Anatomie und Physiologie

Um zu verstehen, wie sich Substanzen passiv über eine Zellmembran bewegen, ist es notwendig, Konzentrationsgradienten und Diffusion zu verstehen. Ein Konzentrationsgradient ist der Konzentrationsunterschied einer Substanz über einen Raum. Moleküle (oder Ionen) verbreiten / diffundieren von dort, wo sie konzentrierter sind, zu dort, wo sie weniger konzentriert sind, bis sie in diesem Raum gleichmäßig verteilt sind. (Wenn sich Moleküle auf diese Weise bewegen, sollen sie sich in ihrem Konzentrationsgradienten nach unten bewegen.) Drei gängige Arten des passiven Transports umfassen einfache Diffusion, Osmose und erleichterte Diffusion.

Einfache Diffusion ist die Bewegung von Partikeln aus einem Bereich höherer Konzentration in einen Bereich niedrigerer Konzentration. Ein paar gängige Beispiele helfen, dieses Konzept zu veranschaulichen. Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einem geschlossenen Badezimmer. Wenn eine Parfümflasche gesprüht würde, würden die Duftmoleküle auf natürliche Weise von der Stelle, an der sie die Flasche verlassen haben, in alle Ecken des Badezimmers diffundieren, und diese Diffusion würde so lange fortgesetzt, bis kein Konzentrationsgradient mehr vorhanden ist. Ein anderes Beispiel ist ein Löffel Zucker in einer Tasse Tee. Schließlich wird der Zucker im ganzen Tee diffundieren, bis kein Konzentrationsgradient mehr vorhanden ist. In beiden Fällen, wenn der Raum wärmer oder der Tee heißer ist, erfolgt die Diffusion noch schneller, da die Moleküle aneinander stoßen und sich schneller ausbreiten als bei kühleren Temperaturen. Eine innere Körpertemperatur um 98,6 ° F zu haben, hilft somit auch bei der Diffusion von Partikeln innerhalb des Körpers.

Wann immer eine Substanz in größerer Konzentration auf einer Seite einer semipermeablen Membran, wie der Plasmamembran, vorhanden ist, wird jede Substanz, die ihren Konzentrationsgradienten über die Membran nach unten bewegen kann, dies tun. Betrachten Sie Substanzen, die leicht durch die Lipiddoppelschicht der Zellmembran diffundieren können, wie die Gase Sauerstoff (O2) und CO2. O2 diffundiert im Allgemeinen in Zellen, weil es außerhalb von ihnen konzentrierter ist, und CO2 diffundiert typischerweise aus Zellen heraus, weil es in ihnen konzentrierter ist. Keines dieser Beispiele benötigt Energie seitens der Zelle und verwendet daher einen passiven Transport, um sich über die Membran zu bewegen. Bevor Sie fortfahren, müssen Sie die Gase überprüfen, die über eine Zellmembran diffundieren können. Da Zellen während des Stoffwechsels schnell Sauerstoff verbrauchen, gibt es typischerweise eine niedrigere Konzentration von O2 innerhalb der Zelle als außerhalb. Infolgedessen diffundiert Sauerstoff aus der interstitiellen Flüssigkeit direkt durch die Lipiddoppelschicht der Membran und in das Zytoplasma innerhalb der Zelle. Auf der anderen Seite, weil Zellen CO2 als Nebenprodukt des Stoffwechsels produzieren, steigen die CO2-Konzentrationen im Zytoplasma an; Daher bewegt sich CO2 von der Zelle durch die Lipiddoppelschicht in die interstitielle Flüssigkeit, wo seine Konzentration niedriger ist. Dieser Mechanismus, bei dem sich Moleküle von einem konzentrierteren zu einem weniger konzentrierten Ort ausbreiten, ist eine Form des passiven Transports, die als einfache Diffusion bezeichnet wird (Abbildung 3.15).

Abbildung 3.15. Einfache Diffusion durch die Zellmembran (Plasma) Die Struktur der Lipiddoppelschicht lässt nur kleine, unpolare Substanzen wie Sauerstoff und Kohlendioxid durch einfache Diffusion entlang ihres Konzentrationsgradienten durch die Zellmembran passieren.

Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran (Abbildung 3.16). Wasser kann sich frei durch die Zellmembran aller Zellen bewegen, entweder durch Proteinkanäle oder indem es zwischen den Lipidschwänzen der Membran selbst rutscht. Es ist jedoch die Konzentration der gelösten Stoffe im Wasser, die bestimmt, ob sich Wasser in die Zelle, aus der Zelle oder beides bewegt oder nicht.

Abbildung 3.16. Osmose Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran entlang ihres Konzentrationsgradienten. Wenn eine Membran für Wasser durchlässig ist, jedoch nicht für einen gelösten Stoff, gleicht Wasser seine eigene Konzentration aus, indem es auf die Seite mit niedrigerer Wasserkonzentration (und damit auf die Seite mit höherer gelöster Konzentration) diffundiert. Im Becherglas links ist die Lösung auf der rechten Seite der Membran hypertonisch.

Gelöste Stoffe in einer Lösung erzeugen osmotischen Druck, einen Druck, der Wasser anzieht. Osmose tritt auf, wenn ein Ungleichgewicht zwischen gelösten Stoffen außerhalb einer Zelle und innerhalb der Zelle besteht. Je mehr gelöster Stoff eine Lösung enthält, desto größer ist der osmotische Druck, den diese Lösung hat. Eine Lösung, die eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen aufweist als eine andere Lösung, wird als hypertonisch bezeichnet. Wassermoleküle neigen dazu, in eine hypertonische Lösung zu diffundieren, da der höhere osmotische Druck Wasser zieht (Abbildung 3.17). Wenn eine Zelle in eine hypertonische Lösung gegeben wird, schrumpfen oder zinnen die Zellen, wenn Wasser die Zelle über Osmose verlässt. Im Gegensatz dazu wird eine Lösung, die eine geringere Konzentration an gelösten Stoffen aufweist als eine andere Lösung, als hypoton bezeichnet. Zellen in einer hypotonischen Lösung nehmen zu viel Wasser auf und quellen auf, mit dem Risiko, schließlich zu platzen, ein Prozess, der Lyse genannt wird. Ein kritischer Aspekt der Homöostase bei Lebewesen ist die Schaffung einer inneren Umgebung, in der sich alle Körperzellen in einer isotonischen Lösung befinden, einer Umgebung, in der zwei Lösungen die gleiche Konzentration an gelösten Stoffen aufweisen (gleicher osmotischer Druck). Wenn Zellen und ihre extrazelluläre Umgebung isotonisch sind, ist die Konzentration der Wassermoleküle außerhalb und innerhalb der Zellen gleich, so dass Wasser sowohl hinein als auch herausfließt und die Zellen ihre normale Form (und Funktion) beibehalten. Verschiedene Organsysteme, insbesondere die Nieren, arbeiten daran, diese Homöostase aufrechtzuerhalten.

Abbildung 3.17. Konzentration von Lösungen Eine hypertonische Lösung hat eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als eine andere Lösung. Eine isotonische Lösung hat eine gelöste Konzentration, die einer anderen Lösung entspricht. Eine hypotonische Lösung hat eine niedrigere Konzentration an gelösten Stoffen als eine andere Lösung.