Градиент на концентрация: концепция, формула. Транспортиране на вещества в биологични мембрани

Какво представлява концентрацията? Говорейки в широк смисъл, това е съотношението на обема на материята и количеството частици, разтворени в нея. Това определение се среща в широк кръг от научни области, започвайки с физика и математика, завършвайки с философия. В този случай става въпрос за използването на понятието "концентрация" в биологията и химията.

градиент

Преведено от латински, тази дума означава "отглеждане" или "ходене", тоест е вид "посочващ пръст", който показва посоката, в която се увеличава всяка стойност. Като пример можете да използвате надморска височина над морското равнище в различни точки на Земята. Неговият (височини) градиент във всяка отделна точка на картата ще покаже вектора на увеличаване на стойността до достигане на най-стръмно нарастване.

В математиката този термин се появява едва в края на деветнадесети век. Той беше въведен от Максуел и предложи неговата нотация на тази величина. Физиците използват тази концепция, за да опишат интензитета на електрическото или гравитационното поле, промяната в потенциалната енергия.

Не само физиката, но и други науки използват термина "градиент". Тази концепция може да отрази както качествените, така и количествените характеристики на дадено вещество, например концентрация или температура.

Концентрация на градиента

Какво представлява наклонът? Сега е известно, но какво е концентрацията? Това е относителна стойност, който показва фракцията на веществото, съдържащо се в разтвора. Тя може да бъде изчислена като процент от масата, броя на моловете или атомите в газа (разтвора), частта от цялото. Такъв широк избор дава възможност да се изрази практически всяко съотношение. И не само във физиката или биологията, но и в метафизичните науки.

И като цяло, концентрационният градиент е векторно количество, който едновременно дава характеристика за количеството и посоката на промяната в материята в средата.

дефиниция

Възможно ли е да се изчисли градиента на концентрацията? Формулата му е особеност между елементарната промяна в концентрацията на материята и дългия път, който веществото ще трябва да преодолее, за да постигне равновесие между двете решения. Това се изразява математически с формулата C = dC / dl.

Наличието на градиент на концентрация между две вещества е причината за тяхното смесване. Ако частиците се движат от една област на по-висока концентрация на по-ниска, след това тя се нарича дифузия, и ако между тях има полупропусклива бариера - осмоза.

Активен транспорт

Активни и пасивен транспорт отразява движението на веществата през мембрани или слоеве от клетки на живи същества: протозои, растения, животни и хора. Този процес се осъществява чрез използване на топлинна енергия, тъй като преходът на веществата се извършва срещу концентрационен градиент: от по-малък до по-голям. Най-често за осъществяването на това взаимодействие се използва аденозин трифосфат или АТР-молекула, която е универсален източник на енергия в 38 джаула.

Има различни форми на АТР, които се намират върху клетъчните мембрани. Енергията, затворена в тях, се освобождава, когато молекулите на веществата се прехвърлят чрез така наречените помпи. Това са пори в клетъчната стена, които селективно абсорбират и помагат електролитни йони. Освен това има такъв модел транспорт, който е символ. В този случай се транспортират едновременно две вещества: един излиза от клетката, а другият влиза в нея. Това спестява енергия.

Везикулярен транспорт

Активният и пасивен транспорт включва транспортирането на вещества под формата на везикули или везикули, така че процесът се нарича везикуларен транспорт, съответно. Има два вида:

1. Ендоцитозата. В този случай мехурчетата се образуват от клетъчната мембрана по време на абсорбцията на твърди или течни вещества. Везикулите могат да бъдат гладки или да имат джанта. Този начин на хранене има яйца, бели кръвни клетки, както и епител на бъбреците.
2. Екзоцитоза. Въз основа на името този процес е обратното на предишния. Вътре в клетката има органели (например, апаратът на Голджи), които "опаковат" веществата във везикули и те след това излизат през мембраната.

Пасивен транспорт: дифузия

Движението върху градиента на концентрация (от високо до ниско) се извършва без използване на енергия. Има два варианта на пасивния транспорт: осмоза и дифузия. Последният е прост и лек.

Основната разлика в осмозата е, че процесът на придвижване на молекули се осъществява чрез полупропусклива мембрана. Дифузията на градиент на концентрацията се осъществява в клетки, които имат мембрана с два слоя липидни молекули. Посоката на транспортиране зависи само от количеството на материала от двете страни на мембраната. По този начин клетките проникват хидрофобни вещества, полярни молекули, урея и протеини, захари, йони и ДНК не могат да проникнат.

В процеса на дифузия, молекулите са склонни да запълват целия наличен обем, както и да изравнят концентрацията от двете страни на мембраната. Това се случва, че мембраната е непропусклива или слабо пропусклива за веществото. В този случай тя се влияе от осмотични сили, които могат да направят бариерата по-гъста и да я опънат, като увеличат размера на помпените канали.

Дифузия на светлината

Когато градиентът на концентрацията не е достатъчна основа за транспортиране на дадено вещество, специфични протеини идват на помощ. Те се намират върху клетъчната мембрана по същия начин, както молекулите на АТР. Благодарение на тях може да се извърши активен и пасивен транспорт.

По този начин големи молекули (протеини, ДНК) преминават през мембраната, полярни вещества, включително аминокиселини и захари, йони. Поради участието на протеини, скоростта на транспортиране се увеличава няколко пъти, в сравнение с конвенционалната дифузия. Но това ускорение зависи от няколко причини:

• наклон на веществото вътре и извън клетката;
• брой носители;
• скоростта на свързване на веществото и носителя;
• скоростта на промяна на вътрешната повърхност на клетъчната мембрана.

Независимо от това, транспортът се извършва благодарение на работата на носителите на протеини, а енергията на АТР не се използва в този случай.

Основните характеристики, които характеризират улесненото разпространение са:

1. Бързо прехвърляне на вещества.
2. Селективност на транспорта.
3. Насищане (когато всички протеини са заети).
4. Конкуренция между вещества (поради афинитета към протеина).
5. Чувствителност към специфични химични агенти - инхибитори.

осмоза

Както бе споменато по-горе, осмозата е движението на веществата по време на градиента на концентрация през полупропусклива мембрана. Най-пълният процес на осмоза описва принципа на Leshatelier-Brown. Тя казва, че ако системата, която е в равновесие, е повлияна отвън, тя ще се стреми да се върне в предишното си състояние. Първият път с феномена на осмоза се сблъска в средата на XVIII век, но след това не му беше дадена много важност. Изследванията на този феномен започнаха само сто години по-късно.

Най-важният елемент във феномена осмоза е полупропусклива мембрана, която предава чрез себе си само молекули с определен диаметър или свойства. Например, в два разтвора с различни концентрации само разтворителят преминава през бариерата. Това ще продължи, докато концентрацията от двете страни на мембраната стане една и съща.

Осмозата играе важна роля в живота на клетките. Това явление им позволява да проникнат само тези вещества, които са необходими за поддържането на живота. Червените кръвни клетки имат мембрана, която позволява само вода, кислород и хранителни вещества, но протеините, които се образуват в червените кръвни телца, не могат да стигнат довън.

Феноменът на осмоза също намира практическо приложение в ежедневието. Дори и без да го осъзнаваме, хората в процеса на осоляване на храната използват точно принципа на движението на молекулите по време на концентрационния градиент. Наситеният физиологичен разтвор "издърпа" цялата вода от продуктите, като по този начин им позволява да се съхраняват по-дълго.