Клетка, транспорт воды и веществ |

Жизнедеятельность клетки связана с постоянным обменом ее содержимого с окружающей средой. Точно так же и внутри клетки происходит перемещение веществ между органеллами или компартментами. Все эти события связаны с преодолением основного барьера для веществ — мембраны, ограничивающей органеллу или саму клетку. При этом следует помнить, что главная функция биомембран — избирательность транспорта для различных — веществ и ионов.

Возможные способы транспорта через мембраны можно разделить на 4 основных типа: пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт и цитозы.

Пассивная диффузия. Это процесс транспорта через мембраны веществ из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией (по химическому градиенту), в котором не принимают участия транспортные белки и не затрачивается энергия. С помощью такого способа через мембрану транспортируются малые незаряженные молекулы, например молекулы газов, некоторые анестезирующие вещества, а также вода. Чтобы пересечь бислой, молекула должна преодолеть поверхностное натяжение на границе мембраны, проникнуть в бислой, продиффундировать через него и выйти с противоположной стороны, вновь преодолев энергетический барьер на границе раздела фаз. Этим и объясняется избирательная проницаемость липидного бислоя для небольших молекул неэлектролитов. Удивительным является факт весьма легкого и быстрого проникновения воды через мембраны: показано, что молекуле воды требуется для пересечения бислоя всего 1 мкс. Для объяснения этого феномена в последнее время появляются основанные на некоторых экспериментальных данных предположения о том, что в мембранах все же существуют какие-то белковые проводящие пути для воды, либо молекулы воды пользуются локальными дефектами в структуре бислоев.

Перемещение одних только молекул воды через полупроницаемую мембрану можно рассматривать как частный вид диффузии — осмос. Под осмосом понимают переход молекул воды из области с высоким водным потенциалом и низкой концентрацией растворенного вещества в область с низким водным потенциалом и высокой концентрацией растворенного вещества (рис. 4.9). В этом случае молекулы воды будут переходить из гипотонического раствора в гипертонический до тех пор, пока не наступит равновесие и оба раствора не станут изотоническими

по отношению друг к другу.

Чтобы обозначить величину уменьшения водного потенциала, вызванного присутствием растворенных веществ, используют термин «осмотическое давление». Под осмотическим давлением понимают давление, которое следует приложить к раствору, чтобы остановить осмотическое поступление воды в него через полупроницаемую мембрану. Повышение концентрации растворенного вещества увеличивает осмотическое давление и уменьшает водный потенциал раствора.

Перемещение воды через плазматические мембраны клеток в соответствии с законами осмоса создает организмам немалые проблемы, особенно для водных обитателей. Поэтому

осморегуляция (поддержание водного потенциала в клетке на постоянном уровне) является важной стороной функциональной деятельности большинства организмов, и на ее осуществление зачастую тратится значительная доля запасенной клеткой энергии.

 

Скорость диффузии веществ через мембраны зависит от многих причин: растворимости вещества в мембране, коэффициента диффузии в мембране, а также разности концентрации вещества снаружи и внутри клетки (градиента концентрации) (рис. 4.10).

Облегченная диффузия. Этот вид транспорта осуществляется с помощью транспортных белков по электрохимическому градиенту (разность электрических потенциалов и концентраций веществ) без затрат энергии. Это селективный перенос веществ — вещество будет транспортировано через мембрану лишь в том случае, если для него в мембране имеется функционирующий транспортный белок.

Поскольку в облегченной диффузии задействованы белки, этот процесс, в отличие от пассивной диффузии, может достигать эффекта насыщения. Стадия насыщения (рис. 4.10) характеризует состояние, когда все транспортные белки для данного вещества насыщены субстратом и скорость транспорта этого вещества достигает максимума.

С помощью облегченной диффузии через мембрану транспортируются многие вещества, в том числе гидрофильные молекулы: углеводы, аминокислоты, нуклеотиды, различные ионы и др. При этом скорость транспорта значительно превышает скорость пассивной диффузии (рис.4.10). Принципиально возможны два пути переноса веществ и ионов через мембрану: с помощью переносчиков и каналов. Поскольку трансмембранное перемещение белков в биомембранах не обнаружено, предложена модель, описывающая работу переносчиков — механизм «пинг-понг». Согласно этому механизму, транспорт веществ связан с конформационными изменениями в структуре белка-переносчика, которые индуцируются связыванием транспортируемого вещества (рис. 4.11).

 

Работу каналов можно рассмотреть на примере ацетилхолинового рецептора. Этот интегральный белок находится в основном в мембранах нервномышечных соеди-нений скелетных мышц. Он состоит из пяти субъединиц четырех типов и открывается в ответ на связывание ацетилхолина (нейромедиатор). При взаимодействии с ацетилхолином канал открывается, что связано с изменением конформации субъединиц, и пропускает определенные ионы (Na+ , K+ , Ca2+ и некоторые другие), остается в таком положении 1 мс, а затем закрывается.

Селективное перемещение катионов изменяет трансмембранный потенциал, в результате чего происходит электрическое возбуждение мышечной клетки, что приводит к сокращению мышцы. Изучение структуры ацетилхолинового рецептора показало, что пять белковых субъединиц встроены в бислой определенным образом: они организованы вокруг центральной поры диаметром 3 нм, через которую и транспортируются катионы. Непроницаемость канала для анионов и в три раза большую проницаемость для катионов, чем для незаряженных молекул, можно объяснить электростатическими взаимодействиями, возникающими благодаря присутствию в воротах канала биполярных или отрицательно заряженных групп.

Особым типом транспорта веществ в ходе облегченной диффузии является использование ионофоров, действие которых изучено на искусственных мембранах.

Под ионофорами понимают низкомолекулярные вещества пептидной природы, избирательно транспортирующие через мембраны ионы. Различают ионофорыканалообразователи (грамицидин А, амфотерицин B и др.) и ионофорыпереносчики (валиномицин, энниатины, боверицин).

Валиномицин представляет собой антибиотик депсипептидной природы, организованный по типу ионной «ловушки». В неполярных растворителях конформация валиномицина напоминает собой браслет, внутренняя полость которого точно подогнана под размеры ионов калия. Внешняя сфера валиномицина гидрофобна, в результате чего он способен перемещаться в липидном бислое и транспортировать через него ионы.

Хорошо изученным примером ионофоровканалообразователей служит грамицидин А. Это антибиотик пептидной природы, состоящий из 15 аминокислот. Две молекулы грамицидина могут пронизывать мембрану в виде двойной спирали или образуя димер «голова к голове». В таких конформациях молекулы грамицидина А формируют полый цилиндр, по которому могут перемещаться ионы металлов.

В биологических мембранах ионофорный тип транспорта до сих пор не обнаружен.

Активный транспорт. Это сопряженный с потреблением энергии перенос молекул или ионов через мембрану против электрохимического градиента, в котором задействованы транспортные белки. Благодаря активному транспорту в жизнеспособных клетках между двумя сторонами мембраны поддерживается разность потенциалов, т. е. электрический заряд, при этом у большинства изученных клеток внутреннее содержимое заряжено отрицательно по отношению к внешней среде.

Активный транспорт сопряжен со значительными затратами энергии: некоторые клетки тратят более трети всей запасенной энергии для создания ионного градиента на мембране. Это необходимо для таких жизненно важных процессов, как осморегуляция, генерация и передача нервных импульсов, перенос в клетки питательных веществ (сахаров, аминокислот и др.).

Разнообразные системы активного транспорта отличаются друг от друга, в первую очередь тем, что служит для них источником энергии: АТР, ионный градиент, фосфоенолпируват, видимый свет. Наиболее хорошо изученной системой активного транспорта является натрийкалиевая (Na+/K+)АТРаза, функционирующая в плазматических мембранах животных клеток. Этот интегральный белок состоит из двух субъединиц: бульшая представлена полипептидом, имеющим участки связывания для ионов натрия и АТР на цито плазматической поверхности, а ионов калия — на наружной; меньшая субъединица является гликопротеином. Работа (Na+/K+)АТРазы заключается в следующем: при гидролизе одной молекулы АТР из клетки выкачивается 3 иона Na+ , а извне в клетку проводится 2 иона K+ , т. е. выводится больше положительных ионов, чем проводится внутрь клетки. Так на внутренней стороне мембраны создается избыточный отрицательный заряд, и клетка становится электрогенной. В мембранах обычно присутствуют проводящие пути для облегченной диффузии ионов натрия и калия по электрохимическому градиенту, и этот транспорт, хотя и с малой скоростью, со-вершается. Однако в жизнеспособной клетке не происходит уравнивания концентраций ионов, создающих электрохимический градиент на мембране, благодаря постоянной работе первичных активных переносчиков, таких, как (Na+/K+)АТРаза. Таким образом, ионные насосы, принимающие участие в первичном активном транспорте, осуществляют перемещение заряда на мембране и создают на ней электрохимический градиент, в котором заключена энергия.

Вторичные активные переносчики используют электрохимические градиенты в качестве движущей силы для транспорта растворимых веществ. Этот процесс можно проследить на примере клеток эпителия кишечника. Образуемые в кишечнике при переваривании пищи строительные блоки (аминокислоты, глюкоза и др.) поступают в кровь при диффузии через мембраны кровеносных сосудов, и эта диффузия осуществляется в ходе симпорта(однонаправленного транспорта) с ионами натрия.

Ионы натрия стремятся возвратиться в клетку согласно закономерностям облегченной диффузии и как бы тянут с собой молекулы питательных веществ. В мембранах обнаружены специфические переносчики сахаров и разных аминокислот, которые функционируют в системе активного транспорта, накапливая в клетке эти вещества, извлекая их даже из очень разбавленных растворов, т. е. против химического градиента. Эти же транспортные системы могут участвовать и в облегченной диффузии, если вещества транспортируются по химическому градиенту. Кроме описанного выше примера симпорта питательных веществ вместе с возвращающимися в клетку ионами натрия, существует и разнонаправленный транспорт — антипорт. Например, белок полосы 3 эритроцитов осуществляет сопряженный транспорт Cl и HCO3 в противоположных направлениях через эритроцитарную мембрану.

У аэробных бактерий транспорт питательных веществ в клетку осуществляется в ходе симпорта не с ионами Na+ , а с протонами. Наилучшим образом охарактеризованным примером подобного переносчика служит лактозопермеаза кишечной палочки. Этот интегральный белок использует протонный электрохимический градиент, созданный на мембране в результате окислительного фосфорилирования, для симпорта лактозы: с каждым возвращенным в клетку протоном переносится одна молекула лактозы.

Следует отметить, что АТРазы представляют собой ферменты, катализирующие взаимообратимые реакции: при гидролизе АТР ионы транспортируются против электрохимического градиента, а перенос ионов по электрохимическому градиенту через каналы АТРазы может запускать синтез АТР.

Эндоцитоз и экзоцитоз. Эти способы переноса веществ через мембраны связаны с образованием впячиваний (инвагинаций) мембраны и формированием особых мембранных везикул, обеспечивающих прохождение через мембрану крупных макромолекул и частиц. При этом эндоцитоз обеспечивает поглощение клеткой веществ, а экзоцитоз — выделение из клетки. Принято делить цитозы еще на два типа: пиноцитоз и фагоцитоз. Пиноцитоз — это механизм, с помощью которого через мембрану проводятся белки и другие макромолекулы в жидкой фазе.

Фагоцитоз представляет собой поглощение клеткой крупных частиц, например бактерий, вирусов. Эти виды транспорта характерны в основном для эукариотических клеток, причем у животных фагоцитоз осуществляют только специализированные клетки, такие, например, как макрофаги. Для многих простейших, например амеб, фагоцитоз является основным способом питания.

Важной особенностью цитозов является последовательное образование и слияние везикул, в которых заключено транспортируемое вещество, причем секретируемые и поглащаемые молекулы локализуются в везикулах и не смешиваются с другими макромолекулами или органеллами клетки. С помощью не установленного пока меха-низма каждый пузырек сливается только со специфическими мембранными структурами (рис. 4.12).

В основе цитозов лежит еще одно характерное свойство липидных слоев биомембран — способность к агрегации, в результате чего мелкие везикулы объединяются в более крупные или происходит объединение везикул с плазматической мембраной клетки. Такой механизм основан на универсальности структуры биомембран, участвующих в формировании клеточных органелл и протопластов. Аналогичное явление можно наблюдать в пенах, где мыльные пузыри, также состоящие из амфифильных молекул (мыла — соли жирных кислот), обладают тенденцией к объединению с образованием более крупных структур.

Способность мембран к агрегации лежит в основе такого широко распространенного способа переноса генетической информации, как слияние протопластов.

Скорость цитозов удивительно высокая. Показано, что клетки печени поглощают путем эндоцитоза за 1 ч количество жидкости, составляющее не менее 20% их объема, и количество мембранного материала, по площади превышающее в пять раз площадь их плазматической мембраны. Сходство цитозов с другими способами транспорта веществ через биомембраны состоит в том, что переносимое вещество должно быть «узнано» мембранными компонентами, иными словами, и в этом случае проявляется избирательная проницаемость мембран для различных соединений.

Транспорт веществ

3

Транспорт веществ:

Перенос веществ через биол. мембраны сопряжен с такими важнейшими биологическими явлениями, как внутриклеточный гомеостаз ионов, биоэлектрические потенциалы, возбуждение и проведение нервного импульса, запасание и трансформация энергии.

Различают несколько видов транспорта:

1. Юнипорт – это транспорт вещества через мембрану независимо от наличия и переноса других соединений.

2. Контранспорт – это перенос одного вещества сопряженного с транспортом другого: симпорт и антипорт

а) причем однонаправленный перенос называется симпортом – всасывание аминокислот через мембрану тонкого кишечника,

б) противоположно направленный — антипортом (натрий – калиевый насос).

Транспорт веществ может быть — пассивный и активный транспорт (перенос)

Пассивный транспорт не связан с затратами энергии, он осуществляется путем диффузии (направленного движения) по концентрационным (из maс в сторону min), электрическим или гидростатическим градиентам. Вода перемещается по градиенту водного потенциала. Осмос — это перемещение воды через полупроницаемую мембрану.

Активный транспорт осуществляется против градиентов (из min в сторону maс), связан с затратой энергии (преимущественно энергии гидролиза АТФ) и сопряжен с работой специализированных мембранных белков переносчиков (АТФ — синтетазы).

Пассивный перенос может осуществляться:

а. Путем простой диффузии через липидный бислои мембраны, а также через специализированные образования — каналы. Путем диффузии через мембрану проникают в клетку:

  • незаряженные молекулы, хорошо растворимые в липидах, в т.ч. многие яды и лекарственные средства,

  • газы — кислород и углекислый газ.

  • ионы – они поступают через пронизывающие каналы мембраны, представляющие собой липопротеиновые структуры, Они служат для переноса определенных ионов (например, катионов – Na, K, Ca, анионов Cl, P,) и могут находиться в открытом или закрытом состоянии. Проводимость канала зависит от мембранного потенциала, что играет важную роль в механизме генерации и проведения нервного импульса.

б. Облегчённой диффузии. В ряде случаев перенос вещества совпадает с направлением градиента, но существенно превосходит по скорости простую диффузию. Этот процесс называют облегченной диффузией; он происходит с участием белков-переносчиков. Процесс облегченной диффузии не нуждается в энергии. Этим способом транспортируются сахара, аминокислоты, азотистые основания. Такой процесс происходит, например, при всасывании сахаров из просвета кишечника клетками эпителия.

в. Осмоса – перемещения растворителя через мембрану

Активный транспорт

Перенос молекул и ионов против электрохимического градиента (активный транспорт) связан со значительными затратами энергии. Часто градиенты достигают больших величин, например, концентрационный градиент водородных ионов на плазматической мембране клеток слизистой оболочки желудка составляет 106, градиент концентрации ионов кальция на мембране саркоплазматического ретикулума — 104, при этом потоки ионов против градиента значительны. В результате затраты энергии на транспортные процессы достигают, например, у человека, более 1/3 всей энергии метаболизма.

В плазматических мембранах клеток различных органов обнаружены системы активного транспорта ионов например:

  • натрия и калия — натриевый насос. Эта система перекачивает натрий из клетки и калий в клетку (антипорт) против их электрохимических градиентов. Перенос ионов осуществляется основным компонентом натриевого насоса — Na+, К+-зависимой АТФ-азой за счет гидролиза АТФ. На каждую гидролизующуюся молекулу АТФ транспортируется три иона натрия и два иона калия.

  • Существуют два типа Са2+-АТФ-аз. Одна из них обеспечивает выброс ионов кальция из клетки в межклеточную среду, другая — аккумуляцию кальция из клеточного содержимого во внутриклеточное депо. Обе системы способны создавать значительный градиент иона кальция.

  • К+, Н+-АТФ-аза обнаружена в слизистой оболочке желудка и кишечника. Она способна транспортировать Н+ через мембрану везикул слизистой оболочки при гидролизе АТФ.

  • В микросомах слизистой оболочки желудка лягушки найдена аниончувствительная АТФ-аза, способная при гидролизе АТФ осуществлять антипорт бикарбоната и хлорида.

  • Протонный насос в митохондриях и пластидах

  • секреция HCI в желудке,

  • поглощение ионов клетками корней растений

Нарушение транспортных функций мембран, в частности увеличение проницаемости мембран, — общеизвестный универсальный признак повреждения клетки. Нарушением транспортных функций (например, у человека) обусловлено более 20 так называемых транспортных болезней, среди которых:

  • почечная гликозурия,

  • цистинурия,

  • нарушение всасывания глюкозы, галактозы и витамина В12,

  • наследственный сфероцитоз (гемолитическая анемия, эритроциты имеют форму шара, при этом уменьшается поверхность мембраны, падает содержание липидов, увеличивается проницаемость мембраны для натрия. Сфероциты удаляются из кровяного русла быстрее, чем нормальные эритроциты).

В особую группу активного транспорта выделяют перенос веществ (крупных частиц) путем — и эндо- и экзоцитоза.

Эндоцитоз (от греч. эндо — внутри) поступление веществ в клетку, включает фагоцитоз и пиноцитоз.

Фагоцитоз (от греч. Phagos — пожирающий) – процесс захватывания твёрдых частиц, инородных живых объектов(бактерий, фрагменты клеток) одноклеточными организмами или клетками многоклеточных, последние называются фагоцитами, или клетками-пожирателями. Фагоцитоз открыт И. И. Мечниковым. Обычно при фагоцитозе клетка образует выпя­чивания, цитоплазмы — псевдоподии, которые обтекают захватываемые частицы.

Но о6разование псевдоподий не обязательно.

Фагоцитоз играет важную роль в питании одноклеточных и низших мно­гоклеточных животных, которым свойственно внутриклеточное пищева­рение, а также характерен для клеток, играющих важную роль в явлениях иммунитета и метаморфоза. Такая форма поглощения свойственна клеткам соединительной ткани – фагоцитам, выполняющим защитную функцию, активно фагоцитируют клетки плаценты, клетки выстилающие полость тела, пигментный эпителий глаз.

В процессе фагоцитоза можно выделить четыре последовательные фазы. В первой (факультативной) фазе фагоцит сближается с объектом погло­щения. Здесь существенное значение имеет положительная реакция фагоцита на химическое раздражение хемотаксис. Во второй фазе наблюдается адсорбция поглощаемой частицы на поверхности фаго­цита. В третьей фазе плазматическая мембрана в виде мешочка обвола­кивает частицу, края мешочка смыкаются и отрываются от остальной мембраны, а образовавшаяся вакуоль оказывается внутри клетки. В чет­вертой фазе заглоченные объекты разрушаются и перевариваются внутри фагоцита. Разумеется, эти стадии не отграничены, а незаметно переходят одна в другую.

Клетки могут аналогичным способом поглощать также жидкости и крупномолекулярные соединения. Это явление получило название п и н о ц и т о з а (греч. рупо — пить и суtоз — клетка). Пиноцитоз сопровожда­ется энергичным движением цитоплазмы в поверхностном слое, приводящим к образованию впячивания клеточной мембраны, идущей от поверхности в виде канальца внутрь клетки. На конце канальца образуются вакуоли, которые отрываются и переходят в цитоплазму. Пиноцитоз наиболее акти­вен в клетках с интенсивным обменом веществ, в частности в клетках лимфа­тической системы, злокачественных опухолей.

Путем пиноцитоза в клетки проникают высокомолекулярные соедине­ния: питательные вещества из кровяного русла, гормоны, ферменты и дру­гие вещества, в том числе лекарственные. Электронно-микроскопические исследования показали, что путем пиноцитоза происходит всасывание жира эпителиальными клетками кишечника, фагоцитируют клетки почечных канальцев и растущие ооциты.

Инородные тела, попавшие в клетку путем фагоцитоза или пиноцитоза, подвергаются воздействию лизирующих ферментов внутри пищеваритель­ных вакуолей либо непосредственно в цитоплазме. Внутриклеточными ре­зервуарами этих ферментов являются лизосомы.

Функции эндоцитоза

  1. Осуществляются, питание (яй­цеклетки поглощают таким способом желточные белки: фагосомами являются пищеварительные вакуоли простейших)

  2. Защитные и иммунные реакции (лейкоциты поглощают чужеродные частицы и иммуноглобули­ны)

  3. Транспорт (почечные канальцы всасывают бел­ки из первичной мочи).

  4. Избирательный эндоцитоз определен­ных веществ (желточных белков, иммуноглобулинов и т. п.) происходит при контакте этих веществ с субстрат-специфически­ми рецепторными участками на плазматической мембране.

Материалы, попадающие в клетку путем эндоцитоза, рас­щепляются («перевариваются»), накапливаются (напри­мер, желточные белки) или снова выводятся с противоположной стороны клетки путем экзоцитоза («цитопемпсис»).

Экзоцитоз (от греч. экзо – вне, снаружи)— процесс, противоположный эндоцитозу: например, из эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, различные эндоцитозные пузырьки, лизосомы сливаются с плазматической мембраной, освобождая своё содержимоё наружу.

Биология для студентов — 10. Механизмы пассивного и активного транспорта веществ в клетку. Их общебиологическое значение для клетки и организма

Пассивный транспорт перенос веществ по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой, без затрат энергии (диффузия, осмос). Диффузия — пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации. Осмос — пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану (обычно мелкие молекулы проходят, крупные не проходят). Осмос заключается в переходе молекул воды через мембрану по направлениям ее концентрационных градиентов.

По пути простой диффузии частицы вещества перемещаются сквозь липидный бислой. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O2, N2, бензол) и полярные маленькие молекулы (CO2, h3O, мочевина). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Ограниченная диффузия — диффузия через мембранные каналы. Основная масса каналов специфична (пропускает только один вид ионов), другие или не- или частично специфичны, причем каналы заполнены водой. Это доказано экспериментально в наблюдениях на искусственном липидном бислое. Если на его поверхность поместить электролит, то прохождения ионов нет, если добавить каналообразующие белки, то возникает электрический ток.

Облегчённая диффузия. Большинство веществ переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки образуют непрерывный белковый проход через мембрану. С помощью белков-переносчиков осуществляется как пассивный, так и активный транспорт веществ. Полярные вещества (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) проходят через мембраны с помощью облегчённой диффузии, при участии белков-каналов или белков-переносчиков. Участие белков-переносчиков обеспечивает более высокую скорость облегчённой диффузии по сравнению с простой пассивной диффузией. Скорость облегчённой диффузии зависит от ряда причин:

  • от трансмембранного концентрационного градиента переносимого вещества,
  • от количества переносчика, который связывается с переносимым веществом,
  • от скорости связывания вещества переносчиком на одной поверхности мембраны(например, на наружной),
  • от скорости конформационных изменений в молекуле переносчика, в результате которых вещество переносится через мембрану и высвобождается на другой стороне мембраны.

Облегчённая диффузия не требует специальных энергетических затрат за счёт гидролиза АТФ. Эта особенность отличает облегчённую диффузию от активного трансмембранного транспорта.

Белки — переносчики — это трансмембранные белки, которые специфически связывают молекулу транспортируемого вещества и, изменяя конформацию, осуществляют перенос молекулы через липидный слой мембраны. В белках-переносчиках всех типов имеются определенные участки связывания для транспортируемой молекулы. Они могут обеспечивать как пассивный, так и активный мембранный транспорт.

Активный транспорт — перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану (трансмембранный активный транспорт) или через слой клеток (трансцеллюлярный активный транспорт), протекающий против градиента концентрации из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии служит энергия макроэргических связей АТФ.

Различные транспортные АТФазы, локализованные в клеточных мембранах и участвующие в механизмах переноса веществ, являются основным элементом молекулярных устройств — насосов, обеспечивающих избирательное поглощение и откачивание определенных веществ (например, электролитов) клеткой. Активный специфический транспорт неэлектролитов (молекулярный транспорт) реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин — насосов и переносчиков. Транспорт неэлектролитов (моносахаридов, аминокислот и других мономеров) может сопрягаться с симпортом — транспортом другого вещества, движение которого по градиенту концентрации является источником энергии для первого процесса. Симпорт может обеспечиваться ионными градиентами (например, натрия) без непосредственного участия АТФ.

Поток воды, вызванный в пористой мембране действием осмотических сил, аналогичен тому, который бы возник при приложении гидростатического давления к столбу воды, заполняющему пору. Рассмотрим мембрану, которая отделяет чистый растворитель от раствора, содержащего молекулы растворенного вещества. Стенки поры будут предохранять движущиеся через нее молекулы воды от бомбардировки молекулами растворенного вещества, что создает осмотическое давление. Следовательно, молекулы воды в поре, расположенные ближе к той стороне мембраны, которая контактирует с раствором, будут находиться под меньшим гидростатическим давлением, чем молекулы, расположенные, ближе к той стороне, которая обращена к чистому растворителю. Движение молекул чистого растворителя полностью передается молекулам, находящимся внутри поры, что и приводит к установлению разности гидростатического давления (разность эта обусловлена различиями в концентрации воды, каждой из которых соответствует определенная величина гидростатического давления). Таким образом, данная модель позволяет объяснить тот факт, что поток воды, обусловленный, действием осмотических сил, приблизительно в 2,4 раза больше диффузионного потока; эти данные позволяют также вычислить эффективный диаметр поры, который оказался равным 0,35 нм.

Мембранный транспорт активный: вещества переносятся через мембрану против концентрационного, электрического и других видов градиентов, на это тратится энергия клеточного метаболизма. Пассивный транспорт осуществляется главным образом тремя способами:

  • Вещества, находящиеся в водной фазе по одну сторону мембраны, растворяются в липидно-белковом слое мембраны, пересекают его и вновь переходят в водную фазу с противоположной стороны мембраны.
  • Вещества, которые перемещаются через поры или каналы мембраны, заполненные водой. В отношении воды было сделано предположение: она дополнительно диффундирует через поры мембраны. Это было доказано экспериментально: если брать синтетическую мембрану, но состоящую только из липидов, вода проходит через нее Þ еще одни механизм, связанный с динамическими свойствами липидов. Так как во время этих динамических движений образуются дефекты и очень подвижные молекулы воды успевают проникнуть через них через мембрану. Кинетика такого транспорта характеризует графическую зависимость скорости поступления через мембрану от концентрации вещества вне клетки. Эта прямая отражает кинетику без насыщения (то есть концентрация вещества может возрастать до бесконечности). Такая кинетика отличает простую диффузию от двух других механизмов пассивного транспорта.
  • Вещества в процессе диффузии проходят через поры мембраны – водорастворимые, полярные соединения и электролиты. Органические вещества проходят за счет растворения в липидах. Зависимость растворения веществ в липидах исследовалось Овертоном. Он показал если есть карбоксильные, гидроксильные и аминогруппы, то это ухудшает проникновение через мембрану. Присутствие же метиловых, этиловых и фенильных групп наоборот облегчает проникновение веществ в клетку. Они не полярные и это увеличивает растворения этих веществ в липидах.

Коэффициент распределения показывает отношение растворимости веществ в жирах к растворимости этих веществ в воде. Чем выше этот коэффициент, тем легче проникают вещества в клетку, вне зависимости от размеров молекулы. Если вещества имеют одинаковый коэффициент распределения, то более мелкие молекулы будут проникать легче чем крупные. Водорастворимые вещества проходят через поры мембран. Для того чтобы пройти через пору, вещество должно преодолеть определенные силы, которые препятствуют этому. Вещество должно освободится от водной или сольватной оболочки, раздвинуть поверхностный молекулярный слой на границе клетки и омывающего раствора, преодолеть взаимодействие своих полярных групп и полярных групп поры мембран, преодолеть энергетический барьер, создаваемый на поверхности цитоплазмы ионами и коллоидами.

Транспорт веществ в организме, Биология

Способы транспорта веществ у организмов

Организму для поддержания своей жизнедеятельности постоянно нужны приток питательных веществ, удаление образовавшихся отходов, а также кислород для дыхания. У одноклеточных организмов доставка и удаление веществ (их транспорт) осуществляется главным образом в результате движения цитоплазмы. У многоклеточных для выполнения этой функции в процессе эволюции сформировалась специализированная жидкостная система транспорта веществ — сосудистая система. По сосудам вещества перемещаются с жидкостями: кровью, тканевой жидкостью, лимфой — у животных и растительным соком — у растений.

Транспорт веществ — это процесс переноса необходимых веществ по организму к клеткам и внутрь клеток, а также удаление отработанных веществ.

Следует заметить, что у многих мелких беспозвоночных животных (например, у медуз, гидры, коралловых полипов, губок, коловраток и плоских червей) сосудистой системы нет. Строение их тела достаточно простое, и транспорт веществ внутри организма обеспечивается диффузией и теми потоками тканевых жидкостей, которые возникают при движении тела. У более сложных организмов транспорт веществ осуществляет главным образом кровеносная система.

Компоненты транспортной системы у животных

Основными структурными компонентами транспорта являются: кровеносная система, ее крупные и мелкие сосуды (артерии, вены, капилляры), мускульный насос — сердце, лимфатическая система и «жидкая ткань» — кровь, лимфа и тканевая жидкость.

Сердце обеспечивает ток крови к жабрам или легким и к различным тканям.

Сосуды, несущие кровь от сердца к тканям тела, — артерии, а возвращающие кровь в сердце — вены; мелкие сосуды, соединяющие артерии и вены, — капилляры; сосуды, способствующие оттоку жидкости от тканей, — лимфатические сосуды. Артерии имеют более толстые стенки, у них больше, чем у вен, мышечных волокон и эластичных волокон соединительной ткани.

Капилляры — мельчайшие сосуды, имеющие диаметр (около 7 мкм у человека), достаточный лишь для прохождения одного эритроцита. Они могут сжиматься и пропускать очень малый ток крови, могут и вовсе закрываться. Капилляры располагаются между клетками большинства тканей тела. В тканях капилляры соединяют артериальные и венозные сосуды (через артериолы и венулы). Из капилляров кровь возвращается в сердце через вены.

Участок капиллярной сети в плавательной перепонке лапы лягушки: 1 — капилляр; 2 — артериола; 3 — венула; 4 — соединение между артериолами и венулами (анастомоз)

По сети капилляров — самых мелких сосудов — через их стенки осуществляется обмен с тканевой жидкостью, омывающей клетки организма. Мелкие молекулы и ионы свободно проходят сквозь стенки капилляров, поэтому здесь идет активная диффузия — из крови переходят наружу кислород и питательные вещества, а из тканей поступают двуокись углерода и конечные продукты обмена.

Капилляры — важнейшая часть сердечно-сосудистой системы, так как именно они обеспечивают обмен газами и питательными веществами между кровью и тканями. Остальные сосуды выполняют лишь транспортную функцию.

Лимфатическая транспортная система

По лимфатическим сосудам, не сообщаясь с артериями, тканевая жидкость может возвращаться в кровяное русло. Помимо сосудов, в лимфатической системе имеются узлы, встречающиеся в разных частях тела, но всегда расположенные по ходу лимфатических сосудов.

Сосудистая система — это транспортный путь, по которому питательные вещества доставляются во все части тела организма и удаляются продукты обмена. А непосредственную доставку и удаление веществ осуществляют тканевая жидкость, кровь и лимфа (у животных), растворы минеральных и органических веществ (у высших растений).

Тканевая жидкость содержится в межклетниках и околоклеточных пространствах тканей и органов позвоночных. Вместе с кровью и лимфой она составляет внутреннюю среду организма. Из тканевой жидкости клетки получают питательные вещества и в нее отдают продукты обмена. Объем этой жидкости в организме достаточно велик, например, у человека он составляет в среднем 26,5 % общей массы тела. Оттекая от органов в лимфатические сосуды, тканевая жидкость превращается в лимфу.

Кровь — циркулирующая в кровеносной системе всех позвоночных и многих беспозвоночных животных «жидкая ткань» внутренней среды, являющаяся одной из форм соединительной ткани. Она состоит из клеток и частиц мезенхимного происхождения (эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов) — форменных элементов, погруженных в жидкое межклеточное вещество — плазму.

Постоянный перенос кислорода и углекислого газа — одна из важнейших функций крови.

Красный цвет крови придает белок — пигмент гемоглобин, содержащийся в эритроцитах (у позвоночных животных) или в гемолимфе (у большинства беспозвоночных). Гемоглобин содержит четыре атома железа, каждый из которых способен связывать молекулу кислорода. Кроме того, гемоглобин связывает значительное количество двуокиси углерода и переносит ее в легкие, откуда она удаляется с выдыхаемым воздухом.

У позвоночных животных и у человека циркулирующая кровь нигде не соприкасается с тканевой жидкостью и клетками, удаленными от сосудов, хотя плазма может свободно проникать через стенки сосуда. Такая кровеносная система называется замкнутой. У некоторых беспозвоночных животных (членистоногих, многих моллюсков и асцидий) кровеносная система является незамкнутой: у них из артерий кровь поступает в ткани и смешивается с тканевой жидкостью, а затем попадает в вены и сердце.

У некоторых организмов с незамкнутой кровеносной системой функцию крови выполняет гемолимфа, которая осуществляет транспорт O2, CO2, питательных веществ и продуктов выделения. Гемолимфа — обычно бесцветная или зеленоватая жидкость, циркулирующая в сосудах и межклеточных полостях тела. В гемолимфе содержатся различные клеточные элементы, а также дыхательные пигменты — гемоцианины и гемоглобины. Эти пигменты находятся в растворенном состоянии. Гемоцианин, как и гемоглобин, также осуществляет транспорт кислорода благодаря присутствию в своей в своей молекуле атома меди, но имеет более низкую кислородную емкость, чем гемоглобин.

Плазма — жидкая часть крови, содержащая растворенные минеральные и органические вещества — аминокислоты, белки, жиры, углеводы (глюкозу). По солевому составу она практически идентична тканевой жидкости. Специфические белки плазмы — это альбумины, глобулины и фибриноген. Основная функция альбуминов — удержание воды в плазме за счет осмоса. Глобулины определяют иммунные свойства организма, связывая чужеродные для него вещества. Фибриноген является важным фактором свертывания крови — защитной реакцией, предохраняющей организм от кровопотерь. Помимо фибриногена в этом процессе принимают участие и некоторые белки-глобулины.

Лимфа — бесцветная непрозрачная жидкость с увеличенным содержанием эмульгированного жира. По щелочной реакции (pH 7,4-9) и по составу солей лимфа очень близка к крови, но в ней меньше белков и свертывается она заметно медленнее крови. Основные функции лимфы — трофическая (перенос питательных веществ, преимущественно жиров) и защитная (в лимфу легко проникают яды и бактериальные токсины, нейтрализующиеся затем в лимфатических узлах).

Движение крови, происходящее благодаря координированной работе органов кровообращения — сердца и кровеносных сосудов, определяет ее транспортную функцию, обеспечивающую обмен веществами между организмом и внешней средой.

для детей: перемещение веществ внутрь и из клеток

Клеточный транспорт

Два основных метода, с помощью которых организмы перемещают материалы внутри своих тел, важны для понимания клеточного транспорта:

  • массовый поток — это простой механизм, посредством которого частицы физически переносятся в потоке жидкости, такой как вода, воздух или кровь. Это быстрый и эффективный способ транспортировки веществ на относительно большие расстояния.
  • диффузия, осмос и активный транспорт — это три схожих химических метода, с помощью которых отдельные молекулы или очень маленькие структуры перемещаются через мембраны или относительно короткие расстояния, часто внутри или между клетками.

Движение веществ внутрь и наружу клеток (например, питательных веществ и токсинов) является очень важной частью биологии, так как без нее нет клеток и, следовательно, ни один организм не может жить очень долго. Вещества могут пересекать защитную клеточную мембрану только путем диффузии, осмоса или активного транспорта (не беспокойтесь — все эти термины будут вскоре объяснены).Массовый поток работает только на уровне органов, тканей и всего организма.

Основы биологии

Вы, наверное, уже знаете, что вся материя состоит из крошечных, невидимых атомов . Когда атомы становятся связанными вместе, они образуют молекул . И атомы, и молекулы могут развивать электрический заряд. Электрически заряженные атомы или молекулы называются ионами.

В биологии мы используем простой термин частицы для обозначения всех этих вещей: атомов, молекул и ионов.

Именно эти частицы движутся внутри и между клетками путем диффузии, осмоса или активного транспорта. Частицы могут быть выдвинуты из клеток только тогда, когда они растворены в воде. Вода с частицами, растворенными в ней, известна как раствор . Вода в растворе называется растворителем , а частицы — растворенным веществом. Мы вернемся к этим условиям позже.

Что такое диффузия?

Классическое определение диффузии — это перемещение вещества из области более высокой концентрации в область с более низкой концентрацией (градиент концентрации ).Но что это на самом деле означает?

Частицы всегда находятся в случайном движении. Концентрация просто означает, сколько частиц содержится в данном объеме. При случайном движении частицы будут естественным образом распространяться от того места, где их много, туда, где их мало или нет. Это то, что мы подразумеваем под диффузией вдоль градиента концентрации.

Посмотрите эту короткую анимацию, чтобы лучше понять эту идею:

Клетки и диффузия

Два условия должны быть выполнены для проникновения вещества в клетку путем диффузии.

  • Мембрана клетки должна быть проницаемой для этого конкретного вещества. Это означает, что вещество должно каким-то образом проникать через мембрану, не разрушая ее.
  • Концентрация вещества внутри клетки ниже, чем снаружи.

Кислород является отличным примером жизненно важного для жизни вещества, которое попадает в клетки в процессе диффузии. Кислород потребляется клетками в процессе , дыхание . Это означает, что концентрация кислорода в любой клетке может уменьшиться.Это создает градиент концентрации, который притягивает новый кислород в клетку путем диффузии через клеточную мембрану.

Процесс диффузии вдоль градиента концентрации также может действовать, чтобы вывести вещества из клеток. Отличным примером этого является случай углекислого газа. Углекислый газ является побочным продуктом дыхания. Следовательно, углекислый газ имеет тенденцию к увеличению концентрации в клетках. Молекулы углекислого газа выходят из клетки путем диффузии, как только концентрация вещества внутри клетки выше, чем вне клетки.

В обоих этих примерах частицы, из которых состоит вещество, движутся по градиенту концентрации: из области более высокой концентрации в область с более низкой концентрацией.

Увеличение скорости диффузии

Сама диффузия, как правило, очень медленный процесс. Иногда клеткам необходимо быстрее перемещать вещества, и поэтому для ускорения диффузии развился целый ряд механизмов.

Эти механизмы используют три ключевых фактора:

  • температура
  • отношение площади поверхности к объему
  • градиент концентрации


Давайте посмотрим на каждого по очереди.

Температура и диффузия

Вы, наверное, уже знаете, что когда температура вещества увеличивается (она становится выше), частицы, из которых состоит вещество, начинают перемещаться намного быстрее. Это увеличение движения, когда вещества прогреваются, также может способствовать диффузии, поскольку частицы начинают двигаться быстрее.

Люди — «теплокровные» животные или, точнее, эндотерм . Это означает, что мы можем поддерживать постоянную внутреннюю температуру.В нашем случае это около 37 ° C и поддерживает наш метаболизм, даже когда в окружающей среде холодно. Все млекопитающие являются эндотермическими. Большинство рептилий, однако, являются экзотермами , или «хладнокровными», и их приходится отключать, если температура окружающей среды падает ниже определенного уровня.

Соотношение площади поверхности к объему

Чем больше площадь поверхности ячейки, тем быстрее движение веществ внутрь и наружу. Это просто потому, что существует больше мембраны для веществ, чтобы пересечь.Возможно, вы можете представить камеру как комнату. Если дверной проем широкий, больше людей могут войти или выйти вместе. Если дверной проем узкий, в любой момент может входить и выходить меньше людей.

Но наличие большой площади поверхности не обязательно ускоряет диффузию. Эта большая площадь поверхности должна быть в определенном соотношении с внутренним объемом ячейки. Звучит сложно? Это звучит так, но не волнуйтесь, это довольно легко понять.

Наиболее важным фактором для ячейки является не только ее площадь поверхности, но и отношение площади поверхности к объему .Скорость потребления веществ зависит от объема, но именно площадь поверхности клеточной мембраны определяет скорость поглощения нового материала.

Другими словами, чем больше площадь поверхности ячейки по сравнению с ее объемом, тем более эффективно ячейка будет выполнять свои функции.

Интересно отметить, что когда ячейка становится больше, ее объем будет увеличиваться больше, чем площадь ее поверхности. Давайте посмотрим, что произойдет, если вы удвоите размер ячейки:

  • удвоение размера ячейки увеличивает ее объем в 8 раз.
  • удвоение размера ячейки увеличивает площадь ее поверхности только в 4 раза.

Итак, вы можете видеть, что существует отрицательная связь между размером и эффективностью в ячейках. Чем больше они становятся, тем сложнее им достаточно быстро освоить материалы.

Как клетка может увеличить отношение площади поверхности к объему?

Существует три основных способа, которыми ячейка может увеличить отношение площади поверхности к объему.

  1. Оставайтесь маленькими . Не случайно наши клетки такие маленькие.Существует максимальный размер, после которого они больше не могут функционировать. Чем меньше ячейка, тем больше отношение ее объема к площади поверхности.
  2. Выровнять. Если ячейка развивает плоскую, а не круглую форму, она может поддерживать постоянный объем при увеличении площади ее поверхности. Многие клетки человека, такие как клетки легких и эпителиальные клетки, используют этот подход.
  3. Развивают неровную поверхность . Клетки в кишечнике имеют «волнистые» кусочки, похожие на волоски. Они на самом деле являются частью клеточной мембраны и служат для увеличения площади поверхности, позволяя этим специализированным клеткам лучше поглощать переваренные частицы пищи.Волосатые корневые клетки растений используют ту же стратегию для поглощения питательных веществ из почвы.

Градиент концентрации

Мы уже видели, что диффузия означает перемещение веществ из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией.

Однако скорость диффузии зависит от градиента концентрации. Градиент концентрации рассчитывается как разница в концентрации на сантиметр.

Представьте себе мальчика, катящего мяч вниз по склону.Если склон очень крутой, мяч будет катиться быстрее. Если градиент концентрации крутой, то есть он представляет собой быстрое изменение от высокой концентрации к низкой концентрации, тогда вещества будут двигаться вниз по нему быстрее — точно так же, как мяч!

Типичная клеточная мембрана очень тонкая. Причина этого заключается в том, чтобы сократить расстояние между внутренней и внешней концентрациями. Это помогает создать более крутой градиент концентрации, позволяющий перемещать вещества внутрь клетки и из нее.

Когда вы делаете глубокий вдох, концентрация кислорода в легких увеличивается. Легкие полны воздуха с высокой концентрацией кислорода по сравнению с более низкой концентрацией кислорода в крови. Поэтому кислород диффундирует в кровоток.

Активный транспорт

Движение веществ в и из клетки путем диффузии известно как пассивный транспорт. Однако иногда вещества не будут диффундировать через мембрану и нуждаются в химической помощи.Это известно как активный транспорт .

Типичная ситуация, в которой требуется активный транспорт, — это когда вещество должно перемещаться против градиента концентрации. Очевидно, что в этом случае диффузия не поможет вообще!

Активный транспорт всегда происходит через клеточную мембрану и требует дополнительной энергии, чтобы подтолкнуть частицы к градиенту концентрации. Энергия для активного транспорта обеспечивается процессом дыхания.

В клеточную мембрану встроены специализированные молекулы.Эти молекул-носителей поглощают энергию дыхания, чтобы помочь другим веществам пересечь клеточную мембрану.

Осмос

Осмос — это точно такой же механизм, что и диффузия, но это термин, используемый специально для обозначения движения молекул воды. Поэтому, когда молекулы воды (H 2 O) переносятся через частично проницаемую мембрану из области более высокой в ​​область с более низкой концентрацией, которая называется осмосом .

Давайте немного остановимся здесь, чтобы дать некоторые определения нескольких важных терминов, которые мы использовали:

  • Частично проницаемая мембрана (также известная как полупроницаемая мембрана или селективно проницаемая мембрана).Это просто означает мембрану, которая пропускает только одни вещества, а не другие. Клеточные мембраны все такого рода.
  • Один из способов, с помощью которых мембрана может быть частично проницаемой, заключается в том, что она фактически больше похожа на сетку из крошечных отверстий. Некоторые частицы достаточно малы, чтобы пройти через эти «поры», а другие — нет.
  • В биологической клетке молекулы воды могут проходить в обоих направлениях, и чистое движение всегда означает, что больше молекул воды перемещается от более высоких к более низким концентрациям, чем наоборот.Помните, что диффузия молекул воды называется , осмос — .

Влияние осмоса на клетки животных

Клетка животного окружена частично проницаемой мембраной. Поскольку осмос позволяет воде свободно проходить через клеточную систему, он может принести как много вреда, так и пользы. Наибольшую опасность представляет , лизис .

  • лизис происходит от греческого слова «раскол», и это именно так. Если внешняя среда клетки более разбавлена, чем ее внутренняя среда (цитоплазма), то осмос заставляет ее набухать водой до тех пор, пока она не лопнет.Это известно как лизис.
  • Если ситуация обратная и слишком много воды покидает клетку, в том числе и в результате осмоса, клетка может обезвоживаться и погибать.

Комплекс химических механизмов гарантирует, что у здорового животного тканевая жидкость , окружающая клетки, поддерживается в концентрации, равной концентрации цитоплазмы.

Важность осмоса для растительных клеток

Осмос представляет гораздо меньшую угрозу для растительных клеток, чем для клеток животных.Фактически, они создали жесткую клеточную стенку, которая позволяет им использовать осмос в своих интересах.

Вода поступает в растительную клетку путем осмоса, когда в цитоплазме концентрация молекул воды ниже, чем в окружающей водной среде. Клетка расширяется, чтобы приспособиться к притоку молекул воды. Это растягивает стенку клетки. Как мы видели в клетках животных, мембрана недостаточно прочна, чтобы противостоять слишком большому расширению и может взорваться, что приведет к гибели клетки.Клеточная стенка растения, однако, намного сильнее, и, когда клетка наполняется водой, она оказывает противоположное давление до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, и вода больше не сможет проникнуть. Растительная клетка в этом состоянии, заполненная молекулами воды, называется тургидом .

Этот процесс жизненно важен для растений. Твердые клетки плотно прижаты друг к другу и позволяют растению оставаться в вертикальном положении и удерживать листья в направлении света.

Когда растение увядает или становится вялым , это происходит из-за недостатка воды.Он больше не может поглощать достаточное количество молекул воды путем осмоса, чтобы поддерживать свою тургорность, поэтому листья и, возможно, также стебель теряют свою основную поддержку.

Если это состояние острое и длительное, вакуоль в ядре растительной клетки, где хранятся вода и питательные вещества, может высохнуть, что приведет к уменьшению цитоплазмы. Растение в таком состоянии явно умирает. Его клетки называются , плазмолизированными .

Резюме

Вот краткий обзор того, что мы узнали на этой странице:

  • Вещества перемещаются внутрь и наружу клеток путем диффузии вниз по градиенту концентрации через частично проницаемую мембрану.
  • Эффективность движения веществ внутрь и наружу клетки определяется отношением ее объема к площади поверхности.
  • Отобранные вещества могут перемещаться вверх по градиенту концентрации с помощью специализированных молекул, встроенных в мембрану. Это называется вспомогательной диффузией или активным транспортом.
  • Осмос — это тип диффузии, но он относится только к движению молекул воды.
  • Неконтролируемый осмос в клетке животного может вызвать гибель клетки.
  • Растения имеют жесткие клеточные стенки, которые не дают им взорваться.Они могут наполниться водой и стать твердыми, что помогает поддерживать растение.
,
Как клеточные вещества транспортируются через плазменную мембрану
  2. Образование
  3. Наука
  4. Биология
  5. Как клеточные вещества транспортируются через плазменную мембрану

Плазменная мембрана, окружающая клетки животных, является тем местом, где происходит обмен веществ внутри и снаружи клетки имеет место. Некоторые вещества должны перемещаться из внеклеточной жидкости за пределы клетки внутрь клетки, а некоторые вещества должны перемещаться изнутри клетки во внеклеточную жидкость.

Некоторые из белков, которые застряли в плазматической мембране, помогают сформировать отверстия (каналы) в мембране. Через эти каналы пропускаются некоторые вещества, такие как гормоны или ионы. Они либо «распознаются» рецептором (молекулой белка) внутри клеточной мембраны, либо они присоединяются к молекуле-носителю, которая пропускается через каналы. Поскольку плазматическая мембрана выбирает, какие вещества могут проходить через нее, говорят, что она избирательно проницаема .

Проницаемость описывает легкость, с которой вещества могут проходить через границу, такую ​​как клеточная мембрана. Проницаемость означает, что большинство веществ могут легко проходить через мембрану. Непроницаемый означает, что вещества не могут проходить через мембрану. Избирательно проницаемый или полупроницаемый означает, что только определенные вещества способны проходить через мембрану.

Для транспортировки веществ через плазматическую мембрану может потребоваться, чтобы клетка использовала часть своей энергии.Если используется энергия, транспорт называется , активный — . Если молекулы могут проходить через плазматическую мембрану без использования энергии, молекулы используют пассивный транспорт .

Помощь молекулам через: активный транспорт

Иногда молекулы слишком велики, чтобы легко проходить через плазматические мембраны или растворяться в воде, чтобы их можно было фильтровать через мембрану. В этих случаях клетки должны выделять немного энергии, чтобы помочь проникнуть молекулам внутрь клетки или из нее.

В плазматическую мембрану встроены белковые молекулы, некоторые из которых образуют каналы, через которые могут проходить другие молекулы. Некоторые белки действуют как носителей , то есть им «платят» за энергию, чтобы позволить молекуле присоединиться к себе и затем транспортировать эту молекулу внутри клетки.

Пассивный транспорт молекул

Мембрана позволяет пассивно транспортировать через нее молекулы тремя способами: диффузией, осмосом и фильтрацией.

  • Диффузия: Иногда организмам необходимо перемещать молекулы из области, где они сильно сконцентрированы, в область, где молекулы менее концентрированы.Этот транспорт гораздо проще, чем перемещение молекул из низкой концентрации в высокую концентрацию. Чтобы перейти от высокой концентрации к низкой концентрации, по сути, молекулы должны только «распространяться» сами, или рассеиваться, по мембране, разделяющей области концентрации.

    В организме человека это действие происходит в легких. Вы вдыхаете воздух, и кислород попадает в крошечные воздушные мешочки легких, альвеолы ​​. Вокруг крошечных воздушных мешочков легких находятся самые крошечные кровеносные сосуды — капилляров. Капилляры в легких, называемые легочными капиллярами, содержат самую низкую концентрацию кислорода в организме, потому что к тому времени, когда кровь попадает в мельчайшие сосуды, большая часть кислорода расходуется другими органами и тканями.

    Итак, самые маленькие воздушные мешочки легких имеют более высокую концентрацию кислорода, чем капилляры. Это означает, что кислород из альвеол легких может распространяться через мембрану между воздушным мешком и капилляром, попадая в кровоток.

  • Осмос: Этот термин используется, когда речь идет о молекулах воды, диффундирующих через мембрану. По сути, диффузия воды (осмос) работает, как описано в предыдущей пуле. Однако при осмосе учитывается концентрация веществ в воде. Если раствор изотонический , это означает, что концентрации веществ (растворенные вещества) и воды (растворитель) с обеих сторон мембраны равны.Если один раствор является гипотоническим или , то в нем имеется более низкая концентрация веществ (и больше воды) по сравнению с другим раствором. Если гипертонический раствор , в нем более высокая концентрация веществ (и меньше воды) по сравнению с другим раствором.

    Например, кровь в вашем теле содержит определенное количество соли. Нормальная концентрация изотоническая. Если вдруг концентрация соли слишком высока, кровь становится гипертонической (слишком много молекул соли).Этот избыток соли вытесняет воду из клеток крови в попытке выровнять вещи. Но эффект, который оказывает это действие, заключается в сокращении клеток крови.

    Это сокращение клеток называется Crenation (не кремация). Если в кровотоке слишком много жидкости, в клетках крови слишком мало молекул соли, что делает их гипотоническими. Затем клетки крови принимают воду в попытке нормализовать кровь и сделать ее изотонической. Однако, если клеткам крови требуется слишком много воды, чтобы привести все в равновесие, они могут набухать, пока не лопнут.Это разрушение клеток называется гемолиз ( гемо = кровь; лизис = разрыв).

  • Фильтрация: Последняя форма пассивного транспорта чаще всего используется в капиллярах. Капилляры настолько тонкие (их мембраны имеют толщину всего в одну клетку), поэтому через них легко проходит диффузия. Но помните, что у животных есть кровяное давление. Давление, при котором кровь протекает через капилляры, достаточно для выталкивания воды и небольших растворенных веществ, растворенных в воде, прямо через капиллярную мембрану.Таким образом, по сути, капиллярная мембрана действует как фильтровальная бумага, позволяя жидкости окружать клетки организма и предотвращая попадание крупных молекул в тканевую жидкость.

,

сот | Определение, типы и функции

Рассмотрим, как одноклеточный организм содержит необходимые структуры для питания, роста и размножения. Клетки являются основными единицами жизни. Encyclopædia Britannica, Inc. Просмотреть все видео этой статьи

Ячейка , в биологии, основная мембраносвязанная единица, которая содержит основные молекулы жизни и из которых состоят все живые существа. Отдельная клетка часто представляет собой целостный организм, такой как бактерия или дрожжи.Другие клетки приобретают специализированные функции по мере взросления. Эти клетки взаимодействуют с другими специализированными клетками и становятся строительными блоками крупных многоклеточных организмов, таких как люди и другие животные. Хотя клетки намного крупнее атомов, они все еще очень малы. Самые маленькие известные клетки — это группа крошечных бактерий, называемых микоплазмами; некоторые из этих одноклеточных организмов представляют собой сферы диаметром всего 0,2 мкм (1 мкм = около 0,000039 дюйма) с общей массой 10 –14 грамм, равной массе 8 000 000 000 атомов водорода.Клетки человека обычно имеют массу в 400 000 раз больше, чем масса отдельной микоплазменной бактерии, но даже человеческие клетки имеют ширину всего около 20 мкм. Для покрытия головки булавки потребуется лист из примерно 10000 клеток человека, и каждый организм человека состоит из более чем 30 000 000 000 000 клеток.

животная клетка Основные структуры животной клеткиЦитоплазма окружает специализированные структуры клетки или органеллы. Рибосомы, сайты синтеза белка, обнаружены свободными в цитоплазме или прикреплены к эндоплазматической сети, через которую материалы транспортируются по всей клетке.Энергия, необходимая клетке, выделяется митохондриями. Комплекс Гольджи, стопки сплющенных мешочков, перерабатывает и упаковывает материалы, которые должны быть выпущены из клетки в секреторные пузырьки. Пищеварительные ферменты содержатся в лизосомах. Пероксисомы содержат ферменты, которые детоксифицируют опасные вещества. Центросома содержит центриоли, которые играют роль в делении клеток. Микроворсинки — это пальцеобразные расширения, обнаруживаемые в определенных клетках. Реснички, похожие на волосы структуры, которые простираются от поверхности многих клеток, могут создавать движение окружающей жидкости.Ядерная оболочка, двойная мембрана, окружающая ядро, содержит поры, которые контролируют движение веществ в и из нуклеоплазмы. Хроматин, комбинация ДНК и белков, которые скручиваются в хромосомы, составляет большую часть нуклеоплазмы. Плотное ядрышко является местом образования рибосом. © Merriam-Webster Inc.

Основные вопросы

Что такое клетка?

Клетка — это масса цитоплазмы, которая внешне связана клеточной мембраной. Обычно микроскопические по размеру клетки представляют собой наименьшие структурные единицы живой материи и составляют все живые существа.У большинства клеток есть одно или несколько ядер и других органелл, которые выполняют множество задач. Некоторые отдельные клетки являются полноценными организмами, такими как бактерия или дрожжи. Другие являются специализированными строительными блоками многоклеточных организмов, таких как растения и животные.

Что такое клеточная теория?

Теория клетки утверждает, что клетка является фундаментальной структурной и функциональной единицей живой материи. В 1839 году немецкий физиолог Теодор Шванн и немецкий ботаник Матиас Шлейден объявили, что клетки являются «элементарными частицами организмов» как у растений, так и у животных, и признали, что некоторые организмы являются одноклеточными, а другие — многоклеточными.Эта теория ознаменовала большой концептуальный прогресс в биологии и привела к возобновлению внимания к живым процессам, происходящим в клетках.

Что делают клеточные мембраны?

Клеточная мембрана окружает каждую живую клетку и отделяет клетку от окружающей среды. Он служит барьером для предотвращения попадания содержимого клетки и нежелательных веществ. Он также функционирует в качестве шлюза для активного и пассивного перемещения важных питательных веществ в клетку и отходов из нее.Определенные белки в клеточной мембране участвуют в межклеточной коммуникации и помогают клетке реагировать на изменения в окружающей среде.

В этой статье рассматривается клетка как отдельная единица и как часть более крупного организма. Как отдельная единица, клетка способна метаболизировать свои собственные питательные вещества, синтезировать многие типы молекул, снабжать своей собственной энергией и размножаться, чтобы произвести следующие поколения. Его можно рассматривать как закрытый сосуд, в котором одновременно происходят бесчисленные химические реакции.Эти реакции находятся под очень точным контролем, так что они способствуют жизни и размножению клетки. В многоклеточном организме клетки становятся специализированными для выполнения различных функций в процессе дифференцировки. Для этого каждая ячейка поддерживает постоянную связь со своими соседями. Поскольку он получает питательные вещества и выбрасывает отходы в окружающую среду, он прилипает к другим клеткам и взаимодействует с ними. Кооперативные собрания подобных клеток образуют ткани, а взаимодействие тканей в свою очередь образует органы, которые выполняют функции, необходимые для поддержания жизни организма.

Особое внимание в этой статье уделяется клеткам животных с некоторым обсуждением процессов синтеза энергии и внеклеточных компонентов, свойственных растениям. (Для подробного обсуждения биохимии растительных клеток см. Фотосинтез . Для полной обработки генетических событий в ядре клетки см. Наследственность .)

Брюс М. Альбертс

Природа и функции клеток

A клетка окружена плазматической мембраной, которая образует селективный барьер, который позволяет питательным веществам поступать и отходы уходят.Внутренняя часть клетки организована во множество специализированных отделений или органелл, каждый из которых окружен отдельной мембраной. Одна из основных органелл, ядро, содержит генетическую информацию, необходимую для роста и размножения клеток. Каждая клетка содержит только одно ядро, тогда как другие типы органелл присутствуют в нескольких копиях в клеточном содержимом или цитоплазме. Органеллы включают митохондрии, которые отвечают за энергетические транзакции, необходимые для выживания клеток; лизосомы, которые переваривают нежелательные вещества внутри клетки; и эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, которые играют важную роль во внутренней организации клетки, синтезируя выбранные молекулы, а затем обрабатывая, сортируя и направляя их в соответствующие места.Кроме того, растительные клетки содержат хлоропласты, которые отвечают за фотосинтез, посредством чего энергия солнечного света используется для преобразования молекул углекислого газа (CO 2 ) и воды (H 2 O) в углеводы. Между всеми этими органеллами находится пространство в цитоплазме, называемое цитозолем. Цитозоль содержит организованный каркас из волокнистых молекул, которые составляют цитоскелет, который придает клетке свою форму, позволяет органеллам двигаться внутри клетки и обеспечивает механизм, посредством которого сама клетка может двигаться.Цитозоль также содержит более 10000 различных видов молекул, которые участвуют в клеточном биосинтезе, процессе создания больших биологических молекул из маленьких.

клетки Животные клетки и клетки растений содержат мембраносвязанные органеллы, в том числе отличное ядро. Напротив, бактериальные клетки не содержат органелл. Encyclopædia Britannica, Inc. Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 года с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Специализированные органеллы характерны для клеток организмов, известных как эукариоты.Напротив, клетки организмов, известные как прокариоты, не содержат органелл и, как правило, меньше, чем эукариотические клетки. Тем не менее, все клетки имеют сильное сходство в биохимической функции.

эукариотическая клетка Вырез эукариотической клетки. Encyclopædia Britannica, Inc.

Молекулы клеток

Понять, как клеточные мембраны регулируют потребление пищи и отходов и как клеточные стенки обеспечивают защиту Клетки поглощают молекулы через свои плазматические мембраны. Encyclopædia Britannica, Inc. Просмотреть все видео этой статьи

Клетки содержат специальную коллекцию молекул, которые заключены в мембрану. Эти молекулы дают клеткам возможность расти и размножаться. Общий процесс клеточного размножения происходит в два этапа: рост клеток и деление клеток. Во время роста клетки, клетки поглощают определенные молекулы из окружающей среды, избирательно пронося их через клеточную мембрану. Оказавшись внутри клетки, эти молекулы подвергаются действию узкоспециализированных, крупных, сложным образом сложенных молекул, называемых ферментами.Ферменты действуют как катализаторы, связываясь с поглощенными молекулами и регулируя скорость, с которой они химически изменяются. Эти химические изменения делают молекулы более полезными для клетки. В отличие от поглощенных молекул, катализаторы не подвергаются химическому изменению во время реакции, что позволяет одному катализатору регулировать определенную химическую реакцию во многих молекулах.

Биологические катализаторы создают цепочки реакций. Другими словами, молекула, химически трансформированная одним катализатором, служит в качестве исходного материала или субстрата второго катализатора и так далее.Таким образом, катализаторы используют небольшие молекулы, введенные в клетку из внешней среды, для создания все более сложных продуктов реакции. Эти продукты используются для роста клеток и репликации генетического материала. Как только генетический материал скопирован и имеется достаточное количество молекул для поддержки клеточного деления, клетка делится, создавая две дочерние клетки. Через множество таких циклов роста и деления клеток каждая родительская клетка может породить миллионы дочерних клеток, превращая большое количество неодушевленного вещества в биологически активные молекулы.

Related Posts

Leave A Comment