La concentrazione di una sostanza è il numero di molecole presenti in un dato volume di liquido o gas. Un gradiente di concentrazione si verifica tra un’area ad alta concentrazione e un’area a bassa concentrazione. In natura, questo 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 a bassa concentrazione. Questo movimento di molecole lungo il gradiente alla fine porta entrambe le aree a 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 finché non incontrano altre particelle o superfici che le fanno cambiare direzione. Il processo noto come diffusione significa che le molecole hanno la tendenza ad allontanarsi dalle aree in cui ci sono alte concentrazioni e a spostarsi verso regioni meno concentrate. Anche diversi tipi di molecole tendono a mescolarsi tra loro. Entrambi questi processi sono all’opera quando un profumo si diffonde gradualmente in una stanza, mescolandosi con le 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 in modo opposto attraverso i gradienti, da basse ad alte concentrazioni di particelle. Questo può essere visto nei casi in cui una membrana cellulare blocca il passaggio delle 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 descritto 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 le molecole di sodio e potassio attraverso la membrana cellulare, assicurando un’elevata concentrazione di potassio all’interno della cellula e un’elevata concentrazione di sodio all’esterno. Il processo richiede ATP, una molecola speciale in cui viene immagazzinata energia, che si trova all’interno della cellula.