Gradiente di concentrazione
Che cosa significa "gradiente di concentrazione"?
Il termine "gradiente di concentrazione" può essere utilizzato in due ambiti diversi per definire:
- il gradiente associato ad una differenza di concentrazione di una stessa specie chimica tra due soluzioni diverse separate da una membrana;
- il modo in cui viene fatta variare la concentrazione dei solventi costituenti l'eluente in una separazione cromatografica.
Vediamo il significato di entrambi i termini.
Gradiente di concentrazione (biologia)
In biologia, il termine gradiente di concentrazione viene utilizzato per definire il gradiente associato ad una differenza di concentrazione di una stessa specie chimica tra due soluzioni diverse separate da una membrana; se la specie chimica è uno ione si parla più propriamente di gradiente ionico.
Se la specie chimica è in grado di attraversare la membrana, si avrà un flusso di materia della specie chimica dalla soluzione in cui è più concentrata alla soluzione in cui è meno concentrata; in questi casi, quindi, il gradiente di concentrazione comporta una trasferimento netto di materia dalla soluzione più concentrata a quella più diluita, funzionando quindi da "salto motore".
Gradiente di concentrazione: la regione A e la regione B, a diversa concentrazione dello stesso soluto, sono separate da una membrana. Inizialmente le molecole presenti nella regione A si spostano verso la regione B e pertanto la concentrazione nella regione A tenderà a diminuire, mentre la concentrazione nella regione B tenderà ad aumentare. Dopo un certo tempo le concentrazioni nelle due regioni raggiungono lo stesso valore.
Un simile gradiente, a cavallo di una membrana, rappresenta una forma di immagazzinamento di energia potenziale (ricordiamo che l'energia potenziale è la capacità di compiere lavoro dovuta ad una posizione o ad uno stato).
L'energia immagazzinata nel gradiente di concentrazione viene rilasciata quando gli ioni o le molecole si spostano dalla regione ad alta concentrazione verso la regione a bassa concentrazione: è per questo motivo che il movimento secondo un gradiente di concentrazione è un processo spontaneo.
La velocità di diffusione dipende dal movimento delle molecole che a sua volta dipende dalla dimensione, forma e carica elettrica delle molecole e dalla temperatura (all'aumentare della temperatura le molecole si muovono più velocemente e quindi la velocità di diffusione aumenta).
Se invece la membrana in questione è semipermeabile (ovvero consente il passaggio alle sole molecole di solvente ma non a quelle della specie chimica), allora sarà il solvente a spostarsi dalla soluzione meno concentrata alla soluzione più concentrata.
Quindi ricorda: il gradiente di concentrazione si ha quando due regioni, una a maggiore concentrazione e l'altra a minore concentrazione, sono separate tra loro da una membrana: tale differenza di concentrazione è detta gradiente di concentrazione.
Per una cellula, il transito delle sostanze da un lato all'altro della membrana cellulare (trasporto di membrana) è fondamentale; senza questa possibilità la cellula non potrebbe svolgere le sue funzioni vitali.
Vi sono diverse modalità con cui il transito delle sostanze può avvenire: se il trasporto avviene senza un dispendio energetico, ovvero senza consumo di energia, si parla di trasporto passivo.
Il trasporto passivo, che può essere di due tipi (diffusione semplice e diffusione facilitata), avviene grazie al gradiente di concentrazione a cavallo della membrana cellulare.
Nella diffusione semplice il trasporto non si serve di alcun apparato di membrana e le sostanze (apolari e di piccole dimensioni) si diffondono liberamente spostandosi in base al gradiente di concentrazione.
Anche la diffusione facilitata avviene a favore del gradiente di concentrazione; tuttavia, in questo caso, il trasporto necessita di proteine di membrana che ne permettono il passaggio.
Gradiente di concentrazione in cromatografia
In HPLC e in LPC, le separazioni cromatografiche di miscele anche complesse possono essere effettuate in condizioni isocratiche oppure in gradiente di concentrazione: nel gradiente di concentrazione due o più solventi vengono miscelati in rapporti variabili per tutta la durata del processo.
In HPLC, la miscelazione dei solventi (nell'eluizione in gradiente di concentrazione) può essere effettuata prima o dopo l'ingresso nella pompa: se questa effettuata prima dell'ingresso nella pompa si dice che viene fatta avvenire a bassa pressione; viceversa, se la miscelazione viene effettuata dopo l'ingresso nella pompa, si dice che viene fatta avvenire ad alta pressione.
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