Anatomia i fizjologia

aby zrozumieć, w jaki sposób substancje poruszają się pasywnie przez błonę komórkową, konieczne jest zrozumienie gradientów koncentracji i dyfuzji. Gradient stężenia to różnica w stężeniu substancji w przestrzeni. Cząsteczki (lub jony) będą się rozprzestrzeniać/dyfundować z miejsca, w którym są bardziej skoncentrowane, do miejsca, w którym są mniej skoncentrowane, dopóki nie będą równomiernie rozmieszczone w tej przestrzeni. (Kiedy cząsteczki poruszają się w ten sposób, mówi się, że przesuwają się w dół gradientu stężenia.) Trzy powszechne rodzaje transportu pasywnego obejmują dyfuzję prostą, osmozę i dyfuzję ułatwioną.

Dyfuzja prosta to ruch cząstek z obszaru o wyższym stężeniu do obszaru o niższym stężeniu. Kilka typowych przykładów pomoże zilustrować tę koncepcję. Wyobraź sobie, że jesteś w zamkniętej łazience. Gdyby rozpylono butelkę perfum, cząsteczki zapachowe naturalnie rozproszyłyby się z miejsca, w którym zostawiły butelkę, do wszystkich zakątków łazienki, i ta dyfuzja kontynuowałaby się, dopóki nie pozostanie gradient stężenia. Innym przykładem jest łyżka cukru umieszczona w filiżance herbaty. Ostatecznie cukier rozproszy się w całej herbacie, aż nie pozostanie gradient stężenia. W obu przypadkach, jeśli pomieszczenie jest cieplejsze lub herbata gorętsza, dyfuzja zachodzi jeszcze szybciej, ponieważ cząsteczki wpadają na siebie i rozprzestrzeniają się szybciej niż w niższych temperaturach. Mając wewnętrzną temperaturę ciała około 98,6° F, pomaga to również w dyfuzji cząstek w ciele.

ilekroć substancja występuje w większym stężeniu po jednej stronie półprzepuszczalnej błony, takiej jak błona plazmatyczna, zrobi to każda substancja, która może poruszać się w dół gradientu stężenia przez membranę. Rozważmy substancje, które mogą łatwo dyfundować przez dwuwarstwę lipidową błony komórkowej, takie jak gazy tlen (O2) I CO2. O2 zazwyczaj dyfunduje do komórek, ponieważ jest bardziej skoncentrowany na zewnątrz, a CO2 zazwyczaj dyfunduje z komórek, ponieważ jest bardziej skoncentrowany wewnątrz nich. Żaden z tych przykładów nie wymaga żadnej energii ze strony komórki,a zatem używają pasywnego transportu do poruszania się po błonie. Zanim przejdziesz dalej, musisz przejrzeć gazy, które mogą dyfundować przez błonę komórkową. Ponieważ komórki szybko zużywają tlen podczas metabolizmu, zwykle w komórce występuje niższe stężenie O2 niż na zewnątrz. W rezultacie tlen będzie dyfundować z płynu śródmiąższowego bezpośrednio przez dwuwarstwę lipidową błony i do cytoplazmy w komórce. Z drugiej strony, ponieważ komórki produkują CO2 jako produkt uboczny metabolizmu, stężenie CO2 wzrasta w cytoplazmie; w związku z tym CO2 przemieszcza się z komórki przez dwuwarstwę lipidową do płynu śródmiąższowego, gdzie jego stężenie jest niższe. Ten mechanizm rozprzestrzeniania się cząsteczek z miejsca, w którym są bardziej skoncentrowane, do miejsca, w którym są mniej skoncentrowane, jest formą pasywnego transportu zwanego prostą dyfuzją (rysunek 3.15).

rysunek 3.15. Prosta Dyfuzja przez błonę komórkową (Plazma) struktura dwuwarstwy lipidowej pozwala tylko małym, niepolarnym substancjom, takim jak tlen i dwutlenek węgla, przejść przez błonę komórkową, w dół ich gradientu stężenia, przez prostą dyfuzję.

osmoza to dyfuzja wody przez półprzepuszczalną membranę (rysunek 3.16). Woda może swobodnie poruszać się po błonie komórkowej wszystkich komórek, albo przez kanały białkowe lub przez ślizganie się między ogonami lipidowymi samej błony. Jednak to stężenie substancji rozpuszczonych w wodzie decyduje o tym, czy woda będzie przemieszczać się do komórki, z komórki lub obu tych czynników.

rysunek 3.16. Osmoza osmoza to dyfuzja wody przez półprzepuszczalną membranę w dół jej gradientu stężenia. Jeśli membrana jest przepuszczalna dla wody, ale nie dla substancji rozpuszczonej, woda wyrównuje swoje własne stężenie poprzez dyfuzję na stronę niższego stężenia wody (a tym samym na stronę wyższego stężenia substancji rozpuszczonej). W zlewce po lewej stronie roztwór po prawej stronie membrany jest hipertoniczny.

rozpuszczone w roztworze tworzą ciśnienie osmotyczne, ciśnienie, które ciągnie wodę. Osmoza występuje, gdy istnieje nierównowaga substancji rozpuszczonych Na zewnątrz komórki w porównaniu do wewnątrz komórki. Im więcej roztworu zawiera roztwór, tym większe będzie ciśnienie osmotyczne. Roztwór, który ma wyższe stężenie substancji rozpuszczonych niż inny roztwór, jest uważany za hipertoniczny. Cząsteczki wody mają tendencję do dyfuzji do roztworu hipertonicznego, ponieważ wyższe ciśnienie osmotyczne ciągnie wodę (rysunek 3.17). Jeśli komórka jest umieszczona w roztworze hipertonicznym, komórki kurczą się lub krenują, gdy woda opuszcza komórkę poprzez osmozę. Natomiast roztwór, który ma niższe stężenie substancji rozpuszczonych niż inny roztwór, uważa się za hipotoniczny. Komórki w roztworze hipotonicznym przyjmują zbyt dużo wody i pęcznieją, z ryzykiem pęknięcia, w procesie zwanym Liz. Krytycznym aspektem homeostazy u istot żywych jest stworzenie środowiska wewnętrznego, w którym wszystkie komórki ciała znajdują się w roztworze izotonicznym, środowisku, w którym dwa roztwory mają takie samo stężenie substancji rozpuszczonych (równe ciśnienie osmotyczne). Gdy komórki i ich środowiska pozakomórkowe są izotoniczne, stężenie cząsteczek wody jest takie samo Na zewnątrz i wewnątrz komórek, więc woda przepływa zarówno do środka, jak i na zewnątrz, a komórki zachowują swój normalny kształt (i funkcję). Różne układy narządów, zwłaszcza nerki, działają w celu utrzymania tej homeostazy.

rysunek 3.17. Stężenie roztworów roztwór hipertoniczny ma stężenie rozpuszczonego wyższe niż inny roztwór. Roztwór izotoniczny ma stężenie rozpuszczone równe innemu roztworowi. Roztwór hipotoniczny ma stężenie rozpuszczonego niższe niż inny roztwór.