Что значит по градиенту концентрации
Градиент концентрации
Градиент концентрации (от лат. gradi, gradu, gradus — ход, движение, течение, приближение; con — с, вместе, совместно + centrum — центр) или концентрационный градиент — это векторная физическая величина, характеризующая величину и направление наибольшего изменения концентрации какого-либо вещества в среде. Например, если рассмотреть две области с различной концентрацией какого-либо вещества, разделённые полупроницаемой мембраной, то градиент концентрации будет направлен из области меньшей концентрации вещества в область с большей его концентрацией.
Определение
При постоянном значении градиента концентрации C на длине пути l :
Здесь C1 и C2 — начальное и конечное значение концентрации на длине пути l (нормали к изоконцентрационной поверхности).
Градиент концентрации может быть причиной переноса веществ, например диффузии. Диффузия осуществляется против градиента концентрации.
См. также
Литература
Полезное
Смотреть что такое «Градиент концентрации» в других словарях:
градиент концентрации — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN composition [concentration] gradient … Справочник технического переводчика
градиент концентрации — – разность содержания ионов K+, Na+, Ca2+ вне и внутри клетки (ионная асимметрия), что обеспечивает образование мембранного потенциала и регуляцию биоэффектов внутри клеток. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] … Химические термины
градиент концентрации — koncentracijos gradientas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. concentration gradient vok. Konzentrationsgradient, m rus. градиент концентрации, m pranc. gradient de la concentration, m … Fizikos terminų žodynas
градиент концентрации примеси — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN impurity gradient … Справочник технического переводчика
относительный градиент концентрации космических лучей — относительный градиент концентрации Вектор, направленный в сторону максимального увеличения концентрации космических лучей, модуль которого равен отношению производной концентрации в этом направлении к величине концентрации. [ГОСТ 25645.104 84]… … Справочник технического переводчика
Градиент — Эта статья о математической характеристике; о способе заливки см.: Градиент (компьютерная графика) … Википедия
анимально-вегетативный градиент — ЭМБРИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ АНИМАЛЬНО ВЕГЕТАТИВНЫЙ ГРАДИЕНТ – градиент чувствительности у еще не оплодотворенной яйцеклетки с выраженным анимальным и вегетативным полюсами (например, у птиц при отмирании яйцеклетки изменения происходят вначале на… … Общая эмбриология: Терминологический словарь
Кинетика физическая — теория неравновесных макроскопических процессов, то есть процессов, возникающих в системах, выведенных из состояния теплового (термодинамического) равновесия. К К. ф. можно отнести термодинамику неравновесных процессов (См. Термодинамика… … Большая советская энциклопедия
МАССООБМEН — необратимый перенос массы компонента смеси в пределах одной или неск. фаз. Осуществляется в результате хаотич. движения молекул (мол. диффузия), макроскопич. движения всей среды (конвективный перенос), а в турбулентных потоках также в результате… … Химическая энциклопедия
Гипокалиемия — МКБ 10 E … Википедия
Градиент концентрации: понятие, формула расчета. Транспорт веществ в биологических мембранах
Что такое концентрация? Если говорить в широком смысле, то это соотношение объема вещества и количества растворенных в нем частиц. Данное определение встречается в самых разнообразных отраслях науки, начиная от физики и математики, заканчивая философией. В данном случае, идет речь об употреблении понятия «концентрация» в биологии и химии.
Градиент
В переводе с латыни, это слово означает «растущий» или «шагающий», то есть это некий «указующий перст», который показывает направление, в котором возрастает любая величина. В качестве примера можно использовать, допустим, высоту над уровнем моря в разных точках Земли. Ее (высоты) градиент в каждой отдельной точке на карте будет показывать вектор увеличения значения до достижения самого крутого подъема.
В математике этот термин появился только в конце девятнадцатого века. Его ввел Максвелл и предложил свои обозначения этой величины. Физики используют данное понятие для того, чтобы описывать напряженность электрического или гравитационного поля, изменение потенциальной энергии.
Не только физика, но и другие науки используют термин «градиент». Это понятие может отражать как качественную, так и количественную характеристику вещества, например, концентрацию или температуру.
Градиент концентрации
Что такое градиент теперь известно, а что такое концентрация? Это относительная величина, которая показывает долю вещества, содержащегося в растворе. Она может высчитываться в виде процента от массы, количества молей или атомов в газе (растворе), доли от целого. Такой широкий выбор дает возможность выразить практически любое соотношение. И не только в физике или биологии, но и в метафизических науках.
А в общем, градиент концентрации является векторной величиной, которая одновременно дает характеристику количеству и направлению изменения вещества в среде.
Определение
Можно ли подсчитать градиент концентрации? Формула его представляет собой частность между элементарным изменением концентрации вещества и длинной пути, который придется преодолеть веществу для достижения равновесия между двумя растворами. Математически это выражается формулой С = dC/dl.
Активный транспорт
Существуют разные формы АТФ, которые располагаются на мембранах клеток. Энергия, заключенная в них, высвобождается при переносе молекул веществ через так называемые насосы. Это поры в клеточной стенке, которые выборочно поглощают и откачивают ионы электролитов. Кроме того, существует такая модель транспорта как симпорт. В этом случае одновременно транспортируется два вещества: одно выходит из клетки, а другое в нее попадает. Это позволяет сэкономить энергию.
Везикулярный транспорт
Активный и пассивный транспорт включает в себя транспортировку веществ в виде пузырьков или везикул, поэтому процесс называется, соответственно, везикулярным транспортом. Выделяют два его вида:
Пассивный транспорт: диффузия
Движение по градиенту концентрации (от высокой к низкой) происходит без использования энергии. Выделяют два варианта пассивного транспорта – это осмос и диффузия. Последняя бывает простой и облегченной.
Основное отличие осмоса в том, что процесс перемещения молекул происходит через полупроницаемую мембрану. А диффузия по градиенту концентрации происходит в клетках, имеющих мембрану с двумя слоями липидных молекул. Направление транспорта зависит только от количества вещества с обеих сторон мембраны. Этим способом в клетки проникают гидрофобные вещества, полярные молекулы, мочевина, и не могут проникнуть белки, сахара, ионы и ДНК.
В процессе диффузии, молекулы стремятся заполнить весь доступный объем, а так же выровнять концентрацию по обе стороны мембраны. Бывает так, что мембрана непроницаема или плохо проницаема для вещества. В этом случае на нее воздействуют осмотические силы, которые могут как сделать преграду плотнее, так и растянуть ее, увеличив размеры насосных каналов.
Облегченная диффузия
Когда градиент концентрации не является достаточным основанием для транспорта вещества, на помощь приходят специфические белки. Они располагаются на мембране клеток точно так же, как и молекулы АТФ. Благодаря ним, может осуществляться как активный, так и пассивный транспорт.
Таким способом через мембрану проходят крупные молекулы (белки, ДНК), полярные вещества, к которым относятся аминокислоты и сахара, ионы. Благодаря участию белков скорость транспорта увеличивается в несколько раз, по сравнению с обычной диффузией. Но это ускорение зависит от некоторых причин:
Несмотря на это, транспорт осуществляется благодаря работе белков-переносчиков, а энергия АТФ в данном случае не используется.
Основными чертами, которые характеризуют облегченную диффузию, являются:
Осмос
Как уже упоминалось выше, осмос – это движение веществ по градиенту концентрации через полупроницаемую мембрану. Наиболее полно процесс осмоса описывает принцип Лешателье-Брауна. В нем говорится, что если на систему, находящуюся в равновесии, повлиять извне, то она будет стремиться вернуться в прежнее состояние. Первый раз с явлением осмоса столкнулись в середине XVIII столетия, но тогда ему не придали особого значения. Исследования феномена начались только сто лет спустя.
Самым важным элементом в феномене осмоса является полупроницаемая мембрана, которая пропускает через себя только молекулы определенного диаметра или свойств. Например, в двух растворах с разной концентрацией, через преграду будет проходить только растворитель. Это будет продолжаться до тех пор, пока концентрация с обеих сторон мембраны не станет одинаковой.
Осмос играет значительную роль в жизни клеток. Это явление позволяет проникать в них только тем веществам, которые необходимы для поддержания жизни. Красная клетка крови имеет мембрану, пропускающую только воду, кислород и питательные вещества, но белки, которые, образуются внутри эритроцита, не могут попасть наружу.
Явление осмоса нашло и практическое применение в быту. Даже не подозревая об этом, люди в процессе засаливания пищи использовали именно принцип движения молекул по градиенту концентрации. Насыщенный солевой раствор «вытягивал» на себя всю воду из продуктов, тем самым позволяя им дольше храниться.
Что значит по градиенту концентрации
• Мембранный потенциал возникает за счет электрохимического градиента, который существует по обеим сторонам мембраны, селективно проницаемой для ионов
• Величина мембранного потенциала как функции концентрации ионов рассчитывается по уравнению Нернста
• В клетке поддерживается отрицательное значение мембранного потенциала покоя. При этом внутренняя среда клетки, по сравнению с внешней, характеризуется несколько большим отрицательным зарядом
• Существование мембранного потенциала является необходимым условием генерации электрических сигналов, а также направленного транспорта ионов через мембрану
Важным свойством клеток является способность поддерживать такие внутриклеточные концентрации метаболитов, которые существенно отличаются от их содержания во внеклеточной среде. В случае ионов, различия в их концентрации по обеим сторонам мембраны приводят к различиям в электрическом заряде: внутриклеточная среда заряжена несколько более отрицательно, чем среда снаружи клетки. Совместное действие разности зарядов и концентраций проводит к возникновению электрохимического градиента. Электрохимический градиент поддерживается за счет действия селективных каналов и белков переносчиков в плазматической мембране.
Для того чтобы понять, каким образом возникает электрохимический градиент, вначале рассмотрим простой случай, когда мембрана оказывается проницаемой только для одного вида ионов. На рисунке ниже представлены два компартмента, А и В, разделенные тонкой мембраной. Эти компартменты содержат раствор КС1 разной концентрации. В растворе хлорид калия диссоциирован на гидратированные ионы К+ и Cl-. Поскольку оба компартмента содержат эквимолярные концентрации ионов, то каждый обладает нейтральным зарядом.
Если бы мембрана была непроницаема для ионов, то величина ее электрического потенциала, измеренная с помощью вольтметра, равнялась бы нулю.
Селективное передвижение ионов через мембрану вызывает изменение мембранного потенциала.
Теперь рассмотрим случай, когда мембрана проницаема только для ионов калия (например, когда в мембране находятся К+-каналы). Диффузия растворенных веществ по градиенту концентрации является энергетически выгодным процессом (выражается в виде отрицательной величины разности энергии AG). Поэтому ионы К+ будут диффундировать в сторону более низкой их концентрации, т. е. из компартмента В в компартмент А. При этом распределение заряда на мембране будет меняться. По мере накопления в компартменте А положительно заряженных ионов, возрастают силы отталкивания между ними. Эти силы затрудняют переход ионов К+ в компартмент А.
Когда в системе достигается электрохимическое равновесие, градиенты концентрации и электрических зарядов взаимно уравновешиваются, и движение ионов К+ через мембрану прекращается. При этом транспорт ионов К+ из одного компартмента сдерживается их транспортом из другого компартмента.
Однако в компартменте А содержится больше положительно заряженных ионов, чем в компартменте В. Этот избыток ионов К+ (в компартменте А) взаимодействует с избытком ионов Cl- (в компартменте В) через тонкую мембрану, в результате чего по обеим ее сторонам выстраиваются электрические заряды. Разница зарядов по обеим сторонам мембраны выражается в виде разности потенциалов и называется мембранный потенциал. Равновесный (мембранный) потенциал компартмента В по отношению к компартменту А имеет отрицательное значение.
Этот пример иллюстрирует необходимость наличия двух условий, необходимых для возникновения мембранного потенциала клетки, не равного нулю:
• различные концентрации ионов по обеим сторонам мембраны, которые приводят к разделению зарядов и
• мембрана, обладающая селективной проницаемостью по крайней мере к одному виду ионов.
Поэтому величина мембранного потенциала является функцией концентрации ионов. В состоянии равновесия эту функцию для ионов X можно выразить количественно с помощью уравнения Нернста:
В формировании мембранного потенциала в клетках животных, главным образом, участвуют ионы К+, Na+ и Cl-. Ионы Са2+ и Mg2+ в меньшей степени участвуют в формировании мембранного потенциала покоя. Плазматическая мембрана обладает селективной проницаемостью к перечисленным ионам (т. е. мембрана содержит ионные каналы, селективные к каждому типу ионов). Это обстоятельство, а также мембранная проницаемость (Р) для каждого иона учитывается в уравнении Гольдмана-Ходжкина-Каца, которое представляет собой расширенную форму уравнения Нернста.
Для основных ионов это уравнение выражает мембранный потенциал как функцию их проницаемости и концентрации внутри (i) и снаружи (о) клетки:
В отличие от большинства других К+-каналов, которым необходим сигнал для открытия, эти каналы в клетке, обладающей определенным потенциалом покоя, открыты постоянно. В покоящейся клетке также открыты несколько каналов для других ионов. Движение ионов К+ из клетки, по направлению электрохимического градиента, помогает клеточному содержимому поддерживать отрицательный заряд. Пока мы не знаем всех источников ионов калия, которые участвуют в этом процессе. В некоторых клетках, например у растений и бактерий, а также в митохондриях, мембранный потенциал покоя создается за счет градиента протонов, а не ионов К+.
Для того чтобы происходила диффузия ионов К+ из клетки через К+-каналы, их концентрация в клетке должна быть выше, чем в окружающей среде. Градиент концентрации создается в результате работы Na+/К+-АТФа-зы, которая закачивает в клетку два иона калия на каждые три иона натрия, которые этот ионный насос удаляет из клетки. Поэтому насос функционирует как генератор заряда: удаляется больше электрических зарядов, чем привносится к клетку. Таким образом, наряду с K+-каналами, лишенными воротного механизма, Na+/К+-АТФазы участвуют в создании отрицательного внутриклеточного потенциала. Если происходит инактивация Na+/K+-АТФаз, то концентрации ионов Na+ и К+ по обе стороны мембраны уравниваются. Это происходит потому, что липидный бислой очень плохо пропускает ионы. Иными словами, без прохождения первичных процессов активного транспорта с участием Na+/К+-АТФаз значение мембранного потенциала равнялось бы нулю.
Мембранный потенциал покоящейся клетки представляет собой довольно постоянную величину. Однако при связывании лигандов, механическом стрессе или при изменении электрического заряда происходит открытие специфических ионных каналов, и мембранный потенциал изменяется. Если ионные каналы находятся под контролем электрического заряда, то изменения мембранного потенциала влияют на прохождение через них ионов. Открытие и закрытие канала контролируются воротным механизмом (гейтингом). Мембранный потенциал зависит от тех ионов, для которых каналы в основном, открыты. Например, при открытии Na+- или Са2+-каналов происходит деполяризация мембраны.
С энергетической точки зрения, мембранный потенциал представляет собой некий энергетический резервуар, энергию которого можно использовать для выполнения определенной работы. По расположению отрицательно заряженных ионов в цитозоле и положительно заряженных на наружной стороне мембраны, клетка напоминает электрический конденсатор или батарею, т. е. приспособление, способное сохранять электрическую энергию и служить ее источником. Энергия высвобождается в виде ионов, мигрирующих по направлению их электрохимического градиента, и может использоваться в процессах транспорта других ионов или метаболитов против градиента концентрации.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Статья по теме: Градиенте концентрации
Предметная область: полимеры, синтетические волокна, каучук, резина
Коэффициент диффузии D в уравнении (14) является коэффициентом пропорциональности. Если 5 = 1 см2, т=1 сек. и-^г —1, то D = Q. Это значит, что коэффициент диффузии численно равен количеству продиффундировавшего вещества через единицу площади поперечного сечения за 1 сек при градиенте концентрации, равном единице. Из уравнения (14) можно вывести размерность коэффициента диффузии: \D\[5, С.468]
Согласно известному из курса общей химии уравнению ш = —DSx (dc/dx), где т — количество продиффундировавшего вещества; S — площадь; т — время; dc/dx — градиент концентрации, т. е. изменение концентрации на расстоянии х; D — коэффициент диффузии. Из этого уравнения следует, что коэффициент диффузии — это количество вещества, продиффундировавшего через единицу площади в единицу времени при градиенте концентрации, равном единице. Это уравнение справедливо как для газов, так и для жидких растворов.[8, С.145]
Согласно известному из курса общей химии уравнению m = — DSi (dc/dx), где т — количество продиффундировавшего вещества; S- — площадь; т — время; dc/dx — градиент концентрации, т. с. изменение концентрации на расстоянии х; D — коэффициент диффузии. Из этою уравнения следует, ч1! о коэффициент диффузии — это количество вещества, проднффуядировавшсго через единицу площади в единицу времени при градиенте концентрации, равном единице. Это уравнение справедливо как для газов, так и для жидких растворов.[10, С.145]
Коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом диффузии, определяет кинетику процесса. Наиболее полное представление о закономерностях процесса диффузии может быть получено по значениям коэффициента диффузии, зависимости коэффициента диффузии от температуры, значениям энергии активации диффузии. Коэффициент диффузии D численно равен массе вещества (диффузанта), продиффундировавшего через единицу площади поперечного сечения за 1 с при градиенте концентрации, равном единице, и имеет размерность см2/с. Уравнение (III.37) описывает закономерность диффузии в случае стационарного[6, С.127]
Определение значений Л, В и С дает возможность провести численное интегрирование полученных уравнений и установить распределение ингибитора в тонком слое резиста в зависимости от дозы излучения I0t вплоть до толщины 2 мкм по уравнениям (1.26) и (1.27) (рис. 1.27). Однако и при этой толщине распределение ингибитора в слое не является однородным, при экспонировании образуется концентрационный градиент ингибитора. Изменение скорости проявления резиста в зависимости от к дает возможность характеризовать процесс проявления при определенном градиенте концентрации ингибитора.[3, С.55]
диффундирование через пленку при градиенте концентрации и, наконец, испарение с другой поверхности при пониженной концентрации или пониженном давлении.[4, С.233]
4. Полезно преобразовать кривую g* (S) в кривую G (2), где г — 5 /5макс. G = g* (S)/gaaKC (S), 5макс — константа седиментации при максимальном градиенте концентрации [222]. На G (2) не отражаются возможные колебания температуры и скорости; эта функция также меньше зависит от концентрации. В частности, если все 5 одинаково меняются с изменением концентрации, то функция G (2) будет независимой от нее. Для узких границ раздела G (2) нечувствительна также и к влиянию давления. Кроме того, G (2) зависит только от распределения по молекулярным весам. Легко показать, например, что в тета-растворителях при бесконечном разбавлении[7, С.54]
ной х и площадью S за время / при градиенте концентрации Ас/л;.[2, С.12]
то D = Q. Это значит, ^то коэффициент диффузии численно равен количеству продиффундировавшего вещества через единицу площади поперечного сечения за 1 сек при градиенте концентрации, равном единице. Из уравнения (14) можно вывести размерность коэффициента диффузии:[1, С.468]
туры полимера, градиента концентрации воды в полимере и темп-ры. Коэфф. В. определяется из общего ур-ния диффузионной проницаемости (см. Газопроницаемость) и выражается массой паров воды, прошедшей в единицу времени через единицу площади при единичном градиенте концентрации или давления [обычно кг/(м-сек-н/м’2) и г/(см-ч-мм рт. cm.)]. Допустимые значения коэфф. В. полимерных материалов для конкретных условий эксплуатации устанавливаются соответствующими стандартами [1 г/(см-ч-мм рт. ст.)= = 208-10-9 кг/(м-сек-н/м*)].[9, С.245]
туры полимера, градиента концентрации воды в полимере и темп-ры. Коэфф. В. определяется из общего ур-ния диффузионной проницаемости (см. Газопроницаемость) и выражается массой паров воды, прошедшей в единицу времени через единицу площади при единичном градиенте концентрации или давления [обычно кг/(м-сек-н/ж^) и г/(см-ч-мм рт. ст.)]. Допустимые значения коэфф. В. полимерных материалов для конкретных условий эксплуатации устанавливаются соответствующими стандартами [1 г/(см-ч-мм рт. ст.) — = 208.10-9 кг/(м-сек-н/м*)].[11, С.242]
Градиент концентрации
Градиент концентрации или концентрационный градиент — это векторная физическая величина, характеризующая величину и направление наибольшего изменения концентрации какого-либо вещества в среде. Например, если рассмотреть две области с различной концентрацией какого-либо вещества, разделённые полупроницаемой мембраной, то градиент концентрации будет направлен из области меньшей концентрации вещества в область с большей его концентрацией.
Определение [ править ]
При постоянном значении градиента концентрации C на длине пути l :
Здесь C1 и C2 — начальное и конечное значение концентрации на длине пути l (нормали к изоконцентрационной поверхности).
Градиент концентрации может быть причиной переноса веществ, например диффузии. Диффузия осуществляется против вектора градиента концентрации.
Единицей измерения градиента концентрации в Международной системе единиц (СИ) является величина м −4 (моль/м 4 или кг/м 4 ), а также её дольные или кратные производные.