Hypotone oplossing
n., meervoud: hypotone oplossingen
Definitie: Een oplossing die minder opgeloste stoffen bevat dan een andere oplossing waarmee zij wordt vergeleken
Inhoudsopgave
Hypotone oplossing Definitie
Wat is een hypotone oplossing? Het verwijst naar een oplossing die een lagere hoeveelheid opgeloste stof bevat in vergelijking met de concentratie opgeloste stof in de andere oplossing over een semipermeabel membraan.
Hier is het belangrijk te begrijpen wat een ‘oplossing’ betekent in de wetenschap. Een oplossing wordt in de wetenschap aangeduid als een homogeen systeem dat bestaat uit twee of meer bestanddelen. De bestanddelen die worden opgelost staan bekend als “oplosmiddelen” en het andere bestanddeel dat het oplosmiddel oplost staat bekend als oplosmiddel.
Hypotoniciteit is een relatieve term waarin de eigenschap van de oplossing wordt gedefinieerd ten opzichte van de andere oplossing. In de biologie is de te vergelijken oplossing meestal de cytosolvloeistof of de vloeistof die in een cel aanwezig is. In de biologie zou een oplossing dus als hypotoon worden gedefinieerd wanneer zij een geringere hoeveelheid oplosmiddelen bevat dan het cytosol van een cel. Het celmembraan is het semipermeabele membraan. Dus, wat gebeurt er met een cel die wordt blootgesteld aan een hypotone omgeving? Zal een cel krimpen in een hypotone oplossing? …of zal hij opzwellen? Een cel die wordt blootgesteld aan een hypotone omgeving zal een instroom van water hebben en als gevolg daarvan zal de cel opzwellen.
Toniciteit
Om dit begrip beter te kunnen begrijpen, moeten we het begrip toniciteit begrijpen. Toniciteit is een relatief gedragsbegrip waarbij de hoeveelheid niet-penetrerende oplosmiddelen bepalend is voor het gedrag of de beweging van de moleculen van het oplosmiddel over een semipermeabel membraan. Het is zeer belangrijk te begrijpen dat de eigenschap alleen wordt bepaald door de niet-penetrerende oplosmiddelen en niet door de hoeveelheid van de totale hoeveelheid oplosmiddelen. Met deze duidelijkheid van het begrip toniciteit kunnen we drie verschillende soorten oplossingen begrijpen, namelijk hypotone, hypertone en isotone.
Hypertoniciteit
Het voorvoegsel van het woord toniciteit is ‘hyper’, wat ‘meer’ of ‘overmaat’ betekent. Een oplossing die een grotere hoeveelheid van de niet-penetrerende oplosmiddelen bevat dan de andere oplossing over een semipermeabel membraan. Beschouw een cel die in een hypertonische oplossing is geplaatst. In een hypertonisch milieu zou de hoeveelheid niet-penetrerende opgeloste stoffen in de oplossing buiten het cytosol hoger zijn dan de cytosolconcentratie. Als gevolg van dit concentratieverschil wordt een osmotische gradiënt gegenereerd over het semipermeabele membraan. Dit resulteert in de efflux (“uitstromen”) van het oplosmiddel, wat leidt tot inkrimping van de cel.
Isotoniciteit
Hier is het voorvoegsel van het woord toniciteit “iso”, wat “hetzelfde” betekent. Wanneer dus de twee oplossingen over een semipermeabel membraan dezelfde hoeveelheid niet-penetrerende opgeloste stoffen bevatten, staan zij bekend als isotoon. In een dergelijk scenario zal een cel, door de afwezigheid van een osmotische gradiënt, noch krimpen, noch opzwellen, aangezien er geen nettobeweging van de moleculen van het oplosmiddel zou zijn. Met betrekking tot bloedserum wordt elke oplossing met een toniciteit tussen 280 en 300 mOsm/liter isotoon met bloed genoemd. 0,9% natriumchloride is het klassieke voorbeeld van een isotone oplossing.
Hypotoniciteit
Het voorvoegsel voor toniciteit (wat duwen of stuwen betekent) is ‘hypo’, wat ‘laag’ betekent. In de biologie wordt hypotoon gedefinieerd als oplossingen met een lage hoeveelheid of concentratie van de niet-penetrerende oplosmiddelen in vergelijking met de andere oplossing over een semipermeabel membraan. Dus als een cel in een hypotone oplossing wordt geplaatst, waarin de hoeveelheid niet-penetrerende oplosmiddelen in de oplossing lager is en de waterconcentratie hoger is dan die in het cytosol. Als gevolg van het hypotone milieu wordt een osmotische gradiënt gegenereerd die resulteert in de verplaatsing van het oplosmiddel of water in de cel, hetgeen resulteert in de zwelling van de cel. Een cel die in een hypotone oplossing wordt geplaatst, zal dus opzwellen en uiteindelijk lyseren. Maar wat betekent lyseren?
Figuur 1: Verschil in het gedrag van dierlijke cel en plantencel in hypotone, isotone en hypertone omstandigheden.
‘Lysis’ wordt gedefinieerd als de verstoring van het celmembraan, die kan worden geïnduceerd door een osmotische gradiënt, virussen of enzymen. Lysis is het proces van de activiteit om te lyseren. Lyse’ wordt gedefinieerd als het uiteenvallen van grote deeltjes in kleinere. Deze agentia worden dus beschreven als lytisch, wat kan resulteren in een volledige verstoring van het celmembraan, waardoor de cel sterft.
Hierbij is het van belang duidelijkheid te hebben tussen gelijksoortige termen: plasmolyse en cytolyse. Plasmolyse is het krimpen van de cel wanneer deze in een hypertone omgeving wordt geplaatst, doordat het water uit de cellen wordt afgevoerd. In dierlijke cellen krimpt de cel door het ontbreken van een celwand. Bij plantencellen echter leidt de uitstroom van water uit de cellen tot het losraken van het celmembraan van de celwand en het ontstaan van openingen of pockets tussen de celwand en het celmembraan. Cytolyse wordt waargenomen wanneer een cel in een hypotone oplossing wordt geplaatst. Door de osmotische gradiënt zullen de watermoleculen de cel binnendringen, waardoor de cel zal opzwellen en uiteindelijk zal barsten en lyseren. Cytolyse wordt alleen waargenomen bij dierlijke cellen en protozoa. Afhankelijk van de betrokken cel kan de cellyse worden aangeduid als “hemolyse” (lysis van de rode bloedcellen), “oncolyse” (lysis van kankercellen), enz.
Door de aanwezigheid van een celwand en vacuolen wordt de plantencel beschermd tegen cytolyse. De vacuolen nemen het overtollige water op en duwen het celmembraan tegen de celwand, die op zijn beurt tegendruk uitoefent, de zogenaamde turgordruk. Plasmolyse en cytolyse zijn dus twee tegengestelde condities die zich voordoen in respectievelijk hypertone en hypotone omstandigheden.
Bekijk deze video hieronder om de figuurlijke weergave van het lot van een cel in hypertone versus hypotone oplossingen te begrijpen.
Voorbeelden van hypotone oplossingen
In de biologie worden hypotone oplossingen geclassificeerd met verwijzing naar het bloedserum. Met betrekking tot bloedserum worden oplossingen met een osmolariteit van minder dan 280 mOsm/liter aangeduid als hypotone oplossingen. Hypotone zoutoplossing, d.w.z, 0,45% natriumchloride of 0,25% natriumchloride met of zonder dextrose, 2,5% dextrose-oplossing, enz. zijn enkele voorbeelden van hypotone oplossingen die hypotoon zijn ten opzichte van het bloedserum en worden gebruikt als hypotone intraveneuze oplossingen.
Is water een hypotone oplossing?
Water is het archetypische voorbeeld van een hypotone oplossing. Maar ook dit is weer afhankelijk van de oplossing die wordt vergeleken. Water is een oplosmiddel en gezuiverd gedestilleerd water zal altijd hypotoon zijn in vergelijking met de waterige oplossing van een opgeloste stof die een willekeurige hoeveelheid van de opgeloste stof bevat. Gezuiverd gedestilleerd water bevat geen enkele stof en wordt daarom als hypotoon beschouwd ten opzichte van elke waterige oplossing van een opgeloste stof.
Biologisch belang van hypotone oplossingen
Toniciteit is essentieel voor de instandhouding van levensprocessen. Protisten, zoals paramecia en amoeben, zijn in staat hun stijve structuur te behouden dankzij toniciteitsregulering, ook al bezitten zij geen cytoskelet of celwand. Deze protisten leven over het algemeen in een hypotone omgeving, waardoor een voortdurende instroom van water optreedt. Om de celstructuur in stand te houden en cellyse te voorkomen, hebben deze protisten een gespecialiseerd orgaan, de zogenaamde contractiele vacuolen, die een teveel aan water uit de cel accumuleren en uiteindelijk wegwerpen.
In een hypotone omgeving resulteert een voortdurende instroom van water in de opwekking van turgordruk in plantencellen. De planten gebruiken deze turgordruk om structuur en stijfheid aan hun structuur te geven.
Fungi (zoals paddestoelen) en planten reguleren hun omgeving om hypotone condities in hun cel te handhaven. Als gevolg van de hypotone omgeving zal de instroom van water resulteren in het opwekken van turgordruk. Zo blijven de cellen rechtop staan en blijft de stijfheid van hun structuur behouden.
De planten gebruiken deze druk ook om water door hun hele plantenlichaam te transporteren, d.w.z. van de wortels tot de bovenste stengel van de planten. Wanneer planten lange tijd geen water krijgen, ontstaat er een hypertonisch milieu en verliezen ze hun turgor-druk, waardoor ze er verwelkt uitzien.
Als dergelijke planten opnieuw water krijgen, wordt de turgordruk hersteld en krijgen de planten hun vorm en structuur terug. Moerassige gebieden en mangroven hebben een zeer hypertonisch milieu als gevolg van het hoge zoutgehalte. Een normale plant zal verwelken in dergelijke extreme hypertonische omstandigheden. Planten in moerassige gebieden en mangroves hebben zich echter aangepast om een hypertonische cytosoltoestand in hun wortelcellen te creëren. Een hypotone omgeving rond de wortels helpt deze planten om water uit de omgeving op te nemen.
Lees: Plant Water Regulation (Tutorial)
Ook alle waterdieren die in zeewater of zoet water leven, zijn in staat het effect van osmose te beheersen via een mechanisme dat osmoregulatie wordt genoemd. Door deze osmoregulatie is het zoutgehalte in het water van doorslaggevend belang voor het waterleven in om het even welk waterlichaam. Zeeschildpadden hebben zich aangepast om een hypertonisch intern milieu te creëren met behulp van zoutklieren. Als gevolg van het hypertonische interne milieu wordt het externe milieu relatief hypotoon voor hen en zo helpen deze zeedieren om zelfs in het zeer hypertonische milieu te overleven.
Lees: Animal Water Regulation (Tutorial)
Toniciteit en de osmotische gradiënt zijn de reden waarom zoetwatervissen niet in het zeewater kunnen overleven en omgekeerd. Zoet water is een van de voorbeelden van een hypotone oplossing. De cellen van de zoetwatervissen hebben dus een hogere zoutconcentratie dan het omringende rivier- of meerwater. Deze vissen hebben zich aangepast en een systeem ontwikkeld om het overtollige water voortdurend uit hun lichaam te spoelen. Indien zoetwatervissen echter worden blootgesteld aan zeewater, zouden de zoetwatervissen hypotone cellen hebben in vergelijking met de externe hypertonische omgeving. In dergelijke omstandigheden zal water uit hun lichaam worden verwijderd, waardoor ze uiteindelijk zouden uitdrogen en omkomen. Fluctuaties in het zoutgehalte van het water hebben dus een drastische invloed op de vispopulatie in om het even welk water.
Medisch gezien leidt het verlies van de overtollige hoeveelheid natrium in vergelijking met het verlies van water tot een verlaagde serum osmolariteit, wat leidt tot een toestand die bekend staat als hypotone dehydratie (of hyponatremie). Een verlaagde osmolariteit van het serum leidt tot een instroom van water van de extracellulaire ruimte naar de intracellulaire ruimte, waardoor de cellen opzwellen en oedeem gaan vertonen. Deze natrium-onbalans leidt tot het optreden van neurologische symptomen zoals misselijkheid, hoofdpijn, verwardheid, bewusteloosheid, zwakte of het verdwijnen van de peesreflex, stupor en lethargie, wat uiteindelijk tot coma en de dood kan leiden. Het is belangrijk te begrijpen dat hypotone dehydratatie in feite celzwelling en oedeem is ten gevolge van overmatige waterretentie. Deze aandoening kan optreden door overmatig vochtverlies ten gevolge van wonden of brandwonden, chronische diarree, de ziekte van Addison, renale tubulaire acidose, chronisch gebruik van intraveneuze hypotone vloeistoffen of gewone zoutoplossing bij patiënten, Cystic fibrosis, en chronisch gebruik van diuretica. Zoals gewoonlijk voorgeschreven door de artsen, wordt de behandeling van hypotone dehydratatie gestart met 3% hypertone zoutoplossing of 0,9% isotone zoutoplossing (afhankelijk van de chroniciteit van de aandoening), samen met continue monitoring van het serumnatriumgehalte om myelinolyse te voorkomen.
- Lang, I., Sassmann, S., Schmidt, B., & Komis, G. (2014). Plasmolyse: Verlies van Turgor en verder. Plants (Basel, Zwitserland), 3(4), 583-593. https://doi.org/10.3390/plants3040583
- McNab, S., Ware, R. S., Neville, K. A., Choong, K., Coulthard, M. G., Duke, T., Davidson, A., & Dorofaeff, T. (2014). Isotone versus hypotone oplossingen voor onderhoud intraveneuze vochttoediening bij kinderen. The Cochrane database of systematic reviews, (12), CD009457. https://doi.org/10.1002/14651858.CD009457.pub2
- Caldwell, F. T., & Bowser, B. H. (1979). Critical evaluation of hypertonic and hypotonic solutions to resuscitate severely burned children: a prospective study. Annalen van chirurgie, 189(5), 546-552. https://doi.org/10.1097/00000658-197905000-00002
- Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. (2000). Moleculaire Celbiologie. 4e editie. New York: W. H. Freeman; Paragraaf 15.8, Osmosis, Water Channels, and the Regulation of Cell Volume. Verkrijgbaar bij: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21739/
- Malińska, L., Rybska, E., Sobieszczuk-Nowicka, E., & Adamiec, M. (2016). Lesgeven over Waterrelaties in Plantencellen: Een ongemakkelijke worsteling. CBE levenswetenschappen onderwijs, 15(4), ar78. https://doi.org/10.1187/cbe.15-05-0113