En celle har mange opgaver at udføre. En af dens vigtigste funktioner er at opretholde et sundt miljø i cellen. Dette kræver kontrol af de intracellulære koncentrationer af forskellige molekyler, såsom ioner, opløste gasser og biokemikalier.
En koncentrationsgradient er en forskel i koncentrationen af et stof på tværs af en region. I mikrobiologi skaber cellemembranen koncentrationsgradienter.
Gradient og koncentrationsdefinition (biologi)
Før vi går ind på, hvordan koncentrationsgradienter fungerer mikrobiologi, er vi nødt til at forstå definitionen af gradient og koncentration (biologi).
A "koncentration"henviser til mængden af et materiale (normalt kaldet opløst stof), der normalt findes i en opløsning. Så for eksempel, hvis du har en vis mængde sukker i cytosol i en celle, ville sukkeret være opløst stof og cytosol (hvor sukkeret er) kaldes "opløsningsmidlet" i den opløsning, de fremstiller sammen. Koncentrationen af sukker ville betyde den mængde sukker, der findes i cellenes cytosol.
A "koncentrationsgradient"betyder simpelthen, at der er forskel i koncentrationer to forskellige steder. For eksempel kunne du have mange sukkermolekyler inde i en celle og meget få uden for cellen. Det ville være et eksempel på en koncentrationsgradient.
Når der dannes en koncentrationsgradient, ønsker molekyler at strømme fra områder med høj koncentration til lav koncentration for at mindske eller slippe af med gradienten. Imidlertid er gradvis gradienter nødvendige for struktur / funktion af celler. Fortsat med sukkereksemplet ønsker cellen at holde sukkeret i cellen til brug i stedet for at lade det strømme ud af cellen.
Cellemembranen
EN celle membran består af dobbelt lag af phospholipider, som er molekyler, der indeholder et fosfathoved og to lipidhaler. Dette kaldes phospholipid-dobbeltlaget. Hovederne flugter langs membranens indre og ydre grænser, mens halerne fylder mellemrummet.
Cellemembranen har selektiv permeabilitet - halerne forhindrer store eller ladede molekyler i at diffundere gennem cellemembranen, mens små og fedtopløselige molekyler kan glide igennem. Selektiv permeabilitet kan skabe koncentrationsgradienter på tværs af membranen, der kræver speciel transmembran proteiner at overvinde, mens de stadig tillader nødvendige små og fedtopløselige molekyler at diffundere uden at bruge op energi.
Passiv diffusion
Små, ikke-polære molekyler kan diffundere gennem en cellemembran baseret på molekylets koncentrationsgradient. Et ikke-polært molekyle har en relativt ensartet og neutral elektrisk ladning overalt.
For eksempel er ilt ikke-polært og diffunderer frit over en cellemembran. Blodceller transporterer iltmolekyler til rummet omkring cellerne, hvilket skaber en relativt høj koncentration af O2. En celle metaboliserer kontinuerligt ilt og skaber en koncentrationsgradient mellem det indre og det ydre af cellen. O2 diffunderer gennem membranen på grund af denne gradient.
Vand og kuldioxid, selvom de er polære, er små nok til at diffundere gennem cellemembranen uden hjælp.
Ion Channel-receptorer
En ion er et atom eller molekyle med et andet antal protoner og elektroner - det bærer en elektrisk ladning. Visse ioner, herunder dem af natrium, kalium og calcium, er vigtige for en celles normale funktion. Lipider afviser ioner, men cellemembranen er krydret med kaldte proteiner ionkanalreceptorer der hjælper med at kontrollere ionkoncentrationer i cellen.
Natrium-kaliumpumpen bruger cellens energimolekyle, adenosintrifosfat (ATP)for at overvinde koncentrationsgradienten, hvilket tillader bevægelse af natrium ud af cellen og kalium ind i cellen. Andre pumper er afhængige af elektrodynamiske kræfter snarere end ATP til at transportere ioner over membranen.
Bæreproteiner
Store molekyler kan ikke diffundere gennem lipiderne i cellemembranen. Bæreproteiner i membranen leverer færgetjenesten ved hjælp af en af dem aktiv transport eller letter diffusion.
Aktiv transport kræver, at cellen bruger ATP til at flytte det store molekyle mod koncentrationsgradienten. Receptorer inden for aktive transportproteiner binder til specifik passager, og ATP tillader proteinet at translokere sin passager over membranen.
Forenklet diffusion behøver ikke biokemisk energi fra cellen. Bærere, der bruger let diffusion, fungerer som portvagter, der åbner og lukker baseret på koncentration og elektriske gradienter.