Gradijent koncentracije: koncept, formula. Prijevoz tvari u biološkim membranama

Što je koncentracija? Govoreći u širem smislu, to je omjer volumena tvari i količine čestica otopljenih u njemu. Ova se definicija pojavljuje u širokom rasponu grana znanosti, počevši od fizike i matematike, koja završava filozofijom. U ovom slučaju, riječ je o uporabi koncepta "koncentracije" u biologiji i kemiji.

gradijent

Prevedeno s latinskog jezika, ta riječ znači "raste" ili "hodanje", to jest, to je vrsta "pokazujući prst" koji pokazuje smjer u kojem se vrijednost povećava. Kao primjer, možete koristiti, recimo, nadmorsku visinu iznad različitih razina na Zemlji. Njegovi (visini) gradijenti na svakoj pojedinačnoj točki na karti pokazat će vektor povećanja vrijednosti sve dok se ne dostigne najstrmiji porast.

U matematici, ovaj pojam pojavio se tek u kasnom devetnaestom stoljeću. Maxwell ga je upoznao i predložio njegovo zapisivanje o toj veličini. Fizike koriste ovaj koncept kako bi opisali intenzitet električnog ili gravitacijskog polja, promjenu potencijalne energije.

Ne samo fizika nego i druge znanosti koriste izraz "gradijent". Ovaj koncept može odražavati i kvalitativne i kvantitativne karakteristike tvari, na primjer, koncentraciju ili temperaturu.

Gradijentna koncentracija

Što je gradijent? Sada je poznato, ali što je koncentracija? Ovo je relativna vrijednost, koji pokazuje udio tvari sadržane u otopini. Može se izračunati kao postotak mase, broj molova ili atoma u plinu (otopina), udio cjeline. Takav širok izbor omogućuje izražavanje praktički bilo kojeg omjera. I ne samo u fizici ili biologiji, nego iu metafizičkim znanostima.

I općenito, gradijent koncentracije je vektorska količina, što istodobno daje obilježje količine i smjera promjena tvari u mediju.

definicija

Je li moguće izračunati gradijent koncentracije? Njegova je formula posebnost između elementarne promjene koncentracije materije i dugog puta kojim će ta supstanca morati prevladati kako bi se postigla ravnoteža između dviju otopina. To se izražava matematički prema formuli C = dC / dl.

Prisutnost gradijenta koncentracije između dvije tvari je razlog njihovog miješanja. Ako se čestice kreću iz područja s većom koncentracijom na manju, to se naziva difuzijom, i ako postoji između njih polupropusna prepreka, osmoza.

Aktivni prijevoz

Aktivno i pasivni prijevoz odražava kretanje tvari kroz membrane ili slojeve ćelija živih bića: protozoa, biljaka, životinja i ljudi. Taj se proces provodi korištenjem toplinske energije, budući da se prijelazom tvari provodi prema gradijentu koncentracije: od manjeg do većeg. Najčešće za provedbu ove interakcije koristi se adenozin trifosfat ili ATP molekula, koja je univerzalni izvor energije u 38 Joules.

Postoje različiti oblici ATP, koji se nalaze na staničnim membranama. Energija koja se nalazi u njima oslobođena je kada se molekule tvari prenose preko takozvanih pumpi. To su pore u staničnoj stijenci, koje selektivno apsorbiraju i pumpaju elektrolitske ione. Osim toga, postoji takav model prijevoza kao simport. U ovom slučaju, istodobno se prevoze dvije tvari: jedna se napušta, a druga ulazi u njega. To štedi energiju.

Vesikularni transport

Aktivne i pasivne transport uključuje transport tvari u obliku mjehurića ili mjehurića, tako da se proces naziva, odnosno vezikularne transport. Postoje dvije vrste:

1. Endocitoza. U ovom slučaju, mjehurići se formiraju iz stanične membrane tijekom apsorpcije krutih ili tekućih tvari. Vezikula može biti glatka ili imati rub. Ova metoda prehrane ima jaja, bijele krvne stanice, kao i epitel bubrega.
2. Eksocitozu. Na temelju naziva, taj je postupak suprotan prethodnom. To je organela unutar stanice (npr Golgi aparata), koje se „pakirane” tvari u vezikule, i zatim izaći kroz membranu.

Pasivno transport: difuzija

Kretanje na gradijentu koncentracije (od visine do niskog) dolazi bez upotrebe energije. Postoje dvije varijante pasivnog prijevoza: osmoza i difuzija. Potonji je jednostavan i lagan.

Glavna razlika osmoze je da se proces molekula kreće kroz polupropusnu membranu. A difuziju gradijentne koncentracije događa se u stanicama koje imaju membranu s dva sloja molekula lipida. Smjer transporta ovisi samo o količini materijala s obje strane membrane. Na taj način stanice prodiru hidrofobne tvari, polarne molekule, urea i proteini, šećeri, ioni i DNA ne mogu prodrijeti.

U procesu difuzije, molekule imaju tendenciju popunjavanja cjelokupnog raspoloživog volumena, kao i izjednačavanje koncentracije na obje strane membrane. Događa se da je membrana nepropusna ili slabo propusna za tvar. U tom slučaju, pogođene su osmotskim silama, koje mogu barijeru učiniti prekomjernom i rastezanjem povećanjem veličine crpnih kanala.

Difuzija svjetlosti

Kada gradijent koncentracije nije dovoljan osnova za transport tvari, specifični proteini dolaze do spašavanja. Oni se nalaze na staničnoj membrani na točno isti način kao i molekule ATP. Zahvaljujući njima mogu se provesti i aktivni i pasivni prijevoz.

Na taj način, velike molekule (proteini, DNA) prolaze kroz membranu, polarne tvari, uključujući aminokiseline i šećere, ione. Zbog sudjelovanja proteina, transportna brzina se povećava nekoliko puta, u usporedbi s konvencionalnom difuzijom. Ali ovo ubrzanje ovisi o nekoliko razloga:

• gradijent tvari unutar i izvan ćelije;
• broj molekula nosača;
• brzinu vezanja tvari i nosača;
• brzinu promjene unutarnje površine stanične membrane.

Usprkos tome, transport se provodi zbog rada proteina nositelja, a energija ATP-a se ne koristi u ovom slučaju.

Glavne značajke koje karakteriziraju olakšanu difuziju su:

1. Brzi prijenos tvari.
2. Selektivnost prijevoza.
3. Zasićenost (kada su svi bjelančevine zauzete).
4. Natjecanje između tvari (zbog afiniteta s proteinom).
5. Osjetljivost na specifična kemijska sredstva - inhibitore.

osmoza

Kao što je gore spomenuto, osmoza je kretanje tvari duž gradijenta koncentracije kroz polupropusnu membranu. Najpotpuniji proces osmoze opisuje načelo Leshatelier-Brown. On kaže da ako sustav, koji je u ravnoteži, pod utjecajem izvana, nastojat će se vratiti u svoju bivšu državu. Prvi put s pojavom osmoze srušio se sredinom XVIII. Stoljeća, ali tada mu nije bilo dosta važnosti. Studije o fenomenu počele su tek stotinu godina kasnije.

Najvažniji element u fenomenu osmoze je polupropusna opna koja prolazi kroz sebe samo molekule određenog promjera i svojstva. Na primjer, u dvije otopine s različitim koncentracijama, samo će otapalo proći kroz prepreku. To će se nastaviti sve dok koncentracija na obje strane membrane ne postane ista.

Osmoza igra važnu ulogu u životu stanica. Ova pojava omogućuje da ih probiti samo na one tvari koje su potrebne za održavanje života. Crvenih krvnih stanica opna je propusna samo vode, kisika i hranjivih tvari, ali su proteini koji nastaju unutar crvenih krvnih stanica, a ne mogu izaći.

Fenomen osmoze također je pronašao praktičnu primjenu u svakodnevnom životu. Čak i da ga nisu shvatili, ljudi u procesu soljenja hrane upotrijebili su točno načelo kretanja molekula duž gradijenta koncentracije. Zasićena otopina slane otopine "izvukla" je svu vodu iz proizvoda, čime je dopušteno duže pohranjivanje.