Hypertonische Lösung Definition
Eine hypertonische Lösung enthält eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als eine andere Lösung. Die gegenüberliegende Lösung mit einer geringeren Konzentration wird als hypotone Lösung bezeichnet. Die Wissenschaftler müssen den Zellinhalt im Vergleich zur Umgebung beschreiben. Befindet sich eine Zelle in einer hypertonen Lösung, wird sie als hypoton bezeichnet.
Übersicht über hypertone Lösungen
Wenn das Zytosol der Zelle eine hypertone Lösung ist, bedeutet dies, dass die Umgebung hypoton ist, also eine geringere Konzentration aufweist. Dies ist von großer Bedeutung, da gelöste Stoffe und Wasser dazu neigen, entlang ihres Gradienten zu fließen oder zu diffundieren. Zwei Lösungen, die miteinander vermischt werden, werden schließlich zu einer einzigen Lösung. Wenn die Lösungen durch eine durchlässige Membran getrennt sind, die nur Wasser durchlässt, werden die Lösungen isotonisch, wenn sich das Wasser zwischen den beiden Lösungen bewegt. Isotonische Lösungen haben gleiche Konzentrationen, obwohl sie unterschiedliche Volumina haben können.
Diese Bewegung von Ionen und Wasser ist für Zellen äußerst wichtig. Zellen nutzen Ionengradienten für eine Reihe von Zwecken. So verwenden Pflanzenzellen beispielsweise eine hypertone Lösung in ihrer zentralen Vakuole, um Wasser in die Vakuole zu ziehen. Dadurch wird die Kammer vergrößert und die Pflanzen können in ihren Zellen einen Turgordruck erzeugen. Tierische Zellen, insbesondere Nervenzellen, sind auf eine hypertone Lösung und die darin enthaltenen Ionen angewiesen, um ein Aktionspotenzial oder ein Nervensignal zu erzeugen. Die elektrische Aktivität dieser Zellen hängt von den positiven und negativen Ladungen der Ionen in der hypertonischen Lösung ab.
Beispiele für hypertonische Lösungen
Humane Niere
Um die Wassermenge im Körper zu regulieren, verfügt das menschliche Gehirn über spezielle Proteine, die Osmorezeptoren genannt werden und die Osmolarität der Umgebung der Zelle messen können. Wenn die Umgebung zu einer stark hypertonen Lösung wird, liegt das daran, dass nicht genügend Wasser im Blut vorhanden ist, um die gelösten Stoffe zu verdünnen. Der Hypothalamus schüttet Hormone aus, die die Durchlässigkeit der Membranen in der Niere erhöhen. Die Niere resorbiert das Wasser, das eigentlich ausgeschieden werden sollte, und führt es dem Blutkreislauf wieder zu. Das Blut wird im Vergleich zu den Zellen isotonischer, und die normalen Prozesse können weiterlaufen.
Osmoregulation der Meeresschildkröte
Im Vergleich zu Süßwasser ist Salzwasser eine hypertone Lösung. Das bedeutet, dass die Zellen, um zu funktionieren, ein Zytosol enthalten müssen, das eine hypertonischere Lösung als Salzwasser ist. Meeresschildkröten zum Beispiel leben in einer viel hypertonischeren Lösung als Süßwasserschildkröten. Setzt man eine Süßwasserschildkröte in Meerwasser, so dehydriert das hypertone Meerwasser die Schildkröte. Anstatt durch das Wasser hydratisiert zu werden, entzieht das lösungsdichte Meerwasser dem Körper Wasser, um den Unterschied in der Osmolarität auszugleichen.
Um dieses Hindernis zu überwinden, haben Meeresschildkröten und andere Meerestiere einzigartige Wege entwickelt, um überschüssige Salze zu entfernen. Die Salze wandern vom Verdauungstrakt in den Blutkreislauf. Wenn sie die Salzdrüse erreichen, werden sie entfernt. Auf diese Weise entsteht ein inneres Milieu mit einem höheren Gehalt an gelösten Stoffen, das jedoch keine übermäßigen Wassermengen an die Umwelt abgibt.
Pflanzen in hypertoner Lösung
Im Allgemeinen bevorzugen Pflanzen ein hypotones Milieu. In einer hypotonischen Umgebung werden die Pflanzenzellen leicht von Wasser überflutet und können aufgrund des Drucks, der durch den Wasserzufluss auf die Zellwände ausgeübt wird, schwülstig oder steif bleiben. Die Pflanzen nutzen dieses Wasserpotenzial, um ihren Körpern Struktur zu verleihen und Wasser von den Wurzeln in den oberen Teil der Pflanze zu transportieren. Viele Pflanzen haben sich jedoch an ein Leben in hypertonischer Umgebung angepasst. Sümpfe am Meer, Mangrovensümpfe und andere Brackwasser enthalten einen viel höheren Salzgehalt als Süßwasser. Der Boden ist mit diesen Salzen gesättigt, was zu einer viel höheren Konzentration gelöster Stoffe im Boden führt.
Die meisten Pflanzen würden verkümmern, wenn sie in diesen Lebensraum verpflanzt würden, aber eine spezielle Gruppe von Pflanzen, die so genannten Halophyten, hat sich entwickelt, um dieses Hindernis zu überwinden. Durch die Erhöhung der Osmolarität ihrer Wurzeln sind die Pflanzen in der Lage, von einer im Vergleich zur Umgebung hypotonen Umgebung innerhalb der Zelle zu einer hypertonen Lösung im Zytosol überzugehen. Dadurch sinkt das Wasserpotenzial der Wurzelzellen und Wasser kann in die Zellen eindringen. Die Zellen speichern die überschüssigen Salze entweder in den Wurzeln oder transportieren sie zu den Blättern, wo sie über Drüsen ausgeschieden werden können.
Eine Zelle in hypertoner Lösung
Die Plasmamembran, die die Zellen umgibt, ist eine spezielle durchlässige Membran, die den Inhalt der Zelle von der Umgebung trennt. In die Plasmamembran sind spezielle Membrantransportproteine eingebettet, die den Transport von gelösten Stoffen unterstützen. Außerdem verfügt sie über spezielle Proteinkanäle, die so genannten Aquaporine, die es dem Wasser ermöglichen, frei durch die Membran zu fließen. Die Zelle muss Energie aufwenden, um gelöste Stoffe aktiv in die Zelle hinein und aus ihr heraus zu bewegen. Wenn zu viele gelöste Stoffe vorhanden sind, wird das Zytosol im Vergleich zur Umgebung zu einer hypertonen Lösung. Zellen ohne Zellwände können in diesem Zustand platzen.
Zu wenig gelöste Stoffe in der Umgebung werden zur hypertonen Lösung. In diesem Fall tritt das Gegenteil ein, da Wasser aus der Zelle fließt. Das Wasser bewegt sich gegen den Konzentrationsgradienten der gelösten Stoffe und bewegt sich von Bereichen mit geringer Konzentration gelöster Stoffe zu Bereichen mit hoher Konzentration gelöster Stoffe. In einem anderen Sinne bewegt sich das Wasser mit dem Konzentrationsgradienten von Bereichen mit hoher Wasserkonzentration zu Bereichen mit niedriger Wasserkonzentration.
Organismen, die die Osmolarität ihrer Zellen regulieren, werden als Osmoregulatoren bezeichnet. Normalerweise versuchen die Zellen, ihr Zytoplasma im Vergleich zur Umgebung in einer hypertonen Lösung zu halten. Dies bringt zwar gewisse strukturelle Probleme mit sich, ermöglicht es aber dem Wasser, frei durch die Zelle zu fließen und an vielen notwendigen Reaktionen teilzunehmen. Wären die Zellen hypoton, würden sie schließlich den größten Teil ihres Wassers an die Umgebung verlieren. Andere Organismen, die Osmokonformer sind, haben die gleiche Osmolarität wie die Umgebung, auch wenn die genauen gelösten Stoffe unterschiedlich sein können. Dadurch wird sichergestellt, dass sie weder viel Wasser verlieren noch gewinnen.