Mi az a koncentráció? Tágabb értelemben ez egy anyag térfogatának és a benne oldott részecskék számának az aránya. Ez a meghatározás a tudomány legkülönbözőbb ágaiban megtalálható, a fizikától és a matematikától a filozófiáig. Ebben az esetben a „koncentráció” fogalmának használatáról beszélünk a biológiában és a kémiában.
Gradiens
Ez a szó latinból fordítva „növekedést” vagy „járást” jelent, vagyis egyfajta „mutatóujj”, amely megmutatja, hogy milyen irányban nő bármely érték. Példaként használhatja például a tengerszint feletti magasságot a Föld különböző pontjain. A (magasság) gradiense a térkép minden egyes pontján növekvő értékű vektort mutat a legmeredekebb emelkedésig.
A matematikában ez a kifejezés csak a 19. század végén jelent meg. Maxwell vezette be, és saját megnevezéseket javasolt erre a mennyiségre. A fizikusok ezt a fogalmat az elektromos vagy gravitációs mező intenzitásának, a potenciális energia változásának leírására használják.
Nemcsak a fizika, hanem más tudományok is használják a "gradiens" kifejezést. Ez a fogalom tükrözheti mind a minőségi, mind aegy anyag mennyiségi jellemzője, például koncentráció vagy hőmérséklet.
Koncentrációs gradiens
Mi a gradiens, már ismert, de mi a koncentráció? Ez egy relatív érték, amely az oldatban lévő anyag arányát mutatja. Kiszámítható a tömeg százalékában, egy gázban (oldatban) lévő mólok vagy atomok számában, az egész töredékében. Egy ilyen széles választék lehetővé teszi szinte bármilyen arány kifejezését. És nem csak a fizikában vagy a biológiában, hanem a metafizikai tudományokban is.
És általánosságban elmondható, hogy a koncentráció gradiens egy vektormennyiség, amely egyszerre jellemzi egy anyag mennyiségét és változásának irányát a környezetben.
Definíció
Ki tudod számítani a koncentráció gradienst? A képlete egy anyag koncentrációjának elemi változása és egy hosszú út közötti különbség, amelyet az anyagnak meg kell haladnia ahhoz, hogy egyensúlyt érjen el két oldat között. Matematikailag ezt a következő képlettel fejezzük ki: С=dC/dl.
A koncentráció gradiens jelenléte két anyag között keveredik. Ha a részecskék egy nagyobb koncentrációjú területről egy alacsonyabbra mozognak, akkor ezt diffúziónak nevezzük, ha pedig félig áteresztő akadály van közöttük, azt ozmózisnak nevezzük.
Aktív közlekedés
Az aktív és passzív transzport az anyagok mozgását tükrözi élőlények membránjain vagy sejtrétegein keresztül: protozoonok, növények,állatok és emberek. Ez a folyamat hőenergia felhasználásával megy végbe, mivel az anyagok átmenete koncentrációgradiens ellenében történik: kisebbről nagyobbra. Leggyakrabban adenozin-trifoszfátot vagy ATP-t használnak egy ilyen kölcsönhatás végrehajtására – egy molekula, amely 38 Joule-ban univerzális energiaforrás.
Az ATP különböző formái találhatók a sejtmembránokon. A bennük lévő energia akkor szabadul fel, amikor az anyagmolekulák az úgynevezett szivattyúkon keresztül jutnak el. Ezek a sejtfal pórusai, amelyek szelektíven elnyelik és kiszivattyúzzák az elektrolit ionokat. Ezen kívül van egy ilyen szállítási modell, mint a szimport. Ebben az esetben két anyag egyidejűleg szállítódik: az egyik elhagyja a sejtet, a másik pedig bejut. Ez energiát takarít meg.
Vezicularis szállítás
Az aktív és passzív transzport az anyagok buborékok vagy hólyagok formájában történő szállítását foglalja magában, ezért a folyamatot hólyagos transzportnak nevezik. Két típusa van:
- Endocitózis. Ebben az esetben buborékok képződnek a sejtmembránból a szilárd vagy folyékony anyagok felszívódásának folyamata során. A hólyagok lehetnek simák vagy szegélyezettek. A tojás, a fehérvérsejtek és a vesék hámja így táplálkozik.
- Exocitózis. Ahogy a név is sugallja, ez a folyamat az előző ellentéte. A sejt belsejében organellumok vannak (például a Golgi-készülék), amelyek az anyagokat vezikulákba „pakolják”, majd kilépnek.membrán.
Passzív transzport: diffúzió
A koncentráció gradiens mentén történő mozgás (magasról alacsonyra) energia felhasználása nélkül történik. A passzív transzportnak két típusa van: az ozmózis és a diffúzió. Ez utóbbi egyszerű és könnyű.
A fő különbség az ozmózis között az, hogy a molekulák mozgása egy félig áteresztő membránon keresztül megy végbe. A koncentráció gradiens mentén történő diffúzió pedig olyan sejtekben megy végbe, amelyeknek két rétegű lipidmolekulával rendelkező membránja van. A szállítás iránya csak a membrán mindkét oldalán lévő anyag mennyiségétől függ. Ilyen módon a hidrofób anyagok, poláris molekulák, karbamid behatolnak a sejtekbe, a fehérjék, cukrok, ionok és DNS pedig nem tudnak behatolni.
A diffúzió során a molekulák hajlamosak a teljes rendelkezésre álló térfogatot kitölteni, valamint kiegyenlíteni a koncentrációt a membrán mindkét oldalán. Előfordul, hogy a membrán át nem eresztő vagy rosszul áteresztő az anyag számára. Ebben az esetben ozmotikus erők hatnak rá, amelyek vagy sűrűbbé tehetik a gátat, vagy megnyújthatják, növelve a pumpáló csatornák méretét.
Könnyített diffúzió
Amikor a koncentráció gradiens nem elegendő alap egy anyag szállításához, specifikus fehérjék jönnek segítségül. A sejtmembránon ugyanúgy elhelyezkednek, mint az ATP-molekulák. Nekik köszönhetően aktív és passzív szállítás is megvalósítható.
Ily módon nagy molekulák (fehérjék, DNS) jutnak át a membránon,poláris anyagok, köztük aminosavak és cukrok, ionok. A fehérjék részvétele miatt a transzport sebesség többszörösére nő a hagyományos diffúzióhoz képest. De ez a gyorsulás bizonyos okoktól függ:
- anyag gradiense a sejten belül és kívül;
- hordozó molekulák száma;
- anyag-hordozó kötési arányok;
- változás sebessége a sejtmembrán belső felületében.
Ennek ellenére a transzport a hordozófehérjék munkájának köszönhetően megy végbe, és az ATP-energia ebben az esetben nem kerül felhasználásra.
A könnyített diffúziót jellemző főbb jellemzők:
- Az anyagok gyors átvitele.
- Szállítási szelektivitás.
- Telítettség (amikor minden fehérje fogl alt).
- Az anyagok közötti versengés (a fehérjeaffinitás miatt).
- Speciális vegyi anyagokra – inhibitorokra való érzékenység.
Ozmózis
Amint fentebb említettük, az ozmózis az anyagok koncentrációgradiens mentén történő mozgása egy féligáteresztő membránon. Az ozmózis folyamatát legteljesebben a Leshatelier-Brown elv írja le. Azt mondja, hogy ha egy egyensúlyban lévő rendszert kívülről befolyásolnak, akkor hajlamos lesz visszatérni korábbi állapotába. Az ozmózis jelenségével először a 18. század közepén találkoztak, de akkor nem tulajdonítottak különösebb jelentőséget. A jelenség kutatása csak száz évvel később kezdődött.
Az ozmózis jelenségének legfontosabb eleme egy félig áteresztő membrán, amely csak bizonyos molekulákat enged át rajta.átmérője vagy tulajdonságai. Például két különböző koncentrációjú oldatban csak az oldószer jut át a gáton. Ez addig folytatódik, amíg a koncentráció a membrán mindkét oldalán megegyezik.
Az ozmózis jelentős szerepet játszik a sejtek életében. Ez a jelenség csak azokat az anyagokat engedi beléjük hatolni, amelyek az élet fenntartásához szükségesek. A vörösvérsejtnek van egy membránja, amelyen csak a víz, az oxigén és a tápanyagok jutnak át, de a vörösvérsejtben képződő fehérjék nem tudnak kijutni.
Az ozmózis jelensége a mindennapi életben is gyakorlati alkalmazásra talált. Anélkül, hogy ezt sejtették volna, az élelmiszerek sózása során az emberek pontosan azt az elvet alkalmazták, hogy a molekulák a koncentráció gradiens mentén mozognak. A telített sóoldat „kihúzta” az összes vizet a termékekből, ezáltal lehetővé tette a termékek hosszabb tárolását.
