Большинство людей знают, что соленые продукты имеют свойство вызывать жажду. Возможно, вы также заметили, что очень сладкие продукты, как правило, делают то же самое. Это связано с тем, что соль (в виде ионов натрия и хлорида) и сахара (в виде молекул глюкозы) функционируют как активные осмолы при растворении в жидкостях организма, в первую очередь в сывороточном компоненте крови. Это означает, что при растворении в водном растворе или биологическом эквиваленте они могут влиять на направление движения воды поблизости. (Раствор - это просто вода с растворенным в ней одним или несколькими другими веществами.)

«Тон» в смысле мышц означает «упругость» или иным образом подразумевает нечто, что фиксируется перед лицом конкурирующих сил натяжения. Тоничность в химии относится к тенденции растворения воды в воде по сравнению с каким-либо другим раствором. Исследуемый раствор может быть гипотоническим, изотоническим или гипертоническим по сравнению с контрольным раствором. Гипертонические решения имеют большое значение в контексте жизни на Земле.

Измерение концентрации

Прежде чем обсуждать последствия относительных и абсолютных концентраций растворов, важно понять, каким образом их количественно определяют и выражают в аналитической химии и биохимии.

Часто концентрация твердых веществ, растворенных в воде (или других жидкостях), выражается просто в единицах массы, деленных на объем. Например, уровень глюкозы в сыворотке обычно измеряется в граммах глюкозы на децилитр (десятая часть литра) сыворотки или г / дл. (Это использование массы, деленной на объем, аналогично тому, которое используется для расчета плотности, за исключением того, что при измерениях плотности исследуется только одно вещество, например, граммы свинца на кубический сантиметр свинца.) Масса растворенного вещества на единицу объема растворитель также является основой для измерения «процентной массы»; например, 60 г сахарозы, растворенной в 1000 мл воды, представляют собой 6-процентный раствор углеводов (60/1000 = 0,06 = 6%).

Однако с точки зрения градиентов концентрации, которые влияют на движение воды или частиц, важно знать общее количество частиц на единицу объема независимо от их размера. Именно это, а не общая растворенная масса, влияет на это движение, хотя это может быть нелогичным. Для этого ученые чаще всего используют молярность (М), которая представляет собой число молей вещества на единицу объема (обычно литр). Это, в свою очередь, определяется молярной массой или молекулярной массой вещества. По общему правилу, один моль вещества содержит 6,02 × 1023 частиц, из которых получается количество атомов ровно в 12 граммах элементарного углерода. Молярная масса вещества - это сумма атомных весов составляющих его атомов. Например, формула для глюкозы - C6H12O6, а атомные массы углерода, водорода и кислорода равны 12, 1 и 16 соответственно. Следовательно, молярная масса глюкозы составляет (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 г.

Таким образом, чтобы определить молярность 400 мл раствора, содержащего 90 г глюкозы, вы сначала определяете количество молей присутствующей глюкозы:

(90 г) × (1 моль / 180 г) = 0,5 моль

Разделите это на количество литров, чтобы определить молярность:

(0,5 моль) / (0,4 л) = 1,25 М

Градиенты концентрации и сдвиги жидкости

Частицы, которые могут свободно перемещаться в растворе, сталкиваются друг с другом случайным образом, и со временем направления отдельных частиц, возникающие в результате этих столкновений, взаимно компенсируются, так что чистое изменение концентрации не приводит. Говорят, что решение находится в равновесии в этих условиях. С другой стороны, если большее количество растворенного вещества вводится в локализованную часть растворов, увеличение частоты столкновений, которое следует, приводит к чистому перемещению частиц из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией. Это называется диффузией и способствует окончательному достижению равновесия, другие факторы остаются постоянными.

Картина резко меняется, когда в смесь вводятся полупроницаемые мембраны. Клетки заключены именно такими мембранами; «полупроницаемый» означает просто, что некоторые вещества могут проходить через него, а другие - нет. Что касается клеточных мембран, небольшие молекулы, такие как вода, кислород и углекислый газ, могут перемещаться в клетку и из нее посредством простой диффузии, избегая белков и липидных молекул, образующих большую часть мембраны. Однако большинство молекул, включая натрий (Na +), хлорид (Cl-) и глюкозу, не могут, даже если есть разница в концентрации между внутренней частью клетки и внешней частью клетки.

Осмос

Осмос, поток воды через мембрану в ответ на различные концентрации растворенного вещества с обеих сторон мембраны, является одним из наиболее важных концепций клеточной физиологии, которые необходимо освоить. Около трех четвертей человеческого организма состоит из воды и аналогично для других организмов. Баланс жидкости и сдвиги жизненно важны для буквального выживания на мгновение.

Тенденция возникновения осмоса называется осмотическим давлением, а растворенные вещества, которые приводят к осмотическому давлению, что не все из них, называются активными осмолами. Чтобы понять, почему это происходит, полезно думать о самой воде как о «растворенном веществе», которое перемещается с одной стороны полупроницаемой мембраны на другую в результате собственного градиента концентрации. Там, где концентрация растворенного вещества выше, «концентрация воды» ниже, что означает, что вода будет течь в направлении от высокой концентрации к низкой концентрации, как и любая другая активная осмоля. Вода просто движется, чтобы выровнять концентрационные расстояния. Короче говоря, именно поэтому вы испытываете жажду, когда вы едите соленую еду: ваш мозг реагирует на повышенную концентрацию натрия в вашем теле, предлагая вам добавить больше воды в систему - это сигнализирует о жажде.

Феномен осмоса заставляет вводить прилагательные для описания относительной концентрации растворов. Как уже упоминалось выше, вещество, которое является менее концентрированным, чем эталонный раствор, называется гипотоническим («гипо» в переводе с греческого означает «под» или «дефицит»). Когда два раствора одинаково сконцентрированы, они являются изотоническими («изо» означает «один и тот же»). Когда раствор более концентрированный, чем эталонный раствор, он является гипертоническим («гипер» означает «больше» или «избыток»).

Дистиллированная вода является гипотонической для морской воды; морская вода является гипертонической по отношению к дистиллированной воде. Два вида соды, которые содержат одинаковое количество сахара и других растворенных веществ, являются изотоническими.
Тоничность и индивидуальные клетки

Представьте себе, что может случиться с живой клеткой или группой клеток, если содержимое было высоко концентрированным по сравнению с окружающими тканями, то есть, если клетка или клетки гипертоничны по отношению к окружающей среде. Учитывая то, что вы узнали об осмотическом давлении, вы можете ожидать, что вода попадет в клетку или группу клеток, чтобы компенсировать более высокую концентрацию растворенных веществ внутри.

Это именно то, что происходит на практике. Например, эритроциты человека, формально называемые эритроцитами, обычно имеют форму диска и вогнуты с обеих сторон, как пирог, который был зажат. Если они помещены в гипертонический раствор, вода имеет тенденцию оставлять красные кровяные клетки, оставляя их свернутыми и выглядящими «колючим» под микроскопом. Когда клетки помещают в гипотонический раствор, вода имеет тенденцию перемещаться и раздувать клетки, чтобы компенсировать градиент осмотического давления - иногда до такой степени, что они не просто набухают, а разрушаются. Поскольку клетки, взрывающиеся внутри тела, обычно не являются благоприятным исходом, ясно, что критически важно избегать значительных перепадов осмотического давления в соседних клетках в тканях.

Гипертонические решения и спортивное питание

Если вы участвуете в очень длительных тренировках, таких как бег на 26,2 мили или триатлон (плавание, велопрогулка и бег), то того, что вы съели заранее, может быть недостаточно для поддержания вас в течение продолжительного времени. события, потому что ваши мышцы и печень могут хранить только столько топлива, большая часть которого находится в форме цепей глюкозы, называемой гликогеном. С другой стороны, употребление чего-либо, кроме жидкости, во время интенсивных упражнений может быть как логистически сложным, так и у некоторых людей вызывающим тошноту. В идеале вы должны принимать жидкости какой-либо формы, потому что они, как правило, легче для желудка, и вам нужна очень сахаросодержащая (то есть концентрированная) жидкость, чтобы доставить максимальное количество топлива для работающих мышц.

Или вы? Проблема с этим очень правдоподобным подходом заключается в том, что когда вещества, которые вы едите или пьете, поглощаются вашим кишечником, этот процесс зависит от осмотического градиента, который имеет тенденцию вытягивать вещества из пищи из внутренней части кишечника в кровь, выстилающую кишечник, благодаря быть захваченным движением воды. Когда жидкость, которую вы потребляете, является высококонцентрированной, то есть, если она гипертонична для жидкостей, выстилающих кишечник, она нарушает этот нормальный осмотический градиент и «всасывает» воду обратно в кишечник из внешней среды, вызывая поглощение питательных веществ, чтобы остановить и победить вся цель принимать сладкие напитки на ходу.

На самом деле, спортивные ученые изучили относительную степень поглощения различных спортивных напитков, содержащих различные концентрации сахара, и обнаружили, что этот «нелогичный» результат является правильным. Напитки, которые являются гипотоническими, имеют тенденцию поглощаться наиболее быстро, в то время как изотонические и гипертонические напитки поглощаются медленнее, что измеряется по изменению концентрации глюкозы в плазме крови. Если вы когда-либо пробовали спортивные напитки, такие как Gatorade, Powerade или All Sport, вы, вероятно, заметили, что они на вкус менее сладкие, чем кола или фруктовый сок; это потому, что они были разработаны, чтобы быть низким в тонусе.

Гипертонус и морские организмы

Рассмотрим проблему, с которой сталкиваются морские организмы, то есть водные животные, которые конкретно живут в океанах Земли: они не только живут в чрезвычайно соленой воде, но и должны получать свою собственную воду и пищу из этого вида гипертонического сорта; Кроме того, они должны выделять в него отходы (в основном в виде азота, в таких молекулах, как аммиак, мочевину и мочевую кислоту), а также получать из него кислород.

Преобладающими ионами (заряженными частицами) в морской воде являются, как и следовало ожидать, Cl- (19,4 г на килограмм воды) и Na + (10,8 г / кг). Другие активные осмолы, значимые в морской воде, включают сульфат (2,7 г / кг), магний (1,3 г / кг), кальций (0,4 г / кг), калий (0,4 г / кг) и бикарбонат (0,142 г / кг).

Большинство морских организмов, как вы могли ожидать, изотоничны морской воде как основному следствию эволюции; им не нужно применять какую-либо специальную тактику для поддержания равновесия, потому что их естественное состояние позволило им выжить там, где другие организмы не имеют и не могут. Акулы, однако, являются исключением, поддерживая тела, которые гипертоничны к морской воде. Они достигают этого двумя основными методами: они сохраняют необычное количество мочевины в крови, а выделяемая ими моча очень разбавленная или гипотоническая по сравнению с их внутренними жидкостями.