Os tubarões, no entanto, são uma exceção, mantendo corpos hipertônicos à água do mar. Eles conseguem isso por meio de dois métodos principais: eles retêm uma quantidade incomum de ureia no sangue e a urina que excretam é muito diluída, ou hipotônica, em comparação com seus fluidos internos.