Boosters

The movement across membrane

СCR 5 receptor within the membrane.

Wikimedia Commons CC BY SA 3.0

The most direct forms of membrane transport are passive. Passive transport is a naturally occurring phenomenon and does not require the cell to exert any of its energy to accomplish the movement. In passive transport, substances move from an area of higher concentration to an area of lower concentration. A physical space in which there is a range of concentrations of a single substance is said to have a concentration gradient. 

Selective Permeability

Plasma membranes are asymmetric: the interior of the membrane is not identical to the exterior of the membrane. In fact, there is a considerable difference between the array of phospholipids and proteins between the two leaflets that form a membrane. On the interior of the membrane, some proteins serve to anchor the membrane to fibers of the cytoskeleton. There are peripheral proteins on the exterior of the membrane that bind elements of the extracellular matrix. Carbohydrates, attached to lipids or proteins, are also found on the exterior surface of the plasma membrane. These carbohydrate complexes help the cell bind substances that the cell needs in the extracellular fluid. This adds considerably to the selective nature of plasma membranes.

Плазматические мембраны асимметричны: внутренняя часть мембраны не идентична наружной поверхности мембраны. Фактически, существует значительная разница между матрицей фосфолипидов и белков между двумя слоями, которые образуют мембрану. На внутренней поверхности мембраны некоторые белки служат для закрепления мембраны волокнами цитоскелета. На внешней стороне мембраны имеются периферические белки, которые связывают элементы внеклеточного матрикса. Углеводы, прикрепленные к липидам или белкам, также встречаются на внешней поверхности плазматической мембраны.

Plasma membrane. Openstax Biology, CC BY 4.0. 

Recall that plasma membranes are amphiphilic: they have hydrophilic and hydrophobic regions. This characteristic helps the movement of some materials through the membrane and hinders the movement of others. Lipid-soluble material with a low molecular weight can easily slip through the hydrophobic lipid core of the membrane. Substances such as the fat-soluble vitamins A, D, E, and K readily pass through the plasma membranes in the digestive tract and other tissues. Fat-soluble drugs and hormones also gain easy entry into cells and are readily transported into the body’s tissues and organs. Molecules of oxygen and carbon dioxide have no charge and so pass through membranes by simple diffusion.Polar substances present problems for the membrane. While some polar molecules connect easily with the outside of a cell, they cannot readily pass through the lipid core of the plasma membrane. Additionally, while small ions could easily slip through the spaces in the mosaic of the membrane, their charge prevents them from doing so. Ions such as sodium, potassium, calcium, and chloride must have special means of penetrating plasma membranes. Simple sugars and amino acids also need help with transport across plasma membranes, achieved by various transmembrane proteins (channels).

Напомним, что плазматические мембраны амфифильные: у них есть гидрофильные и гидрофобные области. Эта характеристика помогает перемещению некоторых материалов через мембрану и препятствует движению других. Липид-растворимый материал с низкой молекулярной массой может легко проскальзывать через гидрофобную часть мембраны. Вещества, такие как жирорастворимые витамины А, D, Е и К, легко проходят через плазматические мембраны в пищеварительном тракте и других тканях. Жирорастворимые препараты и гормоны также легко проникают в клетки и легко переносятся в ткани и органы организма. Молекулы кислорода и углекислого газа не имеют заряда и поэтому проходят через мембраны путем простой диффузии.Полярные вещества представляют проблему для мембраны. В то время как некоторые полярные молекулы легко соединяются с внешней частью клетки, они не могут легко пройти через плазматическую мембрану. Кроме того, хотя маленькие ионы могут легко проскальзывать через мембрану, их заряд мешает им делать это. Ионы, такие как натрий, калий, кальций и хлорид, должны иметь специальные средства для проникновения в клетку. Простые сахара и аминокислоты также нуждаются в помощи при транспортировке через плазматические мембраны, достигаемые различными трансмембранными белками (каналами).

Diffusion 


Diffusion is a passive process of transport. A single substance tends to move from an area of high concentration to an area of low concentration until the concentration is equal across a space. You are familiar with diffusion of substances through the air. For example, think about someone opening a bottle of ammonia in a room filled with people. The ammonia gas is at its highest concentration in the bottle; its lowest concentration is at the edges of the room. The ammonia vapor will diffuse, or spread away, from the bottle, and gradually, more and more people will smell the ammonia as it spreads. Materials move within the cell’s cytosol by diffusion, and certain materials move through the plasma membrane by diffusion (Figure). Diffusion expends no energy.

Диффузия – это вид пассивного транспорта. Одно вещество имеет тенденцию перемещаться из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией до тех пор, пока концентрация не будет равна. Материалы перемещаются внутри цитопоазмы клетки путем диффузии, а некоторые материалы проходят через плазматическую мембрану путем диффузиию Диффузия не расходует энергию.

Passive transport. Openstax Biology, CC BY 4.0. 

Factors that affect diffusion

 
 • Extent of the concentration gradient: The greater the difference in concentration, the more rapid the diffusion. The closer the distribution of the material gets to equilibrium, the slower the rate of diffusion becomes. 

Mass of the molecules diffusing: Heavier molecules move more slowly; therefore, they diffuse more slowly. The reverse is true for lighter molecules. 

Temperature: Higher temperatures increase the energy and therefore the movement of the molecules, increasing the rate of diffusion. Lower temperatures decrease the energy of the molecules, thus decreasing the rate of diffusion.

Solvent density: As the density of a solvent increases, the rate of diffusion decreases. The molecules slow down because they have a more difficult time getting through the denser medium. If the medium is less dense, diffusion increases. 

Solubility: As discussed earlier, nonpolar or lipid-soluble materials pass through plasma membranes more easily than polar materials, allowing a faster rate of diffusion. 

Surface area and thickness of the plasma membrane: Increased surface area increases the rate of diffusion, whereas a thicker membrane reduces it. 

Distance travelled: The greater the distance that a substance must travel, the slower the rate of diffusion. This places an upper limitation on cell size. A large, spherical cell will die because nutrients or waste cannot reach or leave the center of the cell, respectively. Therefore, cells must either be small in size, as in the case of many prokaryotes, or be flattened, as with many single-celled eukaryotes. 

Facilitated transport 


In facilitated transport, also called facilitated diffusion, materials diffuse across the plasma membrane with the help of membrane proteins. A concentration gradient exists that would allow these materials to diffuse into the cell without expending cellular energy. However, these materials are ions are polar molecules that are repelled by the hydrophobic parts of the cell membrane. Facilitated transport proteins shield these materials from the repulsive force of the membrane, allowing them to diffuse into the cell. 

The material being transported is first attached to protein or glycoprotein receptors on the exterior surface of the plasma membrane. This allows the material that is needed by the cell to be removed from the extracellular fluid. The substances are then passed to specific integral proteins that facilitate their passage. Some of these integral proteins are collections of beta pleated sheets that form a pore or channel through the phospholipid bilayer. Others are carrier proteins which bind with the substance and aid its diffusion through the membrane. 

Common examples of diffusion are gas exchange in lungs and in plant leaves, absorption in small intestine, mineral ions in roots.

В облегченном транспорте, также называемом облегченной диффузией, материалы проходят через плазматическую мембрану с помощью мембранных белков. Существует градиент концентрации, который позволил бы этим материалам диффундировать в клетку, не затрачивая клеточную энергию. Однако эти материалы представляют собой ионы, полярные молекулы, которые отталкиваются гидрофобными частями клеточной мембраны. Облегченные транспортные белки защищают эти материалы от отталкивающей силы мембраны, что позволяет им диффундировать в клетку.

Channels 


The integral proteins involved in facilitated transport are collectively referred to as transport proteins, and they function as either channels for the material or carriers. In both cases, they are transmembrane proteins. Channels are specific for the substance that is being transported. Passage through the channel allows polar compounds to avoid the nonpolar central layer of the plasma membrane that would otherwise slow or prevent their entry into the cell. Aquaporins are channel proteins that allow water to pass through the membrane at a very high rate.

Интегральные белки, участвующие в облегченном транспорте, представляют собой трансмембранные белки. Каналы специфичны для вещества, которое переносится. Прохождение через канал позволяет полярным соединениям избегать неполярного центрального слоя плазматической мембраны, которые в противном случае замедляли бы или препятствовали их проникновению в клетку. Аквапорины являются канальными белками, которые позволяют воде проходить через мембрану с очень высокой скоростью.

Carrier Proteins 


Another type of protein embedded in the plasma membrane is a carrier protein. This aptly named protein binds a substance and, in doing so, triggers a change of its own shape, moving the bound molecule from the outside of the cell to its interior; depending on the gradient, the material may move in the opposite direction. Carrier proteins are typically specific for a single substance. This selectivity adds to the overall selectivity of the plasma membrane. The exact mechanism for the change of shape is poorly understood. Each carrier protein is specific to one substance, and there are a finite number of these proteins in any membrane. This can cause problems in transporting enough of the material for the cell to function properly. When all of the proteins are bound to their ligands, they are saturated and the rate of transport is at its maximum. Increasing the concentration gradient at this point will not result in an increased rate of transport.

Другой тип белка, встроенный в плазматическую мембрану, представляет собой белок-носитель. Этот белок связывает вещество и при этом вызывает изменение собственной формы, перемещая связанную молекулу извне клетки в ее внутреннюю область; в зависимости от градиента материал может перемещаться в противоположном направлении. Белки-носители обычно специфичны для одного вещества. Эта селективность добавляет к общей избирательности плазматической мембраны. Точный механизм изменения формы плохо понимается. Каждый белок-носитель специфичен для одного вещества, и в любой мембране имеется конечное число этих белков. Это может вызвать проблемы при транспортировке достаточного количества материала для нормальной работы клетки. Когда все белки связаны с их лигандами, они насыщены и скорость транспорта максимальна. Увеличение градиента концентрации в этот момент не приведет к увеличению скорости транспортировки.

Osmosis


Osmosis is the movement of water through a semipermeable membrane according to the concentration gradient of water across the membrane, which is inversely proportional to the concentration of solutes. While diffusion transports material across membranes and within cells, osmosis transports only water across a membrane and the membrane limits the diffusion of solutes in the water. Not surprisingly, the aquaporins that facilitate water movement play a large role in osmosis, most prominently in red blood cells, in the membranes of kidney tubules and in plant tissues.

Осмос - это движение воды через полупроницаемую мембрану в соответствии с градиентом концентрации воды, который обратно пропорционален концентрации растворенных веществ. В то время как диффузия переносит материал через мембраны и внутри клеток, осмос переносит только воду через мембрану. Неудивительно, что аквапорины, которые облегчают движение воды, играют большую роль в осмосе.

Tonicity 


Tonicity describes how an extracellular solution can change the volume of a cell by affecting osmosis. A solution's tonicity often directly correlates with the osmolarity of the solution. Osmolarity describes the total solute concentration of the solution. A solution with low osmolarity has a greater number of water molecules relative to the number of solute particles; a solution with high osmolarity has fewer water molecules with respect to solute particles. In a situation in which solutions of two different osmolarities are separated by a membrane permeable to water, though not to the solute, water will move from the side of the membrane with lower osmolarity (and more water) to the side with higher osmolarity (and less water). This effect makes sense if you remember that the solute cannot move across the membrane, and thus the only component in the system that can move—the water—moves along its own concentration gradient. An important distinction that concerns living systems is that osmolarity measures the number of particles (which may be molecules) in a solution. Therefore, a solution that is cloudy with cells may have a lower osmolarity than a solution that is clear, if the second solution contains more dissolved molecules than there are cells.

Тоничность описывает, как внеклеточный раствор может изменить объем клетки, воздействуя на осмос. Тоничность раствора часто напрямую связана с осмолярностью раствора. Осмолярность описывает общую концентрацию раствора. Раствор с низкой осмолярностью имеет большее количество молекул воды относительно количества растворенных частиц; раствор с высокой осмолярностью имеет меньше молекул воды по отношению к растворенным частицам.

Tonicity. Openstax Biology, CC BY 4.0. 

Hypotonic Solutions 


Three terms—hypotonic, isotonic, and hypertonic—are used to relate the osmolarity of a cell to the osmolarity of the extracellular fluid that contains the cells. In a hypotonic situation, the extracellular fluid has lower osmolarity than the fluid inside the cell, and water enters the cell. (In living systems, the point of reference is always the cytoplasm, so the prefix hypo- means that the extracellular fluid has a lower concentration of solutes, or a lower osmolarity, than the cell cytoplasm.) It also means that the extracellular fluid has a higher concentration of water in the solution than does the cell. In this situation, water will follow its concentration gradient and enter the cell.

В гипотоническом растворе внеклеточная жидкость имеет более низкую осмолярность, чем жидкость внутри клетки, и вода поступает в клетку. Это также означает, что внеклеточная жидкость имеет более высокую концентрацию воды в растворе, чем клетка. В этой ситуации вода по совему градиенту концентрации двигаться в клетку.

Hypertonic Solutions 


 As for a hypertonic solution, the prefix hyper- refers to the extracellular fluid having a higher osmolarity than the cell’s cytoplasm; therefore, the fluid contains less water than the cell does. Because the cell has a relatively higher concentration of water, water will leave the cell.

Что касается гипертонического раствора, то префикс гипер- относится к внеклеточной жидкости, имеющей более высокую осмолярность, чем цитоплазма клетки; поэтому жидкость содержит меньше воды, чем клетка. Поскольку клетка имеет относительно большую концентрацию воды, вода покидает клетку.

Isotonic Solutions 


In an isotonic solution, the extracellular fluid has the same osmolarity as the cell. If the osmolarity of the cell matches that of the extracellular fluid, there will be no net movement of water into or out of the cell, although water will still move in and out. Blood cells and plant cells in hypertonic, isotonic, and hypotonic solutions take on characteristic appearances.

В изотоническом растворе внеклеточная жидкость обладает той же осмолярностью, что и клетка. Если осмолярность клетки соответствует таковой внеклеточной жидкости, в клетку или из нее не будет происходить суммарного движения, хотя вода все равно будет двигаться и выходить.

Active transport

Active transport mechanisms require the use of the cell’s energy, usually in the form of adenosine triphosphate (ATP). If a substance must move into the cell against its concentration gradient—that is, if the concentration of the substance inside the cell is greater than its concentration in the extracellular fluid (and vice versa)—the cell must use energy to move the substance. Some active transport mechanisms move small-molecular weight materials, such as ions, through the membrane. Other mechanisms transport much larger molecules.

Активный транспорт требует использования энергии клетки, обычно в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Если вещество должно перемещаться в клетку против градиента концентрации, то есть если концентрация вещества внутри клетки больше его концентрации во внеклеточной жидкости (и наоборот), клетка должна использовать энергию для перемещения вещества.

Electrochemical Gradient 


Because ions move into and out of cells and because cells contain proteins that do not move across the membrane and are mostly negatively charged, there is also an electrical gradient, a difference of charge, across the plasma membrane. The interior of living cells is electrically negative with respect to the extracellular fluid in which they are bathed, and at the same time, cells have higher concentrations of potassium (K+) and lower concentrations of sodium (Na+) than does the extracellular fluid. So in a living cell, the concentration gradient of Na+ tends to drive it into the cell, and the electrical gradient of Na+ (a positive ion) also tends to drive it inward to the negatively charged interior. The situation is more complex, however, for other elements such as potassium. The electrical gradient of K+, a positive ion, also tends to drive it into the cell, but the concentration gradient of K+ tends to drive K+ out of the cell. The combined gradient of concentration and electrical charge that affects an ion is called its electrochemical gradient.

Поскольку ионы движутся в клетки и выходят из них, а клетки содержат белки, которые не перемещаются через мембрану и в основном отрицательно заряжены, то также имеется электрический градиент - разность зарядов. Внутренняя часть клеток является электрически отрицательной по отношению к внеклеточной жидкости, и в то же время клетки имеют более высокую концентрацию калия (K +) и более низкую концентрацию натрия (Na +), чем внеклеточная жидкость. Таким образом, в живой клетке градиент концентрации Na + стремится привести его в клетку, а электрический градиент Na + (положительный ион) также стремится привести его внутрь к отрицательно заряженной внутренней части.

Electrochemical gradient. Openstax Biology, CC BY 4.0.

Moving Against a Gradient 


To move substances against a concentration or electrochemical gradient, the cell must use energy. This energy is harvested from ATP generated through the cell’s metabolism. Active transport mechanisms, collectively called pumps, work against electrochemical gradients. Small substances constantly pass through plasma membranes. Active transport maintains concentrations of ions and other substances needed by living cells in the face of these passive movements. Much of a cell’s supply of metabolic energy may be spent maintaining these processes. (Most of a red blood cell’s metabolic energy is used to maintain the imbalance between exterior and interior sodium and potassium levels required by the cell.) Because active transport mechanisms depend on a cell’s metabolism for energy, they are sensitive to many metabolic poisons that interfere with the supply of ATP.

Для перемещения веществ против градиента концентрации или электрохимического градиента клетка должна использовать энергию. Эту энергию собирают из АТФ, генерируемого через метаболизм клетки. Активный транспорт поддерживает концентрацию ионов и других веществ, необходимых живым клеткам. Большая часть энергии метаболизма в клетке может быть потрачена на поддержание этих процессов.


Содержание видео
Качество видео
Качество текста
Я все понял 😎
Общая оценка урока

THE TEST WILL BE AUTOMATICALLY SUBMITTED WHEN TIME IS OVER

I am ready to be Tested!