Una cellula ha molti compiti da svolgere. Una delle sue funzioni più importanti è mantenere un ambiente sano all'interno della cellula. Ciò richiede il controllo delle concentrazioni intracellulari di varie molecole, come ioni, gas disciolti e sostanze biochimiche.
Un gradiente di concentrazione è una differenza nella concentrazione di una sostanza in una regione. In microbiologia, la membrana cellulare crea gradienti di concentrazione.
Definizione di gradiente e concentrazione (biologia)
Prima di entrare nel merito di come funzionano i gradienti di concentrazione microbiologia, abbiamo bisogno di capire la definizione di gradiente e concentrazione (biologia).
Un "concentrazione" si riferisce alla quantità di un materiale (di solito chiamato soluto) che si trova solitamente in una soluzione. Quindi, per esempio, se hai una certa quantità di zucchero nel citosol di una cellula, lo zucchero sarebbe il soluto e il citosol (dove si trova lo zucchero) è chiamato "solvente" nella soluzione che producono insieme. La concentrazione di zucchero significherebbe la quantità di zucchero trovata nel citosol di quella cellula.
Un "gradiente di concentrazione" significa semplicemente che c'è una differenza nelle concentrazioni in due luoghi diversi. Ad esempio, potresti avere molte molecole di zucchero all'interno di una cellula e pochissime all'esterno della cellula. Questo sarebbe un esempio di gradiente di concentrazione.
Quando si forma un gradiente di concentrazione, le molecole vogliono fluire da aree ad alta concentrazione a bassa concentrazione per ridurre o eliminare il gradiente. Tuttavia, a volte sono necessari gradienti per la struttura/funzione delle cellule. Continuando con l'esempio dello zucchero, la cellula vuole mantenere lo zucchero nella cellula per l'uso invece di lasciarlo fluire fuori dalla cellula.
La membrana cellulare
UN membrana cellulare è composto da un doppio strato di fosfolipidi, molecole contenenti una testa fosfatica e due code lipidiche. Questo è chiamato doppio strato fosfolipidico. Le teste si allineano lungo i confini interno ed esterno della membrana, mentre le code riempiono lo spazio intermedio.
La membrana cellulare ha una permeabilità selettiva: le code impediscono alle molecole grandi o cariche di diffondersi attraverso la membrana cellulare, mentre le molecole piccole e liposolubili possono attraversarla. La permeabilità selettiva può creare gradienti di concentrazione attraverso la membrana che richiedono una speciale transmembrana proteine da superare pur consentendo alle molecole piccole e liposolubili necessarie di diffondersi senza consumare energia.
Diffusione passiva
Piccole molecole non polari possono diffondere attraverso una membrana cellulare in base al gradiente di concentrazione della molecola. Una molecola non polare ha una carica elettrica relativamente uniforme e neutra.
Ad esempio, l'ossigeno non è polare e si diffonde liberamente attraverso una membrana cellulare. Le cellule del sangue trasportano le molecole di ossigeno negli spazi circostanti le cellule, creando una concentrazione relativamente alta di O2. Una cellula metabolizza continuamente ossigeno, creando un gradiente di concentrazione tra l'interno e l'esterno della cellula. oh2 diffonde attraverso la membrana a causa di questo gradiente.
L'acqua e l'anidride carbonica, sebbene polari, sono abbastanza piccole da diffondersi attraverso la membrana cellulare senza assistenza.
Recettori a canale ionico
Un ione è un atomo o una molecola con un diverso numero di protoni ed elettroni: trasporta una carica elettrica. Alcuni ioni, compresi quelli di sodio, potassio e calcio, sono importanti per il normale funzionamento di una cellula. I lipidi rifiutano gli ioni, ma la membrana cellulare è disseminata di proteine chiamate recettori del canale ionico che aiutano a controllare le concentrazioni di ioni all'interno della cellula.
La pompa sodio-potassio utilizza la molecola energetica della cellula, adenosina trifosfato (ATP), per superare il gradiente di concentrazione, consentendo il movimento del sodio fuori dalla cellula e del potassio nella cellula. Altre pompe si basano su forze elettrodinamiche piuttosto che sull'ATP per trasportare gli ioni attraverso la membrana.
Proteine di trasporto
Le grandi molecole non possono diffondere attraverso i lipidi nella membrana cellulare. Le proteine di trasporto all'interno della membrana forniscono il servizio di traghetto, utilizzando trasporto attivo o diffusione facilitata.
Trasporto attivo richiede che la cellula utilizzi l'ATP per spostare la grande molecola contro il gradiente di concentrazione. I recettori all'interno delle proteine di trasporto attive si legano a un passeggero specifico e l'ATP consente alla proteina di traslocare il suo passeggero attraverso la membrana.
Diffusione facilitata non necessita di energia biochimica dalla cellula. I vettori che utilizzano la diffusione facilitata fungono da gatekeeper che si aprono e si chiudono in base alla concentrazione e ai gradienti elettrici.