Was sind Konzentrationsgradienten in der Mikrobiologie?

Eine Zelle hat viele Aufgaben zu erfüllen. Eine seiner wichtigsten Funktionen ist die Aufrechterhaltung einer gesunden Umgebung innerhalb der Zelle. Dies erfordert die Kontrolle der intrazellulären Konzentrationen verschiedener Moleküle, wie Ionen, gelöste Gase und Biochemikalien.

Ein Konzentrationsgradient ist ein Unterschied in der Konzentration einer Substanz in einer Region. In der Mikrobiologie erzeugt die Zellmembran Konzentrationsgradienten.

Bevor wir darauf eingehen, wie Konzentrationsgradienten in Mikrobiologie, müssen wir die Gradienten- und Konzentrationsdefinition (Biologie) verstehen.

EIN "Konzentration" bezieht sich auf die Menge eines Stoffes (normalerweise als gelöster Stoff bezeichnet), der normalerweise in einer Lösung vorkommt. Wenn Sie also zum Beispiel eine bestimmte Menge Zucker im Zytosol einer Zelle haben, wäre der Zucker der gelöste Stoff und das Zytosol (wo sich der Zucker befindet) wird in der Lösung, die sie herstellen, als "Lösungsmittel" bezeichnet zusammen. Die Zuckerkonzentration würde die Menge an Zucker bedeuten, die sich im Zytosol dieser Zelle befindet.

EIN "Konzentrationsgradient" bedeutet einfach, dass es an zwei verschiedenen Stellen einen Unterschied in der Konzentration gibt. Zum Beispiel könnten Sie viele Zuckermoleküle in einer Zelle haben und nur sehr wenige außerhalb der Zelle. Das wäre ein Beispiel für einen Konzentrationsgradienten.

Wenn sich ein Konzentrationsgradient bildet, wollen Moleküle von Bereichen hoher Konzentration zu niedriger Konzentration fließen, um den Gradienten zu verringern oder loszuwerden. Manchmal sind jedoch Gradienten für die Struktur/Funktion von Zellen notwendig. Um mit dem Zuckerbeispiel fortzufahren, möchte die Zelle den Zucker zur Verwendung in der Zelle behalten, anstatt ihn aus der Zelle herausfließen zu lassen.

EIN Zellmembran besteht aus einer Doppelschicht von Phospholipiden, bei denen es sich um Moleküle handelt, die einen Phosphatkopf und zwei Lipidschwänze enthalten. Dies wird als Phospholipid-Doppelschicht bezeichnet. Die Köpfe richten sich entlang der inneren und äußeren Grenzen der Membran aus, während die Schwänze den Zwischenraum ausfüllen.

Die Zellmembran hat eine selektive Durchlässigkeit – die Schwänze verhindern, dass große oder geladene Moleküle durch die Zellmembran diffundieren, während kleine und fettlösliche Moleküle durchrutschen können. Selektive Permeabilität kann Konzentrationsgradienten über die Membran hinweg erzeugen, die spezielle Transmembranen erfordern Proteine ​​zu überwinden, während gleichzeitig die notwendigen kleinen und fettlöslichen Moleküle diffundieren können, ohne sie zu verbrauchen Energie.

Kleine, unpolare Moleküle können basierend auf dem Konzentrationsgradienten des Moleküls durch eine Zellmembran diffundieren. Ein unpolares Molekül hat durchweg eine relativ gleichmäßige und neutrale elektrische Ladung.

Sauerstoff ist beispielsweise unpolar und diffundiert frei durch eine Zellmembran. Blutzellen transportieren Sauerstoffmoleküle in die Umgebung der Zellen, wodurch eine relativ hohe O-Konzentration entsteht₂. Eine Zelle metabolisiert kontinuierlich Sauerstoff, wodurch ein Konzentrationsgradient zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle entsteht. Ö₂ aufgrund dieses Gradienten durch die Membran diffundiert.

Wasser und Kohlendioxid sind zwar polar, aber klein genug, um ohne Hilfe durch die Zellmembran zu diffundieren.

Ein Ion ist ein Atom oder Molekül mit einer unterschiedlichen Anzahl von Protonen und Elektronen – es trägt eine elektrische Ladung. Bestimmte Ionen, einschließlich Natrium-, Kalium- und Kalziumionen, sind für die normale Funktion einer Zelle wichtig. Lipide stoßen Ionen ab, aber die Zellmembran ist gespickt mit Proteinen namens Ionenkanalrezeptoren die helfen, die Ionenkonzentrationen innerhalb der Zelle zu kontrollieren.

Die Natrium-Kalium-Pumpe nutzt das Energiemolekül der Zelle, Adenosintriphosphat (ATP), um den Konzentrationsgradienten zu überwinden und die Bewegung von Natrium aus der Zelle und Kalium in die Zelle zu ermöglichen. Andere Pumpen beruhen eher auf elektrodynamischen Kräften als auf ATP, um Ionen durch die Membran zu transportieren.

Große Moleküle können nicht durch die Lipide in die Zellmembran diffundieren. Trägerproteine ​​innerhalb der Membran stellen den Fährdienst bereit, indem sie entweder aktiven Transport oder erleichterte Diffusion.

Aktiven Transport erfordert, dass die Zelle ATP verwendet, um das große Molekül gegen den Konzentrationsgradienten zu bewegen. Rezeptoren in aktiven Transportproteinen binden an einen bestimmten Passagier, und ATP ermöglicht es dem Protein, seinen Passagier durch die Membran zu translozieren.

Erleichterte Diffusion braucht keine biochemische Energie aus der Zelle. Träger, die eine erleichterte Diffusion verwenden, fungieren als Gatekeeper, die sich basierend auf Konzentration und elektrischen Gradienten öffnen und schließen.