Τι είναι η συγκέντρωση; Με την ευρεία έννοια, αυτή είναι η αναλογία του όγκου μιας ουσίας και του αριθμού των σωματιδίων που διαλύονται σε αυτήν. Αυτός ο ορισμός βρίσκεται σε μια μεγάλη ποικιλία κλάδων της επιστήμης, από τη φυσική και τα μαθηματικά έως τη φιλοσοφία. Σε αυτή την περίπτωση, μιλάμε για τη χρήση της έννοιας της «συγκέντρωσης» στη βιολογία και τη χημεία.
Gradient
Μετάφραση από τα λατινικά, αυτή η λέξη σημαίνει "μεγαλώνω" ή "περπάτημα", δηλαδή είναι ένα είδος "δείχνοντας δάχτυλο", που δείχνει την κατεύθυνση στην οποία αυξάνεται οποιαδήποτε τιμή. Ως παράδειγμα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε, για παράδειγμα, το ύψος πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας σε διαφορετικά σημεία της Γης. Η κλίση (ύψος) του σε κάθε μεμονωμένο σημείο του χάρτη θα δείχνει ένα διάνυσμα αυξανόμενης τιμής μέχρι να φτάσει στην πιο απότομη ανάβαση.
Στα μαθηματικά, αυτός ο όρος εμφανίστηκε μόλις στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα. Εισήχθη από τον Maxwell και πρότεινε τις δικές του ονομασίες για αυτήν την ποσότητα. Οι φυσικοί χρησιμοποιούν αυτήν την έννοια για να περιγράψουν την ένταση ενός ηλεκτρικού ή βαρυτικού πεδίου, μια αλλαγή στη δυναμική ενέργεια.
Όχι μόνο η φυσική, αλλά και άλλες επιστήμες χρησιμοποιούν τον όρο "gradient". Αυτή η έννοια μπορεί να αντικατοπτρίζει τόσο ποιοτικά όσο καιένα ποσοτικό χαρακτηριστικό μιας ουσίας, όπως συγκέντρωση ή θερμοκρασία.
Κλίση συγκέντρωσης
Τι είναι η κλίση είναι πλέον γνωστό, αλλά ποια είναι η συγκέντρωση; Αυτή είναι μια σχετική τιμή που δείχνει την αναλογία της ουσίας που περιέχεται στο διάλυμα. Μπορεί να υπολογιστεί ως ποσοστό της μάζας, ο αριθμός των γραμμομορίων ή των ατόμων σε ένα αέριο (διάλυμα), ένα κλάσμα του συνόλου. Μια τέτοια ευρεία επιλογή καθιστά δυνατή την έκφραση σχεδόν οποιασδήποτε αναλογίας. Και όχι μόνο στη φυσική ή τη βιολογία, αλλά και στις μεταφυσικές επιστήμες.
Και γενικά, η βαθμίδα συγκέντρωσης είναι μια διανυσματική ποσότητα, η οποία ταυτόχρονα χαρακτηρίζει την ποσότητα και την κατεύθυνση της αλλαγής μιας ουσίας στο περιβάλλον.
Ορισμός
Μπορείτε να υπολογίσετε τη διαβάθμιση συγκέντρωσης; Ο τύπος του είναι ένας ιδιαίτερος μεταξύ μιας στοιχειώδους αλλαγής στη συγκέντρωση μιας ουσίας και μιας μεγάλης διαδρομής που θα πρέπει να ξεπεράσει μια ουσία για να επιτευχθεί ισορροπία μεταξύ δύο διαλυμάτων. Μαθηματικά, αυτό εκφράζεται με τον τύπο С=dC/dl.
Η παρουσία μιας βαθμίδας συγκέντρωσης μεταξύ δύο ουσιών προκαλεί την ανάμειξή τους. Εάν τα σωματίδια μετακινούνται από μια περιοχή με μεγαλύτερη συγκέντρωση σε μια χαμηλότερη, τότε αυτό ονομάζεται διάχυση και εάν υπάρχει ένα ημιπερατό εμπόδιο μεταξύ τους, ονομάζεται όσμωση.
Ενεργή μεταφορά
Η ενεργητική και παθητική μεταφορά αντανακλά την κίνηση των ουσιών μέσω των μεμβρανών ή των στρωμάτων των κυττάρων των ζωντανών όντων: πρωτόζωα, φυτά,ζώα και ανθρώπους. Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα με τη χρήση θερμικής ενέργειας, αφού η μετάβαση των ουσιών πραγματοποιείται με κλίση συγκέντρωσης: από μικρότερη σε μεγαλύτερη. Τις περισσότερες φορές, η τριφωσφορική αδενοσίνη ή το ATP χρησιμοποιείται για την πραγματοποίηση μιας τέτοιας αλληλεπίδρασης - ένα μόριο που είναι μια παγκόσμια πηγή ενέργειας σε 38 Joules.
Υπάρχουν διάφορες μορφές ATP που βρίσκονται στις κυτταρικές μεμβράνες. Η ενέργεια που περιέχεται σε αυτά απελευθερώνεται όταν μόρια ουσιών μεταφέρονται μέσω των λεγόμενων αντλιών. Αυτοί είναι πόροι στο κυτταρικό τοίχωμα που απορροφούν επιλεκτικά και αντλούν ιόντα ηλεκτρολυτών. Επιπλέον, υπάρχει ένα τέτοιο μοντέλο μεταφοράς ως symport. Σε αυτή την περίπτωση, δύο ουσίες μεταφέρονται ταυτόχρονα: η μία φεύγει από το κύτταρο και η άλλη εισέρχεται σε αυτό. Αυτό εξοικονομεί ενέργεια.
Φυσαλιδώδης μεταφορά
Η ενεργητική και η παθητική μεταφορά περιλαμβάνουν τη μεταφορά ουσιών με τη μορφή φυσαλίδων ή κυστιδίων, επομένως η διαδικασία ονομάζεται, αντίστοιχα, φυσαλιδώδης μεταφορά. Υπάρχουν δύο τύποι:
- Ενδοκυττάρωση. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζονται φυσαλίδες από την κυτταρική μεμβράνη κατά τη διαδικασία απορρόφησης στερεών ή υγρών ουσιών από αυτήν. Τα κυστίδια μπορεί να είναι λεία ή οριοθετημένα. Τα αυγά, τα λευκά αιμοσφαίρια και το επιθήλιο των νεφρών έχουν αυτόν τον τρόπο διατροφής.
- Εξωκυττάρωση. Όπως υποδηλώνει το όνομα, αυτή η διαδικασία είναι αντίθετη από την προηγούμενη. Υπάρχουν οργανίδια μέσα στο κύτταρο (για παράδειγμα, η συσκευή Golgi), τα οποία «συσκευάζουν» ουσίες σε κυστίδια και στη συνέχεια εξέρχονται απόμεμβράνη.
Παθητική μεταφορά: διάχυση
Η κίνηση κατά μήκος της βαθμίδας συγκέντρωσης (από υψηλή σε χαμηλή) συμβαίνει χωρίς τη χρήση ενέργειας. Υπάρχουν δύο τύποι παθητικής μεταφοράς: η όσμωση και η διάχυση. Το τελευταίο είναι απλό και ελαφρύ.
Η κύρια διαφορά μεταξύ της όσμωσης είναι ότι η διαδικασία κίνησης των μορίων λαμβάνει χώρα μέσω μιας ημιπερατής μεμβράνης. Και η διάχυση κατά μήκος της βαθμίδας συγκέντρωσης συμβαίνει σε κύτταρα που έχουν μια μεμβράνη με δύο στρώματα μορίων λιπιδίων. Η κατεύθυνση μεταφοράς εξαρτάται μόνο από την ποσότητα της ουσίας και στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Με αυτόν τον τρόπο, υδρόφοβες ουσίες, πολικά μόρια, ουρία διεισδύουν στα κύτταρα και οι πρωτεΐνες, τα σάκχαρα, τα ιόντα και το DNA δεν μπορούν να διεισδύσουν.
Κατά τη διάχυση, τα μόρια τείνουν να γεμίζουν ολόκληρο τον διαθέσιμο όγκο, καθώς και να εξισώνουν τη συγκέντρωση και στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Συμβαίνει ότι η μεμβράνη είναι αδιαπέραστη ή ελάχιστα διαπερατή από την ουσία. Σε αυτή την περίπτωση, ενεργούν οσμωτικές δυνάμεις σε αυτό, οι οποίες μπορούν είτε να κάνουν το φράγμα πιο πυκνό είτε να το τεντώσουν, αυξάνοντας το μέγεθος των καναλιών άντλησης.
Διευκολυνόμενη διάχυση
Όταν μια διαβάθμιση συγκέντρωσης δεν αποτελεί επαρκή βάση για τη μεταφορά μιας ουσίας, συγκεκριμένες πρωτεΐνες έρχονται στη διάσωση. Εντοπίζονται στην κυτταρική μεμβράνη με τον ίδιο τρόπο όπως τα μόρια ATP. Χάρη σε αυτά, μπορεί να πραγματοποιηθεί τόσο ενεργητική όσο και παθητική μεταφορά.
Με αυτόν τον τρόπο, μεγάλα μόρια (πρωτεΐνες, DNA) διέρχονται από τη μεμβράνη,πολικές ουσίες, που περιλαμβάνουν αμινοξέα και σάκχαρα, ιόντα. Λόγω της συμμετοχής των πρωτεϊνών, ο ρυθμός μεταφοράς αυξάνεται αρκετές φορές σε σύγκριση με τη συμβατική διάχυση. Αλλά αυτή η επιτάχυνση εξαρτάται από ορισμένους λόγους:
- κλίση της ύλης μέσα και έξω από το κύτταρο;
- αριθμός μορίων φορέα;
- ρυθμοί δέσμευσης ουσίας-φορέα;
- ρυθμός αλλαγής στην εσωτερική επιφάνεια της κυτταρικής μεμβράνης.
Παρόλα αυτά, η μεταφορά πραγματοποιείται χάρη στο έργο των πρωτεϊνών-φορέων και η ενέργεια ATP δεν χρησιμοποιείται σε αυτήν την περίπτωση.
Τα κύρια χαρακτηριστικά που χαρακτηρίζουν τη διευκολυνόμενη διάχυση είναι:
- Γρήγορη μεταφορά ουσιών.
- Επιλεκτικότητα μεταφορών.
- Κορεσμός (όταν όλες οι πρωτεΐνες είναι απασχολημένες).
- Ανταγωνισμός μεταξύ ουσιών (λόγω συγγένειας με πρωτεΐνη).
- Ευαισθησία σε συγκεκριμένους χημικούς παράγοντες - αναστολείς.
Όσμωση
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η όσμωση είναι η κίνηση ουσιών κατά μήκος μιας βαθμίδας συγκέντρωσης σε μια ημιπερατή μεμβράνη. Η διαδικασία της όσμωσης περιγράφεται πληρέστερα από την αρχή Leshatelier-Brown. Λέει ότι εάν ένα σύστημα σε ισορροπία επηρεάζεται από το εξωτερικό, τότε θα τείνει να επιστρέψει στην προηγούμενη κατάστασή του. Η πρώτη φορά που το φαινόμενο της όσμωσης συναντήθηκε στα μέσα του 18ου αιώνα, αλλά τότε δεν δόθηκε μεγάλη σημασία. Η έρευνα για το φαινόμενο ξεκίνησε μόλις εκατό χρόνια αργότερα.
Το πιο σημαντικό στοιχείο στο φαινόμενο της όσμωσης είναι μια ημιπερατή μεμβράνη που επιτρέπει μόνο ορισμένα μόρια να περάσουν μέσα από αυτήν.διάμετρο ή ιδιότητες. Για παράδειγμα, σε δύο διαλύματα με διαφορετικές συγκεντρώσεις, μόνο ο διαλύτης θα περάσει από το φράγμα. Αυτό θα συνεχιστεί έως ότου η συγκέντρωση και στις δύο πλευρές της μεμβράνης είναι ίδια.
Η όσμωση παίζει σημαντικό ρόλο στη ζωή των κυττάρων. Αυτό το φαινόμενο επιτρέπει μόνο εκείνες τις ουσίες που είναι απαραίτητες για τη διατήρηση της ζωής να διεισδύσουν σε αυτές. Τα ερυθρά αιμοσφαίρια έχουν μια μεμβράνη που επιτρέπει μόνο στο νερό, το οξυγόνο και τις θρεπτικές ουσίες να περάσουν, αλλά οι πρωτεΐνες που σχηματίζονται μέσα στα ερυθρά αιμοσφαίρια δεν μπορούν να βγουν έξω.
Το φαινόμενο της όσμωσης έχει βρει πρακτική εφαρμογή και στην καθημερινή ζωή. Χωρίς καν να το υποψιάζονται, οι άνθρωποι στη διαδικασία αλατίσματος των τροφίμων χρησιμοποίησαν ακριβώς την αρχή της κίνησης των μορίων κατά μήκος μιας βαθμίδας συγκέντρωσης. Το κορεσμένο αλατούχο διάλυμα "έβγαζε" όλο το νερό από τα προϊόντα, επιτρέποντάς τους έτσι να αποθηκευτούν περισσότερο.
