Gradient koncentracije: koncept, formula. Prevoz snovi v bioloških membranah

Kaj je koncentracija? Govorimo v širšem smislu, to je razmerje med količino snovi in ​​količino delcev, raztopljenih v njej. Ta opredelitev poteka v številnih vejah znanosti, ki se začnejo s fiziko in matematiko, ki se končajo s filozofijo. V tem primeru govorimo o uporabi koncepta "koncentracije" v biologiji in kemiji.

Gradient

Prevedena iz latinice, ta beseda pomeni "rast" ali "hojo", to je nekakšen "kazalec prst", ki kaže smer, v kateri se katera koli vrednost poveča. Na primer, lahko uporabite, recimo, nadmorsko višino v različnih točkah Zemlje. Njen gradient (višina) na vsaki posamezni točki na zemljevidu prikazuje vektor povečanja vrednosti, dokler ne doseže največje naraščanje.

V matematiki se je ta izraz pojavil šele v poznem devetnajstem stoletju. Uvedel ga je Maxwell in predlagal njegovo notacijo o tem obsegu. Fiziki uporabljajo ta koncept, da bi opisali intenzivnost električnega ali gravitacijskega polja, spremembo potencialne energije.

Ne samo fizika, ampak tudi druge znanosti uporabljajo izraz "gradient". Ta koncept lahko odraža tako kvalitativne kot količinske značilnosti snovi, na primer koncentracije ali temperature.

Koncentracija gradienta

Kaj je gradient? Zdaj je znano, kaj je koncentracija? To je relativna vrednost, ki prikazuje delež snovi v raztopini. Lahko se izračuna kot odstotek mase, števila molov ali atomov v plinu (raztopini), deleža celote. Takšna široka izbira omogoča praktično kakršno koli razmerje. In ne le v fiziki ali biologiji, temveč tudi v metafizikalnih znanostih.

In na splošno je gradient koncentracije vektorsko količino, ki istočasno daje značilnost količine in smeri spremembe snovi v mediju.

Opredelitev

Ali je mogoče izračunati gradient koncentracije? Njegova formula je posebnost med elementarno spremembo koncentracije snovi in ​​dolgim ​​potjo, ki jo bo morala snov presegla, da bi dosegla ravnovesje med obema raztopinama. To je matematično izraženo s formulo C = dC / dl.

Razlog za njihovo mešanje je prisotnost gradienta koncentracije med dvema snovema. Če se delci premaknejo iz regije z večjo koncentracijo v manjšo, se to imenuje difuzija in če obstaja med njimi polprepustna ovira, osmoza.

Aktivni prevoz

Aktivno in pasivni prevoz To odraža gibanje snovi preko membran ali plasti celic živih bitij: protozojske, rastline, živali in ljudi. Ta proces se izvaja s toplotno energijo, saj se prehod snovi izvaja z gradientom koncentracije: od manjše do večje. Najpogosteje za izvajanje te interakcije se uporablja adenozin trifosfat ali ATP-molekula, ki je univerzalni vir energije v 38 Joules.

Obstajajo različne oblike ATP, ki se nahajajo na celičnih membranah. Energija, ki se nahaja v njih, se sprosti, ko se molekule snovi prenesejo skozi tako imenovane črpalke. To so pore v celični steni, ki selektivno absorbirajo in črpajo elektrolitne ione. Poleg tega obstaja takšen model prevoza kot simport. V tem primeru se hkrati prevažata dve snovi: ena zapusti celico in druga vstopi. To prihrani energijo.

Vesikularni prevoz

Aktivni in pasivni transport vključuje prevoz snovi v obliki veziklov ali mehurčkov, zato se postopek imenuje vesikularni transport. Obstajata dve vrsti:

1. Endocitoza. V tem primeru so mehurčki nastali iz celične membrane med absorpcijo trdnih ali tekočih snovi. Vesili so lahko gladki ali imajo rob. Ta metoda krmljenja so jajčne bele krvne celice in ledvic epitelija.
2. Exocytosis. Na podlagi imena je ta postopek v nasprotju s prejšnjim. V celici so organeli (npr. Aparat Golgi), ki "pakirajo" snovi v mehurčke in jih kasneje zapustijo skozi membrano.

Pasivni transport: difuzija

Gibanje na gradientu koncentracije (od višje do nizke) se zgodi brez uporabe energije. Obstajata dve različici pasivnega transporta: osmoza in difuzija. Slednja je preprosta in lahka.

Glavna razlika osmoze je, da se proces premikajočih molekul pojavi skozi semipermeabilno membrano. In difuzija gradienta koncentracije se pojavlja v celicah, ki imajo membrano z dvema slojema lipidnih molekul. Smer transporta je odvisna samo od količine materiala na obeh straneh membrane. Na ta način celice prodrejo hidrofobne snovi, polarne molekule, sečnina in beljakovine, sladkorji, ioni in DNA ne morejo prodreti.

V procesu difuzije molekule ponavadi napolnijo celotno razpoložljivo prostornino in izenačijo koncentracijo na obeh straneh membrane. Zdi se, da je membrana neprepustna ali slabo prepustna za snov. V tem primeru vplivajo na osmotske sile, ki lahko obremenijo pregrado in jo raztegnejo s povečanjem velikosti črpalnih kanalov.

Lahka difuzija

Ko gradient koncentracije ni zadostna osnova za prevoz snovi, se specifične beljakovine rešijo. Nahajajo se na celični membrani na popolnoma enak način kot molekule ATP. Zahvaljujoč jim lahko aktivno in pasivno transportiranje izvedemo.

Na ta način se skozi membrano, polarne snovi, vključno z aminokislinami in sladkorji, ionov, prehajajo velike molekule (proteini, DNA). Zaradi udeležbe beljakovin se hitrost transporta večkrat poveča v primerjavi s konvencionalno difuzijo. Toda ta pospešek je odvisen od več razlogov:

• gradient snovi znotraj in zunaj celice;
• število nosilnih molekul;
• stopnjo vezave snovi in ​​nosilca;
• stopnjo spremembe notranje površine celične membrane.

Kljub temu se prevoz opravi zaradi dela nosilnih beljakovin, v tem primeru pa se energija ATP ne uporablja.

Glavne značilnosti, ki označujejo olajšano difuzijo, so:

1. Hitri prenos snovi.
2. Selektivnost prevoza.
3. Nasičenost (kadar so vsi proteini zasedeni).
4. Konkurenca med snovmi (zaradi afinitete s proteinom).
5. Občutljivost na specifična kemična sredstva - zaviralci.

Osmoza

Kot je bilo omenjeno zgoraj, je osmoza gibanje snovi vzdolž gradienta koncentracije skozi semipermeabilno membrano. Najbolj popoln postopek osmoze opisuje načelo Leshatelier-Brown. Piše, da če bo sistem, ki je v ravnotežju, vplival zunaj, si bo prizadeval, da se vrne v svojo prejšnjo državo. Prvič, ko je pojav osmoze trčil sredi XVIII. Stoletja, potem mu ni dalo veliko pomena. Študije tega pojava so se začele šele sto let kasneje.

Najpomembnejši element pri pojavu osmoze je polprepustna membrana, ki prehaja skozi sam po sebi molekule določenega premera ali lastnostmi. Na primer, v dveh raztopinah z različnimi koncentracijami bo skozi pregrado potekalo samo topilo. To se bo nadaljevalo, dokler koncentracija na obeh straneh membrane ne bo enaka.

Osmoza igra pomembno vlogo v življenju celic. Ta pojav omogoča, da prodrejo le tiste snovi, ki so potrebne za vzdrževanje življenja. Rdeča krvna celica ima membrano, ki omogoča samo vodo, kisik in hranila, vendar beljakovine, ki tvorijo znotraj rdečih krvnih celic, ne morejo priti na zunaj.

Pojav osmoze je našel tudi praktično uporabo v vsakdanjem življenju. Tudi, ne da bi to spoznali, so ljudje v procesu soljenja hrane uporabili ravno princip gibanja molekul vzdolž gradienta koncentracije. Nasičena slana raztopina "potegne" celotno vodo iz izdelkov, s čimer jim omogoča, da se shranjujejo dlje.