Informație

2020_Winter_Bis2a_Facciotti_Lecture_09 - Biologie


Obiective de învățare asociate cu 2020_Winter_Bis2a_Facciotti_Lecture_09

  • Explicați modul în care moleculele se deplasează în și în afara celulelor.
  • Discutați despre diferitele roluri funcționale desfășurate de o membrană biologică.
  • Descrieți calitățile și componentele membranei plasmatice.
  • Definiți proprietățile moleculelor care pot călători prin membrana plasmatică și contrastați-le cu proprietăți care fac alte molecule incapabile să pătrundă în membrană.
  • Comparați și contrastați influența diferitelor lungimi ale lanțului fosfolipidic șigradul desaturația în lipidele membranei pe fluiditatea membranei.
  • Comparați și contrastați difuzia pasivă, difuzarea facilitată și transportul activ.
  • Discutați despre avantajele și compromisurile asociate cu difuzia pasivă, difuzarea facilitată și transportul activ.
  • Preziceți proprietățile grupelor R pe aminoacizisituatîn diferite locații din cadrul transportoarelor transmembranare.
  • Preziceți cum schimbarea unui anumit aminoacid sau a unui grup de aminoacizi dintr-o proteină transportoare transmembranară ar putea afecta funcția sa.
  • Înțelegeți rolul membranei plasmatice în menținerea gradienților chimici și electrici.

Membranele

Membranele plasmatice închid și definesc granițele dintre interiorul și exteriorul celulelor. eisunt compuse de obiceide dinamic straturile de fosfolipide în care au și alte molecule și proteine ​​liposolubile și proteinea fost încorporat. Aceste bistraturi sunt asimetrice - frunza exterioară diferă de frunza interioară în compoziția lipidică și în proteinele și carbohidrații caresunt afișatefie în interiorul, fie în exteriorul celulei. Proteinele, lipidele și zaharurile afișate pe membrana celulară permit celulelor să o facăfi detectatde și pentru a interacționa cu parteneri specifici.

Diversi factori influențează fluiditatea, permeabilitatea și diferite alte proprietăți fizice ale membranei. Acestea includ temperatura, configurația cozilor de acizi grași (unele

sunt îndoite

prin legături duble), steroli (adică colesterol) încorporate în membrană și natura mozaic a multor proteine ​​încorporate în ea. Membrana plasmatică este „permeabilă selectiv”. Aceasta înseamnă că permite doar anumite substanțe, excluzându-le pe altele. În plus, membrana plasmatică trebuie, uneori, să fie suficient de flexibilă pentru a permite anumitor celule, cum ar fi amibele, să-și schimbe forma și direcția pe măsură ce se deplasează prin mediu, vânând organisme unicelulare mai mici.

Faceți clic pe următorul link pentru a vedea o amoebă în acțiune: Amoebae Hunting Video

Membranele celulare

Un obiectiv secundar în provocarea noastră de proiectare „construiți o celulă” este crearea unei limite care să separe „interiorul” celulei de mediul „exterior”. Această graniță trebuie să îndeplinească mai multe funcții care includ:

  1. Acționează ca o barieră prin blocarea unor compuși de a se deplasa în și din celulă.
  2. Fii selectiv permeabilîn ordinepentru a transporta compuși specifici în și din celulă.
  3. Primiți, detectați și transmiteți semnale din mediu către interiorul celulei.
  4. Proiectează „sinele” altora comunicând identitatea altor celule din apropiere.

figura 1. Diametrul unui balon tipic este de 25 cm, iar grosimea plasticului balonului este de aproximativ 0,25 mm. Aceasta este o diferență de 1000X. O celulă eucariotă tipică va avea un diametru celular de aproximativ50 umși o grosime a membranei celulare de 5 nm. Aceasta este o diferență de 10.000 de ori.


Raportul grosimii membranei comparativ cu dimensiunea unei celule eucariote medii este mult mai mare comparativ cu cel al unui balon întins cu aer. A gandiaceagranița dintre viață și non-viață este atât de mică și aparent fragilă, mai mult decât un balon, sugerează că membrana structurală trebuie să fie relativ stabilă. Trageți din informațiile pe care le-am acoperit deja în această clasă pentru a reflecta asupra modului în care membranele celulare reușesc să fie atât de stabile.

Model mozaic fluid

Modelul mozaicului fluid descrie mișcarea dinamică anumeroaseproteine, zaharuri și lipide încorporate în membrana plasmatică a celulei.

Uneori este util să începem discuția prin amintirea dimensiunii membranei celulare în raport cu dimensiunea întregii celulecelulă. Membranele plasmatice variază de la 5 la 10nmîn grosime. Pentru comparație, globulele roșii umane, vizibile prin microscopie cu lumină, sunt de aproximativ 8umlată, sau de aproximativ 1.000 de ori mai lată decât o membrană plasmatică groasă. Aceasta înseamnă că bariera celulară este foarte subțire în comparație cu dimensiunea volumului pe care îl închide. În ciuda acestui diferențial de dimensiune dramatic, membrana celulară trebuiecu toate acesteaîși desfășoară încă barierele cheie, capacitățile de transport și de recunoaștere celulară și astfel trebuie să fie o structură relativ „sofisticată” și dinamică.

Figura 2. Modelul mozaicului fluid al membranei plasmatice descrie membrana plasmatică ca o combinație fluidă de fosfolipide, colesterol și proteine. Glucidele atașate lipidelor (glicolipidelor) șilaproteinele (glicoproteinele) se extind de la suprafața exterioară a membranei.

Componentele principale ale unei membrane plasmatice sunt lipide (fosfolipide și colesterol), proteine, și glucide. Glucidele sunt prezente numai pe suprafața exterioară a membranei plasmatice șisunt atașatela proteine, formându-se glicoproteine, saulalipide, formându-se glicolipide. Proporțiile de proteine, lipide și carbohidrați din membrana plasmatică pot varia în funcție de organism și de tipul de celulă. Într-o celulă umană tipică, proteinele reprezintă un procent masiv de 50% din compoziția în masă, lipidele (de toate tipurile) reprezintă aproximativ 40% din compoziția în masă, iar carbohidrații reprezintă restul de 10% din compoziția în masă. Cu toate acestea, specializarea funcțională celulară poate face ca aceste raporturi ale componentelor să varieze dramatic. De exemplu, mielina, o creștere a membranei celulelor specializate, izolează axonii nervilor periferici, conține doar 18% proteine ​​și 76% lipide.Prin contrast,membrana interioară mitocondrială conține 76% proteine ​​și doar 24% lipide, iar membrana plasmatică a globulelor roșii umane este de 30% lipide.

Fosfolipide

Fosfolipide sunt constituenții principali ai membranei celulare. Fosfolipide sunt formate dintr-un glicerol coloana vertebrală la care Douăcozi de acizi grași și o grupare fosfatau fost atașate- unul lafiecare dintrefiecare dintre atomii de carbon glicerol. Fosfolipidul este deci un amfipatic moleculă, adică are o parte hidrofobă (cozi de acizi grași) și o parte hidrofilă (grupul capului fosfat).

Asigurați-vă că rețineți în Figura 3 de mai jos că gruparea fosfat are o grupare R legată de unul dintre atomii de oxigen. R este o variabilă utilizată în mod obișnuit în aceste tipuri de diagrame pentru a indica faptul că un alt atom sau moleculă este legat în acea poziție. Această parte a moleculei poate fi diferită în diferite fosfolipide - și va conferi o anumită chimie diferită întregii molecule. În prezent, totuși, sunteți responsabil de posibilitatea de a recunoaște acest tip de moleculă (indiferent de grupul R) din cauza elementelor comune de bază - coloana vertebrală a glicerolului, gruparea fosfat și cele două cozi de hidrocarburi.

Figura 3. Un fosfolipid este o moleculă cu doi acizi grași și amodificatgrupare fosfat atașată unei coloane vertebrale de glicerol.Fosfatul poate fi modificat prin adăugarea de grupări chimice încărcate sau polare. Mai multe grupe chimice R potmodificafosfatul. Colină, serină și etanolaminăsunt afișateAici. Acestea se atașează la gruparea fosfat în poziția marcată R prin grupările lor hidroxil.
Atribuire:Marc T. Facciotti (lucrare proprie)

Când multe fosfolipidesunt expuse împreunăîntr-un mediu apos, aceștia se pot aranja spontan în diferite structuri, inclusiv micele și straturile bifolipidice. Aceasta din urmă este structura de bază a membranei celulare. Într-un strat strat fosfolipidic, fosfolipidele se asociază între ele în douăcu fața opusăfoi. În fiecare foaie, părțile nepolare ale fosfolipidelor se îndreaptă spre interior, formând partea internă a membranei și grupurile capului polar orientate opus atât mediilor apoase extracelulare, cât și cele intracelulare.


Posibilă discuție NB Punct

Mai devreme în curs, am discutat a doua lege a termodinamicii, care afirmă că entropia generală a universului este mereu în creștere. Aplicați această lege în contextul formării membranei bistrat lipidice. Cum este posibil ca lipidele să se poată aranja spontan într-o structură atât de organizată în loc să se împrăștie într-o stare mai dezordonată? Sau cu alte cuvinte - dacă a doua lege este adevărată, atunci cum conduce exact organizarea lipidică spontană la entropie crescută?


Figura 4. În prezența apei, unele fosfolipide se vor aranja spontan într-o micelă.Lipidele vor fi aranjateastfel încât grupurile lor polare să fie în exteriorul micelei, iar cozile nepolare să fie în interior. De asemenea, se poate forma un strat strat lipidic, o foaie cu două straturi, cu o grosime de doar câțiva nanometri. Bistratul lipidiceste format dindouă straturi de fosfolipide organizate într-un mod în care toate cozile hidrofobe se aliniază unul lângă altul în centrul bistratului șisunt înconjuratede grupurile de cap hidrofile.
Sursa: Creat de Erin Easlon (lucrare proprie)

Proteinele alcătuiesc a doua componentă majoră a membranelor plasmatice. Proteine ​​integrale de membrană, după cum sugerează și numele lor, se integrează complet în structura membranei, iar regiunile lor hidrofobe care acoperă membrana interacționează cu regiunea hidrofobă a stratului bifolipidic.

Unele proteine ​​de membrană se asociază doar cu o jumătate a stratului bicomponent, în timp ce altele se întind de la o parte a membranei la cealaltă șisunt expusecătre mediul ambelor părți. Proteinele de membrană integrate pot avea unul sau mai multe segmente transmembranare în mod tipicconstând din20-25 aminoacizi. În cadrul segmentelor transmembranare, grupurile variabile de aminoacizi hidrofobi se aranjează pentru a forma o suprafață chimic complementară cozilor hidrofobe ale lipidelor membranei.

Proteine ​​perifericesunt găsitepe o singură parte a membranei, dar nu se încorporează niciodată în membrană. Ele pot fi pe partea intracelulară sau extracelulară și slab sau temporar asociate cu membranele.

Figura 5. Proteinele din membranele integrale pot avea una sau mai multeα-helice (cilindri roz) care se întind pe membrană (exemplele 1 și 2), sau pot avea β- foi (dreptunghiuri albastre) care se întind pe membrană (exemplul 3). (credit: „Foobar” / Wikimedia Commons)

Carbohidrați

Glucidele sunt a treia componentă majoră a membranelor plasmatice. eisuntmereugăsitepe suprafața exterioară a celulelor șisunt legațifie la proteine ​​(formând glicoproteine) fielalipide (formând glicolipide).Acești carbohidrațilanțurile potconstau din2–60 unități monozaharidice și pot fifiedrept sau ramificat. Alături de proteinele periferice, carbohidrații formează site-uri specializate pe suprafața celulei, care permit celulelor să se recunoască reciproc(una dintre cerințele funcționale de bază menționate mai sus.

Fluiditatea membranei

Proteinele și lipidele integrale există în membrană ca molecule separate și „plutesc” în membrană, mișcându-secu privire launul pe altul. Cu toate acestea, membrana nu este ca un balon; datorită proprietăților elastice ale plasticului său, un balon poate crește și micșora cu ușurință suprafața sa, fără să iasă și menținând în același timp aceeași formă circulară aspră.Prin contrastmembrană plasmaticănu este în starerezistă la întindere sau compresie izotropă și poatesă fie ușor poppedcând un dezechilibru de solut între interior și exterior face ca apa să se precipite brusc. O pierdere bruscă de apă o va face să se strice și să se încrețească, schimbând dramatic forma celulei.aceastaeste destul de rigid și poate exploda dacă este pătruns sau dacă o celulă preia prea multă apă șimembrana este întinsăprea departe. Cu toate acestea, datorită naturii sale de mozaic, un ac foarte fin poate pătrunde cu ușurință într-o membrană plasmatică fără a o face să explodeze (lipidele curg în jurul punctului acului), iar membrana se va autosigla când aculeste extras.

Diferite organisme și tipuri de celule din organismele multicelulare pot regla fluiditatea membranei lor pentru a fi mai compatibile cu funcțiile specializate și / sau ca răspuns la factorii de mediu. Această tuning poatesă fie realizatprin ajustarea tipului și a concentrației diferitelor componente ale membranei, inclusiv a lipidelor, a acestoragradul desaturația, lipidele, lorgradul desaturația, proteinele și alte molecule precum colesterolul. Există alți doi factori care ajută la menținerea acestei caracteristici fluide. Un factor este natura fosfolipidelor în sine. În forma lor saturată, acizii grași din cozile fosfolipidice sunt saturați cu atomi de hidrogen. Nu există legături duble între atomii de carbon adiacenți, rezultând cozi relativ drepte.În schimb, nesaturatacizii grași nu au un complement complet de atomi de hidrogen pe cozile lor de acizi grași și, prin urmare, conțin niște legături duble între atomii de carbon adiacenți; o dublă legătură are ca rezultat o îndoire în șirul de carboni de aproximativ 30 de grade.

Figura 6.Orice membrană celulară dată va fi compusăa unei combinații de fosfolipide saturate și nesaturate. Raportul celor două va influența permeabilitatea și fluiditatea membranei. O membrană compusă dincompletlipidele saturate vor fi dense și mai puțin fluide și o membrană compusă dincompletlipidele nesaturate vor fi foarte libere și foarte fluide.


Acizi grași saturați, cu cozi drepte,sunt comprimateprin scăderea temperaturilor și se vor apasa unul pe celălalt, formând o membrană densă și destul de rigidă. În schimb, când sunt acizi grași nesaturațisunt comprimate, cozile „îndoite” cotează moleculele de fosfolipide adiacente, păstrând un spațiu între moleculele de fosfolipide. Această „cameră pentru cot” ajută la menținerea fluidității membranei la temperaturi la care membranele cu concentrații mari de cozi de acizi grași saturați s-ar „îngheța” sau se vor solidifica. Fluiditatea relativă a membranei esteîn specialimportant într-un mediu rece. Multe organisme (peștii sunt un exemplu)sunt capabili să se adaptezeîn medii reci prin schimbarea proporției acizilor grași nesaturați din membranele lor ca răspuns la scăderea temperaturii.

Colesterol

Celulele animale au colesterol, un component suplimentar al membranei careajută la menținereafluiditate. Colesterolul, care se află chiar între fosfolipide dinmembrană,tinde să se amortizezeefectele temperaturii asupra membranei.Colesterolul se rigidizează și crește fluiditatea membranei, în funcție de temperatură. Temperaturile scăzute fac ca fosfolipidele să se împacheteze mai strâns, creând o membrană mai rigidă.În acest caz, moleculele de colesterolserveste ladistanțează fosfolipidele și împiedică membrana să devinăintru totulrigid. În schimb, temperaturile mai ridicate contribuie la deplasarea fosfolipidelor unul de altul și, prin urmare, o membrană mai fluidă, dar moleculele de colesterol din membrană ocupă spațiu și previn disocierea completă a fosfolipidelor.

Astfel, colesterolul extinde, în ambele direcții, intervalul de temperatură în care membrana este adecvată fluidă și, în consecință, funcțională. Colesterolul îndeplinește și alte funcții, cum ar fi organizarea grupurilor de proteine ​​transmembranare în plute lipidice.

Figura 7. Colesterolul se potrivește între grupurile fosfolipide din membrană.

Revizuirea componentelor membranei

Membranele arhaeale

O diferență majoră care diferențiază archaea de eucariote și bacterii este compoziția lor lipidică membranară. Deși eucariotele, bacteriile și archaea folosesc toate coloanele vertebrale ale glicerinei în lipidele lor din membrană, Archaea utilizează lanțuri izoprenoide lungi (20-40 carboniîn lungime, derivat din lipida cu cinci atomi de carbon izopren) aceasunt atașateprin intermediul eter se leagă de glicerol, în timp ce eucariotele și bacteriile au acizi grași legați de glicerol prin ester legături.

Grupurile capului polar diferă în funcție de genul sau speciile Archaea șiconstau dinamestecuri de grupări glico (în principal dizaharide) și / sau grupări fosfo în principal de fosfoglicerol, fosfozerină, fosfoetanolamină sau fosfoinozitol. Stabilitatea inerentă și caracteristicile unice ale lipidelor arhaeale le-au făcut un biomarker util pentru arhee în probele de mediu, deși abordările bazate pe markeri genetici sunt acum mai frecvent utilizate.

O a doua diferență între membranele bacteriene și arhaeale careeste asociatcu niste archaea esteprezenta luimembrane monostrat, așa cum este descris mai jos. Observați că lanțul izoprenoid este atașat la coloana vertebrală a glicerolului la ambele capete, formând o singură moleculăconstând dindouă grupuri de capuri polare atașate prin intermediul a două lanțuri izoprenoide.

Figura 8. Suprafața exterioară a membranei plasmatice arhaeale nu este identică cu suprafața interioară a aceleiași membrane.

Figura 9. Comparații de diferitetipuri delipide arhaeale și lipide bacteriene / eucariote

Transport pe membrană

Problema de proiectare și subprobleme

Problemă generală: Membrana celulară trebuie să acționeze simultan ca o barieră între „IN” și „OUT” și să controleze în mod specific care substanțele intră și ies din celulă și cât de repede și eficient o fac.

Subprobleme: Proprietățile chimice ale moleculelor care trebuie să intre și să părăsească celula sunt foarte variabile. Unele subprobleme asociate cu aceasta sunt: ​​(a) Moleculele mari și mici sau colecțiile de molecule trebuie să poată trece peste membrană. (b) Atât substanțele hidrofobe, cât și cele hidrofile trebuie să aibă acces la transport. (c) Substanțele trebuie să poată traversa membrana cu și împotriva gradienților de concentrație.(d) Unele molecule arată foarte asemănătoare (de ex.N / A+ și K+), dar mecanismele de transport trebuie să poată face distincția între ele.

Perspectiva poveștii energetice

Putem lua în considerare transportul printr-o membrană dintr-o perspectivă energetică; este un procesla urma urmelor. De exemplu, la începutul procesului, o substanță generică X poate fi în interiorul sau în exteriorul celulei. La sfârșitul procesului, substanța va fi pe partea opusă de la care a început.

de exemplu. X(în) ---> X(afară),

unde intrarea și ieșirea se referă la interiorul celulei și în afara celulei,respectiv.

Lala început problema din sistem ar puteafii foarte complicatcolecție de molecule în interiorul și în exteriorul celulei, dar cu o moleculă de X mai mult în interiorul celulei decât în ​​exterior. La final, mai există o moleculă de X în exteriorul celulei și una mai mică în interior. Energia din sistem la începuteste depozitatîn mare parte în structurile moleculare și mișcările lor și în dezechilibrele de concentrație electrică și chimică de-a lungul membranei celulare. Transportul lui X din celulă nu va schimba semnificativ energiile structurilor moleculare, dar va schimba energia asociată cu dezechilibrul de concentrație și / sau încărcare pe membrană. Aceasta este transportul, ca toate celelalte reacții, va fi exergonic sau endergonic. În cele din urmă, unele mecanisme sau seturi de mecanisme de transport vor trebuisă fie descris.


Permeabilitate selectivă

Una dintre marile minuni ale membranei celulare este capacitatea sa de a regla concentrația de substanțe din interiorul celulei. Aceste substanțe includ: ioni precum Ca2+,N / A+, K+și Cl; nutrienți, inclusiv zaharuri, acizi grași și aminoacizi; și deșeuri, în special dioxid de carbon (CO2), care trebuie să părăsească celula.

Structura bistratului lipidic al membranei asigură primul nivel de control. Fosfolipidele se împachetează strâns, iar membrana are un interior hidrofob. Numai această structură creeazăceea ce este cunoscut sub numele deA selectiv permeabil barieră, care permite numai substanțelor care îndeplinesc anumite criterii fizice să treacă prin ea. Încazul celuleimembrană, numai materialele relativ mici, nepolare, se pot deplasa prin stratul bicomponent lipidic la rate biologice relevante (amintiți-vă, cozile lipidice ale membranei sunt nepolare).

Permeabilitate selectivă a membranei celulare se referă la capacitatea sa de a diferenția între diferite molecule, permițând doar trecerea unor molecule în timp ce blocarea altora. O parte din această proprietate selectivă provine din ratele de difuzie intrinseci pentru diferite molecule pe o membrană. Un al doilea factor care afectează ratele relative de mișcare a diferitelor substanțe pe o membrană biologică este activitatea diferiților transportori de membrană pe bază de proteine, atât pasivi cât și activi, care vorsă fie discutatmai detaliat în secțiunile următoare. În primul rând, preluăm noțiunea de rate intrinseci de difuzie prin membrană.

Permeabilitate relativă

Faptul că diferite substanțe ar putea traversa o membrană biologică la viteze diferite ar trebui să fie relativ intuitiv. Există diferențe în compoziția mozaicului membranelor în biologie și diferențe în dimensiunile, flexibilitatea și proprietățile chimice ale moleculelor, astfel încâteste evident căratele de permeabilitate variază. Este un peisaj complicat. Permeabilitatea unei substanțe peste o membrană biologică poatefi măsuratexperimental și putem raporta rata de mișcare pe o membrană înceea ce este cunoscut sub numele decoeficienți de permeabilitate a membranei.

Coeficienți de permeabilitate a membranei

Mai jos, trasăm o varietate de compuși

cu privire la

coeficienții lor de permeabilitate a membranei (MPC) măsurați în raport cu o simplă aproximare biochimică a unei membrane biologice reale. Coeficientul de permeabilitate raportat pentru acest sistem este rata la care are loc difuzia simplă printr-o membrană și

este raportat

în unități de centimetri pe secundă (cm / s). Coeficientul de permeabilitate este proporțional cu coeficientul de partiție și este invers proporțional cu grosimea membranei.

Este important să puteți citi și interpreta diagrama de mai jos. Cu cât este mai mare coeficientul, cu atât membrana este mai permeabilă la solut. De exemplu, acidul hexanoic este foarte permeabil, un MPC de 0,9; acidul acetic, apa și etanolul au MPC între 0,01 și 0,001 și sunt mai puțin permeabile decât acidul hexanoic. Întrucât

ioni,

cum ar fi sodiu (

N / A

+), au un MPC de 10-12

,

și traversează membrana la o rată relativ lentă.

figura 1. Diagrama coeficientului de permeabilitate a membranei. Diagramaa fost luatdinBioWikisi poateA fi găsitla http://biowiki.ucdavis.edu/Biochimie...e_Permeabilitate.

Deși există anumite tendințe sau proprietăți chimice care potsă fie aproximativ asociatcu o permeabilitate diferită a compusului (lucrurile mici trec prin „rapid”, lucrurile mari „încet”, lucrurile încărcate deloc etc.), avertizăm împotriva generalizării excesive. Determinanții moleculari ai permeabilității membraneisunt complicateși implică mulți factori, inclusiv: compoziția specifică a membranei, temperatura, compoziția ionică, hidratarea; proprietățile chimice ale substanței dizolvate; interacțiunile chimice potențiale dintre solutul în soluție și în membrană; proprietățile dielectrice ale materialelor; și compromisurile de energie asociate cu substanțele în mișcare în și din diferite medii. Deci, în această clasă, mai degrabă decât să încercăm să aplicăm „reguli” și să încercăm să dezvoltăm prea multe „tăieturi” arbitrare, ne vom strădui să dezvoltăm un sens general al unor proprietăți care pot influența permeabilitatea și să lase atribuirea permeabilității absolute ratele raportate experimental. În plus, vom încerca, de asemenea, să reducem la minimum utilizarea vocabularului care depinde de un cadru de referință. De exemplu, a spune că compusul A difuzează „rapid” sau „încet” într-un strat stratificat înseamnă doar ceva dacă termenii „rapid” sau „lent”sunt definite numericsause înțelege contextul biologic.

Energetica transportului

Toate substanțele care se deplasează prin membrană o fac prin una din cele două metode generale, caresunt clasificatepe baza faptului că procesul de transport este exergonic sau endergonic. Transport pasiv este mișcarea exergonică a substanțelor peste membrană. În contrast, transport activ este mișcarea endergonică a substanțelor peste membrană careeste cuplatla o reacție exergonică.

Transport pasiv

Transport pasiv nu necesită ca celula săcheltuienergie. În transportul pasiv, substanțele se deplasează dintr-o zonă de concentrație mai mare într-o zonă de concentrație mai mică, în josul lor gradient de concentrație.În funcție de natura chimică a substanței, putem asocia diferite procese cu transportul pasiv.

Difuzare

Difuzare este un proces pasiv de transport. O singură substanță se deplasează dintr-o zonă de concentrație mare la o zonă de concentrație scăzută până când concentrația este egală într-un spațiu. Sunteți familiarizați cu difuzia substanțelor prin aer. De exemplu, gândiți-vă la cineva care deschide o sticlă de amoniac într-o cameră plină cu oameni. Amoniacul gazos este la cea mai mare concentrație în sticlă; cea mai mică concentrație este la marginile camerei. Vaporii de amoniac se vor difuza sau se vor răspândi din sticlă; treptat, tot mai mulți oameni vor mirosi amoniacul pe măsură ce se răspândește. Materialele se mișcă în citosolul celulei prin difuzie, iar anumite materiale se mișcă prin membrana plasmatică prin difuzie.

Figura 2. Difuzia printr-o membrană permeabilă mută o substanță dintr-o zonă de concentrație ridicată (lichid extracelular, în acest caz) în josul gradientului său de concentrație (în citoplasmă). Fiecare substanță separată dintr-un mediu, cum ar fi fluidul extracelular, are propriul gradient de concentrație, independent de gradienții de concentrație ai altor materiale. În plus, fiecare substanță va difuza în funcție de gradientul respectiv. În cadrul unui sistem, vor exista rate diferite de difuzie a diferitelor substanțe în mediu.(credit: modificare a lucrării de cătreMariana RuizVillareal)
Factori care afectează difuzia

Dacă nu sunt restricționate, moleculele se vor deplasa și vor explora spațiul în mod aleatoriu la o rată care depinde de mărimea lor, forma lor, mediul lor și energia lor termică. Acest

tip de

mișcarea stă la baza mișcării difuzive a moleculelor prin orice mediu în care se află. Absența unui gradient de concentrație nu înseamnă că această mișcare se va opri, doar că s-ar putea să nu existe net mișcarea numărului de molecule dintr-o zonă în alta, o afecțiune cunoscută sub numele de echilibru dinamic.

Factorii care influențează difuzia includ:

  • Întinderea gradientului de concentrație: Cu cât diferența de concentrație este mai mare, cu atât difuzia este mai rapidă. Cu cât distribuția materialului se apropie de echilibru, cu atât viteza de difuzie devine mai mică.
  • Forma, dimensiunea și masa moleculelor difuzate: moleculele mari și mai grele se mișcă mai încet; prin urmare, se difuzează mai încet. Inversul este de obicei adevărat pentru moleculele mai mici și mai ușoare.
  • Temperatura: temperaturile mai ridicate cresc energia și, prin urmare, mișcarea moleculelor, crescând rata de difuzie. Temperaturile mai scăzute scad energia moleculelor, scăzând astfel viteza de difuzie.
  • Densitatea solventului: Pe măsură ce densitatea unui solvent crește, rata de difuzie scade. Moleculele încetinesc, deoarece au un timp mai dificil de a trece prin mediul mai dens. Dacă mediul este mai puțin dens, ratele de difuzie cresc. Întrucât celulele folosesc în principal difuzia pentru a muta materialele în citoplasmă, orice creștere a densității citoplasmei va scădea viteza cu care materialele se mișcă în citoplasmă.
  • Solubilitate: După cum sa discutat mai devreme, materialele nepolare sau liposolubile trec prin membranele plasmatice mai ușor decât materialele polare, permițând o viteză mai mare de difuzie.
  • Suprafața și grosimea membranei plasmatice: suprafața crescută crește rata de difuzie, în timp ce o membrană mai groasă o reduce.
  • Distanța parcursă: cu cât este mai mare distanța pe care trebuie să o parcurgă o substanță, cu atât viteza de difuzie este mai mică. Aceasta plasează o limită superioară asupra dimensiunii celulei. O celulă mare sferică va muri deoarece nutrienții sau deșeurile nu pot ajunge sau părăsi centrul celulei respectiv. Prin urmare, celulele trebuie să fiede dimensiuni mici, ca în cazul multor procariote, saufi aplatizat, ca și în cazul multor eucariote unicelulare.

Transport facilitat

În transport facilitat, numită și difuzie facilitată, materialele difuzează prin membrana plasmatică cu ajutorul proteinelor de membrană. Există un gradient de concentrație care permite acestor materiale să difuzeze în sau în afara celulei fărăcheltuindenergie celulară. Dacă materialele sunt ioni sau molecule polare (compuși caresunt respinsede către părțile hidrofobe ale membranei celulare), proteinele de transport facilitate ajută la protejarea acestor materiale de forța respingătoare a membranei, permițându-le difuzarea în celulă.

Canale

Proteinele integrale implicate în transportul facilitat sunt menționate în mod colectivla ca transport proteineși funcționează fie ca canale pentru material, fie ca purtători. În ambele cazuri, acestea sunt proteine ​​transmembranare. Diferite proteine ​​de canal au proprietăți de transport diferite. Unele au evoluat pentru a avea o specificitate foarte mare pentru substanța care este transportată, în timp ce altele transportă o varietate de molecule care împărtășesc unele caracteristici comune.(s). "Pasajul" interior al canalizează proteinele au evoluat pentru a oferi o barieră energetică scăzută pentru transportul substanțelor prin membrană prin aranjamentul complementar al grupărilor funcționale de aminoacizi (atât ale coloanei vertebrale, cât și ale lanțurilor laterale). Trecerea prin canal permite compușilor polari să evite stratul central nepolar al membranei plasmatice care altfel ar încetini sau ar împiedica intrarea lor în celulă. În timp ce la un moment dat cantități semnificative de apă traversează membrana atât în ​​interior cât și în exterior, rata unui transport individual al moleculei de apă poate să nu fie suficient de rapidă pentru a se adapta condițiilor de mediu în schimbare. Pentru astfel de cazuri, Natura a dezvoltat o clasă specială de proteine ​​de membrană numită acvaporine care permit apei să treacă prin membrană cu o rată foarte mare.

Figura 3. Transportul facilitat mută substanțele în josul gradienților lor de concentrație. Acestea pot traversa membrana plasmatică cu ajutorul proteinelor canalului. (credit: modificare a lucrării de cătreMariana RuizVillareal)
Proteinele din canal sunt fie deschise în orice moment, fie sunt „închise”. Acesta din urmă controlează deschiderea canalului.Pot fi implicate diverse mecanisme

în mecanismul de închidere. Modificările în „stresul” membranei locale sau modificările de tensiune pe membrană pot fi, de asemenea, declanșatoare pentru deschiderea sau închiderea unui canal.

Diferite organisme și țesuturi din speciile multicelulare exprimă diferite proteine ​​de canal în membranele lor, în funcție de mediul în care trăiesc sau de funcția specializată pe care o joacă într-un organism. Aceasta oferă fiecărui tip de celulă un profil unic de permeabilitate a membranei care este dezvoltat pentru a-și completa „nevoile” (rețineți antropomorfismul). De exemplu, în unele țesuturi, ionii de sodiu și clorură trec liber prin canale deschise, în timp ce în alte țesuturi trebuie să se deschidă o poartă pentru a permite trecerea. Acest lucru se întâmplă în rinichi, unde ambele forme de canale se găsesc în diferite părți ale tubilor renali. Celulele implicate în transmiterea impulsurilor electrice, cum ar fi celulele nervoase și musculare, au canale închise pentru sodiu, potasiu și calciu în membranele lor. Deschiderea și închiderea acestor canale schimbă concentrațiile relative de pe părțile opuse ale membranei acestor ioni, rezultând o schimbare a potențialului electric de-a lungul membranei care duce la propagarea mesajului cu celulele nervoase sau la contracția musculară cu celulele musculare.

Proteine ​​purtătoare

Un alt tip de proteină încorporată în membrana plasmatică este o proteină purtătoare. Această proteină numită în mod adecvat leagă o substanță și, făcând acest lucru, declanșează o schimbare a propriei forme, mutând molecula legată din exteriorul celulei către interiorul acesteia; în funcție de gradient, materialul se poate deplasa în direcția opusă. Proteinele purtătoare sunt de obicei specifice pentru o singură substanță. Această selectivitate se adaugă la selectivitatea generală a membranei plasmatice. Mecanismul funcțional la scară moleculară pentru aceste proteine ​​rămâne puțin înțeles.

Figura 4. Unele substanțesunt capabili sadeplasați în jos gradientul lor de concentrație de-a lungul membranei plasmatice cu ajutorul proteinelor purtătoare. Proteinele purtătoare își schimbă forma pe măsură ce deplasează moleculele peste membrană.(credit: modificarea lucrării de cătreMariana RuizVillareal)

Proteina purtătoare joacă un rol important în funcția rinichilor. Glucoza, apa, sărurile, ionii și aminoacizii necesari organismuluisunt filtrateîntr-o parte a rinichiului. Acest filtrat, care include glucoză,este apoi reabsorbitîntr-o altă parte a rinichiului cu ajutorul proteinelor purtătoare. Deoarece există doar un număr finit de proteine ​​purtătoare pentru glucoză, dacă în filtrat este prezentă mai multă glucoză decât proteinele pot suporta, excesulnu este reabsorbitșieste excretatdin corpul din urină. La un individ diabetic,aceasta este descrisăca „vărsare de glucoză în urină”. Un grup diferit de proteine ​​purtătoare numite proteine ​​de transport ale glucozei sau GLUT,sunt implicateîn transportul glucozei și altor zaharuri de hexoză prin membranele plasmatice din corp.

Canalele și proteinele purtătoare transportă materialul la viteze diferite. Proteinele din canal se transportă mult mai repede decât proteinele purtătoare. Proteinele din canal facilitează difuzia cu o rată de zeci de milioane de molecule pe secundă, în timp ce proteinele purtătoare funcționează cu o rată de la o mie la un milion de molecule pe secundă.

Transport activ

Transport activ mecanismele necesită utilizarea energiei celulei, de obicei sub formă de adenozin trifosfat (ATP). Dacă o substanță trebuie să se deplaseze în celulă împotriva gradientului său de concentrație - adică, dacă concentrația substanței din interiorul celulei este mai mare decât concentrația sa în fluidul extracelular (și invers) - celula trebuie să folosească energie pentru a muta substanța. Unele mecanisme active de transport deplasează prin membrană materiale cu greutate moleculară mică, cum ar fi ionii. Alte mecanisme transportă molecule mult mai mari.

Mergând împotriva unui gradient

Pentru a deplasa substanțele împotriva unei concentrații sau a unui gradient electrochimic, celula trebuie să utilizeze energie. Transportatorii recoltează această energie din ATP generat prin metabolismul celulei. Mecanisme de transport active, denumite în mod colectiv pompe, lucrează împotriva gradienților electrochimici. Substanțele mici trec în mod constant prin membranele plasmatice. Transportul activ menține concentrațiile de ioni și alte substanțe necesare celulelor vii în fața acestor mișcări pasive. O mare parte din aprovizionarea cu energie metabolică a unei celule poatefi cheltuitmenținerea acestor procese. (Cea mai mare parte a energiei metabolice a celulelor roșii din sânge este utilizată pentru a menține dezechilibrul dintre nivelurile de sodiu și potasiu exterioare și interioare cerute de celulă.) Deoarece mecanismele de transport activ depind de metabolismul celulei pentru energie, ele sunt sensibile la multe otrăvuri metabolice care interferează cu furnizarea de ATP.

Există două mecanisme pentru transportul materialului cu greutate moleculară mică și a moleculelor mici. Transport activ primar deplasează ionii peste o membrană și creează o diferență de sarcină peste membrana respectivă, care depinde direct de ATP. Transport activ secundar descrie mișcarea materialuluidin cauzagradientul electrochimic stabilit prin transportul activ primar care nu necesită direct ATP.

Proteine ​​purtătoare pentru transport activ

O adaptare importantă a membranei pentru transportul activ este proteina purtătoare specifică sau pompele pentru a facilita mișcarea: există trei tipuri de aceste proteine ​​sau transportoare. A uniporter poartă un ion sau o moleculă specifică. A simporter poartă doi ioni sau molecule diferite, ambii în aceeași direcție. Un antiporter transportă, de asemenea, doi ioni sau molecule diferite, dar în direcții diferite. Acești transportori pot transporta, de asemenea, molecule organice mici, neîncărcate, cum ar fi glucoza.Se găsesc și aceste trei tipuri de proteine ​​purtătoareîn difuzie facilitată, dar nu necesită ATP pentru a lucra în acel proces. Câteva exemple de pompe pentru transport activ suntN / A+-K+ ATPaza, care transportă ioni de sodiu și potasiu, și H+-K+ ATPaza, care transportă ioni de hidrogen și potasiu. Ambele sunt proteine ​​purtătoare antiporter. Alte două proteine ​​purtătoare sunt Ca2+ATPaza și H+ ATPaza, care transportă numai ionii de calciu și respectiv hidrogen. Ambele sunt pompe.

Figura 5. Auniporterpoartă o moleculă sau ion. Asimporterpoartă două molecule sau ioni diferiți, ambii în aceeași direcție. Unantiportertransportă, de asemenea, două molecule sau ioni diferiți, dar în direcții diferite. (credit: modificarea lucrării prin „Lupask”/ Wikimedia Commons)

Transport activ primar

În transportul activ primar, energia estede multe ori- desi nunumai- derivatdirect din hidroliza ATP. Adesea, transportul activ primar, precum cel prezentat mai jos, care funcționează pentru transportul ionilor de sodiu și potasiu, permite transportul activ secundar (discutat în secțiunea de mai jos).A doua metodă de transport este încă luată în considerareactiv deoarece depinde de utilizarea energiei din transportul primar.

Figura 6. Transportul activ primar mișcă ionii pe o membrană, creând un gradient electrochimic (transport electrogen). (credit: modificare a lucrării de cătreMariana RuizVillareal)

Una dintre cele mai importante pompe din celulele animale este pompa de sodiu-potasiu (Na+-K+ ATPaza), care menține gradientul electrochimic (și concentrațiile corecte deN / A+șiK+) în celulele vii. Pompa sodiu-potasiu deplasează K+ în celulă în timp ce deplasează Na+ afarăîn același timp,la un raport de trei Na+ pentru fiecare două K+ ionii s-au mutat. Na+-K+ATPaza există în două forme, în funcție de orientarea sa către interiorul sau exteriorul celulei și afinitatea sa pentru ionii de sodiu sau potasiu. Procesul cuprinde următorii șase pași.

  1. Cu enzima orientată spre interiorul celulei, purtătorul are o afinitate mare pentru ionii de sodiu. Trei ioni se leagă de proteină.
  2. ATPeste hidrolizatde purtătorul proteinei și de acesta se atașează o grupare fosfat cu energie scăzută.
  3. Ca urmare, purtătorul își schimbă forma și se reorientează spre exteriorul membranei. Afinitatea proteinei pentru sodiu scade și cei trei ioni de sodiu părăsesc purtătorul.
  4. Schimbarea formei crește afinitatea purtătorului pentru ionii de potasiu și doi astfel de ioni se atașează la proteină. Ulterior, grupul fosfat cu energie scăzută se desprinde de purtător.
  5. Cu grupa fosfat eliminată și ionii de potasiu atașați, proteina purtătoare se repoziționează spre interiorul celulei.
  6. Proteina purtătoare, în noua sa configurație, are o afinitate scăzută pentru potasiu și eliberează cei doi ioni în citoplasmă. Proteina are acum o afinitate mai mare pentru ionii de sodiu, iar procesul începe din nou.

Mai multe lucruri s-au întâmplat din cauza acestui proces. Există mai mulți ioni de sodiu în afara celulei decât în ​​interior și mai mulți ioni de potasiu în interior decât în ​​exterior. Pentru fiecare trei ioni de sodiu care se deplasează, se introduc doi ioni de potasiu. Rezultă ca interiorul să fie puțin mai negativ în raport cu exteriorul. Această diferență de sarcină este importantă în crearea condițiilor necesare procesului secundar. Prin urmare, pompa de sodiu-potasiu este o pompă electrogenă (o pompă care creează un dezechilibru de încărcare), creând un dezechilibru electric peste membrană și contribuind la potențialul membranei.

Legătură cu învățarea

Vizitați site-ul pentru a vedea o simulare a transportului activ într-o ATPază de sodiu-potasiu.

Transport activ secundar (co-transport)

Transportul secundar activ aduce ioni de sodiu și, eventual, alți compuși, în celulă. Pe măsură ce concentrațiile ionilor de sodiu se acumulează în afara membranei plasmatice din cauza acțiunii procesului primar de transport activ, se creează un gradient electrochimic. Dacă o proteină de canal există și este deschisă, ionii de sodiu se vor întoarce prin membrană în josul gradientului. Această mișcare este utilizată pentru transportul altor substanțe care se pot atașa la proteina de transport prin membrană. Mulți aminoacizi și glucoză intră într-o celulă în acest fel. Acest proces secundar este, de asemenea, utilizat pentru a stoca ioni de hidrogen cu energie ridicată în mitocondriile celulelor vegetale și animale pentru producerea de ATP. Energia potențială care se acumulează în ionii de hidrogen depozitați se traduce în energie cinetică pe măsură ce ionii cresc prin proteina canal ATP sintază și acea energie este utilizată pentru a converti ADP în ATP.

Figura 7. Un gradient electrochimic, creat prin transportul activ primar, poate deplasa alte substanțe împotriva gradienților lor de concentrație, un proces numitco-transport sau transport activ secundar. (credit: modificare a lucrării de cătreMariana RuizVillareal)

Osmoză

Osmoză este mișcarea apei printr-o membrană semipermeabilă în funcție de gradientul de concentrație al apei pe membrană, care este invers proporțional cu concentrația de substanțe dizolvate. În timp ce difuzia transportă materialul prin membrane și în interiorul celulelor, osmoza transportă numai apă peste o membrană și membrana limitează difuzia de substanțe dizolvate în apă. Acvaporinele care facilitează mișcarea apei joacă un rol important în osmoză, cel mai proeminent în celulele roșii din sânge și membranele tubulilor renali.

Mecanism

Osmoza este un caz special de difuzie. Apa, ca și alte substanțe, se deplasează dintr-o zonă cu concentrație mare la una cu concentrație scăzută. O întrebare evidentăeste ceface ca apa să se miște deloc? Imaginați-vă un pahar cu o membrană semipermeabilă care separă cele două părți sau jumătăți. Pe ambele părți ale membranei, nivelul apei este același, dar există concentrații diferite ale unei substanțe dizolvate sau solut, care nu poate traversa membrana (altfel concentrațiile de pe fiecare parte ar fifii echilibratprin solutul care traversează membrana). Dacă volumul soluției de pe ambele părți ale membranei este același, dar concentrațiile de substanță dizolvată sunt diferite, atunci există cantități diferite de apă, solvent, de ambele părți ale membranei.

Figura 8. În osmoză, apa se deplasează întotdeauna dintr-o zonă cu concentrație mai mare de apă la una cu concentrație mai mică. În diagrama prezentată, soluția nu poate trece prin membrana permeabilă selectiv, dar apa poate.

Pentru a ilustra acest lucru, imaginați-vă două pahare pline de apă. Una are o singură linguriță de zahăr, în timp ce a doua conține un sfert de cană de zahăr. Dacă volumul total al soluțiilor din ambele cupe este același, ce cupă conține mai multă apă? Deoarece cantitatea mare de zahăr din cea de-a doua ceașcă ocupă mult mai mult spațiu decât lingurița de zahăr din prima ceașcă, prima ceașcă are mai multă apă în ea.

Revenind la exemplul paharului, amintiți-vă că are un amestec de substanțe dizolvate pe ambele părți ale membranei. Un principiu al difuziei este acela că moleculele se mișcă și se vor răspândi uniform în mediu dacă pot. Cu toate acestea, numai materialul capabil să treacă prin membrană va difuza prin ea. În acest exemplu, solutul nu poate difuza prin membrană, dar apa poate. Apa are un gradient de concentrație în acest sistem. Astfel, apa își va difuza gradientul de concentrație, traversând membrana către partea în care este mai puțin concentrată. Această difuzie a apei prin membrană - osmoză - va continua până când gradientul de concentrație al apei ajunge la zero sau până când presiunea hidrostatică a apei echilibrează presiunea osmotică. Osmoza continuă în mod constant în sistemele vii.

Tonicitate

Tonicitate descrie modul în care o soluție extracelulară poate modifica volumul unei celule prin afectarea osmozei. Tonicitatea unei soluții se corelează adesea direct cu osmolaritatea soluției. Osmolaritatea descrie concentrația totală de soluție a soluției. O soluție cu osmolaritate scăzută are un număr mai mare de molecule de apă în raport cu numărul de particule dizolvate; o soluție cu osmolaritate ridicată areMai puținmolecule de apăcu privire laparticule de solut. Într-o situație în care soluțiile a două osmolarități diferitesunt separateprintr-o membrană permeabilă la apă, deși nu la solut, apa se va deplasa din partea membranei cu osmolaritate mai mică (și mai multă apă) în partea cu osmolaritate mai mare (și mai puțină apă). Acest efect are sens dacă vă amintiți că solutul nu se poate deplasa peste membrană și, astfel, singura componentă din sistem care se poate mișca - apa - se deplasează de-a lungul propriului gradient de concentrație. O distincție importantă care se referă la sistemele vii este că osmolaritatea măsoară numărul de particule (care pot fi molecule) într-o soluție. Prin urmare, o soluțieacesta estetulbure cu celule pot avea o osmolaritate mai mică decât o soluție care este clară dacă a doua soluție conține mai multe molecule dizolvate decât există celule.

Pentru un videoclip care ilustrează procesul de difuzie în soluții, vizitați acest site.

Soluții hipotonice

Trei termeni - hipotonici, izotonici și hipertonici - sunt folosiți pentru a relaționa osmolaritatea unei celule cu osmolaritatea fluidului extracelular care conține celulele. Într-o hipotonăsituație, lichidul extracelular areinferiorosmolaritate decât fluidul din interiorul celulei, iar apa intră în celulă (în sistemele vii, punctul de referință este întotdeauna citoplasma, deci prefixul hipo- înseamnă că fluidul extracelular are o concentrație mai mică de substanțe dizolvate sau o osmolaritate mai mică decât citoplasma celulară). De asemenea, înseamnă că fluidul extracelular are o concentrație mai mare de apă în soluție decât celula. În această situație, apa își va urma gradientul de concentrație și va intra în celulă.

Soluții hipertonice

Cât despre un hipertonice soluție, prefixul hiper- se referă la fluidul extracelular având o osmolaritate mai mare decât citoplasma celulei; prin urmare, fluidul conține mai puțină apă decât celula. Deoarece celula are o concentrație relativ mai mare de apă, apa va părăsi celula.

Soluții izotonice

Într-un izotonică soluție, fluidul extracelular are aceeași osmolaritate ca și celula. Dacă osmolaritatea celulei se potrivește cu cea a fluidului extracelular, nu va exista nicio mișcare netă a apei în sau în afara celulei, deși apa se va mișca în continuare și în afară. Celulele sanguine și celulele vegetale în soluții hipertonice, izotonice și hipotonice iau aparențe caracteristice - vezi Figura 9 de mai jos!


Figura 9. Presiunea osmotică schimbă forma celulelor roșii din sânge în soluții hipertonice, izotonice și hipotonice. (credit: Mariana Ruiz Villareal)


Posibilă discuție NB Punct

Desigur, există o băutură prea mică de apă ... dar există o băutură prea mare de apă? Discutați despre ce credeți că se întâmplă atunci când beți o cantitate excesivă de apă - ce se întâmplă la nivelul membranei celulare? Ce se întâmplă cu dimensiunea celulei? Consumul de prea multă apă este de fapt un pericol pentru sănătate? Preziceți ce s-ar întâmpla dacă am schimba băutura în Gatorade în loc de apă.


Tonicitatea în sistemele vii

Într-un mediu hipoton, apa intră într-o celulă, iar celula se umflă. Într-o stare izotonică, concentrațiile relative de solvent și solvent sunt egale pe ambele părți ale membranei. Nu există mișcare netă a apei; prin urmare, nu există nicio modificare a dimensiunii celulei. Într-o soluție hipertonică, apa părăsește o celulă și celula se micșorează. Dacă fie starea hipo-, fie hiper- depășește, funcțiile celulei devin compromise și celula poate fi distrusă.

O celulă roșie din sânge va exploda sau se va liza atunci când se umflă dincolo de capacitatea membranei plasmatice de a se extinde. Amintiți-vă, membrana seamănă cu un mozaic, cu spații discrete între moleculele care îl compun. Dacă celula se umflă, iar spațiile dintre lipide și proteine ​​devin prea mari, iar celula se va despărți.

În schimb, atunci când cantități excesive de apă părăsesc celulele roșii din sânge, celula se micșorează. Acest lucru are ca efect concentrarea substanțelor dizolvate rămase în celulă, făcând citosolul mai dens și interferând cu difuzia în interiorul celulei. Capacitatea celulei de a funcționa va fisă fie compromisși poate duce și la moartea celulei.

Diferite ființe vii au modalități de a controla efectele osmozei - un mecanism numit osmoreglare. Unele organisme, cum ar fi plantele, ciupercile, bacteriile și unii protiști, au pereți celulari care înconjoară membrana plasmatică și previn liza celulară într-o soluție hipotonică. Membrana plasmatică se poate extinde doar la limita peretelui celular, astfel încât celula nu se va lisa. De fapt, citoplasma din plante este întotdeauna ușor hipertonică pentru mediul celular, iar apa va pătrunde întotdeauna într-o celulă dacă este disponibilă apă. Acest flux de apă produce presiune turgentă, care rigidizează pereții celulari ai plantei. La plantele nonwoody, presiunea turgorului susține planta. În schimb, dacă planta nu este udată, lichidul extracelular va deveni hipertonic, determinând ieșirea apei din celulă. În această stare, celula nu se micșorează, deoarece peretele celular nu este flexibil. Cu toate acestea, membrana celulară se desprinde de perete și constrânge citoplasma. Aceasta se numește plasmoliză. Plantele pierd presiunea turgorului în această stare și se ofilesc.

Figura 10. Presiunea turgorului din interiorul unei celule vegetale depinde de tonicitatea soluției în care este scăldată. (Credit: modificarea lucrării de către Mariana Ruiz Villareal)

Figura 11. Fără apă adecvată, planta din stânga a pierdut presiunea turgor, vizibilă în ofilire; presiunea turgorului se restabilește udând-o (dreapta). (credit: Victor M. Vicente Selvas)

Tonicitatea este o preocupare pentru toate viețuitoarele. De exemplu, paramecia și amibele, care sunt protiste cărora le lipsește pereții celulari, au vacuole contractile. Această vezicula colectează excesul de apă din celulă și o pompează, păstrând celula să nu explodeze pe măsură ce preia apă din mediul său.

Figura 12. Vacuola contractilă a unui parameci, vizualizată aici utilizând microscopie cu câmp luminos la o mărire de 480x, pompează continuu apă din corpul organismului pentru a-l împiedica să explodeze într-un mediu hipoton. (credit: modificarea lucrării de către NIH; date cu bare de scară de la Matt Russell)

Multe nevertebrate marine au niveluri interne de sare potrivite cu mediile lor, făcându-le izotone cu apa în care trăiesc. Cu toate acestea, peștii trebuie să cheltuiască aproximativ cinci la sută din energia lor metabolică menținând homeostazia osmotică. Peștii de apă dulce trăiesc într-un mediu care este hipotonic pentru celulele lor. Acești pești iau în mod activ sare prin branhii și elimină urină diluată pentru a scăpa de excesul de apă. Peștii de apă sărată trăiesc în mediul invers, care este hipertonic pentru celulele lor, și secretă sare prin branhii și excretă urină foarte concentrată.

La vertebrate, rinichii reglează cantitatea de apă din corp. Osmoreceptorii sunt celule specializate din creier care monitorizează concentrația substanțelor dizolvate din sânge. Dacă nivelurile de substanțe dizolvate cresc dincolo de un anumit interval, se eliberează un hormon care întârzie pierderea de apă prin rinichi și diluează sângele la niveluri mai sigure. Animalele au, de asemenea, concentrații mari de albumină, care este produsă de ficat, în sângele lor. Această proteină este prea mare pentru a trece cu ușurință prin membranele plasmatice și este un factor major în controlul presiunilor osmotice aplicate țesuturilor.

Componentele și funcțiile membranei plasmatice
ComponentaLocație
FosfolipidȚesătura principală a membranei
ColesterolÎntre fosfolipide și între cele două straturi fosfolipidice ale celulelor animale
Proteine ​​integrale(de exemplu, integrine)Înglobat în stratul fosfolipidic(s); poate pătrunde sau nu prin ambele straturi
Proteine ​​perifericePe suprafața interioară sau exterioară a bistratului fosfolipidic; neînglobate în fosfolipide
Carbohidrați(componente ale glicoproteinelor și glicolipidelor)În general atașatla proteinele de pe stratul exterior de membrană