Ce este Soluția hipertonică?

Majoritatea oamenilor sunt conștienți de faptul că alimentele sărate au proprietatea de a induce sete. Poate ați observat, de asemenea, că alimentele foarte dulci tind să facă același lucru. Acest lucru se datorează faptului că sarea (ca ioni de sodiu și clorură) și zaharurile (ca molecule de glucoză) funcționează astfel osmoli activi atunci când este dizolvat în fluidele corpului, în principal componenta serică a sângelui. Aceasta înseamnă că, atunci când sunt dizolvate într-o soluție apoasă sau echivalentul biologic, acestea au potențialul de a influența direcția în care se va deplasa apa din apropiere. (O soluție este pur și simplu apă cu una sau mai multe alte substanțe dizolvate în ea.)

„Ton”, în sensul mușchilor, înseamnă „întindere” sau implică altceva ceva care este fixat în fața forțelor concurente în stilul de tragere. Tonicitate, în chimie, se referă la tendința unei soluții de a trage apă în comparație cu o altă soluție. Soluția studiată poate fi hipotonă, izotonică sau hipertonice

Înainte de a discuta implicațiile concentrațiilor relative și absolute ale soluțiilor, este important să înțeleagă modalitățile prin care acestea sunt cuantificate și exprimate în chimia analitică și biochimie.

Adesea, concentrația solidelor dizolvate în apă (sau alte fluide) este exprimată pur și simplu în unități de masă împărțite la volum. De exemplu, glucoza serică este de obicei măsurată în grame de glucoză per decilitru (zecime de litru) de ser sau g / dL. (Această utilizare a masei împărțită la volum este similară cu cea utilizată pentru calcularea densității, cu excepția faptului că în măsurătorile de densitate există o singură substanță în studiu, de exemplu, grame de plumb pe centimetru cub de plumb.) Masa de dizolvat pe unitate de volum de solvent este, de asemenea, baza pentru „procent de masă” măsurători; de exemplu, 60 g zaharoză dizolvată în 1.000 ml de apă este o soluție de 6% carbohidrați (60 / 1.000 = 0,06 = 6%).

În ceea ce privește gradienții de concentrație care afectează mișcarea apei sau a particulelor, este important însă să cunoaștem numărul total de particule pe unitate de volum, indiferent de mărimea lor. Aceasta, nu masa totală a solutului, influențează această mișcare, deși aceasta poate fi contraintuitivă. Pentru aceasta, oamenii de știință folosesc cel mai frecvent molaritatea (M), care este numărul de moli dintr-o substanță pe unitate de volum (de obicei un litru). La rândul său, aceasta este specificată de masa molară sau greutatea moleculară a unei substanțe. Prin convenție, un mol al unei substanțe conține 6,02 × 10²³ particule, derivate din aceasta fiind numărul de atomi din exact 12 grame de carbon elementar. Masa molară a unei substanțe este suma greutăților atomice ale atomilor săi constitutivi. De exemplu, formula pentru glucoză este C₆H₁₂O₆ iar masele atomice de carbon, hidrogen și oxigen sunt 12, 1 și respectiv 16. Prin urmare, masa molară a glucozei este (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Astfel, pentru a determina molaritatea a 400 ml soluție conținând 90 g glucoză, determinați mai întâi numărul de moli de glucoză prezenți:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Împărțiți acest lucru la numărul de litri prezenți pentru a determina molaritatea:

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

Particulele care sunt libere să se deplaseze în soluție se ciocnesc între ele la întâmplare și, în timp, direcțiile particulele individuale rezultate din aceste coliziuni se anulează reciproc, astfel încât să nu existe nicio modificare netă a concentrației rezultate. Se spune că soluția este în echilibru în aceste condiții. Pe de altă parte, dacă mai mult solut este introdus într-o porțiune localizată a soluțiilor, frecvența crescută a ciocnirile care urmează au ca rezultat o mișcare netă a particulelor din zonele de concentrație mai mare în zonele mai mici concentraţie. Aceasta se numește difuzie și contribuie la realizarea finală a echilibrului, alți factori menținuți constanți.

Imaginea se schimbă drastic atunci când membranele semipermeabile sunt introduse în amestec. Celulele sunt închise doar de astfel de membrane; „semipermeabil” înseamnă pur și simplu că unele substanțe pot trece, în timp ce altele nu. În ceea ce privește membranele celulare, moleculele mici, cum ar fi apa, oxigenul și gazul dioxid de carbon, se pot deplasa în și din celulă prin difuzie simplă, evitând proteinele și moleculele lipidice formând cea mai mare parte a membrană. Cu toate acestea, majoritatea moleculelor, inclusiv sodiul (Na⁺), clorură (Cl^-) și glucoza nu pot, chiar și atunci când există o diferență de concentrație între interiorul celulei și exteriorul celulei.

Osmoză, fluxul de apă pe o membrană ca răspuns la concentrațiile diferențiale de solut de pe ambele părți ale membranei, este unul dintre cele mai importante concepte de fiziologie celulară de stăpânit. Aproximativ trei sferturi din corpul uman constă din apă și în mod similar pentru alte organisme. Echilibrul fluidelor și schimbările sunt vitale pentru supraviețuirea literală de la un moment la altul.

Tendința de apariție a osmozei se numește presiune osmotică, iar substanțele dizolvate care duc la presiunea osmotică, pe care nu toate o fac, se numesc osmoli activi. Pentru a înțelege de ce se întâmplă, este util să ne gândim la apa în sine ca la un „solut” care se deplasează de la o parte a membranei semipermeabile la cealaltă ca urmare a propriului gradient de concentrație. Acolo unde concentrația solutului este mai mare, „concentrația apei” este mai mică, ceea ce înseamnă că apa va curge într-o direcție de concentrație mare până la concentrație scăzută la fel ca orice alt osmol activ. Apa se deplasează pur și simplu pentru a uniformiza distanțele de concentrare. Pe scurt, acesta este motivul pentru care îți este sete când mănânci o masă sărată: creierul tău răspunde la creșterea concentrației de sodiu în corpul dvs. cerându-vă să introduceți mai multă apă în sistem - aceasta semnalează sete.

Fenomenul osmozei obligă introducerea adjectivelor pentru a descrie concentrația relativă a soluțiilor. După cum sa menționat mai sus, o substanță care este mai puțin concentrată decât o soluție de referință se numește hipotonă („hipo” este în greacă „sub” sau „deficiență”). Când cele două soluții sunt la fel de concentrate, ele sunt izotonice („iso” înseamnă „același”). Când o soluție este mai concentrată decât soluția de referință, aceasta este hipertonică („hiper” înseamnă „mai mult” sau „exces”).

Apa distilată este hipotonă pentru apa de mare; apa de mare este hipertonică față de apa distilată. Două tipuri de sodă care conțin exact aceeași cantitate de zahăr și alte substanțe dizolvate sunt izotonice.

Imaginați-vă ce s-ar putea întâmpla cu o celulă vie sau cu un grup de celule dacă conținutul ar fi foarte concentrat în comparație cu țesuturile înconjurătoare, adică dacă celula sau celulele sunt hipertonice pentru a lor împrejurimi. Având în vedere ceea ce ați învățat despre presiunea osmotică, v-ați aștepta ca apa să se deplaseze în celulă sau grup de celule pentru a compensa concentrația mai mare de substanțe dizolvate din interior.

Exact asta se întâmplă în practică. De exemplu, globulele roșii umane, numite formal eritrocite, sunt în mod normal în formă de disc și concav pe ambele părți, ca o prăjitură care a fost ciupită. Dacă acestea sunt plasate într-o soluție hipertonică, apa tinde să părăsească celulele roșii din sânge, lăsându-le prăbușite și „spiky” - care privesc la microscop. Când celulele sunt plasate într-o soluție hipotonică, apa tinde să se deplaseze și să umfle celulele compensează gradientul de presiune osmotică - uneori până la punctul de a nu doar umfla, ci de a exploda celule. Deoarece celulele care explodează în interiorul corpului nu sunt, în general, un rezultat favorabil, este clar că evitarea diferențelor majore de presiune osmotică în celulele adiacente din țesuturi este critică.

Dacă sunteți angajat într-o perioadă foarte lungă de exerciții, cum ar fi un maraton de alergare de 26,2 mile sau un triatlon (o înot, o plimbare cu bicicleta și o alergare), orice ați mâncat înainte nu poate să fie suficient pentru a vă susține pe durata evenimentului, deoarece mușchii și ficatul pot stoca doar atât de mult combustibil, cea mai mare parte fiind sub formă de lanțuri de glucoză numite glicogen. Pe de altă parte, ingerarea oricărui lucru în afară de lichide în timpul exercițiilor intense poate fi atât din punct de vedere logistic dificil, cât și, la unii oameni, poate provoca greață. Atunci, în mod ideal, ați lua lichide de o anumită formă, deoarece acestea tind să fie mai ușoare pe stomac, iar dvs. ar dori un lichid foarte bogat în zahăr (adică concentrat), astfel încât să livreze combustibil maxim la lucru mușchii.

Sau ai vrea? Problema cu această abordare foarte plauzibilă este că atunci când substanțele pe care le consumați sau beți sunt absorbite de intestin, acest proces se bazează pe un osmotic. gradient care tinde să atragă substanțele din alimente din interiorul intestinului către sângele care vă acoperă intestinul, datorită faptului că este măturat de mișcarea apă. Când lichidul pe care îl consumați este foarte concentrat - adică dacă este hipertonic pentru fluidele care acoperă intestinul - acesta perturbă acest gradient osmotic normal și „aspiră” apa înapoi în intestin din exterior, provocând blocarea absorbției de substanțe nutritive și învingând întregul scop de a lua băuturi zaharoase pe merge.

De fapt, oamenii de știință din domeniul sportului au studiat ratele relative de absorbție ale diferitelor băuturi sportive conținând concentrații variate de zahăr și au găsit acest rezultat "contraintuitiv" ca fiind unul corect. Băuturile care sunt hipotonice tind să fie absorbite cel mai rapid, în timp ce băuturile izotonice și hipertonice sunt absorbite mai încet, măsurate prin modificarea concentrației de glucoză din plasma sanguină. Dacă ați probat vreodată băuturi sportive precum Gatorade, Powerade sau All Sport, probabil ați observat că au un gust mai puțin dulce decât cola sau sucul de fructe; acest lucru se datorează faptului că au fost proiectate pentru a avea o tonicitate scăzută.

Luați în considerare problema cu care se confruntă organismele marine - adică animalele acvatice care trăiesc în mod specific în oceanele Pământului: ele nu numai că trăiesc în apă extrem de sărată, ci trebuie să-și obțină propria apă și hrană din această soluție extrem de hipertonică sorturi; în plus, trebuie să elimine deșeuri în el (mai ales ca azot, în molecule precum amoniac, uree și acid uric), precum și să obțină oxigen din acesta.

Ionii predominanți (particule încărcate) în apa de mare sunt, așa cum v-ați aștepta, Cl^- (19,4 grame pe kilogram de apă) și Na⁺ (10,8 g / kg). Alte osmoli activi cu semnificație în apa de mare includ sulfat (2,7 g / kg), magneziu (1,3 g / kg), calciu (0,4 g / kg), potasiu (0,4 g / kg) și bicarbonat (0,142 gr / kg).

Majoritatea organismelor marine, așa cum v-ați putea aștepta, sunt izotonice pentru apa de mare ca o consecință de bază a evoluției; nu trebuie să folosească nicio tactică specială pentru a menține echilibrul, deoarece starea lor naturală le-a permis să supraviețuiască acolo unde alte organisme nu au și nu pot. Cu toate acestea, rechinii sunt o excepție, menținând corpuri care sunt hipertonice pentru apa de mare. Acestea realizează acest lucru prin două metode principale: rețin o cantitate neobișnuită de uree în sânge, iar urina pe care o excretă este foarte diluată sau hipotonă, în comparație cu fluidele lor interne.