3.2: Плазмова мембрана

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Тонка плазмова мембрана оточує клітину, відокремлюючи її вміст від оточення і контролюючи те, що входить і виходить з клітини. Плазмова мембрана складається з двох основних молекул, фосфоліпідів (жирів) і білків. Фосфоліпіди розташовані в подвійному шарі з великими білковими молекулами, розсіяними приблизно в мембрані (див. Діаграму 3.4). Деякі молекули білка утворюють крихітні канали в мембрані, а інші допомагають транспортувати речовини з одного боку мембрани на іншу.

Діаграма 3.4: Будова плазматичної мембрани

Як речовини переміщаються через плазмову мембрану

Речовини повинні пройти через мембрану, щоб увійти або вийти з клітини, і вони роблять це різними способами. Деякі з цих процесів не потребують енергії, тобто вони пасивні, а інші вимагають енергії, тобто вони активні.

До пасивних процесів відносяться: а) дифузія і б) осмос, тоді як активні процеси включають: в) активний транспорт, г) фагоцитоз, е) піноцитоз і ф) екзоцитоз. Про них буде розказано нижче.

Дифузія

Хоча ви можете цього не знати, ви вже знайомі з процесом дифузії. Саме дифузія змушує запах (дорогі парфуми або смердючі шкарпетки) в одній частині кімнати поступово переміщатися по кімнаті, щоб він міг пахнути з іншого боку. Дифузія відбувається в повітрі і в рідинях.

На діаграмі 3.5 показано, що відбувається, коли кілька кристалів темно-фіолетового барвника під назвою перманганат калію опускаються в склянку води. Молекули барвника дифундують у воді, рухаючись від високих до низьких концентрацій, тому вони рівномірно розподіляються по всьому склянці.

Діаграма 3.5: Дифузія в рідині

В організмі дифузія змушує молекули, які знаходяться у високій концентрації на одній стороні клітинної мембрани, переміщуються по мембрані, поки вони не будуть присутні в рівних концентраціях з обох сторін. Це відбувається тому, що всі молекули мають вбудовану вібрацію, яка змушує їх рухатися і стикатися, поки вони не будуть рівномірно розподілені. Це абсолютно природний процес, який не вимагає додаткової енергії.

Невеликі молекули, такі як кисень, вуглекислий газ, вода і аміак, а також жири, дифундують безпосередньо через подвійний жировий шар мембрани. Дрібні молекули, названі вище, а також різноманітні заряджені частинки (іони) також дифузують через канали, вистелені білками. Більші молекули, як глюкоза, прикріплюються до молекули носія, яка сприяє їх дифузії через мембрану. Це називається полегшеною дифузією.

В організмі тварини дифузія важлива для переміщення кисню і вуглекислого газу між легенями і кров'ю, для переміщення перетравлених молекул їжі з кишечника в кров і для виведення продуктів життєдіяльності з клітини.

Осмос

Хоча це слово може бути незнайомим, ви майже напевно знайомі з наслідками осмосу. Саме осмос виливає сухофрукти, коли ви замочуєте його перед тим, як зробити фруктовий торт, або робить цю засохлу стару моркву майже як нова, коли ви замочуєте її у воді. Осмос насправді є дифузією води через мембрану, яка дозволяє воду через, але не більші молекули. Такий вид мембрани називають напівпроникною мембраною.

Діаграма 3.6: Осмос

Погляньте на сторону А діаграми 3.6. На ній зображена ємність, розділена на дві частини штучною напівпроникною мембраною. В одну частину наливається вода, а в іншу - розчин, що містить сіль. Вода може перетнути мембрану, але сіль не може. Вода перетинає напівпроникну мембрану шляхом дифузії до тих пір, поки не буде рівної кількості води з обох сторін мембрани. Ефект цього полягав би в тому, щоб зробити розчин солі більш розбавленим і викликати підвищення рівня рідини в правій частині контейнера, щоб він виглядав як сторона B діаграми 3.6. Такий рух води через напівпроникну мембрану називається осмосом. Це цілком природний процес, який не вимагає сторонньої енергії.

Хоча це було б важко зробити на практиці, уявіть, що тепер ви можете взяти плунжер і натиснути на рідину в правій частині контейнера B так, щоб вона текла назад через напівпроникну мембрану, поки рівень рідини з обох сторін знову не був рівним. Якби ви могли виміряти тиск, необхідний для цього, це дорівнювало б осмотичному тиску розчину солі. (Це досить просунута концепція на цьому етапі, але ви знову зустрінете цей термін, коли вивчите баланс рідини пізніше в курсі).

Діаграма 3.7: Осмос в еритроцитах, поміщених в гіпотонічний розчин

Плазмова мембрана клітин виконує роль напівпроникної мембрани. Якщо еритроцити, наприклад, поміщаються у воду, вода перетинає мембрану, щоб кількість води з обох сторін від неї була рівною (див. Діаграму 3.7). Це означає, що вода рухається в клітину, викликаючи її набухання. Це може статися до такої міри, що клітина фактично лопається, щоб випустити свій вміст. Це розрив еритроцитів називається гемолізом. У такій ситуації, коли розчин з одного боку напівпроникної мембрани має меншу концентрацію, ніж на іншій стороні, перший розчин вважається гіпотонічним до другого.

Діаграма 3.8: Осмос в еритроцитах, поміщених в гіпертонічний розчин

Тепер подумайте, що буде, якби еритроцити були поміщені в розчин солі, який має більш високу концентрацію солі, ніж розчин всередині клітин (див. Діаграму 3.8). Такий розчин для купання називається гіпертонічним розчином. У цій ситуації «концентрація» води всередині клітин була б вищою, ніж поза клітинами. Осмос (дифузія води) тоді відбуватиметься зсередини клітин до зовнішнього розчину, внаслідок чого клітини скорочуються.

Діаграма 3.9: Червоні клітини, поміщені в ізотонічний розчин

Розчин, який містить 0,9% солі, має ту ж концентрацію, що і рідини організму, і розчин всередині еритроцитів. Клітини, поміщені в такий розчин, не будуть ні розбухати, ні зменшуватися (див. Діаграму 3.9). Цей розчин називається ізотонічним розчином. Цю міцність сольового розчину часто називають звичайним фізіологічним розчином і використовується при заміні рідин організму тварини або коли клітини, такі як еритроцити, повинні бути підвішені в рідині.

Пам'ятайте - осмос - це особливий вид дифузії. Це дифузія молекул води через напівпроникну мембрану. Це абсолютно пасивний процес і не вимагає енергії.

Іноді важко згадати, яким шляхом рухаються молекули води. Хоча це не зовсім вірно в біологічному сенсі, багато студентів використовують фразу «SALT SUCKS», щоб допомогти їм запам'ятати, яким чином вода рухається по мембрані, коли з обох сторін є два розчини різної концентрації солі.

Як ми бачили, вода рухається всередину і виходить з клітини за допомогою осмосу. Весь рух води з кишечника в кровоносну систему і між кровоносними капілярами і рідиною навколо клітин (тканинної або зайвої клітинної рідини) відбувається за допомогою осмосу. Осмос також важливий у виробництві концентрованої сечі ниркою.

Активний транспорт

Коли речовина транспортується з низької концентрації до високої концентрації, тобто в гору проти градієнта концентрації, енергія повинна бути використана. Це називається активним транспортом.

Активний транспорт важливий для підтримки різних концентрацій іонів натрію і калію по обидва боки мембрани нервових клітин. Він також важливий для видалення з сечі цінних молекул, таких як глюкоза, амінокислоти та іони натрію.

Діаграма 3.10: Фагоцитоз

г) Фагоцитоз

Фагоцитоз іноді називають «поїданням клітин». Це процес, який вимагає енергії і використовується клітинами для переміщення твердих частинок, таких як бактерії, через плазматичну мембрану. Пальцеподібні проекції від плазматичної мембрани оточують бактерії і поглинають їх, як показано на схемі 3.10. Потрапляючи всередину клітини, ферменти, що виробляються лізосомами клітини (описані далі), знищують бактерії.

Знищення бактерій та іншої чужорідної речовини лейкоцитами процесом фагоцитозу є життєво важливою частиною захисних механізмів організму.

д) Пиноцитоз

Піноцитоз або «пиття клітин» - це дуже схожий процес на фагоцитоз, але використовується клітинами для переміщення рідин через плазматичну мембрану. Більшість клітин здійснюють піноцитоз (зверніть увагу на піноцитотичний бульбашка на діаграмі 3.3).

f) Екзоцитоз

Екзоцитоз - це процес, за допомогою якого речовини, що утворюються в клітці, переміщаються через плазматичну мембрану в рідину поза клітиною (або позаклітинну рідину). Він зустрічається у всіх клітині, але найважливіший у секреторних клітині (наприклад, клітині, які виробляють травні ферменти) та нервових клітиках.