Що таке концентрація? Якщо говорити в широкому сенсі, то це співвідношення об'єму речовини і кількості розчинених в ньому частинок. Дане визначення зустрічається в самих різноманітних галузях науки, починаючи від фізики і математики, закінчуючи філософією. В даному випадку, йдеться про вживання поняття «концентрація» в біології і хімії.

Градієнт

В перекладі з латині це слово означає «зростаючий» або «крокуючий», тобто це якийсь «перст», який показує напрям, у якому зростає будь-яка величина. В якості прикладу можна використовувати, припустимо, висоту над рівнем моря у різних точках Землі. Її (висоти) градієнт в кожній окремій точці на карті буде показувати вектор збільшення значення до досягнення самого крутого підйому.


В математиці цей термін з'явився лише в кінці дев'ятнадцятого століття. Його ввів Максвелл запропонував свої позначення цієї величини. Фізики використовують це поняття для того, щоб описувати напруженість електричного або гравітаційного поля, зміна потенційної енергії. Не тільки фізика, але і інші науки використовують термін «градієнт». Це поняття може відображати як якісну, так і кількісну характеристику речовини, наприклад, концентрацію або температуру.

Градієнт концентрації

Що таке градієнт тепер відомо, а що таке концентрація? Це відносна величина, яка показує частку речовини, що міститься в розчині. Вона може вираховуватись у вигляді відсотка від маси, кількості молей або атомів в газі (розчині), частки від цілого. Такий широкий вибір дає можливість виразити практично будь співвідношення. І не тільки у фізиці або біології, але і в метафізичних науках.


А загалом, градієнт концентрації є векторною величиною, яка одночасно дає характеристику кількості та напрямку зміни речовини в середовищі.

Визначення

Можна підрахувати градієнт концентрації? Формула його являє собою приватність між елементарним зміною концентрації речовини і довжиною шляху, який доведеться подолати речовині для досягнення рівноваги між двома розчинами. Математично це виражається формулою З = dC/dl. Наявність градієнта концентрації між двома речовинами є причиною їх змішування. Якщо частинки рухаються з області з більшою концентрацією в меншу, то це називається дифузією, а якщо між ними знаходиться напівпроникні перешкода - осмосом.

Активний транспорт

Активний і пасивний транспорт відображає рух речовин через мембрани або шари клітин живих істот: найпростіших, рослин, тварин і людини. Цей процес проходить з використанням теплової енергії, так як перехід речовин здійснюється проти градієнта концентрації: від меншого до більшого. Найбільш часто для здійснення такої взаємодії використовується аденозинтрифосфат або АТФ - молекула, яка є універсальним джерелом енергії в 38 Джоулів. Існують різні форми АТФ, які розташовуються на мембранах клітин. Енергія, укладена в них, вивільняється при перенесення молекул речовин через так звані насоси. Це пори в клітинній стінці, які вибірково поглинають і відкачують іони електролітів. Крім того, існує така модель транспорту як симпорт. У цьому випадку одночасно транспортується дві речовини: одне виходить з клітини, а інше в неї потрапляє. Це дозволяє заощадити енергію.

Везикулярний транспорт

Активний і пасивний транспорт включає в себе транспортування речовин у вигляді бульбашок або везикул, тому процес називається, відповідно, везикулярним транспортом. Виділяють два його види:

Ендоцитоз. В цьому випадку утворюються бульбашки з мембрани клітин у процесі поглинання нею твердих або рідких речовин. Везикули можуть бути гладкими або мати обідок. Такий спосіб харчування мають яйцеклітини, білі клітини крові, а також епітелій нирок.

Екзоцитоз. Виходячи з назви, це процес протилежний попередньому. Всередині клітини є органели (наприклад, апарат Гольджи), які «упаковують» речовини в пухирці, а вони, в подальшому, виходять через мембрану.

Пасивний транспорт: дифузія

Рух по градієнту концентрації (від високої до низької) відбувається без використання енергії. Виділяють два варіанта пасивного транспорту – це осмос і дифузія. Остання буває простий і полегшеної. Основна відмінність осмосу в тому, що процес переміщення молекул відбувається через напівпроникну мембрану. А дифузія по градієнту концентрації відбувається у клітинах, що мають мембрану з двома шарами ліпідних молекул. Напрямок транспорту залежить лише від кількості речовини з обох боків мембрани. Цим способом клітини проникають гідрофобні речовини, полярні молекули, сечовина, і не можуть проникнути білки, цукру, іони і ДНК. В процесі дифузії, молекули прагнуть заповнити весь доступний об'єм, а так само вирівняти концентрацію по обидві сторони мембрани. Буває так, що мембрана непроникна або погано проникна для речовини. У цьому випадку на неї впливають осмотичні сили, які можуть як зробити перепону щільніше, так і розтягнути її, збільшивши розміри насосних каналів.

Полегшена дифузія

Коли градієнт концентрації не є достатньою підставою для транспорту речовини, на допомогу приходять специфічні білки. Вони розташовуються на мембрані клітин точно так само, як і молекули АТФ. Завдяки ним, може здійснюватися як активний, так і пасивний транспорт. Таким способом через мембрану проходять великі молекули (білки, ДНК), полярні речовини, до яких відносяться амінокислоти та цукру, іони. Завдяки участі білків швидкість транспорту збільшується в кілька разів, в порівнянні із звичайною дифузією. Але це прискорення залежить від деяких причин:

градієнта речовини всередині і поза клітини;

кількості молекул-переносників;

швидкості зв'язування речовини і переносника;

швидкості зміни внутрішньої поверхні мембрани клітини.

Незважаючи на це, транспорт здійснюється завдяки роботі білків-переносників, а енергія АТФ в даному випадку не використовується. Основними рисами, які характеризують полегшену дифузію, є:

Швидкий перенесення речовин.

Вибірковість транспорту.

Насичуваність (коли всі білки зайняті).

Конкуренція між речовинами (через спорідненості з білком).

Чутливість до специфічних хімічних агентів – інгібіторів.

Осмос

Як вже згадувалося вище, осмос – це рух речовин по градієнту концентрації через напівпроникну мембрану. Найбільш повно процес осмосу описує принцип ле-шателье-Брауна. У ньому говориться, що якщо на систему, що знаходиться в рівновазі, вплинути ззовні, то вона буде прагнути повернутися в колишній стан. Перший раз з явищем осмосу зіткнулися в середині XVIII століття, але тоді йому не надали особливого значення. Дослідження феномена почалися тільки через сто років. Найважливішим елементом у феномені осмосу є напівпроникна мембрана, яка пропускає через себе лише молекули певного діаметра або властивостей. Наприклад, у двох розчинах з різною концентрацією, через перешкоду буде проходити тільки розчинник. Це буде тривати до тих пір, поки концентрація з обох сторін мембрани не стане однаковою. Осмос відіграє значну роль у житті клітин. Це явище дозволяє проникати в них тільки тим речовинам, які необхідні для підтримки життя. Червона клітина крові має мембрану, що пропускає тільки воду, кисень і поживні речовини, білки, які утворюються всередині еритроцита, не можуть потрапити назовні. Явище осмосу і знайшло практичне застосування в побуті. Навіть не підозрюючи про це, люди в процесі засолювання їжі використовували саме принцип руху молекул по градієнту концентрації. Насичений сольовий розчин «витягував» на себе всю воду із продуктів, тим самим дозволяючи їм довше зберігатися.