Het welzijn van een cel hangt af van zijn vermogen om de doorgang van moleculen door het celmembraan te regelen. Sommige moleculen kunnen diffunderen door het celmembraan zonder enige hulp van de cel. Anderen hebben de hulp van transmembraan-eiwitten nodig om de cel in of uit te gaan. Drie primaire factoren bepalen of een molecuul over een celmembraan diffundeert: concentratie, lading en grootte.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Het celmembraan is een barrière tussen het interieur van de cel en de buitenwereld. Het vermogen van een molecuul om over een membraan te reizen, is afhankelijk van de concentratie, lading en grootte. Over het algemeen diffunderen moleculen over membranen van gebieden met een hoge concentratie tot een lage concentratie. Celmembranen voorkomen dat geladen moleculen de cel binnenkomen, tenzij de cel een elektrisch potentiaal behoudt. Kleine moleculen kunnen echter door het membraan glippen, ongeacht hun lading.
Het celmembraan

Een celmembraan bevat twee lagen fosfolipiden. Elk fosfolipide molecuul heeft een hydrofiele fosfaatkop en twee hydrofobe lipide staarten. De koppen liggen langs de binnen- en buitenkant van het celmembraan, terwijl de staarten de middelste ruimte vullen. Verschillende soorten transmembraan-eiwitten zorgen voor gefaciliteerde diffusie of actief transport voor moleculen die niet passief door het celmembraan kunnen diffunderen. Primair actief transport vereist dat de cel energie verbruikt om moleculen door het celmembraan te verplaatsen. Diffusie vereist hiervoor geen energie uit de cel.
Concentratie en diffusie

Diffusie vindt plaats omdat moleculen zich graag verspreiden vanuit gebieden met een hoge concentratie naar gebieden met een lagere concentratie. Elektrochemische en kinetische energie beide vermogensdiffusie. De primaire bepalende factor of een molecuul over een celmembraan zal diffunderen, is de concentratie van het molecuul aan elke zijde van het celmembraan. De extracellulaire concentratie van zuurstof is bijvoorbeeld hoger dan de intracellulaire concentratie, waardoor zuurstof in de cel diffundeert. Koolstofdioxide diffundeert om vergelijkbare redenen.
Lading en polariteit

Een ion is een atoom of molecuul dat een directe lading heeft vanwege een onbalans tussen het aantal protonen en elektronen. Polariteit is een ongelijke verdeling van lading over een molecuul, met enkele gedeeltelijk positieve en negatieve regio's. Geladen en gepolariseerde moleculen lossen op in water, terwijl ongeladen moleculen oplossen in lipiden. De lipide staarten in het celmembraan voorkomen dat geladen en gepolariseerde moleculen door het celmembraan diffunderen. Sommige cellen behouden echter actief een elektrisch potentiaal aan beide zijden van het celmembraan dat ionen en gepolariseerde moleculen kan aantrekken of afstoten.
Molecuulgrootte

Sommige gepolariseerde moleculen zijn klein genoeg om langs de lipide-staarten te glijden. Water is bijvoorbeeld een gepolariseerd molecuul, maar door zijn kleine omvang kan het vrij door het celmembraan diffunderen. Dit geldt ook voor koolstofdioxide, het bijproduct van het cellulaire metabolisme. Zuurstofmoleculen hebben geen polariteit en zijn ook klein genoeg om gemakkelijk in de cel te diffunderen. Suikermoleculen, die vijf of meer koolstofatomen bevatten, zijn zowel polair als te groot om door het celmembraan te diffunderen en moeten door transmembraan-eiwitten reizen.