Ce este concentrarea? Într-un sens larg, acesta este raportul dintre volumul unei substanțe și numărul de particule dizolvate în ea. Această definiție se găsește într-o mare varietate de ramuri ale științei, de la fizică și matematică până la filozofie. În acest caz, vorbim despre utilizarea conceptului de „concentrare” în biologie și chimie.
Gradient
Tradus din latină, acest cuvânt înseamnă „creștere” sau „mers”, adică este un fel de „degetul arătător”, care arată direcția în care crește orice valoare. Ca exemplu, puteți utiliza, să zicem, înălțimea deasupra nivelului mării în diferite puncte de pe Pământ. Gradientul său (înălțime) în fiecare punct individual de pe hartă va afișa un vector de valoare crescătoare până la atingerea celei mai abrupte ascensiuni.
În matematică, acest termen a apărut abia la sfârșitul secolului al XIX-lea. A fost introdus de Maxwell și și-a propus propriile denumiri pentru această cantitate. Fizicienii folosesc acest concept pentru a descrie intensitatea unui câmp electric sau gravitațional, o schimbare a energiei potențiale.
Nu numai fizica, ci și alte științe folosesc termenul „gradient”. Acest concept poate reflecta atât calitativ cât șio caracteristică cantitativă a unei substanțe, cum ar fi concentrația sau temperatura.
Gradient de concentrație
Ce este gradientul este acum cunoscut, dar care este concentrația? Aceasta este o valoare relativă care arată proporția de substanță conținută în soluție. Se poate calcula ca procent din masă, numărul de moli sau atomi dintr-un gaz (soluție), o fracțiune din întreg. O alegere atât de largă face posibilă exprimarea aproape oricărui raport. Și nu numai în fizică sau biologie, ci și în științele metafizice.
Și, în general, gradientul de concentrație este o mărime vectorială, care caracterizează simultan cantitatea și direcția schimbării unei substanțe în mediu.
Definiție
Puteți calcula gradientul de concentrație? Formula sa este o particularitate între o modificare elementară a concentrației unei substanțe și o cale lungă pe care o substanță va trebui să o depășească pentru a atinge echilibrul între două soluții. Matematic, aceasta este exprimată prin formula С=dC/dl.
Prezența unui gradient de concentrație între două substanțe determină amestecarea acestora. Dacă particulele se deplasează dintr-o zonă cu o concentrație mai mare într-una mai mică, atunci aceasta se numește difuzie, iar dacă există un obstacol semi-permeabil între ele, se numește osmoză.
Transport activ
Transportul activ și pasiv reflectă mișcarea substanțelor prin membranele sau straturile de celule ale ființelor vii: protozoare, plante,animale și oameni. Acest proces are loc cu utilizarea energiei termice, deoarece tranziția substanțelor se realizează pe un gradient de concentrație: de la mai mic la mai mare. Cel mai adesea, adenozin trifosfat sau ATP este folosit pentru a realiza o astfel de interacțiune - o moleculă care este o sursă universală de energie în 38 de jouli.
Există diferite forme de ATP care se află pe membranele celulare. Energia conținută în ele este eliberată atunci când moleculele de substanțe sunt transferate prin așa-numitele pompe. Aceștia sunt pori din peretele celular care absorb selectiv și pompează ionii electroliți. În plus, există un astfel de model de transport ca simport. În acest caz, două substanțe sunt transportate simultan: una iese din celulă, iar ceal altă intră în ea. Acest lucru economisește energie.
Transport vezicular
Transportul activ si pasiv presupun transportul de substante sub forma de bule sau vezicule, de unde procesul se numeste, respectiv, transport vezicular. Există două tipuri:
- Endocitoză. În acest caz, din membrana celulară se formează bule în procesul de absorbție a substanțelor solide sau lichide de către aceasta. Veziculele pot fi netede sau mărginite. Ouăle, celulele albe din sânge și epiteliul rinichilor au acest mod de a mânca.
- Exocitoză. După cum sugerează și numele, acest proces este opusul celui precedent. Există organele în interiorul celulei (de exemplu, aparatul Golgi), care „împachetează” substanțele în vezicule și, ulterior, ies prinmembrana.
Transport pasiv: difuzie
Mișcarea de-a lungul gradientului de concentrație (de la mare la scăzut) are loc fără utilizarea energiei. Există două tipuri de transport pasiv: osmoză și difuzie. Acesta din urmă este simplu și ușor.
Principala diferență dintre osmoză este că procesul de mișcare a moleculelor are loc printr-o membrană semi-permeabilă. Și difuzia de-a lungul gradientului de concentrație are loc în celulele care au o membrană cu două straturi de molecule lipidice. Direcția de transport depinde numai de cantitatea de substanță de pe ambele părți ale membranei. În acest fel, substanțele hidrofobe, moleculele polare, ureea pătrund în celule, iar proteinele, zaharurile, ionii și ADN-ul nu pot pătrunde.
În timpul difuziei, moleculele tind să umple întregul volum disponibil, precum și să egalizeze concentrația pe ambele părți ale membranei. Se întâmplă ca membrana să fie impermeabilă sau slab permeabilă la substanță. În acest caz, asupra ei acţionează forţe osmotice, care fie pot face bariera mai densă, fie o pot întinde, mărind dimensiunea canalelor de pompare.
Difuzare facilitată
Când un gradient de concentrație nu este o bază suficientă pentru transportul unei substanțe, anumite proteine vin în ajutor. Ele sunt localizate pe membrana celulară în același mod ca moleculele de ATP. Datorită acestora, se poate realiza atât transportul activ, cât și cel pasiv.
În acest fel, moleculele mari (proteine, ADN) trec prin membrană,substanțe polare, care includ aminoacizi și zaharuri, ioni. Datorită participării proteinelor, viteza de transport crește de câteva ori în comparație cu difuzia convențională. Dar această accelerare depinde de câteva motive:
- gradient de materie în interiorul și în afara celulei;
- număr de molecule purtătoare;
- rate obligatorii pentru purtător de substanțe;
- rata de modificare a suprafeței interioare a membranei celulare.
În ciuda acestui fapt, transportul se realizează datorită muncii proteinelor purtătoare, iar energia ATP nu este utilizată în acest caz.
Principalele caracteristici care caracterizează difuzarea facilitată sunt:
- Transfer rapid de substanțe.
- Selectivitatea transportului.
- Saturație (când toate proteinele sunt ocupate).
- Concurență între substanțe (datorită afinității proteice).
- Sensibilitate la anumiți agenți chimici - inhibitori.
Osmoză
Așa cum sa menționat mai sus, osmoza este mișcarea substanțelor de-a lungul unui gradient de concentrație printr-o membrană semipermeabilă. Procesul de osmoză este cel mai complet descris de principiul Leshatelier-Brown. Se spune că, dacă un sistem în echilibru este influențat din exterior, atunci va tinde să revină la starea anterioară. Prima dată fenomenul de osmoză a fost întâlnit la mijlocul secolului al XVIII-lea, dar apoi nu i s-a acordat prea multă importanță. Cercetările asupra fenomenului au început doar o sută de ani mai târziu.
Cel mai important element în fenomenul de osmoză este o membrană semi-permeabilă care permite trecerea doar anumitor molecule prin ea.diametrul sau proprietățile. De exemplu, în două soluții cu concentrații diferite, doar solventul va trece prin barieră. Aceasta va continua până când concentrația pe ambele părți ale membranei este aceeași.
Osmoza joacă un rol semnificativ în viața celulelor. Acest fenomen permite doar acele substanțe necesare pentru menținerea vieții să pătrundă în ele. Celulele roșii din sânge au o membrană care permite trecerea numai a apei, oxigenului și nutrienților, dar proteinele care se formează în interiorul globulelor roșii nu pot ieși.
Fenomenul osmozei și-a găsit aplicație practică și în viața de zi cu zi. Fără să bănuiască, oamenii aflați în procesul de sărare a alimentelor au folosit tocmai principiul mișcării moleculelor de-a lungul unui gradient de concentrație. Soluția salină saturată „a scos” toată apa din produse, permițând astfel păstrarea lor mai mult timp.
