Das Wohlbefinden einer Zelle hängt von ihrer Fähigkeit ab, den Durchgang von Molekülen durch die Zellmembran zu kontrollieren. Einige Moleküle können ohne jegliche Hilfe der Zelle durch die Zellmembran diffundieren. Andere benötigen die Hilfe von Transmembranproteinen, um sich in oder aus der Zelle zu bewegen. Drei Hauptfaktoren bestimmen, ob ein Molekül durch eine Zellmembran diffundiert: Konzentration, Ladung und Größe.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Die Zellmembran ist eine Barriere zwischen dem Zellinneren und der Außenwelt. Die Fähigkeit eines Moleküls, eine Membran zu durchqueren, hängt von seiner Konzentration, Ladung und Größe ab. Im Allgemeinen diffundieren Moleküle durch Membranen von Bereichen hoher Konzentration zu niedriger Konzentration. Zellmembranen verhindern, dass geladene Moleküle in die Zelle eindringen, es sei denn, die Zelle hält ein elektrisches Potenzial aufrecht. Kleine Moleküle können jedoch unabhängig von ihrer Ladung durch die Membran gleiten.
Die Zellmembran
Eine Zellmembran enthält zwei Schichten von Phospholipiden. Jedes Phospholipidmolekül hat einen hydrophilen Phosphatkopf und zwei hydrophobe Lipidschwänze. Die Köpfe reihen sich entlang der inneren und äußeren Oberflächen der Zellmembran auf, während die Schwänze den mittleren Raum ausfüllen. Verschiedene Arten von Transmembranproteinen sorgen für eine erleichterte Diffusion oder einen aktiven Transport von Molekülen, die nicht passiv durch die Zellmembran diffundieren können. Der primäre aktive Transport erfordert, dass die Zelle Energie aufwendet, um Moleküle durch die Zellmembran zu bewegen. Die Diffusion benötigt dazu keine Energie von der Zelle.
Konzentration und Diffusion
Diffusion tritt auf, weil sich Moleküle gerne von Bereichen hoher Konzentration zu Bereichen geringerer Konzentration ausbreiten. Sowohl elektrochemische als auch kinetische Energie treiben die Diffusion an. Die primäre Determinante dafür, ob ein Molekül durch eine Zellmembran diffundiert, ist die Konzentration des Moleküls auf jeder Seite der Zellmembran. Beispielsweise ist die extrazelluläre Sauerstoffkonzentration höher als die intrazelluläre Konzentration, weshalb Sauerstoff in die Zelle diffundiert. Kohlendioxid diffundiert aus ähnlichen Gründen aus.
Ladung und Polarität
Ein Ion ist ein Atom oder Molekül, das aufgrund eines Ungleichgewichts zwischen der Anzahl von Protonen und Elektronen eine direkte Ladung hat. Polarität ist eine ungleichmäßige Ladungsverteilung über ein Molekül mit einigen teilweise positiven und negativen Bereichen. Geladene und polarisierte Moleküle lösen sich in Wasser auf, während sich ungeladene Moleküle in Lipiden auflösen. Die Lipidschwänze in der Zellmembran verhindern, dass geladene und polarisierte Moleküle durch die Zellmembran diffundieren. Einige Zellen halten jedoch aktiv ein elektrisches Potential auf beiden Seiten der Zellmembran aufrecht, das Ionen und polarisierte Moleküle anziehen oder abstoßen kann.
Molekülgröße
Einige polarisierte Moleküle sind klein genug, um an den Lipidschwänzen vorbeizurutschen. Wasser ist beispielsweise ein polarisiertes Molekül, aber seine geringe Größe ermöglicht es ihm, frei durch die Zellmembran zu diffundieren. Dies gilt auch für Kohlendioxid, das Nebenprodukt des Zellstoffwechsels. Sauerstoffmoleküle haben keine Polarität und sind auch klein genug, um leicht in die Zelle zu diffundieren. Zuckermoleküle, die fünf oder mehr Kohlenstoffatome enthalten, sind sowohl polar als auch zu groß, um durch die Zellmembran zu diffundieren und müssen durch Transmembranproteine wandern.