Hypertonisen liuoksen määritelmä
Hypertonisessa liuoksessa on suurempi liuottimien pitoisuus verrattuna toiseen liuokseen. Vastakkaista liuosta, jonka pitoisuus on pienempi, kutsutaan hypotoniseksi liuokseksi. Tutkijoiden on kuvattava solun sisältöä verrattuna ympäristöön. Jos solu asetetaan hypertoniseen liuokseen, solua pidetään hypotonisena.
Hypertonisen liuoksen yleiskuvaus
Jos solun sytosoli on hypertonista liuosta, se tarkoittaa, että ympäristö on hypotonista eli heikommin konsentroitua. Tällä on suuri merkitys, koska liuoksilla ja vedellä on taipumus virrata tai diffundoitua niiden gradienttia pitkin. Kaksi keskenään sekoitettua liuosta muuttuu lopulta yhdeksi liuokseksi. Jos liuokset on erotettu toisistaan läpäisevällä kalvolla, joka päästää läpi vain vettä, liuokset muuttuvat isotonisiksi, kun vesi liikkuu kahden liuoksen välillä. Isotonisissa liuoksissa on samat pitoisuudet, vaikka niiden tilavuudet voivat olla erilaiset.
Tämä ionien ja veden liikkuminen on erittäin tärkeää soluille. Solut käyttävät ionigradientteja useisiin tarkoituksiin. Esimerkiksi kasvisolut käyttävät hypertonista liuosta keskeisessä tyhjiössään auttaakseen vetämään vettä tyhjiöön. Tämä laajentaa kammiota ja mahdollistaa sen, että kasvit voivat luoda soluihinsa turgoripaineen. Eläinsolut, erityisesti hermosolut, luottavat hypertoniseen liuokseen ja sen sisältämiin ioneihin toimintapotentiaalin tai hermosignaalin luomiseksi. Näiden solujen sähköinen toiminta perustuu hypertonisen liuoksen ionien positiivisiin ja negatiivisiin varauksiin.
Hypertonisen liuoksen esimerkkejä
Ihmisen munuainen
Veden määrän säätämiseksi elimistössä ihmisaivoissa on erityisiä proteiineja, joita kutsutaan osmoreseptoreiksi ja jotka voivat mitata solua ympäröivän ympäristön osmolaarisuutta. Jos ympäristö muuttuu erittäin hypertoniseksi liuokseksi, se johtuu siitä, että veressä ei ole riittävästi vettä liuottimien laimentamiseksi. Hypotalamus vapauttaa hormoneja lisäten samalla munuaisten kalvojen läpäisevyyttä. Munuainen imee uudelleen vettä, joka olisi erittynyt, ja lisää sitä takaisin verenkiertoon. Verestä tulee soluihin verrattuna isotonisempaa, ja normaalit prosessit voivat jatkua.
Merikilpikonnien osmoregulaatio
Suolavesi on makeaan veteen verrattuna hypertoninen liuos. Tämä tarkoittaa sitä, että jotta solut voisivat toimia, niissä on oltava sytosolia, joka on suolavettä hypertonisempi liuos. Esimerkiksi merikilpikonnat elävät paljon hypertonisemmassa liuoksessa verrattuna makean veden kilpikonniin. Jos makean veden kilpikonna laitetaan meriveteen, hypertoninen merivesi kuivattaa kilpikonnan. Sen sijaan, että vesi hydratoisi sitä, liukoisempi merivesi vetää vettä elimistöstä tasapainottaakseen osmolaarisuuden eron.
Tämästä esteestä selviytyäkseen merikilpikonnat ja muut merieläimet ovat kehittäneet ainutlaatuisia reittejä, joiden avulla ne pystyvät poistamaan ylimääräiset suolat. Suolat siirtyvät ruoansulatuskanavasta verenkiertoon. Kun ne saavuttavat suolarauhasen, ne poistetaan. Näin luodaan sisäinen ympäristö, jossa on enemmän liuenneita aineita, mutta joka ei menetä liikaa vettä ympäristöön.
Kasvit hypertonisessa liuoksessa
Kasvit elävät yleensä mieluummin hypotonisessa ympäristössä. Hypotonisessa ympäristössä vesi tulvii helposti kasvien soluihin, ja ne voivat pysyä paisuneina eli jäykkinä, koska niiden soluseinämiin kohdistuu paineita veden tulon vuoksi. Kasvit käyttävät tätä vesipotentiaalia antaakseen keholleen rakenteen ja siirtääkseen vettä juurista kasvin latvaan. Monet kasvit ovat kuitenkin sopeutuneet elämään hypertonisissa ympäristöissä. Merenrantaniityillä, mangrovensuolla ja muissa murtovesissä on paljon suurempi suolapitoisuus kuin makeassa vedessä. Maaperä kyllästyy näillä suoloilla, jolloin maaperässä on paljon korkeampi liukoisten aineiden pitoisuus.
Useimmat kasvit kuihtuisivat, jos ne istutettaisiin tällaiseen elinympäristöön, mutta erityinen kasviryhmä, joka tunnetaan nimellä halofyytit, on kehittynyt voittamaan tämän esteen. Lisäämällä juurtensa osmolaarisuutta kasvit pystyvät siirtymään solun sisällä olevasta hypotonisesta ympäristöstä ympäristöön verrattuna sytosolissa olevaan hypertoniseen liuokseen. Tämä alentaa juurisolujen vesipotentiaalia ja mahdollistaa veden pääsyn soluihin. Solut joko varastoivat ylimääräiset suolat juuriin tai kuljettavat suolat lehtiin, jossa ne voidaan erittää rauhasten kautta.
Solu hypertonisessa liuoksessa
Soluja ympäröivä plasmakalvo on erityinen läpäisevä kalvo, joka erottaa solun sisällön ympäristöstä. Plasmakalvoon on upotettu erityisiä kalvokuljetusproteiineja, jotka auttavat kuljettamaan liuottuneita aineita läpi. Siinä on myös erityisiä proteiinikanavia, joita kutsutaan akvaporiineiksi ja joiden avulla vesi voi virrata vapaasti kalvon läpi. Solun on käytettävä energiaa liuottimien aktiiviseen siirtämiseen soluun ja solusta ulos. Jos liuottimia on liikaa, sytosolista tulee ympäristöön verrattuna hypertoninen liuos. Solut, joissa ei ole soluseinää, voivat puhjeta tässä tilassa.
Ympäristön liian vähäinen määrä liuottimia muuttuu hypertoniseksi liuokseksi. Tällöin tapahtuu päinvastoin, kun vesi siirtyy ulos solusta. Vesi liikkuu liuottimien konsentraatiogradienttia vastaan siirtyen alueilta, joilla liuottimien konsentraatio on alhainen, alueille, joilla liuottimien konsentraatio on korkea. Toisessa mielessä vesi liikkuu veden konsentraatiogradientin mukana, korkean vesipitoisuuden alueilta matalan vesipitoisuuden alueille.
Organismit, jotka säätelevät solujensa osmolaarisuutta, tunnetaan osmoregulaattoreina. Tyypillisesti solut pyrkivät pitämään sytoplasmansa hypertonisena liuoksena ympäristöön verrattuna. Vaikka tämä aiheuttaa tiettyjä rakenteellisia ongelmia, se mahdollistaa veden vapaan virtauksen solun läpi ja osallistumisen moniin tarvittaviin reaktioihin. Jos solut olisivat hypotonisia, ne menettäisivät lopulta suurimman osan vedestään ympäristöön. Muilla eliöillä, osmokonformereilla, on sama osmolaarisuus kuin ympäristöllä, vaikka tarkat liuokset voivat olla erilaisia. Näin varmistetaan, että ne eivät menetä eivätkä saa paljon vettä.