De meeste mensen zijn zich ervan bewust dat zout voedsel de eigenschap heeft dorst te veroorzaken. Misschien heb je ook gemerkt dat heel zoet voedsel vaak hetzelfde doet. Dit komt omdat zout (als natrium- en chloride-ionen) en suikers (als glucosemoleculen) functioneren als actieve osmolen wanneer opgelost in lichaamsvloeistoffen, voornamelijk de serumcomponent van bloed. Dit betekent dat, wanneer opgelost in waterige oplossing of het biologische equivalent, ze het potentieel hebben om de richting te beïnvloeden waarin water in de buurt zal bewegen. (Een oplossing is gewoon water met een of meer andere stoffen erin opgelost.)

"Tone" in de zin van spieren betekent "strakheid" of impliceert anders iets dat is opgelost in het gezicht van concurrerende trekken -stijl krachten. Tonicity verwijst in de chemie naar de neiging van een oplossing om water aan te zuigen in vergelijking met een andere oplossing. De onderzochte oplossing kan hypotoon, isotoon of hypertonisch zijn in vergelijking met de referentieoplossing. Hypertonische oplossingen hebben een aanzienlijke betekenis in de context van het leven op aarde.
Concentratie meten

Voordat we de implicaties van relatieve en absolute concentraties van oplossingen bespreken, is het belangrijk om te begrijpen hoe deze worden gekwantificeerd en uitgedrukt in analytische chemie en biochemie.

Vaak wordt de concentratie van vaste stoffen opgelost in water (of andere vloeistoffen) eenvoudig uitgedrukt in massa-eenheden gedeeld door volume. Serumglucose wordt bijvoorbeeld gewoonlijk gemeten in gram glucose per deciliter (tiende van een liter) serum, of g /dL. (Dit gebruik van massa gedeeld door volume is vergelijkbaar met dat gebruikt om de dichtheid te berekenen, behalve dat bij dichtheidsmetingen er slechts één stof wordt bestudeerd, bijv. Gram lood per kubieke centimeter lood.) Massa opgeloste stof per volume-eenheid van oplosmiddel is ook de basis voor "massapercentages"; bijvoorbeeld 60 g sucrose opgelost in 1000 ml water is een 6 procent koolhydraatoplossing (60 /1.000 \u003d 0,06 \u003d 6%).

In termen van concentratiegradiënten die de beweging van water of deeltjes beïnvloeden, het is echter belangrijk om het totale aantal deeltjes per volume-eenheid te kennen, ongeacht hun grootte. Het is deze, niet de totale opgeloste massa, die deze beweging beïnvloedt, hoe contra-intuïtief ook. Hiervoor gebruiken wetenschappers meestal molariteit (M) ,
, dat is het aantal mol van een stof per volume-eenheid (meestal een liter). Dit wordt op zijn beurt gespecificeerd door de molaire massa of het molecuulgewicht van een stof. Volgens afspraak bevat een mol van een stof 6,02 x 10 <23 deeltjes, waarvan hieruit het aantal atomen in precies 12 gram elementaire koolstof is afgeleid. De molaire massa van een stof is de som van de atoomgewichten van de samenstellende atomen. De formule voor glucose is bijvoorbeeld C6H62020 en de atoommassa's van koolstof, waterstof en zuurstof zijn respectievelijk 12, 1 en 16. Daarom is de molaire massa glucose (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) \u003d 180 g.

Dus om de molariteit van 400 ml oplossing met 90 g te bepalen glucose, u bepaalt eerst het aantal mol aanwezige glucose:

(90 g) × (1 mol /180 g) \u003d 0,5 mol

Deel dit door het aantal aanwezige liters om te bepalen molariteit:

(0,5 mol) /(0,4 L) \u003d 1,25 M
Concentratiegradiënten en vloeistofverschuivingen

Deeltjes die vrij kunnen bewegen in oplossing botsen willekeurig op elkaar, en na verloop van tijd heffen de richtingen van individuele deeltjes die het gevolg zijn van deze botsingen elkaar op, zodat er geen netto verandering in concentratie ontstaat. Van de oplossing wordt gezegd dat deze onder deze omstandigheden in evenwicht is. Aan de andere kant, als meer opgeloste stof wordt geïntroduceerd in een gelokaliseerd deel van de oplossingen, resulteert de verhoogde frequentie van botsingen die volgt in een netto beweging van deeltjes van gebieden met hogere concentratie naar gebieden met lagere concentratie. Dit wordt diffusie genoemd en draagt bij aan de uiteindelijke verwezenlijking van evenwicht, andere factoren worden constant gehouden.

Het beeld verandert drastisch wanneer semi-permeabele membranen in de mix worden geïntroduceerd. Cellen worden ingesloten door precies dergelijke membranen; "semi-permeabel" betekent eenvoudig dat sommige stoffen kunnen passeren, terwijl andere dat niet kunnen. In termen van celmembranen kunnen kleine moleculen zoals water, zuurstof en koolstofdioxidegas de cel in en uit gaan via eenvoudige diffusie, waarbij de eiwitten en lipidemoleculen het grootste deel van het membraan ontwijken. De meeste moleculen, waaronder natrium (Na ^{+), chloride (Cl -) en glucose kunnen dat echter niet, zelfs niet als er een concentratieverschil is tussen de binnenkant van de cel en de buitenkant van de cel.
Osmose}

Osmose, de stroming van water door een membraan in reactie op differentiële opgeloste stofconcentraties aan weerszijden van het membraan, is een van de belangrijkste cellulaire fysiologieconcepten die beheerst moeten worden. Ongeveer driekwart van het menselijk lichaam bestaat uit water, en op dezelfde manier voor andere organismen. Vochtbalans en verschuivingen zijn van vitaal belang voor letterlijke overleving van moment tot moment.

De neiging tot osmose wordt osmotische druk genoemd, en opgeloste stoffen die resulteren in osmotische druk, wat niet allemaal het geval is, Om te begrijpen waarom het gebeurt, is het nuttig om water zelf te beschouwen als een "opgeloste stof" die van de ene kant van het semipermeabele membraan naar de andere beweegt als gevolg van zijn eigen concentratiegradiënt. Waar de concentratie opgeloste stof hoger is, is de "waterconcentratie" lager, wat betekent dat water in een richting met hoge concentratie naar lage concentratie stroomt, net als elke andere actieve osmol. Water beweegt eenvoudigweg om de concentratieafstanden gelijk te maken. Kortom, dit is waarom je dorst krijgt als je een zoute maaltijd eet: je hersenen reageren op de verhoogde natriumconcentratie in je lichaam door je te vragen meer water in het systeem te doen - het geeft dorst aan.

De fenomeen van osmose dwingt de introductie van bijvoeglijke naamwoorden om de relatieve concentratie van oplossingen te beschrijven. Zoals hierboven vermeld, wordt een stof die minder geconcentreerd is dan een referentieoplossing hypotoon genoemd ("hypo" is Grieks voor "onder" of "tekort"). Wanneer de twee oplossingen even geconcentreerd zijn, zijn ze isotoon ("iso" betekent "hetzelfde"). Wanneer een oplossing meer geconcentreerd is dan de referentieoplossing, is deze hypertoon ("hyper" betekent "meer" of "overmaat").

Gedestilleerd water is hypotoon voor zeewater; zeewater is hypertonisch voor gedestilleerd water. Twee soorten frisdrank die exact dezelfde hoeveelheid suiker en andere opgeloste stoffen bevatten, zijn isotoon.
Toniciteit en individuele cellen

Stel je voor wat er met een levende cel of groep cellen zou kunnen gebeuren als de inhoud sterk geconcentreerd was vergeleken naar de omliggende weefsels, wat betekent dat de cel of cellen hypertonisch zijn voor hun omgeving. Gezien wat je hebt geleerd over osmotische druk, zou je verwachten dat water de cel of groep cellen binnengaat om de hogere concentratie opgeloste stoffen in het inwendige te compenseren.

Dit is precies wat er in de praktijk gebeurt. Bijvoorbeeld, menselijke rode bloedcellen, formeel erytrocyten genoemd, zijn normaal schijfvormig en concaaf aan beide kanten, zoals een cake die is samengeknepen. Als deze in een hypertone oplossing worden geplaatst, neigt water ertoe de rode bloedcellen te verlaten, waardoor ze ingeklapt en "stekelig" lijken onder een microscoop. Wanneer de cellen in een hypotone oplossing worden geplaatst, heeft het de neiging om water binnen te bewegen en de cellen op te blazen om de osmotische drukgradiënt te compenseren - soms tot het punt dat niet alleen de cellen zwellen maar barsten. Aangezien cellen die in het lichaam exploderen, over het algemeen geen gunstig resultaat is, is het duidelijk dat het vermijden van grote osmotische drukverschillen in aangrenzende cellen in weefsels cruciaal is.
Hypertonische oplossingen en sportvoeding

Als u betrokken bent bij een zeer lange periode van oefening, zoals een hardloopmarathon van 26,2 mijl of een triatlon (zwemmen, fietsen en hardlopen), wat u van tevoren hebt gegeten, is mogelijk niet voldoende om u tijdens de duur van het evenement te ondersteunen, omdat uw spieren en lever kan slechts zoveel brandstof opslaan, waarvan de meeste in de vorm van glucoseketens, glycogeen genoemd. Aan de andere kant kan het innemen van iets anders dan vloeistoffen tijdens intensieve training zowel logistiek moeilijk zijn als, bij sommige mensen, misselijkheid opwekkend. In het ideale geval neemt u vloeistoffen van een bepaalde vorm op, omdat deze de neiging hebben gemakkelijker op de maag te zijn en u een zeer suikerrijke (dat wil zeggen geconcentreerde) vloeistof wilt om maximale brandstof aan de werkende spieren te leveren.

Of zou je? Het probleem met deze zeer plausibele benadering is dat wanneer stoffen die je eet of drinkt worden geabsorbeerd door je darm, dit proces berust op een osmotische gradiënt die de neiging heeft om stoffen in voedsel vanuit de binnenkant van de darm naar het bloed langs je darm te trekken, dankzij wordt opgeveegd door de beweging van water. Wanneer de vloeistof die u consumeert zeer geconcentreerd is, dat wil zeggen, als het hypertonisch is voor de vloeistoffen in de darm, verstoort het deze normale osmotische gradiënt en "zuigt" water terug naar de darm van buitenaf, waardoor de opname van voedingsstoffen tot stilstand komt en verslaat het hele doel om suikerhoudende dranken onderweg in te nemen.

In feite hebben sportwetenschappers de relatieve absorptiesnelheid onderzocht van verschillende sportdranken die verschillende concentraties suiker bevatten en vonden dit "contra-intuïtieve" resultaat het juiste een. Dranken die hypotoon zijn, worden meestal het snelst geabsorbeerd, terwijl isotone en hypertone dranken langzamer worden geabsorbeerd, gemeten aan de verandering in glucoseconcentratie in bloedplasma. Als je ooit sportdranken zoals Gatorade, Powerade of All Sport hebt geproefd, heb je waarschijnlijk gemerkt dat ze minder zoet smaken dan cola's of vruchtensap; dit komt omdat ze zo zijn ontwikkeld dat ze weinig toniciteit hebben.
Hypertoniciteit en mariene organismen

Denk eens na over het probleem dat mariene organismen - dat wil zeggen waterdieren die specifiek in de oceanen van de aarde leven - geconfronteerd worden met: leven alleen in extreem zout water, maar ze moeten hun eigen water en voedsel halen uit deze zeer hypertonische oplossing; bovendien moeten ze er afvalproducten uit scheiden (meestal als stikstof, in moleculen zoals ammoniak, ureum en urinezuur) en er zuurstof uit afleiden.

De belangrijkste ionen (geladen deeltjes) in zeewater zijn , zoals je zou verwachten, Cl ^{- (19,4 gram per kilogram water) en Na + (10,8 g /kg). Andere actieve osmolen die van belang zijn in zeewater omvatten sulfaat (2,7 g /kg), magnesium (1,3 g /kg), calcium (0,4 g /kg), kalium (0,4 g /kg) en bicarbonaat (0,142 g /kg).}

De meeste mariene organismen zijn, zoals je zou verwachten, isotoon voor zeewater als een fundamenteel gevolg van evolutie; ze hoeven geen speciale tactieken te gebruiken om het evenwicht te handhaven, omdat hun natuurlijke staat hen in staat heeft gesteld om te overleven waar andere organismen dat niet hebben en niet kunnen. Haaien vormen echter een uitzondering en handhaven lichamen die hypertonisch zijn voor zeewater. Ze bereiken dit via twee hoofdmethoden: ze behouden een ongebruikelijke hoeveelheid ureum in hun bloed, en de urine die ze afscheiden is zeer verdund of hypotoon in vergelijking met hun interne vloeistoffen.