Зейін дегеніміз не? Кең мағынада бұл заттың көлемі мен ондағы еріген бөлшектер санының қатынасы. Бұл анықтама физика мен математикадан философияға дейінгі ғылымның көптеген салаларында кездеседі. Бұл жағдайда біз «концентрация» ұғымының биология мен химияда қолданылуы туралы айтып отырмыз.
Градиент
Латын тілінен аударғанда бұл сөз «өсу» немесе «жүру» дегенді білдіреді, яғни кез келген мәннің өсу бағытын көрсететін «көрсеткіш саусақ» түрі. Мысал ретінде, айталық, Жердің әртүрлі нүктелеріндегі теңіз деңгейінен биіктікті пайдалануға болады. Картаның әрбір жеке нүктесіндегі оның (биіктігі) градиенті ең тік көтерілуге жеткенше өсетін мән векторын көрсетеді.
Математикада бұл термин тек ХІХ ғасырдың аяғында пайда болды. Оны Максвелл енгізді және осы мөлшерге өзінің белгілеулерін ұсынды. Физиктер бұл ұғымды электр немесе гравитациялық өрістің қарқындылығын, потенциалдық энергияның өзгеруін сипаттау үшін пайдаланады.
Физика ғана емес, басқа ғылымдар да «градиент» терминін қолданады. Бұл тұжырымдама сапалы және де көрсете аладыконцентрация немесе температура сияқты заттың сандық сипаттамасы.
Концентрация градиенті
Қазір градиент деген не белгілі, бірақ концентрациясы қандай? Бұл ерітіндідегі заттың үлесін көрсететін салыстырмалы шама. Оны массаның пайызы, газдағы (ерітіндідегі) моль немесе атомдар саны, бүтіннің бір бөлігі ретінде есептеуге болады. Мұндай кең таңдау кез келген дерлік арақатынасты білдіруге мүмкіндік береді. Және тек физика немесе биологияда ғана емес, сонымен қатар метафизикалық ғылымдарда да.
Ал жалпы алғанда концентрация градиенті бір мезгілде қоршаған ортадағы заттың мөлшері мен өзгеру бағытын сипаттайтын векторлық шама болып табылады.
Анықтама
Сіз концентрация градиентін есептей аласыз ба? Оның формуласы – зат концентрациясының элементарлы өзгерісі мен екі ерітінді арасындағы тепе-теңдікке жету үшін зат еңсеруге тура келетін ұзақ жол арасындағы ерекшелік. Математикалық тұрғыдан бұл С=dC/dl формуласымен өрнектеледі.
Екі зат арасында концентрация градиентінің болуы олардың араласуына әкеледі. Бөлшектер концентрациясы жоғары аймақтан төменірек аймаққа ауысса, бұл диффузия, ал олардың арасында жартылай өткізгіш кедергі болса, осмос деп аталады.
Белсенді тасымалдау
Белсенді және пассивті тасымалдау заттардың мембраналар немесе тірі ағзалардың жасушаларының қабаттары арқылы қозғалысын көрсетеді: қарапайымдылар, өсімдіктер,жануарлар мен адамдар. Бұл процесс жылу энергиясын пайдалану арқылы жүреді, өйткені заттардың ауысуы концентрация градиентіне қарсы жүзеге асырылады: кішіректен үлкенге. Көбінесе мұндай әрекеттесуді жүзеге асыру үшін аденозинтрифосфаты немесе АТФ пайдаланылады - 38 Джоульдегі әмбебап энергия көзі болып табылатын молекула.
Жасуша мембраналарында орналасқан АТФ әртүрлі формалары бар. Олардың құрамындағы энергия заттардың молекулалары деп аталатын сорғылар арқылы тасымалданған кезде бөлінеді. Бұл электролит иондарын таңдамалы түрде сіңіріп, сорып алатын жасуша қабырғасындағы тесіктер. Сонымен қатар, симпорт сияқты көлік моделі бар. Бұл жағдайда екі зат бір мезгілде тасымалданады: біреуі жасушадан шығады, ал екіншісі оған кіреді. Бұл энергияны үнемдейді.
Везикулярлы тасымалдау
Активті және пассивті тасымалдау заттардың көпіршіктер немесе везикулалар түрінде тасымалдануын қамтиды, сондықтан процесс сәйкесінше везикулярлық тасымалдау деп аталады. Оның екі түрі бар:
- Эндоцитоз. Бұл жағдайда қатты немесе сұйық заттарды сіңіру процесінде жасуша мембранасынан көпіршіктер пайда болады. Везикулалар тегіс немесе жиектелген болуы мүмкін. Жұмыртқалардың, ақ қан жасушаларының және бүйрек эпителийінің тамақтану тәсілі осындай.
- Экзоцитоз. Аты айтып тұрғандай, бұл процесс алдыңғыға қарама-қарсы. Жасушаның ішінде заттарды көпіршіктерге «орайтын» органеллалар (мысалы, Гольджи аппараты) бар және олар кейіннен олар арқылы шығады.мембрана.
Пассивті тасымалдау: диффузия
Концентрация градиенті бойынша қозғалыс (жоғарыдан төменге) энергияны пайдаланбай жүреді. Пассивті тасымалдаудың екі түрі бар: осмос және диффузия. Соңғысы қарапайым және жеңіл.
Осмостың негізгі айырмашылығы – молекулалардың қозғалу процесі жартылай өткізгіш мембрана арқылы жүреді. Ал концентрация градиенті бойынша диффузия липидті молекулалардың екі қабаты бар мембранасы бар жасушаларда жүреді. Тасымалдау бағыты тек мембрананың екі жағындағы заттың мөлшеріне байланысты. Осылайша жасушаларға гидрофобты заттар, полярлы молекулалар, мочевина енеді, ал белоктар, қанттар, иондар және ДНҚ өте алмайды.
Диффузия кезінде молекулалар барлық қол жетімді көлемді толтыруға бейім, сонымен қатар мембрананың екі жағындағы концентрацияны теңестіреді. Мембрананың затты өткізбейтін немесе нашар өткізетіні орын алады. Бұл жағдайда оған осмостық күштер әсер етеді, ол тосқауылды тығыздатады немесе оны созып, айдау арналарының көлемін арттырады.
Жеңілдетілген диффузия
Концентрация градиенті затты тасымалдау үшін жеткілікті негіз болмаса, арнайы белоктар көмекке келеді. Олар жасуша мембранасында АТФ молекулалары сияқты орналасады. Олардың арқасында белсенді және пассивті тасымалдауды жүзеге асыруға болады.
Осылайша мембрана арқылы үлкен молекулалар (белоктар, ДНҚ) өтеді,полярлы заттар, олардың құрамына амин қышқылдары мен қанттар, иондар жатады. Белоктардың қатысуына байланысты тасымалдау жылдамдығы әдеттегі диффузиямен салыстырғанда бірнеше есе артады. Бірақ бұл жеделдету кейбір себептерге байланысты:
- жасушаның ішіндегі және сыртындағы заттың градиенті;
- тасымалдаушы молекулалар саны;
- зат тасымалдаушысының байланысу жылдамдығы;
- жасуша мембранасының ішкі бетінің өзгеру жылдамдығы.
Осыған қарамастан тасымалдау тасымалдаушы белоктардың жұмысының арқасында жүзеге асады және бұл жағдайда АТФ энергиясы қолданылмайды.
Жеңілдетілген диффузияны сипаттайтын негізгі белгілер:
- Заттардың жылдам тасымалдануы.
- Көлік таңдау мүмкіндігі.
- Қанығу (барлық ақуыздар бос емес кезде).
- Заттар арасындағы бәсеке (ақуызға жақындығына байланысты).
- Арнайы химиялық агенттерге – ингибиторларға сезімталдық.
Осмос
Жоғарыда айтылғандай, осмос – заттардың жартылай өткізгіш мембрана арқылы концентрация градиенті бойымен қозғалуы. Осмос процесі ең толық Лешателье-Браун принципімен сипатталған. Егер тепе-теңдіктегі жүйеге сырттан әсер етсе, ол бұрынғы күйіне оралуға бейім болады дейді. Осмос құбылысы алғаш рет 18 ғасырдың ортасында кездесті, бірақ кейін оған аса мән берілмеді. Бұл құбылысты зерттеу жүз жылдан кейін ғана басталды.
Осмос құбылысындағы ең маңызды элемент – ол арқылы белгілі бір молекулалардың ғана өтуіне мүмкіндік беретін жартылай өткізгіш мембрана.диаметрі немесе қасиеттері. Мысалы, концентрациясы әртүрлі екі ерітіндіде бөгет арқылы тек еріткіш өтеді. Бұл мембрананың екі жағындағы концентрация бірдей болғанша жалғасады.
Осмос жасушалардың өмірінде маңызды рөл атқарады. Бұл құбылыс олардың ішіне тек тіршілікті қамтамасыз етуге қажетті заттардың енуіне мүмкіндік береді. Эритроцитте тек судың, оттегінің және қоректік заттардың өтуіне мүмкіндік беретін қабықшасы бар, бірақ қызыл қан клеткасының ішінде пайда болған ақуыздар сыртқа шыға алмайды.
Осмос құбылысы күнделікті өмірде де практикалық қолданыс тапты. Тіпті күдіктенбестен, тағамды тұздау процесінде адамдар концентрация градиенті бойынша молекулалардың қозғалысының принципін дәл пайдаланды. Қаныққан тұзды ерітінді өнімдердегі барлық суды «шығарып», оларды ұзағырақ сақтауға мүмкіндік береді.
