De flesta människor är medvetna om att salt mat har egenskapen att framkalla törst. Du kanske också har märkt att mycket söt mat tenderar att göra samma sak. Detta beror på att salt (som natrium- och kloridjoner) och sockerarter (som glukosmolekyler) fungerar som aktiva osmoler när de löses upp i kroppsvätskor, främst blodets serumkomponent. Detta innebär att de, när de löses i vattenlösning eller den biologiska motsvarigheten, har potential att påverka i vilken riktning närliggande vatten kommer att röra sig. (En lösning är helt enkelt vatten med ett eller flera andra ämnen lösta i det.)
”Ton”, i betydelsen muskler, betyder ”spändhet” eller på annat sätt antyder något som är fixerat inför konkurrerande dragkrafter. Tonicitet, i kemi, hänvisar till en lösnings tendens att dra in vatten jämfört med någon annan lösning. Lösningen som studeras kan vara hypoton, isoton eller hyperton jämfört med referenslösningen. Hypertoniska lösningar har avsevärd betydelse i samband med livet på jorden.
Mäta koncentration
Innan man diskuterar implikationerna av relativa och absoluta koncentrationer av lösningar är det viktigt att förstå hur dessa kvantifieras och uttrycks i analytisk kemi och biokemi.
Ofta uttrycks koncentrationen av fasta ämnen lösta i vatten (eller andra vätskor) helt enkelt i massenheter dividerat med volym. Till exempel mäts serumglukos vanligtvis i gram glukos per deciliter (tiondels liter) serum, eller g/dL. (Denna användning av massa dividerat med volym liknar den som används för att beräkna densitet, förutom att i densitetsmätningar finns det bara ett ämne som studeras, t.ex. gram bly per kubikcentimeter bly.) Massa löst ämne per volymenhet av lösningsmedel är också grunden för ”massaprocent”-mätningar; till exempel är 60 g sackaros löst i 1 000 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 veta det totala antalet partiklar per volymenhet, oavsett deras storlek . Det är denna, inte totala lösta massan, som påverkar denna rörelse, även om den är kontraintuitiv. För detta använder forskare oftast molaritet (M), vilket är antalet mol av ett ämne per volymenhet (vanligtvis en liter). Detta i sin tur specificeras av molmassan, eller molekylvikten, av ett ämne. Enligt konvention innehåller en mol av ett ämne 6,02 × 1023
partiklar, härledda från detta är antalet atomer i exakt 12 gram elementärt kol. Molmassan av 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 av 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 finns närvarande:
(90 g) × (1 mol/180 g) = 0,5 mol
Dividera detta med antalet närvarande liter för att bestämma molaritet :
(0,5 mol)/(0,4 L) = 1,25 M
Koncentrationsgradienter och vätskeförskjutningar
Partiklar som är fria att röra sig i lösning kolliderar med varandra slumpmässigt, och med tiden tar de individuella partiklarnas riktningar till följd av dessa kollisioner ut varandra så att ingen nettoförändring i koncentrationen blir resultatet. Lösningen sägs vara i jämvikt under dessa förhållanden. Å andra sidan, om mer löst ämne introduceras i en lokaliserad del av lösningarna, resulterar den ökade frekvensen av kollisioner som följer i en nettoförflyttning av partiklar från områden med högre koncentration till områden med lägre koncentration. Detta kallas diffusion och bidrar till det ultimata uppnåendet av jämvikt, andra faktorer hålls konstanta.
Bilden förändras drastiskt när semipermeabla membran introduceras i blandningen. Celler är inneslutna av just sådana membran; ”semi-permeabel” betyder helt enkelt att vissa ämnen kan passera 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 undvika de proteiner och lipidmolekyler som bildar större delen av membranet. De flesta molekyler, dock, inklusive natrium (Na+), klorid (Cl-) och glukos kan inte, även när det finns en koncentrationsskillnad mellan cellens inre och cellens yttre.
Osmos
Osmos, flödet av vatten över ett membran som svar på olika koncentrationer av lösta ämnen på vardera sidan av membranet, är ett av de viktigaste cellfysiologiska koncepten att bemästra. Omkring tre fjärdedelar av människokroppen består av vatten, och på liknande sätt för andra organismer. Vätskebalans och skiftningar är avgörande för bokstavlig överlevnad från ögonblick till ögonblick.
Tendensen att osmos uppstår 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 själva vattnet som ett ”löst ämne” som rör sig från ena sidan av det semipermeabla membranet till den andra som ett resultat av sin egen koncentrationsgradient. Där koncentrationen av lösta ämnen är högre är ”vattenkoncentrationen” lägre, vilket betyder att vatten kommer att flöda i en riktning från hög koncentration till låg koncentration precis som alla andra aktiva osmoler. Vatten rör sig helt enkelt för att jämna ut koncentrationsavstånd. I ett nötskal, det är därför du blir törstig när du äter en salt måltid: Din hjärna reagerar på den ökade natriumkoncentrationen i din kropp genom att be dig sätta mer vatten i systemet – det signalerar törst.
Fenomenet osmos tvingar införandet av adjektiv för att beskriva den relativa koncentrationen av lösningar. Som berörts ovan kallas ett ämne som är mindre koncentrerat än en referenslösning hypoton (”hypo'” är grekiska 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 hypotont mot havsvatten; havsvatten är hypertoniskt till destillerat vatten. Två sorters läsk som innehåller exakt samma mängd socker och andra lösta ämnen är isotoniska.
Tonicitet och individuella celler
Föreställ dig vad som kan hända med en levande cell eller grupp av celler om innehållet var mycket koncentrerat jämfört med den omgivande vävnader, det vill säga om cellen eller cellerna är hypertona mot sin omgivning. Med tanke på vad du har lärt dig om osmotiskt tryck skulle du förvänta dig att vatten flyttar in i cellen eller gruppen av celler för att kompensera för den högre koncentrationen av lösta ämnen på insidan.
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 vatten att lämna de röda blodkropparna, vilket gör att de kollapsar och ser ”taggiga” ut under ett mikroskop. När cellerna placeras i en hypoton lösning, tenderar vatten att röra sig in och svälla cellerna för att kompensera för den osmotiska tryckgradienten – ibland till den grad att det inte bara svullnar utan att cellerna sprängs. Eftersom celler som exploderar inuti kroppen i allmänhet inte är ett gynnsamt resultat, är det tydligt att det är avgörande att undvika stora osmotiska tryckskillnader i närliggande celler i vävnader.
Hypertoniska lösningar och sportnäring
Om du är är engagerad i en mycket lång träningsperiod, till exempel ett 26,2 mils löpmaraton eller ett triathlon (en simning, en cykeltur och en löpning), kanske det du har ätit i förväg inte räcker för att upprätthålla dig under hela evenemanget eftersom dina muskler och lever bara kan lagra så mycket bränsle, varav det mesta är i form av kedjor av glukos som kallas glykogen. Å andra sidan kan det vara både logistiskt svårt och, hos vissa människor, illamående att få i sig något förutom vätska under intensiv träning. Helst skulle du då ta in vätskor av någon form eftersom dessa tenderar att vara lättare för magen, och du skulle vilja ha en mycket sockertung (det vill säga koncentrerad) vätska för att leverera maximalt bränsle till de arbetande musklerna.
Eller skulle du? Problemet med detta mycket rimliga tillvägagångssätt är att när ämnen du äter eller dricker absorberas av din tarm, bygger denna process på en osmotisk gradient som tenderar att dra ämnen i maten från insidan av tarmen till blodet som kantar din tarm, tack vare svepas upp av vattnets rörelse. När vätskan du konsumerar är högkoncentrerad – det vill säga om den är hypertonisk mot vätskorna som kantar tarmen – stör den denna normala osmotiska gradient och ”suger” vatten tillbaka in i tarmen från utsidan, vilket gör att absorptionen av näringsämnen stannar och bryter ner. hela syftet med att ta in sockerdrycker på språng.
I själva verket har idrottsforskare studerat den relativa absorptionshastigheten för olika sportdrycker som innehåller varierande koncentrationer av socker och har funnit att detta är ”motintuitivt ”resultatet är det korrekta. Drycker som är hypotona tenderar att absorberas snabbast, medan isotoniska och hypertona 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 sött än cola eller fruktjuice; detta beror på att de har konstruerats för att ha låg tonicitet.
Hypertonicitet och marina organismer
Tänk på problemet med att marina organismer – det vill säga vattenlevande djur som specifikt lever i jordens hav – ansikte: De lever inte bara i extremt salt vatten, utan de måste få sitt eget vatten och mat från denna mycket hypertona lösning av slag; dessutom måste de utsöndra avfallsprodukter i det (mest som kväve, i molekyler som ammoniak, urea och urinsyra) samt få syre från det.
Den övervägande joner (laddade partiklar) i havsvatten är, som du kan förvänta dig, Cl–(19,4 gram per kilogram 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, som man kan förvänta sig, är isotoniska med havsvatten som en grundläggande konsekvens 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 huvudsakliga metoder: De behåller en ovanlig mängd urea i blodet, och urinen de utsöndrar är mycket utspädd, eller hypoton, jämfört med deras inre vätskor.
