Qu'est-ce que la concentration ? Au sens large, il s'agit du rapport entre le volume d'une substance et le nombre de particules dissoutes dans celle-ci. Cette définition se retrouve dans une grande variété de branches de la science, de la physique et des mathématiques à la philosophie. Dans ce cas, nous parlons de l'utilisation du concept de "concentration" en biologie et en chimie.
Dégradé
Traduit du latin, ce mot signifie "grandir" ou "marcher", c'est-à-dire qu'il s'agit d'une sorte de "doigt pointé", qui indique la direction dans laquelle toute valeur augmente. À titre d'exemple, vous pouvez utiliser, par exemple, la hauteur au-dessus du niveau de la mer à différents points de la Terre. Son gradient (hauteur) à chaque point individuel sur la carte affichera un vecteur de valeur croissante jusqu'à atteindre l'ascension la plus raide.
En mathématiques, ce terme n'est apparu qu'à la fin du XIXe siècle. Il a été introduit par Maxwell et a proposé ses propres désignations pour cette quantité. Les physiciens utilisent ce concept pour décrire l'intensité d'un champ électrique ou gravitationnel, un changement d'énergie potentielle.
Non seulement la physique, mais aussi d'autres sciences utilisent le terme "gradient". Ce concept peut refléter à la fois qualitatif etune caractéristique quantitative d'une substance, telle que la concentration ou la température.
Gradient de concentration
Qu'est-ce que le gradient est maintenant connu, mais quelle est la concentration ? Il s'agit d'une valeur relative qui indique la proportion de la substance contenue dans la solution. Il peut être calculé comme un pourcentage de la masse, le nombre de moles ou d'atomes dans un gaz (solution), une fraction du tout. Un choix aussi large permet d'exprimer presque n'importe quel ratio. Et pas seulement en physique ou en biologie, mais aussi dans les sciences métaphysiques.
Et en général, le gradient de concentration est une quantité vectorielle, qui caractérise simultanément la quantité et la direction du changement d'une substance dans l'environnement.
Définition
Pouvez-vous calculer le gradient de concentration ? Sa formule est un particulier entre un changement élémentaire dans la concentration d'une substance et un long chemin qu'une substance devra surmonter pour atteindre l'équilibre entre deux solutions. Mathématiquement, cela s'exprime par la formule С=dC/dl.
La présence d'un gradient de concentration entre deux substances provoque leur mélange. Si les particules se déplacent d'une zone avec une concentration plus élevée vers une zone plus faible, cela s'appelle la diffusion, et s'il y a un obstacle semi-perméable entre elles, cela s'appelle l'osmose.
Transport actif
Le transport actif et passif reflète le mouvement de substances à travers les membranes ou les couches de cellules des êtres vivants: protozoaires, plantes,animaux et humains. Ce processus se déroule avec l'utilisation d'énergie thermique, puisque la transition des substances s'effectue contre un gradient de concentration: du plus petit au plus grand. Le plus souvent, l'adénosine triphosphate ou ATP est utilisée pour réaliser une telle interaction - une molécule qui est une source universelle d'énergie en 38 Joules.
Il existe différentes formes d'ATP situées sur les membranes cellulaires. L'énergie qu'ils contiennent est libérée lorsque des molécules de substances sont transférées à travers les soi-disant pompes. Ce sont des pores de la paroi cellulaire qui absorbent et pompent sélectivement les ions électrolytes. De plus, il existe un modèle de transport tel qu'un symport. Dans ce cas, deux substances sont transportées simultanément: l'une sort de la cellule et l'autre y pénètre. Cela permet d'économiser de l'énergie.
Transport vésiculaire
Les transports actif et passif impliquent le transport de substances sous forme de bulles ou de vésicules, d'où le processus appelé, respectivement, transport vésiculaire. Il en existe deux types:
- Endocytose. Dans ce cas, des bulles se forment à partir de la membrane cellulaire lors du processus d'absorption de substances solides ou liquides par celle-ci. Les vésicules peuvent être lisses ou bordées. Les œufs, les globules blancs et l'épithélium des reins ont cette façon de manger.
- Exocytose. Comme son nom l'indique, ce processus est à l'opposé du précédent. Il y a des organites à l'intérieur de la cellule (par exemple, l'appareil de Golgi), qui "emballent" les substances dans des vésicules, et elles sortent ensuite parmembrane.
Transport passif: diffusion
Le mouvement le long du gradient de concentration (de haut en bas) se produit sans utilisation d'énergie. Il existe deux types de transport passif: l'osmose et la diffusion. Ce dernier est simple et léger.
La principale différence entre l'osmose est que le processus de mouvement des molécules se produit à travers une membrane semi-perméable. Et la diffusion le long du gradient de concentration se produit dans les cellules qui ont une membrane à deux couches de molécules lipidiques. La direction du transport dépend uniquement de la quantité de substance de part et d'autre de la membrane. De cette manière, les substances hydrophobes, les molécules polaires, l'urée pénètrent dans les cellules et les protéines, les sucres, les ions et l'ADN ne peuvent pas pénétrer.
Pendant la diffusion, les molécules ont tendance à remplir tout le volume disponible, ainsi qu'à égaliser la concentration des deux côtés de la membrane. Il arrive que la membrane soit imperméable ou peu perméable à la substance. Dans ce cas, des forces osmotiques agissent sur elle, ce qui peut soit rendre la barrière plus dense, soit l'étirer, augmentant ainsi la taille des canaux de pompage.
Diffusion facilitée
Lorsqu'un gradient de concentration n'est pas une base suffisante pour le transport d'une substance, des protéines spécifiques viennent à la rescousse. Ils sont situés sur la membrane cellulaire de la même manière que les molécules d'ATP. Grâce à eux, le transport actif et passif peut être effectué.
De cette manière, les grosses molécules (protéines, ADN) traversent la membrane,les substances polaires, qui comprennent les acides aminés et les sucres, les ions. En raison de la participation des protéines, le taux de transport augmente plusieurs fois par rapport à la diffusion conventionnelle. Mais cette accélération dépend de plusieurs raisons:
- gradient de matière à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule;
- nombre de molécules porteuses;
- taux de liaison substance-porteur;
- taux de changement de la surface interne de la membrane cellulaire.
Malgré cela, le transport s'effectue grâce au travail des protéines porteuses, et l'énergie ATP n'est pas utilisée dans ce cas.
Les principales caractéristiques qui caractérisent la diffusion facilitée sont:
- Transfert rapide de substances.
- Sélectivité du transport.
- Saturation (lorsque toutes les protéines sont occupées).
- Compétition entre substances (due à l'affinité protéique).
- Sensibilité à des agents chimiques spécifiques - inhibiteurs.
Osmose
Comme mentionné ci-dessus, l'osmose est le mouvement de substances le long d'un gradient de concentration à travers une membrane semi-perméable. Le processus d'osmose est le plus complètement décrit par le principe de Leshatelier-Brown. Il dit que si un système en équilibre est influencé de l'extérieur, alors il aura tendance à revenir à son état antérieur. La première fois que le phénomène d'osmose a été rencontré au milieu du 18ème siècle, mais on ne lui a pas accordé beaucoup d'importance. Les recherches sur le phénomène n'ont commencé qu'un siècle plus tard.
L'élément le plus important dans le phénomène d'osmose est une membrane semi-perméable qui ne laisse passer que certaines molécules.diamètre ou propriétés. Par exemple, dans deux solutions de concentrations différentes, seul le solvant traversera la barrière. Cela continuera jusqu'à ce que la concentration des deux côtés de la membrane soit la même.
L'osmose joue un rôle important dans la vie des cellules. Ce phénomène ne laisse pénétrer en eux que les substances nécessaires au maintien de la vie. Le globule rouge a une membrane qui ne laisse passer que l'eau, l'oxygène et les nutriments, mais les protéines qui se forment à l'intérieur du globule rouge ne peuvent pas sortir.
Le phénomène d'osmose a également trouvé une application pratique dans la vie quotidienne. Sans même s'en douter, les personnes en train de saler les aliments utilisaient précisément le principe du mouvement des molécules le long d'un gradient de concentration. La solution saline saturée "a extrait" toute l'eau des produits, permettant ainsi de les conserver plus longtemps.
