В химической биологии тоничность является мерой эффективного градиента осмотического давления ; водный потенциал двух растворов , разделенных частично проницаемой клеточной мембраной . Тоничность зависит от относительной концентрации селективных мембранонепроницаемых растворов на клеточной мембране, которые определяют направление и степень осмотического потока . Его обычно используют при описании реакции набухания и сжатия клеток , погруженных во внешний раствор.
В отличие от осмотического давления, на тоничность влияют только растворенные вещества, которые не могут проникнуть через мембрану, поскольку только они оказывают эффективное осмотическое давление. Растворенные вещества, способные свободно пересекать мембрану, не влияют на тоничность, поскольку они всегда уравновешиваются равными концентрациями по обе стороны мембраны без чистого движения растворителя. Это также фактор, влияющий на впитывание .
Существует три классификации тоничности одного раствора относительно другого: гипертонический , гипотонический и изотонический . [1] Примером гипотонического раствора является дистиллированная вода.
Гипертонический раствор имеет большую концентрацию непроникающих растворенных веществ , чем другой раствор. [2] В биологии тоничность раствора обычно относится к концентрации растворенного вещества по отношению к концентрации другого раствора на противоположной стороне клеточной мембраны ; раствор вне клетки называется гипертоническим, если в нем концентрация растворенных веществ выше, чем в цитозоле внутри клетки. Когда клетка погружается в гипертонический раствор, осмотическое давление имеет тенденцию вынуждать воду вытекать из клетки, чтобы сбалансировать концентрации растворенных веществ по обе стороны клеточной мембраны. Цитозоль, наоборот, относится к гипотоническим, противоположным внешнему раствору. [3] [4]
Когда растительные клетки находятся в гипертоническом растворе, гибкая клеточная мембрана отрывается от жесткой клеточной стенки , но остается соединенной с клеточной стенкой в точках, называемых плазмодесмами . Клетки часто приобретают вид подушечки для иголок , а плазмодесмы почти перестают функционировать, поскольку сжимаются — состояние, известное как плазмолиз . В растительных клетках термины изотонический, гипотонический и гипертонический нельзя строго использовать точно, поскольку давление, оказываемое клеточной стенкой, существенно влияет на точку осмотического равновесия. [5]
Некоторые организмы разработали сложные методы обхода гипертонуса. Например, соленая вода гипертонична для рыб , живущих в ней. Поскольку рыбам необходима большая площадь поверхности жабр, контактирующая с морской водой для газообмена , они теряют воду осмотически в море из жаберных клеток. Они реагируют на потерю, выпивая большое количество соленой воды и активно выводя излишки соли. [6] Этот процесс называется осморегуляцией . [7]
Гипотонический раствор имеет более низкую концентрацию растворенных веществ, чем другой раствор. В биологии раствор вне клетки называется гипотоническим, если он имеет более низкую концентрацию растворенных веществ по сравнению с цитозолем . Из-за осмотического давления вода диффундирует в клетку, и клетка часто выглядит набухшей или раздутой. Для клеток без клеточной стенки , таких как клетки животных, если градиент достаточно велик, поглощение избыточной воды может создать достаточное давление, чтобы вызвать цитолиз или разрыв клетки. Когда растительные клетки находятся в гипотоническом растворе, центральная вакуоль поглощает дополнительную воду и прижимает клеточную мембрану к клеточной стенке. Благодаря жесткости клеточной стенки она отталкивается, не давая клетке лопнуть. Это называется тургорным давлением . [8]
Раствор является изотоническим, если его эффективная осмолярная концентрация такая же, как у другого раствора. В биологии растворы по обе стороны клеточной мембраны являются изотоническими, если концентрация растворенных веществ вне клетки равна концентрации растворенных веществ внутри клетки. В этом случае клетка не набухает и не сжимается, поскольку отсутствует градиент концентрации, вызывающий диффузию большого количества воды через клеточную мембрану. Молекулы воды свободно диффундируют через плазматическую мембрану в обоих направлениях, а поскольку скорость диффузии воды одинакова в каждом направлении, клетка не получает и не теряет воду.
Изоосмолярный раствор может быть гипотоническим, если растворенное вещество способно проникать через клеточную мембрану. Например, изоосмолярный раствор мочевины гипотоник эритроцитов, вызывая их лизис . Это происходит из-за того, что мочевина поступает в клетку по градиенту концентрации, а затем вода. Осмолярность физиологического раствора , состоящего из 9 граммов NaCl , растворенных в воде до общего объема в один литр, очень близка к осмолярности NaCl в крови (около 290 мОсм / л ). Таким образом, физиологический раствор практически изотоничен плазме крови. Ни ионы натрия, ни хлорида не могут свободно проходить через плазматическую мембрану, в отличие от мочевины .