Kaj je koncentracija? V širšem smislu je to razmerje med prostornino snovi in številom v njej raztopljenih delcev. To definicijo najdemo v najrazličnejših vejah znanosti, od fizike in matematike do filozofije. V tem primeru govorimo o uporabi koncepta "koncentracije" v biologiji in kemiji.
Gradient
V prevodu iz latinščine ta beseda pomeni "rastenje" ali "hodenje", torej je nekakšen "kazal prst", ki kaže smer, v kateri se katera koli vrednost povečuje. Kot primer lahko uporabite, recimo, višino nad morsko gladino na različnih točkah na Zemlji. Njegov (višinski) naklon na vsaki posamezni točki na zemljevidu bo pokazal vektor naraščajoče vrednosti, dokler ne doseže najstrmejšega vzpona.
V matematiki se je ta izraz pojavil šele ob koncu devetnajstega stoletja. Uvedel jo je Maxwell in predlagal svoje oznake za to količino. Fiziki uporabljajo ta koncept za opis jakosti električnega ali gravitacijskega polja, spremembe potencialne energije.
Izraz "gradient" ne uporablja samo fizika, ampak tudi druge znanosti. Ta koncept lahko odraža tako kvalitativno kotkvantitativna značilnost snovi, kot je koncentracija ali temperatura.
Nagib koncentracije
Kakšen je gradient je zdaj znan, kakšna pa je koncentracija? To je relativna vrednost, ki kaže delež snovi v raztopini. Lahko se izračuna kot odstotek mase, število molov ali atomov v plinu (raztopini), del celote. Tako široka izbira omogoča izražanje skoraj vseh razmerij. Pa ne samo v fiziki ali biologiji, ampak tudi v metafizičnih znanostih.
In na splošno je koncentracijski gradient vektorska količina, ki hkrati označuje količino in smer spremembe snovi v okolju.
Definicija
Ali lahko izračunate koncentracijski gradient? Njegova formula je posebnost med elementarno spremembo koncentracije snovi in dolgo potjo, ki jo bo morala snov premagati, da bi dosegla ravnotežje med dvema raztopinama. Matematično je to izraženo s formulo С=dC/dl.
Prisotnost koncentracijskega gradienta med dvema snovema povzroči njihovo mešanje. Če se delci premikajo iz območja z višjo koncentracijo v nižjo, se to imenuje difuzija, če je med njimi polprepustna ovira, se imenuje osmoza.
Aktivni prevoz
Aktivni in pasivni transport odraža gibanje snovi skozi membrane ali plasti celic živih bitij: praživali, rastline,živali in ljudi. Ta proces poteka z uporabo toplotne energije, saj se prehod snovi izvaja proti koncentracijskemu gradientu: od manjšega do večjega. Najpogosteje se za izvedbo takšne interakcije uporablja adenozin trifosfat ali ATP - molekula, ki je univerzalni vir energije v 38 Joulih.
Obstajajo različne oblike ATP, ki se nahajajo na celičnih membranah. Energija, ki jo vsebujejo, se sprosti, ko se molekule snovi prenašajo skozi tako imenovane črpalke. To so pore v celični steni, ki selektivno absorbirajo in črpajo elektrolitne ione. Poleg tega obstaja takšen transportni model kot symport. V tem primeru se hkrati prenašata dve snovi: ena zapusti celico, druga pa vstopi vanjo. To prihrani energijo.
Vezikularni transport
Aktivni in pasivni transport vključujeta transport snovi v obliki mehurčkov ali veziklov, zato se proces imenuje vezikularni transport. Obstajata dve vrsti tega:
- Endocitoza. V tem primeru se iz celične membrane tvorijo mehurčki v procesu absorpcije trdnih ali tekočih snovi s strani nje. Vezikli so lahko gladki ali obrobljeni. Na ta način se prehranjujejo jajca, bele krvne celice in epitelij ledvic.
- Eksocitoza. Kot pove že ime, je ta postopek nasproten prejšnjemu. V celici so organeli (na primer Golgijev aparat), ki "pakirajo" snovi v mehurčke in nato izstopijo skozimembrana.
Pasivni transport: difuzija
Gibanje vzdolž gradienta koncentracije (od visoke do nizke) poteka brez porabe energije. Obstajata dve vrsti pasivnega transporta: osmoza in difuzija. Slednji je preprost in lahek.
Glavna razlika med osmozo je v tem, da proces gibanja molekul poteka skozi polprepustno membrano. In difuzija vzdolž koncentracijskega gradienta se pojavi v celicah, ki imajo membrano z dvema slojema lipidnih molekul. Smer transporta je odvisna samo od količine snovi na obeh straneh membrane. Na ta način hidrofobne snovi, polarne molekule, sečnina prodrejo v celice, beljakovine, sladkorji, ioni in DNK pa ne morejo prodreti.
Med difuzijo molekule nagibajo k zapolnitvi celotnega razpoložljivega volumna in tudi izenačijo koncentracijo na obeh straneh membrane. Zgodi se, da je membrana neprepustna ali slabo prepustna za snov. V tem primeru nanj delujejo osmotske sile, ki lahko bodisi naredijo pregrado gostejšo bodisi jo raztegnejo in povečajo velikost črpalnih kanalov.
Olajšana difuzija
Kadar gradient koncentracije ni zadostna osnova za transport snovi, priskočijo na pomoč specifične beljakovine. Na celični membrani se nahajajo na enak način kot molekule ATP. Zahvaljujoč njim se lahko izvaja tako aktivni kot pasivni transport.
Na ta način velike molekule (beljakovine, DNK) prehajajo skozi membrano,polarne snovi, ki vključujejo aminokisline in sladkorje, ione. Zaradi udeležbe beljakovin se hitrost transporta večkrat poveča v primerjavi s klasično difuzijo. Toda ta pospešek je odvisen od nekaterih razlogov:
- gradient snovi znotraj in zunaj celice;
- število nosilnih molekul;
- obvezne stopnje za nosilce snovi;
- stopnja spremembe notranje površine celične membrane.
Kljub temu se transport izvaja zahvaljujoč delu nosilnih beljakovin, energija ATP pa se v tem primeru ne uporablja.
Glavne značilnosti, ki označujejo olajšano razširjanje, so:
- Hiter prenos snovi.
- Selektivnost prevoza.
- Nasičenost (ko so vsi proteini zasedeni).
- Tekmovanje med snovmi (zaradi afinitete beljakovin).
- Občutljivost na specifične kemične snovi - inhibitorje.
osmoza
Kot že omenjeno, je osmoza gibanje snovi vzdolž koncentracijskega gradienta čez polprepustno membrano. Proces osmoze najbolj v celoti opisuje Leshatelier-Brownov princip. Pravi, da če je sistem v ravnotežju pod vplivom od zunaj, se bo nagibal k vrnitvi v prejšnje stanje. S pojavom osmoze smo se prvič srečali sredi 18. stoletja, vendar mu takrat niso pripisovali velikega pomena. Raziskave o tem fenomenu so se začele šele sto let pozneje.
Najpomembnejši element v pojavu osmoze je polprepustna membrana, ki omogoča prehod le določenim molekulam.premer ali lastnosti. Na primer, v dveh raztopinah z različnimi koncentracijami bo samo topilo prešlo skozi pregrado. To se bo nadaljevalo, dokler ni koncentracija na obeh straneh membrane enaka.
Osmoza igra pomembno vlogo v življenju celic. Ta pojav omogoča, da vanje prodrejo samo tiste snovi, ki so potrebne za vzdrževanje življenja. Rdeča krvna celica ima membrano, ki prepušča samo vodo, kisik in hranila, vendar beljakovine, ki nastanejo v rdeči krvni celici, ne morejo izstopiti.
Fenomen osmoze je našel tudi praktično uporabo v vsakdanjem življenju. Ne da bi to niti slutili, so ljudje v procesu soljenja hrane uporabljali prav princip gibanja molekul vzdolž koncentracijskega gradienta. Nasičena fiziološka raztopina je "izvlekla" vso vodo iz izdelkov in jim tako omogočila, da so bili dlje shranjeni.
