Hyperosmotisch

Hyperosmotisch
adj.,
Definition: bezogen auf oder gekennzeichnet durch einen erhöhten osmotischen Druck. Quelle: Modifiziert von Maria Victoria Gonzaga

Hyperosmotische Definition

Das Wort Hyperosmotisch leitet sich von zwei griechischen Wörtern ab: „hyper“, was „Überschuss“ bedeutet, und „osmos“, was „Schub“ oder „Schub“ bedeutet. Also, was bedeutet hyperosmotisch? Hyperosmotisch beschreibt eine Lösung, die einen höheren Schub ausübt oder durch eine Membran drückt.

Um diese Definition klar zu verstehen, müssen wir zunächst verstehen, dass eine Lösung durch Mischen von zwei Komponenten hergestellt wird, d. H. eines gelösten Stoffes und eines Lösungsmittels. Zum Beispiel: In einer wässrigen Zuckerlösung ist Zucker der gelöste Stoff und Wasser das Lösungsmittel.

Die Menge des gelösten Stoffes in einer Lösung bestimmt schließlich die Bewegungsrichtung des Lösungsmittels in einem beliebigen System. Es ist bekannt, dass der Konzentrationsunterschied zur Entwicklung eines Konzentrationsgradienten führt, der die Bewegung der Moleküle von einer höheren Konzentration zu einer niedrigeren Konzentration treibt. Wenn die Bewegung des Lösungsmittelmoleküls (Wasser) aufgrund eines Konzentrationsgradienten über eine semipermeable Membran erfolgt, wird dieser Vorgang als Osmose bezeichnet.

Daher wird eine Lösung, die im Vergleich zu einer ähnlichen Lösung eine höhere Menge an gelöstem Stoff enthält, als hyperosmotische Lösung bezeichnet. Zum Beispiel ist Meerwasser im Vergleich zu Süßwasser oder Leitungswasser hyperosmotisch. Somit wird eine Zelle aus Süßwasser, wenn sie in ein Becherglas mit Meerwasser gelegt wird, einer hyperosmotischen Umgebung ausgesetzt.

Die Anzahl der gelösten Moleküle pro Lösungsvolumen oder -gewicht wird als Osmolarität bezeichnet. Diese Osmolarität reguliert den von einer Lösung ausgeübten osmotischen Druck. Dies ist besonders wichtig für das biologische System, bei dem zwei Lösungen durch eine Membran getrennt sind, die normalerweise semipermeabel ist. Somit kann die Bewegung von Molekülen in einem biologischen System über eine biologische Membran durch Osmolarität bestimmt werden. Die Bewegung von Molekülen durch die biologische Membran ist für die Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase unerlässlich. Daher spielt die Osmolarität eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase.

Die Osmolarität des menschlichen Serums wird im Bereich von 285-295 mOsm/ kg streng kontrolliert. Die Mehrheit der menschlichen Körperzellen hat eine ähnliche Osmolarität und soll isotonisch sein. Die Flüssigkeit mit höherer oder niedrigerer Osmolarität als das Humanserum wird als hypertonisch bzw. hypotonisch klassifiziert.

Der Unterschied in der Osmolarität führt zur Entwicklung des osmotischen Drucks, der schließlich zur Erzeugung von osmotischem Stress in einem biologischen System führt. Osmotischer Druck ist der Druck oder Schub, der auf die Lösungsmittelmoleküle ausgeübt wird, um zu verhindern, dass sie sich durch die Membran bewegen.
In diesem Stadium ist es sehr wichtig zu verstehen, dass Tonizität und Osmolarität zwei verschiedene Dinge sind und nicht als Synonyme betrachtet werden sollten. Eine isotonische Lösung ist nicht notwendigerweise isosmotisch oder umgekehrt. In ähnlicher Weise ist eine hyperosmotische Lösung nicht unbedingt eine hypertonische Lösung. Um dies zu verstehen, müssen wir das Konzept der Tonizität klar verstehen.

Tonizität ist die Eigenschaft der nicht durchdringenden gelösten Stoffe und ist immer abhängig von der Vergleichslösung. So ist für eine Säugetierzelle eine isosmotische Saccharoselösung isotonisch, aber für eine Pflanzenzelle wäre eine isosmotische Saccharoselösung hypoton. Dies liegt daran, dass Saccharose in einer Säugetierzelle aufgrund eines Mangels an Transportern nicht durchdringen kann, während Saccharose in einer Pflanzenzelle aufgrund des Vorhandenseins von Transportern durchdringen kann. Somit führt die Nichtpermeabilität von Saccharose in der Säugetierzelle zur Isotonizität von isosmotischer Saccharoselösung in Säugetierzellen.

Vor diesem Hintergrund stellt sich also eine wichtige Frage. Wie kann eine Lösung hyperosmotisch und hypoton sein?

Um dies zu verstehen, ist es wichtig zu bedenken, dass die Tonizität nur von den nicht durchdringenden gelösten Stoffen bestimmt wird. Wenn also eine Lösung eine geringere Konzentration an nicht durchdringenden gelösten Stoffen aufweist, wird sie als hypotonisch bezeichnet. Ein klassisches Beispiel für eine hypotonische Lösung ist eine 5% ige Dextroselösung ohne nicht durchdringende gelöste Stoffe. Wenn eine Zelle in eine hyperosmotische, aber hypotonische Lösung wie 10% Dextran gegeben wird, tritt eine Wasserbewegung auf. Daher kann eine Lösung hyperosmotisch und hypoton sein.

Wenn in der Biologie die Osmolarität der extrazellulären Flüssigkeit größer ist als die der intrazellulären Flüssigkeit, wird die Zelle als einer hyperosmotischen Umgebung ausgesetzt bezeichnet und erfährt hyperosmotischen Stress.Eine höhere Osmolarität der extrazellulären Flüssigkeit führt zu einem Wasserfluss aus der Zelle, der zu einer Zellschrumpfung und schließlich zu einer Dehydratisierung der Zelle führt. (Abbildung 1).

Was passiert also mit einer Zelle in einer hyperosmotischen Lösung? Die Exposition einer Zelle gegenüber einer hyperosmotischen Lösung kann sehr schädlich sein. Solche Zellen müssen sich mit Wasserausströmen auseinandersetzen, was schließlich zur Störung verschiedener zellulärer Prozesse führt, wie z. B. der Störung der Synthese und Reparatur von DNA, der Proteintranslation und ihres abbaus sowie der Fehlfunktion von Mitochondrien. Der hyperosmotische Zustand führt zur Zellschrumpfung und zur Faltung des Zellkerns. Die Zellschrumpfung induziert schließlich Apoptose, die zum Zelltod führt.

Umgekehrt, wenn die Osmolarität der extrazellulären Flüssigkeit geringer ist als die der intrazellulären Flüssigkeit, wird gesagt, dass die Zelle einer hypoosmotischen Umgebung ausgesetzt ist. In einer solchen Umgebung tritt ein Zustrom des Wassers / Lösungsmittels auf (Abbildung 1).

Physiologische Bedeutung der hyperosmotischen Eigenschaft

Der menschliche Körper ist sehr anpassungsfähig an solche Veränderungen und um dies zu tun, durchlaufen die Zellen osmo-adaptive Reaktionen, wobei die Zellen versuchen, sich an solche Umweltveränderungen anzupassen und die Homöostase wiederherzustellen. Wenn diese Homöostase jedoch nicht wiederhergestellt wird, führt dies häufig zu einem erkrankten oder entzündlichen Zustand im Körper.

Das Ungleichgewicht in der Osmolarität kann für Zellen und biologische Prozesse schädlich sein und zu einem erkrankten Zustand führen. Diese Homöostase der Osmolarität im menschlichen Körper wird zusammen mit dem antidiuretischen Hormon Arginin-Vasopressin (AVP), das aus der hinteren Hypophyse freigesetzt wird, eng über die Niere kontrolliert. Eine Erhöhung der Plasmaosmolarität induziert die Freisetzung von AVP aus der Hypophyse. AVP wirkt dann auf die Niere und erhöht die Membranpermeabilität des distalen Tubulus, um die tubuläre Reabsorption von Wasser aus der Niere zu erhöhen. Die Niere reguliert den Anteil des gelösten Stoffes sowie des Wassers im Urin.

Abhängig vom Zustand der Körperflüssigkeit kann der Urinausstoß eine niedrige Osmolarität (50 mOsm/ l) oder eine hohe Osmolarität (1200-1400 mOsm / l) aufweisen. Die niedrige Osmolarität Urinproduktion tritt auf, wenn der Körper einen Überschuss an Wasser und extrazelluläre Flüssigkeit hat eine niedrige Osmolarität. In diesem Zustand ist der Urin hypoosmotisch. Im Gegenteil, wenn der Körper einen Mangel an Wasser hat und die extrazelluläre Flüssigkeit eine hohe Osmolarität aufweist, tritt eine hyperosmotische Urinbildung auf. Körperflüssigkeiten mit höherer Osmolarität signalisieren der Hypophyse, das AVP freizusetzen, wodurch die röhrenförmige Wasserresorption aus der Niere erhöht wird. Infolgedessen wird aufgrund der Wasserreabsorption die Wassermenge aus dem Urinausstoß reduziert, was zur Bildung von hochkonzentriertem Urin oder hyperosmotischem Urin führt.

Es wurde auch festgestellt, dass eine Veränderung der Osmolarität mit der Induktion entzündlicher Prozesse im Körper verbunden ist. Es wurde festgestellt, dass eine hohe Osmolarität der extrazellulären Flüssigkeit mit Krankheiten wie Hypernatriämie, Hitzschlag, Diabetes, Gewebeverbrennungen, Dehydratation, Asthma, Mukoviszidose und Urämie in Verbindung gebracht wird. Es wurde festgestellt, dass proinflammatorische Zytokine wie TNF, IL1ß, IL6, IL8 und IL18 mit hyperosmotischen stressbedingten Pathologien zusammenhängen.

Therapeutische Anwendungen der Hyperosmotika

Hyperosmotische Mittel werden zur Behandlung von Glaukom verwendet. Das Glaukom ist eine Augen- oder Augenerkrankung, bei der der Augeninnendruck (IOD) ansteigt. Ein Anstieg des Augeninnendrucks ist ein sehr schmerzhafter Zustand für den Patienten zusammen mit einer schlechten Visualisierung. Hyperosmotische Mittel verringern den Augeninnendruck, indem sie einen osmotischen Gradienten zwischen dem Blut und den intraokularen Flüssigkeitskompartimenten erzeugen, der zu einem Fluss von Augenflüssigkeit zum Blut führt. Dieser therapeutische Ansatz wird bevorzugt, wenn das Glaukom nicht auf die topisch oder sogar systemisch verabreichten Carboanhydrasehemmer anspricht. Hyperosmotische Mittel haben jedoch eine kurze Wirkungsdauer und induzieren auch systemische Nebenwirkungen.

Beim Glaukom ist der Augeninnendruck aufgrund von Glaskörperflüssigkeit im Auge erhöht. Bei Verabreichung von hyperosmotischen Mitteln erhöht sich die Osmolalität der intravaskulären Flüssigkeit (Hyperosmolarität). Die ophthalmische Barriere erlaubt jedoch nicht die Permeation dieser Mittel in den Glaskörper. Dies führt zur Erzeugung des osmotischen Gradienten. Dies wiederum führt dazu, dass die Flüssigkeit aus dem Glaskörperausfluss in die Gefäßflüssigkeit gelangt. Folglich reduziert die reduzierte Menge an Glaskörper den Augeninnendruck beim Patienten.

Fast eine 3-4% ige Reduktion des Augeninnendrucks wurde bei der Verabreichung der hyperosmotischen Mittel bei Patienten mit Glaukom berichtet. Die Wirksamkeit dieser Mittel hängt von einer Reihe von Faktoren wie Molekulargewicht, Dosis, Konzentration, Verabreichungsgeschwindigkeit, Verabreichungsart, Ausscheidungsrate, Verteilung und ophthalmischer Penetration ab.

Einige der Beispiele für das Hyperosmotikum, das in der Glaukomtherapie verwendet wird, sind Glycerin, Harnstoff, Isosorbid, Mannit usw. Diese Mittel können sowohl topisch, parenteral als auch oral verabreicht werden. Die systemische (parenterale) oder orale Verabreichung dieser Wirkstoffe kann jedoch zu bestimmten Nebenwirkungen führen (Tabelle 1).

Tabelle 1: Häufig verwendete Hyperosmotika zur Behandlung von Augenerkrankungen, Glaukom und deren Dosis und mögliche Nebenwirkungen

Hyperosmotische Mittel werden auch zur Verbesserung der Visualisierung bei Patienten mit Hornhautödemen eingesetzt wobei hyperosmotische Mittel zur Verbesserung der vorübergehende Dehydratation zur Linderung des ödematösen Zustands der Hornhaut. Neben Hornhautödemen werden Hyperosmotika auch zur Behandlung von Hirnödemen eingesetzt. Hyperosmotische Mittel können auch potenziell bei der Behandlung von hypovolämischen Blutungen als Plasmavolumenexpander verwendet werden. Es wurde berichtet, dass eine Mischung aus 7,5% NaCl (Natriumchlorid) und 6% Dextran-70 ein wirksamer Plasmaexpander ist. Es wurde auch berichtet, dass diese Zusammensetzung von hyperosmotischen Wirkstoffen (NaCl und Dextran) die Mortalität aufgrund traumatischer Hypotonie und Kopfverletzungen signifikant senkt. Es wurde berichtet, dass die Behandlung mit dem Hyperosmotikum schnelle kardiovaskuläre Wirkungen hervorruft, zu denen eine Erhöhung der Herzparameter wie arterieller Druck, Herzzeitvolumen, Plasmavolumen, Herzkontraktion, mittlerer systemischer Kreislaufdruck sowie Sauerstoffzufuhr und -verbrauch gehören.

Hyperosmotischer Stress in Pflanzen

Nicht nur Tiere sind anfällig für physiologische Störungen durch hyperosmotischen Stress, sondern auch Pflanzen. Hyperosmotischer Stress in Pflanzen wird häufig durch hyperosmotische Bedingungen verursacht (wenn die Osmolarität außen höher ist als im Inneren der Zelle). Die häufigsten Ursachen sind die hohe Salzkonzentration des Bodens oder bei Trockenheit. In diesem Fall wirken die Pflanzen dem Wasseraustritt und der eventuellen Abnahme des Zellvolumens durch eine Veränderung der genetischen Expression, der Produktion intrazellulärer Osmolyte und der aktiven Endozytose sowie der Ionensequestrierung durch vakuolaren Transport entgegen. Andernfalls könnte die Pflanzenzelle durch den Verlust des Turgordrucks und den Zusammenbruch der Plasmamembran sterben, wenn die extreme Störung nicht bald behoben ist.