Клетка микроорганизма состоит из оболочки, в которую заключены протоплазма, клеточный сок и различные включения. Клеточная оболочка обладает свойством «полупроницаемой» перепонки, т. е. более или менее свободно пропускает одни вещества, будучи непроницаемой для других. Протоплазма, представляющая собой прозрачную полужидкую массу, способную менять свою консистенцию, является сложной коллоидной системой, в состав которой входят вода, белки, липоиды, электролиты и т. д.
Поверхностный слой протоплазмы, главным образом вследствие происходящих явлений адсорбции, значительно отличается по физико-химическим свойствам от основной массы протоплазмы, образуя как бы вторую оболочку бактериальной клетки, которая также обладает свойством «полупроницаемости». Мы можем представить себе эту оболочку состоящей из коллоидных частиц, липоидов и белков, разделенных тонкими прослойками водной фазы, представляющими собой как бы «поры» перепонки. Таким образом, внутренность клетки отделена от окружающей среды двумя полупроницаемыми перепонками.
Таким образом, через ту или иную оболочку могут проникать вещества, размеры молекул которых не больше определенной величины. Однако молекулярный объем не является единственным фактором, обусловливающим проникновение веществ через клеточную оболочку, так как фильтрация через поры осложняется явлениями адсорбции и наличием электрических зарядов на клеточных оболочках. При малом диаметре пор пограничные слои составляют значительную часть жидкости, заполняющей поры, и проникновение через оболочку поверхностно активных веществ затрудняется.
Наличие на оболочке электрических зарядов определяет возможность проникновения через нее ионов. Через оболочку могут проникать только ионы противоположного заряда, ионы же, заряженные одноименно с оболочкой, вследствие наличия сил отталкивания не проходят через нее.
При рассмотрении ионной проницаемости необходимо учитывать, что прохождение через оболочку ионов одного знака сопровождается переходом эквивалентного количества других ионов того же знака в противоположном направлении, так что электронейтральность растворов в общем сохраняется и результат сводится к перераспределению солей. Так, например, если вначале по одну сторону оболочки, проницаемой только для анионов, находился карбонат калия, а по другую - хлорид натрия, то в результате прохождения анионов через оболочку по одну сторону окажется смесь карбоната и хлорида калия, а по другую смесь карбоната и хлорида натрия.
Проницаемость оболочки не остается всегда постоянной, но изменяется в зависимости от внешних условий и от состояния клетки. Большое влияние на проницаемость клеточной оболочки оказывает pH среды. В зависимости от pH изменяется величина и даже знак заряда оболочки, что может коренным образом изменить ее ионную проницаемость. Наблюдаются, например, случаи, когда оболочка, проницаемая в кислом растворе только для анионов, при изменении реакции раствора на щелочную становится проницаемой для катионов и не пропускает анионов. Присутствие в растворе солей, влияющих на набухание коллоидов оболочки и соответственно разрыхляющих или уплотняющих ее, также вызывает изменение проницаемости.
Совокупность всех описанных процессов и факторов определяет «избирательную способность» клетки, проявляемую ею в отношении проникновения через оболочку тех или иных веществ. Обычно диффузия растворенных веществ происходит от раствора с большей концентрацией к менее концентрированному раствору, и равновесие наступает при выравнивании концентраций обоих растворов.
Однако, когда мы имеем дело с живой клеткой, такое выравнивание концентраций никогда не наступает. Имеется ряд обстоятельств, осложняющих процесс диффузии. Прежде всего, здесь играет роль наличие в клетке коллоидальных ионов, в присутствии которых возникает своеобразное распределение способных к диффузии ионов по обе стороны оболочки. Это распределение обусловливается так называемым «равновесием Доннана».
Доннан показал, что коллоидальный ион как бы вытесняет диффундирующую соль за перепонку, и, в зависимости от соотношения концентраций коллоидального иона и диффундирующей соли, равновесие может наступать при более или менее значительной разности концентраций диффундирующей соли по обе стороны перепонки.