Какво е концентрация? В широк смисъл това е съотношението на обема на веществото и броя на частиците, разтворени в него. Това определение се намира в голямо разнообразие от клонове на науката, от физика и математика до философия. В този случай говорим за използването на понятието "концентрация" в биологията и химията.
Градиент
В превод от латински тази дума означава „растещ” или „ходене”, тоест е вид „сочещ пръст”, който показва посоката, в която се увеличава всяка стойност. Като пример можете да използвате, да речем, височината над морското равнище в различни точки на Земята. Неговият (на височина) градиент във всяка отделна точка на картата ще показва вектор с нарастваща стойност до достигане на най-стръмното изкачване.
В математиката този термин се появява едва в края на деветнадесети век. Той беше въведен от Максуел и предложи свои собствени обозначения за това количество. Физиците използват тази концепция, за да опишат интензитета на електрическо или гравитационно поле, промяна в потенциалната енергия.
Не само физиката, но и други науки използват термина "градиент". Тази концепция може да отразява както качествени, така иколичествена характеристика на вещество, като концентрация или температура.
Градиент на концентрация
Какъв е градиентът сега е известен, но каква е концентрацията? Това е относителна стойност, която показва пропорцията на веществото, съдържащо се в разтвора. Може да се изчисли като процент от масата, броя на моловете или атомите в газ (разтвор), част от цялото. Такъв широк избор дава възможност да се изрази почти всяко съотношение. И не само във физиката или биологията, но и в метафизичните науки.
И като цяло градиентът на концентрация е векторна величина, която едновременно характеризира количеството и посоката на промяна на веществото в околната среда.
Определение
Можете ли да изчислите градиента на концентрация? Неговата формула е конкретна между елементарна промяна в концентрацията на вещество и дълъг път, който веществото ще трябва да преодолее, за да постигне равновесие между два разтвора. Математически това се изразява с формулата С=dC/dl.
Наличието на градиент на концентрация между две вещества ги кара да се смесват. Ако частиците се движат от зона с по-висока концентрация към по-ниска, тогава това се нарича дифузия, а ако има полупропусклива пречка между тях, това се нарича осмоза.
Активен транспорт
Активният и пасивен транспорт отразява движението на вещества през мембраните или слоевете на клетките на живите същества: протозои, растения,животни и хора. Този процес се осъществява с използването на топлинна енергия, тъй като преходът на веществата се извършва срещу градиент на концентрация: от по-малък към по-голям. Най-често за осъществяване на такова взаимодействие се използва аденозин трифосфат или АТФ – молекула, която е универсален източник на енергия в 38 джаула.
Има различни форми на АТФ, които се намират върху клетъчните мембрани. Съдържащата се в тях енергия се освобождава, когато молекулите на веществата се пренасят чрез т. нар. помпи. Това са пори в клетъчната стена, които селективно абсорбират и изпомпват електролитните йони. Освен това има такъв транспортен модел като symport. В този случай две вещества се транспортират едновременно: едното напуска клетката, а другото влиза в нея. Това спестява енергия.
Везикуларен транспорт
Активният и пасивният транспорт включват транспортиране на вещества под формата на мехурчета или везикули, поради което процесът се нарича съответно везикуларен транспорт. Има два вида от него:
- Ендоцитоза. В този случай от клетъчната мембрана се образуват мехурчета в процеса на усвояване от нея на твърди или течни вещества. Везикулите могат да бъдат гладки или оградени. Яйцата, белите кръвни клетки и епитела на бъбреците имат този начин на хранене.
- Екзоцитоза. Както подсказва името, този процес е противоположен на предишния. В клетката има органели (например апаратът на Голджи), които „опаковат“вещества във везикули и впоследствие излизат презмембрана.
Пасивен транспорт: дифузия
Движението по градиента на концентрация (от високо към ниско) се осъществява без използване на енергия. Има два вида пасивен транспорт: осмоза и дифузия. Последният е прост и лек.
Основната разлика между осмозата е, че процесът на движение на молекулите се осъществява през полупропусклива мембрана. И дифузия по градиента на концентрация се случва в клетки, които имат мембрана с два слоя липидни молекули. Посоката на транспорт зависи само от количеството вещество от двете страни на мембраната. По този начин хидрофобните вещества, полярните молекули, уреята проникват в клетките, а протеините, захарите, йоните и ДНК не могат да проникнат.
По време на дифузия, молекулите са склонни да запълнят целия наличен обем, както и да изравнят концентрацията от двете страни на мембраната. Случва се мембраната да е непропусклива или слабо пропусклива за веществото. В този случай върху него действат осмотични сили, които могат или да направят бариерата по-плътна, или да я разтегне, увеличавайки размера на изпомпващите канали.
Улеснена дифузия
Когато градиентът на концентрация не е достатъчна основа за транспортиране на дадено вещество, на помощ идват специфични протеини. Те са разположени върху клетъчната мембрана по същия начин като молекулите на АТФ. Благодарение на тях може да се извършва както активен, така и пасивен транспорт.
По този начин големи молекули (протеини, ДНК) преминават през мембраната,полярни вещества, които включват аминокиселини и захари, йони. Поради участието на протеини скоростта на транспортиране се увеличава няколко пъти в сравнение с конвенционалната дифузия. Но това ускорение зависи от някои причини:
- градиент на материята вътре и извън клетката;
- брой молекули носители;
- обвързващи ставки за вещество-носител;
- скорост на промяна във вътрешната повърхност на клетъчната мембрана.
Въпреки това, транспортът се осъществява благодарение на работата на протеините носители и енергията на АТФ не се използва в този случай.
Основните характеристики, които характеризират улеснената дифузия са:
- Бърз трансфер на вещества.
- Транспортна селективност.
- Насищане (когато всички протеини са заети).
- Конкуренция между вещества (поради протеинов афинитет).
- Чувствителност към специфични химични агенти - инхибитори.
осмоза
Както беше споменато по-горе, осмозата е движението на вещества по градиент на концентрация през полупропусклива мембрана. Процесът на осмоза е най-пълно описан от принципа на Лешателие-Браун. Той казва, че ако една система в равновесие е повлияна отвън, тогава тя ще има тенденция да се върне в предишното си състояние. За първи път явлението осмоза се среща в средата на 18 век, но тогава не му се придава голямо значение. Изследванията на феномена започват едва сто години по-късно.
Най-важният елемент във феномена на осмозата е полупропусклива мембрана, която позволява само на определени молекули да преминават през нея.диаметър или свойства. Например, в два разтвора с различни концентрации, само разтворителят ще премине през бариерата. Това ще продължи, докато концентрацията от двете страни на мембраната не стане еднаква.
Осмозата играе важна роля в живота на клетките. Това явление позволява само онези вещества, които са необходими за поддържане на живота, да проникнат в тях. Червената кръвна клетка има мембрана, която позволява само вода, кислород и хранителни вещества да преминават, но протеините, които се образуват вътре в червените кръвни клетки, не могат да излязат.
Феноменът осмоза е намерил и практическо приложение в ежедневието. Без дори да подозират, хората в процеса на осоляване на храната са използвали именно принципа на движение на молекулите по градиент на концентрация. Наситеният физиологичен разтвор "изтегли" цялата вода от продуктите, като по този начин им позволи да се съхраняват по-дълго.
