Co to jest koncentracja? W szerokim znaczeniu jest to stosunek objętości substancji do liczby rozpuszczonych w niej cząstek. Ta definicja znajduje się w wielu różnych gałęziach nauki, od fizyki i matematyki po filozofię. W tym przypadku mówimy o zastosowaniu pojęcia „koncentracja” w biologii i chemii.
Gradient
W tłumaczeniu z łaciny słowo to oznacza „rosnąć” lub „chodzić”, to znaczy jest to rodzaj „wskazującego palca”, który pokazuje kierunek, w którym wzrasta każda wartość. Jako przykład możesz użyć, powiedzmy, wysokości nad poziomem morza w różnych punktach na Ziemi. Jego (wysokość) gradient w każdym punkcie na mapie pokaże wektor o rosnącej wartości, aż do osiągnięcia najbardziej stromego wzniesienia.
W matematyce termin ten pojawił się dopiero pod koniec XIX wieku. Wprowadził ją Maxwell i zaproponował własne oznaczenia dla tej wielkości. Fizycy używają tej koncepcji do opisania natężenia pola elektrycznego lub grawitacyjnego, zmiany energii potencjalnej.
Nie tylko fizyka, ale także inne nauki używają terminu „gradient”. Ta koncepcja może odzwierciedlać zarówno jakościowe, jak iilościową charakterystykę substancji, taką jak stężenie lub temperatura.
Gradient stężenia
Jaki jest obecnie gradient, ale jakie jest stężenie? Jest to wartość względna, która pokazuje proporcję substancji zawartej w roztworze. Można go obliczyć jako procent masy, liczbę moli lub atomów w gazie (roztworze), ułamek całości. Tak szeroki wybór pozwala wyrazić niemal każdy stosunek. I to nie tylko w fizyce czy biologii, ale także w naukach metafizycznych.
Na ogół gradient stężenia jest wielkością wektorową, która jednocześnie charakteryzuje ilość i kierunek zmian substancji w środowisku.
Definicja
Czy potrafisz obliczyć gradient stężenia? Jej wzór jest szczegółem między elementarną zmianą stężenia substancji a długą drogą, którą będzie musiała pokonać substancja, aby osiągnąć równowagę między dwoma roztworami. Matematycznie wyraża się to wzorem С=dC/dl.
Istnienie gradientu stężeń między dwiema substancjami powoduje ich mieszanie. Jeśli cząsteczki przemieszczają się z obszaru o wyższym stężeniu do obszaru o niższym stężeniu, nazywamy to dyfuzją, a jeśli między nimi znajduje się półprzepuszczalna przeszkoda, nazywamy to osmozą.
Aktywny transport
Transport aktywny i pasywny odzwierciedla ruch substancji przez błony lub warstwy komórek żywych istot: pierwotniaki, rośliny,zwierzęta i ludzie. Proces ten odbywa się z wykorzystaniem energii cieplnej, gdyż przemiana substancji odbywa się pod kątem gradientu stężeń: od mniejszego do większego. Najczęściej do przeprowadzenia takiego oddziaływania stosuje się trifosforan adenozyny lub ATP - cząsteczkę, która jest uniwersalnym źródłem energii w 38 dżuli.
Istnieją różne formy ATP, które znajdują się na błonach komórkowych. Zawarta w nich energia uwalniana jest podczas przenoszenia cząsteczek substancji przez tzw. pompy. Są to pory w ścianie komórkowej, które selektywnie pochłaniają i wypompowują jony elektrolitów. Ponadto istnieje taki model transportu jak symport. W tym przypadku dwie substancje są jednocześnie transportowane: jedna opuszcza komórkę, a druga wchodzi do niej. Oszczędza to energię.
Transport pęcherzykowy
Transport aktywny i pasywny polega na transporcie substancji w postaci pęcherzyków lub pęcherzyków, stąd proces ten nazywany jest odpowiednio transportem pęcherzykowym. Istnieją dwa rodzaje tego:
- Endocytoza. W tym przypadku bąbelki powstają z błony komórkowej w procesie wchłaniania przez nią substancji stałych lub płynnych. Pęcherzyki mogą być gładkie lub obramowane. Jajka, białe krwinki i nabłonek nerek mają ten sposób odżywiania.
- Egzocytoza. Jak sama nazwa wskazuje, proces ten jest przeciwieństwem poprzedniego. Wewnątrz komórki znajdują się organelle (na przykład aparat Golgiego), które „pakują” substancje w pęcherzyki, a następnie wychodzą przezmembrana.
Transport pasywny: dyfuzja
Ruch wzdłuż gradientu stężenia (od wysokiego do niskiego) odbywa się bez użycia energii. Istnieją dwa rodzaje transportu pasywnego: osmoza i dyfuzja. Ten ostatni jest prosty i lekki.
Główna różnica między osmozą polega na tym, że proces przemieszczania się cząsteczek zachodzi przez półprzepuszczalną membranę. A dyfuzja wzdłuż gradientu stężeń zachodzi w komórkach, które mają błonę z dwiema warstwami cząsteczek lipidów. Kierunek transportu zależy tylko od ilości substancji po obu stronach membrany. W ten sposób substancje hydrofobowe, cząsteczki polarne, mocznik przenikają do komórek, a białka, cukry, jony i DNA nie mogą przeniknąć.
Podczas dyfuzji cząsteczki mają tendencję do wypełniania całej dostępnej objętości, a także wyrównywania stężenia po obu stronach membrany. Zdarza się, że membrana jest nieprzepuszczalna lub słabo przepuszczalna dla substancji. W takim przypadku działają na nią siły osmotyczne, które mogą albo zagęścić barierę, albo ją rozciągnąć, zwiększając rozmiar kanałów pompujących.
Ułatwiona dyfuzja
Gdy gradient stężeń nie jest wystarczającą podstawą do transportu substancji, na ratunek przychodzą określone białka. Znajdują się na błonie komórkowej w taki sam sposób, jak cząsteczki ATP. Dzięki nim można realizować zarówno transport aktywny, jak i pasywny.
W ten sposób duże cząsteczki (białka, DNA) przechodzą przez błonę,substancje polarne, do których należą aminokwasy i cukry, jony. Ze względu na udział białek szybkość transportu wzrasta kilkukrotnie w porównaniu z dyfuzją konwencjonalną. Ale to przyspieszenie zależy z kilku powodów:
- gradient materii wewnątrz i na zewnątrz komórki;
- liczba cząsteczek nośnika;
- stawki wiążące nośniki substancji;
- szybkość zmian na wewnętrznej powierzchni błony komórkowej.
Pomimo tego transport odbywa się dzięki pracy białek nośnikowych, a energia ATP nie jest w tym przypadku wykorzystywana.
Główne cechy charakteryzujące ułatwioną dyfuzję to:
- Szybki transfer substancji.
- Selektywność transportu.
- Nasycenie (gdy wszystkie białka są zajęte).
- Konkurencja między substancjami (ze względu na powinowactwo do białek).
- Wrażliwość na określone środki chemiczne – inhibitory.
Osmoza
Jak wspomniano powyżej, osmoza to ruch substancji wzdłuż gradientu stężenia przez półprzepuszczalną membranę. Proces osmozy najpełniej opisuje zasada Leshateliera-Browna. Mówi, że jeśli na system w równowadze wpływa z zewnątrz, to ma tendencję do powrotu do poprzedniego stanu. Po raz pierwszy ze zjawiskiem osmozy zetknięto się w połowie XVIII wieku, ale wtedy nie przywiązywano do tego większego znaczenia. Badania nad tym zjawiskiem rozpoczęły się dopiero sto lat później.
Najważniejszym elementem w zjawisku osmozy jest półprzepuszczalna membrana, która przepuszcza tylko określone cząsteczki.średnica lub właściwości. Na przykład w dwóch roztworach o różnych stężeniach przez barierę przejdzie tylko rozpuszczalnik. Będzie to trwało do momentu, gdy stężenie po obu stronach membrany będzie takie samo.
Osmoza odgrywa znaczącą rolę w życiu komórek. Zjawisko to pozwala przeniknąć do nich tylko te substancje, które są niezbędne do utrzymania życia. Czerwona krwinka ma błonę, która przepuszcza tylko wodę, tlen i składniki odżywcze, ale białka powstające wewnątrz czerwonej krwinki nie mogą się wydostać.
Zjawisko osmozy znalazło również praktyczne zastosowanie w życiu codziennym. Nawet nie podejrzewając tego, ludzie w procesie solenia żywności zastosowali właśnie zasadę ruchu cząsteczek wzdłuż gradientu stężenia. Nasycony roztwór soli „wyciągnął” całą wodę z produktów, dzięki czemu można je dłużej przechowywać.
