Concentrația unei substanțe este numărul de molecule prezente într-un anumit volum de lichid sau gaz. Un gradient de concentrație apare între o zonă de concentrație mare și o zonă de concentrație scăzută. În natură, acest lucru apare de obicei pe fiecare parte a graniței celulare sau a membranei. Dacă particulele pot traversa liber membrana, are loc un proces numit difuzie, în care particulele se deplasează pe gradientul de concentrație cu un flux net spre zona de concentrație scăzută. Această mișcare a moleculelor de-a lungul gradientului duce în cele din urmă la aceea că ambele zone devin egale în concentrație, o stare cunoscută sub numele de echilibru dinamic.
Energia termică face ca moleculele din lichide și gaze să se miște aleatoriu în linii drepte până când întâlnesc alte particule sau suprafețe care le determină să își schimbe direcția. Procesul cunoscut sub numele de difuzie înseamnă că moleculele au tendința de a se îndepărta de zonele în care există concentrații mari și de a se deplasa către regiuni mai puțin concentrate. Diferite tipuri de molecule tind, de asemenea, să se amestece. Ambele procese sunt la lucru atunci când un miros se răspândește treptat într-o cameră, amestecându-se cu moleculele de aer. În cele din urmă, o distribuție uniformă a particulelor îndepărtează gradientul de concentrație.
Într-un proces cunoscut sub numele de osmoză, moleculele par să se miște în sens invers pe gradienți, de la concentrații scăzute la mari de particule. Acest lucru poate fi observat în cazurile în care o membrană celulară blochează trecerea particulelor, deoarece sunt prea mari. Moleculele de apă din soluție pot fi suficient de mici pentru a trece prin membrană, chiar dacă particulele dizolvate nu sunt.
Moleculele de apă se deplasează din regiunea din afara celulei, unde concentrația de particule este relativ scăzută, către interiorul celulei, unde există o concentrație mare de particule. La fel ca și difuzia, această mișcare reduce gradientul de concentrație dintre cele două zone. Poate fi descrisă ca o formă specială de difuzie, deoarece moleculele de apă se deplasează într-adevăr dintr-o zonă cu concentrație mare de apă într-o zonă cu concentrație scăzută de apă.
Uneori, biologia celulară lucrează pentru a muta în mod activ particulele împotriva unui gradient de concentrație și împotriva influenței osmozei și difuziei. Ceea ce sunt cunoscute ca mecanisme de transport activ intră în joc, cum ar fi pompa de sodiu-potasiu. Această pompă transportă molecule de sodiu și potasiu prin membrana celulară, asigurându-se că există o concentrație mare de potasiu în interiorul celulei și o concentrație mare de sodiu în exterior. Procesul necesită ATP, o moleculă specială în care este stocată energia, care se găsește în interiorul celulei.