Komórka ma wiele obowiązków do wykonania. Jedną z jego najważniejszych funkcji jest utrzymanie zdrowego środowiska w komórce. Wymaga to kontrolowania wewnątrzkomórkowych stężeń różnych cząsteczek, takich jak jony, rozpuszczone gazy i substancje biochemiczne.
Gradient stężenia to różnica w stężeniu substancji w danym regionie. W mikrobiologii błona komórkowa tworzy gradienty stężeń.
Definicja gradientu i stężenia (biologia)
Zanim przejdziemy do tego, jak działają gradienty stężeń w mikrobiologia, musimy zrozumieć definicję gradientu i stężenia (biologia).
"stężenie„” odnosi się do ilości materiału (zwykle nazywanego substancją rozpuszczoną), która zwykle znajduje się w roztworze. Na przykład, jeśli masz pewną ilość cukru w cytozolu komórki, cukier będzie substancja rozpuszczona i cytozol (w którym znajduje się cukier) nazywane są „rozpuszczalnikiem” w roztworze, który tworzą razem. Stężenie cukru oznaczałoby ilość cukru znajdującego się w cytozolu tej komórki.
"gradient stężenia„ oznacza po prostu różnicę w stężeniach w dwóch różnych miejscach. Na przykład możesz mieć wiele cząsteczek cukru w komórce i bardzo niewiele poza komórką. To byłby przykład gradientu stężenia.
Kiedy tworzy się gradient stężenia, cząsteczki chcą przepływać z obszarów o wysokim stężeniu do niskiego stężenia, aby zmniejszyć lub pozbyć się gradientu. Jednak czasami gradienty są niezbędne do budowy/funkcji komórek. Kontynuując przykład z cukrem, komórka chce zatrzymać cukier w komórce do użytku, zamiast pozwolić mu wypłynąć z komórki.
Błona komórkowa
ZA Błona komórkowa składa się z podwójnej warstwy fosfolipidów, które są cząsteczkami zawierającymi głowę fosforanową i dwa ogony lipidowe. Nazywa się to dwuwarstwą fosfolipidową. Główki są wyrównane wzdłuż wewnętrznej i zewnętrznej granicy membrany, a ogony wypełniają przestrzeń pomiędzy nimi.
Błona komórkowa ma selektywną przepuszczalność – ogonki zapobiegają dyfuzji dużych lub naładowanych cząsteczek przez błonę komórkową, podczas gdy małe i rozpuszczalne w tłuszczach cząsteczki mogą się przez nie prześlizgnąć. Selektywna przepuszczalność może tworzyć gradienty stężeń w całej membranie, które wymagają specjalnej transmembrany białka do pokonania, jednocześnie pozwalając na dyfuzję niezbędnych małych i rozpuszczalnych w tłuszczach cząsteczek bez zużywania energia.
Bierna dyfuzja
Małe, niepolarne cząsteczki mogą dyfundować przez błonę komórkową w oparciu o gradient stężenia cząsteczki. Cząsteczka niepolarna ma stosunkowo jednorodny i neutralny ładunek elektryczny.
Na przykład tlen jest niepolarny i swobodnie dyfunduje przez błonę komórkową. Komórki krwi transportują cząsteczki tlenu do przestrzeni otaczających komórki, tworząc stosunkowo wysokie stężenie O2. Komórka nieustannie metabolizuje tlen, tworząc gradient stężenia między wnętrzem i zewnętrzem komórki. O2 dyfunduje przez błonę z powodu tego gradientu.
Woda i dwutlenek węgla, choć polarne, są na tyle małe, że dyfundują przez błonę komórkową bez pomocy.
Receptory kanału jonowego
Na jon jest atomem lub cząsteczką o różnej liczbie protonów i elektronów - przenosi ładunek elektryczny. Niektóre jony, w tym jony sodu, potasu i wapnia, są ważne dla prawidłowego funkcjonowania komórki. Lipidy odrzucają jony, ale błona komórkowa jest usiana białkami zwanymi receptory kanałów jonowych które pomagają kontrolować stężenie jonów w komórce.
Pompa sodowo-potasowa wykorzystuje cząsteczkę energii komórki, trifosforan adenozyny (ATP), aby przezwyciężyć gradient stężenia, umożliwiając ruch sodu z komórki i potasu do komórki. Inne pompy do transportu jonów przez błonę opierają się raczej na siłach elektrodynamicznych niż na ATP.
Białka nośnikowe
Duże cząsteczki nie mogą dyfundować przez lipidy w błonie komórkowej. Białka nośnikowe w błonie zapewniają usługę promową, używając: transport aktywny lub ułatwiona dyfuzja.
Transport aktywny wymaga, aby komórka użyła ATP do przemieszczenia dużej cząsteczki wbrew gradientowi stężeń. Receptory w aktywnych białkach transportowych wiążą się z konkretnym pasażerem, a ATP umożliwia białku translokację pasażera przez błonę.
Ułatwiona dyfuzja nie potrzebuje energii biochemicznej z komórki. Nośniki wykorzystujące ułatwioną dyfuzję pełnią funkcję strażników, którzy otwierają się i zamykają w zależności od stężenia i gradientów elektrycznych.