Vad är hyperton lösning?

De flesta är medvetna om att salt mat har egenskapen att framkalla törst. Du kanske också har märkt att mycket söta livsmedel tenderar att göra samma sak. Detta beror på att salt (som natrium- och kloridjoner) och sockerarter (som glukosmolekyler) fungerar som aktiva osmoles när de löses i kroppsvätskor, främst serumkomponenten i blodet. Detta innebär att de, när de är upplösta i vattenlösning eller biologisk ekvivalent, har potential att påverka den riktning som vattnet i närheten rör sig i. (En lösning är helt enkelt vatten med en eller flera andra ämnen upplösta i den.)

"Ton", i betydelsen av muskler, betyder "stramhet" eller på annat sätt innebär något som är fixerat inför konkurrerande dragande krafter. Tonicitet, i kemi, hänvisar till tendensen hos en lösning att dra in vatten jämfört med någon annan lösning. Lösningen som studeras kan vara hypotonisk, isoton eller hypertonisk jämfört med referenslösningen. Hypertoniska lösningar har stor betydelse i livet på jorden.

Innan vi diskuterar konsekvenserna av relativa och absoluta koncentrationer av lösningar är det viktigt att förstå hur dessa kvantifieras och uttrycks i analytisk kemi och biokemi.

Koncentrationen av fasta ämnen upplösta i vatten (eller andra vätskor) uttrycks ofta helt enkelt i massaenheter dividerat med volym. Till exempel mäts serumglukos vanligtvis i gram glukos per deciliter (tiondel liter) serum eller g / dL. (Denna användning av massa dividerat med volym liknar den som används för att beräkna densitet, förutom att det i densitetsmätningar bara finns ett ämne under studien, t.ex. gram bly per kubikcentimeter bly.) Massa av löst ämne per volymenhet lösningsmedel är också basen för "procent massa" mätningar; till exempel är 60 g sackaros upplöst i 1000 ml vatten en 6-procentig kolhydratlösning (60/1 000 = 0,06 = 6%).

När det gäller koncentrationsgradienter som påverkar rörelsen av vatten eller partiklar är det dock viktigt att känna till det totala antalet partiklar per volymenhet, oavsett storlek. Det är denna, inte den totala lösta massan, som påverkar denna rörelse, kontraintuitiv, även om detta kan vara. För detta använder forskare oftast molaritet (M), vilket är antalet mol av ett ämne per volymenhet (vanligtvis en liter). Detta specificeras i sin tur av ett ämnes molmassa eller molekylvikt. Enligt konvention innehåller en mol av ett ämne 6,02 × 10²³ partiklar, härledda från detta är antalet atomer i exakt 12 gram elementärt kol. Molemassan för ett ämne är summan av atomvikterna för dess ingående atomer. Till exempel är formeln för glukos C₆H₁₂O₆ och atommassorna av kol, väte och syre är 12, 1 respektive 16. Därför är molmassan för glukos (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 g.

För att bestämma molariteten för 400 ml lösning som innehåller 90 g glukos bestämmer du först antalet mol glukos som är närvarande:

(90 g) × (1 mol / 180 g) = 0,5 mol

Dela detta med antalet närvarande liter för att bestämma molariteten:

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

Partiklar som är fria att röra sig i lösning kolliderar med varandra slumpmässigt och med tiden riktningarna enskilda partiklar som härrör från dessa kollisioner avbryter varandra så att ingen nettoförändring i koncentration resultat. Lösningen sägs vara i jämvikt under dessa omständigheter. Å andra sidan, om mer löst ämne införs i en lokal del av lösningarna, ökas frekvensen av kollisioner som följer resulterar i en nettoförflyttning av partiklar från områden med högre koncentration till områden med lägre koncentration. Detta kallas diffusion och bidrar till den ultimata uppnåendet av jämvikt, andra faktorer hålls konstanta.

Bilden förändras drastiskt när halvgenomsläppliga membran introduceras till blandningen. Celler är inneslutna av just sådana membran; "halvgenomsläpplig" betyder helt enkelt att vissa ämnen kan passera genom medan andra inte kan. När det gäller cellmembran kan små molekyler som vatten, syre och koldioxidgas röra sig in i och ut ur cellen via enkel diffusion och undviker proteinerna och lipidmolekylerna som bildar det mesta av membran. De flesta molekyler, inklusive natrium (Na⁺klorid (Cl^-) och glukos kan inte, även om det finns en koncentrationsskillnad mellan det inre av cellen och det yttre av cellen.

Osmos, flödet av vatten över ett membran som svar på differentiella koncentrationer av lösta ämnen på vardera sidan av membranet, är ett av de viktigaste cellulära fysiologikoncepten att bemästra. Cirka tre fjärdedelar av människokroppen består av vatten och liknande för andra organismer. Vätskebalans och skift är viktiga för bokstavlig överlevnad från ögonblick till ögonblick.

Tendensen för osmos att uppstå kallas osmotiskt tryck, och lösta ämnen som resulterar i osmotiskt tryck, vilket inte alla gör, kallas aktiva osmoler. För att förstå varför det händer är det bra att tänka på vattnet i sig som en "löst" som rör sig från ena sidan av det semipermeabelt membranet till det andra som ett resultat av sin egen koncentrationsgradient. Där koncentrationen av löst ämne är högre är "vattenkoncentrationen" lägre, vilket betyder att vatten kommer att strömma i en riktning med hög koncentration till låg koncentration precis som alla andra aktiva osmoler. Vatten rör sig helt enkelt för att jämna ut koncentrationsavstånden. I ett nötskal är det därför du blir törstig när du äter en salt måltid: din hjärna svarar på ökad natriumkoncentration i kroppen genom att be dig att lägga mer vatten i systemet - det signalerar törst.

Fenomenet osmos tvingar införandet av adjektiv för att beskriva den relativa koncentrationen av lösningar. Som berört ovan kallas ett ämne som är mindre koncentrerat än en referenslösning hypotoniskt ("hypo" är grekiskt för "under" eller "brist"). När de två lösningarna är lika koncentrerade är de isotoniska ("iso" betyder "samma"). När en lösning är mer koncentrerad än referenslösningen är den hypertonisk ("hyper" betyder "mer" eller "överskott").

Destillerat vatten är hypotoniskt för havsvatten; havsvatten är hypertoniskt till destillerat vatten. Två sorters läsk som innehåller exakt samma mängd socker och andra lösta ämnen är isotoniska.

Tänk dig vad som kan hända med en levande cell eller cellgrupp om innehållet var mycket koncentrerat jämfört med de omgivande vävnaderna, vilket innebär att cellen eller cellerna är hypertoniska mot deras miljö. Med tanke på vad du har lärt dig om osmotiskt tryck kan du förvänta dig att vatten rör sig in i cellen eller gruppen av celler för att kompensera den högre koncentrationen av lösta ämnen i det inre.

Det är precis vad som händer i praktiken. Till exempel är mänskliga röda blodkroppar, formellt kallade erytrocyter, normalt skivformade och konkava på båda sidor, som en kaka som har klämts. Om dessa placeras i en hypertonisk lösning, tenderar vattnet att lämna de röda blodkropparna, vilket gör att de kollapsar och "spiky" ser ut under ett mikroskop. När cellerna placeras i en hypoton lösning tenderar vatten att röra sig in och svälla cellerna till kompensera den osmotiska tryckgradienten - ibland så att den inte bara sväller utan spränger celler. Eftersom celler som exploderar inuti kroppen i allmänhet inte är ett gynnsamt resultat är det uppenbart att det är viktigt att undvika stora osmotiska tryckskillnader i intilliggande celler i vävnader.

Om du deltar i ett mycket långt träningspass, till exempel ett 26 km långt maratonlopp eller en triathlon (en simtur, en cykeltur och en löpning), vad du än har ätit i förväg kanske inte vara tillräckligt för att upprätthålla dig under hela evenemanget eftersom dina muskler och lever bara kan lagra så mycket bränsle, varav de flesta är i form av kedjor av glukos som kallas glykogen. Å andra sidan kan intag av allt annat än vätskor under intensiv träning vara både logistiskt svårt och hos vissa människor illamående. Helst skulle du då ta in vätskor av någon form eftersom de tenderar att vara lättare för magen och du skulle vilja ha en mycket sockertung (dvs. koncentrerad) vätska för att leverera maximalt bränsle till arbetet muskler.

Eller skulle du? Problemet med detta mycket troliga tillvägagångssätt är att när ämnen du äter eller dricker absorberas av tarmen, är denna process beroende av en osmotisk lutning som tenderar att dra ämnen i maten från tarmens insida till blodet som täcker tarmen, tack vare att de sopas upp av rörelsen av vatten. När vätskan du konsumerar är mycket koncentrerad - det vill säga om den är hypertonisk mot vätskorna i tarmen - stör den denna normala osmotiska gradient och "suger" tillbaka vatten in i tarmen från utsidan, vilket gör att absorptionen av näringsämnen stannar och besegrar hela syftet med att ta in sockerhaltiga drycker på gå.

Faktum är att idrottsforskare har studerat de relativa absorptionsgraden för olika sportdrycker innehållande varierande koncentrationer av socker och har funnit att detta "kontraintuitiva" resultat är rätt en. Drycker som är hypotoniska tenderar att absorberas snabbast, medan isotoniska och hypertoniska drycker absorberas långsammare, mätt genom förändringen i glukoskoncentrationen i blodplasma. Om du någonsin har provat sportdrycker som Gatorade, Powerade eller All Sport, har du förmodligen märkt att de smakar mindre söta än cola eller fruktjuice. detta beror på att de har konstruerats för att ha låg tonicitet.

Tänk på problemet som marina organismer - det vill säga vattenlevande djur som specifikt lever i jordens hav - står inför: De lever inte bara i extremt salt vatten, men de måste få sitt eget vatten och mat från denna mycket hypertoniska lösning av sorterar; Dessutom måste de utsöndra avfallsprodukter i det (mest som kväve, i molekyler som ammoniak, karbamid och urinsyra) samt hämta syre från det.

De dominerande jonerna (laddade partiklar) i havsvatten är, som du förväntar dig, Cl^- (19,4 gram per kilo vatten) och Na⁺ (10,8 g / kg). Andra aktiva osmoler av betydelse i havsvatten inkluderar sulfat (2,7 g / kg), magnesium (1,3 g / kg), kalcium (0,4 g / kg), kalium (0,4 g / kg) och bikarbonat (0,142 gr / kg).

De flesta marina organismer är, som du förväntar dig, isotoniska för havsvatten som en grundläggande följd av evolutionen. de behöver inte använda någon speciell taktik för att upprätthålla jämvikt eftersom deras naturliga tillstånd har gjort det möjligt för dem att överleva där andra organismer inte har och inte kan. Hajar är dock ett undantag och upprätthåller kroppar som är hypertoniska mot havsvatten. De uppnår detta genom två huvudmetoder: De behåller en ovanlig mängd urea i blodet, och urinen de utsöndrar är mycket utspädd eller hypotonisk jämfört med deras inre vätskor.