تمرکز چیست؟ در یک مفهوم گسترده، این نسبت حجم یک ماده و تعداد ذرات محلول در آن است. این تعریف در طیف گسترده ای از شاخه های علوم، از فیزیک و ریاضیات گرفته تا فلسفه یافت می شود. در این مورد، ما در مورد استفاده از مفهوم "تمرکز" در زیست شناسی و شیمی صحبت می کنیم.
Gradient
ترجمه شده از لاتین، این کلمه به معنای "رشد" یا "راه رفتن" است، یعنی نوعی "انگشت اشاره" است که جهت افزایش هر مقدار را نشان می دهد. به عنوان مثال، می توانید مثلاً از ارتفاع بالاتر از سطح دریا در نقاط مختلف زمین استفاده کنید. شیب (ارتفاع) آن در هر نقطه روی نقشه یک بردار با مقدار فزاینده را تا رسیدن به تندترین صعود نشان می دهد.
در ریاضیات، این اصطلاح تنها در پایان قرن نوزدهم ظاهر شد. توسط ماکسول معرفی شد و نامگذاری های خود را برای این مقدار پیشنهاد کرد. فیزیکدانان از این مفهوم برای توصیف شدت میدان الکتریکی یا گرانشی، تغییر در انرژی پتانسیل استفاده می‌کنند.
نه تنها فیزیک، بلکه سایر علوم نیز از اصطلاح "gradient" استفاده می کنند. این مفهوم می تواند هم کیفی و همیک ویژگی کمی یک ماده، مانند غلظت یا دما.
گرادیان غلظت
شیب چیست اکنون شناخته شده است، اما غلظت چیست؟ این مقدار نسبی است که نسبت ماده موجود در محلول را نشان می دهد. می توان آن را به عنوان درصدی از جرم، تعداد مول ها یا اتم های یک گاز (محلول)، کسری از کل محاسبه کرد. چنین انتخاب گسترده ای امکان بیان تقریباً هر نسبتی را فراهم می کند. و نه تنها در فیزیک یا زیست شناسی، بلکه در علوم متافیزیکی.
و به طور کلی، گرادیان غلظت یک کمیت برداری است که به طور همزمان مقدار و جهت تغییر یک ماده را در محیط مشخص می کند.
تعریف
آیا می توانید گرادیان غلظت را محاسبه کنید؟ فرمول آن عبارت است از یک تغییر اولیه در غلظت یک ماده و یک مسیر طولانی که یک ماده برای رسیدن به تعادل بین دو محلول باید بر آن غلبه کند. از نظر ریاضی، این با فرمول С=dC/dl بیان می شود.
وجود گرادیان غلظت بین دو ماده باعث مخلوط شدن آنها می شود. اگر ذرات از ناحیه ای با غلظت بالاتر به ناحیه کمتر حرکت کنند، به آن انتشار می گویند و اگر مانعی نیمه تراوا بین آنها وجود داشته باشد اسمز نامیده می شود.
حمل و نقل فعال
انتقال فعال و غیرفعال منعکس کننده حرکت مواد از طریق غشاء یا لایه های سلول های موجودات زنده است: تک یاخته ها، گیاهان،حیوانات و انسان ها این فرآیند با استفاده از انرژی حرارتی انجام می شود، زیرا انتقال مواد در برابر یک گرادیان غلظت انجام می شود: از کوچکتر به بزرگتر. اغلب، آدنوزین تری فسفات یا ATP برای انجام چنین فعل و انفعالی استفاده می شود - مولکولی که منبع جهانی انرژی در 38 ژول است.
اشکال مختلفی از ATP وجود دارد که روی غشای سلولی قرار دارند. انرژی موجود در آنها زمانی آزاد می شود که مولکول های مواد از طریق به اصطلاح پمپ ها منتقل شوند. این منافذ در دیواره سلولی هستند که به طور انتخابی یون های الکترولیت را جذب و پمپ می کنند. علاوه بر این، چنین مدل حمل و نقلی به عنوان سیمپورت وجود دارد. در این حالت، دو ماده به طور همزمان منتقل می شوند: یکی از سلول خارج می شود و دیگری وارد آن می شود. این باعث صرفه جویی در انرژی می شود.
انتقال وزیکولار
حمل و نقل فعال و غیرفعال شامل حمل و نقل مواد به شکل حباب یا وزیکول است، از این رو این فرآیند را به ترتیب انتقال تاولی می نامند. دو نوع از آن وجود دارد:
- اندوسیتوز. در این حالت حباب هایی از غشای سلولی در فرآیند جذب مواد جامد یا مایع توسط آن ایجاد می شود. وزیکول ها ممکن است صاف یا لبه دار باشند. تخم‌مرغ، گلبول‌های سفید و اپیتلیوم کلیه‌ها این روش را دارند.
- اگزوسیتوز. همانطور که از نام آن پیداست، این فرآیند برعکس فرآیند قبلی است. اندامک هایی در داخل سلول وجود دارند (مثلاً دستگاه گلژی) که مواد را درون وزیکول ها بسته بندی می کنند و متعاقباً از آن خارج می شوند.غشاء.
انتقال غیرفعال: انتشار
حرکت در امتداد گرادیان غلظت (از زیاد به پایین) بدون استفاده از انرژی رخ می دهد. دو نوع انتقال غیرفعال وجود دارد: اسمز و انتشار. دومی ساده و سبک است.
تفاوت اصلی بین اسمز این است که فرآیند حرکت مولکول ها از طریق یک غشای نیمه تراوا انجام می شود. و انتشار در امتداد گرادیان غلظت در سلول هایی رخ می دهد که غشایی با دو لایه مولکول چربی دارند. جهت انتقال فقط به مقدار ماده در دو طرف غشا بستگی دارد. به این ترتیب، مواد آبگریز، مولکول های قطبی، اوره به سلول ها نفوذ می کنند و پروتئین ها، قندها، یون ها و DNA نمی توانند نفوذ کنند.
در طول انتشار، مولکول ها تمایل دارند کل حجم موجود را پر کنند، و همچنین غلظت را در دو طرف غشاء یکسان می کنند. این اتفاق می افتد که غشاء نسبت به ماده نفوذ ناپذیر یا ضعیف است. در این حالت، نیروهای اسمزی بر روی آن اثر می‌گذارند که می‌توانند مانع را متراکم‌تر کنند یا آن را کشیده و اندازه کانال‌های پمپاژ را افزایش دهند.
انتشار تسهیل شده
وقتی گرادیان غلظت مبنای کافی برای انتقال یک ماده نیست، پروتئین های خاصی به کمک می آیند. آنها مانند مولکول های ATP روی غشای سلولی قرار دارند. به لطف آنها، حمل و نقل فعال و غیرفعال می تواند انجام شود.
به این ترتیب، مولکول های بزرگ (پروتئین ها، DNA) از غشاء عبور می کنند.مواد قطبی، که شامل اسیدهای آمینه و قندها، یون ها می شود. به دلیل مشارکت پروتئین ها، سرعت انتقال در مقایسه با انتشار معمولی چندین برابر افزایش می یابد. اما این شتاب به دلایلی بستگی دارد:
- گرادیان ماده در داخل و خارج سلول؛
- تعداد مولکول های حامل؛
- نرخ اتصال حامل مواد؛
- نرخ تغییر در سطح داخلی غشای سلولی.
با وجود این، انتقال به لطف کار پروتئین های حامل انجام می شود و انرژی ATP در این مورد استفاده نمی شود.
ویژگی های اصلی که انتشار تسهیل شده را مشخص می کند عبارتند از:
- انتقال سریع مواد.
- انتخاب حمل و نقل.
- اشباع (زمانی که همه پروتئین ها مشغول هستند).
- رقابت بین مواد (به دلیل میل پروتئینی).
- حساسیت به عوامل شیمیایی خاص - مهارکننده ها.
اسمز
همانطور که در بالا ذکر شد، اسمز حرکت مواد در امتداد گرادیان غلظت در سراسر یک غشای نیمه تراوا است. فرآیند اسمز به طور کامل توسط اصل Leshatelier-Brown توصیف شده است. می گوید که اگر یک سیستم در تعادل از بیرون تحت تأثیر قرار گیرد، آنگاه تمایل دارد به حالت قبلی خود بازگردد. اولین بار در اواسط قرن هجدهم با پدیده اسمز مواجه شد، اما پس از آن اهمیت چندانی به آن داده نشد. تحقیقات در مورد این پدیده تنها صد سال بعد آغاز شد.
مهمترین عنصر در پدیده اسمز یک غشای نیمه تراوا است که فقط به مولکولهای خاصی اجازه عبور از آن را می دهد.قطر یا خواص به عنوان مثال، در دو محلول با غلظت های مختلف، تنها حلال از سد عبور می کند. این کار تا زمانی ادامه می یابد که غلظت دو طرف غشا یکسان شود.
اسمز نقش مهمی در زندگی سلول ها دارد. این پدیده تنها به آن دسته از موادی که برای حفظ حیات ضروری هستند اجازه می دهد تا به آنها نفوذ کنند. گلبول قرمز دارای غشایی است که فقط به آب، اکسیژن و مواد مغذی اجازه عبور می دهد، اما پروتئین هایی که در داخل گلبول قرمز تشکیل می شوند نمی توانند خارج شوند.
پدیده اسمز در زندگی روزمره نیز کاربرد عملی پیدا کرده است. حتی بدون اینکه به آن مشکوک باشند، افراد در فرآیند نمک زدن غذا دقیقاً از اصل حرکت مولکول ها در امتداد گرادیان غلظت استفاده کردند. محلول شور اشباع شده تمام آب را از محصولات "بیرون می کشد" و در نتیجه به آنها اجازه می دهد مدت بیشتری ذخیره شوند.
