Definizione
Un gradiente di concentrazione si verifica quando un soluto è più concentrato in un’area rispetto a un’altra. Un gradiente di concentrazione viene alleviato attraverso la diffusione, anche se le membrane possono ostacolare la diffusione e mantenere un gradiente di concentrazione.
Panoramica
“Concentrazione” si riferisce a quanto di un soluto è in una data quantità di solvente., Un angolo di un serbatoio d’acqua che ha appena avuto il sale scaricato in esso avrebbe una concentrazione molto più alta di sale rispetto all’estremità opposta del serbatoio, dove nessun sale si è diffuso. Pertanto, si dice che esista un gradiente di concentrazione nel serbatoio.
Nel corso del tempo, i soluti spostano sempre il loro gradiente di concentrazione per “provare” a produrre una concentrazione uguale in tutta la soluzione. Quindi, il gradiente di concentrazione sopra alla fine scomparirebbe mentre gli ioni di sale si diffondevano in tutto il serbatoio.,
Le leggi della termodinamica affermano che a causa dei movimenti costanti di atomi e molecole, le sostanze si sposteranno da aree di maggiore concentrazione a concentrazione inferiore, al fine di produrre una soluzione distribuita in modo casuale. Gli atomi d’acqua amano circondare completamente ogni molecule o molecola polare, che li tira attraverso una soluzione e li separa l’uno dall’altro.,
Questo può essere facilmente dimostrato a casa aggiungendo una goccia di colorante alimentare in un bicchiere d’acqua. All’inizio, il colorante alimentare occuperà solo il piccolo punto nel bicchiere d’acqua in cui è stato aggiunto. Ma nel tempo, le particelle colorate si diffonderanno, creando un’uguale distribuzione di particelle colorate in tutto il fondo del vetro.,
Funzione dei gradienti di concentrazione
I gradienti di concentrazione sono una conseguenza naturale delle leggi della fisica. Tuttavia, gli esseri viventi hanno trovato molti modi per usare le loro proprietà per svolgere importanti funzioni di vita. Gradienti di concentrazione sono utilizzati da molte cellule per completare una vasta gamma di compiti. Infatti, c’è energia immagazzinata in un gradiente di concentrazione perché le molecole vogliono raggiungere l’equilibrio. Quindi, questa energia può essere utilizzata per svolgere compiti.,
Va anche notato che quando un gradiente di concentrazione non può essere alleviato attraverso la diffusione del solvente, può verificarsi osmosi. L’osmosi è il movimento dell’acqua attraverso una membrana e essenzialmente fa la stessa cosa. Proprio come i soluti sono attratti dall’acqua, l’acqua è attratta dai soluti. Quindi, il gradiente di concentrazione può essere alleviato aggiungendo acqua a un compartimento (o cella) a membrana altamente concentrato.,
Gli organismi che hanno bisogno di spostare una sostanza dentro o fuori dalle loro cellule possono utilizzare il movimento di una sostanza lungo il suo gradiente di concentrazione per trasportare un’altra sostanza in tandem. Questo è il metodo di base che gli antiporter proteici e i symporter usano per portare nutrienti cruciali nelle cellule. Gli organismi possono anche “raccogliere” l’energia del gradiente di concentrazione per alimentare altre reazioni. Vedi gli esempi qui sotto.,
Esempi di Gradienti di Concentrazione
ATP Sintasi
Alcune forme di vita, usare la tendenza di soluti per spostarsi da una zona ad alta concentrazione bassa concentrazione in ordine al potere dei processi di vita. ATP sintasi-la proteina che produce ATP-si basa su un gradiente di concentrazione di ioni idrogeno., Mentre gli ioni passano attraverso l’ATP sintasi per attraversare la membrana e alleviare il gradiente, l’ATP sintasi trasferisce l’energia nell’aggiunta di un gruppo fosfato all’ADP, immagazzinando così l’energia nel legame appena formato.
Neuroni e la pompa di sodio / potassio
I neuroni spendono un’enorme quantità di energia – circa il 20-25% di tutte le calorie del corpo, negli esseri umani – pompando il potassio nelle loro cellule e il sodio fuori. Il risultato è un’altissima concentrazione di potassio all’interno delle cellule nervose e un’altissima concentrazione di sodio all’esterno., Poiché il potassio
Quando le cellule comunicano, aprono porte ioniche che consentono il passaggio di sodio e potassio. Le differenze di concentrazione di sodio/potassio sono così forti che gli ioni “vogliono” correre immediatamente fuori dalla cellula. Poiché gli ioni sono caricati elettricamente, questo in realtà cambia la carica elettrica della cella.,
Questo segnale” elettrochimico ” viaggia molto più velocemente di un semplice segnale chimico, permettendoci di percepire, pensare e rispondere rapidamente. I problemi che interferiscono con la pompa sodio/potassio dei neuroni possono causare la morte molto rapidamente perché il muscolo cardiaco stesso si basa su questi impulsi elettrochimici per pompare il sangue per tenerci in vita., Questo rende il gradiente di concentrazione di sodio / potassio nei neuroni probabilmente il gradiente di concentrazione più importante per la vita umana!
Pompa Symport Glucosio / sodio
La pompa symport glucosio-sodio sfrutta anche il gradiente sodio/potassio.
Una sfida affrontata dalle cellule è spostare il glucosio – che è grande e difficile da spostare, rispetto ai piccoli ioni di sodio – e che spesso devono essere spostati contro il loro gradiente di concentrazione., Per risolvere questo problema, alcune cellule hanno “accoppiato” il movimento del glucosio con il movimento del potassio, utilizzando proteine che permetteranno al sodio di spostarsi verso il basso il suo gradiente di concentrazione – se prende una molecola di glucosio con esso.
Questo è solo un altro esempio dei modi in cui le cellule usano le leggi fondamentali della fisica in modi innovativi per svolgere le funzioni della vita.
Polmoni e branchie
Gli esempi più comuni di gradienti di concentrazione coinvolgono particelle solide disciolte in acqua. Ma i gas possono avere anche gradienti di concentrazione.,
I polmoni umani e le branchie dei pesci usano entrambi gradienti di concentrazione per tenerci in vita. Poiché l’ossigeno segue le regole dei gradienti di concentrazione proprio come qualsiasi altra sostanza, tende a diffondersi da aree di alta concentrazione in aree di bassa concentrazione. Ciò significa che si diffonde dall’aria nel nostro sangue impoverito di ossigeno.
Polmoni e branchie rendono questo processo più efficiente eseguendo rapidamente il nostro sangue più impoverito di ossigeno attraverso le superfici dei nostri polmoni e branchie. In questo modo, l’ossigeno si diffonde costantemente nelle cellule del sangue che ne hanno più bisogno.
Quiz
1., Quale delle seguenti leggi descrive come funzionano i gradienti di concentrazione?
A. Un oggetto in movimento tende a rimanere in movimento, a meno che non agiti da una forza esterna.
B. I sistemi progrediscono sempre verso uno stato di maggiore casualità.
C. Le sostanze si diffondono da aree di alta concentrazione a aree di bassa concentrazione.
D. Sia B che C.
2. Quale dei seguenti NON è vero per il gradiente di concentrazione di sodio/potassio?
A. Puoi spostare una sostanza contro il suo gradiente di concentrazione senza spendere energia, se hai la giusta proteina di trasporto.
B. Le proteine di trasporto che muovono le sostanze contro i loro gradienti di concentrazione devono essere fornite di energia per funzionare.
C., Poiché le cellule devono abbattere le molecole e consumare energia, per spostare le sostanze contro il loro gradiente di concentrazione, questo movimento non infrange le leggi della termodinamica.
D. Nessuno dei precedenti.
3. Quale dei seguenti non saremmo in grado di fare se le sostanze non tendessero a spostare verso il basso i loro gradienti di concentrazione?
A. Think
B. Move
C. Breathe
D. Tutto quanto sopra