Vad är en koncentrationsgradient?

Koncentrationen av ett ämne är antalet molekyler som finns i en given volym vätska eller gas. En koncentrationsgradient uppstår mellan ett område med hög koncentration och ett område med låg koncentration. I naturen förekommer detta vanligtvis på varje sida av en cellgräns, eller membran. Om partiklar fritt kan korsa membranet, sker en process som kallas diffusion, där partiklar rör sig över koncentrationsgradienten med ett nettoflöde mot området med låg koncentration. Denna rörelse av molekyler nerför lutningen leder så småningom till att båda områdena blir lika i koncentration, ett tillstånd som kallas dynamisk jämvikt.

Termisk energi får molekyler i vätskor och gaser att röra sig slumpmässigt i raka linjer tills de möter andra partiklar eller ytor som får dem att ändra riktning. Processen känd som diffusion betyder att molekyler har en tendens att röra sig bort från områden där det finns höga koncentrationer och att röra sig mot mindre koncentrerade regioner. Olika molekyltyper tenderar också att blandas ihop. Båda dessa processer arbetar när en doft gradvis sprids över ett rum, blandat med luftmolekyler. Så småningom tar en jämn fördelning av partiklar bort koncentrationsgradienten.

I en process som kallas osmos verkar molekyler gå motsatt väg över lutningar, från låga till höga koncentrationer av partiklar. Detta kan ses i fall då ett cellmembran blockerar partiklar från att passera genom att de är för stora. Vattenmolekylerna i lösningen kan vara tillräckligt små för att passera genom membranet, även om de upplösta partiklarna inte är det.

Vattenmolekyler rör sig från området utanför cellen, där koncentrationen av partiklar är relativt låg, till insidan av cellen, där det är en hög partikelkoncentration. På samma sätt som diffusion minskar denna rörelse koncentrationsgradienten mellan de två områdena. Det kan beskrivas som en speciell form av diffusion, eftersom vattenmolekylerna verkligen rör sig från ett område med hög vattenkoncentration till ett område med låg vattenkoncentration.

Ibland arbetar cellbiologi för att aktivt flytta partiklar mot en koncentrationsgradient och mot påverkan av osmos och diffusion. Vad som kallas aktiva transportmekanismer kommer in, till exempel natrium-kaliumpumpen. Denna pump transporterar natrium- och kaliummolekyler över cellmembranet, vilket säkerställer att det finns en hög kaliumkoncentration inuti cellen och en hög natriumkoncentration utanför. Processen kräver ATP, en speciell molekyl där energi lagras, som finns i cellen.