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セルには、実行する多くの義務があります。その最も重要な機能の1つは、細胞内の健康的な環境を維持することです。これには、イオン、溶存ガス、生化学物質などのさまざまな分子の細胞内濃度を制御する必要があります。
濃度勾配は、領域全体の物質の濃度の差です。微生物学では、細胞膜は濃度勾配を作成します。
勾配と濃度の定義（生物学）
微生物学における濃度勾配の仕組みに入る前に、勾配と濃度の定義（生物学）を理解する必要があります。
「濃度」は、通常溶液に含まれる物質（通常溶質と呼ばれる）の量を指します。たとえば、細胞のサイトゾルに一定量の糖がある場合、糖は溶質とサイトゾルになります。 （糖が存在する場合）は、それらが一緒に作る溶液中の「溶媒」と呼ばれます。糖の濃度とは、その細胞のサイトゾルで見つかった糖の量を意味します。
「濃度勾配「単に、2つの異なる場所で濃度に差があることを意味します。たとえば、細胞内に多くの糖分子を持ち、細胞外に非常に少ない分子を持つことができます。これは濃度勾配の例です。
濃度勾配が形成されると、分子は、勾配を小さくする、または取り除くために、高濃度の領域から低濃度の領域に流れたいと思います。ただし、細胞の構造/機能に勾配が必要な場合があります。糖の例を続けると、細胞は、糖を細胞から流出させるのではなく、使用のために細胞内に糖を保持したいと考えています。
細胞膜
細胞膜は、リン脂質の二重層で構成されています。リン脂質は、リン酸頭部と2つの脂質尾部を含む分子です。これは、リン脂質二重層と呼ばれます。頭は膜の内側と外側の境界に沿って整列し、尾はその間のスペースを埋めます。
細胞膜には選択的な透過性があります-尾部は大きなまたは荷電分子が細胞膜を通って拡散するのを防ぎますが、小さな脂溶性分子はすり抜けることができます。選択的透過性により、膜全体に濃度勾配が生じ、これを克服するために特別な膜貫通タンパク質が必要となりますが、エネルギーを消費せずに必要な小分子および脂溶性分子を拡散させることができます。
パッシブ拡散
小さい非極性分子は、分子の濃度勾配に基づいて細胞膜を拡散できます。非極性分子は、全体にわたって比較的均一で中性の電荷を持っています。
たとえば、酸素は無極性であり、細胞膜全体に自由に拡散します。血液細胞は酸素分子を細胞周囲の空間に輸送し、比較的高濃度のOを生成します2。細胞は継続的に酸素を代謝し、細胞の内部と外部の間に濃度勾配を作ります。 O2 この勾配により、膜全体に拡散します。
水と二酸化炭素は極性がありますが、細胞膜を介して拡散するのに十分なほど小さいのです。
イオンチャネル受容体
イオンは、異なる数のプロトンと電子を持つ原子または分子であり、電荷を運びます。ナトリウム、カリウム、カルシウムなどの特定のイオンは、細胞の正常な機能にとって重要です。脂質はイオンを拒絶しますが、細胞膜はと呼ばれるタンパク質で覆われています イオンチャネル受容体 セル内のイオン濃度の制御に役立ちます。
ナトリウム-カリウムポンプは、細胞のエネルギー分子であるアデノシン三リン酸（ATP）を使用して濃度勾配を克服し、細胞外へのナトリウムの移動と細胞内へのカリウムの移動を可能にします。他のポンプは、膜全体にイオンを輸送するためにATPではなく電気力学的力に依存しています。
キャリアタンパク質
大きな分子は細胞膜の脂質を介して拡散できません。膜内のキャリアタンパク質は、いずれかを使用して、フェリーサービスを提供します 能動輸送 または 促進された拡散.
アクティブ輸送 セルがATPを使用して濃度勾配に反して大きな分子を移動する必要があります。能動輸送タンパク質内の受容体は特定の乗客に結合し、ATPはタンパク質が乗客を膜全体に移動させることを可能にします。
促進された拡散 セルからの生化学エネルギーは必要ありません。促進拡散を使用するキャリアは、濃度と電気的勾配に基づいて開閉するゲートキーパーとして機能します。