5.5: Toniczność u zwierząt

Toniczność roztworu określa, czy komórka zyskuje, czy traci wodę w tym roztworze. Toniczność zależy od przepuszczalności błony komórkowej dla różnych substancji rozpuszczonych oraz od stężenia niepenetrujących substancji rozpuszczonych w roztworze wewnątrz i na zewnątrz komórki. Jeśli półprzepuszczalna membrana utrudnia przepływ niektórych substancji rozpuszczonych, ale pozwala wodzie podążać za gradientem stężeń, woda przemieszcza się ze strony o niskiej osmolarności (tj. mniej substancji rozpuszczonej) na stronę o wyższej osmolarności (tj. wyższe stężenie substancji rozpuszczonej). Toniczność płynu pozakomórkowego określa wielkość i kierunek osmozy i skutkuje trzema możliwymi stanami: hipertonicznością, hipotonicznością i izotonicznością.

Roztwory izotoniczne

W biologii przedrostek “izo” oznacza równe lub równe wymiary. Gdy płyn zewnątrzkomórkowy i wewnątrzkomórkowy mają równe stężenie niepenetrującej substancji rozpuszczonej wewnątrz i na zewnątrz, roztwór jest izotoniczny. Roztwory izotoniczne nie powodują ruchu sieciowego wody. Woda będzie nadal napływać i wypływać, w równych proporcjach. Dlatego nie następuje żadna zmiana objętości komórki.

Roztwory hipotoniczne

Przedrostek “hipo” oznacza niższy lub niższy. Ilekroć występuje niskie stężenie niepenetrującej substancji rozpuszczonej i wysokie stężenie wody na zewnątrz w stosunku do wnętrza, środowisko jest hipotoniczne. Woda przedostanie się do komórki, powodując jej pęcznienie. W komórkach zwierzęcych obrzęk ostatecznie powoduje pękanie i śmierć komórek. Przykładem środowiska hipotonicznego jest woda słodka. Organizmy słodkowodne mają zwykle wyższą osmolarność (tj. wyższe stężenie soli) wewnątrz swoich komórek niż otaczający zbiornik wodny, taki jak jezioro lub rzeka.

Rozwiązania hipertoniczne

I odwrotnie, przedrostek “hiper” oznacza więcej lub więcej. Podczas hipertoniczności płyn zewnątrzkomórkowy zawiera więcej substancji rozpuszczonej (tj. o wysokiej osmolarności) i mniej wody niż wnętrze komórki. W ten sposób woda wypływa z komórki, powodując kurczenie się komórek zwierzęcych. Przykładem hipertonicznego płynu pozakomórkowego jest woda słona, ponieważ ma wyższą osmolarność (tj. wyższe stężenie soli) w porównaniu z większością płynów wewnątrzkomórkowych.

Osmoregulacja

Aby uniknąć kurczenia się i pęcznienia występującego w roztworach hipertonicznych i hipotonicznych, komórki zwierzęce muszą posiadać strategie utrzymania równowagi osmotycznej. Proces osiągnięcia równowagi osmotycznej nazywa się osmoregulacją. Strategie osmoregulacyjne można podzielić na dwie kategorie: regulujące i dopasowujące się. Osmoregulatory kontrolują i utrzymują wewnętrzne warunki osmotyczne niezależnie od warunków środowiskowych. I odwrotnie, osmokonformery wykorzystują aktywne i pasywne procesy wewnętrzne, aby naśladować osmolarność ich środowiska.

Wiele zwierząt, w tym ludzie, jest osmoregulatorami. Na przykład ryby żyjące w słonej wodzie, w środowisku hipertonicznym, są w stanie regulować utratę wody do środowiska, pobierając duże ilości wody i często wydalając sól. Ryby żyjące w wodach słodkich łagodzą ciągłą osmozę wody do swoich komórek poprzez częste oddawanie moczu, które uwalnia wodę z organizmu.

Większość bezkręgowców morskich, takich jak homary i meduzy, to osmokonformery. Osmokonformery utrzymują wewnętrzne stężenie substancji rozpuszczonej — czyli osmolarność — równe stężeniu w otoczeniu, dzięki czemu rozwijają się w środowiskach bez częstych wahań.

Toniczność odnosi się do ilości substancji rozpuszczonej w płynie zewnątrzkomórkowym, która wpływa na osmozę i powoduje trzy możliwe scenariusze zmiany objętości komórki.

Gdy wewnątrz i na zewnątrz obecne są równe stężenia substancji rozpuszczonej, roztwór jest izotoniczny. Nie ma ruchu netto wody, ponieważ woda nadal będzie wchodzić i wychodzić, tylko w równych proporcjach.

Jeśli jednak na zewnątrz występuje niskie stężenie substancji rozpuszczonej i wysokie stężenie wody w stosunku do wewnątrz, stan jest hipotoniczny, a woda przedostanie się do komórki, powodując jej pęcznienie, a może nawet pęknięcie.

Natomiast podczas hipertoniczności płyn zewnątrzkomórkowy zawiera więcej substancji rozpuszczonej i mniej wody niż wewnątrz, dzięki czemu woda wydostaje się z komórki, powodując jej kurczenie się.