Een cel heeft veel taken uit te voeren. Een van de belangrijkste functies is het handhaven van een gezonde omgeving in de cel. Dit vereist beheersing van de intracellulaire concentraties van verschillende moleculen, zoals ionen, opgeloste gassen en biochemicaliën. Een concentratiegradiënt is een verschil in de concentratie van een stof in een regio. In de microbiologie creëert het celmembraan concentratiegradiënten.

Het celmembraan

Een celmembraan bestaat uit een dubbele laag van fosfolipiden, moleculen die een fosfaatkop en twee lipidestaarten bevatten. De koppen zijn uitgelijnd langs de binnen- en buitengrenzen van het membraan, terwijl de staarten de ruimte ertussen vullen. Het celmembraan heeft selectieve permeabiliteit - de staarten voorkomen dat grote of geladen moleculen diffunderen door het celmembraan, terwijl kleine en in vet oplosbare moleculen kunnen doorsijpelen. Selectieve permeabiliteit kan concentratiegradiënten over het membraan creëren die speciale transmembraaneiwitten vereisen.

Passieve diffusie

Kleine, niet-polaire moleculen kunnen diffunderen door een celmembraan op basis van de concentratiegradiënt van het molecuul. Een niet-polair molecuul heeft overal een betrekkelijk uniforme en neutrale elektrische lading. Zo is zuurstof niet-polair en diffundeert vrij over een celmembraan. Bloedcellen transporteren zuurstofmoleculen naar de ruimtes rondom cellen, waardoor een relatief hoge concentratie O2 ontstaat. Een cel metaboliseert continu zuurstof, waardoor een concentratiegradiënt ontstaat tussen het binnen- en buitenkant van de cel. O2 diffundeert door het membraan vanwege deze gradiënt. Water en kooldioxide, hoewel polair, zijn klein genoeg om zonder hulp door het celmembraan te diffunderen.

Ionenkanaalreceptoren

Een ion is een atoom of molecuul met een ander aantal protonen en elektronen - - het draagt ​​een elektrische lading. Bepaalde ionen, waaronder die van natrium, kalium en calcium, zijn belangrijk voor het normale functioneren van een cel. Lipiden wijzen ionen af, maar het celmembraan wordt doorspekt met eiwitten die ionkanaalreceptoren worden genoemd die helpen bij het beheersen van ionenconcentraties in de cel. De natrium-kaliumpomp gebruikt de energiemolecule van de cel, adenosinetrifosfaat of ATP, om de concentratiegradiënt te overwinnen, waardoor de beweging van natrium uit de cel en kalium de cel in kan. Andere pompen vertrouwen op elektrodynamische krachten in plaats van ATP om ionen door het membraan te transporteren.

Carrier-eiwitten

Grote moleculen kunnen niet door de lipiden in het celmembraan diffunderen. Carriereiwitten binnen het membraan verschaffen de veerdienst, waarbij gebruik wordt gemaakt van actief transport of gefaciliteerde diffusie. Actief transport vereist dat de cel ATP gebruikt om het grote molecuul tegen de concentratiegradiënt te verplaatsen. Receptoren in actieve transporteiwitten binden aan specifieke passagiers en ATP maakt het mogelijk dat het eiwit zijn passagier over het membraan verplaatst. Gefaciliteerde diffusie heeft geen biochemische energie uit de cel nodig. Vervoerders die gefaciliteerde diffusie gebruiken, fungeren als poortwachters die openen en sluiten op basis van concentratie en elektrische gradiënten.