Co je koncentrace? V širokém slova smyslu jde o poměr objemu látky a počtu částic v ní rozpuštěných. Tato definice se nachází v široké škále vědních oborů, od fyziky a matematiky až po filozofii. V tomto případě mluvíme o použití konceptu „koncentrace“v biologii a chemii.
Gradient
V překladu z latiny toto slovo znamená „rostoucí“nebo „chůze“, to znamená, že je to jakýsi „ukazovák“, který ukazuje směr, kterým se jakákoli hodnota zvyšuje. Jako příklad můžete použít řekněme výšku nad hladinou moře na různých místech Země. Jeho (výškový) gradient v každém jednotlivém bodě na mapě bude ukazovat vektor rostoucí hodnoty až do dosažení nejstrmějšího stoupání.
V matematice se tento termín objevil až na konci devatenáctého století. Zavedl ji Maxwell a navrhl pro tuto veličinu svá vlastní označení. Fyzici používají tento koncept k popisu intenzity elektrického nebo gravitačního pole, změny potenciální energie.
Nejen fyzika, ale i další vědy používají termín „gradient“. Tento koncept může odrážet jak kvalitativní, tak ikvantitativní charakteristika látky, jako je koncentrace nebo teplota.
Koncentrační gradient
Co je gradient, je nyní známo, ale jaká je koncentrace? Jedná se o relativní hodnotu, která ukazuje podíl látky obsažené v roztoku. Lze jej vypočítat jako procento hmotnosti, počet molů nebo atomů v plynu (roztoku), zlomek celku. Tak široký výběr umožňuje vyjádřit téměř jakýkoli poměr. A to nejen ve fyzice nebo biologii, ale také v metafyzických vědách.
A obecně je koncentrační gradient vektorová veličina, která zároveň charakterizuje množství a směr změny látky v prostředí.
Definice
Umíte vypočítat koncentrační gradient? Jeho vzorec je specifikem mezi elementární změnou koncentrace látky a dlouhou cestou, kterou bude muset látka překonat, aby dosáhla rovnováhy mezi dvěma roztoky. Matematicky je to vyjádřeno vzorcem С=dC/dl.
Přítomnost koncentračního gradientu mezi dvěma látkami způsobuje jejich smíchání. Pokud se částice pohybují z oblasti s vyšší koncentrací do nižší, nazývá se to difúze, a pokud je mezi nimi polopropustná překážka, nazývá se to osmóza.
Aktivní doprava
Aktivní a pasivní transport odráží pohyb látek přes membrány nebo vrstvy buněk živých bytostí: prvoků, rostlin,zvířat a lidí. Tento proces probíhá s využitím tepelné energie, protože přechod látek probíhá proti koncentračnímu gradientu: od menšího k většímu. Nejčastěji se k provedení takové interakce používá adenosintrifosfát nebo ATP - molekula, která je univerzálním zdrojem energie v 38 joulech.
Existují různé formy ATP, které se nacházejí na buněčných membránách. Energie v nich obsažená se uvolňuje při přenosu molekul látek přes tzv. pumpy. Jsou to póry v buněčné stěně, které selektivně absorbují a odčerpávají ionty elektrolytů. Kromě toho existuje takový dopravní model jako symport. V tomto případě jsou současně transportovány dvě látky: jedna opouští buňku a druhá do ní. To šetří energii.
Vesikulární přeprava
Aktivní a pasivní transport zahrnují transport látek ve formě bublin nebo vezikul, proto se tento proces nazývá vezikulární transport. Existují dva typy:
- Endocytóza. V tomto případě se bubliny tvoří z buněčné membrány v procesu absorpce pevných nebo kapalných látek. Vezikuly mohou být hladké nebo ohraničené. Vejce, bílé krvinky a epitel ledvin mají tento způsob stravování.
- Exocytóza. Jak název napovídá, tento proces je opakem předchozího. Uvnitř buňky jsou organely (např. Golgiho aparát), které „balí“látky do váčků a ty následně vystupujímembrána.
Pasivní doprava: difúze
Pohyb podél koncentračního gradientu (od vysoké k nízké) probíhá bez použití energie. Existují dva typy pasivního transportu: osmóza a difúze. Ten je jednoduchý a lehký.
Hlavní rozdíl mezi osmózou je ten, že proces pohybu molekul probíhá přes polopropustnou membránu. A k difúzi podél koncentračního gradientu dochází v buňkách, které mají membránu se dvěma vrstvami lipidových molekul. Směr transportu závisí pouze na množství látky na obou stranách membrány. Tímto způsobem pronikají do buněk hydrofobní látky, polární molekuly, močovina a proteiny, cukry, ionty a DNA proniknout nemohou.
Během difúze mají molekuly tendenci zaplnit celý dostupný objem a také vyrovnat koncentraci na obou stranách membrány. Stává se, že membrána je nepropustná nebo špatně propustná pro látku. V tomto případě na něj působí osmotické síly, které mohou bariéru buď zhustit, nebo ji natáhnout, čímž se zvětší velikost čerpacích kanálů.
Usnadněné šíření
Když koncentrační gradient není dostatečným základem pro transport látky, přijdou na pomoc specifické proteiny. Jsou umístěny na buněčné membráně stejně jako molekuly ATP. Díky nim lze provádět aktivní i pasivní transport.
Tímto způsobem procházejí membránou velké molekuly (proteiny, DNA),polární látky, mezi které patří aminokyseliny a cukry, ionty. Díky účasti proteinů se rychlost transportu několikanásobně zvyšuje ve srovnání s konvenční difúzí. Ale toto zrychlení závisí na několika důvodech:
- gradient hmoty uvnitř a vně buňky;
- počet nosných molekul;
- vazebné míry nosiče látky;
- rychlost změny na vnitřním povrchu buněčné membrány.
Přesto se transport uskutečňuje díky práci nosných proteinů a energie ATP se v tomto případě nevyužívá.
Hlavní rysy, které charakterizují usnadnění šíření, jsou:
- Rychlý přenos látek.
- Selektivita dopravy.
- Saturace (když jsou všechny bílkoviny zaneprázdněné).
- Konkurence mezi látkami (kvůli afinitě k proteinům).
- Citlivost na specifické chemické látky – inhibitory.
Osmóza
Jak bylo uvedeno výše, osmóza je pohyb látek podél koncentračního gradientu přes polopropustnou membránu. Proces osmózy je nejúplněji popsán Leshatelier-Brownovým principem. Říká, že pokud je rovnovážný systém ovlivňován zvenčí, bude mít tendenci se vrátit do předchozího stavu. S fenoménem osmózy se poprvé setkali v polovině 18. století, ale tehdy se mu nepřikládal velký význam. Výzkum tohoto fenoménu začal až o sto let později.
Nejdůležitějším prvkem ve fenoménu osmózy je polopropustná membrána, která umožňuje průchod pouze určitým molekulám.průměr nebo vlastnosti. Například ve dvou roztocích s různými koncentracemi bariérou projde pouze rozpouštědlo. Toto bude pokračovat, dokud nebude koncentrace na obou stranách membrány stejná.
Osmóza hraje významnou roli v životě buněk. Tento jev do nich umožňuje proniknout pouze těm látkám, které jsou nezbytné k udržení života. Červená krvinka má membránu, která propouští pouze vodu, kyslík a živiny, ale bílkoviny, které se tvoří uvnitř červených krvinek, se ven nemohou dostat.
Fenomén osmózy našel praktické uplatnění také v každodenním životě. Aniž by to tušili, lidé při solení jídla využívali právě principu pohybu molekul po koncentračním gradientu. Nasycený solný roztok „vytáhl“veškerou vodu z produktů, a tím umožnil jejich delší skladování.
