Kas ir koncentrācija? Plašā nozīmē tā ir vielas tilpuma un tajā izšķīdušo daļiņu skaita attiecība. Šī definīcija ir atrodama ļoti dažādās zinātnes nozarēs, sākot no fizikas un matemātikas līdz filozofijai. Šajā gadījumā mēs runājam par jēdziena "koncentrācija" izmantošanu bioloģijā un ķīmijā.
Gradients
Tulkojumā no latīņu valodas šis vārds nozīmē “augt” vai “staigāt”, tas ir, tas ir sava veida “rādītājs pirksts”, kas parāda virzienu, kādā jebkura vērtība pieaug. Kā piemēru varat izmantot, piemēram, augstumu virs jūras līmeņa dažādos Zemes punktos. Tā (augstuma) gradients katrā atsevišķā kartes punktā parādīs vektoru ar pieaugošu vērtību līdz stāvākā kāpuma sasniegšanai.
Matemātikā šis termins parādījās tikai deviņpadsmitā gadsimta beigās. To ieviesa Maksvels un piedāvāja šim daudzumam savus apzīmējumus. Fiziķi izmanto šo jēdzienu, lai aprakstītu elektriskā vai gravitācijas lauka intensitāti, potenciālās enerģijas izmaiņas.
Ne tikai fizikā, bet arī citās zinātnēs tiek lietots termins "gradients". Šis jēdziens var atspoguļot gan kvalitatīvu, ganvielas kvantitatīvs raksturlielums, piemēram, koncentrācija vai temperatūra.
Koncentrācijas gradients
Kas ir gradients, tagad ir zināms, bet kāda ir koncentrācija? Šī ir relatīvā vērtība, kas parāda šķīdumā esošās vielas proporciju. To var aprēķināt procentos no masas, molu vai atomu skaita gāzē (šķīdumā), daļu no veseluma. Tik plaša izvēle ļauj izteikt gandrīz jebkuru attiecību. Un ne tikai fizikā vai bioloģijā, bet arī metafiziskajās zinātnēs.
Un vispār koncentrācijas gradients ir vektora lielums, kas vienlaikus raksturo vielas daudzumu un izmaiņu virzienu vidē.
Definīcija
Vai varat aprēķināt koncentrācijas gradientu? Tās formula ir īpaša starp elementārām vielas koncentrācijas izmaiņām un garu ceļu, kas vielai būs jāpārvar, lai sasniegtu līdzsvaru starp diviem šķīdumiem. Matemātiski to izsaka ar formulu С=dC/dl.
Koncentrācijas gradienta klātbūtne starp divām vielām izraisa to sajaukšanos. Ja daļiņas pārvietojas no apgabala ar lielāku koncentrāciju uz zemāku, tad to sauc par difūziju, un, ja starp tām atrodas puscaurlaidīgs šķērslis, to sauc par osmozi.
Aktīvs transports
Aktīvā un pasīvā transportēšana atspoguļo vielu kustību caur dzīvu būtņu membrānām vai šūnu slāņiem: vienšūņiem, augiem,dzīvnieki un cilvēki. Šis process notiek, izmantojot siltumenerģiju, jo vielu pāreja notiek pret koncentrācijas gradientu: no mazāka uz lielāku. Visbiežāk šādas mijiedarbības veikšanai tiek izmantots adenozīna trifosfāts jeb ATP – molekula, kas ir universāls enerģijas avots 38 džoulos.
Ir dažādas ATP formas, kas atrodas uz šūnu membrānām. Tajos esošā enerģija tiek atbrīvota, kad vielu molekulas tiek pārnestas caur tā sauktajiem sūkņiem. Tās ir poras šūnu sieniņās, kas selektīvi absorbē un izsūknē elektrolītu jonus. Turklāt ir tāds transporta modelis kā simport. Šajā gadījumā vienlaikus tiek transportētas divas vielas: viena atstāj šūnu, bet otra tajā nonāk. Tas ietaupa enerģiju.
Vezikulārais transports
Aktīvā un pasīvā transportēšana ietver vielu transportēšanu burbuļu vai pūslīšu veidā, tāpēc procesu attiecīgi sauc par vezikulāro transportu. Ir divi tā veidi:
- Endocitoze. Šajā gadījumā no šūnas membrānas veidojas burbuļi, kas absorbē cietās vai šķidrās vielas. Pūslīši var būt gludi vai apmales. Šāds ēšanas veids ir olām, b altajām asins šūnām un nieru epitēlijam.
- Eksocitoze. Kā norāda nosaukums, šis process ir pretējs iepriekšējam. Šūnā atrodas organoīdi (piemēram, Golgi aparāts), kas vielas “iepako” pūslīšos un pēc tam iziet cauri.membrāna.
Pasīvā transportēšana: difūzija
Kustība pa koncentrācijas gradientu (no augstas uz zemu) notiek, neizmantojot enerģiju. Ir divi pasīvā transporta veidi: osmoze un difūzija. Pēdējais ir vienkāršs un viegls.
Galvenā atšķirība starp osmozi ir tā, ka molekulu kustības process notiek caur daļēji caurlaidīgu membrānu. Un difūzija pa koncentrācijas gradientu notiek šūnās, kurām ir membrāna ar diviem lipīdu molekulu slāņiem. Transportēšanas virziens ir atkarīgs tikai no vielas daudzuma abās membrānas pusēs. Tādā veidā šūnās iekļūst hidrofobas vielas, polārās molekulas, urīnviela, bet olb altumvielas, cukuri, joni un DNS nevar iekļūt.
Difūzijas laikā molekulām ir tendence aizpildīt visu pieejamo tilpumu, kā arī izlīdzināt koncentrāciju abās membrānas pusēs. Gadās, ka membrāna ir necaurlaidīga vai slikti caurlaidīga vielai. Šajā gadījumā uz to iedarbojas osmotiskie spēki, kas var padarīt barjeru blīvāku vai izstiept to, palielinot sūknēšanas kanālu izmērus.
Atvieglota difūzija
Kad koncentrācijas gradients nav pietiekams pamats vielas transportēšanai, palīgā nāk specifiskas olb altumvielas. Tie atrodas uz šūnu membrānas tāpat kā ATP molekulas. Pateicoties tiem, var veikt gan aktīvo, gan pasīvo transportu.
Tādā veidā lielas molekulas (olb altumvielas, DNS) iziet cauri membrānai,polārās vielas, kas ietver aminoskābes un cukurus, jonus. Olb altumvielu līdzdalības dēļ transportēšanas ātrums palielinās vairākas reizes, salīdzinot ar parasto difūziju. Taču šis paātrinājums ir atkarīgs no dažiem iemesliem:
- matērijas gradients šūnā un ārpus tās;
- nesējmolekulu skaits;
- vielas nesēju saistošās likmes;
- šūnu membrānas iekšējās virsmas izmaiņu ātrums.
Neskatoties uz to, transportēšana notiek, pateicoties nesējproteīnu darbam, un šajā gadījumā ATP enerģija netiek izmantota.
Galvenās pazīmes, kas raksturo atvieglotu difūziju, ir:
- Ātra vielu pārnese.
- Transporta selektivitāte.
- Piesātinājums (kad visi proteīni ir aizņemti).
- Sacensība starp vielām (olb altumvielu afinitātes dēļ).
- Jūtība pret specifiskiem ķīmiskiem aģentiem – inhibitoriem.
Osmoze
Kā minēts iepriekš, osmoze ir vielu kustība pa koncentrācijas gradientu pa puscaurlaidīgu membrānu. Osmozes procesu vispilnīgāk apraksta Lešateljē-Brauna princips. Tajā teikts, ka, ja sistēma, kas atrodas līdzsvarā, tiek ietekmēta no ārpuses, tai ir tendence atgriezties savā iepriekšējā stāvoklī. Pirmo reizi ar osmozes fenomenu sastapās 18.gadsimta vidū, taču tad tam netika piešķirta liela nozīme. Šīs parādības izpēte sākās tikai simts gadus vēlāk.
Svarīgākais osmozes fenomena elements ir daļēji caurlaidīga membrāna, kas ļauj tai iziet cauri tikai noteiktām molekulām.diametrs vai īpašības. Piemēram, divos šķīdumos ar atšķirīgu koncentrāciju tikai šķīdinātājs šķērsos barjeru. Tas turpināsies, līdz koncentrācija abās membrānas pusēs ir vienāda.
Osmozei ir nozīmīga loma šūnu dzīvē. Šī parādība ļauj tajās iekļūt tikai tām vielām, kas ir nepieciešamas dzīvības uzturēšanai. Sarkanajām asins šūnām ir membrāna, kas ļauj iziet cauri tikai ūdenim, skābeklim un barības vielām, bet olb altumvielas, kas veidojas sarkano asinsķermenīšu iekšpusē, nevar izkļūt no tās.
Osmozes fenomens ir atradis praktisku pielietojumu arī ikdienas dzīvē. Pat nenojaušot, cilvēki pārtikas sālīšanas procesā precīzi izmantoja molekulu kustības principu pa koncentrācijas gradientu. Piesātinātais sāls šķīdums "izvilka" no produktiem visu ūdeni, tādējādi ļaujot tos ilgāk uzglabāt.
