Roztwór hipotoniczny
n., liczba mnoga: roztwory hipotoniczne
Definicja: Roztwór, który ma mniejszą ilość solutów niż inny roztwór, z którym jest porównywany
Spis treści
Roztwór hipotoniczny Definicja
Co to jest roztwór hipotoniczny? Odnosi się do roztworu, który zawiera mniejszą ilość solutu w porównaniu ze stężeniem solutu w innym roztworze przez błonę półprzepuszczalną.
W tym miejscu ważne jest, aby zrozumieć, co oznacza „roztwór” w nauce. Roztwór w nauce jest określany jako jednorodny system składający się z dwóch lub więcej składników. Składniki, które są rozpuszczane są znane jako „soluty”, a inny składnik, który rozpuszcza soluty jest znany jako rozpuszczalnik.
Hypotoniczność jest terminem względnym, w którym właściwość roztworu jest określona w stosunku do innego roztworu. W biologii, w większości przypadków, roztworem porównawczym jest płyn cytozolowy lub płyn obecny wewnątrz komórki. Tak więc, w biologii, roztwór zostałby zdefiniowany jako hipotoniczny, jeśli zawierałby mniejszą ilość rozpuszczalników niż cytozol komórki. Błona komórkowa jest błoną półprzepuszczalną. Co więc dzieje się z komórką wystawioną na działanie środowiska hipotonicznego? Czy komórka będzie się kurczyć w roztworze hipotonicznym? …czy też będzie pęcznieć? Komórka wystawiona na działanie środowiska hipotonicznego będzie miała napływ wody i w wyniku tego dochodzi do pęcznienia komórki.
Toniczność
Aby mieć głębsze zrozumienie tego pojęcia, musimy zrozumieć pojęcie toniczności. Zasadniczo toniczność jest względnym terminem behawioralnym, w którym ilość niepenetrujących solutów określa zachowanie lub ruch cząsteczek rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną membranę. Jest to bardzo istotne, aby zrozumieć, że właściwość jest regulowana tylko przez niepenetrujące soluty, a nie ilość całkowitych solutów. Teraz, mając jasność co do koncepcji toniczności, możemy zrozumieć trzy różne rodzaje roztworów, tj. hipotoniczny, hipertoniczny i izotoniczny.
Hipertoniczność
Przedrostkiem słowa toniczność jest „hyper”, co oznacza „więcej” lub „nadmiar”. Tak więc, roztwór zawierający większą ilość niepenetrujących solutów w porównaniu do innego roztworu przez błonę półprzepuszczalną. Rozważmy komórkę umieszczoną w roztworze hipertonicznym. W środowisku hipertonicznym ilość niepenetrujących solutów w roztworze poza cytozolem byłaby wyższa niż stężenie w cytozolu. W wyniku tej różnicy stężeń przez błonę półprzepuszczalną wytwarza się gradient osmotyczny. Powoduje to odpływ („wypływ”) rozpuszczalnika, co prowadzi do kurczenia się komórki.
Izotoniczność
Przedrostkiem słowa toniczność jest „iso”, co oznacza „taki sam”. Stąd, gdy dwa roztwory przepływające przez błonę półprzepuszczalną zawierają taką samą ilość niepenetrujących solutów, są one znane jako izotoniczne. W takim przypadku, ze względu na brak gradientu osmotycznego, komórka nie będzie się ani kurczyć, ani pęcznieć, ponieważ nie będzie ruchu netto cząsteczek rozpuszczalnika. W odniesieniu do surowicy krwi, każdy roztwór o toniczności w zakresie 280 – 300 mOsm/l jest określany jako izotoniczny dla krwi. Klasycznym przykładem roztworu izotonicznego jest 0,9% chlorek sodu.
Hipotoniczność
Przedrostkiem do toniczności (co oznacza pchać lub pchać) jest „hypo”, co oznacza „niski”. W biologii, hipotoniczność jest definiowana jako roztwory o niskiej ilości lub stężeniu niepenetrujących solutów w porównaniu z innymi roztworami przez półprzepuszczalną membranę. Tak więc, jeśli komórka zostanie umieszczona w roztworze hipotonicznym, w którym ilość niepenetrujących solutów jest mniejsza, a stężenie wody jest wyższe niż w cytozolu. W wyniku działania środowiska hipotonicznego wytwarza się gradient osmotyczny, który powoduje przemieszczanie się rozpuszczalnika lub wody do wnętrza komórki, co skutkuje jej pęcznieniem. W ten sposób komórka umieszczona w roztworze hipotonicznym pęcznieje i w końcu ulega lizie. Ale co oznacza liza?
Rycina 1: Różnica w zachowaniu komórki zwierzęcej i roślinnej w warunkach hipotonicznych, izotonicznych i hipertonicznych.
„Lizę” definiuje się jako przerwanie ciągłości błony komórkowej, które może być wywołane przez gradient osmotyczny, wirusy lub enzymy. Liza jest procesem aktywności polegającym na lizie. 'Liza' jest definiowana jako rozpad dużych cząstek na mniejsze. Tak więc czynniki te są opisywane jako lityczne, które mogą powodować całkowite przerwanie ciągłości błony komórkowej, co prowadzi do śmierci komórki.
W tym miejscu ważne jest, aby mieć jasność pomiędzy podobnymi terminami: plazmoliza i cytoliza. Plazmoliza to kurczenie się komórki po umieszczeniu jej w środowisku hipertonicznym z powodu odpływu wody z komórek. W komórkach zwierzęcych, ze względu na brak ściany komórkowej, komórka kurczy się. Natomiast w przypadku komórek roślinnych, odpływ wody z komórek powoduje oderwanie błony komórkowej od ściany komórkowej i powstanie szczelin lub kieszonek pomiędzy ścianą komórkową a błoną komórkową. Cytolizę obserwuje się, gdy komórka umieszczona jest w roztworze hipotonicznym. Ze względu na gradient osmotyczny, cząsteczki wody przemieszczają się do wnętrza komórki, co powoduje jej pęcznienie, a w konsekwencji rozerwanie i rozpad. Cytoliza obserwowana jest tylko w komórkach zwierzęcych i pierwotniakach. W zależności od tego, jaka komórka ulega cytolizie, można ją określić jako „hemolizę” (lizę czerwonych krwinek), „onkolizę” (lizę komórek nowotworowych) itp.
Występowanie ściany komórkowej i wakuoli chroni komórkę roślinną przed cytolizą. Wakuole pobierają nadmiar wody, dociskając błonę komórkową do ściany komórkowej, która z kolei wywiera przeciwny nacisk zwany ciśnieniem turgorowym. Tak więc, plazmoliza i cytoliza to dwa przeciwstawne warunki, które występują odpowiednio w warunkach hipertonicznych i hipotonicznych.
Oglądnij poniższy film, aby zrozumieć obrazowe przedstawienie losów komórki w roztworach hipertonicznych i hipotonicznych.
Przykłady roztworów hipotonicznych
W biologii, roztwory hipotoniczne są klasyfikowane w odniesieniu do surowicy krwi. W odniesieniu do surowicy krwi, roztwory o osmolarności mniejszej niż 280 mOsm/litr są określane jako roztwory hipotoniczne. Sól fizjologiczna hipotoniczna, tj, 0,45% chlorek sodu lub 0,25% chlorek sodu z lub bez dekstrozy, 2,5% roztwór dekstrozy itp. to niektóre przykłady roztworów hipotonicznych, które są hipotoniczne w odniesieniu do surowicy krwi i są stosowane jako hipotoniczne roztwory dożylne.
Czy woda jest roztworem hipotonicznym?
Woda jest archetypowym przykładem roztworu hipotonicznego. Chociaż, ponownie będzie to subiektywne do rozwiązania, które jest porównywane. Woda jest rozpuszczalnikiem i oczyszczona woda destylowana zawsze będzie hipotoniczna w porównaniu do roztworu wodnego solutu zawierającego dowolną ilość solutu. Oczyszczona woda destylowana jest pozbawiona jakiejkolwiek substancji i dlatego uważa się ją za hipotoniczną w stosunku do każdego wodnego roztworu solutu.
Biologiczne znaczenie roztworów hipotonicznych
Toniczność jest niezbędna do utrzymania procesów życiowych. Protisty, takie jak paramecia i ameby, są w stanie zachować sztywną strukturę dzięki regulacji toniczności, mimo że nie posiadają cytoszkieletu ani ściany komórkowej. Protisty te żyją na ogół w środowisku hipotonicznym, przez co następuje ciągły napływ wody. Aby utrzymać strukturę komórkową i zapobiec lizie komórki, protisty te mają wyspecjalizowane organy znane jako wakuole kurczliwe, które funkcjonują w celu gromadzenia nadmiaru wody z komórki i ostatecznie wyrzucają ten nadmiar wody.
W środowisku hipotonicznym ciągły napływ wody powoduje wytwarzanie ciśnienia turgorowego w komórkach roślinnych. Rośliny wykorzystują to ciśnienie turgorowe do zapewnienia struktury i sztywności ich struktury.
Grzyby (jak grzyby) i rośliny regulują swoje otoczenie w celu utrzymania warunków hipotonicznych w ich komórce. W wyniku hipotonicznego środowiska, napływ wody spowoduje wytworzenie ciśnienia turgorowego. W ten sposób komórki pozostają w stanie wyprostowanym, utrzymując sztywność swojej struktury.
Rośliny wykorzystują również to ciśnienie do transportu wody w całym swoim ciele roślinnym tj. od korzeni do górnej łodygi roślin. Tak więc, gdy rośliny nie są podlewane przez długi czas, hipertoniczne środowisko jest tworzone wokół nich i tracą ciśnienie turgoru dając zwiędły wygląd.
Przy ponownym nawadnianiu takich roślin, ciśnienie turgoru jest regenerowane i rośliny odzyskują swój kształt i strukturę. Obszary bagienne i lasy namorzynowe mają wysoce hipertoniczne środowisko z powodu wysokiej zawartości soli. Normalna roślina zwiędnie w takich ekstremalnych warunkach hipertonicznych. Jednak rośliny żyjące na terenach bagiennych i w lasach namorzynowych przystosowały się do stworzenia hipertonicznych warunków cytozolowych w swoich komórkach korzeniowych. W ten sposób powstałe hipotoniczne środowisko zewnętrzne wokół korzeni pomaga tym roślinom absorbować wodę z otoczenia.
Przeczytaj: Plant Water Regulation (Tutorial)
Podobnie, wszystkie zwierzęta wodne żyjące w wodzie morskiej lub słodkiej są wyposażone do kontrolowania efektu osmozy poprzez mechanizm znany jako osmoregulacja. Z powodu tej osmoregulacji, zawartość soli w wodzie jest krytyczna dla życia wodnego w każdym zbiorniku wodnym. Żółwie morskie przystosowały się do tworzenia hipertonicznego środowiska wewnętrznego za pomocą gruczołów solnych. W wyniku hipertonicznego środowiska wewnętrznego, środowisko zewnętrzne relatywnie staje się dla nich hipotoniczne i w ten sposób pomaga tym zwierzętom morskim przetrwać nawet w wysoce hipertonicznym środowisku.
Przeczytaj: Animal Water Regulation (Tutorial)
Toniczność i gradient osmotyczny jest powodem, dla którego ryby słodkowodne nie mogą przetrwać w wodzie morskiej i odwrotnie. Woda słodka jest jednym z przykładów roztworu hipotonicznego. Tak więc komórki ryb słodkowodnych mają wyższe stężenie soli niż otaczająca je woda z rzeki lub jeziora. Ryby te przystosowały się i rozwinęły system ciągłego wypłukiwania nadmiaru wody z organizmu. Jeśli jednak ryby słodkowodne zostaną wystawione na działanie wody morskiej, będą miały komórki hipotoniczne w porównaniu do zewnętrznego środowiska hipertonicznego. W takich warunkach, usuwanie wody z ich ciała nastąpi i to w końcu odwodnić je i zginąć. Tak więc, wahania w zawartości soli w wodzie drastycznie wpływają na populację ryb w każdym zbiorniku wodnym.
Medycznie, utrata nadmiernej ilości sodu w porównaniu do utraty wody powoduje zmniejszenie osmolarności surowicy, prowadząc tym samym do stanu znanego jako odwodnienie hipotoniczne (lub hiponatremia). Zmniejszona osmolarność surowicy powoduje napływ wody z przestrzeni zewnątrzkomórkowej do przestrzeni wewnątrzkomórkowej, co prowadzi do obrzęku komórek i obrzęku. Zaburzenie równowagi sodowej skutkuje wystąpieniem objawów neurologicznych, takich jak nudności, ból głowy, dezorientacja, utrata przytomności, osłabienie lub zanik odruchu ścięgnistego, osłupienie i senność, co ostatecznie prowadzi do śpiączki i śmierci. Ważne jest, aby zrozumieć, że odwodnienie hipotoniczne jest w rzeczywistości obrzęk komórek i obrzęk z powodu nadmiernej retencji wody. Stan ten może wystąpić z powodu nadmiernej utraty płynów z powodu rany lub oparzenia, przewlekłej biegunki, choroby Addisona, kwasicy cewkowej nerek, przewlekłego stosowania dożylnych płynów hipotonicznych lub zwykłej soli fizjologicznej u pacjentów, mukowiscydozy i przewlekłego stosowania leków moczopędnych. Jak powszechnie zalecają lekarze, leczenie odwodnienia hipotonicznego rozpoczyna się od podania 3% hipertonicznej soli fizjologicznej lub 0,9% izotonicznej soli fizjologicznej (w zależności od przewlekłości stanu) wraz z ciągłym monitorowaniem poziomu sodu w surowicy w celu zapobiegania mielinolizie.
- Lang, I., Sassmann, S., Schmidt, B., & Komis, G. (2014). Plasmolysis: Loss of Turgor and Beyond. Plants (Basel, Switzerland), 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). Isotonic versus hypotonic solutions for maintenance intravenous fluid administration in children. 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. Annals of surgery, 189(5), 546-552. https://doi.org/10.1097/00000658-197905000-00002
- Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. (2000). Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; Section 15.8, Osmosis, Water Channels, and the Regulation of Cell Volume. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21739/
- Malińska, L., Rybska, E., Sobieszczuk-Nowicka, E., & Adamiec, M. (2016). Teaching about Water Relations in Plant Cells: An Uneasy Struggle. CBE life sciences education, 15(4), ar78. https://doi.org/10.1187/cbe.15-05-0113
.