Što je koncentracija? U širem smislu, to je omjer volumena tvari i broja čestica otopljenih u njoj. Ova se definicija nalazi u raznim granama znanosti, od fizike i matematike do filozofije. U ovom slučaju govorimo o korištenju koncepta "koncentracije" u biologiji i kemiji.
Gradient
Prevedeno s latinskog, ova riječ znači "rast" ili "hodanje", odnosno to je neka vrsta "pokazivanja prstom", koja pokazuje smjer u kojem se bilo koja vrijednost povećava. Kao primjer, možete koristiti, recimo, visinu iznad razine mora na različitim točkama na Zemlji. Njegov (visinski) gradijent na svakoj pojedinoj točki na karti pokazat će vektor rastuće vrijednosti sve dok se ne postigne najstrmiji uspon.
U matematici se ovaj izraz pojavio tek krajem devetnaestog stoljeća. Uveo ju je Maxwell i predložio vlastite oznake za ovu količinu. Fizičari koriste ovaj koncept kako bi opisali intenzitet električnog ili gravitacijskog polja, promjenu potencijalne energije.
Ne samo fizika, već i druge znanosti koriste izraz "gradijent". Ovaj koncept može odražavati i kvalitativne ikvantitativna karakteristika tvari, kao što je koncentracija ili temperatura.
Gradijent koncentracije
Koji je gradijent sada je poznat, ali kolika je koncentracija? Ovo je relativna vrijednost koja pokazuje udio tvari sadržane u otopini. Može se izračunati kao postotak mase, broj molova ili atoma u plinu (otopini), djelić cjeline. Tako širok izbor omogućuje izražavanje gotovo bilo kojeg omjera. I to ne samo u fizici ili biologiji, već i u metafizičkim znanostima.
I općenito, gradijent koncentracije je vektorska veličina, koja istovremeno karakterizira količinu i smjer promjene tvari u okolišu.
Definicija
Možete li izračunati gradijent koncentracije? Njegova formula je određena između elementarne promjene koncentracije tvari i dugog puta koji će tvar morati prijeći da bi postigla ravnotežu između dvije otopine. Matematički se to izražava formulom S=dC/dl.
Prisutnost gradijenta koncentracije između dvije tvari uzrokuje njihovo miješanje. Ako se čestice kreću iz područja s višom koncentracijom u nižu, to se naziva difuzija, a ako između njih postoji polupropusna prepreka, to se naziva osmoza.
Aktivni prijevoz
Aktivni i pasivni transport odražava kretanje tvari kroz membrane ili slojeve stanica živih bića: protozoa, biljaka,životinja i ljudi. Taj se proces odvija uz korištenje toplinske energije, budući da se prijelaz tvari odvija protiv gradijenta koncentracije: od manjeg prema većem. Za provedbu takve interakcije najčešće se koristi adenozin trifosfat ili ATP – molekula koja je univerzalni izvor energije u 38 džula.
Postoje različiti oblici ATP-a koji se nalaze na staničnim membranama. Energija sadržana u njima oslobađa se kada se molekule tvari prenose kroz pumpe tzv. To su pore u staničnoj stijenci koje selektivno apsorbiraju i ispumpavaju ione elektrolita. Osim toga, postoji takav transportni model kao symport. U tom se slučaju istodobno transportiraju dvije tvari: jedna napušta stanicu, a druga ulazi u nju. Ovo štedi energiju.
Vezikularni transport
Aktivni i pasivni transport uključuju transport tvari u obliku mjehurića ili vezikula, stoga se proces naziva, odnosno vezikularnim transportom. Postoje dvije vrste:
- Endocitoza. U tom slučaju iz stanične membrane nastaju mjehurići u procesu apsorpcije čvrstih ili tekućih tvari njome. Vezikule mogu biti glatke ili obrubljene. Jaja, bijela krvna zrnca i epitel bubrega imaju ovaj način prehrane.
- Egzocitoza. Kao što naziv implicira, ovaj proces je suprotan prethodnom. Unutar stanice nalaze se organele (na primjer, Golgijev aparat), koje "pakuju" tvari u vezikule, a one nakon toga izlaze krozmembrana.
Pasivni transport: difuzija
Kretanje duž gradijenta koncentracije (od visokog prema niskom) događa se bez upotrebe energije. Postoje dvije vrste pasivnog transporta: osmoza i difuzija. Potonji je jednostavan i lagan.
Glavna razlika između osmoze je u tome što se proces kretanja molekula odvija kroz polupropusnu membranu. A difuzija duž gradijenta koncentracije događa se u stanicama koje imaju membranu s dva sloja molekula lipida. Smjer transporta ovisi samo o količini tvari s obje strane membrane. Na taj način hidrofobne tvari, polarne molekule, urea prodiru u stanice, a proteini, šećeri, ioni i DNK ne mogu prodrijeti.
Tijekom difuzije, molekule teže ispuniti cijeli raspoloživi volumen, kao i izjednačiti koncentraciju na obje strane membrane. Događa se da je membrana nepropusna ili slabo propusna za tvar. U tom slučaju na njega djeluju osmotske sile koje mogu ili učiniti barijeru gušćom ili je rastegnuti, povećavajući veličinu kanala za pumpanje.
Olakšana difuzija
Kada gradijent koncentracije nije dovoljna osnova za transport tvari, u pomoć priskaču specifični proteini. Nalaze se na staničnoj membrani na isti način kao i ATP molekule. Zahvaljujući njima, moguće je obavljati i aktivni i pasivni transport.
Na taj način velike molekule (proteini, DNK) prolaze kroz membranu,polarne tvari, koje uključuju aminokiseline i šećere, ione. Zbog sudjelovanja proteina, brzina transporta se povećava nekoliko puta u usporedbi s konvencionalnom difuzijom. Ali ovo ubrzanje ovisi o nekim razlozima:
- gradijent materije unutar i izvan ćelije;
- broj molekula nosača;
- obvezujuće stope nositelja tvari;
- brzina promjene unutarnje površine stanične membrane.
Unatoč tome, transport se odvija zahvaljujući radu proteina nosača, a energija ATP-a se u ovom slučaju ne koristi.
Glavne značajke koje karakteriziraju olakšanu difuziju su:
- Brzi prijenos tvari.
- Selektivnost prijevoza.
- Saturacija (kada su svi proteini zauzeti).
- Natjecanje između tvari (zbog afiniteta proteina).
- Osjetljivost na specifične kemijske agense - inhibitore.
Osmoza
Kao što je gore spomenuto, osmoza je kretanje tvari duž gradijenta koncentracije kroz polupropusnu membranu. Proces osmoze najpotpunije je opisan Leshatelier-Brownovim principom. Kaže da ako je sustav u ravnoteži pod utjecajem izvana, tada će se težiti povratku u svoje prethodno stanje. Prvi put se fenomen osmoze susreo sredinom 18. stoljeća, no tada mu se nije pridavao veliki značaj. Istraživanje ovog fenomena počelo je tek stotinu godina kasnije.
Najvažniji element u fenomenu osmoze je polupropusna membrana koja propušta samo određene molekule kroz nju.promjera ili svojstva. Na primjer, u dvije otopine s različitim koncentracijama, samo će otapalo proći kroz barijeru. To će se nastaviti sve dok koncentracija na obje strane membrane ne bude ista.
Osmoza igra značajnu ulogu u životu stanica. Ovaj fenomen dopušta da u njih prodru samo one tvari koje su potrebne za održavanje života. Crvena krvna stanica ima membranu koja propušta samo vodu, kisik i hranjive tvari, ali proteini koji se formiraju unutar crvenih krvnih stanica ne mogu izaći.
Fenomen osmoze našao je i praktičnu primjenu u svakodnevnom životu. I ne sluteći, ljudi su u procesu soljenja hrane koristili upravo princip kretanja molekula po koncentracijskom gradijentu. Zasićena slana otopina "izvukla" je svu vodu iz proizvoda, čime je omogućila njihovo dulje skladištenje.
