Konzentrationsgefälle

Konzentrationsgefälle zweier Lösungen

EinKonzentrationsgefälleoderKonzentrationsgradient(ungenau auchStoffgradientgenannt) zwischen zwei Orten$x_{1}$und$x_{2}$besteht, wenn sich die dort jeweils herrschendenKonzentrationeneines Stoffes –$c_{1}$und$c_{2}$– voneinander unterscheiden.

Nur das Wort Konzentrationsgefällekann auch im engeren Sinn für räumliches Abfallen einer Konzentration verwendet werden, als Gegenspieler des Worts Konzentrationsanstieg.

DieDiffusionvon Stoffen erfolgt aufgrund eines Konzentrationsgradienten. Alselektrochemischen Gradientenbezeichnet man das Konzentrationsgefälle von gelöstenIonen,dieses hat eine herausragende Bedeutung für biologische Systeme, insbesondere den zellulärenEnergiestoffwechselund dieNervenleitung.

Im engeren Sinne bezeichnet der Konzentrationsgradient eine kontinuierliche örtliche Änderung der Konzentration. Der Konzentrationsgradient ist dann das Maß des Unterschieds und damit desGradienteneinerKonzentrationeineschemischen Stoffes.Er ist der Quotient (genauer:Differentialquotient) aus Konzentrationsunterschied und der Distanz zwischen zwei Punkten in diesem Raum. ImeindimensionalenFall lässt sich das als

${\frac {\mathrm {d} c}{\mathrm {d} x}}$

schreiben, wobei$\mathrm {d} c$der Unterschied der Konzentration des Stoffes ist und$\mathrm {d} x$die Distanz.

Mithilfe desNabla-Operatorskann der Konzentrationsgradient im3-Dimensionalendargestellt werden:

${\vec {\nabla }}c=\left({\frac {\partial c}{\partial x}},{\frac {\partial c}{\partial y}},{\frac {\partial c}{\partial z}}\right)^{\top }$

Hierbei bezeichnet$c$die Konzentration;$x$,$y$,$z$sind die Komponenten desOrtsvektors.

Beispiele

Einfacher Gradientenmischer für kontinuierliche Gradienten

Stoffgradienten treiben die gerichtete Ausbreitung von Molekülen perDiffusionan.

Durch äußere Kräfte, wie Schwerkraft, Magnetfeld, elektrisches Feld können in ursprünglich homogenen Lösungen und Mischungen Konzentrationsgefälle erzeugt werden.

Kristallisation aus übersättigter Lösung, Zusammenballung ferromagnetischer Partikel im Magnetfeld und das Wandern in Richtung höherer Magnetfeldstärke, Wanderung von Ionen im elektrischen Feld, Temperaturgradienten, Belichtungsunterschied können Konzentrationsgefälle – mitunter in 2-Phasen-Systemen – entstehen lassen.

In der Gasphase, in Gasgemischen werden Konzentrationsgefälle üblicherweise durchPartialdruckgefällebeschrieben.

Mischungsvorgänge wie Umrühren, Konvektion und Wind in der Troposphäre, Verwirbelung in Strömungsvorgängen bauen Konzentrationsgradienten ab.

Eine Anwendung in der biochemischen Trennung ist dieGradientenelektrophorese.Dabei wird zuvor in einem Gelgemisch ein Stoffgradient erzeugt. Dabei kann es sich um einen Geldichte-Gradienten (variable Porenweite) oder auch um einen pH-Gradient (meist mitAmpholyten) handeln. Bei der folgenden elektrophoretischen Trennung konzentrieren sich dann die Stoffe in einem entsprechenden Sektor.

Eine weitere Anwendung ist die Trennung von Stoffgemischen im Dichtegradienten (z. B. ausSaccharoseoderCaesiumchlorid) durchDichtegradientenzentrifugation.

Bei derChromatografiewerden oftmobile Phasenmit sich in der Zeit verändernden Zusammensetzungen angewendet, um die Trennschärfe bei derElutionverschiedener adsorbierter Stoffe zu erhöhen.

In derBiologiesind Stoffgradienten eine Voraussetzung für:

• passiven und sekundär aktivenMembrantransport
• bei derChemotaxis
• imEnergiestoffwechselderZellen
• in derMorphogeneseund während der Embryonalentwicklung (Embryogenese)
• Ausscheidungsorgane (Nephridien) wie dieNiere
• Atmungsorgane wieHaut,KiemenundLunge

Auch in derGeochemieundÖkologiesind Stoffgradienten bedeutsam, beispielsweise Gradienten derSauerstoffkonzentrationoderSchwefelwasserstoffkonzentrationin Gewässern.

Literatur

• Paul Reinhart Schimmel, Charles R. Cantor:Biophysical Chemistry: Part II: Techniques for the Study of Biological Structure and Function.H.C. Freeman, San Francisco 1980,ISBN 0-7167-1190-7,S. 619–642.
• Alfred Pingoud,Claus Urbanke:Arbeitsmethoden der Biochemie.De Gruyter, Berlin 1997,ISBN 3-11-016513-9(als Google-Book).
• Richard Josiah Hinton, Miloslav Dobrota:Density Gradient Centrifugation.Band 6 vonLaboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology.Elsevier, 1978,ISBN 978-0-08-085875-3.