Šta je koncentracija? U širem smislu, ovo je omjer volumena tvari i broja čestica otopljenih u njoj. Ova definicija se nalazi u velikom broju grana nauke, od fizike i matematike do filozofije. U ovom slučaju govorimo o upotrebi koncepta "koncentracije" u biologiji i hemiji.
Gradient
Prevedeno s latinskog, ova riječ znači "rast" ili "hodanje", odnosno, to je neka vrsta "pokazivanja prstom", koja pokazuje smjer u kojem se bilo koja vrijednost povećava. Kao primjer, možete koristiti, recimo, visinu iznad nivoa mora na različitim tačkama na Zemlji. Njegov (visinski) gradijent na svakoj pojedinačnoj tački na mapi će pokazati vektor rastuće vrijednosti sve dok se ne postigne najstrmiji uspon.
U matematici se ovaj termin pojavio tek krajem devetnaestog veka. Uveo ju je Maxwell i predložio svoje vlastite oznake za ovu količinu. Fizičari koriste ovaj koncept da opišu intenzitet električnog ili gravitacionog polja, promjenu potencijalne energije.
Ne samo fizika, već i druge nauke koriste termin "gradijent". Ovaj koncept može odražavati i kvalitativne ikvantitativna karakteristika supstance, kao što je koncentracija ili temperatura.
Gradijent koncentracije
Koji je gradijent sada poznat, ali kolika je koncentracija? Ovo je relativna vrijednost koja pokazuje udio tvari sadržane u otopini. Može se izračunati kao procenat mase, broj molova ili atoma u gasu (rastvoru), deo celine. Tako širok izbor omogućava izražavanje gotovo bilo kojeg omjera. I to ne samo u fizici ili biologiji, već iu metafizičkim naukama.
I uopšte, gradijent koncentracije je vektorska veličina, koja istovremeno karakteriše količinu i smer promene supstance u okruženju.
Definicija
Možete li izračunati gradijent koncentracije? Njegova formula je određena između elementarne promjene koncentracije tvari i dugog puta koji će supstanca morati preći da bi postigla ravnotežu između dva rješenja. Matematički, ovo se izražava formulom S=dC/dl.
Prisustvo gradijenta koncentracije između dvije supstance uzrokuje njihovo miješanje. Ako se čestice kreću iz područja s višom koncentracijom u nižu, to se naziva difuzija, a ako između njih postoji polupropusna prepreka, to se naziva osmoza.
Aktivni transport
Aktivni i pasivni transport odražava kretanje supstanci kroz membrane ili slojeve ćelija živih bića: protozoa, biljaka,životinja i ljudi. Ovaj proces se odvija uz korištenje toplinske energije, budući da se prijelaz tvari vrši protiv gradijenta koncentracije: od manjeg ka većem. Za izvođenje takve interakcije najčešće se koristi adenozin trifosfat ili ATP – molekul koji je univerzalni izvor energije u 38 džula.
Postoje različiti oblici ATP-a koji se nalaze na ćelijskim membranama. Energija sadržana u njima oslobađa se kada se molekule tvari prenose kroz tzv. pumpe. To su pore u ćelijskom zidu koje selektivno apsorbuju i ispumpavaju ione elektrolita. Osim toga, postoji takav transportni model kao symport. U ovom slučaju, dvije tvari se istovremeno transportuju: jedna napušta ćeliju, a druga ulazi u nju. Ovo štedi energiju.
Vezikularni transport
Aktivni i pasivni transport uključuju transport supstanci u obliku mjehurića ili vezikula, pa se stoga proces naziva vezikularnim transportom. Postoje dvije vrste toga:
- Endocitoza. U ovom slučaju, mjehurići se formiraju iz ćelijske membrane u procesu apsorpcije čvrstih ili tekućih tvari njome. Vezikule mogu biti glatke ili obrubljene. Jaja, bela krvna zrnca i epitel bubrega imaju ovaj način ishrane.
- Egzocitoza. Kao što naziv govori, ovaj proces je suprotan prethodnom. Unutar ćelije se nalaze organele (na primjer, Golgijev aparat), koje "pakuju" supstance u vezikule, a one nakon toga izlaze krozmembrana.
Pasivni transport: difuzija
Kretanje duž gradijenta koncentracije (od visokog ka niskom) odvija se bez upotrebe energije. Postoje dvije vrste pasivnog transporta: osmoza i difuzija. Potonji je jednostavan i lagan.
Glavna razlika između osmoze je u tome što se proces kretanja molekula odvija kroz polupropusnu membranu. A difuzija duž gradijenta koncentracije događa se u ćelijama koje imaju membranu sa dva sloja molekula lipida. Smjer transporta ovisi samo o količini tvari na obje strane membrane. Na taj način hidrofobne supstance, polarne molekule, urea prodiru u ćelije, a proteini, šećeri, joni i DNK ne mogu prodrijeti.
Tokom difuzije, molekuli imaju tendenciju da popune cijeli raspoloživi volumen, kao i da izjednače koncentraciju na obje strane membrane. Dešava se da je membrana nepropusna ili slabo propusna za supstancu. U ovom slučaju na njega djeluju osmotske sile, koje mogu ili učiniti barijeru gušćom ili je rastegnuti, povećavajući veličinu kanala za pumpanje.
Olakšana difuzija
Kada gradijent koncentracije nije dovoljna osnova za transport supstance, u pomoć priskaču specifični proteini. Nalaze se na ćelijskoj membrani na isti način kao i ATP molekuli. Zahvaljujući njima, može se obavljati i aktivni i pasivni transport.
Na ovaj način veliki molekuli (proteini, DNK) prolaze kroz membranu,polarne tvari, koje uključuju aminokiseline i šećere, ione. Zbog učešća proteina, brzina transporta se povećava nekoliko puta u odnosu na konvencionalnu difuziju. Ali ovo ubrzanje zavisi od nekih razloga:
- gradijent materije unutar i izvan ćelije;
- broj molekula nosača;
- obvezujuće stope nosioca tvari;
- brzina promjene unutrašnje površine ćelijske membrane.
Uprkos tome, transport se odvija zahvaljujući radu proteina nosača, a energija ATP-a se u ovom slučaju ne koristi.
Glavne karakteristike koje karakterišu olakšanu difuziju su:
- Brzi prijenos supstanci.
- Selektivnost transporta.
- Saturacija (kada su svi proteini zauzeti).
- Konkurencija između supstanci (zbog afiniteta proteina).
- Osetljivost na specifične hemijske agense - inhibitore.
Osmosis
Kao što je gore spomenuto, osmoza je kretanje tvari duž gradijenta koncentracije kroz polupropusnu membranu. Proces osmoze je najpotpunije opisan Leshatelier-Brown principom. Kaže da ako je sistem u ravnoteži pod uticajem spolja, onda će težiti da se vrati u svoje prethodno stanje. Prvi put se fenomen osmoze susreo sredinom 18. vijeka, ali mu se tada nije pridavao veliki značaj. Istraživanje ovog fenomena počelo je tek stotinu godina kasnije.
Najvažniji element u fenomenu osmoze je polupropusna membrana koja dozvoljava samo određenim molekulima da prođu kroz nju.prečnika ili svojstva. Na primjer, u dvije otopine s različitim koncentracijama, samo će otapalo proći kroz barijeru. Ovo će se nastaviti sve dok koncentracija na obje strane membrane ne bude ista.
Osmoza igra značajnu ulogu u životu ćelija. Ovaj fenomen omogućava da u njih prodru samo one supstance koje su neophodne za održavanje života. Crvena krvna zrnca ima membranu koja propušta samo vodu, kisik i hranjive tvari, ali proteini koji se formiraju unutar crvenih krvnih zrnaca ne mogu izaći.
Fenomen osmoze našao je i praktičnu primjenu u svakodnevnom životu. I ne sluteći, ljudi su u procesu soljenja hrane koristili upravo princip kretanja molekula duž gradijenta koncentracije. Zasićeni fiziološki rastvor je "izvukao" svu vodu iz proizvoda, čime je omogućio njihovo duže skladištenje.
