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In chemical biology, tonicity is a measure of the effective osmotic pressure gradient; the water potential of two solutions separated by a partially-permeable cell membrane. Tonicity depends on the relative concentration of selective membrane-impermeable solutes across a cell membrane which determines the direction and extent of osmotic flux. It is commonly used when describing the swelling-versus-shrinking response of cells immersed in an external solution.
Unlike osmotic pressure, tonicity is influenced only by solutes that cannot cross the membrane, as only these exert an effective osmotic pressure. Solutes able to freely cross the membrane do not affect tonicity because they will always equilibrate with equal concentrations on both sides of the membrane without net solvent movement. It is also a factor affecting imbibition.
There are three classifications of tonicity that one solution can have relative to another: hypertonic, hypotonic, and isotonic.[1] A hypotonic solution example is distilled water.
A hypertonic solution has a greater concentration of non-permeating solutes than another solution.[2] In biology, the tonicity of a solution usually refers to its solute concentration relative to that of another solution on the opposite side of a cell membrane; a solution outside of a cell is called hypertonic if it has a greater concentration of solutes than the cytosol inside the cell. When a cell is immersed in a hypertonic solution, osmotic pressure tends to force water to flow out of the cell in order to balance the concentrations of the solutes on either side of the cell membrane. The cytosol is conversely categorized as hypotonic, opposite of the outer solution.[3][4]
植物細胞が高張液中にある場合、柔軟な細胞膜は硬い細胞壁から離れますが、原形質連絡と呼ばれる点で細胞壁に結合したままです。細胞はしばしば針山のような外観を呈し、原形質連絡は収縮するためほとんど機能しなくなります。この状態は原形質分離として知られています。植物細胞では、細胞壁によって加えられる圧力が浸透圧平衡点に大きく影響するため、等張、低張、高張という用語を厳密に正確に使用することはできません。[ 5 ]
一部の生物は、高張性を回避するための複雑な方法を進化させてきました。たとえば、海水はそこに生息する魚にとって高張性です。魚はガス交換のために鰓に海水と接触する広い表面積を必要とするため、鰓細胞から浸透圧によって海水に水分を失います。魚は大量の海水を飲み、余分な塩分を積極的に排出することでこの損失に対応します。 [ 6 ]このプロセスは浸透圧調節と呼ばれます。[ 7 ]
低張液は、他の溶液よりも溶質の濃度が低い。生物学では、細胞外の溶液は、細胞質ゾルに比べて溶質の濃度が低い場合、低張液と呼ばれる。浸透圧により、水は細胞内に拡散し、細胞はしばしば膨圧状態、つまり膨張したように見える。動物細胞のように細胞壁を持たない細胞の場合、勾配が十分に大きいと、過剰な水の取り込みによって細胞溶解、つまり細胞の破裂を引き起こすのに十分な圧力が生じる可能性がある。植物細胞が低張液中にある場合、中心液胞が余分な水を取り込み、細胞膜を細胞壁に押し付ける。細胞壁の剛性により、押し返されて細胞が破裂するのを防ぐ。これを膨圧と呼ぶ。[ 8 ]
溶液の有効浸透圧濃度が他の溶液の有効浸透圧濃度と同じ場合、その溶液は等張液であると言えます。生物学では、細胞膜の両側の溶液は、細胞外の溶質濃度が細胞内の溶質濃度と等しい場合に等張液となります。この場合、細胞膜を介して大量の水が拡散する原因となる濃度勾配が存在しないため、細胞は膨張も収縮もしません。水分子は細胞膜を両方向に自由に拡散し、水の拡散速度はどちらの方向でも同じであるため、細胞は水を得ることも失うこともありません。
等浸透圧溶液は、溶質が細胞膜を透過できる場合、低張液となることがあります。たとえば、等浸透圧尿素溶液は赤血球に対して低張であり、赤血球の溶血を引き起こします。これは、尿素が濃度勾配に従って細胞内に入り、続いて水が細胞内に入り込むためです。生理食塩水（9グラムのNaClを水に溶かして総量1リットルにしたもの）の浸透圧は、血液中のNaClの浸透圧（約290 mOsm / L ）に非常に近い値です。したがって、生理食塩水は血漿とほぼ等張です。尿素とは異なり、ナトリウムイオンも塩化物イオンも血漿膜を自由に通過することはできません。