Градиент концентрации: понятие, формула. Транспорт веществ в биологических мембранах

Что такое концентрация? Если говорить в широком смысле, то это соотношение объема вещества и количества растворенных в нем частиц. Данное определение встречается в самых разнообразных отраслях науки, начиная от физики и математики, заканчивая философией. В данном случае, идет речь об употреблении понятия «концентрация» в биологии и химии.

Градиент

В переводе с латыни, это слово означает «растущий» или «шагающий», то есть это некий «указующий перст», который показывает направление, в котором возрастает любая величина. В качестве примера можно использовать, допустим, высоту над уровнем моря в разных точках Земли. Ее (высоты) градиент в каждой отдельной точке на карте будет показывать вектор увеличения значения до достижения самого крутого подъема.

В математике этот термин появился только в конце девятнадцатого века. Его ввел Максвелл и предложил свои обозначения этой величины. Физики используют данное понятие для того, чтобы описывать напряженность электрического или гравитационного поля, изменение потенциальной энергии.

Не только физика, но и другие науки используют термин «градиент». Это понятие может отражать как качественную, так и количественную характеристику вещества, например, концентрацию или температуру.

Градиент концентрации

Что такое градиент теперь известно, а что такое концентрация? Это относительная величина, которая показывает долю вещества, содержащегося в растворе. Она может высчитываться в виде процента от массы, количества молей или атомов в газе (растворе), доли от целого. Такой широкий выбор дает возможность выразить практически любое соотношение. И не только в физике или биологии, но и в метафизических науках.

А в общем, градиент концентрации является векторной величиной, которая одновременно дает характеристику количеству и направлению изменения вещества в среде.

Определение

Можно ли подсчитать градиент концентрации? Формула его представляет собой частность между элементарным изменением концентрации вещества и длинной пути, который придется преодолеть веществу для достижения равновесия между двумя растворами. Математически это выражается формулой С = dC/dl.

Наличие градиента концентрации между двумя веществами является причиной их смешивания. Если частицы движутся из области с большей концентрацией в меньшую, то это называется диффузией, а если между ними находится полупроницаемое препятствие - осмосом.

Активный транспорт

Активный и пассивный транспорт отражает движение веществ через мембраны или слои клеток живых существ: простейших, растений, животных и человека. Этот процесс проходит с использованием тепловой энергии, так как переход веществ осуществляется против градиента концентрации: от меньшего к большему. Наиболее часто для осуществления такого взаимодействия используется аденозинтрифосфат или АТФ - молекула, которая является универсальным источником энергии в 38 Джоулей.

Существуют разные формы АТФ, которые располагаются на мембранах клеток. Энергия, заключенная в них, высвобождается при переносе молекул веществ через так называемые насосы. Это поры в клеточной стенке, которые выборочно поглощают и откачивают ионы электролитов. Кроме того, существует такая модель транспорта как симпорт. В этом случае одновременно транспортируется два вещества: одно выходит из клетки, а другое в нее попадает. Это позволяет сэкономить энергию.

Везикулярный транспорт

Активный и пассивный транспорт включает в себя транспортировку веществ в виде пузырьков или везикул, поэтому процесс называется, соответственно, везикулярным транспортом. Выделяют два его вида:

1. Эндоцитоз. В этом случае пузырьки образуются из мембраны клеток в процессе поглощения ею твердых или жидких веществ. Везикулы могут быть гладкими или иметь каемку. Такой способ питания имеют яйцеклетки, белые клетки крови, а также эпителий почек.
2. Экзоцитоз. Исходя из названия, это процесс противоположный предыдущему. Внутри клетки есть органеллы (например, аппарат Гольджи), которые «упаковывают» вещества в пузырьки, а они, в последующем, выходят через мембрану.

Пассивный транспорт: диффузия

Движение по градиенту концентрации (от высокой к низкой) происходит без использования энергии. Выделяют два варианта пассивного транспорта – это осмос и диффузия. Последняя бывает простой и облегченной.

Основное отличие осмоса в том, что процесс перемещения молекул происходит через полупроницаемую мембрану. А диффузия по градиенту концентрации происходит в клетках, имеющих мембрану с двумя слоями липидных молекул. Направление транспорта зависит только от количества вещества с обеих сторон мембраны. Этим способом в клетки проникают гидрофобные вещества, полярные молекулы, мочевина, и не могут проникнуть белки, сахара, ионы и ДНК.

В процессе диффузии, молекулы стремятся заполнить весь доступный объем, а так же выровнять концентрацию по обе стороны мембраны. Бывает так, что мембрана непроницаема или плохо проницаема для вещества. В этом случае на нее воздействуют осмотические силы, которые могут как сделать преграду плотнее, так и растянуть ее, увеличив размеры насосных каналов.

Облегченная диффузия

Когда градиент концентрации не является достаточным основанием для транспорта вещества, на помощь приходят специфические белки. Они располагаются на мембране клеток точно так же, как и молекулы АТФ. Благодаря ним, может осуществляться как активный, так и пассивный транспорт.

Таким способом через мембрану проходят крупные молекулы (белки, ДНК), полярные вещества, к которым относятся аминокислоты и сахара, ионы. Благодаря участию белков скорость транспорта увеличивается в несколько раз, по сравнению с обычной диффузией. Но это ускорение зависит от некоторых причин:

• градиента вещества внутри и вне клетки;
• количества молекул-переносчиков;
• скорости связывания вещества и переносчика;
• скорости изменения внутренней поверхности мембраны клетки.

Несмотря на это, транспорт осуществляется благодаря работе белков-переносчиков, а энергия АТФ в данном случае не используется.

Основными чертами, которые характеризуют облегченную диффузию, являются:

1. Быстрый перенос веществ.
2. Избирательность транспорта.
3. Насыщаемость (когда все белки заняты).
4. Конкуренция между веществами (из-за сродства с белком).
5. Чувствительность к специфическим химическим агентам – ингибиторам.

Осмос

Как уже упоминалось выше, осмос – это движение веществ по градиенту концентрации через полупроницаемую мембрану. Наиболее полно процесс осмоса описывает принцип Лешателье-Брауна. В нем говорится, что если на систему, находящуюся в равновесии, повлиять извне, то она будет стремиться вернуться в прежнее состояние. Первый раз с явлением осмоса столкнулись в середине XVIII столетия, но тогда ему не придали особого значения. Исследования феномена начались только сто лет спустя.

Самым важным элементом в феномене осмоса является полупроницаемая мембрана, которая пропускает через себя только молекулы определенного диаметра или свойств. Например, в двух растворах с разной концентрацией, через преграду будет проходить только растворитель. Это будет продолжаться до тех пор, пока концентрация с обеих сторон мембраны не станет одинаковой.

Осмос играет значительную роль в жизни клеток. Это явление позволяет проникать в них только тем веществам, которые необходимы для поддержания жизни. Красная клетка крови имеет мембрану, пропускающую только воду, кислород и питательные вещества, но белки, которые, образуются внутри эритроцита, не могут попасть наружу.

Явление осмоса нашло и практическое применение в быту. Даже не подозревая об этом, люди в процессе засаливания пищи использовали именно принцип движения молекул по градиенту концентрации. Насыщенный солевой раствор «вытягивал» на себя всю воду из продуктов, тем самым позволяя им дольше храниться.