Chad Baker/Photodisc/Getty Images
En cells kärnuppdrag är att upprätthålla en stabil inre miljö, som är beroende av att strikt reglera koncentrationerna av joner, gaser och biokemiska lösta ämnen. Inom mikrobiologi är cellmembranet nyckelarkitekten för dessa koncentrationsgradienter.
Koncentration hänvisar till mängden av ett löst ämne – såsom socker – i ett lösningsmedel, vanligtvis cytosolen. En koncentrationsgradient existerar när mängden löst ämne skiljer sig mellan två platser. Till exempel skapar en hög intracellulär sockerkoncentration kontra en låg extracellulär nivå en gradient som driver diffusion.
Medan molekyler naturligt flödar från höga till låga koncentrationer för att utjämna gradienten, upprätthåller celler ofta gradienter för vitala funktioner – som att bevara energidepåer eller skapa elektrokemiska potentialer.
Plasmamembranet är ett fosfolipiddubbelskikt:hydrofila fosfathuvuden är vända mot det vattenhaltiga inre och yttre, medan hydrofoba svansar upptar membrankärnan. Denna struktur tillåter små, opolära eller lipofila molekyler att diffundera fritt, men den begränsar stora eller laddade arter.
Selektiv permeabilitet skapar inre-externa koncentrationsskillnader som kräver specialiserade transmembranproteiner för att lösas samtidigt som de tillåter viktiga små molekyler att diffundera utan hjälp.
Opolära molekyler, såsom syre, korsar membranet längs sin koncentrationsgradient utan energitillförsel. Syre diffunderar från blodomloppet – där det finns rikligt – till cellens inre, där det konsumeras, vilket vidmakthåller gradienten.
Även polära molekyler som vatten och koldioxid kan passivt passera på grund av sin ringa storlek, även om deras rörelse ofta underlättas av aquaporiner.
Laddade joner (Na⁺, K⁺, Ca²⁺) stöts bort av lipidkärnan men tas emot av jonkanalproteiner. Natrium-kalium-ATPas transporterar aktivt Na⁺ ut och K⁺ in och förbrukar ATP för att upprätthålla de branta gradienterna som ligger bakom nervimpulser och muskelkontraktion.
Andra jonpumpar förlitar sig på elektrokemiska krafter snarare än ATP, men de skapar på samma sätt membranpotentialer som är nödvändiga för cellulär signalering.
Stora eller polära molekyler kan inte diffundera genom dubbelskiktet; bärarproteiner förmedlar sin translokation via två distinkta mekanismer.
Båda mekanismerna är oumbärliga för näringsupptag, borttagning av avfall och upprätthållande av jonhomeostas i mikrobiella celler.
