Cos'è la concentrazione? In senso lato, questo è il rapporto tra il volume di una sostanza e il numero di particelle disciolte in essa. Questa definizione si trova in un'ampia varietà di rami della scienza, dalla fisica e dalla matematica alla filosofia. In questo caso, stiamo parlando dell'uso del concetto di "concentrazione" in biologia e chimica.
Gradiente
Tradotta dal latino, questa parola significa “crescere” o “camminare”, cioè è una specie di “dito puntato”, che indica la direzione in cui ogni valore aumenta. Ad esempio, puoi usare, ad esempio, l' altezza sul livello del mare in diversi punti della Terra. La sua pendenza (altezza) in ogni singolo punto della mappa mostrerà un vettore di valore crescente fino a raggiungere la salita più ripida.
In matematica, questo termine è apparso solo alla fine del diciannovesimo secolo. È stato introdotto da Maxwell e ha proposto le proprie designazioni per questa quantità. I fisici usano questo concetto per descrivere l'intensità di un campo elettrico o gravitazionale, un cambiamento nell'energia potenziale.
Non solo la fisica, ma anche altre scienze usano il termine "gradiente". Questo concetto può riflettere sia qualitativo cheuna caratteristica quantitativa di una sostanza, come concentrazione o temperatura.
Gradiente di concentrazione
Qual è il gradiente ora noto, ma qual è la concentrazione? Questo è un valore relativo che mostra la proporzione della sostanza contenuta nella soluzione. Può essere calcolato come percentuale della massa, il numero di moli o atomi in un gas (soluzione), una frazione del tutto. Una scelta così ampia consente di esprimere quasi ogni rapporto. E non solo nella fisica o nella biologia, ma anche nelle scienze metafisiche.
E in generale, il gradiente di concentrazione è una grandezza vettoriale, che caratterizza simultaneamente la quantità e la direzione del cambiamento di una sostanza nell'ambiente.
Definizione
Riesci a calcolare il gradiente di concentrazione? La sua formula è un particolare tra un cambiamento elementare nella concentrazione di una sostanza e un lungo percorso che una sostanza dovrà percorrere per raggiungere l'equilibrio tra due soluzioni. Matematicamente, questo è espresso dalla formula С=dC/dl.
La presenza di un gradiente di concentrazione tra due sostanze fa sì che si mescolino. Se le particelle si spostano da un'area con una concentrazione più alta a una più bassa, si parla di diffusione, e se c'è un ostacolo semipermeabile tra di loro si parla di osmosi.
Trasporto attivo
Il trasporto attivo e passivo riflette il movimento di sostanze attraverso le membrane o gli strati delle cellule degli esseri viventi: protozoi, piante,animali e umani. Questo processo avviene con l'utilizzo dell'energia termica, poiché la transizione delle sostanze avviene contro un gradiente di concentrazione: dal più piccolo al più grande. Molto spesso, l'adenosina trifosfato o ATP viene utilizzato per svolgere tale interazione - una molecola che è una fonte universale di energia in 38 Joule.
Ci sono diverse forme di ATP che si trovano sulle membrane cellulari. L'energia in essi contenuta viene rilasciata quando le molecole di sostanze vengono trasferite attraverso le cosiddette pompe. Questi sono pori nella parete cellulare che assorbono e pompano selettivamente gli ioni elettroliti. Inoltre, esiste un tale modello di trasporto come symport. In questo caso vengono trasportate contemporaneamente due sostanze: una esce dalla cellula e l' altra vi entra. Ciò consente di risparmiare energia.
Trasporto vescicolare
Il trasporto attivo e quello passivo implicano il trasporto di sostanze sotto forma di bolle o vescicole, per questo il processo è chiamato, rispettivamente, trasporto vescicolare. Ce ne sono di due tipi:
- Endocitosi. In questo caso, le bolle si formano dalla membrana cellulare nel processo di assorbimento di sostanze solide o liquide da parte di essa. Le vescicole possono essere lisce o bordate. Le uova, i globuli bianchi e l'epitelio dei reni hanno questo modo di mangiare.
- Esocitosi. Come suggerisce il nome, questo processo è l'opposto del precedente. Ci sono organelli all'interno della cellula (ad esempio l'apparato di Golgi), che "impacchettano" le sostanze in vescicole e successivamente escono attraversomembrana.
Trasporto passivo: diffusione
Il movimento lungo il gradiente di concentrazione (da alto a basso) avviene senza l'uso di energia. Esistono due tipi di trasporto passivo: osmosi e diffusione. Quest'ultimo è semplice e leggero.
La principale differenza tra l'osmosi è che il processo di movimento delle molecole avviene attraverso una membrana semipermeabile. E la diffusione lungo il gradiente di concentrazione avviene nelle cellule che hanno una membrana con due strati di molecole lipidiche. La direzione del trasporto dipende solo dalla quantità di sostanza su entrambi i lati della membrana. In questo modo le sostanze idrofobiche, le molecole polari, l'urea penetrano nelle cellule e le proteine, gli zuccheri, gli ioni e il DNA non possono penetrare.
Durante la diffusione, le molecole tendono a riempire l'intero volume disponibile, oltre a equalizzare la concentrazione su entrambi i lati della membrana. Succede che la membrana sia impermeabile o poco permeabile alla sostanza. In questo caso agiscono su di essa forze osmotiche che possono rendere la barriera più densa o allungarla, aumentando le dimensioni dei canali di pompaggio.
Diffusione facilitata
Quando un gradiente di concentrazione non è una base sufficiente per il trasporto di una sostanza, vengono in soccorso proteine specifiche. Si trovano sulla membrana cellulare allo stesso modo delle molecole di ATP. Grazie a loro è possibile effettuare sia il trasporto attivo che quello passivo.
In questo modo grandi molecole (proteine, DNA) passano attraverso la membrana,sostanze polari, che includono aminoacidi e zuccheri, ioni. A causa della partecipazione delle proteine, la velocità di trasporto aumenta più volte rispetto alla diffusione convenzionale. Ma questa accelerazione dipende da alcuni motivi:
- gradiente di materia dentro e fuori la cellula;
- numero di molecole portatrici;
- Tassi di legame di sostanza-vettore;
- Tasso di variazione della superficie interna della membrana cellulare.
Nonostante ciò, il trasporto avviene grazie al lavoro delle proteine carrier e in questo caso non viene utilizzata l'energia dell'ATP.
Le caratteristiche principali che caratterizzano la diffusione facilitata sono:
- Trasferimento rapido di sostanze.
- Selettività di trasporto.
- Saturazione (quando tutte le proteine sono occupate).
- Competizione tra sostanze (dovuta all'affinità proteica).
- Sensibilità ad agenti chimici specifici - inibitori.
Osmosi
Come accennato in precedenza, l'osmosi è il movimento di sostanze lungo un gradiente di concentrazione attraverso una membrana semipermeabile. Il processo di osmosi è descritto in modo più completo dal principio di Leshatelier-Brown. Dice che se un sistema in equilibrio è influenzato dall'esterno, tenderà a tornare allo stato precedente. La prima volta che il fenomeno dell'osmosi si è incontrato a metà del 18° secolo, ma poi non ha avuto molta importanza. La ricerca sul fenomeno iniziò solo cento anni dopo.
L'elemento più importante nel fenomeno dell'osmosi è una membrana semipermeabile che permette il passaggio solo di alcune molecole.diametro o proprietà. Ad esempio, in due soluzioni con diverse concentrazioni, solo il solvente passerà attraverso la barriera. Ciò continuerà fino a quando la concentrazione su entrambi i lati della membrana non sarà la stessa.
L'osmosi gioca un ruolo significativo nella vita delle cellule. Questo fenomeno consente solo a quelle sostanze necessarie al mantenimento della vita di penetrare in esse. Il globulo rosso ha una membrana che permette il passaggio solo di acqua, ossigeno e sostanze nutritive, ma le proteine che si formano all'interno del globulo rosso non possono uscire.
Il fenomeno dell'osmosi ha trovato applicazione pratica anche nella vita di tutti i giorni. Senza nemmeno sospettarlo, le persone che stavano salando il cibo usavano proprio il principio del movimento delle molecole lungo un gradiente di concentrazione. La soluzione salina satura ha "estratto" tutta l'acqua dai prodotti, consentendo loro di conservarli più a lungo.
