Koncentrationsgrad: koncept, formel. Transport af stoffer i biologiske membraner

Hvad er koncentration? Tale i bred forstand er dette forholdet mellem mængden af materie og mængden af partikler opløst i den. Denne definition forekommer i en lang række videnskabelige grene, der begynder med fysik og matematik, der slutter med filosofien. I dette tilfælde taler vi om brugen af begrebet "koncentration" i biologi og kemi.

gradient

Oversat fra latin betyder dette ord "voksende" eller "walking", det vil sige, det er en slags "pegende finger", der viser retningen, hvor enhver værdi stiger. Som et eksempel kan du sige, højden over havets overflade i forskellige punkter på jorden. Dens (højder) gradient ved hvert enkelt punkt på kortet viser vektoren for at øge værdien, indtil den stejleste stigning er nået.

I matematik syntes dette udtryk først i slutningen af det nittende århundrede. Han blev introduceret af Maxwell og foreslog hans notation af denne størrelsesorden. Fysikere bruger dette koncept for at beskrive intensiteten af det elektriske eller tyngdekraftige felt, forandringen i den potentielle energi.

Ikke kun fysik, men også andre videnskaber bruger udtrykket "gradient". Dette begreb kan reflektere både kvalitative og kvantitative egenskaber af et stof, fx koncentration eller temperatur.

Gradient koncentration

Hvad er en gradient nu kendt, og hvad er koncentration? Dette er en relativ værdi, der viser brøkdelen af stoffet indeholdt i opløsningen. Det kan beregnes som en procentdel af massen, antallet af mol eller atomer i gassen (opløsning), hele fraktionen. Et så bredt valg gør det muligt at udtrykke praktisk talt et hvilket som helst forhold. Og ikke kun i fysik eller biologi, men også i metafysiske videnskaber.

I almindelighed er koncentrationsgradienten en vektormængde, som samtidig giver en karakteristik af mængden og retningen af forandringen i materiale i mediet.

definition

Er det muligt at beregne koncentrationsgradienten? Dens formel er en særligitet mellem en elementær ændring i koncentrationen af et stof og en lang vej, der skal overvindes af stoffet for at opnå ligevægt mellem de to løsninger. Dette udtrykkes matematisk med formlen C = dC / dl.

Tilstedeværelsen af en koncentrationsgradient mellem to stoffer er årsagen til deres blanding. Hvis partiklerne bevæger sig fra et område med en større koncentration til en mindre en, kaldes dette diffusion, og hvis der er en semipermeabel hindring mellem dem, osmose.

Aktiv transport

Aktiv og passiv transport afspejler stoffernes bevægelse gennem membraner eller lag af celler af levende væsener: protozoer, planter, dyr og mennesker. Denne proces udføres ved hjælp af termisk energi, da overgangen af stoffer udføres mod en koncentrationsgradient: fra en mindre til et større. Oftest for implementeringen af denne interaktion anvendes adenosintrifosfat eller ATP-molekyle, som er en universel energikilde i 38 Joules.

Der findes forskellige former for ATP, som er placeret på membranerne i celler. Energien i dem frigives, når molekyler af stoffer overføres gennem såkaldte pumper. Disse er porer i cellevæggen, som selektivt absorberer og pumper elektrolytioner. Derudover er der en sådan transportmodel som simport. I dette tilfælde transporteres to stoffer samtidigt: en forlader cellen og den anden kommer ind i den. Dette sparer energi.

Vesikulær transport

Aktiv og passiv transport indebærer transport af stoffer i form af vesikler eller vesikler, så processen kaldes henholdsvis vesikulær transport. Der er to typer:

1. Endocytose. I dette tilfælde dannes boblerne fra cellemembranen under absorptionen af faste eller flydende stoffer. Vesiklerne kan være glatte eller have en kant. Denne ernæringsmetode har æg, hvide blodlegemer, såvel som epitelet af nyrerne.
2. Exocytose. Baseret på navnet er denne proces det modsatte af den forrige. Inde i cellen er der organeller (for eksempel Golgi-apparatet), som "pakker" stofferne ind i vesikler, og de i den efterfølgende udgang gennem membranen.

Passiv transport: diffusion

Bevægelse på koncentrationsgradienten (fra høj til lav) sker uden brug af energi. Der er to varianter af passiv transport: osmose og diffusion. Sidstnævnte er simpelt og let.

Hovedforskellen mellem osmose er, at processen med bevægelige molekyler sker gennem en semipermeabel membran. Og koncentrationsgradientdiffusion forekommer i celler, der har en membran med to lag lipidmolekyler. Transportretningen afhænger kun af mængden af materiale på begge sider af membranen. På denne måde trænger cellerne ind i hydrofobe stoffer, polære molekyler, urinstof og proteiner, sukkerarter, ioner og DNA kan ikke trænge ind.

I diffusionsprocessen har molekylerne en tendens til at fylde hele det tilgængelige volumen såvel som udligne koncentrationen på begge sider af membranen. Det sker, at membranen er uigennemtrængelig eller dårligt gennemtrængelig for stoffet. I dette tilfælde virker osmotiske kræfter på den, som både kan gøre barrieren tættere og strække den ved at forøge pumpens kanaler.

Lysdiffusion

Når koncentrationsgradienten ikke er et tilstrækkeligt grundlag for transport af et stof, kommer specifikke proteiner til undsætning. De er placeret på cellemembranen på samme måde som ATP-molekylerne. Takket være dem kan både aktiv og passiv transport udføres.

På denne måde passerer store molekyler (proteiner, DNA) gennem membranen, polære stoffer, herunder aminosyrer og sukkerarter, ioner. På grund af proteins deltagelse øges transporthastigheden flere gange i sammenligning med den sædvanlige diffusion. Men denne acceleration afhænger af flere grunde:

• En gradient af stoffet indenfor og uden for cellen;
• Antal bærermolekyler;
• Bindingshastigheden for stoffet og transportøren
• Forandringshastigheden af den indre overflade af cellemembranen.

På trods af dette udføres transport gennem bærerproteins arbejde, og ATP's energi anvendes ikke i dette tilfælde.

De vigtigste træk, der karakteriserer den lette diffusion, er:

1. Hurtig overførsel af stoffer.
2. Transportens selektivitet.
3. Mætning (når alle proteiner er optaget).
4. Konkurrence mellem stoffer (på grund af affinitet med proteinet).
5. Følsomhed over for specifikke kemiske midler - hæmmere.

osmose

Som nævnt ovenfor er osmose bevægelsen af stoffer langs en koncentrationsgradient gennem en semipermeabel membran. Den mest komplette osmose proces beskriver princippet om Leshatelier-Brown. Det siger, at hvis systemet, som er i ligevægt, påvirkes udefra, vil det stræbe efter at vende tilbage til sin tidligere tilstand. Første gang med fænomenet osmose kolliderede i midten af det XVIII århundrede, men da blev han ikke givet meget betydning. Undersøgelser af fænomenet begyndte kun hundrede år senere.

Det vigtigste element i fænomenet osmose er en semipermeabel membran, der kun gennemgår alene molekyler af en vis diameter eller egenskaber. For eksempel i to opløsninger med forskellige koncentrationer vil kun opløsningsmidlet passere gennem barrieren. Dette vil fortsætte, indtil koncentrationen på begge sider af membranen bliver den samme.

Osmose spiller en væsentlig rolle i cellernes liv. Dette fænomen gør det muligt for dem at trænge igennem kun de stoffer, der er nødvendige for at opretholde livet. Den røde blodlegeme har en membran, som kun tillader vand, ilt og næringsstoffer, men proteiner, der danner inde i erytrocyten, kan ikke komme udefra.

Fænomenet osmose fandt også praktisk anvendelse i hverdagen. Selv uden at indse det, brugte mennesker i saltprocessen princippet om bevægelse af molekyler langs koncentrationens gradient. Mættet saltopløsning "trukket" alt vandet fra produkterne, hvorved de blev opbevaret længere.