Перемещение в клетки и из клеток
Клеточные мембраны действуют как барьеры в большинстве молекул, но не во всех. Развитие клеточной мембраны, которая может позволить некоторым материалам пройти при ограничении движения других молекул, является важным шагом в эволюции клетки. Клеточные мембраны являются дифференциально (или частично) проницаемыми барьерами отделения внутренней клеточной среды от внешней.
Вода перемещается из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Энергия существует в двух формах: потенциальной и кинетической. Молекулы воды движутся в соответствии с различиями в потенциальной энергии между тем, где они находятся и куда они идут. Сила тяжести и давление дают силы для этого движения. Эти силы также работают в гидрологических (водных) циклах. В гидрологическом цикле вода бежит под гору.
Картинка: Круговорот воды. Изображение из «Науки биологии», 4-е издание, по Sinauer Associates и WH Freeman, используются с разрешения авторов.
Диффузия является чистым движением вещества (жидкости или газа) из области с более высокой концентрацией в другую, с более низкой. Предположим, вы находитесь в большом (10 футов х 10 футов x 10 футов) лифте. Неприятный человек с зажженной сигарой заходит на третьем этаже. Вам необходимо проехать с ним около 60 этажей. Не любя дым, вы оказываетесь в самом дальнем углу. Но дыма все равно не избежать! Это и есть пример диффузии в действии. Ближе к источнику концентрация вещества увеличивается. Вы, наверное, испытывали что-то подобное, когда кто-то сильно надушенный проходил мимо.
Молекулы любого вещества (твердое, жидкое или газ) находятся в движении. Когда вещество выше абсолютного нуля (0 градусов Кельвина или -273 ° С), энергия движения молекул с более высоким потенциалом влияет на состояние молекул с более низким потенциалом, как в примере выше. Большинство молекул движутся с более высокой на более низкую концентрацию, хотя там будут и те, которые перемещаются от низкого до высокого. В конце концов энергия достигнет состояния равновесия, где они будут равномерно распределены по всей системе. Благоприятному распределению молекул воды способствует ее безопасность, которую гарантируют водяные фильтры для чрезвычайных ситуаций.
Клеточная мембрана
Клеточная мембрана функционирует как полупроницаемый барьер, что позволяет очень небольшому количеству молекул проникать через ограждение большинства химических веществ органического производства. Электронно-микроскопическое обследование клеточных мембран привело к разработке модели «липидный бислой» (также называемый жидкостью мозаики модели). Наиболее распространенные молекулы в модели фосфолипида, который имеет полярные головы и два неполярных хвоста. Эти фосфолипиды выровнены хвост к хвосту и образуют гидрофобные области между гидрофильными головками на внутренней и внешней поверхностях мембраны. Это наслоение называется двухслойным, известным как замораживание пласта.
Картинка: Схема фосфолипидного бислоя. Изображение из « Науки биологии», 4-е издание, по Sinauer Associates и WH Freeman, используются с разрешения авторов.
Фосфолипиды и гликолипиды являются важными структурными компонентами клеточных мембран. Фосфолипиды модифицированы таким образом, что фосфатная группа (PO4-) замещает одну из трех жирных кислот и обычно находится на липидной. Помимо этой группы они «делают» полярные «головы» и два неполярных «хвоста».
Картинка: Структура фосфолипидов заполняет пространства модели (слева) и модель цепочки (справа). Изображение из «Науки биологии», 4-е издание, по Sinauer Associates и WH Freeman, используются с разрешения авторов.
Картинка: Схема клеточной мембраны. Изображение из « Науки биологии», 4-е издание, по Sinauer Associates и WH Freeman, используются с разрешения авторов.
Картинка: Клеточные мембраны от противоположных нейронов (x436 ТЕМ, 740). Изображение авторства Dennis Kunkel, используются с его разрешения.
Холестерин является еще одним важным компонентом клеточных мембран и встроен во внутреннюю гидрофобную область. Большинство бактериальных клеточных мембран не содержат холестерина.
Белки суспендируют во внутреннем слое, хотя более гидрофильные области этих белков выходят за его рамки. Эти интегральные белки иногда называют шлюзом белков. Белки также функционируют между собой, связывая вещества, которые будут введены в клетку через каналы, позволяющие проникать в нее через пассивный транспортный механизм.
Поверхности мембраны будут иметь тенденцию к богатым гликолипидам, которые имеют свои гидрофобные хвосты, встроенные в гидрофобную область мембраны. Многоклеточные организмы могут иметь некоторые механизмы, позволяющие признание тех клеток, которые принадлежат к организму, а также инородных. У многих животных есть иммунная система, которая служит этой функции. Это является основой для иммунитета, аллергии и аутоиммунных заболеваний. У реципиентов пересадки эта реакция должна быть подавлена, чтобы новый орган не был атакован со стороны иммунной системы, что приведет к отказу от него. Аутоиммунные заболевания, такие как ревматоидный артрит и волчанка, происходят, когда по еще неизвестным причинам иммунная система начинает атаковать определенные клетки и ткани в организме.
Клетки и диффузия
Вода, углекислый газ и кислород являются одними из нескольких простых молекул, которые могут проникать через клеточную мембрану путем диффузии (или тип диффузии, известный как осмос). Диффузия – это один из принципиальных способов передвижения веществ внутри клетки. Газообмен в легких действует по этому принципу. Двуокись углерода образуется всеми клетками в результате клеточных процессов. Поскольку источник внутри клетки, градиент концентрации постоянно пополняется, при этом чистый поток СО2 поступает из камеры. Метаболические процессы животных и растений, как правило, требуют кислорода, который находится в более низкой концентрации внутри клетки. Таким образом чистый поток кислорода поступает в клетку.
Осмос является диффузией воды через полупроницаемую (или дифференциально проницаемую, или селективно проницаемую) мембрану. Присутствие растворенного вещества уменьшает его водный потенциал. Таким образом, чем больше воды на единицу объема в стакане пресноводных, тем большие изменения претерпевает эквивалентный объем морской воды. В ячейке, которая имеет так много органелл и других крупных молекул, поток воды, как правило, направлен в клетку. Водяные фильтры для чрезвычайных ситуаций обеспечивают безопасность питьевой воды.
Гипертонический раствор относится к веществу, в котором меньше воды. Изотонический означает большую концентрацию веществ.
Картинка: Изображение из «Науки биологии», 4-е издание, по Sinauer Associates и WH Freeman, используются с разрешения авторов.
Картинка: Водные отношения в растительной клетке. Изображение из «Науки биологии», 4-е издание, по Sinauer Associates и WH Freeman, используются с разрешения авторов.
Одна из главных функций крови у животных – поддерживать изотоничность внутренней среды. Это устраняет проблемы, связанные с потерей воды или избыточной массы воды в клетках. Опять мы возвращаемся к гомеостазе. Paramecium и другие одноклеточные организмы пресных вод имеют трудности, так как они, как правило, гипертоничны по отношению к их внешней среде. Водяные фильтры для чрезвычайных ситуаций обеспечат безопасной водой те районы, где подача питьевой воды ограничена или вовсе недоступна.
Таким образом, вода будет иметь тенденцию течь через клеточную мембрану, что плохо для любой клетки. Перекачка воды из камеры с помощью этого метода требует затрат энергии, так как вода движется против градиента концентрации. Поскольку реснитчатые (и многие простейшие пресноводные) гипотоничны, удаление воды путем осмоса является существенной проблемой. В таком случае обычно используется механизм сократительной вакуоли. Воду собирают в центральное кольцо вакуоли и активно транспортируют из клетки.
Картинка: Функционирования сократительной вакуоли в Paramecium. Изображение из « Науки биологии», 4-е издание, по Sinauer Associates и WH Freeman, используются с разрешения авторов.
Активное и пассивное перемещение
Активное перемещение требует от ячеек тратить энергию, обычно в форме АТФ. Примеры включают перемещение крупных молекул (не жирорастворимых) и натрий-калиевого насоса.
Картинка (слева): Types of active transport. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates and , used with permission.
Пассивное перемещение не требует энергии из клетки. Примеры включают диффузию кислорода и двуокиси углерода, осмоса воды и облегченной диффузии.
Картинка (справа): Типы пассивного перемещения. Изображение из «Науки биологии», 4-е издание, по Sinauer Associates и WH Freeman, используются с разрешения авторов.
Помощники в перемещении
Транспортные белки интегрированы в клеточную мембрану и зачастую являются весьма избирательными химикатами. Некоторые из этих белков могут перемещать вещества через мембрану только при содействии градиента концентрации, а также носителей при содействии транспортных, известных как облегченные, к диффузии. Обе диффузии и облегченные диффузии приводятся в действие разностью потенциалов энергии градиента концентрации. Глюкоза поступает в большинство клеток облегченной диффузии. Там ограниченное количество глюкозы переносящего белка. Быстрое разрушение глюкозы в клетку (процесс, известный как гликолиз) поддерживает градиента концентрации. Когда внешняя концентрация глюкозы увеличивается, перемещение глюкозы все же не превышает определенную скорость, что указывает на ограничение на транспорте.
В случае активного транспорта белки нужны для того, чтобы двигаться против градиента концентрации. Так, например, натриево-калиевый насос в нервных клетках. Na + поддерживается на уровне низких концентраций внутри клетки и К + в более высоких концентрациях. Обратный случай снаружи ячейки. Когда нерв сообщения передается, ионы проходят через мембрану, тем самым отправляя сообщение. После того как сообщение прошло, ионам необходимо активно транспортироваться обратно в их стартовые позиции через мембрану. Это аналогично эффекту домино.
Виды транспорта молекул
Общая перемещающая система переносит одно растворенное вещество одновременно. Симпорт транспортирует вещества и возвращает их. Антипорт транспортирует вещества и совместно транспортирует растворенные вещества в противоположном направлении.
Везикул-опосредованный транспорт
Пузырьки и вакуоли, как предохранитель с клеточной мембраной, могут быть использованы, чтобы освободить или транспортировать химические веществ из клетки или дать им возможность войти в клетку. Термин экзоцитоз применяется для обозначения транспорта из клетки.
Обратите внимание на пузырек с левой стороны, и как он сливается с клеточной мембраной справа, изгнание содержимого пузырька на внешней поверхности клетки.
Эндоцитоз происходит в случае, когда молекула вызывает клеточную мембрану, выпирающую внутрь, образуя пузырь. Фагоцитоз можно назвать видом эндоцитоза, при котором охвачена вся клетка. При пиноцитозе жидкость охватывает клетку снаружи. Рецептор опосредованного эндоцитоза происходит, когда транспортируемый материал связывается с определенными специфическими молекулами в мембране. Примеры включают в себя транспортный инсулин и холестерин в клетках животных.
Картинка: Эндоцитоза и экзоцитоза. Изображение из Purves и др., жизнь:. Науки биологии, 4-е издание, по Sinauer Associates и WH Freeman, используются с разрешения.
Благодарим: http://www.emc.maricopa.edu/
Ссылки:
http://www.lsbu.ac.uk/water/cell.html;
http://articles.mercola.com/sites/articles/archive/2011/01/29/dr-pollack-on-structured-water.aspx
http://www.bioparadigma.spb.ru/hidden_history/ch11.htm