Het celmembraan en transport

Het celmembraan is maar ongeveer 5 tot 10 nm dik, maar bepaalt wat de cel in en uit gaat.

Een wand van olie en eiwit

Druppel wat olie op water en het mengt niet. Het celmembraan is op hetzelfde idee gebouwd. Het is een dubbele fosfolipidenlaag: twee lagen fosfolipidemoleculen, elk met een waterlievende kop met fosfaat en twee watervrezende vetzuurstaarten. De koppen wijzen naar de waterige vloeistof binnen en buiten de cel, en de staarten verbergen zich in het midden. Eiwitten zitten in deze olieachtige laag, sommige reiken er helemaal doorheen, en in dierlijke cellen is er ook cholesterol doorheen gemengd. Koolhydraten aan lipiden en eiwitten bedekken het buitenoppervlak en helpen de cel dingen te herkennen en te binden.

Selectieve doorlaatbaarheid

Het membraan laat sommige stoffen door en houdt andere tegen, dus het heet selectief doorlaatbaar. Kleine moleculen zonder lading, zoals zuurstof en koolstofdioxide, glippen recht door het olieachtige midden. Vetoplosbare stoffen zoals vitamine A, D, E en K ook. Geladen deeltjes zoals natrium-, kalium-, calcium- en chloride-ionen kunnen de olieachtige kern niet op eigen kracht oversteken, en suikers of aminozuren ook niet. Zij hebben hulp van eiwitten nodig.

Bergafwaarts bewegen: passief transport

Open een flesje parfum in een kamer en de geur verspreidt zich tot hij overal is. Dat is diffusie: moleculen bewegen van waar ze meer geconcentreerd zijn naar waar ze minder geconcentreerd zijn, en het kost geen energie. Diffusie gaat sneller als het concentratieverschil groter is, als de temperatuur hoger is, als de moleculen lichter zijn en als de afstand kort is. In een cel verplaatst diffusie materialen door het cytosol.

Bij gefaciliteerde diffusie bewegen stoffen nog steeds langs hun gradiënt, maar dan door eiwitten. Kanaaleiwitten vormen een met water gevulde tunnel voor één soort ion of voor water; de waterkanalen heten aquaporines. Dragereiwitten pakken een molecuul, veranderen van vorm en laten het aan de andere kant los. Kanalen zijn veel sneller: tientallen miljoenen moleculen per seconde, vergeleken met ongeveer duizend tot een miljoen bij dragers.

Osmose: water in beweging

Osmose is de diffusie van water door een membraan dat de opgeloste stoffen tegenhoudt. Water beweegt naar de kant met meer opgeloste deeltjes, omdat die kant minder vrij water heeft. Als de vloeistof buiten een cel minder opgeloste deeltjes heeft dan binnen, is hij hypotoon, en stroomt er water naar binnen. Een rode bloedcel in zuiver water zwelt op en kan barsten. Als de buitenkant meer opgeloste deeltjes heeft, is hij hypertoon, en verlaat water de cel; een rode bloedcel schrompelt. In een isotone vloeistof is er geen netto stroom. Een plantaardige cel in zoet water barst niet, omdat zijn wand dat tegenhoudt. Het water duwt tegen de wand, en deze turgordruk houdt de plant stevig. Zonder water trekt het membraan los van de wand, wat plasmolyse heet, en de plant verwelkt. Het model van de plantaardige cel hieronder toont de vacuole die dit water bevat.

Bergopwaarts bewegen: actief transport

Soms moet een cel een stof tegen zijn gradiënt in verplaatsen, van lage naar hoge concentratie. Dat kost energie, meestal uit ATP, en heet actief transport. Het bekendste voorbeeld is de natrium-kaliumpomp. Per cyclus duwt hij drie natriumionen de cel uit en haalt twee kaliumionen naar binnen, met één ATP. Dit houdt natrium hoog buiten en kalium hoog binnen, en maakt de binnenkant van de cel licht negatief. Zenuw- en spiercellen hangen van dit verschil af. De energie die in de natriumgradiënt is opgeslagen, kan dan andere stoffen, zoals glucose en aminozuren, de cel in trekken, wat secundair actief transport heet.