En cell har många uppgifter att utföra. En av dess viktigaste funktioner är att upprätthålla en hälsosam miljö i cellen. Detta kräver kontroll av de intracellulära koncentrationerna av olika molekyler, såsom joner, upplösta gaser och biokemikalier.
En koncentrationsgradient är en skillnad i koncentrationen av ett ämne över en region. I mikrobiologi skapar cellmembranet koncentrationsgradienter.
Gradient och koncentrationsdefinition (biologi)
Innan vi går in på hur koncentrationsgradienter fungerar mikrobiologi, vi måste förstå gradient- och koncentrationsdefinitionen (biologi).
A "koncentration"avser mängden av ett material (vanligtvis kallat löst ämne) som vanligtvis finns i en lösning. Så om du till exempel har en viss mängd socker i cytosolen i en cell skulle sockret vara lösningsmedlet och cytosolen (där sockret är) kallas "lösningsmedlet" i den lösning de gör tillsammans. Koncentrationen av socker skulle betyda mängden socker som finns i cytosolen i den cellen.
A "koncentrationsgrad"betyder helt enkelt att det finns en skillnad i koncentrationer på två olika platser. Du kan till exempel ha många molekyler socker inne i en cell och väldigt få utanför cellen. Det skulle vara ett exempel på en koncentrationsgradient.
När en koncentrationsgradient bildas vill molekyler flöda från områden med hög koncentration till låg koncentration för att minska eller bli av med gradienten. Ibland är emellertid gradienter nödvändiga för cellens struktur / funktion. Fortsätter med sockerexemplet vill cellen hålla sockret i cellen för användning istället för att låta det flyta ut ur cellen.
Cellmembranet
A cellmembranet består av dubbla skikt av fosfolipider, som är molekyler som innehåller ett fosfathuvud och två lipidsvansar. Detta kallas fosfolipid dubbelskikt. Huvudena inriktas längs membranets inre och yttre gränser, medan svansarna fyller utrymmet däremellan.
Cellmembranet har selektiv permeabilitet - svansarna hindrar stora eller laddade molekyler från att spridas genom cellmembranet, medan små och fettlösliga molekyler kan glida igenom. Selektiv permeabilitet kan skapa koncentrationsgradienter över membranet som kräver speciell transmembran proteiner att övervinna medan de fortfarande tillåter nödvändiga små och fettlösliga molekyler att diffundera utan att använda dem energi.
Passiv diffusion
Små, icke-polära molekyler kan diffundera genom ett cellmembran baserat på molekylens koncentrationsgradient. En icke-polär molekyl har en relativt enhetlig och neutral laddning genomgående.
Till exempel är syre icke-polärt och diffunderar fritt över ett cellmembran. Blodkroppar transporterar syremolekyler till de omgivande cellerna, vilket skapar en relativt hög koncentration av O2. En cell metaboliserar kontinuerligt syre, vilket skapar en koncentrationsgradient mellan cellens inre och yttre. O2 diffunderar genom membranet på grund av denna lutning.
Vatten och koldioxid, även om det är polärt, är tillräckligt små för att diffundera genom cellmembranet utan hjälp.
Ion Channel-receptorer
Ett Jon är en atom eller molekyl med ett annat antal protoner och elektroner - den bär en elektrisk laddning. Vissa joner, inklusive de av natrium, kalium och kalcium, är viktiga för en cells normala funktion. Lipider avvisar joner, men cellmembranet är fyllt med proteiner som kallas jonkanalreceptorer som hjälper till att kontrollera jonkoncentrationerna i cellen.
Natrium-kaliumpumpen använder cellens energimolekyl, adenosintrifosfat (ATP)för att övervinna koncentrationsgradienten, vilket möjliggör förflyttning av natrium ut ur cellen och kalium in i cellen. Andra pumpar är beroende av elektrodynamiska krafter snarare än ATP för att transportera joner över membranet.
Bärarproteiner
Stora molekyler kan inte diffundera genom lipiderna i cellmembranet. Bärarproteiner i membranet tillhandahåller färjetjänsten, med endera aktiv transport eller underlättade diffusion.
Aktiv transport kräver att cellen använder ATP för att flytta den stora molekylen mot koncentrationsgradienten. Receptorer inom aktiva transportproteiner binder till specifik passagerare, och ATP tillåter proteinet att flytta sin passagerare över membranet.
Underlättad diffusion behöver inte biokemisk energi från cellen. Bärare som använder underlättad diffusion fungerar som portvakter som öppnas och stängs baserat på koncentration och elektriska lutningar.