Процесс поступления веществ в клетку из окружающей среды их преобразование: Транспорт веществ в клетку — что это, определение и ответ

Транспорт веществ в клетку — что это, определение и ответ

Живые организмы представляют собой открытые системы, которые нуждаются в поступлении веществ и энергии извне.

Поступление веществ в клетку называется эндоцитоз («эндо» = внутрь, «цито» = клетка), а их выделение из клетки – экзоцитоз («экзо» = наружу).

Эндоцитоз – поступление веществ в клетку.

Экзоцитоз – выделение веществ из клетки.

Существует два типа проникновения веществ в клетку через мембраны: пассивный и активный транспорт.

Пассивный транспорт

Простая диффузия

• «Просачивание» молекул через билипидный слой или белковые поры.

• Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O₂, N₂, бензол) и полярные маленькие молекулы (CO₂, H₂O, мочевина). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки). Не требует затрат АТФ.

• Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Облегченная диффузия

• Проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Осмос

• Процесс односторонней диффузии растворителя в сторону большей концентрации растворённого вещества из области с меньшей концентрацией растворенного вещества через полупроницаемую мембрану.

• Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением: система пытается выровнять концентрацию раствора в обеих средах, разделённых мембраной.

• Существует явление обратного осмоса – обратной диффузии растворителя.

Активный и пассивный транспорт

Активный транспорт

• Перенос вещества через мембрану или слой клеток

• Против градиента концентрации (из области меньшей концентрации в область большей).

• С затратой энергии АТФ.

К активно транспортируемым веществам относят ионы натрия, калия, кальция, железа, водорода, хлора, йода, мочевой кислоты, некоторые сахара и большинство аминокислот.

Калий-натриевый насос

Механизм активного транспорта лучше всего изучен для натрий-калиевого насоса (Na+/K+-нaсоса) – транспортного процесса, который выкачивает ионы натрия через мембрану клетки наружу и в то же время закачивает в клетку ионы калия.

• Насос отвечает за поддержание различной концентрации ионов натрия и калия по обе стороны мембраны, а также за наличие отрицательного электрического потенциала внутри клеток.

• Работа насоса. Когда 2 иона калия связываются с белком-переносчиком снаружи и 3 иона натрия связываются с ним внутри, активируется АТФ-азная функция белка. Это ведет к расщеплению 1 молекулы АТФ до АДФ с выделением энергии высокоэнергетической фосфатной связи. Полагают, что эта освобожденная энергия вызывает изменение молекулы белка-переносчика, в результате 3 иона натрия перемещаются наружу, а 2 иона калия – внутрь клетки.

Калий-натриевый насос

Фагоцитоз

• От греч. «фаго» – пожирать

• Поглощение клеткой твердых органических веществ. Выросты мембраны окружают твёрдую частицу и образуют углубление, которое отпочковывается внутрь клетки и образуется пузырёк – фагосома.

• Фагоцитоз свойственен простейшим, кишечнополостным, лейкоцитам, а также клеткам капилляров костного мозга, селезенки, печени, надпочечников.

Пиноцитоз

• От греч. «пино» – пью

• Поглощения клеткой капель жидкости с растворёнными веществами. Механизм поглощения схож с механизмом фагоцитоза.

• Пиноцитоз характерен для животных клеток.

а) фагоцитоз и б) пиноцитоз

*Прочитайте темы “Метаболизм. Основные понятия” и “Энергетический обмен в клетке” и выполните тестирование.

Основные закономерности метаболических процессов в организме человека.

Часть 1.

Метаболизм – обмен веществ и энергии — представляет собой по классическим определениям, с одной стороны, обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой, а, с другой стороны, совокупность процессов превращения веществ и трансформации энергии, происходящих непосредственно в самих живых организмах. Как известно, обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи. В обмене веществ, контролируемом многоуровневыми регуляторными системами, участвует множество ферментных каскадов, обеспечивающих совокупность химических реакций, упорядоченных во времени и пространстве. Данные биохимические реакции, детерминированные генетически, протекают последовательно в строго определенных участках клеток, что, в свою очередь обеспечивается принципом компартментации клетки. В конечном итоге в процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные специфические вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. В процессе любых биохимических трансформаций освобождается и поглощается энергия.

Клеточный метаболизм выполняет четыре основные специфические функции, а именно: извлечение энергии из окружающей среды и преобразование ее в энергию макроэргических (высокоэнергетических) химических соединений в количестве, достаточном для обеспечения всех энергетических потребностей клетки; образование из экзогенных веществ промежуточных соединений, являющихся предшественниками высокомолекулярных компонентов клетки; синтез из этих предшественников белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других клеточных компонентов; синтез и разрушение специальных биомолекул, образование и распад которых связаны с выполнением специфических функций данной клетки.

Поскольку первоначальные представления об обмене веществ возникли в связи с изучением процессов обмена между организмом и внешней средой и лишь впоследствии эти представления расширились до понимания путей трансформации веществ и энергии внутри организма, до настоящего времени принято выделять соответственно внешний, или общий, обмен веществ и внутренний или промежуточный, обмен веществ. В свою очередь как во внутреннем, так и во внешнем обмене веществ различают структурный (пластический) и энергетический обмен. Под структурным обменом понимают взаимные превращения различных высоко- и низкомолекулярных соединений в организме, а также их перенос (транспорт) внутри организма и между организмом и внешней средой. Под энергетическим обменом понимают высвобождение энергии химических связей молекул, образующейся в ходе реакций и ее превращение в тепло (большая часть), а также использование энергии на синтез новых молекул, активный транспорт, мышечную работу (меньшая часть). В процессе обмена веществ часть конечных продуктов химических реакций выводится во внешнюю среду, другая часть используется организмом. В этом случае конечные продукты органического обмена накапливаются или расходуются в зависимости от условий существования организма, называясь запасными или резервными веществами.

Как указывалось выше совокупность химических превращений веществ, которые происходят непосредственно в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называют промежуточным обменом (промежуточным метаболизмом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса: катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция). Катаболизмом называют ферментативное расщепление крупных органических молекул, осуществляемое у всех высших организмов, как правило, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в химических связях органических молекул, и резервированием ее в форме энергии фосфатных связей молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Анаболизм, напротив, представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких, как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, а также некоторых их биосинтетических предшественников из более простых соединений. Анаболические процессы происходят с потреблением энергии. Процессы катаболизма и анаболизма происходят в клетках одновременно, неразрывно связаны друг с другом и являются обязательными компонентами одного общего процесса — метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращениями энергии. Катаболические и анаболические реакции различаются, как правило, локализацией в клетке. Например, окисление жирных кислот до углекислого газа и воды осуществляется с помощью набора митохондриальных ферментов, тогда как синтез жирных кислот катализирует другая система ферментов, находящихся в цитозоле. Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно. При этом все превращения органических веществ, процессы синтеза и распада взаимосвязаны, координированы и регулируются нейрогормональными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. В организме человека не существует самостоятельного обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Все превращения объединены в целостный процесс метаболизма, допускающий также взаимопревращения между отдельными классами органических веществ. Подобные взаимопревращения диктуются физиологическими потребностями организма, а также целесообразностью замены одних классов органических веществ другими в условиях блокирования какого-либо процесса при патологии.

Согласно современным представлениям расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих три главные стадии катаболизма. На первой стадии полимерные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки — мономеры. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки — до аминокислот, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды — до жирных кислот и глицерина. Эти реакции протекают в основном гидролитическим путем и количество энергии, освобождающейся на этой стадии, не превышает 1% от всей выделяемой в ходе катаболизма энергии, и почти целиком используется организмом в качестве тепла.

На второй стадии катаболизма продуктами химических реакций становятся еще более простые молекулы, унифицированные для углеводного, белкового и липидного обмена. по своему типу (гликолиз, катаболизм аминокислот, β-окисление жирных кислот соответственно). Принципиальным является то, что на второй стадии катаболизма образуются продукты, которые являются общими для обмена исходно разных групп веществ. Эти продукты представляют собой ключевые химические соединения, соединяющие разные пути метаболизма. К таким соединениям относятся, например, пируват (пировиноградная кислота), образующийся при распаде углеводов, липидов и многих аминокислот, ацетил-КоА, объединяющий катаболизм жирных кислот, углеводов и аминокислот, a-кетоглутаровая кислота, оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота), фумарат (фумаровая кислота) и сукцинат (янтарная кислота), образующиеся при трансформации аминокислот. Продукты, полученные на второй стадии катаболизма, вступают в третью стадию, которая известна как цикл трикарбоновых кислот (терминальное окисление, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). На третьем этапе ацетил-КоА и некоторые другие метаболиты, например α-кетоглутарат, оксалоацетат, подвергаются окислению в цикле ди- и трикарбоновых кислот Кребса. Окисление сопровождается образованием восстановленных форм НАДН + Н+ и ФАДН2. Именно в ходе второй и третьей стадий катаболизма освобождается и аккумулируется в виде АТФ практически вся энергия химических связей подвергнутых диссимиляции веществ. При этом осуществляется перенос электронов от восстановленных нуклеотидов на кислород через дыхательную цепь, сопровождающийся образованием конечного продукта – молекулы воды. Транспорт электронов в дыхательной цепи сопряжен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

Главным катаболическим процессом в обмене веществ принято считать биологическое окисление — совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках, — а именно дыхание и окислительное фосфорилирование. Интегральной характеристикой биологического окисления служит так называемый дыхательный коэффициент (RQ), который представляет собой отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему одновременно поглощенного кислорода. При окислении углеводов объем расходуемого кислорода соответствует объему образующегося углекислого газа и поэтому дыхательный коэффициент в этих случаях равен единице. При окислении жиров и белков такое соответствие отсутствует, поскольку кроме окисления углерода до углекислого газа часть кислорода расходуется на окисление водорода с образованием воды. Вследствие этого величины дыхательного коэффициента в случае окисления жиров и белков составляют соответственно около 0, 7 и 0, 8. Подавляющая часть белкового азота при окислении белка в организме переходит в мочевину. Поэтому по дыхательному коэффициенту и данным о количестве выделяемой мочевины можно определять соотношение участвующих в биологическом окислении углеводов, жиров и белков.

В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. Энергия расходуется не только на поддержание температуры тела и выполнение работы, но и на воссоздание структурных элементов клеток, обеспечение их жизнедеятельности, роста и развития организма. Тем не менее, только часть получаемой при окислении белков, жиров и углеводов энергии используется для синтеза АТФ, другая, значительно большая, превращается в теплоту. Так, при окислении углеводов 22, 7% энергии химических связей глюкозы в процессе окисления используется на синтез АТФ, а 77, 3% в виде тепла рассеивается в тканях. Аккумулированная в АТФ энергия используемая в дальнейшем для механической работы, химических, транспортных, электрических процессов в конечном счете тоже превращается в теплоту. Следовательно, количество тепла, образовавшегося в организме, становится мерой суммарной энергии химических связей, подвергшихся биологическому окислению. Поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выражена в единицах тепла — калориях или джоулях.

Общий баланс энергии организма определяют на основании калорийности вводимых пищевых веществ и количества выделенного тепла, которое может быть измерено или рассчитано. При этом надо учитывать, что величина калорийности, получаемая при лабораторной калориметрии, может отличаться от величины физиологической калорической ценности, поскольку некоторые вещества в организме не сгорают полностью, а образуют конечные продукты обмена, способные к дальнейшему окислению. В первую очередь это относится к белкам, азот которых выделяется из организма главным образом в виде мочевины, сохраняющей некоторый потенциальный запас калорий. Очевидно, что калорическая ценность, дыхательный коэффициент и величина теплообразования для разных веществ различны. Физиологическая калорическая ценность (в ккал/г) составляет для углеводов — 4, 1; липидов — 9, 3; белков — 4, 1; величина теплообразования (в ккал на 1 литр потребленного кислорода) для углеводов составляет 5, 05; липидов — 4, 69; белков — 4, 49.

Процесс анаболизма по аналогии с катаболическими процессами также проходит три стадии. При этом исходными веществами для анаболических процессов служат продукты второй стадии и промежуточные соединения третьей стадии катаболизма. Таким образом вторая и третья стадии катаболизма являются в то же время первой, исходной стадией анаболизма и химические реакции, протекающие в данном месте и в данное время, выполняют по сути двойную функцию. С одной стороны, они являются основой завершающего этапа катаболизма, а с другой — служат инициацией для анаболических процессов, поставляя вещества-предшественники для последующих стадий ассимиляции. Подобным образом, например, начинается синтез белка. Исходными реакциями этого процесса можно считать образование некоторых a-кетокислот. На следующей, второй стадии в ходе реакций аминирования или трансаминирования эти кетокислоты превращаются в аминокислоты, которые на третьей стадии анаболизма объединяются в полипептидные цепи. В результате ряда последовательных реакций происходит также синтез нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов. Тем не менее следует подчеркнуть, что пути анаболизма не являются простым обращением процессов катаболизма. Это связано прежде всего с энергетическими особенностями химических реакций. Некоторые реакции катаболизма практически необратимы, поскольку их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. Поэтому в ходе эволюции были выработаны другие, специфические для анаболизма реакции, где синтез олиго- и полимерных соединений сопряжен с затратой энергии макроэргических соединений, прежде всего – АТФ.

Энергия клетки, Функции клетки | Изучайте науку в Scitable

Конкретный энергетический путь, который использует клетка, во многом зависит от того, является ли эта клетка эукариотной или прокариотической. Эукариотические клетки используют три основных процесса для преобразования энергии, содержащейся в химических связях пищевых молекул, в более удобные для использования формы — часто богатые энергией молекулы-носители. Аденозин 5′-трифосфат, или АТФ, является наиболее распространенной молекулой переносчика энергии в клетках. Эта молекула состоит из
азотистое основание (аденин), сахар рибозы и три фосфатные группы. Слово аденозин
относится к аденину плюс сахару рибозе. Связь между вторым и
третий фосфат представляет собой высокоэнергетическую связь (рис. 5).

Первым процессом эукариотического энергетического пути является гликолиз , что буквально означает «расщепление сахара». Во время гликолиза отдельные молекулы глюкозы расщепляются и в конечном итоге превращаются в две молекулы вещества, называемого пируватом ; поскольку каждая глюкоза содержит шесть атомов углерода, каждый образующийся пируват содержит всего три атома углерода. Гликолиз на самом деле представляет собой серию из десяти химических реакций, которые требуют ввода двух молекул АТФ. Этот вход используется для создания четырех новых молекул АТФ, что означает, что гликолиз приводит к чистому приросту двух АТФ. Также образуются две молекулы НАДН; эти молекулы служат переносчиками электронов для других биохимических реакций в клетке.

Гликолиз — это древний основной путь образования АТФ, который встречается почти во всех клетках, как у эукариот, так и у прокариот. Этот процесс, также известный как ферментация , происходит в цитоплазме и не требует кислорода. Однако судьба пирувата, образующегося во время гликолиза, зависит от того, присутствует ли кислород. В отсутствие кислорода пируват не может полностью окислиться до углекислого газа, поэтому образуются различные промежуточные продукты. Например, когда уровень кислорода низкий, клетки скелетных мышц полагаются на гликолиз для удовлетворения своих интенсивных энергетических потребностей. Эта зависимость от гликолиза приводит к накоплению промежуточного продукта, известного как молочная кислота, из-за которого мышцы человека могут чувствовать себя «в огне». Точно так же дрожжи, одноклеточные эукариоты, производят спирт (вместо углекислого газа) в условиях дефицита кислорода.

Напротив, при наличии кислорода пируваты, образующиеся в результате гликолиза, становятся исходными веществами для следующей части энергетического пути эукариот. На этом этапе каждая молекула пирувата в цитоплазме попадает в митохондрию, где превращается в ацетил-КоА , двухуглеродный энергоноситель, а его третий углерод соединяется с кислородом и высвобождается в виде углекислого газа. В то же время также образуется переносчик NADH. Затем ацетил-КоА поступает в путь, называемый 9-й.0005 цикл лимонной кислоты , который является вторым основным энергетическим процессом, используемым клетками. Восьмистадийный цикл лимонной кислоты генерирует еще три молекулы НАДН и две другие молекулы-носители: ФАДН ₂ и ГТФ (рис. 6, в середине).

Третий основной процесс эукариотического энергетического пути включает электрон-транспортную цепь , катализируемую несколькими белковыми комплексами, расположенными во внутренней мембране митохондрий. Этот процесс, называемый окислительным фосфорилированием, переносит электроны от NADH и FADH ₂ через мембранные белковые комплексы и, в конечном счете, к кислороду, где они соединяются с образованием воды. Когда электроны проходят через белковые комплексы в цепи, через митохондриальную мембрану формируется градиент ионов водорода или протонов. Клетки используют энергию этого протонного градиента для создания трех дополнительных молекул АТФ на каждый электрон, перемещающийся по цепи. В целом, комбинация цикла лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования дает гораздо больше энергии, чем ферментация — в 15 раз больше энергии на молекулу глюкозы! Вместе эти процессы, протекающие внутри митохондиона, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование, обозначаются как дыхание , термин, используемый для обозначения процессов, связанных с поглощением кислорода и образованием углекислого газа (рис. 6).

Цепь переноса электронов в митохондриальной мембране не единственная, которая генерирует энергию в живых клетках. В растительных и других фотосинтезирующих клетках хлоропласты также имеют цепь переноса электронов, которая собирает солнечную энергию. Несмотря на то, что они не содержат митохондрии или хлоропласты, прокариоты имеют другие виды электрон-транспортных цепей в своих плазматических мембранах, которые также генерируют энергию.

5.7: Клеточный транспорт — Биология LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Сюзанна Ваким и Мандип Грюал
• Колледж Бьютт

Впуская свет

Посмотрите на большие окна и стеклянные двери в этом доме. Представьте, сколько света они должны пропускать в солнечный день. А теперь представьте, что вы живете в доме со стенами без окон и дверей. Ничто не могло войти или выйти. Или представьте, что вы живете в доме с дырами в стенах вместо окон и дверей. Вещи могли входить и выходить, но вы не могли контролировать, что входило и что выходило. Только если в доме есть стены с окнами и дверьми, которые можно открывать и закрывать, вы можете контролировать, что входит и выходит. Например, окна и двери позволяют пропускать свет и собаку, а также защищать от дождя и насекомых.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Дом с окнами

Транспорт через мембраны

Если бы клетка была домом, плазматическая мембрана представляла бы собой стены с окнами и дверями. Перемещение вещей в клетку и из нее — важная роль плазматической мембраны. Он контролирует все, что входит и выходит из клетки. Есть два основных способа пересечения плазматической мембраны веществами: пассивный транспорт, не требующий энергии; и активный транспорт, который требует энергии. Пассивный транспорт объясняется в этом разделе, а активный транспорт объясняется в следующем разделе, Активный транспорт и гомеостаз. Различные типы клеточного транспорта обобщены на концептуальной карте на рисунке \(\PageIndex{2}\).

Транспорт без энергии

Пассивный транспорт происходит, когда вещества пересекают плазматическую мембрану без поступления энергии от клетки. Энергия не требуется, потому что вещества перемещаются из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже. Водные растворы очень важны в биологии. Когда вода смешивается с другими молекулами, эта смесь называется раствором . Вода — это растворитель , а растворенное вещество — раствор . Раствор характеризуется растворенным веществом. Например, вода и сахар будут характеризоваться как раствор сахара. Чем больше частиц растворенного вещества в данном объеме, тем выше концентрация. Частицы растворенного вещества всегда перемещаются из области, где оно более концентрировано, в место, где оно менее концентрировано. Это немного похоже на катящийся с холма мяч. Это происходит само по себе без каких-либо затрат дополнительной энергии.

Различные категории транспорта ячеек показаны на рисунке \(\PageIndex{2}\). Клеточный транспорт можно классифицировать следующим образом:

• Пассивный транспорт, который включает
  • Простая диффузия
  • Осмос
  • Облегченное распространение
• Активный транспорт может включать помпу или везикулу
  • Транспортировка насоса может быть
    • первичный
    • вторичный
  • Транспорт везикул может включать
    • Экзоцитоз
    • Эндоцитоз, включающий
      • Пиноцитоз
      • Фагоцитоз
      • Рецептор-опосредованный эндоцитоз

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Концептуальная карта клеточного транспорта иллюстрирует различные типы клеточного транспорта, которые происходят на плазматической мембране

Простое распространение

Распространение Хотя вы можете не знать, что такое распространение, вы испытали этот процесс. Можете ли вы вспомнить, как вы вошли в парадную дверь своего дома и почувствовали приятный аромат, исходящий из кухни? Именно распространение частиц из кухни к входной двери дома позволило обнаружить запахи. Диффузия определяется как чистое перемещение частиц из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Рисунок \(\PageIndex{3}\). Простая диффузия показана в виде временной шкалы, на которой внешняя часть клетки (внеклеточное пространство) отделена от внутренней части клетки (внутриклеточное пространство) клеточной мембраной. В начале временной шкалы есть много молекул вне клетки и ни одной внутри. Со временем они диффундируют в клетку до тех пор, пока их количество снаружи и внутри не станет равным.

Молекулы в газе, жидкости или твердом теле находятся в постоянном движении благодаря своей кинетической энергии. Молекулы находятся в постоянном движении и сталкиваются друг с другом. Эти столкновения заставляют молекулы двигаться в случайном направлении. Однако со временем большее количество молекул будет перемещаться в менее концентрированную область. Таким образом, чистое движение молекул всегда происходит от более плотно упакованных областей к менее плотно упакованным областям. Многие вещи могут рассеиваться. Запахи распространяются по воздуху, соль распространяется по воде, а питательные вещества попадают из крови в ткани тела. Это распространение частиц путем случайного движения из области с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией называется диффузией. Это неравномерное распределение молекул называется градиентом концентрации. Как только молекулы становятся равномерно распределенными, возникает динамическое равновесие. Равновесие называется динамическим, поскольку молекулы продолжают двигаться, но, несмотря на это изменение, концентрация не меняется с течением времени. И живые, и неживые системы испытывают процесс диффузии. В живых системах диффузия отвечает за перемещение большого количества веществ, таких как газы и небольшие незаряженные молекулы, в клетки и из них.

Осмос

Осмос — особый тип диффузии; это прохождение воды из области с высокой концентрацией воды через полупроницаемую мембрану в область с низкой концентрацией воды. Вода движется внутрь или наружу клетки до тех пор, пока ее концентрация не станет одинаковой по обе стороны плазматической мембраны.

Полупроницаемые мембраны представляют собой очень тонкие слои материала, которые пропускают через себя одни вещества, но препятствуют прохождению других. Клеточные мембраны являются примером полупроницаемых мембран. Клеточные мембраны пропускают небольшие молекулы, такие как кислород, углекислый газ и кислород, но не позволяют более крупным молекулам, таким как глюкоза, сахароза, белки и крахмал, напрямую проникать в клетку.

Классическим примером, используемым для демонстрации осмоса и осмотического давления, является погружение клеток в растворы сахара различной концентрации. Есть три возможных взаимодействия, с которыми могут столкнуться клетки при помещении их в раствор сахара. На рисунке \(\PageIndex{4}\) показано, что происходит при осмосе через полупроницаемую мембрану клеток.

1. Концентрация растворенного вещества в растворе может быть в раз больше, чем концентрация растворенного вещества в клетках. Эта ячейка описана как находящаяся в гипертонический раствор (гипер = выше нормы). Чистый поток или вода выйдет из ячейки.
2. Концентрация растворенного вещества в растворе может быть равной концентрации растворенного вещества в клетках. В этой ситуации ячейка находится в изотоническом растворе (изо = равный или такой же, как в норме). Количество воды, поступающей в клетку, равно количеству воды, покидающей клетку.
3. Концентрация растворенного вещества в растворе может быть менее концентрация растворенного вещества в клетках. Эта клетка находится в гипотоническом растворе (гипо = меньше нормы). Чистый поток воды будет в ячейку.

Рисунок \(\PageIndex{4.A}\): Гипертонический раствор. Раствор с более высокой концентрацией растворенного вещества, чем другой раствор. Частицы воды будут выходить из клетки, вызывая образование трещин. Рисунок \(\PageIndex{4.B}\): Изотонический раствор. Раствор с той же концентрацией растворенного вещества, что и другой раствор. Нет чистого движения частиц воды, и общая концентрация по обеим сторонам клеточной мембраны остается постоянной.Рисунок \(\PageIndex{4.C}\): Гипотонический раствор. Раствор с более низкой концентрацией растворенного вещества, чем другой раствор. Частицы воды будут перемещаться в клетку, заставляя клетку расширяться и в конечном итоге лизироваться.

На рисунке \(\PageIndex{5}\) показаны конкретные результаты осмоса в эритроцитах.

1. Гипертонический раствор. Красные кровяные тельца будут уменьшаться по мере того, как вода вытекает из клетки и попадает в окружающую среду.
2. I сотоновый раствор . В этой среде эритроцит сохраняет свою нормальную форму, поскольку количество воды, поступающей в клетку, равно количеству воды, покидающей клетку.
3. Гипотонический раствор . Эритроцит в этой среде станет заметно опухшим и потенциально может разорваться, когда вода устремится в клетку.

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Демонстрация осмоса при помещении эритроцитов в гипертонический, изотонический и гипотонический раствор.

Облегченное распространение

Вода и многие другие вещества не могут просто диффундировать через мембрану. Гидрофильные молекулы, заряженные ионы и относительно большие молекулы, такие как глюкоза, нуждаются в помощи при диффузии. На помощь приходят специальные белки в мембране, известные как транспортные белки . Диффузия с помощью транспортных белков называется облегченной диффузией . Существует несколько типов транспортных белков, включая белковые каналы и белки-носители (рис. \(\PageIndex{6}\))

• Канальные белки образуют поры или крошечные отверстия в мембране. Это позволяет молекулам воды и небольшим ионам проходить через мембрану, не вступая в контакт с гидрофобными хвостами липидных молекул внутри мембраны.
• Белки-носители связываются со специфическими ионами или молекулами и при этом меняют форму. Когда белки-переносчики изменяют форму, они переносят ионы или молекулы через мембрану.

Рисунок \(\PageIndex{6}\): Облегченная диффузия через клеточную мембрану. Канальные белки и белки-переносчики помогают веществам диффундировать через клеточную мембрану. На этой схеме каналы и белки-переносчики помогают веществам перемещаться в клетку (из внеклеточного пространства во внутриклеточное пространство). Канальный белок имеет отверстие, которое позволяет веществам пересекаться. В белке-носителе вещество связывается с белком, что затем заставляет белок изменять форму, тем самым высвобождая вещество в клетку.

Обзор

1. В чем основное различие между пассивным и активным транспортом?
2. Обобщите три различных способа пассивного транспорта и приведите пример вещества, которое транспортируется каждым из способов.
3. Объясните, как транспорт через плазматическую мембрану связан с гомеостазом клетки.
4. Почему обычно только очень маленькие гидрофобные молекулы могут проходить через клеточную мембрану путем простой диффузии?
5. Объясните, как облегченная диффузия способствует осмосу в клетках. Обязательно дайте определение осмоса и облегченной диффузии в своем ответе.
6. Представьте себе гипотетическую клетку с более высокой концентрацией глюкозы внутри клетки, чем снаружи. Ответьте на следующие вопросы об этой клетке, предполагая, что весь транспорт через мембрану является пассивным, а не активным.
   1. Может ли глюкоза просто диффундировать через клеточную мембрану? Почему или почему нет?
   2. Если предположить, что в клеточной мембране есть белки, транспортирующие глюкозу, каким путем будет течь глюкоза – в клетку или из клетки? Поясните свой ответ.
   3. Если бы концентрация глюкозы была одинаковой внутри и снаружи клетки, как вы думаете, был бы чистый поток глюкозы через клеточную мембрану в том или ином направлении? Поясните свой ответ.
7. Каковы сходства и различия между белковыми каналами и белками-носителями?
8. Верно или неверно. Только активный транспорт, а не пассивный, включает транспортные белки.
9. Верно или неверно. Кислород и углекислый газ могут проникать между молекулами липидов в плазматической мембране.
10. Верно или неверно. Ионы легко диффундируют через клеточную мембрану путем простой диффузии.
11. Контроль того, что входит и выходит из клетки, является важной функцией:
    1. ядро ​​
    2. везикула
    3. плазматическая мембрана
    4. Аппарат Гольджи

Attributions

1. House by Moyan Brenn из Италии, CC BY 2. 0 через Wikimedia Commons
2. Блок-схема Мандипа Гревала, CC BY-NC 3.0
3. Простая диффузия от LadyofHats Мариана Руис Вильярреал опубликована в открытом доступе через Wikimedia Commons
4. Tonicity от CNX OpenStax, CC BY 4.0 через Wikimedia Commons
5. Осмотическое давление на клетки крови от LadyofHats Марианы Руис Вильярреал опубликовано в открытом доступе на Викискладе
6. Упрощенное распространение от LadyofHats Марианы Руис Вильярреал, опубликованное в общественное достояние через Wikimedia Commons
7. Текст адаптирован из книги «Биология человека» по лицензии CK-12, лицензия CC BY-NC 3.0

Эта страница под названием 5.7: Cell Transport распространяется под лицензией CK-12 и была создана, изменена и/или курирована Сюзанной Ваким и Мандипом Грюалом с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.