Čo je to hypertonické riešenie?

Väčšina ľudí si uvedomuje, že slané jedlá majú vlastnosť vyvolávať smäd. Možno ste si tiež všimli, že veľmi sladké jedlá majú tendenciu robiť to isté. Je to tak preto, lebo soľ (ako ióny sodíka a chloridu) a cukry (ako molekuly glukózy) fungujú rovnako aktívne osmoly keď sa rozpustí v telesných tekutinách, predovšetkým v sérovej zložke krvi. To znamená, že po rozpustení vo vodnom roztoku alebo v biologickom ekvivalente majú potenciál ovplyvňovať smer, ktorým sa bude pohybovať voda v blízkosti. (Riešením je jednoducho voda s jednou alebo viacerými rozpustenými látkami.)

„Tón“ v zmysle svalov znamená „napnutosť“ alebo inak naznačuje niečo, čo je zafixované tvárou v tvár konkurenčným silám v ťahovom štýle. Tonicita, v chémii, označuje tendenciu roztoku vťahovať vodu v porovnaní s niektorými inými roztokmi. Riešeným riešením môže byť hypotonický, izotonický alebo hypertonický v porovnaní s referenčným riešením. Hypertonické riešenia majú v kontexte života na Zemi značný význam.

Pred diskusiou o dôsledkoch relatívnych a absolútnych koncentrácií roztokov je dôležité pochopiť spôsoby, akými sú kvantifikované a vyjadrené v analytickej chémii a biochémia.

Koncentrácia tuhých látok rozpustených vo vode (alebo iných tekutinách) sa často vyjadruje jednoducho v jednotkách hmotnosti delených objemom. Napríklad glukóza v sére sa zvyčajne meria v gramoch glukózy na deciliter (desatina litra) séra alebo g / dl. (Toto použitie hmotnosti vydelené objemom je podobné tomu, ktoré sa používa na výpočet hustoty, okrem toho, že pri meraniach hustoty existuje iba jedna látka študované, napr. gramy olova na kubický centimeter olova.) Hmotnosť rozpustenej látky na jednotku objemu rozpúšťadla je tiež základom pre „percentuálnu hmotnosť“ merania; napríklad 60 g sacharózy rozpustenej v 1 000 ml vody je 6-percentný roztok uhľohydrátov (60/1 000 = 0,06 = 6%).

Z hľadiska koncentračných gradientov, ktoré ovplyvňujú pohyb vody alebo častíc, je však dôležité poznať celkový počet častíc na jednotku objemu bez ohľadu na ich veľkosť. Je to táto, nie celková hmotnosť rozpustenej látky, ktorá ovplyvňuje tento pohyb, hoci je to neintuitívne. Na tento účel vedci používajú najčastejšie molarita (M), čo je počet mólov látky na jednotku objemu (zvyčajne liter). To je zase určené molárnou hmotnosťou alebo molekulovou hmotnosťou látky. Podľa konvencie jeden mol látky obsahuje 6,02 × 10²³ z toho je počet atómov v presne 12 gramoch elementárneho uhlíka. Molárna hmotnosť látky je súčtom atómových hmotností jej jednotlivých atómov. Napríklad vzorec pre glukózu je C₆H₁₂O₆ a atómová hmotnosť uhlíka je 12, 1 a 16 a kyslíka 16. Preto je molárna hmotnosť glukózy (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

Aby ste teda určili molaritu 400 ml roztoku obsahujúceho 90 g glukózy, musíte najskôr určiť počet prítomných mólov glukózy:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Vydeľte to počtom prítomných litrov, aby ste určili molaritu:

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

Častice, ktoré sa v roztoku môžu voľne pohybovať, sa navzájom náhodne zrazia a v priebehu času dôjde k zmene smeru jednotlivé častice vznikajúce pri týchto zrážkach sa navzájom rušia, takže nedochádza k čistej zmene koncentrácie výsledky. Riešenie je vraj v rovnováha za týchto podmienok. Na druhej strane, ak sa do lokalizovanej časti roztokov zavedie viac rozpustenej látky, zvýši sa frekvencia nasledujúce kolízie majú za následok čistý pohyb častíc z oblastí s vyššou koncentráciou do oblastí s nižšou koncentráciou koncentrácia. Toto sa nazýva difúzia a prispieva k konečnému dosiahnutiu rovnováhy.

Keď sa do zmesi zavedú polopriepustné membrány, obraz sa drasticky zmení. Bunky sú uzavreté práve takýmito membránami; „polopriepustný“ znamená jednoducho to, že niektoré látky môžu prechádzať, zatiaľ čo iné nie. Pokiaľ ide o bunkové membrány, malé molekuly, ako je voda, kyslík a plynný oxid uhličitý, sa môžu pohybovať do a von z bunky jednoduchou difúziou, vyhýbajúc sa proteínom a lipidovým molekulám tvoriacim väčšinu membrána. Väčšina molekúl však vrátane sodíka (Na⁺), chlorid (Cl^-) a glukóza nemôže, aj keď je rozdiel v koncentrácii medzi vnútrom bunky a vonkajškom bunky.

Osmóza, tok vody cez membránu v reakcii na rozdielne koncentrácie rozpustnej látky na oboch stranách membrány, je jedným z najdôležitejších pojmov bunkovej fyziológie, ktoré je potrebné zvládnuť. Asi tri štvrtiny ľudského tela tvoria voda a podobne aj pre iné organizmy. Tekutinová rovnováha a posuny sú pre literárne prežitie nevyhnutné pre každú chvíľu.

Tendencia vzniku osmózy sa nazýva osmotický tlak a rozpustené látky, ktorých výsledkom je osmotický tlak, ktorý však nie všetci dosahujú, sa nazývajú aktívne osmoly. Aby sme pochopili, prečo sa to stane, je užitočné myslieť na vodu ako na „rozpustenú látku“, ktorá sa pohybuje z jednej strany semipermeabilnej membrány na druhú v dôsledku vlastného koncentračného gradientu. Tam, kde je koncentrácia rozpustenej látky vyššia, je „koncentrácia vody“ nižšia, čo znamená, že voda bude prúdiť v smere vysokej koncentrácie k nízkej koncentrácii rovnako ako akýkoľvek iný aktívny osmol. Voda sa jednoducho pohybuje, aby vyrovnala koncentračné vzdialenosti. Stručne povedané, z tohto dôvodu máte smäd, keď budete jesť slané jedlo: Váš mozog reaguje na zvýšená koncentrácia sodíka v tele tým, že vás požiada, aby ste do systému vložili viac vody - to signalizuje smäd

Fenomén osmózy núti uvádzanie adjektív na opis relatívnej koncentrácie roztokov. Ako už bolo spomenuté vyššie, látka, ktorá je menej koncentrovaná ako referenčný roztok, sa nazýva hypotonická („hypo“ je grécky pre výraz „pod“ alebo „nedostatok“). Ak sú tieto dva roztoky rovnako koncentrované, sú izotonické („izo" znamená "to isté"). Ak je roztok koncentrovanejší ako referenčný roztok, je hypertonický („hyper“ znamená „viac“ alebo „prebytok“).

Destilovaná voda je hypotonická voči morskej vode; morská voda je hypertonická až destilovaná. Dva druhy sódy, ktoré obsahujú presne rovnaké množstvo cukru a ďalších rozpustených látok, sú izotonické.

Predstavte si, čo by sa mohlo stať so živou bunkou alebo skupinou buniek, ak by bol obsah vysoko koncentrovaný v porovnaní s okolitými tkanivami, čo znamená, či sú bunky alebo bunky hypertonické na svoje okolie. Vzhľadom na to, čo ste sa dozvedeli o osmotickom tlaku, by ste očakávali, že sa voda presunie do bunky alebo skupiny buniek, aby vyrovnala vyššiu koncentráciu rozpustených látok vo vnútri.

Presne to sa deje v praxi. Napríklad ľudské červené krvinky, formálne nazývané erytrocyty, majú zvyčajne tvar disku a sú konkávne na oboch stranách, ako koláč, ktorý bol zovretý. Ak sú umiestnené v hypertonickom roztoku, voda má tendenciu opúšťať červené krvinky a zostáva pod mikroskopom zrútená a „špicatá“. Keď sú bunky vložené do hypotonického roztoku, má voda tendenciu sa pohybovať dovnútra a bunky nadúvať vyrovnať gradient osmotického tlaku - niekedy až do bodu, že nielen napučí, ale praskne bunky. Pretože bunky explodujúce vo vnútri tela nie sú vo všeobecnosti priaznivým výsledkom, je zrejmé, že je nevyhnutné vyhnúť sa veľkým rozdielom osmotického tlaku v susedných bunkách v tkanivách.

Ak sa venujete veľmi dlhému cvičeniu, napríklad 26,2 míľovému bežeckému maratónu alebo triatlonu (plávanie, jazda na bicykli a beh), všetko, čo ste predtým jedli, nemusí byť stačiť na to, aby ste sa udržali po celú dobu udalosti, pretože vaše svaly a pečeň môžu ukladať iba toľko paliva, ktoré je väčšinou vo forme reťazcov glukózy tzv. glykogén. Na druhej strane požitie všetkého okrem tekutín počas intenzívneho cvičenia môže byť logisticky náročné a u niektorých ľudí vyvolávať nevoľnosť. V ideálnom prípade by ste teda prijali tekutinu v nejakej forme, pretože tá býva ľahšia pre žalúdok a pre vás by chcel veľmi tekutinu veľmi ťažkú ​​(to znamená koncentrovanú), aby dodal do práce maximum paliva svaly.

Alebo by ste? Problém tohto veľmi pravdepodobného prístupu spočíva v tom, že keď črevo absorbuje látky, ktoré jete alebo pijete, tento proces sa spolieha na osmotický gradient, ktorý má tendenciu strhávať látky v potravinách z vnútornej strany čreva do krvi lemujúcej vaše črevo, vďaka tomu, že ich zmieta pohyb voda. Keď je tekutina, ktorú konzumujete, vysoko koncentrovaná - to znamená, že ak je hypertonická na tekutiny lemujúce črevo, naruší to tento normálny osmotický gradient a „nasáva“ vodu späť do čreva z vonkajšej strany, čo spôsobuje zastavenie vstrebávania živín a marí celý účel prijímania sladkých nápojov na choď.

Športoví vedci v skutočnosti študovali relatívnu mieru absorpcie rôznych športových nápojov obsahujúce rôzne koncentrácie cukru a zistili, že týmto "neintuitívnym" výsledkom je správne. Hypotonické nápoje majú tendenciu vstrebávať sa najrýchlejšie, zatiaľ čo izotonické a hypertonické nápoje sa vstrebávajú pomalšie, čo sa meria zmenou koncentrácie glukózy v krvnej plazme. Ak ste niekedy ochutnali športové nápoje ako Gatorade, Powerade alebo All Sport, pravdepodobne ste si všimli, že chutia menej sladko ako koly alebo ovocné džúsy; Je to tak preto, lebo boli navrhnuté tak, aby mali nízku tonicitu.

Zvážte problém, s ktorým sa stretávajú morské organizmy - tj vodné živočíchy, ktoré konkrétne žijú v zemských oceánoch: oni nielenže žijú v extrémne slanej vode, ale musia si aj sami získavať vodu a jedlo z tohto vysoko hypertonického roztoku druhy; navyše do nej musia vylučovať odpadové látky (väčšinou ako dusík, v molekulách ako amoniak, močovina a kyselina močová), ako aj odvodiť z nich kyslík.

Prevažujúce ióny (nabité častice) v morskej vode sú, ako by ste čakali, Cl^- (19,4 gramov na kilogram vody) a Na⁺ (10,8 g / kg). Medzi ďalšie významné osmoly významné v morskej vode patria síran (2,7 g / kg), horčík (1,3 g / kg), vápnik (0,4 g / kg), draslík (0,4 g / kg) a hydrogenuhličitan (0,142 g / kg).

Väčšina morských organizmov, ako by ste čakali, je izotonická voči morskej vode ako základný dôsledok vývoja; na udržanie rovnováhy nepotrebujú žiadnu špeciálnu taktiku, pretože ich prirodzený stav im umožnil prežiť tam, kde iné organizmy nie sú a nemôžu. Žraloky sú však výnimkou, zachovávajú si telá, ktoré sú hypertonické na morskú vodu. Dosahujú to dvoma hlavnými metódami: zadržiavajú v krvi neobvyklé množstvo močoviny a moč, ktorý vylučujú, je v porovnaní s ich vnútornými tekutinami veľmi zriedený alebo hypotonický.