Gradient koncentrace: koncept, vzorec. Přeprava látek v biologických membránách

Co je koncentrace? Když mluvíme v širokém smyslu, je to poměr objemu hmoty a množství rozpuštěných částic. Tato definice se vyskytuje v celé řadě odvětví vědy, počínaje fyzikou a matematikou a končí filozofií. V tomto případě hovoříme o použití konceptu "koncentrace" v biologii a chemii.

Přechod

Přeloženo z latiny znamená toto slovo"Pěstování" nebo "chůze", to znamená, že je to jakýsi "ukazovací prst", který ukazuje směr, kterým se zvyšuje jakákoli hodnota. Jako příklad můžete například použít nadmořskou výšku v různých bodech Země. Jeho gradient (výšky) v každém jednotlivém bodě na mapě zobrazí vektor zvýšení hodnoty, dokud nedosáhne nejsilnějšího nárůstu.

V matematice se tento pojem objevil až na koncidevatenáctého století. On byl představen Maxwellem a navrhl jeho notaci této velikosti. Fyzici používají tento koncept k popisu intenzity elektrického nebo gravitačního pole, změny potenciální energie.

Nejen fyzika, ale i další vědy používají termín "gradient". Tento pojem může odrážet jak kvalitativní, tak kvantitativní charakteristiky látky, například koncentraci nebo teplotu.

Koncentrace gradientu

Co je to gradient, je nyní známo a co jekoncentrace? Jedná se o relativní hodnotu, která ukazuje zlomek látky obsažené v roztoku. Může se vypočítat jako procento hmotnosti, počtu molů nebo atomů v plynu (roztok), zlomku celku. Taková široká volba umožňuje vyjádřit prakticky jakýkoli poměr. A nejen ve fyzice nebo biologii, ale také v metafyzických vědách.

A obecně je gradient koncentrace vektorovou veličinou, která současně dává charakteristiku množství a směru změny hmoty v médiu.

Definice

Je možné vypočítat gradient koncentrace? Jeho vzorec je zvláštností mezi elementární změnou koncentrace hmoty a dlouhou cestou, kterou musí látka překonat, aby dosáhla rovnováhy mezi oběma řešeními. To je vyjádřeno matematicky podle vzorce C = dC / dl.

Přítomnost koncentračního gradientu mezi dvěmalátky je důvodem jejich smíchání. Pokud se částice pohybují z oblasti s větší koncentrací na menší část, nazývá se to difúze a jestliže mezi nimi existuje semipermeabilní překážka, osmóza.

Aktivní přeprava

Aktivní a pasivní doprava odráží pohyblátky prostřednictvím membrán nebo buněčných vrstev živých bytostí: prvoky, rostliny, zvířata a lidé. Tento proces se provádí pomocí tepelné energie, protože přechod látek se provádí proti koncentračnímu gradientu: od menšího k většímu. Nejčastěji k provedení této interakce se používá adenosintrifosfát nebo ATP-molekula, která je univerzálním zdrojem energie v 38 Joulech.

Existují různé formy ATPjsou umístěny na buněčných membránách. Energie uzavřená v nich je uvolněna, když molekuly látek jsou přenášeny přes tzv. Pumpy. Jedná se o póry v buněčné stěně, které selektivně absorbují a čerpají ionty elektrolytů. Kromě toho existuje takový model dopravy jako simport. V tomto případě jsou současně přepravovány dvě látky: jedna opouští buňku a druhá vstupuje do ní. To šetří energii.

Vesikulární transport

Aktivní a pasivní transport zahrnuje transport látek ve formě vezikul nebo vezikul, takže se proces nazývá vezikulární transport. Existují dva typy:

1. Endocytóza. V tomto případě jsou bubliny tvořeny z buněčné membrány během absorpce pevných nebo kapalných látek. Vesikuly mohou být hladké nebo mají okraj. Tento způsob výživy obsahuje vejce, bílé krvinky a epitelium ledvin.
2. Exocytóza. Na základě názvu je tento proces opakem předchozího. Uvnitř buňky jsou organely (například Golgiho aparát), které "zabalí" látky do vezikulů a následně vystupují přes membránu.

Pasivní transport: difúze

Pohyb na gradientu koncentrace (od vysokých ponízké) dochází bez použití energie. Existují dva varianty pasivní dopravy: osmóza a difúze. Ten je jednoduchý a lehký.

Hlavní rozdíl mezi osmózou je procespohyb molekul dochází přes semipermeabilní membránu. A difúze koncentračního gradientu se vyskytuje v buňkách, které mají membránu s dvěma vrstvami lipidových molekul. Směr přepravy závisí pouze na množství materiálu na obou stranách membrány. Tímto způsobem buňky proniká hydrofobními látkami, polárními molekulami, močovinou a bílkovinami, cukry, ionty a DNA nemohou proniknout.

V procesu difúze mají molekuly tendenci naplňovatvšechny dostupné objemy, stejně jako vyrovnat koncentraci na obou stranách membrány. Stává se, že membrána je nepropustná nebo špatně propustná pro látku. V tomto případě je ovlivněna osmotickými silami, které mohou bariéru zesílit a prodloužit ji zvýšením velikosti čerpacích kanálů.

Rozptýlení světla

Není-li gradient koncentracedostatečný základ pro přepravu látky, přijdou na záchranu specifické bílkoviny. Jsou umístěny na buněčné membráně přesně stejným způsobem jako molekuly ATP. Díky tomu lze provádět jak aktivní, tak i pasivní přepravu.

Tímto způsobem je velkýmolekuly (proteiny, DNA), polární látky, které zahrnují aminokyseliny a cukry, ionty. Díky účasti proteinů se dopravní rychlost zvyšuje několikrát ve srovnání s běžnou difúzí. Toto zrychlení však závisí na několika důvodech:

• gradient látky uvnitř a vně buňky;
• počet nosičových molekul;
• rychlost vazby látky a nosiče;
• rychlost změny vnitřního povrchu buněčné membrány.

Navzdory tomu se doprava provádí díky práci nosných proteinů a energie ATP se v tomto případě nepoužívá.

Hlavní charakteristiky usnadňující difúze jsou:

1. Rychlý přenos látek.
2. Selektivita dopravy.
3. Saturace (když jsou všechny proteiny obsazeny).
4. Konkurence mezi látkami (kvůli afinitě k proteinu).
5. Citlivost na specifické chemické látky - inhibitory.

Osmóza

Jak bylo uvedeno výše, osmóza je pohybemlátky na koncentračním gradientu přes semipermeabilní membránu. Nejkomplexnější proces osmózy popisuje princip Leshatelier-Brown. Říká se, že pokud je systém, který je v rovnováze, ovlivněn zvenčí, bude mít tendenci vrátit se do svého předchozího stavu. Poprvé s fenoménem osmózy se srazil v polovině 18. století, ale pak mu nebyl dán velký význam. Studie tohoto jevu začaly až o sto let později.

Nejdůležitějším prvkem fenoménu osmózy jesemipermeabilní membránu, která přenáší přes sebe pouze molekuly s určitým průměrem nebo vlastnostmi. Například ve dvou roztokech s různými koncentracemi projde bariéra pouze rozpouštědlo. To bude pokračovat, dokud se koncentrace na obou stranách membrány nezmění.

Osmóza hraje významnou roli v životě buněk. Tento jev jim umožňuje proniknout pouze ty látky, které jsou nezbytné pro udržení života. Červená krvinka má membránu, která umožňuje pouze vodu, kyslík a živiny, ale proteiny, které se tvoří uvnitř červené krvinky, se nedostanou ven.

Fenomén osmózy nalezl praktickou aplikaci v roce 2006život. Dokonce aniž si to uvědomujeme, lidé v procesu solení potravin používali přesně princip pohybu molekul podél gradientu koncentrace. Nasycený fyziologický roztok "vytáhl" veškerou vodu z produktů, což jim umožňuje delší skladování.