Un gradiente di concentrazione si verifica in biologia quando tra l’interno e l’esterno della cellula esiste una differenza di concentrazione di una specie chimica ed è responsabile del cambiamento graduale nella concentrazione di soluti.
Il gradiente di concentrazione è responsabile del trasporto attivo che è il movimento di molecole disciolte dentro o fuori una cellula attraverso la membrana cellulare, da una regione di minore concentrazione a una regione di maggiore concentrazione.
gradiente
Tra i fattori che influenzano il gradiente di concentrazione vi è la temperatura che aumenta l’energia cinetica delle particelle, influendo il loro movimento e la loro diffusione. La permeabilità di un mezzo ovvero la sua capacità di consentire il passaggio delle sostanze è un altro parametro che influenza il gradiente di concentrazione.
Specialmente nei gas e nei fluidi i cambiamenti di pressione possono dirigere il movimento delle molecole da regioni di pressione più alta a regioni di pressione più bassa, influenzando la distribuzione della concentrazione. Le dimensioni delle molecole o delle particelle è un altro fattore che influenza il gradiente di concentrazione infatti le molecole o le particelle più piccole possono diffondersi più facilmente, influenzando la velocità e l’entità delle variazioni del gradiente di concentrazione rispetto a quelle più grandi.
Flusso diffusivo e gradiente di concentrazione
Le leggi di Fick introdotte da Adolf Fick nel 1855 sono state ampiamente applicate nei campi della chimica, della biologia e della medicina per descrivere la relazione tra flussi di trasferimento di massa e gradienti di concentrazione nel processo di diffusione molecolare
La forza trainante per molti tipi di diffusione è dovuta al gradiente di concentrazione. I processi di diffusione possono essere suddivisi in:
Stato stazionario
Stato non stazionario
moto nella cellula
La diffusione nello stato stazionario avviene a velocità costante ovvero una volta che il processo inizia, si verifica che il numero di atomi che attraversano una data interfaccia è costante nel tempo. Questo implica che nell’intero sistema dc/dx = constante e dc/dt = 0 essendo c la concentrazione, x la distanza e t il tempo.
La diffusione in uno stato non stazionario è un processo dipendente dal tempo in cui la velocità di diffusione è funzione del tempo. Così dc/dx varia nel tempo e dc/dt ≠ 0. Entrambi i tipi di diffusione vengono descritti quantitativamente dalle leggi di diffusione di Fick. La prima legge riguarda la diffusione sia nello stato stazionario che in quello non stazionario mentre la seconda è relativa alla diffusione nello stato non stazionario.
Secondo la prima legge di Fick Il flusso diffusivo J è proporzionale al gradiente di concentrazione:
J = -D(dc/dx)
in cui il segno negativo indica che il flusso avviene da posizioni a concentrazione maggiore a posizioni a concentrazione minore.
Diffusione
La diffusione è un processo risultante dal movimento casuale di molecole attraverso le quali si ha un flusso netto di materia da una regione di alta concentrazione a una regione di bassa concentrazione. Questo processo è causato dall’energia cinetica intrinseca delle particelle, che ne risulta in un movimento casuale. Quando le particelle interagiscono e si scontrano, tendono a diffondersi uniformemente nello spazio disponibile, portando infine ad uno stato di equilibrio, cioè senza movimento direzionale netto.
diffusione
Poiché il movimento netto delle molecole diffuse dipende dal gradiente di concentrazione, la velocità di diffusione è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione (dC/dx) attraverso la membrana. Il gradiente di concentrazione, dC/dx, è la differenza nella concentrazione di molecole all’interno e all’esterno della cellula attraverso una membrana cellulare di larghezza dx.
Dette Cout e Cin le concentrazioni di una specie all’interno e all’esterno della cellula si ha che dC/dx = Cout – Cin /dx. Quando la concentrazione all’esterno della cellula è maggiore di quella all’interno della cellula, il gradiente di concentrazione (dC/dx) sarà positivo e il movimento netto sarà all’interno della cellula.
La direzione della diffusione si dice verso il basso o con il gradiente di concentrazione. La diffusione si arresta quando la concentrazione della sostanza è uguale in entrambe le aree. Ciò non significa che le molecole della sostanza non si muovano più, ma solo che non vi è alcun movimento complessivo in una direzione. Le molecole della sostanza si muovono equamente in entrambe le direzioni e pertanto si verifica un equilibrio dinamico
