Az ozmolalitás elektrolitokat és anelektrolitokat egyaránt tartalmazó oldatok koncentrációjának, ozmózisnyomásának és fagyáspontcsökkenésének jellemzésére bevezetett, fizikokémiai törvényekre épülő, de többnyire a fiziológiában és a biofizikában használatos alapfogalom.
A szervezet folyadéktereire a többkomponensű oldatok jellemzők. Többféle anyag közös oldata esetén az oldott anyagok által együttesen okozott, és nem pedig az egyes anyagok által külön-külön előidézett ozmózisnyomás határozza meg a folyadékterek közötti folyadékáramlást. Mivel ilyen esetben az oldat összkoncentrációjának meghatározása körülményes, ezért a koncentráció helyett annak ozmolalitásával jellemezzük a többkomponensű oldatokat. Az ozmolalitás egysége az 1 osmol.
Egységnyi, azaz 1 osmol mindazon vizes oldatok ozmolalitása – bármilyen is az összetételük –, amelyek fagyáspontja −1,85 °C.Tarján Imre: Fizika orvosok és biológusok számára. Medicina Könyvkiadó, Budapest 1968. 149–150. oldal.Lodish H., Berk S.L., Matsudaira P., Kaiser C. A., Kriger M., Scott M. P., Zipursky S. L., Darnell J. : Molecular cell biology. W. H. Freeman and company, New York, 2004. 5. kiadás, 608–610. oldal 200px|bélyegkép|Wilhelm Pfeffer (1845–1920) német növényfiziológus
Az ozmolalitás jelentősége a szervezetben 200px|bélyegkép| Jacobus Henricus van ’t Hoff (1852–1911) holland vegyész 200px|bélyegkép|A 19. század végén Pfeffer által kifejlesztett, ozmózisnyomás mérésére szolgáló kísérleti eszköz korabeli rajza
Az ozmózisos nyomás élő sejtekre gyakorolt jelenségét első ízben Wilhelm Pfeffer (1845–1920) német növényfiziológus tanulmányozta 1877-ben. Növényi sejteket különböző koncentrációjú cukoroldattal kezelve mikroszkóp alatt azt tapasztalta, hogy a sejtek citoplazmája a sejtfalon belül az oldat koncentrációjától függően hol összezsugorodik, hol pedig a teljes sejtet kitöltve a sejtfalnak feszül.Szekeres László: Általános és szervetlen kémia. Mezőgazdasági Kiadó, Budapest, 1966. 3. kiadás, 144–145. oldal. A jelenség modellezésére és az összefüggések megértésére mesterséges, sejtfalat utánzó, féligáteresztő falat hozott létre égetett agyagban kicsapott réz-ferrocianid segítségével, majd az általa megalkotott első ozmométerrel vizsgálta a nyomás és koncentráció közötti összefüggéseket.Lengyel Béla, Proszt János, Szarvas Pál: Általános és szervetlen kémia. Tankönyvkiadó, Budapest, 1967. 5. kiadás, 63–65. oldal.A féligáteresztő agyaglemez megalkotása eredetileg Moritz Traube (1826–1894) vegyész nevéhez fűződik, aki 1876-ban porózus, égetett agyagedénybe réz-szulfát-oldatot öntött, majd az edényt kálium-ferrocianid-oldatba állította. Az oldatok mindkét irányból a fal belseje felé diffundáltak, majd a találkozási helyüknél barna, szilárd csapadékréteg, réz-ferrocianid keletkezett. Az így kialakított agyagfal féligáteresztő tulajdonságokkal rendelkezett.
1885-ben Jacobus Henricus van ’t Hoff (1852–1911) holland vegyész kiindulva Pfeffer ozmózissal kapcsolatos első kísérleti eredményeiből arra a meglepő következtetésre jutott, hogy a gáztörvények a híg oldatokra is érvényesek.
Ezt követően az ozmózis jelensége az orvosélettani kutatásokban is a figyelem középpontjába került, mivel az élő szervezetekben a sejteket, szöveteket, folyadéktereket elválasztó féligáteresztő hártyák igen elterjedtek.
Ismert jelenség a vörösvérsejtek alaki változása, amennyiben azokat különböző töménységű konyhasóoldatba helyezzük. A korong alakú vörösvértestek 2%-os NaCl oldatba helyezve elvesztik jellegzetes formájukat, és mikroszkóp alatt megfigyelhető a sejtek látványos zsugorodása. Az oldatot vízzel hígítva viszont gyorsan visszanyerik eredeti formájukat. A hígítást tovább folytatva előbb erősen megduzzadnak, kikerekednek, végül felszakadnak (hemolizálnak), és tartalmuk (a hemoglobin) az oldatba kerül. A jelenség legkézenfekvőbb magyarázata szerint a vörösvérsejtek mikroszkópos méretű ozmométernek tekinthetők, melynek membránja csak a víz számára átjárható, de az oldott molekulákat vagy ionokat visszatartja. Normális élettani körülmények között a vörösvérsejtek az őket körülvevő közeggel, vagyis a vérplazmával csak akkor vannak az ozmózis szempontjából egyensúlyban, ha sejten belül és a plazmában uralkodó ozmózisnyomás értéke azonos.Straub F. Brunó: Általános és szervetlen kémia orvostanhallgatók számára. Medicina Könyvkiadó, Budapest, 1967. 6. kiadás, 97–98. oldal.
E magyarázat értelmében a vörösvérsejtek a normál fiziológiásnál magasabb koncentráció esetén (hiperozmotikus környezetben) vizet veszítenek, zsugorodnak és elveszítik a működőképességüket. Hígabb oldatban (hipoozmotikus környezetben) vizet vesznek fel, megduzzadnak, hemolizálnak és menthetetlenül sérülnek.
A fenti kísérlet konyhasóoldatot használ a vörösvérsejtekhez, amely nem azonos a sejtek belső folyadékával. Ebből a kísérletből tehát az is világosan látszik, hogy a sejtek életben maradásánál nem a kémiai összetétel, hanem a sejt belsejével azonos külső környezet ozmotikus állapota játszik elsődleges szerepet.
A vörösvérsejtekre leírt jelenség természetesen a szervezet többi sejtjére is igaz, és levonható belőle az a gyakorlati következtetés, hogy orvosi célból alkalmazott folyékony gyógyszerformák (injekciók, infúziók, szemcseppek stb.) az alkalmazás helyén hasonló módon károsíthatják a sejteket, amennyiben azok ozmotikus állapota eltér a sejtekétől.Katzung B. G.: Basic and Clinical Pharmacology. Norwalk, Connecticut, Appleton & Lange 1995. 6. kiadás, 33–47. oldal, Közismert tény, hogy nyílt sebbe juttatott tömény sóoldat vagy desztillált víz erős fájdalmat okoz, amely a szövetek ozmotikus roncsolódásával magyarázható. Más megfogalmazásban: az eltérő ozmotikus tulajdonságú, vagyis nem izotóniás oldat fájdalommal járó károsodást okoz.
Mindezek ismeretében a fiziológia és farmakológia számára szükségessé vált a testfolyadékok koncentrációjának és ozmotikus állapotának pontos meghatározása. Első közelítésben a problémát az jelenti, hogy a szervezet testfolyadékai nem egyetlen vegyület egyszerű oldatai, hanem összetett oldatok, azaz több száz különböző molekulából álló oldat keveréke, és együttesen felelősek a testfolyadék ozmotikus nyomásáért.
Bár a testfolyadékok kémiai összetétele napszaktól, táplálkozástól, munkavégzéstől – és még számos más faktortól – függően percről percre változik, de annak ozmotikus állapota, azaz ozmotikus nyomása, ennek ellenére állandó. Az ozmotikus nyomással tehát egy oldat "összes koncentrációját" jellemezni lehet, annak kémiai összetételétől függetlenül.
Ozmolalitás
Tapasztalat szerint az ozmotikus nyomás függ a hőmérséklettől és az oldatban elhelyezkedő molekulák számától.Erdey-Grúz Tibor: A fizikai kémia alapjai. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1969. 3. kiadás, 697.oldal Ezt az összefüggést, amelyben az ozmotikus nyomást -vel jelöljük, a van 't Hoff törvény írja le:
Ahol:
= egyetemes gázállandó = abszolút hőmérséklet [Kelvin] = részecskék száma [moláris koncentráció]
Bár az egyetemes gázállandó és a hőmérséklet is a képlet fontos tényezője, de a membrán két oldala között kialakuló, egymással ellentétes irányú nyomásviszonyok számolásánál nem kell őket figyelembe venni, mert ezek mindkét oldalon azonos értékek. Ebből az következik, hogy a sejtek között a szövetekben az ozmotikus nyomást (annak irányát és eredőjét) a membrán két oldalán oldott részecskék számának különbsége határozza meg.
Hangsúlyos különbség, hogy a részecskék száma a meghatározó és nem a koncentráció. Ha az oldatban disszociáló molekulák (azaz elektrolitok) vannak, a moláris koncentrációt szorozni kell a disszociációval keletkezett ionok számával.
Például 1 liter 1M koncentrációjú oldatban a részecskeszám a következőképpen változik:
1 M-os glükóz oldatában 6 molekula van 1 M-os NaCl oldatában 2·6 ion van ( 1 Na+ + 1 Cl− ) 1 M-os Na2SO4 oldatában 3·6 ion van ( 2 Na+ + 1 )
Disszociáló molekulák esetén tehát a fenti van 't Hoff törvény így módosul:
Ahol:
a keletkezett ionok száma
Mivel a szervezetben többféle és különböző koncentrációjú oldott részecske van jelen, ezért valamennyi oldott részecske moláris koncentrációjának összegét (az ozmózisból levezetve) ozmolalitásnak nevezzük. Az ozmolalitás a koncentráció egysége, melynek rövidítése: Osm/kg H2O. A fiziológiai és biokémiai gyakorlatban az 1 Osm/kg H2O (össz)koncentráció meglehetősen magas érték, amely csak kivételes esetekben fordul elő a szervezetben, ezért ennek az ezredrészét, a miliOsm/kg H2O (mOsm/kg H2O vagy 10−3 Osm/kg H2O) értéket használják.
Az extracelluláris folyadék ozmolalitása bélyegkép|Korszerű nanoliter ozmométer használata sejtbiológiai kísérletben A sejteket körülvevő (tehát az extracelluláris teret kitöltő) folyadék ozmotikus koncentrációja 290–300 mOsm/kg H2O. Ez az érték az emberi szervezetre érvényes ugyan, de minimális eltérésekkel az összes emlősökre is igaz. Ennek a teljes ozmolalitást adó értéknek a döntő többségét (260 mOsm/kg H2O) a nátrium-, a klorid- és a bikarbonátionok biztosítják a következő felosztásban:
Na+ ~140 mOsm/kg H2O Cl− ~100 mOsm/kg H2O ~24 mOsm/kg H2O
Az extracelluláris folyadékban oldott többi anyag (Mg2+, Ca2+, foszfátionok, urea, glükóz és más, az anyagcserében szerepet játszó szerves vegyület) kevésbé meghatározó az ozmotikus viszonyok kialakításában.Normális fiziológiás körülmények között a glükóz az ozmotikus viszonyok kialakításában alig játszik szerepet, de egyes kóros állapotokban (pl. a cukorbetegség súlyos formája) a megnövekedett plazmaglükózszint az extracelluláris ozmolalitás jelentős tényezőjévé válhat. Mivel az extracelluláris tér és a sejtek között (bizonyos határokon belül) ozmotikus egyensúly van, ezért joggal feltételezhető, hogy a sejteken belüli ozmolalitási érték is ~290 mOsm/kg H2O.Guyton, A. G., Hall J. E.: Textbook of medical physiology, Elsevier Saunders, 2006, 11. kiadás, 296–299. oldal.
A testfolyadékok ozmolalitásának meghatározása
balra|bélyegkép|François-Marie Raoult (1830–1901) francia kémikus bélyegkép|A sóoldat fagyáspontja a koncentráció emelkedésével (azzal arányosan) csökken. A szöveteket körülvevő testfolyadékok kísérletileg mért fagyáspontja −0,56 °C, ami megfelel a 0,15 mólos (0,9%-os) NaCl-oldat fagyáspont értékének
A szervezet folyadéktereiben, valamint a sejtek belsejében uralkodó ozmózisnyomás ismerete kritikus fontosságú a sejtbiológiai kutatásokban, a molekuláris biológiai kísérletekben vagy akár a mesterséges megtermékenyítés során. Napjainkban orvosok és kutatók számára korszerű ozmométerek állnak rendelkezésre, amelyekkel akár egyetlen sejt belsejében is megmérhető az ozmolalitás és annak változása különböző kísérleti körülmények között. A szövetnedvek ozmolalitásának meghatározása már a 19. század végén szükségessé vált, jóval a mai elektronika és a napjainkban használatos nanoliter ozmométerek megjelenése előtt.
1882-ben Francois M. Raoult francia kémikus a híg oldatok és oldatkeverékek ozmózisnyomása és azok fagyáspontcsökkenése közötti összefüggést vizsgálva arra az egyszerű eredményre jutott, hogy e mennyiségek a koncentrációval (illetve ennél is szabatosabban: az oldat térfogategységében oldott részecskék számával) arányosak.