Che cos'è un gradiente di concentrazione?
La concentrazione di una sostanza è il numero di molecole presenti in un dato volume di liquido o gas. Si verifica un gradiente di concentrazione tra un'area ad alta concentrazione e un'area a bassa concentrazione. In natura, ciò si verifica comunemente su ciascun lato di un bordo cellulare o membrana. Se le particelle possono attraversare liberamente la membrana, ha luogo un processo chiamato diffusione, in cui le particelle si muovono attraverso il gradiente di concentrazione con un flusso netto verso l'area di bassa concentrazione. Questo movimento di molecole lungo il gradiente alla fine porta ad entrambe le aree di diventare uguali in concentrazione, uno stato noto come equilibrio dinamico.
L'energia termica fa sì che le molecole nei liquidi e nei gas si muovano casualmente in linea retta fino a quando incontrano altre particelle o superfici che causano loro di cambiare direzione. Il processo noto come diffusione significa che le molecole hanno la tendenza ad allontanarsi da aree in cui vi sono alte concentrazioni e a spostarsi verso regioni meno concentrate. Diversi tipi di molecole tendono anche a mescolarsi insieme. Entrambi questi processi sono attivi quando un profumo si diffonde gradualmente in una stanza, mescolandosi con molecole d'aria. Alla fine, una distribuzione uniforme delle particelle rimuove il gradiente di concentrazione.
In un processo noto come osmosi, le molecole sembrano muoversi nella direzione opposta attraverso i gradienti, da basse a alte concentrazioni di particelle. Questo può essere visto nei casi in cui una membrana cellulare blocca il passaggio di particelle perché sono troppo grandi. Le molecole d'acqua nella soluzione possono essere abbastanza piccole da passare attraverso la membrana, anche se le particelle disciolte non lo sono.
Le molecole d'acqua si spostano dalla regione esterna alla cellula, dove la concentrazione di particelle è relativamente bassa, all'interno della cellula, dove c'è un'alta concentrazione di particelle. Allo stesso modo della diffusione, questo movimento riduce il gradiente di concentrazione tra le due aree. Può essere descritta come una forma speciale di diffusione, perché le molecole d'acqua si stanno realmente spostando da un'area ad alta concentrazione d'acqua a un'area a bassa concentrazione d'acqua.
A volte, la biologia cellulare lavora per spostare attivamente le particelle contro un gradiente di concentrazione e contro l'influenza dell'osmosi e della diffusione. Entrano in gioco i cosiddetti meccanismi di trasporto attivo, come la pompa sodio-potassio. Questa pompa trasporta molecole di sodio e di potassio attraverso la membrana cellulare, assicurando che vi sia un'alta concentrazione di potassio all'interno della cellula e un'alta concentrazione di sodio all'esterno. Il processo richiede ATP, una molecola speciale in cui è immagazzinata energia, che si trova all'interno della cellula.