Wat is concentratie? In brede zin is dit de verhouding van het volume van een stof en het aantal daarin opgeloste deeltjes. Deze definitie is te vinden in een breed scala van takken van wetenschap, van natuurkunde en wiskunde tot filosofie. In dit geval hebben we het over het gebruik van het concept "concentratie" in biologie en scheikunde.
Gradient
Vertaald uit het Latijn betekent dit woord "groeien" of "lopen", dat wil zeggen, het is een soort "wijzende vinger", die de richting aangeeft waarin een waarde toeneemt. Als voorbeeld kun je bijvoorbeeld de hoogte boven zeeniveau op verschillende punten op aarde gebruiken. De (hoogte)gradiënt op elk afzonderlijk punt op de kaart zal een vector van toenemende waarde laten zien totdat de steilste stijging wordt bereikt.
In de wiskunde verscheen deze term pas aan het einde van de negentiende eeuw. Het werd geïntroduceerd door Maxwell en stelde zijn eigen benamingen voor deze hoeveelheid voor. Natuurkundigen gebruiken dit concept om de intensiteit van een elektrisch of zwaartekrachtveld te beschrijven, een verandering in potentiële energie.
Niet alleen natuurkunde, maar ook andere wetenschappen gebruiken de term "gradiënt". Dit concept kan zowel kwalitatief alseen kwantitatief kenmerk van een stof, zoals concentratie of temperatuur.
Concentratiegradiënt
Wat is de gradiënt die nu bekend is, maar wat is de concentratie? Dit is een relatieve waarde die het aandeel van de stof in de oplossing aangeeft. Het kan worden berekend als een percentage van de massa, het aantal mol of atomen in een gas (oplossing), een fractie van het geheel. Zo'n ruime keuze maakt het mogelijk om bijna elke verhouding uit te drukken. En niet alleen in de natuurkunde of biologie, maar ook in de metafysische wetenschappen.
En in het algemeen is de concentratiegradiënt een vectorgrootheid, die tegelijkertijd de hoeveelheid en richting van verandering van een stof in de omgeving kenmerkt.
Definitie
Kun jij de concentratiegradiënt berekenen? De formule is een bijzonderheid tussen een elementaire verandering in de concentratie van een stof en een lange weg die een stof moet afleggen om een evenwicht tussen twee oplossingen te bereiken. Wiskundig wordt dit uitgedrukt door de formule С=dC/dl.
De aanwezigheid van een concentratiegradiënt tussen twee stoffen zorgt ervoor dat ze zich vermengen. Als deeltjes van een gebied met een hogere concentratie naar een lagere gaan, wordt dit diffusie genoemd en als er een semi-permeabel obstakel tussen zit, wordt dit osmose genoemd.
Actief transport
Actief en passief transport weerspiegelt de beweging van stoffen door de membranen of cellagen van levende wezens: protozoa, planten,dieren en mensen. Dit proces vindt plaats met behulp van thermische energie, omdat de overgang van stoffen tegen een concentratiegradiënt in plaatsvindt: van kleiner naar groter. Meestal wordt adenosinetrifosfaat of ATP gebruikt om een dergelijke interactie uit te voeren - een molecuul dat een universele energiebron is in 38 joule.
Er zijn verschillende vormen van ATP die zich op celmembranen bevinden. De energie die erin zit, komt vrij wanneer moleculen van stoffen door de zogenaamde pompen worden overgebracht. Dit zijn poriën in de celwand die selectief elektrolytionen absorberen en wegpompen. Daarnaast is er zo'n vervoersmodel als symport. In dit geval worden twee stoffen tegelijkertijd getransporteerd: de ene verlaat de cel en de andere gaat erin. Dit bespaart energie.
Vesiculair transport
Actief en passief transport omvat het transport van stoffen in de vorm van bellen of blaasjes, vandaar dat het proces respectievelijk vesiculair transport wordt genoemd. Er zijn twee soorten:
- Endocytose. In dit geval worden bellen gevormd uit het celmembraan tijdens het absorberen van vaste of vloeibare stoffen erdoor. Blaasjes kunnen glad of begrensd zijn. Eieren, witte bloedcellen en het epitheel van de nieren hebben deze manier van eten.
- Exocytose. Zoals de naam al aangeeft, is dit proces het tegenovergestelde van het vorige. Er zijn organellen in de cel (bijvoorbeeld het Golgi-apparaat), die stoffen in blaasjes "verpakken" en vervolgens viamembraan.
Passief transport: diffusie
Beweging langs de concentratiegradiënt (van hoog naar laag) vindt plaats zonder het gebruik van energie. Er zijn twee soorten passief transport: osmose en diffusie. De laatste is eenvoudig en lichtgewicht.
Het belangrijkste verschil tussen osmose is dat het proces van beweging van moleculen plaatsvindt door een semi-permeabel membraan. En diffusie langs de concentratiegradiënt vindt plaats in cellen die een membraan hebben met twee lagen lipidemoleculen. De transportrichting hangt alleen af van de hoeveelheid stof aan beide zijden van het membraan. Op deze manier dringen hydrofobe stoffen, polaire moleculen, ureum de cellen binnen en kunnen eiwitten, suikers, ionen en DNA niet doordringen.
Tijdens diffusie hebben moleculen de neiging om het volledige beschikbare volume te vullen en de concentratie aan beide zijden van het membraan gelijk te maken. Het komt voor dat het membraan ondoordringbaar of slecht doorlaatbaar is voor de stof. In dit geval werken er osmotische krachten op, die de barrière ofwel dichter kunnen maken of uitrekken, waardoor de pompkanalen groter worden.
Gefaciliteerde diffusie
Als een concentratiegradiënt niet voldoende is voor het transport van een stof, komen specifieke eiwitten te hulp. Ze bevinden zich op dezelfde manier als ATP-moleculen op het celmembraan. Dankzij hen kan zowel actief als passief transport worden uitgevoerd.
Op deze manier gaan grote moleculen (eiwitten, DNA) door het membraan,polaire stoffen, waaronder aminozuren en suikers, ionen. Door de deelname van eiwitten neemt de transportsnelheid meerdere malen toe in vergelijking met conventionele diffusie. Maar deze versnelling hangt af van een aantal redenen:
- gradiënt van materie binnen en buiten de cel;
- aantal dragermoleculen;
- bindingspercentages voor stofdragers;
- snelheid van verandering in het binnenoppervlak van het celmembraan.
Desondanks wordt het transport uitgevoerd dankzij het werk van dragereiwitten en wordt in dit geval geen ATP-energie gebruikt.
De belangrijkste kenmerken die gefaciliteerde diffusie kenmerken zijn:
- Snelle overdracht van stoffen.
- Transportselectiviteit.
- Verzadiging (wanneer alle eiwitten bezig zijn).
- Concurrentie tussen stoffen (vanwege eiwitaffiniteit).
- Gevoeligheid voor specifieke chemische agentia - remmers.
Osmose
Zoals hierboven vermeld, is osmose de beweging van stoffen langs een concentratiegradiënt over een semipermeabel membraan. Het osmoseproces wordt het meest volledig beschreven door het principe van Leshatelier-Brown. Het zegt dat als een systeem in evenwicht van buitenaf wordt beïnvloed, het de neiging zal hebben om terug te keren naar zijn vorige toestand. De eerste keer dat het fenomeen osmose werd aangetroffen in het midden van de 18e eeuw, maar toen werd er niet veel belang aan gehecht. Onderzoek naar het fenomeen begon pas honderd jaar later.
Het belangrijkste element in het fenomeen osmose is een semi-permeabel membraan dat alleen bepaalde moleculen doorlaat.diameter of eigenschappen. In twee oplossingen met verschillende concentraties gaat bijvoorbeeld alleen het oplosmiddel door de barrière. Dit gaat door totdat de concentratie aan beide zijden van het membraan hetzelfde is.
Osmose speelt een belangrijke rol in het leven van cellen. Dit fenomeen laat alleen die stoffen toe die nodig zijn om het leven in stand te houden. De rode bloedcel heeft een membraan dat alleen water, zuurstof en voedingsstoffen doorlaat, maar de eiwitten die in de rode bloedcel worden gevormd, kunnen er niet uit.
Het fenomeen osmose heeft ook praktische toepassing gevonden in het dagelijks leven. Zonder het zelfs maar te vermoeden, gebruikten mensen die voedsel aan het zouten waren precies het principe van de beweging van moleculen langs een concentratiegradiënt. De verzadigde zoutoplossing "trekt" al het water uit de producten, waardoor ze langer kunnen worden bewaard.
