Kas yra koncentracija? Plačiąja prasme tai yra medžiagos tūrio ir joje ištirpusių dalelių skaičiaus santykis. Šis apibrėžimas randamas įvairiose mokslo šakose – nuo fizikos ir matematikos iki filosofijos. Šiuo atveju kalbame apie „koncentracijos“sąvokos vartojimą biologijoje ir chemijoje.
Gradientas
Išvertus iš lotynų kalbos, šis žodis reiškia „augti“arba „vaikščioti“, tai yra, tai savotiškas „rodantis pirštas“, rodantis kryptį, kuria bet kokia vertė didėja. Kaip pavyzdį galite naudoti, tarkime, aukštį virš jūros lygio skirtinguose Žemės taškuose. Jo (aukščio) gradientas kiekviename atskirame žemėlapio taške parodys didėjančios vertės vektorių, kol pasieks stačiausią pakilimą.
Matematikoje šis terminas atsirado tik XIX amžiaus pabaigoje. Jį pristatė Maxwellas ir pasiūlė savo pavadinimą šiam kiekiui. Fizikai šią sąvoką naudoja apibūdindami elektrinio ar gravitacinio lauko intensyvumą, potencialios energijos pokytį.
Ne tik fizikoje, bet ir kituose moksluose vartojamas terminas „gradientas“. Ši koncepcija gali atspindėti tiek kokybinius, tiekkiekybinė medžiagos charakteristika, pvz., koncentracija arba temperatūra.
Koncentracijos gradientas
Kas yra gradientas, dabar žinoma, bet kokia yra koncentracija? Tai santykinė vertė, rodanti tirpale esančios medžiagos proporciją. Jis gali būti apskaičiuojamas kaip masės procentas, molių arba atomų skaičius dujose (tirpalai), visumos dalis. Toks platus pasirinkimas leidžia išreikšti beveik bet kokį santykį. Ir ne tik fizikoje ar biologijoje, bet ir metafiziniuose moksluose.
Ir apskritai koncentracijos gradientas yra vektorinis dydis, kuris kartu apibūdina medžiagos kiekį ir kitimo kryptį aplinkoje.
Apibrėžimas
Ar galite apskaičiuoti koncentracijos gradientą? Jo formulė yra ypatinga tarp elementaraus medžiagos koncentracijos pasikeitimo ir ilgo kelio, kurį medžiaga turės įveikti, kad pasiektų dviejų tirpalų pusiausvyrą. Matematiškai tai išreiškiama formule С=dC/dl.
Dviejų medžiagų koncentracijos gradientas sukelia jų susimaišymą. Jei dalelės juda iš didesnės koncentracijos srities į mažesnę, tai vadinama difuzija, o jei tarp jų yra pusiau pralaidi kliūtis, tai vadinama osmosu.
Aktyvus transportas
Aktyvus ir pasyvus pernešimas atspindi medžiagų judėjimą per gyvų būtybių membranas arba ląstelių sluoksnius: pirmuonis, augalai,gyvūnai ir žmonės. Šis procesas vyksta naudojant šiluminę energiją, nes medžiagų perėjimas vyksta prieš koncentracijos gradientą: iš mažesnio į didesnį. Dažniausiai tokiai sąveikai atlikti naudojamas adenozino trifosfatas arba ATP – molekulė, kuri yra universalus 38 džaulių energijos š altinis.
Yra įvairių ATP formų, esančių ant ląstelių membranų. Juose esanti energija išsiskiria, kai medžiagų molekulės perduodamos per vadinamuosius siurblius. Tai ląstelės sienelės poros, kurios selektyviai sugeria ir išpumpuoja elektrolitų jonus. Be to, yra toks transporto modelis kaip simportas. Šiuo atveju vienu metu transportuojamos dvi medžiagos: viena išeina iš ląstelės, o kita į ją patenka. Taip taupoma energija.
Vezikulinis transportas
Aktyvus ir pasyvus transportavimas apima medžiagų pernešimą burbuliukų arba pūslelių pavidalu, todėl procesas atitinkamai vadinamas vezikuliniu transportavimu. Yra du jo tipai:
- Endocitozė. Tokiu atveju burbuliukai susidaro iš ląstelės membranos, kai ji absorbuoja kietas ar skystas medžiagas. Pūslelės gali būti lygios arba apvaduotos. Taip maitinasi kiaušiniai, b altieji kraujo kūneliai ir inkstų epitelis.
- Egzocitozė. Kaip rodo pavadinimas, šis procesas yra priešingas ankstesniam. Ląstelės viduje yra organelės (pavyzdžiui, Golgi aparatas), kurios „supakuoja“medžiagas į pūsleles, kurios vėliau išeina pro ją.membrana.
Pasyvus transportas: difuzija
Judėjimas koncentracijos gradientu (nuo didelio iki mažo) vyksta nenaudojant energijos. Yra du pasyvaus pernešimo tipai: osmosas ir difuzija. Pastarasis yra paprastas ir lengvas.
Pagrindinis skirtumas tarp osmoso yra tas, kad molekulių judėjimas vyksta per pusiau pralaidžią membraną. Ir difuzija pagal koncentracijos gradientą vyksta ląstelėse, turinčiose membraną su dviem lipidų molekulių sluoksniais. Transportavimo kryptis priklauso tik nuo medžiagos kiekio abiejose membranos pusėse. Tokiu būdu į ląsteles prasiskverbia hidrofobinės medžiagos, polinės molekulės, karbamidas, o b altymai, cukrūs, jonai ir DNR negali prasiskverbti.
Difuzijos metu molekulės linkusios užpildyti visą turimą tūrį, taip pat išlyginti koncentraciją abiejose membranos pusėse. Pasitaiko, kad membrana yra nepralaidi arba prastai pralaidi medžiagai. Tokiu atveju jį veikia osmosinės jėgos, dėl kurių kliūtis gali tapti tankesnė arba ją ištempti, padidindamos siurbimo kanalų dydį.
Palengvinta sklaida
Kai koncentracijos gradientas nėra pakankamas pagrindas medžiagai transportuoti, į pagalbą ateina specifiniai b altymai. Jie yra ant ląstelės membranos taip pat, kaip ir ATP molekulės. Jų dėka galima vykdyti tiek aktyvų, tiek pasyvų transportą.
Tokiu būdu per membraną praeina didelės molekulės (b altymai, DNR),polinės medžiagos, įskaitant aminorūgštis ir cukrų, jonus. Dėl b altymų dalyvavimo transportavimo greitis padidėja kelis kartus, palyginti su įprastine difuzija. Tačiau šis pagreitis priklauso nuo kelių priežasčių:
- medžiagos gradientas ląstelės viduje ir išorėje;
- nešiklio molekulių skaičius;
- medžiagos nešiklio įpareigojimo normos;
- ląstelės membranos vidinio paviršiaus kitimo greitis.
Nepaisant to, transportavimas vyksta dėl b altymų nešiklio darbo, o ATP energija šiuo atveju nenaudojama.
Pagrindinės savybės, apibūdinančios palengvintą sklaidą, yra šios:
- Greitas medžiagų pernešimas.
- Transporto selektyvumas.
- Sotumas (kai visi b altymai užimti).
- Medžiagų konkurencija (dėl b altymų afiniteto).
- Jautrumas specifiniams cheminiams veiksniams – inhibitoriams.
Osmosas
Kaip minėta, osmozė yra medžiagų judėjimas koncentracijos gradientu per pusiau pralaidžią membraną. Osmoso procesas geriausiai aprašytas Leshatelier-Brown principu. Sakoma, kad jei pusiausvyros sistema bus paveikta iš išorės, ji bus linkusi grįžti į ankstesnę būseną. Pirmą kartą su osmoso reiškiniu buvo susidurta XVIII amžiaus viduryje, tačiau tada jam nebuvo suteikta didelė reikšmė. Šio reiškinio tyrimai pradėti tik po šimto metų.
Svarbiausias osmoso reiškinio elementas yra pusiau pralaidi membrana, leidžianti pro ją praeiti tik tam tikroms molekulėms.skersmuo arba savybės. Pavyzdžiui, dviejuose skirtingos koncentracijos tirpaluose per barjerą praeis tik tirpiklis. Tai tęsis tol, kol koncentracija abiejose membranos pusėse bus vienoda.
Osmosas vaidina svarbų vaidmenį ląstelių gyvenime. Šis reiškinys leidžia į juos prasiskverbti tik toms medžiagoms, kurios būtinos gyvybei palaikyti. Raudonieji kraujo kūneliai turi membraną, per kurią praeina tik vanduo, deguonis ir maistinės medžiagos, tačiau raudonųjų kraujo kūnelių viduje susidarę b altymai negali išeiti.
Osmoso reiškinys taip pat buvo praktiškai pritaikytas kasdieniame gyvenime. Net neįtardami, žmonės sūdydami maistą naudojo būtent molekulių judėjimo koncentracijos gradientu principą. Prisotintas druskos tirpalas „ištraukė“iš produktų visą vandenį, todėl juos galima ilgiau laikyti.
