Was ist ein Konzentrationsgradient?
Die Konzentration einer Substanz ist die Anzahl der Moleküle, die in einem bestimmten Volumen von Flüssigkeit oder Gas vorhanden sind. Ein Konzentrationsgradient tritt zwischen einem Bereich hoher Konzentration und einem Bereich niedriger Konzentration auf. In der Natur tritt dies üblicherweise auf jeder Seite einer Zellgrenze oder Membran auf. Wenn Partikel die Membran frei passieren können, findet ein als Diffusion bezeichneter Prozess statt, bei dem sich Partikel mit einem Nettofluss über den Konzentrationsgradienten in Richtung des Bereichs niedriger Konzentration bewegen. Diese Bewegung von Molekülen entlang des Gradienten führt schließlich dazu, dass beide Bereiche in ihrer Konzentration gleich sind, ein Zustand, der als dynamisches Gleichgewicht bekannt ist.
Durch Wärmeenergie bewegen sich Moleküle in Flüssigkeiten und Gasen zufällig in geraden Linien, bis sie auf andere Partikel oder Oberflächen treffen, die eine Richtungsänderung bewirken. Der als Diffusion bekannte Prozess führt dazu, dass Moleküle dazu neigen, sich von Bereichen mit hohen Konzentrationen zu entfernen und sich zu weniger konzentrierten Bereichen zu bewegen. Verschiedene Molekülarten neigen auch dazu, sich zu vermischen. Beide Prozesse funktionieren, wenn sich ein Duft allmählich in einem Raum ausbreitet und sich mit Luftmolekülen vermischt. Eine gleichmäßige Partikelverteilung beseitigt schließlich den Konzentrationsgradienten.
In einem als Osmose bekannten Prozess scheinen sich Moleküle über Gradienten hinweg in entgegengesetzter Richtung zu bewegen, von niedrigen zu hohen Partikelkonzentrationen. Dies kann in Fällen beobachtet werden, in denen eine Zellmembran den Durchtritt von Partikeln blockiert, weil sie zu groß sind. Die Wassermoleküle in der Lösung können klein genug sein, um die Membran zu passieren, obwohl die gelösten Partikel dies nicht sind.
Wassermoleküle wandern aus dem Bereich außerhalb der Zelle, in dem die Partikelkonzentration relativ niedrig ist, in das Innere der Zelle, wo eine hohe Partikelkonzentration vorliegt. Diese Bewegung verringert wie die Diffusion den Konzentrationsgradienten zwischen den beiden Bereichen. Es kann als eine spezielle Form der Diffusion beschrieben werden, da sich die Wassermoleküle tatsächlich von einem Gebiet mit hoher Wasserkonzentration zu einem Gebiet mit niedriger Wasserkonzentration bewegen.
Manchmal arbeitet die Zellbiologie aktiv daran, Partikel gegen einen Konzentrationsgradienten und gegen den Einfluss von Osmose und Diffusion zu bewegen. Es kommen sogenannte aktive Transportmechanismen wie die Natrium-Kalium-Pumpe ins Spiel. Diese Pumpe transportiert Natrium- und Kaliummoleküle durch die Zellmembran und sorgt so für eine hohe Kaliumkonzentration innerhalb der Zelle und eine hohe Natriumkonzentration außerhalb. Der Prozess erfordert ATP, ein spezielles Molekül, in dem Energie gespeichert ist, die sich in der Zelle befindet.