Gradiente de concentración
Definición
Un gradiente de concentración ocurre cuando un soluto está más concentrado en un área que en otra. Un gradiente de concentración se alivia mediante la difusión, aunque las membranas pueden dificultar la difusión y mantener un gradiente de concentración.
Visión general
«Concentración» se refiere a la cantidad de soluto que hay en una determinada cantidad de disolvente. Una esquina de un tanque de agua al que se le acaba de verter sal tendría una concentración de sal mucho más alta que el extremo opuesto del tanque, donde no se ha difundido sal. Por lo tanto, se dice que existe un gradiente de concentración en el tanque.
Con el tiempo, los solutos siempre bajan por su gradiente de concentración para «intentar» producir una concentración igual en toda la solución. Entonces, el gradiente de concentración anterior eventualmente desaparecería a medida que los iones de sal se difundieran por todo el tanque.
Las leyes de la termodinámica establecen que debido a los constantes movimientos de átomos y moléculas, las sustancias se moverán de áreas de mayor concentración a menor concentración, para producir una solución distribuida al azar. A los átomos de agua les gusta rodear completamente cada ion o molécula polar, lo que los atrae a través de una solución y los separa entre sí.
Esto se puede demostrar fácilmente en casa agregando una gota de colorante alimentario a un vaso de agua. Al principio, el colorante para alimentos solo ocupará la pequeña mancha en el vaso de agua donde se agregó. Pero con el tiempo, las partículas de color se esparcirán, creando una distribución equitativa de partículas de color en todo el fondo del vaso.
Función de los gradientes de concentración
Los gradientes de concentración son una consecuencia natural de las leyes de la física. Sin embargo, los seres vivos han encontrado muchas formas de utilizar sus propiedades para realizar importantes funciones vitales. Muchas células utilizan los gradientes de concentración para completar una amplia variedad de tareas. De hecho, hay energía almacenada en un gradiente de concentración porque las moléculas quieren alcanzar el equilibrio. Entonces, esta energía se puede utilizar para realizar tareas.
También debe tenerse en cuenta que cuando no se puede aliviar un gradiente de concentración mediante la difusión del solvente, puede ocurrir ósmosis. La ósmosis es el movimiento del agua a través de una membrana y esencialmente hace lo mismo. Al igual que los solutos se sienten atraídos por el agua, el agua es atraída por los solutos. Por lo tanto, el gradiente de concentración se puede aliviar agregando agua a un compartimento de membrana (o celda ) altamente concentrado.
Los organismos que necesitan mover una sustancia dentro o fuera de sus células pueden usar el movimiento de una sustancia en su gradiente de concentración para transportar otra sustancia en tándem. Este es el método básico que utilizan los antiportadores y simportadores de proteínas para llevar nutrientes cruciales a las células. Los organismos también pueden «recolectar» la energía del gradiente de concentración para impulsar otras reacciones. Vea los ejemplos siguientes.
Ejemplos de gradientes de concentración
ATP sintasa
Algunas formas de vida utilizan la tendencia de los solutos a moverse de un área de alta concentración a una baja concentración para impulsar los procesos de la vida. La ATP sintasa, la proteína que produce ATP, se basa en un gradiente de concentración de iones de hidrógeno. A medida que los iones atraviesan la ATP sintasa para cruzar la membrana y aliviar el gradiente, la ATP sintasa transfiere la energía para agregar un grupo fosfato al ADP, almacenando así la energía en el enlace recién formado.
Las neuronas y la bomba de sodio / potasio
Las neuronas gastan una gran cantidad de energía, alrededor del 20-25% de todas las calorías del cuerpo, en los humanos, bombeando potasio a sus células y sodio. El resultado es una concentración extremadamente alta de potasio dentro de las células nerviosas y una concentración muy alta de sodio en el exterior. Dado que el potasio
Cuando las células se comunican, abren puertas de iones que permiten el paso del sodio y el potasio. Las diferencias de concentración de sodio / potasio son tan fuertes que los iones “quieren” salir instantáneamente de la célula. Debido a que los iones están cargados eléctricamente, esto en realidad cambia la carga eléctrica de la celda.
Esta señal «electroquímica» viaja mucho más rápido de lo que lo haría una señal meramente química, lo que nos permite percibir, pensar y responder rápidamente. Los problemas que interfieren con la bomba de sodio / potasio de las neuronas pueden causar la muerte muy rápidamente porque el propio músculo cardíaco depende de estos impulsos electroquímicos para bombear sangre y mantenernos con vida. Esto hace que el gradiente de concentración de sodio / potasio en las neuronas sea posiblemente el gradiente de concentración más importante para la vida humana.
Bomba Symport de glucosa / sodio
La bomba de transporte simultáneo de glucosa-sodio también aprovecha el gradiente de sodio / potasio.
Un desafío al que se enfrentan las células es mover la glucosa, que es grande y difícil de mover, en comparación con los iones de sodio diminutos, y que a menudo es necesario mover en contra de su gradiente de concentración. Para resolver este problema, algunas células han “acoplado” el movimiento de la glucosa con el movimiento del potasio, utilizando proteínas que permitirán que el sodio descienda por su gradiente de concentración, si lleva consigo una molécula de glucosa.
Este es solo un ejemplo más de las formas en que las células utilizan las leyes básicas de la física de formas innovadoras para realizar las funciones de la vida.
Pulmones y branquias
Los ejemplos más comunes de gradientes de concentración involucran partículas sólidas disueltas en agua. Pero los gases también pueden tener gradientes de concentración.
Los pulmones humanos y las branquias de los peces usan gradientes de concentración para mantenernos con vida. Debido a que el oxígeno sigue las reglas de los gradientes de concentración como cualquier otra sustancia, tiende a difundirse desde áreas de alta concentración hacia áreas de baja concentración. Eso significa que se difunde desde el aire a nuestra sangre sin oxígeno.
Los pulmones y las branquias hacen que este proceso sea más eficiente al hacer correr rápidamente nuestra sangre más pobre en oxígeno por las superficies de nuestros pulmones y branquias. De esta manera, el oxígeno se difunde constantemente hacia las células sanguíneas que más lo necesitan.
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