Was ist Konzentration? Im weitesten Sinne ist dies das Verhältnis des Volumens eines Stoffes zur Anzahl der darin gelösten Teilchen. Diese Definition findet sich in einer Vielzahl von Wissenschaftszweigen, von der Physik über die Mathematik bis hin zur Philosophie. In diesem Fall sprechen wir über die Verwendung des Begriffs „Konzentration“in Biologie und Chemie.
Farbverlauf
Aus dem Lateinischen übersetzt bedeutet dieses Wort „wachsen“oder „laufen“, ist also eine Art „Zeigefinger“, der die Richtung anzeigt, in die ein Wert steigt. Als Beispiel können Sie beispielsweise die Höhe über dem Meeresspiegel an verschiedenen Punkten der Erde verwenden. Sein (Höhen-)Gradient an jedem einzelnen Punkt auf der Karte zeigt einen Vektor mit zunehmendem Wert, bis der steilste Anstieg erreicht ist.
In der Mathematik tauchte dieser Begriff erst Ende des 19. Jahrhunderts auf. Es wurde von Maxwell eingeführt und schlug seine eigenen Bezeichnungen für diese Größe vor. Physiker verwenden dieses Konzept, um die Intensität eines elektrischen oder Gravitationsfeldes zu beschreiben, eine Änderung der potentiellen Energie.
Nicht nur die Physik, sondern auch andere Wissenschaften verwenden den Begriff "Gradient". Dieses Konzept kann sowohl qualitative als auch widerspiegelnein quantitatives Merkmal eines Stoffes, wie z. B. Konzentration oder Temperatur.
Konzentrationsgradient
Wie groß ist nun der Gradient, aber wie groß ist die Konzentration? Dies ist ein relativer Wert, der den Anteil des in der Lösung enth altenen Stoffes angibt. Es kann als Prozentsatz der Masse, der Anzahl der Mole oder Atome in einem Gas (Lösung), einem Bruchteil des Ganzen, berechnet werden. Eine so große Auswahl ermöglicht es, fast jedes Verhältnis auszudrücken. Und das nicht nur in Physik oder Biologie, sondern auch in den metaphysischen Wissenschaften.
Und im Allgemeinen ist der Konzentrationsgradient eine Vektorgröße, die gleichzeitig die Menge und Richtung der Veränderung eines Stoffes in der Umgebung charakterisiert.
Definition
Kannst du den Konzentrationsgradienten berechnen? Seine Formel ist eine Besonderheit zwischen einer elementaren Änderung der Konzentration eines Stoffes und einem langen Weg, den ein Stoff zurücklegen muss, um zwischen zwei Lösungen ein Gleichgewicht zu erreichen. Mathematisch ausgedrückt wird dies durch die Formel '=dC/dl.
Das Vorhandensein eines Konzentrationsgradienten zwischen zwei Substanzen bewirkt, dass sie sich vermischen. Bewegen sich Partikel von einem Bereich mit höherer Konzentration zu einem niedrigeren, so spricht man von Diffusion, und wenn sich zwischen ihnen ein halbdurchlässiges Hindernis befindet, spricht man von Osmose.
Aktiver Transport
Aktiver und passiver Transport spiegelt die Bewegung von Substanzen durch die Membranen oder Zellschichten von Lebewesen wider: Protozoen, Pflanzen,Tiere und Menschen. Dieser Vorgang findet unter Nutzung von Wärmeenergie statt, da der Stoffübergang gegen einen Konzentrationsgradienten erfolgt: von kleiner zu größer. Am häufigsten wird Adenosintriphosphat oder ATP verwendet, um eine solche Wechselwirkung durchzuführen - ein Molekül, das eine universelle Energiequelle in 38 Joule ist.
Es gibt verschiedene Formen von ATP, die sich auf Zellmembranen befinden. Die darin enth altene Energie wird freigesetzt, wenn Stoffmoleküle durch sogenannte Pumpen transportiert werden. Das sind Poren in der Zellwand, die Elektrolytionen selektiv aufnehmen und abpumpen. Darüber hinaus gibt es ein solches Transportmodell als Symport. Dabei werden zwei Stoffe gleichzeitig transportiert: Einer verlässt die Zelle, der andere tritt ein. Das spart Energie.
Vesikulärer Transport
Aktiver und passiver Transport beinh alten den Transport von Substanzen in Form von Bläschen oder Vesikeln, daher wird der Vorgang als Vesikeltransport bezeichnet. Es gibt zwei Arten davon:
- Endozytose. In diesem Fall werden bei der Aufnahme fester oder flüssiger Substanzen durch die Zellmembran Blasen aus der Zellmembran gebildet. Vesikel können glatt oder umrandet sein. Eier, weiße Blutkörperchen und das Epithel der Nieren haben diese Art zu essen.
- Exozytose. Wie der Name schon sagt, ist dieser Prozess das Gegenteil des vorherigen. Im Inneren der Zelle befinden sich Organellen (z. B. der Golgi-Apparat), die Substanzen in Vesikel „verpacken“und diese anschließend wieder verlassenMembran.
Passiver Transport: Diffusion
Die Bewegung entlang des Konzentrationsgradienten (von hoch nach niedrig) erfolgt ohne Energieaufwand. Es gibt zwei Arten des passiven Transports: Osmose und Diffusion. Letzteres ist einfach und leicht.
Der Hauptunterschied zwischen Osmose besteht darin, dass der Prozess der Bewegung von Molekülen durch eine halbdurchlässige Membran erfolgt. Und die Diffusion entlang des Konzentrationsgradienten tritt in Zellen auf, die eine Membran mit zwei Schichten von Lipidmolekülen haben. Die Transportrichtung hängt nur von der Stoffmenge auf beiden Seiten der Membran ab. Auf diese Weise dringen hydrophobe Substanzen, polare Moleküle, Harnstoff in die Zellen ein und Proteine, Zucker, Ionen und DNA können nicht eindringen.
Während der Diffusion neigen Moleküle dazu, das gesamte verfügbare Volumen zu füllen und die Konzentration auf beiden Seiten der Membran auszugleichen. Es kommt vor, dass die Membran für die Substanz undurchlässig oder schlecht durchlässig ist. In diesem Fall wirken osmotische Kräfte darauf ein, die die Barriere entweder dichter machen oder dehnen können, wodurch die Größe der Pumpkanäle zunimmt.
Erleichterte Verbreitung
Wenn ein Konzentrationsgradient keine ausreichende Basis für den Transport einer Substanz ist, kommen spezifische Proteine zur Hilfe. Sie befinden sich auf der Zellmembran wie ATP-Moleküle. Dank ihnen kann sowohl aktiver als auch passiver Transport durchgeführt werden.
Auf diese Weise passieren große Moleküle (Proteine, DNA) die Membran,polare Substanzen, zu denen Aminosäuren und Zucker gehören, Ionen. Durch die Beteiligung von Proteinen erhöht sich die Transportrate gegenüber der konventionellen Diffusion um ein Vielfaches. Aber diese Beschleunigung hängt von einigen Gründen ab:
- Materiegradient innerhalb und außerhalb der Zelle;
- Anzahl Trägermoleküle;
- Stoffträgerbindungsraten;
- Änderungsrate der inneren Oberfläche der Zellmembran.
Trotzdem erfolgt der Transport dank der Arbeit von Trägerproteinen, und ATP-Energie wird in diesem Fall nicht verbraucht.
Die Hauptmerkmale, die die erleichterte Verbreitung charakterisieren, sind:
- Schnelle Stoffübertragung.
- Transportselektivität.
- Sättigung (wenn alle Proteine beschäftigt sind).
- Konkurrenz zwischen Substanzen (aufgrund von Proteinaffinität).
- Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Chemikalien - Inhibitoren.
Osmose
Wie oben erwähnt, ist Osmose die Bewegung von Stoffen entlang eines Konzentrationsgradienten durch eine semipermeable Membran. Der Osmoseprozess wird am vollständigsten durch das Leshatelier-Brown-Prinzip beschrieben. Es besagt, dass ein System im Gleichgewicht, wenn es von außen beeinflusst wird, dazu neigt, in seinen vorherigen Zustand zurückzukehren. Mitte des 18. Jahrhunderts trat das Phänomen der Osmose erstmals auf, damals wurde ihm jedoch keine große Bedeutung beigemessen. Die Erforschung des Phänomens begann erst hundert Jahre später.
Das wichtigste Element beim Phänomen der Osmose ist eine halbdurchlässige Membran, die nur bestimmte Moleküle passieren lässt. Durchmesser oder Eigenschaften. Beispielsweise passiert in zwei Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen nur das Lösungsmittel die Barriere. Dies wird fortgesetzt, bis die Konzentration auf beiden Seiten der Membran gleich ist.
Osmose spielt eine bedeutende Rolle im Leben von Zellen. Dieses Phänomen lässt nur jene Stoffe in sie eindringen, die zur Aufrechterh altung des Lebens notwendig sind. Die roten Blutkörperchen haben eine Membran, die nur Wasser, Sauerstoff und Nährstoffe durchlässt, aber die Proteine, die in den roten Blutkörperchen gebildet werden, können nicht heraus.
Das Phänomen der Osmose hat auch im Alltag praktische Anwendung gefunden. Ohne es zu ahnen, nutzten Menschen beim Einsalzen von Lebensmitteln genau das Prinzip der Bewegung von Molekülen entlang eines Konzentrationsgradienten. Die gesättigte Kochsalzlösung „entzog“den Produkten das gesamte Wasser und ermöglichte so eine längere Lagerung.
