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 растворенных веществ через клеточную мембрану, которые определяют направление и степень осмотического потока . Обычно используется при описании реакции набухания или сжатия клеток , погруженных во внешний раствор.
В отличие от осмотического давления, на тоничность влияют только растворенные вещества, которые не могут пересекать мембрану, поскольку только они оказывают эффективное осмотическое давление. Растворенные вещества, способные свободно пересекать мембрану, не влияют на тоничность, поскольку они всегда будут уравновешиваться с равными концентрациями по обе стороны мембраны без чистого движения растворителя. Это также фактор, влияющий на впитывание .
Существует три классификации тоничности, которые один раствор может иметь 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 его концентрации растворенных веществ относительно концентрации другого раствора на противоположной стороне клеточной мембраны ; раствор вне клетки называется гипертоническим, если он имеет большую концентрацию растворенных веществ, чем цитозоль внутри клетки. Когда клетка погружена в гипертонический раствор, осмотическое давление имеет тенденцию заставлять воду вытекать из клетки, чтобы сбалансировать концентрации растворенных веществ по обе стороны клеточной мембраны. Цитозоль, наоборот, классифицируется как гипотонический, в противоположность 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 принимают вид игольчатой подушечки , а плазмодесмы почти перестают функционировать, поскольку они сжимаются, состояние, известное как плазмолиз . В растительных клетках термины изотонический, гипотонический и гипертонический не могут быть строго использованы точно, поскольку давление, оказываемое клеточной стенкой, существенно влияет на точку осмотического равновесия. [5]
Некоторые организмы выработали сложные методы обхода гипертонии. Например, соленая вода является гипертонической для рыб , которые в ней живут. Поскольку рыбам нужна большая площадь поверхности жабр в контакте 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 выделяя избыток 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 относительно цитозоля . Из-за осмотического давления вода диффундирует в клетку, и клетка часто выглядит тургорной 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 принимает дополнительную воду и прижимает клеточную мембрану к клеточной стенке. Из-за жесткости клеточной стенки она отталкивается, не давая клетке разорваться. Это называется тургорным давлением . [8]
Раствор является изотоническим, когда его эффективная осмотическая 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 нет градиента концентрации, который мог бы вызвать диффузию больших объемов воды через клеточную мембрану. Молекулы воды свободно диффундируют через плазматическую мембрану в обоих направлениях, и поскольку скорость диффузии воды одинакова в каждом направлении, клетка не будет ни получать, ни терять воду.
Изоосмолярный раствор может быть гипотоническим, если растворенное вещество способно проникать через клеточную мембрану. Например, изоосмолярный раствор мочевины гипоточен для эритроцитов, вызывая их лизис . Это происходит из-за того, что мочевина поступает в клетку по градиенту концентрации, а затем поступает вода. Осмолярность физиологического раствора , 9 граммов NaCl, растворенных в воде до общего объема в один литр, является близким приближением к осмолярности NaCl в крови (около 290 мОсм / л ). Таким образом, физиологический раствор почти изотоничен плазме крови. Ни ионы натрия, ни ионы хлора не могут свободно проходить через плазматическую мембрану, в отличие от мочевины .