معلومة

41.1 ب: نقل الإلكتروليتات عبر أغشية الخلايا - علم الأحياء

41.1 ب: نقل الإلكتروليتات عبر أغشية الخلايا - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لا يمكن للأيونات أن تنتشر بشكل سلبي من خلال الأغشية ؛ بدلاً من ذلك ، يتم تنظيم تركيزاتها عن طريق الانتشار الميسر والنقل النشط.

أهداف التعلم

  • اشرح العلاقة بين الضغط الاسموزي ونقل الشوارد عبر أغشية الخلايا

النقاط الرئيسية

  • لا يمكن للأيونات المهمة أن تمر عبر الأغشية عن طريق الانتشار السلبي ؛ إذا استطاعوا ، فسيكون من المستحيل الحفاظ على تركيزات محددة من الأيونات.
  • الضغط التناضحي يتناسب طرديا مع عدد الذرات أو الجزيئات الذائبة ؛ تمارس الأيونات ضغطًا أكبر لكل وحدة كتلة مما تمارسه الشوارد غير المنحل بالكهرباء.
  • تتطلب أيونات الإلكتروليت الانتشار الميسر والنقل النشط لعبور الأغشية شبه المنفذة.
  • يحدث الانتشار الميسر من خلال القنوات القائمة على البروتين ، والتي تسمح بمرور المذاب على طول تدرج التركيز.
  • في النقل النشط ، تغير الطاقة من ATP شكل بروتينات الغشاء التي تحرك الأيونات ضد تدرج التركيز.

الشروط الاساسية

  • نشر الميسر: المرور التلقائي للجزيئات أو الأيونات عبر غشاء بيولوجي يمر عبر بروتينات متكاملة عبر الغشاء.
  • الانتشار السلبي: حركة الماء والجزيئات الأخرى عبر الأغشية على طول تدرج التركيز
  • النقل النشط: حركة مادة عبر غشاء الخلية مقابل تدرج تركيزها (من تركيز منخفض إلى تركيز عالٍ) يسهله تحويل ATP

نقل الشوارد عبر أغشية الخلايا

ملعقة صغيرة من ملح الطعام يذوب بسهولة في الماء. تنتج قابلية ذوبان كلوريد الصوديوم من قدرته على التأين في الماء. يسمى الملح والمركبات الأخرى التي تتفكك في أيونات مكوناتها بالكهرباء. في الماء ، يتفكك كلوريد الصوديوم (NaCl) في أيون الصوديوم (Na+) وأيون الكلوريد (Cl). أهم الأيونات ، التي يتم تنظيم تركيزاتها عن كثب في سوائل الجسم ، هي كاتيونات الصوديوم (Na +) والبوتاسيوم (K +) والكالسيوم (Ca + 2) والمغنيسيوم (Mg + 2) ؛ وكلوريد الأنيونات (Cl-) ، الكربونات (CO3-2) ، البيكربونات (HCO3-) ، والفوسفات (PO3-). تفقد الشوارد من الجسم أثناء التبول والتعرق. لهذا السبب ، يتم تشجيع الرياضيين على استبدال الشوارد والسوائل خلال فترات زيادة النشاط والعرق.

يتأثر الضغط الاسموزي بتركيز المواد المذابة في المحلول. يتناسب طرديًا مع عدد الذرات أو الجزيئات المذابة ولا يعتمد على حجم الجزيئات الذائبة. نظرًا لأن الإلكتروليتات تتفكك إلى أيونات ، مما يضيف جزيئات ذائبة نسبيًا إلى المحلول ، فإنها تمارس ضغطًا تناضحيًا أكبر لكل وحدة كتلة من غير الإلكتروليتات مثل الجلوكوز.

يمر الماء من خلال أغشية شبه منفذة بالانتشار السلبي ، متحركًا على طول تدرج تركيز ومعادل للتركيز على جانبي الغشاء. قد لا تكون أيونات الإلكتروليت قادرة على الانتشار السلبي عبر الغشاء ، ولكنها قد تتطلب بدلاً من ذلك آليات خاصة لعبور الغشاء شبه المنفذ. الآليات التي تنقل الأيونات عبر الأغشية تسهل الانتشار والنقل النشط. يحدث الانتشار الميسر للمذابات من خلال القنوات القائمة على البروتين. يتطلب النقل النشط طاقة في شكل تحويل ATP ، أو بروتينات حاملة ، أو مضخات لتحريك الأيونات ضد تدرج التركيز.

النقل عبر أغشية الخلايا: يصف بول أندرسن كيف تحرك الخلايا المواد عبر غشاء الخلية. يمكن تصنيف كل الحركات على أنها سلبية أو نشطة. النقل السلبي ، مثل الانتشار ، لا يتطلب طاقة حيث تتحرك الجسيمات على طول تدرجها. يتطلب النقل النشط طاقة إضافية حيث تتحرك الجسيمات عكس انحدارها. يتم تضمين أمثلة محددة ، مثل GLUT و Na / K ، المضخة.


نقل الأيونات عبر غشاء الخلية

يمكن أن تتحلل الكائنات الحية إلى أعضاء وغدد وأنسجة وخلايا وعضيات. من الأمور المثيرة للخجل في علم الأحياء معرفة كيفية دخول المواد المذابة والماء إلى الخلايا والعضيات وخروجها منها. معظم في & shytention يتم دفعها إلى كرات الدم الحمراء والميتوكون & shydrion. غشاء الخلية عبارة عن هيكل بروتين شحمي معقد.

بعض القنوات مفتوحة باستمرار ، في حين أن البعض الآخر مغلق ، أي لديهم بوابات تفتح أو تغلق. بعضها محاط بالتغييرات في إمكانات الغشاء (بوابات الجهد) بينما يتم فتح أو إغلاق البعض الآخر عندما يربطون رابطًا (يجند بوابات).

غالبًا ما يكون الترابط خارجيًا (ناقل عصبي أو هرمون) أو داخلي (داخل الخلايا Ca ++ ، cAMP). بروتينات النقل الأخرى عبارة عن ناقلات تربط الأيونات والجزيئات الأخرى ثم تغير تكوينها ، وتنقل الجزيء المرتبط من جانب واحد من غشاء الخلية إلى الجانب الآخر.

تنتقل الجزيئات من مناطق التركيز العالي والانحلال إلى مناطق التركيز المنخفض (أسفل تدرجها الكيميائي). تنتقل الكاتيونات إلى مناطق سالبة الشحنة بينما تنتقل الأنيونات إلى مناطق موجبة الشحنة (أسفل تدرجها الكهربائي) ، و ligand بوابات chan و shynel.

تسمى بعض البروتينات الحاملة المنافذ الأحادية لأنها تنقل مادة واحدة فقط. يُطلق على البعض الآخر اسم symports لأن النقل يتطلب ربط أكثر من مادة واحدة ببروتين النقل والشيبورت ويتم نقل المواد عبر الغشاء معًا.

في الغشاء المخاطي المعوي المسؤول عن النقل المشترك عن طريق الانتشار السهل لـ Na + و glu & shycose من تجويف الأمعاء إلى الخلايا المخاطية. تسمى شركات النقل الأخرى المضادة للموانئ لأنها تتبادل مادة بأخرى. مثال: Na + & # 8211 K + ATPase.

إنه يحفز التحلل المائي لـ ATP إلى ADP ويستخدم الطاقة لبثق 3Na + من الخلية وأخذ 2K + في الخلية لكل مول من ATP المتحلل بالماء. يقال أن المضخة لها نسبة اقتران 3/2. يتم تثبيط نشاطه بواسطة ouabain ويرتبط بجليكوسيدات الديجيتال المستخدمة في علاج قصور القلب.

Na + -K + ATPase هو مغاير مغاير مكون من α و وحدة فرعية.

يحدث النقل Na + و K + من خلال وحدة فرعية.

β الوحدة الفرعية هي بروتين سكري.

المواد التي تمر عبر الطبقة الدهنية المزدوجة لغشاء الخلية عن طريق الانتشار البسيط هي:

1. جميع المواد الدهنية القابلة للذوبان.

2. الغازات الدهنية القابلة للذوبان بشكل رئيسي CO2يا2 ون2.

3. الماء - وإن لم يكن ذائبًا في الدهون - يمر بسبب صغر حجم الجزيئات والطاقة الحركية العالية.

المواد التي تمر عبر قنوات البروتين لغشاء الخلية عن طريق الانتشار البسيط هي:

1. الأيونات بشكل رئيسي Na + و K + و Ca ++.

أ. الانتشار السلبي:

1. تمر بعض المواد المذابة عبر غشاء الخلية عن طريق الانتشار البسيط مع التدرج اللوني المركّز.

يمكن التعبير عن ذلك من خلال تعديل قانون Fick & # 8217:

حيث ، P = معامل النفاذية.

ج0 و جأنا = تركيز المحلول خارج وداخل الغشاء ، على التنفس والخلل.

ds / dt = معدل حركة المذاب.

2. تمر المواد المذابة في الدهون بسهولة عبر أغشية الخلايا أكثر من المواد المذابة الدهنية غير القابلة للذوبان. لأن غشاء الخلية يتكون من مسام صغيرة مملوءة بالماء من ra & shydius حوالي 0.4 نانومتر. يمر من خلالها المذاب القابل للذوبان في الماء بحجم جزيئي مناسب ، وتحيط به مناطق دهنية تخترق من خلالها المواد الذائبة في الدهون.

3. ينتشر الماء من خلال مسام الخلايا من محلول منخفض التركيز إلى محلول ذو تركيز عالٍ وهذا التدفق & # 8220 السائبة & # 8221 من السائل عبر الغشاء سوف يسرع انتشار الجزيئات في اتجاه تدفق التدفق ويبطئ تلك الحركة والخجل في الاتجاه المعاكس. هذا التأثير & # 8220drag & # 8221 هو قوة ثانية تعمل في الانتشار السلبي.

4. القوة الثالثة التي قد تعمل هي الجهد الكهربائي عبر الغشاء. يمكن للعديد من أغشية الخلايا الحفاظ على الاختلاف بين الداخل والخارج ويعمل التدرج المحتمل كقوة دافعة للنقل السلبي عبر الخلية. يعمل الغشاء كحاجز سلبي.

ب. النقل الميسر:

1. بعض المركبات ، مثل السكر والأحماض الأمينية ، تمر عبر الأغشية بمعدل أكبر من المتوقع. هذا بسبب تأثير الناقل.

2. يتحد الحامل الموجود في الغشاء مع المادة المراد نقلها وبطريقة ما يمر عبر الغشاء ويتم إطلاقه على الجانب الآخر.

3. في حالة حدوث تفاعلات إنزيمية ، هناك & # 8220 تأثير تشبع & # 8221. يزداد معدل نقل المذاب عندما يكون الإنزيم الحامل مشبعًا. يُطلق على هذا النوع بعض & shytimes & # 8220catalysed diffusion & # 8221.

4. آلية أخرى هي أن المادة المراد نقلها يتم تحويلها إلى مادة أخرى والتي سوف تخترق الغشاء بسهولة أكبر ، على سبيل المثال ، غشاء الميتوكوندريا غير منفذ لأنزيم أسيل A deriva & shytives. يتم نقل مجموعة الأسيل إلى car & shynitine لتشكيل مشتق acyl carnitine الذي يمكن أن يمر عبر الغشاء. ثم يتم إعادة تشكيل مشتق أسيل الإنزيم أ على الجانب الآخر من الميم والشيبران.

يمكن أيضًا نقل الأحماض الدهنية داخل وخارج الميتوكوندريا.

يمكن نقل Acetyl-CoA داخل الميتوكوندريا إلى أوكسالو أسيتات لإنتاج سترات التي تكون ميم وشيبران الميتوكوندريا منفذة لها. تنتقل السترات إلى السيتوبلازم حيث تنقسم إنزيميًا لإعطاء أسيتيل CoA مرة أخرى.

1. يشكل غشاء الخلية جيوبًا أو غزوات يمكنها سحب المواد من الخارج باتجاه داخل الخلية.

2. تمتد الحويصلات إلى الخلية حيث يتم ضغطها وتحرر محتوياتها في النهاية إلى الخلية بطريقة غير معروفة وخجولة.

3. تحدث هذه العملية في الجنين والحيوانات حديثة الولادة والحيوانية وتساعد على امتصاص البروتين السليم من القناة الهضمية.

د- نقل الأيونات:

1. يحتوي الغشاء نفسه على مجموعات قطبية ، وبالتالي فهو مشحون كهربائيًا.

2. يحدث نقل معظم الأيونات بشكل أبطأ من نقل الشوارد غير المنحل بالكهرباء. لكن H + ، OH - تخترق جميع أغشية الخلايا بسهولة. يتم اختراق الخلية الحمراء بسهولة بواسطة Cl - و HCO - 3.

3. في حالة الأيونات ، خاصة Na + و K + ، تكون النفاذية صغيرة جدًا. يتم الحفاظ على التركيز العالي لـ K + والتركيز المنخفض وقذرة Na + التي توجد غالبًا في الخلايا بواسطة آلية خاصة تتضمن إنفاق الطاقة.

E. النقل النشط:

1. تتطلب العملية التي يمكن من خلالها أن تمر المواد المذابة غالبًا عبر الأغشية ضد التدرج اللوني للتركيز والارتباط طاقة. هذه العملية تسمى النقل النشط.

2. النقل النشط يشارك في الامتصاص والتخلخل من الأمعاء الدقيقة للجلوكوز والجالاكتوز والأحماض الأمينية وغيرها من المواد المغذية الهامة للجسم.

3. جهاز النقل النشط الذي يفرض إخراج Na + و K + تمت الإشارة إليه باسم & # 8220Sodium Pump & # 8221.

4. تتطلب الآلية ناقلًا يمكن أن يتواجد في شكلين مع اختلاف و shyfinities لـ Na + و K +. يشارك ATPase فيه (انظر النقل النشط للجلوكوز).


3. التناضح

التناضح (من اليونانية أوسموس = دفع) هي حركة الماء عبر أغشية الخلايا من المحلول بتركيز أقل (محلول منخفض التوتر) إلى المحلول الذي يحتوي على تركيز أعلى من المواد المذابة (محلول مفرط التوتر). التناضح هو الآلية الرئيسية لتوزيع الماء في الجسم [1].

عندما تشرب المشروبات المعتادة ، مثل الماء وعصائر الفاكهة ، فإن السوائل في أمعائك ستصبح أقل تركيزًا (ناقص التوتر) مقارنة ببلازما الدم ، لذلك ستنتقل عبر جدار الأمعاء إلى الدم ، وفقًا لمبدأ التناضح.

يمكن أن يسبب التناضح أيضًا مشاكل:

عندما يشرب الشخص المصاب بعدم تحمل اللاكتوز الكثير من الحليب ، فإن اللاكتوز غير الممتص سوف يتراكم في السائل المعوي ، والذي سيصبح مفرط التوتر بالنسبة للسوائل الموجودة في جدار الأمعاء ، لذلك سيبدأ السائل في التحرك من جدار الأمعاء إلى داخل الأمعاء. الأمعاء وبالتالي يسبب الإسهال.

عندما يشرب الشخص كمية كبيرة من الماء في وقت قصير ولا يستهلك ملحًا أو يستهلك القليل جدًا من الملح ، فإن الماء الممتص من الأمعاء إلى بلازما الدم سيجعل بلازما الدم أقل تركيزًا (ناقص التوتر) بالنسبة للسوائل في الدماغ ، لذلك ينتقل الماء من الدم إلى خلايا الدماغ مما يؤدي إلى تورم الدماغ. وهذا ما يسمى تسمم الماء.


النقل عبر أغشية الخلايا

الأجزاء الأساسية والمستمرة من حياة الخلية هي امتصاص العناصر الغذائية وطرد النفايات. كل هذه يجب أن تمر عبر غشاء الخلية.

قد يحدث النقل عن طريق الانتشار والتناضح عبر الغشاء. يمكن أن يحدث أيضًا عندما تلتصق الحويصلة بغشاء الخلية من الداخل ثم تنفتح لتشكل جيبًا ، وتطرد محتوياته إلى الخارج. قد يسمى هذا إفراز الخلايا. قد يغلف غشاء الخلية شيئًا ما من الخارج ويحيط به ، ويأخذها إلى الخلية. قد يسمى هذا بالبطانة أو البلعمة.

هناك أيضًا أمثلة حيث تتحرك الجزيئات عبر غشاء من منطقة ذات تركيز منخفض إلى منطقة ذات تركيز عالٍ ، وهذا يتطلب مصدرًا للطاقة "لضخ" الجزيئات صعودًا في التركيز. تسمى هذه العمليات بالنقل النشط.


هيكل وتكوين غشاء الخلية

الشكل 1. هيكل الفوسفوليبيد. يتكون جزيء الفسفوليبيد من "رأس" فوسفات قطبي ، وهو محب للماء و "ذيل" غير قطبي دهن ، وهو كاره للماء. تؤدي الأحماض الدهنية غير المشبعة إلى حدوث التواءات في ذيول الكارهة للماء.

ال غشاء الخلية هي بنية مرنة للغاية تتكون أساسًا من الدهون الفوسفورية المتتالية ("طبقة ثنائية"). الكوليسترول موجود أيضًا ، مما يساهم في سيولة الغشاء ، وهناك العديد من البروتينات المدمجة داخل الغشاء والتي لها وظائف متنوعة. يحتوي جزيء فوسفوليبيد واحد على مجموعة فوسفات في أحد طرفيه ، تسمى "الرأس" ، وسلسلتان متجاورتان من الأحماض الدهنية التي تشكل ذيول الدهون (الشكل 1). مجموعة الفوسفات مشحونة سالبة ، مما يجعل الرأس قطبية ومحبة للماء - أو "محبة للماء".

أ محبة للماء الجزيء (أو منطقة الجزيء) هو الذي ينجذب إلى الماء. وهكذا تنجذب رؤوس الفوسفات إلى جزيئات الماء في كل من البيئات خارج الخلية وداخل الخلايا. ذيول الدهون ، من ناحية أخرى ، غير مشحونة ، أو غير قطبية ، وهي كارهة للماء - أو "تخشى الماء".

أ نافرة من الماء الجزيء (أو منطقة الجزيء) يتنافر ويطرده الماء. تتكون بعض ذيول الدهون من أحماض دهنية مشبعة وبعضها يحتوي على أحماض دهنية غير مشبعة. يضيف هذا المزيج إلى سيولة التيول التي تتحرك باستمرار. وبالتالي فإن الفسفوليبيدات هي جزيئات أمفيباثيك.

ان برمائي الجزيء هو واحد يحتوي على منطقة محبة للماء ومنطقة كارهة للماء. في الواقع ، يعمل الصابون على إزالة بقع الزيوت والشحوم لما له من خصائص أمفيباثيك. يمكن أن يذوب الجزء المحب للماء في الماء بينما يمكن للجزء المقاوم للماء أن يحبس الشحوم في المذيلات التي يمكن بعد ذلك غسلها بعيدًا.

الشكل 2. طبقة ثنائية الفوسبوليبيد. تتكون طبقة الفسفوليبيد الثنائية من صفحتين متجاورتين من الدهون الفوسفورية ، مرتبة من الذيل إلى الذيل. تترابط ذيول الكارهة للماء مع بعضها البعض ، وتشكل الجزء الداخلي من الغشاء. تتلامس الرؤوس القطبية مع السائل داخل وخارج الخلية.

يتكون غشاء الخلية من طبقتين متجاورتين من الدهون الفوسفورية. تواجه ذيول الدهون في إحدى الطبقات ذيول الدهون للطبقة الأخرى ، وتلتقي عند واجهة الطبقتين. تواجه رؤوس الفسفوليبيد للخارج ، طبقة واحدة معرضة للجزء الداخلي للخلية وطبقة واحدة معرضة للخارج (الشكل 2).

نظرًا لأن مجموعات الفوسفات قطبية ومحبة للماء ، فإنها تنجذب إلى الماء في السائل داخل الخلايا. السائل داخل الخلايا (ICF) هو السائل الداخلي للخلية. تنجذب مجموعات الفوسفات أيضًا إلى السائل خارج الخلية. السائل خارج الخلوي (ECF) هي البيئة السائلة خارج حاوية غشاء الخلية. السائل الخلالي (إذا) هو المصطلح الذي يطلق على السائل خارج الخلية غير الموجود داخل الأوعية الدموية. نظرًا لأن ذيول الدهون كارهة للماء ، فإنها تلتقي في المنطقة الداخلية من الغشاء ، باستثناء السائل المائي داخل الخلايا وخارج الخلية من هذا الفضاء. يحتوي غشاء الخلية على العديد من البروتينات ، بالإضافة إلى الدهون الأخرى (مثل الكوليسترول) ، المرتبطة بطبقة الفوسفوليبيد الثنائية. من السمات المهمة للغشاء أنه يظل سائلاً ، حيث لا يتم تثبيت الدهون والبروتينات في غشاء الخلية بشكل صارم في مكانها.

بروتينات الغشاء

تشكل الطبقة الدهنية الثنائية أساس غشاء الخلية ، لكنها تتخللها بروتينات مختلفة. نوعان مختلفان من البروتينات التي ترتبط عادة بغشاء الخلية هي البروتينات المتكاملة والبروتين المحيطي (الشكل 3). كما يوحي اسمها ، فإن ملف البروتين لا يتجزأ هو بروتين مضمن في الغشاء. أ قناة البروتين هو مثال على بروتين متكامل يسمح بشكل انتقائي لمواد معينة ، مثل أيونات معينة ، بالمرور إلى الخلية أو الخروج منها.

الشكل 3. غشاء الخلية. غشاء الخلية عبارة عن طبقة ثنائية فسفوليبيد تحتوي على العديد من المكونات الجزيئية المختلفة ، بما في ذلك البروتينات والكوليسترول ، وبعضها يحتوي على مجموعات كربوهيدراتية مرتبطة.

مجموعة أخرى مهمة من البروتينات المتكاملة هي بروتينات التعرف على الخلايا ، والتي تعمل على تحديد هوية الخلية بحيث يمكن التعرف عليها من قبل الخلايا الأخرى. أ مستقبل هو نوع من بروتين التعرف الذي يمكنه ربط جزيء معين بشكل انتقائي خارج الخلية ، وهذا الارتباط يؤدي إلى تفاعل كيميائي داخل الخلية. أ يجند هو الجزيء المحدد الذي يرتبط بالمستقبل وينشطه. تؤدي بعض البروتينات المتكاملة أدوارًا مزدوجة كمستقبل وقناة أيونية. أحد الأمثلة على تفاعل مستقبلات ليجند هو المستقبلات الموجودة على الخلايا العصبية التي تربط الناقلات العصبية ، مثل الدوبامين. عندما يرتبط جزيء الدوبامين ببروتين مستقبل الدوبامين ، تفتح قناة داخل بروتين الغشاء للسماح بتدفق أيونات معينة إلى الخلية.

بعض بروتينات الغشاء المتكاملة هي بروتينات سكرية. أ بروتين سكري هو بروتين يحتوي على جزيئات كربوهيدرات متصلة ، والتي تمتد إلى المصفوفة خارج الخلية. تساعد علامات الكربوهيدرات المرفقة الموجودة على البروتينات السكرية في التعرف على الخلايا. الكربوهيدرات التي تمتد من بروتينات الغشاء وحتى من بعض الدهون الغشائية تشكل مجتمعة الكاليكس.

ال مركب السكر عبارة عن طبقة ضبابية الشكل حول الخلية تتكون من البروتينات السكرية والكربوهيدرات الأخرى المرتبطة بغشاء الخلية. يمكن أن يكون لل glycocalyx أدوار مختلفة. على سبيل المثال ، قد تحتوي على جزيئات تسمح للخلية بالارتباط بخلية أخرى ، وقد تحتوي على مستقبلات للهرمونات ، أو قد تحتوي على إنزيمات لتفكيك العناصر الغذائية. الجلايكولات الموجودة في جسم الشخص هي نتاج التركيب الجيني لذلك الشخص. إنهم يمنحون كل خلية من تريليونات الفرد "هوية" الانتماء إلى جسد الشخص. هذه الهوية هي الطريقة الأساسية التي "تعرف" بها خلايا الدفاع المناعي للشخص عدم مهاجمة خلايا جسم الشخص نفسه ، ولكنها أيضًا السبب في رفض الأعضاء التي تبرع بها شخص آخر.

البروتينات المحيطية توجد عادة على السطح الداخلي أو الخارجي للطبقة الدهنية الثنائية ولكن يمكن أيضًا ربطها بالسطح الداخلي أو الخارجي لبروتين متكامل. تؤدي هذه البروتينات عادةً وظيفة محددة للخلية. على سبيل المثال ، تعمل بعض البروتينات المحيطية الموجودة على سطح الخلايا المعوية كأنزيمات هضمية لتفكيك العناصر الغذائية إلى أحجام يمكن أن تمر عبر الخلايا إلى مجرى الدم.

النقل عبر غشاء الخلية

من أعظم عجائب غشاء الخلية قدرته على تنظيم تركيز المواد داخل الخلية. تشتمل هذه المواد على أيونات مثل Ca ++ و Na + و K + و Cl - العناصر الغذائية بما في ذلك السكريات والأحماض الدهنية والأحماض الأمينية ومنتجات النفايات ، وخاصة ثاني أكسيد الكربون (CO)2) ، والتي يجب أن تغادر الخلية. يوفر هيكل طبقة الدهون ثنائية الغشاء المستوى الأول من التحكم. يتم حزم الدهون الفوسفورية بإحكام معًا ، والغشاء به جزء داخلي مسعور. يتسبب هذا الهيكل في أن يكون الغشاء قابلاً للاختراق بشكل انتقائي. غشاء له النفاذية الاختيارية يسمح فقط للمواد التي تلبي معايير معينة بالمرور من خلالها دون مساعدة. في حالة غشاء الخلية ، يمكن فقط للمواد غير القطبية الصغيرة نسبيًا أن تتحرك عبر طبقة ثنائية الدهون (تذكر أن ذيول الغشاء الدهنية غير قطبية). بعض الأمثلة على ذلك هي الدهون الأخرى والأكسجين وغازات ثاني أكسيد الكربون والكحول. ومع ذلك ، فإن المواد القابلة للذوبان في الماء - مثل الجلوكوز والأحماض الأمينية والإلكتروليتات - تحتاج إلى بعض المساعدة لعبور الغشاء لأنها تنفر بواسطة ذيول كارهة للماء لطبقة الفوسفوليبيد الثنائية. جميع المواد التي تتحرك عبر الغشاء تفعل ذلك بإحدى طريقتين عامتين ، يتم تصنيفهما بناءً على ما إذا كانت الطاقة مطلوبة أم لا. النقل السلبي هي حركة المواد عبر الغشاء دون إنفاق الطاقة الخلوية. فى المقابل، النقل النشط هي حركة المواد عبر الغشاء باستخدام الطاقة من ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP).

النقل السلبي

لكي نفهم كيف تتحرك المواد بشكل سلبي عبر غشاء الخلية ، فمن الضروري فهم تدرجات التركيز والانتشار. أ تدرج التركيز هو الاختلاف في تركيز مادة عبر الفضاء. سوف تنتشر الجزيئات (أو الأيونات) من حيث تكون أكثر تركيزًا إلى حيث تكون أقل تركيزًا حتى يتم توزيعها بالتساوي في تلك المساحة. (عندما تتحرك الجزيئات بهذه الطريقة ، يقال إنها تتحرك تحت تدرج تركيزهم.) تعريف هي حركة الجسيمات من منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة ذات تركيز أقل. سيساعد زوجان من الأمثلة الشائعة في توضيح هذا المفهوم. تخيل أنك داخل حمام مغلق. إذا تم رش زجاجة عطر ، فستنتشر جزيئات الرائحة بشكل طبيعي من المكان الذي تركت فيه الزجاجة إلى جميع أركان الحمام ، وسيستمر هذا الانتشار حتى لا يتبقى مزيد من التدرج في التركيز. مثال آخر هو وضع ملعقة من السكر في كوب من الشاي. في النهاية سينتشر السكر في جميع أنحاء الشاي حتى لا يتبقى تدرج تركيز. في كلتا الحالتين ، إذا كانت الغرفة أكثر دفئًا أو الشاي أكثر سخونة ، يحدث الانتشار بشكل أسرع حيث تصطدم الجزيئات ببعضها البعض وتنتشر بشكل أسرع من درجات الحرارة المنخفضة. إن الحصول على درجة حرارة داخلية للجسم حوالي 98.6 درجة فهرنهايت يساعد أيضًا في انتشار الجزيئات داخل الجسم.

عندما توجد مادة بتركيز أكبر على جانب واحد من غشاء شبه نافذ ، مثل أغشية الخلايا ، فإن أي مادة يمكن أن تتحرك أسفل تدرج تركيزها عبر الغشاء ستفعل ذلك. ضع في اعتبارك المواد التي يمكن أن تنتشر بسهولة من خلال طبقة ثنائية الدهون في غشاء الخلية ، مثل غازات الأكسجين (O2) وشارك2. ا2 ينتشر بشكل عام في الخلايا لأنه أكثر تركيزًا خارجها ، وثاني أكسيد الكربون2 عادة ما ينتشر خارج الخلايا لأنه أكثر تركيزًا بداخلها. لا يتطلب أي من هذين المثالين أي طاقة من جانب الخلية ، وبالتالي يستخدمان النقل السلبي للتنقل عبر الغشاء. قبل الانتقال ، تحتاج إلى مراجعة الغازات التي يمكن أن تنتشر عبر غشاء الخلية. نظرًا لأن الخلايا تستهلك الأكسجين بسرعة أثناء عملية التمثيل الغذائي ، فعادة ما يكون هناك تركيز أقل من O2 داخل الزنزانة من الخارج. نتيجة لذلك ، سينتشر الأكسجين من السائل الخلالي مباشرة عبر الطبقة الدهنية الثنائية للغشاء وإلى السيتوبلازم داخل الخلية. من ناحية أخرى ، لأن الخلايا تنتج ثاني أكسيد الكربون2 كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الغذائي ، CO2 ترتفع التركيزات داخل السيتوبلازم لذلك ، CO2 سوف ينتقل من الخلية عبر طبقة ثنائية الدهون إلى السائل الخلالي ، حيث يكون تركيزه أقل. آلية انتشار الجزيئات من حيث تكون أكثر تركيزًا إلى حيث تكون أقل تركيزًا هي شكل من أشكال النقل السلبي يسمى الانتشار البسيط (الشكل 4).

الشكل 4. انتشار بسيط عبر غشاء الخلية (البلازما). يسمح هيكل الطبقة الدهنية الثنائية للمواد الصغيرة غير القطبية مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بالمرور عبر غشاء الخلية ، أسفل تدرج تركيزها ، عن طريق الانتشار البسيط.

تميل المواد المذابة المذابة في الماء على جانبي غشاء الخلية إلى الانتشار أسفل تدرجات تركيزها ، ولكن نظرًا لأن معظم المواد لا يمكنها المرور بحرية عبر الطبقة الدهنية الثنائية لغشاء الخلية ، فإن حركتها تقتصر على قنوات البروتين وآليات النقل المتخصصة في الغشاء . نشر الميسر هي عملية الانتشار المستخدمة لتلك المواد التي لا يمكنها عبور طبقة الدهون الثنائية بسبب حجمها و / أو قطبيتها (الشكل 5). من الأمثلة الشائعة على الانتشار الميسر حركة الجلوكوز في الخلية ، حيث يتم استخدامه لصنع ATP. على الرغم من أن الجلوكوز يمكن أن يكون أكثر تركيزًا خارج الخلية ، إلا أنه لا يمكنه عبور طبقة ثنائية الدهون عن طريق الانتشار البسيط لأنها كبيرة وقطبية. لحل هذه المشكلة ، يقوم بروتين ناقل متخصص يسمى ناقل الجلوكوز بنقل جزيئات الجلوكوز إلى الخلية لتسهيل انتشارها إلى الداخل.

الشكل 5. الانتشار الميسر. (أ) يحدث الانتشار الميسر للمواد التي تعبر غشاء الخلية (البلازما) بمساعدة البروتينات مثل بروتينات القناة والبروتينات الحاملة. تعتبر بروتينات القناة أقل انتقائية من البروتينات الحاملة ، وعادة ما تميز بشكل معتدل بين حمولتها بناءً على الحجم والشحنة. (ب) تكون البروتينات الحاملة أكثر انتقائية ، وغالبًا ما تسمح فقط لنوع معين من الجزيء بالعبور.

في بعض الحالات ، قد يحرك الانتشار الميسر مادتين في نفس الاتجاه عبر الغشاء ، يسمى "symport". على سبيل المثال ، في الخلايا المعوية ، يتم نقل أيونات الصوديوم وجزيئات الجلوكوز بشكل مشترك إلى الخلايا. في حالات أخرى ، قد يتطلب الانتشار الميسر قناة شبيهة بالأنفاق لمذابات معينة ، مثل الإلكتروليتات (أيونات صغيرة مشحونة) ، للمرور عبر الغشاء (وهذا ما يسمى "المنفذ الأحادي"). على سبيل المثال ، على الرغم من أن أيونات الصوديوم (Na +) تتركز بشكل كبير خارج الخلايا ، فإن هذه الإلكتروليتات مستقطبة ولا يمكنها المرور عبر طبقة الدهون غير القطبية ثنائية الغشاء. يتم تسهيل انتشارها عن طريق بروتينات الغشاء التي تشكل قنوات الصوديوم (أو "المسام") ، بحيث يمكن لأيونات الصوديوم أن تتحرك أسفل تدرج تركيزها من خارج الخلايا إلى داخل الخلايا. هناك العديد من المواد المذابة الأخرى التي يجب أن تخضع للانتشار الميسر للانتقال إلى الخلية ، مثل الأحماض الأمينية ، أو للانتقال خارج الخلية ، مثل النفايات. لأن الانتشار الميسر هو عملية سلبية ، فإنه لا يتطلب إنفاق الطاقة من قبل الخلية. يمكن للماء أيضًا أن يتحرك بحرية عبر غشاء الخلية لجميع الخلايا ، إما من خلال قنوات البروتين أو عن طريق الانزلاق بين ذيول الدهون في الغشاء نفسه. التنافذ هو انتشار الماء من خلال غشاء نصف نافذ (الشكل 6).

الشكل 6. التناضح. التناضح هو انتشار الماء من خلال غشاء نصف نافذ أسفل تدرج تركيزه. إذا كان الغشاء منفذاً للماء ، وإن لم يكن مذابًا ، فإن الماء سيعادل تركيزه عن طريق الانتشار إلى جانب تركيز الماء المنخفض (وبالتالي جانب تركيز الذائبة الأعلى). في الدورق الموجود على اليسار ، يكون المحلول الموجود على الجانب الأيمن من الغشاء مفرط التوتر.

لا يتم تنظيم حركة جزيئات الماء نفسها بواسطة الخلايا ، لذلك من المهم أن تتعرض الخلايا لبيئة يكون فيها تركيز المواد المذابة خارج الخلايا (في السائل خارج الخلية) مساويًا لتركيز المواد المذابة داخل الخلايا ( في السيتوبلازم). يُقال أن هناك حلين لهما نفس تركيز المذابات مساوي التوتر (توتر متساوي). عندما تكون الخلايا وبيئاتها خارج الخلية متساوية التوتر ، يكون تركيز جزيئات الماء هو نفسه خارج الخلايا وداخلها ، وتحافظ الخلايا على شكلها الطبيعي (ووظيفتها). يحدث التناضح عندما يكون هناك خلل في المواد المذابة خارج الخلية مقابل داخل الخلية. يُقال أن المحلول الذي يحتوي على تركيز أعلى من المواد المذابة مقارنة بمحلول آخر مفرط التوتر، وتميل جزيئات الماء إلى الانتشار في محلول مفرط التوتر (الشكل 7). سوف تذبل الخلايا في محلول مفرط التوتر حيث يترك الماء الخلية عن طريق التناضح. في المقابل ، يُقال أن المحلول الذي يحتوي على تركيز أقل من المواد المذابة من محلول آخر نقص الضغط، وتميل جزيئات الماء إلى الانتشار خارج محلول ناقص التوتر. ستستهلك الخلايا الموجودة في محلول ناقص التوتر الكثير من الماء وتنتفخ ، مع خطر الانفجار في النهاية. يتمثل أحد الجوانب المهمة للتوازن في الكائنات الحية في خلق بيئة داخلية تكون فيها جميع خلايا الجسم في محلول متساوي التوتر. تعمل أنظمة الأعضاء المختلفة ، وخاصة الكلى ، على الحفاظ على هذا التوازن.

الشكل 7. تركيز الحلول. يحتوي المحلول مفرط التوتر على تركيز مذاب أعلى من محلول آخر. يحتوي المحلول متساوي التوتر على تركيز ذائب مساوٍ لمحلول آخر. يحتوي المحلول منخفض التوتر على تركيز مذاب أقل من محلول آخر.

هناك آلية أخرى إلى جانب الانتشار لنقل المواد بشكل سلبي بين الأجزاء وهي الترشيح. على عكس انتشار مادة من حيث تكون أكثر تركيزًا إلى أقل تركيزًا ، يستخدم الترشيح تدرج ضغط هيدروستاتيكي يدفع السائل - والمواد المذابة بداخله - من منطقة ضغط أعلى إلى منطقة ضغط منخفض. الترشيح عملية بالغة الأهمية في الجسم. على سبيل المثال ، يستخدم الجهاز الدوري الترشيح لتحريك البلازما والمواد عبر البطانة البطانية للشعيرات الدموية والأنسجة المحيطة ، مما يمد الخلايا بالمغذيات. يوفر ضغط الترشيح في الكلى آلية لإزالة الفضلات من مجرى الدم.

النقل النشط

بالنسبة لجميع طرق النقل الموضحة أعلاه ، لا تستهلك الخلية أي طاقة. بروتينات الغشاء التي تساعد في النقل السلبي للمواد تفعل ذلك دون استخدام ATP. أثناء النقل النشط ، يُطلب من ATP نقل مادة عبر الغشاء ، غالبًا بمساعدة ناقلات البروتين ، وعادةً ضد تدرج تركيزه. أحد أكثر أنواع النقل النشط شيوعًا يتضمن البروتينات التي تعمل كمضخات. ربما تستحضر كلمة "مضخة" أفكارًا لاستخدام الطاقة في ضخ إطار دراجة أو كرة سلة. وبالمثل ، فإن الطاقة من ATP مطلوبة لبروتينات الغشاء هذه لنقل المواد - الجزيئات أو الأيونات - عبر الغشاء ، عادةً مقابل تدرجات تركيزها (من منطقة تركيز منخفض إلى منطقة تركيز عالٍ). ال مضخة الصوديوم والبوتاسيوم، والذي يسمى أيضًا N + / K + ATPase ، ينقل الصوديوم من الخلية أثناء نقل البوتاسيوم إلى الخلية. تعد مضخة Na + / K + مضخة أيونية مهمة توجد في أغشية العديد من أنواع الخلايا. هذه المضخات وفيرة بشكل خاص في الخلايا العصبية ، التي تضخ باستمرار أيونات الصوديوم وتسحب أيونات البوتاسيوم للحفاظ على التدرج الكهربائي عبر أغشية الخلايا. ان التدرج الكهربائي هو اختلاف في الشحنة الكهربائية عبر الفضاء. في حالة الخلايا العصبية ، على سبيل المثال ، يوجد التدرج الكهربائي بين داخل الخلية وخارجها ، مع وجود شحنة سالبة من الداخل (عند حوالي -70 مللي فولت) بالنسبة للخارج. يتم الحفاظ على التدرج الكهربائي السالب لأن كل مضخة Na + / K + تحرك ثلاثة أيونات Na + خارج الخلية واثنين من أيونات K + في الخلية لكل جزيء ATP يتم استخدامه (الشكل 8). This process is so important for nerve cells that it accounts for the majority of their ATP usage.

Figure 8. Sodium-Potassium Pump. The sodium-potassium pump is found in many cell (plasma) membranes. Powered by ATP, the pump moves sodium and potassium ions in opposite directions, each against its concentration gradient. In a single cycle of the pump, three sodium ions are extruded from and two potassium ions are imported into the cell.

Other forms of active transport do not involve membrane carriers. Endocytosis (bringing “into the cell”) is the process of a cell ingesting material by enveloping it in a portion of its cell membrane, and then pinching off that portion of membrane (Figure 9). Once pinched off, the portion of membrane and its contents becomes an independent, intracellular vesicle. أ vesicle is a membranous sac—a spherical and hollow organelle bounded by a lipid bilayer membrane. Endocytosis often brings materials into the cell that must to be broken down or digested. Phagocytosis (“cell eating”) is the endocytosis of large particles. Many immune cells engage in phagocytosis of invading pathogens. Like little Pac-men, their job is to patrol body tissues for unwanted matter, such as invading bacterial cells, phagocytize them, and digest them. In contrast to phagocytosis, pinocytosis (“cell drinking”) brings fluid containing dissolved substances into a cell through membrane vesicles.

Figure 9. Three Forms of Endocytosis. Endocytosis is a form of active transport in which a cell envelopes extracellular materials using its cell membrane. (a) In phagocytosis, which is relatively nonselective, the cell takes in a large particle. (b) In pinocytosis, the cell takes in small particles in fluid. (c) In contrast, receptor-mediated endocytosis is quite selective. When external receptors bind a specific ligand, the cell responds by endocytosing the ligand.

Figure 10. Exocytosis. Exocytosis is much like endocytosis in reverse. Material destined for export is packaged into a vesicle inside the cell. The membrane of the vesicle fuses with the cell membrane, and the contents are released into the extracellular space.

Phagocytosis and pinocytosis take in large portions of extracellular material, and they are typically not highly selective in the substances they bring in. Cells regulate the endocytosis of specific substances via receptor-mediated endocytosis. Receptor-mediated endocytosis is endocytosis by a portion of the cell membrane that contains many receptors that are specific for a certain substance. Once the surface receptors have bound sufficient amounts of the specific substance (the receptor’s ligand), the cell will endocytose the part of the cell membrane containing the receptor-ligand complexes. Iron, a required component of hemoglobin, is endocytosed by red blood cells in this way. Iron is bound to a protein called transferrin in the blood. Specific transferrin receptors on red blood cell surfaces bind the iron-transferrin molecules, and the cell endocytoses the receptor-ligand complexes. In contrast with endocytosis, exocytosis (taking “out of the cell”) is the process of a cell exporting material using vesicular transport (Figure 10).

Many cells manufacture substances that must be secreted, like a factory manufacturing a product for export. These substances are typically packaged into membrane-bound vesicles within the cell. When the vesicle membrane fuses with the cell membrane, the vesicle releases it contents into the interstitial fluid. The vesicle membrane then becomes part of the cell membrane. Cells of the stomach and pancreas produce and secrete digestive enzymes through exocytosis (Figure 11). Endocrine cells produce and secrete hormones that are sent throughout the body, and certain immune cells produce and secrete large amounts of histamine, a chemical important for immune responses.

Figure 11. Pancreatic Cells’ Enzyme Products. The pancreatic acinar cells produce and secrete many enzymes that digest food. The tiny black granules in this electron micrograph are secretory vesicles filled with enzymes that will be exported from the cells via exocytosis. LM × 2900. (Micrograph provided by the Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

Diseases of the Cell: Cystic Fibrosis

Cystic fibrosis (CF) affects approximately 30,000 people in the United States, with about 1,000 new cases reported each year. The genetic disease is most well known for its damage to the lungs, causing breathing difficulties and chronic lung infections, but it also affects the liver, pancreas, and intestines. Only about 50 years ago, the prognosis for children born with CF was very grim—a life expectancy rarely over 10 years. Today, with advances in medical treatment, many CF patients live into their 30s.

The symptoms of CF result from a malfunctioning membrane ion channel called the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, or CFTR. In healthy people, the CFTR protein is an integral membrane protein that transports Cl – ions out of the cell. In a person who has CF, the gene for the CFTR is mutated, thus, the cell manufactures a defective channel protein that typically is not incorporated into the membrane, but is instead degraded by the cell. The CFTR requires ATP in order to function, making its Cl – transport a form of active transport. This characteristic puzzled researchers for a long time because the Cl – ions are actually flowing down their concentration gradient when transported out of cells. Active transport generally pumps ions against their concentration gradient, but the CFTR presents an exception to this rule. In normal lung tissue, the movement of Cl – out of the cell maintains a Cl – -rich, negatively charged environment immediately outside of the cell. This is particularly important in the epithelial lining of the respiratory system.

Respiratory epithelial cells secrete mucus, which serves to trap dust, bacteria, and other debris. A cilium (plural = cilia) is one of the hair-like appendages found on certain cells. Cilia on the epithelial cells move the mucus and its trapped particles up the airways away from the lungs and toward the outside. In order to be effectively moved upward, the mucus cannot be too viscous rather it must have a thin, watery consistency. The transport of Cl – and the maintenance of an electronegative environment outside of the cell attract positive ions such as Na + to the extracellular space. The accumulation of both Cl – and Na + ions in the extracellular space creates solute-rich mucus, which has a low concentration of water molecules. As a result, through osmosis, water moves from cells and extracellular matrix into the mucus, “thinning” it out. This is how, in a normal respiratory system, the mucus is kept sufficiently watered-down to be propelled out of the respiratory system.

If the CFTR channel is absent, Cl – ions are not transported out of the cell in adequate numbers, thus preventing them from drawing positive ions. The absence of ions in the secreted mucus results in the lack of a normal water concentration gradient. Thus, there is no osmotic pressure pulling water into the mucus. The resulting mucus is thick and sticky, and the ciliated epithelia cannot effectively remove it from the respiratory system. Passageways in the lungs become blocked with mucus, along with the debris it carries. Bacterial infections occur more easily because bacterial cells are not effectively carried away from the lungs.


Osmoregulation

Osmoregulation is the process of maintaining salt and water balance (osmotic balance) across membranes within the body. The fluids inside and surrounding cells are composed of water, electrolytes, and nonelectrolytes. An electrolyte is a compound that dissociates into ions when dissolved in water. A nonelectrolyte, in contrast, does not dissociate into ions in water. The body&rsquos fluids include blood plasma, the fluid that exists within cells, and the interstitial fluid that exists in the spaces between cells and tissues of the body. The membranes of the body (both the membranes around cells and the &ldquomembranes&rdquo made of cells lining body cavities) are semipermeable membranes. Semipermeable membranes are permeable to certain types of solutes and to water, but typically cell membranes are impermeable to solutes.

The body does not exist in isolation. There is a constant input of water and electrolytes into the system. Excess water, electrolytes, and wastes are transported to the kidneys and excreted, helping to maintain osmotic balance. Insufficient fluid intake results in fluid conservation by the kidneys. Biological systems constantly interact and exchange water and nutrients with the environment by way of consumption of food and water and through excretion in the form of sweat, urine, and feces. Without a mechanism to regulate osmotic pressure, or when a disease damages this mechanism, there is a tendency to accumulate toxic waste and water, which can have dire consequences.

Mammalian systems have evolved to regulate not only the overall osmotic pressure across membranes, but also specific concentrations of important electrolytes in the three major fluid compartments: blood plasma, interstitial fluid, and intracellular fluid. Since osmotic pressure is regulated by the movement of water across membranes, the volume of the fluid compartments can also change temporarily. Since blood plasma is one of the fluid components, osmotic pressures have a direct bearing on blood pressure.

Excretory system

The human excretory system functions to remove waste from the body through the skin as sweat, the lungs in the form of exhaled carbon dioxide, and through the urinary system in the form of urine. All three of these systems participate in osmoregulation and waste removal. Here we focus on the urinary system, which is comprised of the paired kidneys, the ureter, urinary bladder and urethra (Figure 4.1). The kidneys are a pair of bean-shaped structures that are located just below the liver in the body cavity. Each of the kidneys contains more than a million tiny units called nephrons that filter blood containing the metabolic wastes from cells. All the blood in the human body is filtered about 60 times a day by the kidneys. The nephrons remove wastes, concentrate them, and form urine that is collected in the bladder.

Internally, the kidney has three regions&mdashan outer cortex, a medulla in the middle, and the renal pelvis, which is the expanded end of the ureter. The renal cortex contains the nephrons&mdashthe functional unit of the kidney. The renal pelvis collects the urine and leads to the ureter on the outside of the kidney. The ureters are urine-bearing tubes that exit the kidney and empty into the urinary bladder.

Figure 4.1. The human excretory system is made up of the kidneys, ureter, urinary bladder, and urethra. The kidneys filter blood and form urine, which is stored in the bladder until it is eliminated through the urethra. On the right, the internal structure of the kidney is shown. (credit: modification of work by NCI, NIH)

Blood enters each kidney from the aorta, the main artery supplying the body below the heart, through a renal artery. It is distributed in smaller vessels until it reaches each nephron in capillaries. Within the nephron, the blood comes in intimate contact with the waste-collecting tubules in a structure called the glomerulus. Water and many solutes present in the blood, including ions of sodium, calcium, magnesium, and others as well as wastes and valuable substances such as amino acids, glucose, and vitamins, leave the blood and enter the tubule system of the nephron. As materials pass through the tubule much of the water, required ions, and useful compounds are reabsorbed back into the capillaries that surround the tubules leaving the wastes behind. Some of this reabsorption requires active transport and consumes ATP. Some wastes, including ions and some drugs remaining in the blood, diffuse out of the capillaries into the interstitial fluid and are taken up by the tubule cells. These wastes are then actively secreted into the tubules. The blood then collects in larger and larger vessels and leaves the kidney in the renal vein. The renal vein joins the inferior vena cava, the main vein that returns blood to the heart from the lower body. The amounts of water and ions reabsorbed into the circulatory system are carefully regulated and this is an important way the body regulates its water content and ion levels. The waste is collected in larger tubules and then leaves the kidney in the ureter, which leads to the bladder where urine, the combination of waste materials and water, is stored.

The bladder contains sensory nerves, stretch receptors that signal when it needs to be emptied. These signals create the urge to urinate, which can be voluntarily suppressed up to a limit. The conscious decision to urinate sets in play signals that open the sphincters, rings of smooth muscle that close off the opening, to the urethra that allows urine to flow out of the bladder and the body.

Osmosis is the diffusion of water across a membrane in response to osmotic pressure caused by an imbalance of molecules on either side of the membrane. Osmoregulation is the process of maintenance of salt and water balance ( osmotic balance) across membranes within the body&rsquos fluids, which are composed of water, plus electrolytes and non-electrolytes. An electrolyte is a solute that dissociates into ions when dissolved in water. أ non-electrolyte, in contrast, doesn&rsquot dissociate into ions during water dissolution. Both electrolytes and non-electrolytes contribute to the osmotic balance. The body&rsquos fluids include blood plasma, the cytosol within cells, and interstitial fluid, the fluid that exists in the spaces between cells and tissues of the body. The membranes of the body (such as the pleural, serous, and cell membranes) are semi-permeable membranes. Semi-permeable membranes are permeable (or permissive) to certain types of solutes and water. Solutions on two sides of a semi-permeable membrane tend to equalize in solute concentration by movement of solutes and/or water across the membrane. As seen in Figure 4.2, a cell placed in water tends to swell due to gain of water from the hypotonic or &ldquolow salt&rdquo environment. A cell placed in a solution with higher salt concentration, on the other hand, tends to make the membrane shrivel up due to loss of water into the hypertonic or &ldquohigh salt&rdquo environment. Isotonic cells have an equal concentration of solutes inside and outside the cell this equalizes the osmotic pressure on either side of the cell membrane which is a semi-permeable membrane.

Figure 4.2. Cells placed in a hypertonic environment tend to shrink due to loss of water. In a hypotonic environment, cells tend to swell due to the intake of water. The blood maintains an isotonic environment so that cells neither shrink nor swell. (credit: Mariana Ruiz Villareal)

The body does not exist in isolation. There is a constant input of water and electrolytes into the system. While osmoregulation is achieved across membranes within the body, excess electrolytes and wastes are transported to the kidneys and excreted, helping to maintain osmotic balance.

Need for osmoregulation

Biological systems constantly interact and exchange water and nutrients with the environment by way of consumption of food and water and through excretion in the form of sweat, urine, and feces. Without a mechanism to regulate osmotic pressure, or when a disease damages this mechanism, there is a tendency to accumulate toxic waste and water, which can have dire consequences.

Mammalian systems have evolved to regulate not only the overall osmotic pressure across membranes, but also specific concentrations of important electrolytes in the three major fluid compartments: blood plasma, extracellular fluid, and intracellular fluid. Since osmotic pressure is regulated by the movement of water across membranes, the volume of the fluid compartments can also change temporarily. Because blood plasma is one of the fluid components, osmotic pressures have a direct bearing on blood pressure.

Transport of electrolytes across cell membranes

Electrolytes, such as sodium chloride, ionize in water, meaning that they dissociate into their component ions. In water, sodium chloride (NaCl), dissociates into the sodium ion (Na+) and the chloride ion (Cl&ndash). The most important ions, whose concentrations are very closely regulated in body fluids, are the cations sodium (Na+), potassium (K+), calcium (Ca+2),
magnesium (Mg+2), and the anions chloride (Cl&ndash), carbonate (CO3-2), bicarbonate (HCO3&ndash), and phosphate(PO3&ndash). Electrolytes are lost from the body during urination and perspiration. For this reason, athletes are encouraged to replace electrolytes and fluids during periods of increased activity and perspiration.

Osmotic pressure is influenced by the concentration of solutes in a solution. It is directly proportional to
the number of solute atoms or molecules and not dependent on the size of the solute molecules. Because electrolytes dissociate into their component ions, they, in essence, add more solute particles into the solution and have a greater effect on osmotic pressure, per mass than compounds that do not dissociate in water, such as glucose.

Water can pass through membranes by passive diffusion. If electrolyte ions could passively diffuse across membranes, it would be impossible to maintain specific concentrations of ions in each fluid compartment, therefore, they require special mechanisms to cross the semi-permeable membranes in the body. This movement can be accomplished by facilitated diffusion and active transport. Facilitated diffusion requires protein-based channels for moving the solute. Active transport requires energy in the form of ATP conversion, carrier proteins, or pumps in order to move ions against the concentration gradient.

Concept of osmolality and milliequivalent

In order to calculate osmotic pressure, it is necessary to understand how solute concentrations are measured. The unit for measuring solutes is the mole. One mole is defined as the gram molecular weight of the solute. For example, the molecular weight of sodium chloride is 58.44. Thus, one mole of sodium chloride weighs 58.44 grams. ال molarity of a solution is the number of moles of solute per liter of solution. ال molality of a solution is the number of moles of solute per kilogram of solvent. If the solvent is water, one kilogram of water is equal to one liter of water. While molarity and molality are used to express the concentration of solutions, electrolyte concentrations are usually expressed in terms of milliequivalents per liter (mEq/L): the mEq/L is equal to the ion concentration (in millimoles) multiplied by the number of electrical charges on the ion. The unit of milliequivalent takes into consideration the ions present in the solution (since electrolytes form ions in aqueous solutions) and the charge on the ions.

Thus, for ions that have a charge of one, one milliequivalent is equal to one millimole. For ions that have a charge of two (like calcium), one milliequivalent is equal to 0.5 millimoles. Another unit for the expression of electrolyte concentration is the milliosmole (mOsm), which is the number of milliequivalents of solute per kilogram of solvent. Body fluids are usually maintained within the range of 280 to 300 mOsm.

Osmoregulators and osmoconformers

Persons lost at sea without any fresh water to drink, are at risk of severe dehydration because the human body cannot adapt to drinking seawater, which is hypertonic in comparison to body fluids. Organisms such as goldfish that can tolerate only a relatively narrow range of salinity are referred to as stenohaline. About 90 percent of all bony fish are restricted to either freshwater or seawater. They are incapable of osmotic regulation in the opposite environment. It is possible, however, for a few fishes like salmon to spend part of their life in freshwater and part in sea water. Organisms like the salmon and molly that can tolerate a relatively wide range of salinity are referred to as euryhaline organisms. This is possible because some fish have evolved osmoregulatory mechanisms to survive in all kinds of aquatic environments. When they live in fresh water, their bodies tend to take up water because the environment is relatively hypotonic, as illustrated in Figure 4.3a. In such hypotonic environments, these fish do not drink much water. Instead, they pass a lot of very dilute urine, and they achieve electrolyte balance by active transport of salts through the gills. When they move to a hypertonic marine environment, these fish start drinking sea water they excrete the excess salts through their gills and their urine, as illustrated in Figure 4.3b. Most marine invertebrates, on the other hand, maybe isotonic with sea water (osmoconformers). Their body fluid concentrations conform to changes in seawater concentration. Cartilaginous fishes&rsquo salt composition of the blood is similar to bony fishes however, the blood of sharks contains the organic compounds urea and trimethylamine oxide (TMAO). This does not mean that their electrolyte composition is similar to that of seawater. They achieve isotonicity with the sea by storing large concentrations of urea. These animals that secrete urea are called ureotelic animals. TMAO stabilizes proteins in the presence of high urea levels, preventing the disruption of peptide bonds that would occur in other animals exposed to similar levels of urea. Sharks are cartilaginous fish with a rectal gland to secrete salt and assist in osmoregulation.

Figure 4.3. Fish are osmoregulators, but must use different mechanisms to survive in (a) freshwater or (b) saltwater environments. (credit: modification of work by Duane Raver, NOAA)


Ionic Gradients and an Electric Potential Are Maintained across the Plasma Membrane

The specific ionic composition of the cytosol usually differs greatly from that of the surrounding fluid. In virtually all cells — including microbial, plant, and animal cells — the cytosolic pH is kept near 7.2 and the cytosolic concentration of K + is much higher than that of Na + . In addition, in both invertebrates and vertebrates, the concentration of K + is 20 –� times higher in cells than in the blood, while the concentration of Na + is 8 –� times lower in cells than in the blood (Table 15-1). The concentration of Ca 2+ free in the cytosol is generally less than 0.2 micromolar (2 ×� 𢄧 M), a thousand or more times lower than that in the blood. Plant cells and many microorganisms maintain similarly high cytosolic concentrations of K + and low concentrations of Ca 2+ and Na + even if the cells are cultured in very dilute salt solutions. The ATP-driven ion pumps that generate and maintain these ionic gradients are discussed later.

Table 15-1

Typical Ion Concentrations in Invertebrates and Vertebrates.

In addition to ion pumps, which transport ions against their concentration gradients, the plasma membrane contains channel proteins that allow the principal cellular ions (Na + , K + , Ca 2+ , and Cl − ) to move through it at different rates down their concentration gradients. Ion concentration gradients and selective movements of ions through channels create a difference in voltage across the plasma membrane. The magnitude of this electric potential is � millivolts (mV) with the inside of the cell always negative with respect to the outside. This value does not seem like much until we realize that the plasma membrane is only about 3.5 nm thick. Thus the voltage gradient across the plasma membrane is 0.07 V per 3.5 ×� 𢄧 cm, or 200,000 volts per centimeter! (To appreciate what this means, consider that high-voltage transmission lines for electricity utilize gradients of about 200,000 volts per kilometer!) As explained below, the plasma membrane, like all biological membranes, acts like a capacitor —𠁚 device consisting of a thin sheet of nonconducting material (the hydrophobic interior) surrounded on both sides by electrically conducting material (the polar head groups and the ions in the surrounding aqueous medium) — that can store positive charges on one side and negative charges on the other.

The ionic gradients and electric potential across the plasma membrane drive many biological processes. Opening and closing of Na + , K + , and Ca 2+ channels are essential to the conduction of an electric impulse down the axon of a nerve cell (Chapter 21). In many animal cells, the Na + concentration gradient and the membrane electric potential power the uptake of amino acids and other molecules against their concentration gradient this transport is catalyzed by ion-linked symport and antiport proteins. In most cells, a rise in the cytosolic Ca 2+ concentration is an important regulatory signal, initiating contraction in muscle cells and triggering secretion of digestive enzymes in the exocrine pancreatic cells.

Here we discuss the role of ion channels in generating the membrane electric potential. Later we examine the ATP-powered ion pumps that generate ion concentration gradients, and ion-linked cotransport proteins.


Transport of Electrolytes across Cell Membranes

A teaspoon of table salt readily dissolves in water. The solubility of sodium chloride results from its capacity to ionize in water. Salt and other compounds that dissociate into their component ions are called electrolytes. In water, sodium chloride (NaCl) dissociates into the sodium ion (Na + ) and the chloride ion (Cl – ). The most important ions, whose concentrations are very closely regulated in body fluids, are the cations sodium (Na+), potassium (K+), calcium (Ca+2),and magnesium (Mg+2) and the anions chloride (Cl-), carbonate (CO3-2), bicarbonate (HCO3-), and phosphate(PO3-). Electrolytes are lost from the body during urination and perspiration. For this reason, athletes are encouraged to replace electrolytes and fluids during periods of increased activity and perspiration.

Osmotic pressure is influenced by the concentration of solutes in a solution. It is directly proportional to the number of solute atoms or molecules and not dependent on the size of the solute molecules. Because electrolytes dissociate into ions, adding relatively more solute molecules to a solution, they exert a greater osmotic pressure per unit mass than non-electrolytes such as glucose.

Water passes through semi-permeable membranes by passive diffusion, moving along a concentration gradient and equalizing the concentration on either side of the membrane. Electrolyte ions may not be able to passively diffuse across a membrane, but may instead require special mechanisms to cross the semi-permeable membrane. The mechanisms that transport ions across membranes are facilitated diffusion and active transport. Facilitated diffusion of solutes occurs through protein-based channels. Active transport requires energy in the form of ATP conversion, carrier proteins, or pumps in order to move ions against the concentration gradient.


41.1B: Transport of Electrolytes across Cell Membranes - Biology

The small intestine must absorb massive quantities of water. A normal person or animal of similar size takes in roughly 1 to 2 liters of dietary fluid every day. On top of that, another 6 to 7 liters of fluid is received by the small intestine daily as secretions from salivary glands, stomach, pancreas, liver and the small intestine itself.

By the time the ingesta enters the large intestine, approximately 80% of this fluid has been absorbed. Net movement of water across cell membranes always occurs by osmosis, and the fundamental concept needed to understand absorption in the small gut is that there is a tight coupling between water and solute absorption. Another way of saying this is that absorption of water is absolutely dependent on absorption of solutes, particularly sodium:

  • Sodium is absorbed from the intestinal lumen by several mechanisms, most prominently by cotransport with glucose and amino acids, and by Na+/H+ exchange, both of which move sodium from the lumen into the enterocyte.
  • Absorbed sodium is rapidly exported from the cell via sodium pumps - when a lot of sodium is entering the cell, a lot of sodium is pumped out of the cell, which establishes a high osmolarity in the small intercellular spaces between adjacent enterocytes.
  • Water diffuses in response to the osmotic gradient established by sodium - in this case into the intercellular space. It seems that the bulk of the water absorption is transcellular, but some also diffuses through the tight junctions.
  • Water, as well as sodium, then diffuses into capillary blood within the villus.

As sodium is rapidly pumped out of the cell, it achieves very high concentration in the narrow space between enterocytes. A potent osmotic gradient is thus formed across apical cell membranes and their connecting junctional complexes that osmotically drives movement of water across the epithelium.

Water is thus absorbed into the intercellular space by diffusion down an osmotic gradient. However, looking at the process as a whole, transport of water from lumen to blood is often against an osmotic gradient - this is important because it means that the intestine can absorb water into blood even when the osmolarity in the lumen is higher than osmolarity of blood.

Absorption in the Small Intestine

Absorption of Monosaccharides


What Do Electrolytes Do, How Much Do You Need, and Where Do You Find Them?

Sodium

Main functions in the body: Along with potassium, regulates the fluid volume in cells, interstitial fluid, and blood plasma. Needed for muscle contraction and generating nerve impulses.

Dietary sources: Most sodium in our diet comes from the salt we add to food. Much smaller amounts naturally occur in foods like beets, carrots, celery, and dairy products, and in drinking water. Someone eating a typical modern diet gets the bulk of their sodium from processed, packaged foods.

Recommended intake: In recent decades, doctors and the folks behind our governmental dietary standards have told us to limit sodium intake, mostly in the name of heart health. However, experts are increasingly challenging that advice. Multiple studies point to a greater risk of negative health outcomes with too little sodium 1 2 3 Many believe that the current recommended daily intake of 1,500 mg per day for adults is woefully inadequate.

Instead, the sweet spot seems to be between 4 and 6 grams per day. That’s about 2 teaspoons of fine sea salt like Redmond Real Salt or a heaping tablespoon of kosher salt. (Remember, the salt we eat is not pure sodium, it’s sodium plus chloride—NaCl.) However, individuals with salt-sensitive hypertension or kidney disease will want to consult their doctors, as these populations probably do need to restrict sodium.

Potassium

Main functions in the body: Along with sodium, potassium regulates fluid volume and allows for muscle contraction and nerve impulses. Regulates heartbeat.

Dietary sources: Fruits and vegetables. Bananas have become synonymous with potassium, but a medium potato actually contains twice as much potassium as a medium banana. Avocado is a better source as well. If your diet includes a variety of vegetables and perhaps some fruit, you are probably getting enough potassium.

Recommended intake: Adequate intake (AI) is 2,600 mg per day for adult females and 3,400 mg per day for males. The FDA’s recommended daily intake (RDI) is 4,700 mg per day.

While sodium gets most of the attention when it comes to heart health, potassium is at least as essential, if not more so. People with higher (but not excessive) potassium intake have lower blood pressure, less risk for cardiovascular disease, 4 and lower all-cause mortality. 5

Research also suggests that the relative amounts of sodium and potassium you eat—the sodium:potassium ratio—is as important as the absolute amounts of each. You want to avoid high levels of sodium with low potassium. On the other hand, increasing potassium intake seems to offset the supposed dangers of higher levels of sodium intake (within reason). 6 7 8

Chloride

Main functions in the body: Maintaining fluid balance, which is vital for regulating blood pressure and pH of body fluids. Also a primary component of gastric juice in the form of hydrochloric acid.

Dietary sources: Mostly from added salt—sodium chloride and, to a lesser extent, potassium chloride. Seaweed and many vegetables also contain some chloride. You can also get chloride through the skin if you use a magnesium spray, which is usually magnesium chloride.

Recommended intake: 2.3 grams per day for adults up to 50, 2.0 grams per day up to age 70, 1.8 grams per day thereafter.

Calcium

Main functions in the body: In addition to structural roles (bones and teeth), calcium helps muscles contract and nerves fire. Calcium also has a role in blood clotting.

Dietary sources: Leafy greens, broccoli, nuts and seeds, fish like sardines and anchovies where you eat the bones. Dairy products, if you consume them, are good sources as well despite any controversy about bioavailability.

Recommended intake: For adult females, 1,000 mg per day up to age 50, 1,200 mg per day thereafter. For males, 1,000 mg per day up to age 70, 1,200 mg per day thereafter.

Phosphate

Main functions in the body: Like calcium, most phosphate is stored in bones and teeth, acting as a mineral reserve. The rest is used by cells for energy production and in cell membranes and DNA.

Dietary sources: Derived from phosphorous, which is found most abundantly in animal products—meat, dairy, eggs.

Recommended intake: 700 mg per day for all adults

Bicarbonate

Main functions in the body: Crucial for maintaining extracellular acid-base balance. Moves carbon dioxide through the bloodstream.

Dietary sources: We get bicarbonate from baking soda (sodium bicarbonate), but the body also produces bicarbonate endogenously (on its own), so it’s not necessary to target it in the diet.

Recommended intake: Has not been established

Magnesium

Main functions in the body: Magnesium is involved in over 300 enzymatic reactions, including ones that allow nerves to fire and muscles to contract. Maintains regular heartbeat.

Dietary sources: Leafy greens, dark chocolate, nuts and seeds, fish, avocado

Recommended intake: For adult females, 310 mg per day up to age 30, then increases to 320 per day. For males, 400 mg per day up to age 30, increasing to 420 mg per day.

Natural Electrolyte Supplements

When people talk about supplementing electrolytes, they generally mean sodium, potassium, and magnesium. For the average healthy person, you can meet your electrolyte needs by eating a varied diet rich in different vegetables, perhaps some fruit, and animal products, especially fish.

However, you may need to supplement if you eat a restricted diet or have certain health conditions such as gastrointestinal issues that interfere with your ability to absorb nutrients, or kidney or liver disease. Because supplements can interact with medications, talk to your doctor before starting any kind of supplement regimen.

Obviously, if you get an electrolyte panel done by your doctor, and it shows a deficiency, that’s another good reason to supplement. Likewise, if you’ve had a bout of vomiting or diarrhea, or if you’re having issues such as brain fog or muscle cramping. Don’t go overboard it is certainly possible to have too much of any electrolyte. Drinking some salty bone broth or trying a standard dose of a potassium or magnesium supplement should be safe.

I should note, though, that dietary deficiencies in potassium are uncommon. It’s never a bad idea to track your food for a few days using an app like Cronometer. See how much you’re getting from diet so you can tailor your supplementing appropriately. It’s probably much more likely that you’re getting less sodium than you need if you’re eating mostly close-to-nature foods, especially if you’re hewing to conventional wisdom about restricting salt.

What Are the Best Forms of Electrolytes?

For sodium, all you need is good old salt. Different forms of salt contain varying amounts of sodium, so look at the label.

For potassium, I like potassium citrate. You can also use LoSalt or Nu-Salt, which contain potassium chloride. They are found with the table salt at your local grocery store. Some folks make their own electrolyte blend with cream of tartar (yes, the same stuff you bake with), which is potassium bitartrate. Any of these will work, but I think potassium citrate is the superior option.

For magnesium, the most bioavailable are the chelated forms that end in -ate. Different forms of magnesium are thought to have specific benefits, but magnesium malate or glycinate (also called bis-glycinate) are good all-around options. Magnesium L-threonate is particularly touted for cognitive benefits because it crosses the blood-brain barrier.

Is Potassium Supplementation Safe?

Because potassium is closely linked to heart function, there is a concern that supplementing potassium could lead to arrhythmias or even heart attacks. However, a 2016 meta-analysis of randomized controlled trials found no risk associated with supplementing within normal guidelines in healthy individuals. 9 People with heart or kidney problems should definitely talk to their doctors, though.

Although I think supplementing potassium is generally safe, it’s also reasonably easy to meet your potassium requirements through diet alone. Potassium supplements are limited to 100 mg per dose by the FDA anyway, which is a fraction of what you need.

Considerations for Keto Folks

If you’re following a keto diet, you probably do need to supplement. When you drop your carbs low enough for the liver to start making ketones, this also triggers a (normal) hormonal response that leads the kidneys to dump water. Along with water goes sodium and potassium especially. This can lead to low blood pressure, and it’s the reason why some people feel so crappy when they first go keto—-the dreaded “keto flu.”

If you’re eating a keto diet and your workouts are suffering, or you have low energy, headaches, or brain fog, low sodium and/or potassium is the likely culprit. Some people find that they need to supplement when transitioning into keto but not once they are keto-adapted. Others feel better if they continue supplementing.

In particular, many keto folks feel better when they increase their sodium considerably—3 to 5 grams above what they get from food, or perhaps even more.

Considerations for Athletes

Electrolytes, especially sodium and chloride, are lost through sweat, so many athletes use electrolyte supplements as a part of their training nutrition. This probably isn’t crucial for the average person working up a sweat at the gym. For hard-charging endurance athletes pounding away for hours, especially in intense heat, it might be the difference between making it to the finish line or not.

If you’re taking in a lot of water during a training session, it’s a good idea to add a pinch of salt, and perhaps a bit of carbohydrate, to your water. For one thing, this increases absorption. Drinking too much water without adequately replacing sodium losses can also lead to the dangerous, even fatal, condition of hyponatremia. 10 I’m not a huge fan of most commercial electrolyte drinks due to their high sugar content, but it’s easy to make your own using one of the many online recipes. You can also use salt pills. It might take some tinkering to dial in the amount you need.

Some athletes also take sodium bicarbonate supplements in an attempt to offset exercise-induced acidosis. (Recall that bicarbonate helps maintain acid-base homeostasis.) Research shows that doses of 200 to 500 mg/kg may reduce lactate concentration and improve aerobic exercise performance and hand-eye coordination. 11 Doses at the higher end of the spectrum seem to be more effective, but they can also cause undesirable gastrointestinal symptoms. If you experiment with this, make sure to take into account both the sodium and the bicarbonate you are adding and, if necessary, adjust your additional sodium supplementation accordingly.


شاهد الفيديو: أسهل طريقة لشرح جهاز جولجي Structure u0026 Function of Golgi Apparatus- A Level Biology (شهر نوفمبر 2022).