Čo je koncentrácia? V širšom zmysle ide o pomer objemu látky a počtu častíc v nej rozpustených. Táto definícia sa nachádza v širokej škále vedných odborov, od fyziky a matematiky až po filozofiu. V tomto prípade hovoríme o použití pojmu „koncentrácia“v biológii a chémii.
Gradient
V preklade z latinčiny toto slovo znamená „rastúce“alebo „chôdza“, to znamená, že ide o akýsi „ukazovák“, ktorý ukazuje smer, ktorým sa hodnota zvyšuje. Ako príklad môžete použiť povedzme výšku nad hladinou mora na rôznych miestach Zeme. Jeho (výškový) gradient v každom jednotlivom bode na mape bude ukazovať vektor zvyšujúcej sa hodnoty až do dosiahnutia najstrmšieho stúpania.
V matematike sa tento výraz objavil až na konci devätnásteho storočia. Zaviedol ju Maxwell a navrhol svoje vlastné označenia pre túto veličinu. Fyzici používajú tento koncept na opis intenzity elektrického alebo gravitačného poľa, zmeny potenciálnej energie.
Nielen fyzika, ale aj iné vedy používajú termín „gradient“. Tento koncept môže odrážať kvalitatívne ajkvantitatívna charakteristika látky, ako je koncentrácia alebo teplota.
Koncentračný gradient
Aký je gradient je teraz známy, ale aká je koncentrácia? Ide o relatívnu hodnotu, ktorá ukazuje podiel látky obsiahnutej v roztoku. Dá sa vypočítať ako percento hmotnosti, počet mólov alebo atómov v plyne (roztok), zlomok celku. Takýto široký výber umožňuje vyjadriť takmer akýkoľvek pomer. A to nielen vo fyzike či biológii, ale aj v metafyzických vedách.
A vo všeobecnosti je koncentračný gradient vektorová veličina, ktorá zároveň charakterizuje množstvo a smer zmeny látky v prostredí.
Definícia
Viete vypočítať koncentračný gradient? Jeho vzorec je špecifikom medzi elementárnou zmenou koncentrácie látky a dlhou cestou, ktorú bude musieť látka prekonať, aby dosiahla rovnováhu medzi dvoma roztokmi. Matematicky je to vyjadrené vzorcom С=dC/dl.
Prítomnosť koncentračného gradientu medzi dvoma látkami spôsobuje ich miešanie. Ak sa častice pohybujú z oblasti s vyššou koncentráciou do nižšej, potom sa to nazýva difúzia a ak je medzi nimi polopriepustná prekážka, nazýva sa to osmóza.
Aktívna doprava
Aktívny a pasívny transport odráža pohyb látok cez membrány alebo vrstvy buniek živých bytostí: prvokov, rastlín,zvierat a ľudí. Tento proces prebieha s využitím tepelnej energie, keďže prechod látok prebieha proti koncentračnému gradientu: od menšieho k väčšiemu. Najčastejšie sa na uskutočnenie takejto interakcie používa adenozíntrifosfát alebo ATP - molekula, ktorá je univerzálnym zdrojom energie v 38 jouloch.
Existujú rôzne formy ATP, ktoré sa nachádzajú na bunkových membránach. Energia v nich obsiahnutá sa uvoľňuje pri prenose molekúl látok cez takzvané pumpy. Sú to póry v bunkovej stene, ktoré selektívne absorbujú a odčerpávajú ióny elektrolytov. Okrem toho existuje taký dopravný model ako symport. V tomto prípade sa súčasne prepravujú dve látky: jedna opúšťa bunku a druhá do nej. To šetrí energiu.
Vezikulárna preprava
Aktívny a pasívny transport zahŕňa transport látok vo forme bublín alebo vezikúl, preto sa tento proces nazýva vezikulárny transport. Existujú dva typy:
- Endocytóza. V tomto prípade sa z bunkovej membrány vytvárajú bubliny v procese absorpcie pevných alebo kvapalných látok. Vezikuly môžu byť hladké alebo ohraničené. Vajcia, biele krvinky a epitel obličiek majú tento spôsob stravovania.
- Exocytóza. Ako už názov napovedá, tento proces je opakom predchádzajúceho. Vo vnútri bunky sa nachádzajú organely (napríklad Golgiho aparát), ktoré „balia“látky do vezikúl a tie následne vychádzajú cezmembrána.
Pasívny transport: difúzia
Pohyb pozdĺž koncentračného gradientu (od vysokej po nízku) prebieha bez použitia energie. Existujú dva typy pasívneho transportu: osmóza a difúzia. Ten druhý je jednoduchý a ľahký.
Hlavný rozdiel medzi osmózou je v tom, že proces pohybu molekúl prebieha cez polopriepustnú membránu. A k difúzii pozdĺž koncentračného gradientu dochádza v bunkách, ktoré majú membránu s dvoma vrstvami lipidových molekúl. Smer transportu závisí len od množstva látky na oboch stranách membrány. Týmto spôsobom prenikajú do buniek hydrofóbne látky, polárne molekuly, močovina a bielkoviny, cukry, ióny a DNA nemôžu prenikať.
Počas difúzie majú molekuly tendenciu vyplniť celý dostupný objem, ako aj vyrovnávať koncentráciu na oboch stranách membrány. Stáva sa, že membrána je nepriepustná alebo zle priepustná pre látku. V tomto prípade na ňu pôsobia osmotické sily, ktoré môžu bariéru buď zhustiť alebo natiahnuť, čím sa zväčší veľkosť čerpacích kanálov.
Uľahčená difúzia
Keď koncentračný gradient nie je dostatočným základom pre transport látky, na pomoc prichádzajú špecifické proteíny. Sú umiestnené na bunkovej membráne rovnakým spôsobom ako molekuly ATP. Vďaka nim je možné vykonávať aktívny aj pasívny transport.
Takýmto spôsobom prechádzajú cez membránu veľké molekuly (proteíny, DNA),polárne látky, medzi ktoré patria aminokyseliny a cukry, ióny. Vďaka účasti proteínov sa rýchlosť transportu v porovnaní s konvenčnou difúziou niekoľkonásobne zvyšuje. Ale toto zrýchlenie závisí od niekoľkých dôvodov:
- gradient hmoty vo vnútri a mimo bunky;
- počet nosných molekúl;
- záväzné miery nosiča látky;
- rýchlosť zmeny vnútorného povrchu bunkovej membrány.
Napriek tomu sa transport uskutočňuje vďaka práci nosných bielkovín a energia ATP sa v tomto prípade nevyužíva.
Hlavné znaky, ktoré charakterizujú uľahčenú difúziu, sú:
- Rýchly prenos látok.
- Selektivita dopravy.
- Saturácia (keď sú všetky bielkoviny zaneprázdnené).
- Konkurencia medzi látkami (kvôli afinite k proteínom).
- Citlivosť na špecifické chemické látky – inhibítory.
Osmosis
Ako je uvedené vyššie, osmóza je pohyb látok pozdĺž koncentračného gradientu cez semipermeabilnú membránu. Proces osmózy je najviac opísaný Leshatelier-Brownovým princípom. Hovorí, že ak je systém v rovnováhe ovplyvnený zvonku, bude mať tendenciu vrátiť sa do predchádzajúceho stavu. Prvýkrát sa fenomén osmózy objavil v polovici 18. storočia, no vtedy sa mu neprikladal veľký význam. Výskum tohto fenoménu sa začal až o sto rokov neskôr.
Najdôležitejším prvkom vo fenoméne osmózy je polopriepustná membrána, ktorá cez ňu prepúšťa len určité molekuly.priemer alebo vlastnosti. Napríklad v dvoch roztokoch s rôznymi koncentráciami cez bariéru prejde iba rozpúšťadlo. Toto bude pokračovať, kým koncentrácia na oboch stranách membrány nebude rovnaká.
Osmóza hrá významnú úlohu v živote buniek. Tento jav umožňuje, aby do nich prenikli len tie látky, ktoré sú nevyhnutné na udržanie života. Červená krvinka má membránu, ktorá prepúšťa iba vodu, kyslík a živiny, ale bielkoviny, ktoré sa tvoria vo vnútri červených krviniek, sa nemôžu dostať von.
Fenomén osmózy našiel praktické uplatnenie aj v každodennom živote. Ľudia bez toho, aby to tušili, v procese solenia jedla presne využívali princíp pohybu molekúl pozdĺž koncentračného gradientu. Nasýtený soľný roztok „vytiahol“z produktov všetku vodu, čím umožnil ich dlhšie skladovanie.
