Шта је хипертонично решење?

Већина људи је свесна да слана храна има својство изазивања жеђи. Можда сте такође приметили да врло слатка храна чини исто. То је зато што сол (као јони натријума и хлорида) и шећери (као молекули глукозе) функционишу као активни осмоли када се раствара у телесним течностима, пре свега у серумској компоненти крви. То значи да, када се растворе у воденом раствору или биолошком еквиваленту, они могу да утичу на смер у ком ће се вода у близини кретати. (Решење је једноставно вода у којој је растворена једна или више других супстанци.)

„Тон“, у смислу мишића, значи „затегнутост“ или на други начин подразумева нешто што је фиксирано пред конкурентским силама у повлачењу. Тоничност, у хемији, односи се на тенденцију раствора да увлачи воду у поређењу са неким другим решењем. Решење које се проучава може бити хипотонична, изотонични или хипертонична у поређењу са референтним решењем. Хипертонска решења имају значајан значај у контексту живота на Земљи.

Пре него што разговарамо о импликацијама релативне и апсолутне концентрације раствора, важно је да разуме начине на које се ови квантификују и изражавају у аналитичкој хемији и биохемија.

Често се концентрација чврстих супстанци растворених у води (или другим течностима) изражава једноставно у јединицама масе подељеним са запремином. На пример, серумска глукоза се обично мери у грамима глукозе по децилитру (десетина литра) серума или г / дл. (Ова употреба масе подељене запремином слична је оној која се користи за израчунавање густине, осим што у мерењима густине постоји само једна супстанца који се проучава, нпр. грами олова по кубном центиметру олова.) Маса растворене супстанце по јединици запремине растварача такође је основа за „проценат масе“ мерења; на пример, 60 г сахарозе растворене у 1.000 мл воде је 6-одстотни раствор угљених хидрата (60 / 1.000 = 0,06 = 6%).

У погледу градијената концентрације који утичу на кретање воде или честица, важно је знати укупан број честица у јединици запремине, без обзира на њихову величину. Управо та, а не укупна растворена маса утиче на ово кретање, иако ово може бити контраинтуитивно. За ово научници најчешће користе моларност (М), што је број молова супстанце у јединици запремине (обично литар). То је пак одређено моларном масом или молекулском тежином супстанце. Према договору, један мол супстанце садржи 6,02 × 10²³ честице, изведене од тога је број атома у тачно 12 грама елементарног угљеника. Моларна маса супстанце је збир атомских тежина њених саставних атома. На пример, формула за глукозу је Ц.₆Х.₁₂О.₆ а атомске масе угљеника, водоника и кисеоника су 12, 1 и 16 респективно. Према томе, моларна маса глукозе је (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 г.

Дакле, да бисте утврдили моларност 400 мл раствора који садржи 90 г глукозе, прво одредите број присутних молова глукозе:

(90 г) × (1 мол / 180 г) = 0,5 мол

Поделите ово са бројем присутних литара да бисте утврдили моларност:

(0,5 мол) / (0,4 Л) = 1,25 М.

Честице које се слободно крећу у раствору насумично се сударају једна с другом, а током времена и правци појединачне честице проистекле из ових судара међусобно се поништавају тако да нема нето промене концентрације резултати. Речено је да је решење у равнотежа под овим условима. С друге стране, ако се више растворених супстанци унесе у локализовани део раствора, повећана учесталост судари који следе резултирају нето кретањем честица из подручја веће концентрације у подручја нижег концентрација. То се назива дифузија и доприноси крајњем постизању равнотеже, а остали фактори се одржавају константно.

Слика се драстично мења када се мешавине уводе полупропусне мембране. Ћелије су затворене управо таквим мембранама; „полупропустљив“ једноставно значи да неке супстанце могу проћи, док друге не могу. Што се тиче ћелијских мембрана, мали молекули попут воде, кисеоника и гаса угљен-диоксида могу се уселити у и излази из ћелије једноставном дифузијом, избегавајући протеине и молекуле липида који чине већи део мембрана. Већина молекула, укључујући натријум (На⁺), хлорид (Цл^-) и глукоза не могу, чак и када постоји разлика у концентрацији између унутрашњости ћелије и спољне ћелије.

Осмозапроток воде кроз мембрану као одговор на диференцијалне концентрације растворених супстанци са обе стране мембране један је од најважнијих концепата ћелијске физиологије који треба савладати. Отприлике три четвртине људског тела састоји се од воде, слично као и код осталих организама. Равнотежа течности и помаци су витални за дословно преживљавање од тренутка до тренутка.

Тенденција осмозе да се назива назива се осмотски притисак, а растворене супстанце које резултирају осмотским притиском, што не чине сви, називају се активним осмолима. Да бисмо разумели зашто се то догађа, корисно је саму воду сматрати „отопљеном супстанцом“ која се помера са једне стране полупропусне мембране на другу као резултат сопственог градијента концентрације. Тамо где је концентрација растворених супстанци већа, „концентрација воде“ је нижа, што значи да ће вода тећи у смеру високе концентрације до ниске концентрације, баш као и било која друга активна осмола. Вода се једноставно помера да изједначи растојање концентрације. Укратко, ово је разлог зашто ожедните кад једете слани оброк: ваш мозак реагује на повећана концентрација натријума у ​​вашем телу тражећи да у систем унесете више воде - то сигнализира жеђ.

Феномен осмозе приморава увођење придева за описивање релативне концентрације раствора. Као што је горе дотакнуто, супстанца која је мање концентрована од референтног раствора назива се хипотоничном („хипо“ је грчки за „испод“ или „недостатак“). Када су два раствора подједнако концентрована, она су изотонична („исо“ значи „исто“). Када је раствор концентрисанији од референтног, хипертоничан је („хипер“ значи „више“ или „вишак“).

Дестилирана вода је хипотонична за морску; морска вода је хипертонична за дестиловану воду. Две врсте соде које садрже потпуно исту количину шећера и других растворених супстанци су изотоничне.

Замислите шта би се могло догодити са живом ћелијом или групом ћелија ако је садржај био високо концентрован у поређењу са околним ткивима, што значи да ли су ћелије или ћелије хипертоничне околина. С обзиром на оно што сте сазнали о осмотском притиску, очекивали бисте да се вода пресели у ћелију или групу ћелија да би надокнадила већу концентрацију растворених супстанци у унутрашњости.

Управо то се дешава у пракси. На пример, људска црвена крвна зрнца, која се формално називају еритроцити, обично су у облику диска и са две стране удубљена, попут погаче која је стегнута. Ако се ставе у хипертонични раствор, вода тежи да напусти црвене крвне ћелије, остављајући их колапсиране и „шиљасте“ под микроскопом. Када се ћелије ставе у хипотонични раствор, вода тежи да се усели и надува ћелије компензују градијент осмотског притиска - понекад до те мере да не пукну већ пукну ћелије. С обзиром на то да ћелије које експлодирају у телу генерално нису повољан исход, јасно је да је избегавање великих разлика у осмотском притиску у суседним ћелијама у ткивима пресудно.

Ако сте ангажовани у веома дугом напору вежбања, као што су маратон за трчање дужине 26,2 миље или триатлон (пливање, вожња бициклом и трчање), све што сте претходно појели, можда неће бити довољно да вас одржи током догађаја јер ваши мишићи и јетра могу да ускладиште само толико горива, од чега је већина у облику ланаца глукозе тзв. гликоген. С друге стране, уношење било чега осим течности током интензивног вежбања може бити и логистички тешко, а код неких и изазивање мучнине. У идеалном случају, тада бисте узимали течности у неком облику, јер су оне лакше за стомак, а и ви желео би врло тешку (односно концентрисану) течност шећера како би испоручио максимално гориво радницима мишићи.

Или би? Проблем овог врло веродостојног приступа је у томе што када црева апсорбују супстанце које једете или пијете, овај процес се ослања на осмотски градијент који тежи да повуче супстанце у храни из унутрашњости црева до крви која облаже црево захваљујући захваћању померањем покрета воде. Када је течност коју конзумирате високо концентрована - то јест, ако је хипертонична за течности које облажу црево - то нарушава овај нормални осмотски градијент и „усисава“ воду изнутра у црева, узрокујући заустављање апсорпције хранљивих састојака и поништавајући целу сврху узимања слатких пића на иди.

У ствари, спортски научници су проучавали релативне стопе апсорпције различитих спортских пића који садрже различите концентрације шећера и утврдили су да је овај „контраинтуитиван“ резултат исправан. Хипотонична пића имају тенденцију да се најбрже апсорбују, док се изотонична и хипертонична пића успоравају спорије, мерено променом концентрације глукозе у крвној плазми. Ако сте икада пробали спортска пића као што су Гатораде, Повераде или Алл Спорт, вероватно сте приметили да су мање слатког укуса него кола или воћни сокови; то је зато што су пројектовани тако да имају ниску тоничност.

Размотрите проблем с којим се суочавају морски организми - односно водене животиње које посебно живе у Земљиним океанима: не само да живе у изузетно сланој води, већ морају добити властиту воду и храну из овог високо хипертоничног раствора сортс; поред тога, у њега морају излучивати отпадне производе (углавном као азот, у молекулима као што су амонијак, уреа и мокраћна киселина), као и из њега добијати кисеоник.

Као што бисте очекивали, претежни јони (наелектрисане честице) у морској води су Цл^- (19,4 грама по килограму воде) и На⁺ (10,8 г / кг). Остали активни осмоли значајни за морску воду укључују сулфат (2,7 г / кг), магнезијум (1,3 г / кг), калцијум (0,4 г / кг), калијум (0,4 г / кг) и бикарбонат (0,142 гр / кг).

Већина морских организама је, као што бисте могли очекивати, изотонична према морској води као основна последица еволуције; не треба да примењују никакве посебне тактике за одржавање равнотеже, јер им је њихово природно стање омогућило да преживе тамо где други организми нису и не могу. Ајкуле су, међутим, изузетак, одржавајући тела која су хипертонична за морску воду. То постижу помоћу две главне методе: Они задржавају необичну количину урее у крви, а урин који излучују је веома разблажен или хипотоничан у поређењу са њиховим унутрашњим течностима.