Τι είναι οι κλίσεις συγκέντρωσης στη μικροβιολογία;

Ένα κελί έχει πολλά καθήκοντα να εκτελέσει. Μία από τις πιο σημαντικές λειτουργίες του είναι η διατήρηση ενός υγιούς περιβάλλοντος εντός του κυττάρου. Αυτό απαιτεί έλεγχο των ενδοκυτταρικών συγκεντρώσεων διαφόρων μορίων, όπως ιόντων, διαλυμένων αερίων και βιοχημικών.

Μια βαθμίδα συγκέντρωσης είναι μια διαφορά στη συγκέντρωση μιας ουσίας σε μια περιοχή. Στη μικροβιολογία, η κυτταρική μεμβράνη δημιουργεί κλίσεις συγκέντρωσης.

Πριν μπείτε στο πώς λειτουργούν οι κλίσεις συγκέντρωσης μικροβιολογία, πρέπει να κατανοήσουμε τον ορισμό κλίσης και συγκέντρωσης (βιολογία).

ΕΝΑ "συγκέντρωση"αναφέρεται στην ποσότητα ενός υλικού (συνήθως ονομάζεται διαλυμένη ουσία) που βρίσκεται συνήθως σε μια λύση. Έτσι, για παράδειγμα, εάν έχετε μια ορισμένη ποσότητα σακχάρου στο κυτοσόλιο ενός κυττάρου, η ζάχαρη θα ήταν η διαλυμένη ουσία και το κυτοσόλιο (όπου είναι το σάκχαρο) ονομάζεται "διαλύτης" στο διάλυμα που κάνουν μαζί. Η συγκέντρωση σακχάρου θα σήμαινε την ποσότητα σακχάρου που βρίσκεται στο κυτοσόλιο αυτού του κυττάρου.

ΕΝΑ "βαθμίδα συγκέντρωσηςαπλά σημαίνει ότι υπάρχει διαφορά στις συγκεντρώσεις σε δύο διαφορετικά μέρη. Για παράδειγμα, θα μπορούσατε να έχετε πολλά μόρια ζάχαρης μέσα σε ένα κελί και πολύ λίγα έξω από το κελί. Αυτό θα ήταν ένα παράδειγμα κλίσης συγκέντρωσης.

Όταν σχηματίζεται κλίση συγκέντρωσης, τα μόρια θέλουν να ρέουν από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε χαμηλή συγκέντρωση προκειμένου να μειώσουν ή να απαλλαγούν από την κλίση. Ωστόσο, μερικές φορές είναι απαραίτητες βαθμίδες για τη δομή / λειτουργία των κυττάρων. Συνεχίζοντας το παράδειγμα του σακχάρου, το κελί θέλει να διατηρήσει τη ζάχαρη στο κελί για χρήση αντί να του επιτρέπει να ρέει έξω από το κελί.

ΕΝΑ κυτταρική μεμβράνη αποτελείται από διπλή στιβάδα φωσφολιπιδίων, τα οποία είναι μόρια που περιέχουν φωσφορική κεφαλή και δύο ουρές λιπιδίων. Αυτό ονομάζεται διπλοστιβάδα φωσφολιπιδίων. Οι κεφαλές ευθυγραμμίζονται κατά μήκος των εσωτερικών και εξωτερικών ορίων της μεμβράνης, ενώ οι ουρές γεμίζουν το διάστημα μεταξύ τους.

Η κυτταρική μεμβράνη έχει επιλεκτική διαπερατότητα - οι ουρές εμποδίζουν τη διάχυση μεγάλων ή φορτισμένων μορίων μέσω της κυτταρικής μεμβράνης, ενώ μικρά και λιποδιαλυτά μόρια μπορούν να περάσουν. Η επιλεκτική διαπερατότητα μπορεί να δημιουργήσει κλίσεις συγκέντρωσης κατά μήκος της μεμβράνης που απαιτούν ειδική διαμεμβράνη να ξεπεραστούν οι πρωτεΐνες, επιτρέποντας παράλληλα τη διάχυση των απαραίτητων μικρών και λιποδιαλυτών μορίων χωρίς να χρησιμοποιηθεί ενέργεια.

Μικρά, μη πολικά μόρια μπορούν να διαχέονται μέσω κυτταρικής μεμβράνης με βάση τη βαθμίδα συγκέντρωσης του μορίου. Ένα μη πολικό μόριο έχει σχετικά ομοιόμορφο και ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο.

Για παράδειγμα, το οξυγόνο είναι μη πολικό και διαχέεται ελεύθερα σε μια κυτταρική μεμβράνη. Τα κύτταρα του αίματος μεταφέρουν μόρια οξυγόνου στους χώρους που περιβάλλουν τα κύτταρα, δημιουργώντας μια σχετικά υψηλή συγκέντρωση Ο₂. Ένα κύτταρο μεταβολίζει συνεχώς το οξυγόνο, δημιουργώντας μια βαθμίδα συγκέντρωσης μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του κυττάρου. Ο₂ διαχέεται μέσω της μεμβράνης λόγω αυτής της κλίσης.

Το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα, αν και πολικό, είναι αρκετά μικρά ώστε να διαχέονται μέσω της κυτταρικής μεμβράνης χωρίς βοήθεια.

Ενα ιόν είναι ένα άτομο ή μόριο με διαφορετικό αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων - φέρει ηλεκτρικό φορτίο. Ορισμένα ιόντα, συμπεριλαμβανομένων των νατρίου, καλίου και ασβεστίου, είναι σημαντικά για τη φυσιολογική λειτουργία ενός κυττάρου. Τα λιπίδια απορρίπτουν τα ιόντα, αλλά η κυτταρική μεμβράνη πιέζεται με πρωτεΐνες που ονομάζονται υποδοχείς καναλιών ιόντων που βοηθούν στον έλεγχο των συγκεντρώσεων ιόντων εντός του κυττάρου.

Η αντλία νατρίου-καλίου χρησιμοποιεί το ενεργειακό μόριο του κυττάρου, τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), για να ξεπεραστεί η βαθμίδα συγκέντρωσης, επιτρέποντας την κίνηση νατρίου από το κύτταρο και το κάλιο μέσα στο κύτταρο. Άλλες αντλίες βασίζονται σε ηλεκτροδυναμικές δυνάμεις παρά στο ΑΤΡ για τη μεταφορά ιόντων κατά μήκος της μεμβράνης.

Μεγάλα μόρια δεν μπορούν να διαχέονται μέσω των λιπιδίων στην κυτταρική μεμβράνη. Οι πρωτεΐνες μεταφοράς εντός της μεμβράνης παρέχουν την υπηρεσία πορθμείων, χρησιμοποιώντας είτε ενεργή μεταφορά ή διευκόλυνση της διάχυσης.

Ενεργή μεταφορά απαιτεί από το κελί να χρησιμοποιεί ATP για να μετακινήσει το μεγάλο μόριο έναντι της βαθμίδας συγκέντρωσης. Οι υποδοχείς εντός των ενεργών πρωτεϊνών μεταφοράς δεσμεύονται σε συγκεκριμένο επιβάτη και το ATP επιτρέπει στην πρωτεΐνη να μετατοπίσει τον επιβάτη της κατά μήκος της μεμβράνης.

Διευκόλυνση της διάχυσης δεν χρειάζεται βιοχημική ενέργεια από το κύτταρο. Οι μεταφορείς που χρησιμοποιούν διευκολυνμένη διάχυση δρουν ως πύλες που ανοίγουν και κλείνουν με βάση τη συγκέντρωση και τις ηλεκτρικές κλίσεις.