Wat zijn concentratiegradiënten in de microbiologie?

Een cel heeft veel taken te vervullen. Een van de belangrijkste functies is het handhaven van een gezonde omgeving in de cel. Dit vereist het beheersen van de intracellulaire concentraties van verschillende moleculen, zoals ionen, opgeloste gassen en biochemicaliën.

Een concentratiegradiënt is een verschil in de concentratie van een stof over een regio. In de microbiologie creëert het celmembraan concentratiegradiënten.

Voordat we ingaan op hoe concentratiegradiënten werken in: microbiologie, moeten we de gradiënt- en concentratiedefinitie (biologie) begrijpen.

EEN "concentratie" verwijst naar de hoeveelheid van een materiaal (meestal een opgeloste stof genoemd) die meestal in een oplossing wordt gevonden. Dus als je bijvoorbeeld een bepaalde hoeveelheid suiker in het cytosol van een cel hebt, zou de suiker zijn: de opgeloste stof en het cytosol (waar de suiker is) wordt het "oplosmiddel" genoemd in de oplossing die ze maken samen. De suikerconcentratie zou de hoeveelheid suiker betekenen die in het cytosol van die cel wordt gevonden.

EEN "concentratiegradiënt" betekent simpelweg dat er een verschil is in concentraties op twee verschillende plaatsen. U kunt bijvoorbeeld veel suikermoleculen in een cel hebben en heel weinig buiten de cel. Dat zou een voorbeeld zijn van een concentratiegradiënt.

Wanneer zich een concentratiegradiënt vormt, willen moleculen van gebieden met een hoge concentratie naar een lage concentratie stromen om de gradiënt te verminderen of te verwijderen. Soms zijn echter gradiënten nodig voor de structuur/functie van cellen. Verdergaand met het suikervoorbeeld, wil de cel de suiker in de cel houden voor gebruik in plaats van deze uit de cel te laten stromen.

EEN celmembraan bestaat uit een dubbele laag fosfolipiden, dit zijn moleculen die een fosfaatkop en twee lipidestaarten bevatten. Dit wordt de fosfolipide dubbellaag genoemd. De koppen zijn uitgelijnd langs de binnen- en buitengrenzen van het membraan, terwijl de staarten de ruimte ertussen vullen.

Het celmembraan heeft selectieve permeabiliteit - de staarten voorkomen dat grote of geladen moleculen door het celmembraan diffunderen, terwijl kleine en in vet oplosbare moleculen erdoor kunnen glippen. Selectieve permeabiliteit kan concentratiegradiënten over het membraan creëren waarvoor speciale transmembraan nodig is eiwitten om te overwinnen, terwijl de noodzakelijke kleine en vetoplosbare moleculen toch kunnen diffunderen zonder te verbruiken energie.

Kleine, niet-polaire moleculen kunnen door een celmembraan diffunderen op basis van de concentratiegradiënt van het molecuul. Een niet-polair molecuul heeft overal een relatief uniforme en neutrale elektrische lading.

Zuurstof is bijvoorbeeld niet-polair en diffundeert vrij door een celmembraan. Bloedcellen transporteren zuurstofmoleculen naar de ruimten die de cellen omringen, waardoor een relatief hoge O-concentratie ontstaat₂. Een cel metaboliseert continu zuurstof, waardoor een concentratiegradiënt ontstaat tussen de binnen- en buitenkant van de cel. O₂ diffundeert door het membraan vanwege deze gradiënt.

Water en koolstofdioxide, hoewel polair, zijn klein genoeg om zonder hulp door het celmembraan te diffunderen.

Een ion is een atoom of molecuul met een ander aantal protonen en elektronen -- het draagt ​​een elektrische lading. Bepaalde ionen, waaronder die van natrium, kalium en calcium, zijn belangrijk voor het normaal functioneren van een cel. Lipiden stoten ionen af, maar het celmembraan is doorspekt met eiwitten die ionkanaalreceptoren die helpen de ionenconcentraties in de cel onder controle te houden.

De natrium-kaliumpomp gebruikt het energiemolecuul van de cel, adenosinetrifosfaat (ATP), om de concentratiegradiënt te overwinnen, waardoor natrium uit de cel en kalium de cel in kan. Andere pompen vertrouwen op elektrodynamische krachten in plaats van ATP om ionen over het membraan te transporteren.

Grote moleculen kunnen niet door de lipiden in het celmembraan diffunderen. Carrier-eiwitten in het membraan zorgen voor de veerdienst, met behulp van ofwel: actief transport of gefaciliteerde diffusie.

Actief transport vereist dat de cel ATP gebruikt om het grote molecuul tegen de concentratiegradiënt in te bewegen. Receptoren in actieve transporteiwitten binden aan specifieke passagier en ATP zorgt ervoor dat het eiwit zijn passagier over het membraan kan verplaatsen.

Gefaciliteerde diffusie heeft geen biochemische energie van de cel nodig. Dragers die gefaciliteerde diffusie gebruiken, fungeren als poortwachters die openen en sluiten op basis van concentratie en elektrische gradiënten.