Una cellula ha molte funzioni da svolgere. Una delle sue funzioni più importanti è il mantenimento di 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.
La membrana cellulare
Una membrana cellulare è composta da doppio strato di fosfolipidi, che sono molecole contenenti una testa di fosfato e due code lipidiche. Le teste si allineano lungo i confini interni ed esterni 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 scivolare. La permeabilità selettiva può creare gradienti di concentrazione attraverso la membrana che richiedono speciali proteine transmembrana da superare.
Diffusione passiva
Piccole molecole non polari possono diffondersi attraverso una membrana cellulare basata sul gradiente di concentrazione della molecola. Una molecola non polare ha una carica elettrica relativamente uniforme e neutrale. 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. O2 diffonde attraverso la membrana a causa di questo gradiente. L'acqua e l'anidride carbonica, sebbene polari, sono abbastanza piccoli da diffondersi attraverso la membrana cellulare non assistita.
Recettori del canale ionico
Un ione è un atomo o una molecola con un diverso numero di protoni ed elettroni - - porta una carica elettrica. Certi ioni, compresi quelli di sodio, potassio e calcio, sono importanti per il normale funzionamento di una cellula. I lipidi rigettano gli ioni, ma la membrana cellulare è costellata di proteine chiamate recettori del canale ionico che aiutano a controllare le concentrazioni di ioni all'interno della cellula. La pompa di sodio-potassio utilizza la molecola di energia cellulare, l'adenosina trifosfato o ATP, per superare il gradiente di concentrazione, consentendo il movimento del sodio dalla cellula e del potassio nella cellula. Altre pompe si basano su forze elettrodinamiche piuttosto che ATP per trasportare ioni attraverso la membrana.
Carrier Proteins
Le grandi molecole non possono diffondersi attraverso i lipidi nella membrana cellulare. Le proteine di trasporto all'interno della membrana forniscono il servizio di traghetto, utilizzando il trasporto attivo o la diffusione facilitata. Il trasporto attivo richiede che la cellula usi l'ATP per spostare la grande molecola contro il gradiente di concentrazione. I recettori all'interno delle proteine di trasporto attivo si legano a passeggeri specifici e l'ATP consente alla proteina di traslocare il suo passeggero attraverso la membrana. La diffusione facilitata non ha bisogno 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.
