מה זה ריכוז? במובן הרחב, זהו היחס בין נפח החומר לבין מספר החלקיקים המומסים בו. הגדרה זו נמצאת במגוון רחב של ענפי מדע, מפיזיקה ומתמטיקה ועד פילוסופיה. במקרה זה, אנו מדברים על השימוש במושג "ריכוז" בביולוגיה ובכימיה.
Gradient
בתרגום מלטינית, משמעות המילה הזו היא "גדל" או "הליכה", כלומר היא מעין "אצבע מפנה", המראה את הכיוון שבו כל ערך עולה. כדוגמה, אתה יכול להשתמש, למשל, בגובה מעל פני הים בנקודות שונות על פני כדור הארץ. שיפוע (הגובה) שלו בכל נקודה בודדת במפה יראה וקטור בעל ערך עולה עד הגעה לעלייה התלולה ביותר.
במתמטיקה, המונח הזה הופיע רק בסוף המאה התשע-עשרה. זה הוצג על ידי מקסוול והציע ייעודים משלו לכמות זו. פיזיקאים משתמשים במושג זה כדי לתאר את עוצמתו של שדה חשמלי או שדה כבידה, שינוי באנרגיה פוטנציאלית.
לא רק פיזיקה, אלא גם מדעים אחרים משתמשים במונח "שיפוע". מושג זה יכול לשקף גם איכות וגםמאפיין כמותי של חומר, כגון ריכוז או טמפרטורה.
שיפוע ריכוז
מהו השיפוע ידוע כעת, אבל מה הריכוז? זהו ערך יחסי המראה את שיעור החומר הכלול בתמיסה. ניתן לחשב אותו כאחוז מהמסה, מספר השומות או האטומים בגז (פתרון), חלק מהשלם. מבחר כה רחב מאפשר לבטא כמעט כל יחס. ולא רק בפיזיקה או ביולוגיה, אלא גם במדעים המטפיזיים.
ובאופן כללי, שיפוע הריכוז הוא כמות וקטורית, המאפיינת בו-זמנית את כמות וכיוון השינוי של חומר בסביבה.
הגדרה
האם אתה יכול לחשב את שיפוע הריכוז? הנוסחה שלו היא פרט בין שינוי אלמנטרי בריכוז של חומר לבין דרך ארוכה שחומר יצטרך להתגבר עליו כדי להגיע לשיווי משקל בין שתי תמיסות. מבחינה מתמטית, זה בא לידי ביטוי בנוסחה С=dC/dl.
נוכחות של שיפוע ריכוז בין שני חומרים גורמת להם להתערבב. אם חלקיקים עוברים מאזור עם ריכוז גבוה יותר אל אזור נמוך יותר, אז זה נקרא דיפוזיה, ואם יש מכשול חצי חדיר ביניהם, זה נקרא אוסמוזה.
תחבורה פעילה
הובלה אקטיבית ופסיבית משקפת תנועה של חומרים דרך הממברנות או שכבות התאים של יצורים חיים: פרוטוזואה, צמחים,בעלי חיים ובני אדם. תהליך זה מתרחש תוך שימוש באנרגיה תרמית, שכן המעבר של חומרים מתבצע כנגד שיפוע ריכוז: מקטן לגדול יותר. לרוב, אדנוזין טריפוספט או ATP משמשים לביצוע אינטראקציה כזו - מולקולה המהווה מקור אוניברסלי לאנרגיה ב-38 ג'ול.
ישנן צורות שונות של ATP הממוקמות על ממברנות התא. האנרגיה הכלולה בהם משתחררת כאשר מולקולות של חומרים מועברות דרך מה שנקרא משאבות. אלו הן נקבוביות בדופן התא שסופגות ומשאבות באופן סלקטיבי יוני אלקטרוליטים. בנוסף, יש מודל תחבורה כזה כמו סימפורט. במקרה זה, שני חומרים מועברים בו זמנית: אחד יוצא מהתא, והשני נכנס אליו. זה חוסך באנרגיה.
תחבורה של כלי רכב
הובלה אקטיבית ופסיבית כרוכה בהובלה של חומרים בצורה של בועות או שלפוחיות, ומכאן שהתהליך נקרא, בהתאמה, הובלה שלפוחית. ישנם שני סוגים שלו:
- אנדוציטוזיס. במקרה זה נוצרות בועות מקרום התא בתהליך ספיגה של חומרים מוצקים או נוזליים על ידה. שלפוחיות עשויות להיות חלקות או עם גבול. לביצים, לתאי דם לבנים ולאפיתל של הכליות יש דרך אכילה כזו.
- אקסוציטוזיס. כפי שהשם מרמז, תהליך זה הוא ההפך מקודמו. ישנם אברונים בתוך התא (למשל, מנגנון גולגי), אשר "אורזים" חומרים לתוך שלפוחיות, ולאחר מכן הם יוצאים דרךממברנה.
תחבורה פסיבית: דיפוזיה
תנועה לאורך שיפוע הריכוז (מגבוה לנמוך) מתרחשת ללא שימוש באנרגיה. ישנם שני סוגים של הובלה פסיבית: אוסמוזה ודיפוזיה. האחרון פשוט וקל משקל.
ההבדל העיקרי בין אוסמוזה הוא שתהליך התנועה של מולקולות מתרחש דרך קרום חצי חדיר. ודיפוזיה לאורך שיפוע הריכוז מתרחשת בתאים שיש להם קרום עם שתי שכבות של מולקולות שומנים. כיוון ההובלה תלוי רק בכמות החומר משני צידי הממברנה. בדרך זו, חומרים הידרופוביים, מולקולות קוטביות, אוריאה חודרים לתאים, וחלבונים, סוכרים, יונים ו-DNA אינם יכולים לחדור.
במהלך דיפוזיה, מולקולות נוטות למלא את כל הנפח הזמין, כמו גם להשוות את הריכוז משני צידי הממברנה. קורה שהממברנה אטומה או חדירה גרועה לחומר. במקרה זה, פועלים עליו כוחות אוסמוטיים שיכולים להפוך את המחסום לצפוף יותר או למתוח אותו, ולהגדיל את גודל תעלות השאיבה.
דיפוזיה מסייעת
כאשר שיפוע ריכוז אינו בסיס מספיק להובלה של חומר, חלבונים ספציפיים נחלצים לעזרה. הם ממוקמים על קרום התא באותו אופן כמו מולקולות ATP. הודות להם, ניתן לבצע הובלה אקטיבית ופסיבית כאחד.
בדרך זו, מולקולות גדולות (חלבונים, DNA) עוברות דרך הממברנה,חומרים קוטביים, הכוללים חומצות אמינו וסוכרים, יונים. עקב השתתפותם של חלבונים, קצב ההובלה עולה פי כמה בהשוואה לדיפוזיה קונבנציונלית. אבל האצה זו תלויה בכמה סיבות:
- שיפוע של חומר בתוך ומחוץ לתא;
- מספר מולקולות נשא;
- תעריפי כריכה של ספקי חומר;
- קצב השינוי במשטח הפנימי של קרום התא.
למרות זאת, ההובלה מתבצעת הודות לעבודה של חלבוני נשאים, ולא נעשה שימוש באנרגיית ATP במקרה זה.
התכונות העיקריות המאפיינות דיפוזיה מוגברת הן:
- העברה מהירה של חומרים.
- סלקטיביות תחבורה.
- רוויה (כאשר כל החלבונים תפוסים).
- תחרות בין חומרים (עקב זיקה לחלבון).
- רגישות לחומרים כימיים ספציפיים - מעכבים.
Osmosis
כפי שהוזכר לעיל, אוסמוזה היא תנועה של חומרים לאורך שיפוע ריכוז על פני קרום חדיר למחצה. תהליך האוסמוזה מתואר במלואו על ידי עקרון ה-Leshatelier-Brown. הוא אומר שאם מערכת בשיווי משקל מושפעת מבחוץ, אז היא תטה לחזור למצבה הקודם. בפעם הראשונה נתקלה בתופעת האוסמוזה באמצע המאה ה-18, אך אז לא ייחסו לה חשיבות רבה. המחקר על התופעה החל רק מאה שנים מאוחר יותר.
היסוד החשוב ביותר בתופעת האוסמוזה הוא קרום חצי חדיר המאפשר רק למולקולות מסוימות לעבור דרכו.קוטר או מאפיינים. לדוגמה, בשתי תמיסות בריכוז שונה, רק הממס יעבור דרך המחסום. זה יימשך עד שהריכוז משני צידי הממברנה יהיה זהה.
אוסמוזה ממלאת תפקיד משמעותי בחיי התאים. תופעה זו מאפשרת רק לאותם חומרים הנחוצים לשמירה על חיים לחדור לתוכם. לתא הדם האדום יש קרום המאפשר רק למים, חמצן וחומרי מזון לעבור דרכו, אבל החלבונים שנוצרים בתוך כדורית הדם האדומה לא יכולים לצאת החוצה.
תופעת האוסמוזה מצאה יישום מעשי גם בחיי היומיום. מבלי לחשוד בכך, אנשים בתהליך המלחת מזון השתמשו בדיוק בעקרון התנועה של מולקולות לאורך שיפוע ריכוז. תמיסת המלח הרוויה "שלפה" את כל המים מהמוצרים, ובכך אפשרה להם לאחסן זמן רב יותר.
