Definition
En koncentrationsgradient uppstår när ett löst ämne är mer koncentrerat i ett område än ett annat. En koncentrationsgradient lindras genom diffusion, även om membran kan hindra diffusion och bibehålla en koncentrationsgradient.
Översikt
"Koncentration" hänvisar till hur mycket av ett löst ämne som finns i en given mängd lösningsmedel. Ett hörn av en vattentank som just har fått salt dumpat i sig skulle ha en mycket högre koncentration av salt än den motsatta änden av tanken, dit inget salt har diffunderat till. Därför sägs det finnas en koncentrationsgradient i tanken.
Med tiden flyttar lösta ämnen alltid ner sin koncentrationsgradient för att "försöka" producera en lika stor koncentration genom hela lösningen. Så koncentrationsgradienten ovan skulle så småningom försvinna när saltjonerna diffunderade genom hela tanken.
Determodynamikens lagaratt på grund av atomers och molekylers konstanta rörelser kommer ämnen att flytta från områden med högre koncentration till lägre koncentration, för att producera en slumpmässigt fördelad lösning. Vattenatomer gillar att helt omge varje jon eller polär molekyl, vilket drar dem genom en lösning och separerar dem från varandra.
Detta kan enkelt demonstreras hemma genom att tillsätta en droppe matfärg till ett glas vatten. Till en början kommer matfärgen bara att uppta den lilla fläcken i vattenglaset där den tillsattes. Men med tiden kommer de färgade partiklarna att spridas, vilket skapar en jämn fördelning av färgade partiklar i botten av glaset.
Funktion för koncentrationsgradienter
Koncentrationsgradienter är en naturlig konsekvens av fysikens lagar. Men levande varelser har hittat många sätt att använda sina egenskaper för att utföra viktiga livsfunktioner. Koncentrationsgradienter används av många celler för att utföra en mängd olika uppgifter. Faktum är att det finns energi lagrad i en koncentrationsgradient eftersom molekylerna vill nå jämvikt. Så denna energi kan användas för att utföra uppgifter.
Det bör också noteras att när en koncentrationsgradient inte kan lindras genom diffusionen av lösningsmedlet, kan osmos uppstå. Osmos är rörelsen av vatten över ett membran och gör i huvudsak samma sak. Precis som lösta ämnen attraheras av vatten, attraheras vatten till lösta ämnen. Så, koncentrationsgradienten kan lindras genom att tillsätta vatten till ett högkoncentrerat membranfack (eller cell).
Organismer som behöver flytta ett ämne in eller ut ur sina celler kan använda rörelsen av ett ämne nedför dess koncentrationsgradient för att transportera ett annat ämne samtidigt. Detta är den grundläggande metoden som proteinantiporters och symporters använder för att föra in viktiga näringsämnen i cellerna. Organismer kan också "skörda" energin från koncentrationsgradienten för att driva andra reaktioner. Se exemplen nedan.
Exempel på koncentrationsgradienter
ATP-syntas
Vissa livsformer använder lösta ämnens tendens att flytta från ett område med hög koncentration till låg koncentration för att driva livsprocesser. ATP-syntas – proteinet som producerar ATP – är beroende av en koncentrationsgradient av vätejoner. När jonerna passerar genom ATP-syntas för att korsa membranet och lindra gradienten, överför ATP-syntas energin till att lägga till en fosfatgrupp till ADP, och därigenom lagra energin i den nybildade bindningen.
Neuroner och natrium/kaliumpumpen
Neuroner spenderar en enorm mängd energi – cirka 20-25 % av alla kroppens kalorier, hos människor – på att pumpa kalium in i sina celler och natrium ut. Resultatet är en extremt hög koncentration av kalium inuti nervceller och en mycket hög koncentration av natrium utanför. Sedan kalium
När celler kommunicerar öppnar de jonportar som låter natrium och kalium passera igenom. Natrium/kalium-koncentrationsskillnaderna är så stora att jonerna "vill" omedelbart rusa ut ur cellen. Eftersom joner är elektriskt laddade förändras faktiskt cellens elektriska laddning.
Denna "elektrokemiska" signal färdas mycket snabbare än en enbart kemisk signal skulle göra, vilket gör att vi kan uppfatta, tänka och reagera snabbt. Problem som stör neuronernas natrium/kaliumpump kan orsaka döden mycket snabbt eftersom hjärtmuskeln själv förlitar sig på dessa elektrokemiska impulser för att pumpa blod för att hålla oss vid liv. Detta gör natrium/kaliumkoncentrationsgradienten i neuroner utan tvekan den viktigaste koncentrationsgradienten för mänskligt liv!
Glukos/natrium Symportpump
Glukos-natrium-symportpumpen drar också fördel av natrium/kaliumgradienten.
En utmaning för celler är att flytta glukos – som är stort och svårt att flytta, jämfört med små natriumjoner – och som ofta måste flyttas mot sin koncentrationsgradient. För att lösa detta problem har vissa celler "kopplat" rörelsen av glukos med rörelsen av kalium, med hjälp av proteiner som gör att natrium kan röra sig ner i sin koncentrationsgradient - om det tar en glukosmolekyl med sig.
Detta är bara ytterligare ett exempel på hur celler använder fysikens grundläggande lagar på innovativa sätt för att utföra livets funktioner.
Lungor och gälar
De vanligaste exemplen på koncentrationsgradienter involverar fasta partiklar lösta i vatten. Men gaser kan också ha koncentrationsgradienter.
Människans lungor och fiskens gälar använder båda koncentrationsgradienter för att hålla oss vid liv. Eftersom syre följer reglerna för koncentrationsgradienter precis som alla andra ämnen, tenderar det att diffundera från områden med hög koncentration till områden med låg koncentration. Det betyder att det diffunderar från luften till vårt syrefattiga blod.
Lungor och gälar gör denna process mer effektiv genom att snabbt köra vårt mest syrefattiga blod över våra lungor och gälar. På så sätt diffunderar syre hela tiden in i de blodkroppar som behöver det mest.
Frågesport
1. Vilken av följande lagar beskriver hur koncentrationsgradienter fungerar?
A.Ett föremål i rörelse tenderar att stanna i rörelse, såvida det inte påverkas av en yttre kraft.
B.System utvecklas alltid mot ett tillstånd av högre slumpmässighet.
C.Ämnen diffunderar från områden med hög koncentration till områden med låg koncentration.
D.Både B och C.
Svar på fråga #1
Dstämmer. Både B och C är sanna, och påstående C är faktiskt en konsekvens av påstående B. Ämnen diffunderar från områden med hög koncentration till områden med låg koncentration som en del av hela systemets rörelse mot ett mer slumpmässigt tillstånd över tiden.
2. Vilket av följande är INTE sant för natrium/kaliumkoncentrationsgradienten?
A.Du kan flytta ett ämne mot dess koncentrationsgradient utan att förbruka energi, om du har rätt transportprotein.
B.Transportproteiner som förflyttar ämnen mot sina koncentrationsgradienter behöver tillföras energi för att fungera.
C.Eftersom celler måste bryta ner molekyler och förbruka energi, för att flytta ämnen mot deras koncentrationsgradient, bryter denna rörelse inte termodynamikens lagar.
D.Inget av ovanstående.
Svar på fråga #2
Astämmer. Ämnen kan endast flyttas mot sina koncentrationsgradienter genom att förbruka energi. I det här fallet bryter celler ner glukos och förbrukar enorma mängder ATP för att göra natrium/kaliumkoncentrationsgradienten möjlig. I processen flyttar de det större systemet mot slumpmässighet, i enlighet med termodynamikens lagar.
3. Vilket av följande skulle vi inte kunna göra om ämnen inte tenderade att röra sig ner i sina koncentrationsgradienter?
A.Tror
B.Flytta
C.Andas
D.Alla ovanstående
Svar på fråga #3
Dstämmer. Alla ovanstående processer är möjliga genom användning av koncentrationsgradienter!