La mayoría de las personas saben que los alimentos salados tienen la propiedad de inducir sed. Quizás también haya notado que los alimentos muy dulces tienden a hacer lo mismo. Esto se debe a que la sal (como iones de sodio y cloruro) y los azúcares (como moléculas de glucosa) funcionan como osmoles activos cuando se disuelven en fluidos corporales, principalmente el componente sérico de la sangre. Esto significa que, cuando se disuelven en solución acuosa o el equivalente biológico, tienen el potencial de influir en la dirección en la que se moverá el agua cercana. (Una solución es simplemente agua con una o más sustancias disueltas en ella).

"Tono", en el sentido de los músculos, significa "tirantez" o de otra manera implica algo que se arregla frente a la competencia. -fuerzas de estilo. La tonicidad, en química, se refiere a la tendencia de una solución a extraer agua en comparación con alguna otra solución. La solución en estudio puede ser hipotónica, isotónica o hipertónica en comparación con la solución de referencia. Las soluciones hipertónicas tienen una importancia considerable en el contexto de la vida en la Tierra.
Medición de la concentración

Antes de analizar las implicaciones de las concentraciones relativas y absolutas de soluciones, es importante comprender las formas en que se cuantifican y expresan. en química analítica y bioquímica.

A menudo, la concentración de sólidos disueltos en agua (u otros fluidos) se expresa simplemente en unidades de masa divididas por volumen. Por ejemplo, la glucosa en suero generalmente se mide en gramos de glucosa por decilitro (décima de litro) de suero, o g /dL. (Este uso de la masa dividida por el volumen es similar al utilizado para calcular la densidad, excepto que en las mediciones de densidad, solo hay una sustancia en estudio, por ejemplo, gramos de plomo por centímetro cúbico de plomo). Masa de soluto por unidad de volumen de el solvente es también la base para las mediciones de "porcentaje de masa"; por ejemplo, 60 g de sacarosa disuelta en 1,000 mL de agua es una solución de carbohidratos al 6 por ciento (60 /1,000 \u003d 0.06 \u003d 6%).

En términos de gradientes de concentración que afectan el movimiento de agua o partículas, Sin embargo, es importante conocer el número total de partículas por unidad de volumen, independientemente de su tamaño. Es esta, no la masa total de solutos, la que influye en este movimiento, por contradictorio que sea. Para esto, los científicos usan más comúnmente la molaridad (M) , que es el número de moles de una sustancia por unidad de volumen (generalmente un litro). Esto a su vez se especifica por la masa molar, o peso molecular, de una sustancia. Por convención, un mol de una sustancia contiene 6.02 × 10 ^{23 partículas, derivado de esto es el número de átomos en exactamente 12 gramos de carbono elemental. La masa molar de una sustancia es la suma de los pesos atómicos de sus átomos constituyentes. Por ejemplo, la fórmula para la glucosa es C _{6H 12O 6 y las masas atómicas de carbono, hidrógeno y oxígeno son 12, 1 y 16 respectivamente. Por lo tanto, la masa molar de glucosa es (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) \u003d 180 g.}}

Por lo tanto, para determinar la molaridad de 400 ml de solución que contiene 90 g de glucosa, primero determina el número de moles de glucosa presente:

(90 g) × (1 mol /180 g) \u003d 0.5 mol

Divida esto por el número de litros presentes para determinar molaridad:

(0.5 mol) /(0.4 L) \u003d 1.25 M
Gradientes de concentración y cambios de fluidos

Las partículas que se mueven libremente en solución chocan entre sí al azar, y con el tiempo, las direcciones de las partículas individuales resultantes de estas colisiones se cancelan entre sí para que no se produzca un cambio neto en la concentración. Se dice que la solución está en equilibrio en estas condiciones. Por otro lado, si se introduce más soluto en una porción localizada de las soluciones, la mayor frecuencia de colisiones que sigue resulta en un movimiento neto de partículas desde áreas de mayor concentración a áreas de menor concentración. Esto se llama difusión y contribuye al logro final del equilibrio, otros factores se mantienen constantes.

La imagen cambia drásticamente cuando se introducen membranas semipermeables en la mezcla. Las células están encerradas por tales membranas; "semipermeable" significa simplemente que algunas sustancias pueden pasar mientras que otras no. En términos de membranas celulares, las moléculas pequeñas como el agua, el oxígeno y el gas de dióxido de carbono pueden entrar y salir de la célula mediante difusión simple, esquivando las proteínas y las moléculas de lípidos que forman la mayor parte de la membrana. Sin embargo, la mayoría de las moléculas, incluido el sodio (Na ^{+), el cloruro (Cl -) y la glucosa no pueden, incluso cuando hay una diferencia de concentración entre el interior de la célula y el exterior de la célula.
Osmosis}

La ósmosis, el flujo de agua a través de una membrana en respuesta a las concentraciones diferenciales de soluto a cada lado de la membrana, es uno de los conceptos de fisiología celular más importantes para dominar. Alrededor de las tres cuartas partes del cuerpo humano se compone de agua, y de manera similar para otros organismos. El equilibrio y los cambios de fluidos son vitales para la supervivencia literal en cada momento.

La tendencia de la ósmosis a ocurrir se llama presión osmótica, y los solutos que resultan en presión osmótica, lo que no todos hacen, se llaman osmoles activos. Para entender por qué sucede, es útil pensar en el agua como un "soluto" que se mueve de un lado de la membrana semipermeable al otro como resultado de su propio gradiente de concentración. Cuando la concentración de soluto es mayor, la "concentración de agua" es menor, lo que significa que el agua fluirá en una dirección de alta concentración a baja concentración como cualquier otra osmole activa. El agua simplemente se mueve para igualar las distancias de concentración. En pocas palabras, esta es la razón por la que tiene sed cuando come una comida salada: su cerebro responde al aumento de la concentración de sodio en su cuerpo al pedirle que ponga más agua en el sistema, lo que indica sed.

El El fenómeno de la ósmosis obliga a la introducción de adjetivos para describir la concentración relativa de soluciones. Como se mencionó anteriormente, una sustancia que está menos concentrada que una solución de referencia se llama hipotónica ("hipo" es griego para "bajo" o "deficiencia"). Cuando las dos soluciones están igualmente concentradas, son isotónicas ("iso" significa "igual"). Cuando una solución está más concentrada que la solución de referencia, es hipertónica ("hiper" significa "más" o "exceso").

El agua destilada es hipotónica al agua de mar; El agua de mar es hipertónica al agua destilada. Dos tipos de refrescos que contienen exactamente la misma cantidad de azúcar y otros solutos son isotónicos.
Tonicidad y células individuales

Imagínese lo que le sucedería a una célula viva o grupo de células si el contenido estuviera altamente concentrado en comparación a los tejidos circundantes, es decir, si la célula o las células son hipertónicas a su entorno. Dado lo que ha aprendido sobre la presión osmótica, esperaría que el agua se mueva hacia la célula o grupo de células para compensar la mayor concentración de solutos en el interior.

Esto es exactamente lo que sucede en la práctica. Por ejemplo, los glóbulos rojos humanos, formalmente llamados eritrocitos, normalmente tienen forma de disco y cóncavos en ambos lados, como una torta que ha sido pellizcada. Si se colocan en una solución hipertónica, el agua tiende a dejar los glóbulos rojos, dejándolos colapsados y con un aspecto "puntiagudo" bajo un microscopio. Cuando las células se colocan en una solución hipotónica, el agua tiende a moverse e hinchar las células para compensar el gradiente de presión osmótica, a veces hasta el punto no solo de hincharse sino de reventar las células. Dado que las células que explotan dentro del cuerpo generalmente no es un resultado favorable, está claro que es importante evitar grandes diferencias de presión osmótica en las células adyacentes en los tejidos.
Soluciones hipertónicas y nutrición deportiva

Si está involucrado en un Ejercicio de ejercicio muy largo, como un maratón de carrera de 26.2 millas o un triatlón (nadar, andar en bicicleta y correr), lo que haya comido de antemano puede no ser suficiente para sostenerlo durante la duración del evento porque sus músculos y el hígado solo puede almacenar tanto combustible, la mayor parte en forma de cadenas de glucosa llamadas glucógeno. Por otro lado, ingerir cualquier cosa además de líquidos durante el ejercicio intenso puede ser logísticamente difícil y, en algunas personas, inducir náuseas. Idealmente, entonces, tomarías líquidos de alguna forma porque estos tienden a ser más fáciles para el estómago, y querrías un líquido muy pesado en azúcar (es decir, concentrado) para entregar el máximo combustible a los músculos activos. br>

¿O lo harías? El problema con este enfoque muy plausible es que cuando las sustancias que come o bebe son absorbidas por su intestino, este proceso se basa en un gradiente osmótico que tiende a extraer sustancias en los alimentos desde el interior del intestino hasta la sangre que recubre el intestino, gracias a ser arrastrado por el movimiento del agua. Cuando el líquido que consume está altamente concentrado, es decir, si es hipertónico con los fluidos que recubren el intestino, interrumpe este gradiente osmótico normal y "absorbe" el agua hacia el intestino desde el exterior, provocando que la absorción de nutrientes se estanque y derrote. todo el propósito de tomar bebidas azucaradas sobre la marcha.

De hecho, los científicos deportivos han estudiado las tasas de absorción relativas de diferentes bebidas deportivas que contienen diferentes concentraciones de azúcar y han encontrado que este resultado "contraintuitivo" es el correcto. uno. Las bebidas que son hipotónicas tienden a absorberse más rápidamente, mientras que las bebidas isotónicas e hipertónicas se absorben más lentamente, según lo medido por el cambio en la concentración de glucosa en el plasma sanguíneo. Si alguna vez probó bebidas deportivas como Gatorade, Powerade o All Sport, probablemente haya notado que tienen un sabor menos dulce que las colas o el jugo de frutas; Esto se debe a que han sido diseñados para tener una tonicidad baja.
Hipertonicidad y organismos marinos

Considere el problema que enfrentan los organismos marinos, es decir, los animales acuáticos que viven específicamente en los océanos de la Tierra: no solo viven en agua extremadamente salada, pero deben obtener su propia agua y alimento de esta solución altamente hipertónica; además, deben excretar productos de desecho (principalmente como nitrógeno, en moléculas como el amoníaco, la urea y el ácido úrico), así como derivar oxígeno de él.

Los iones predominantes (partículas cargadas) en el agua de mar son , como era de esperar, Cl ^{- (19.4 gramos por kilogramo de agua) y Na + (10.8 g /kg). Otros osmoles activos de importancia en el agua de mar incluyen sulfato (2.7 g /kg), magnesio (1.3 g /kg), calcio (0.4 g /kg), potasio (0.4 g /kg) y bicarbonato (0.142 gr /kg).}

La mayoría de los organismos marinos, como es de esperar, son isotónicos al agua de mar como consecuencia básica de la evolución; no necesitan emplear ninguna táctica especial para mantener el equilibrio porque su estado natural les ha permitido sobrevivir donde otros organismos no pueden ni pueden hacerlo. Los tiburones, sin embargo, son una excepción, ya que mantienen cuerpos que son hipertónicos al agua de mar. Lo logran a través de dos métodos principales: retienen una cantidad inusual de urea en la sangre y la orina que excretan es muy diluida o hipotónica, en comparación con sus fluidos internos.