Roztwór hipertoniczny Definicja
Roztwór hipertoniczny zawiera większe stężenie solutów w porównaniu z innym roztworem. Przeciwny roztwór o niższym stężeniu jest znany jako roztwór hipotoniczny. Naukowcy muszą opisać zawartość komórki w porównaniu do środowiska. Jeśli komórka jest umieszczona w roztworze hipertonicznym, komórka jest uważana za hipotoniczną.
Przegląd roztworów hipertonicznych
Jeśli cytozol komórki jest roztworem hipertonicznym, oznacza to, że środowisko jest hipotoniczne, czyli bardziej słabo stężone. Ma to duże znaczenie, ponieważ rozpuszczalniki i woda mają tendencję do przepływu lub dyfuzji wzdłuż ich gradientów. Dwa zmieszane ze sobą roztwory staną się w końcu jednym roztworem. Jeśli roztwory są oddzielone przepuszczalną membraną, która przepuszcza tylko wodę, roztwory staną się izotoniczne, ponieważ woda przemieszcza się pomiędzy dwoma roztworami. Roztwory izotoniczne mają jednakowe stężenia, choć mogą mieć różne objętości.
Ten ruch jonów i wody jest niezwykle ważny dla komórek. Komórki wykorzystują gradienty jonowe do wielu celów. Na przykład, komórki roślinne używają roztworu hipertonicznego w ich centralnej wakuoli, aby pomóc przyciągnąć wodę do wakuoli. To rozszerza komorę i pozwala roślinom na wytworzenie ciśnienia turgorowego w komórkach. Komórki zwierzęce, zwłaszcza komórki nerwowe, polegają na roztworze hipertonicznym i zawartych w nim jonach, aby wytworzyć potencjał czynnościowy lub sygnał nerwowy. Aktywność elektryczna tych komórek opiera się na dodatnich i ujemnych ładunkach jonów w roztworze hipertonicznym.
Przykłady roztworów hipertonicznych
Nerki ludzkie
Aby regulować ilość wody w organizmie, ludzki mózg posiada specjalne białka zwane osmoreceptorami, które mogą mierzyć osmolarność środowiska otaczającego komórkę. Jeśli środowisko staje się wysoce hipertoniczny roztwór, to dlatego, że nie ma wystarczającej ilości wody we krwi, aby rozcieńczyć rozpuszczalniki. Podwzgórze uwalnia hormony, jednocześnie zwiększając przepuszczalność błon w nerkach. Nerki resorbują wodę, która zostałaby wydalona i dodają ją z powrotem do krwiobiegu. Krew staje się bardziej izotoniczna w stosunku do komórek, a normalne procesy mogą być kontynuowane.
Osmoregulacja żółwia morskiego
W porównaniu z wodą słodką, słona woda jest roztworem hipertonicznym. Oznacza to, że aby komórki mogły funkcjonować, muszą zawierać cytozol, który jest roztworem bardziej hipertonicznym niż słona woda. Żółwie morskie, na przykład, żyją w znacznie bardziej hipertonicznym roztworze w porównaniu do żółwi słodkowodnych. Jeśli umieścimy żółwia słodkowodnego w wodzie morskiej, hipertoniczna woda morska spowoduje jego odwodnienie. Zamiast być uwodnionym przez wodę, gęsta od solutu woda oceaniczna wyciągnie wodę z ciała, aby zrównoważyć różnicę w osmolarności.
Aby pokonać tę przeszkodę, żółwie morskie i inne zwierzęta morskie rozwinęły unikalne ścieżki usuwania nadmiaru soli. Sole przemieszczają się z przewodu pokarmowego do krwiobiegu. Kiedy docierają do gruczołu solnego, są usuwane. To tworzy środowisko wewnętrzne, które jest wyższe w rozpuszczalnikach, ale takie, które nie traci nadmiaru ilości wody do środowiska.
Rośliny w roztworze hipertonicznym
Generalnie, rośliny wolą żyć w środowisku hipotonicznym. W środowisku hipotonicznym, woda łatwo zalewa komórki roślinne i mogą one pozostać turgid, lub sztywne, ze względu na ciśnienia wywierane na ich ścianach komórkowych przez napływ wody. Rośliny wykorzystują ten potencjał wody, aby nadać swoim organizmom strukturę i przemieszczać wodę z korzeni na szczyt rośliny. Jednak wiele roślin przystosowało się do życia w środowisku hipertonicznym. Bagna nadmorskie, namorzyny i inne wody słonawe zawierają znacznie większą zawartość soli niż woda słodka. Gleba staje się nasycona tymi solami, tworząc znacznie wyższe stężenie solutu w glebie.
Większość roślin skurczyłaby się, gdyby zostały przeszczepione do tego siedliska, ale specjalna grupa roślin, znana jako halofity, ewoluowała, aby pokonać tę przeszkodę. Poprzez zwiększenie osmolarności swoich korzeni, rośliny są w stanie zmienić z hipotonicznego środowiska wewnątrz komórki w porównaniu do środowiska, do hipertonicznego roztworu w cytozolu. Obniża to potencjał wodny komórek korzeni i pozwala wodzie wnikać do wnętrza komórek. Komórki albo przechowują nadmiar soli w korzeniach, albo transportują sole do liści, gdzie mogą być wydalone z gruczołów.
Komórka w roztworze hipertonicznym
Błona plazmatyczna, która otacza komórki, jest specjalną przepuszczalną błoną, która oddziela zawartość komórki od środowiska. Błona plazmatyczna jest osadzona na specjalnych białkach transportowych, które pomagają transportować rozpuszczalniki w poprzek. Posiada ona również specjalne kanały białkowe zwane akwaporynami, które umożliwiają swobodny przepływ wody przez błonę. Komórka musi zużywać energię, aby aktywnie przemieszczać rozpuszczalniki do i z komórki. Zbyt wiele rozpuszczalników i cytozol stanie się roztworem hipertonicznym w stosunku do środowiska. Komórki bez ścian komórkowych mogą w tym stanie pęknąć.
Zbyt mała ilość solutów w środowisku stanie się roztworem hipertonicznym. W tym przypadku nastąpi sytuacja odwrotna, gdyż woda będzie się przemieszczać poza komórkę. Woda porusza się wbrew gradientowi stężeń solutów, przemieszczając się z obszarów o niskim stężeniu solutu do obszarów o wysokim stężeniu solutu. W innym sensie, woda porusza się z gradientem stężenia wody, z obszarów o wysokim stężeniu wody do obszarów o niskim stężeniu wody.
Organizmy, które regulują osmolarność swoich komórek są znane jako osmoregulatory. Zazwyczaj komórki starają się utrzymać swoją cytoplazmę jako roztwór hipertoniczny w stosunku do środowiska. Chociaż stwarza to pewne problemy strukturalne, pozwala wodzie swobodnie przepływać przez komórkę i uczestniczyć w wielu niezbędnych reakcjach. Gdyby komórki były hipotoniczne, w końcu straciłyby większość wody na rzecz środowiska. Inne organizmy, osmokonformery, mają taką samą osmolarność jak środowisko, chociaż dokładne rozpuszczalniki mogą być inne. To zapewnia, że nie tracą ani nie zyskują dużej ilości wody.