Cellmembranets vätske-mosaikmodell

Cellmembranet är en flytande, halvpermeabel barriär som inte bara skyddar det inre av cellen utan styr rörelserna av ämnen in och ut. |

Mobil transport

Två huvudmetoder genom vilka organismer flyttar material runt i sina kroppar är viktiga för att förstå cellulär transport:

  • massflöde är den enkla mekanismen genom vilken partiklar fysiskt transporteras i en fluidström, såsom vatten, luft eller blod. Det är ett snabbt och effektivt sätt att transportera ämnen över relativt långa avstånd.
  • diffusion, osmos och aktiv transport är tre liknande kemiska metoder genom vilka enstaka molekyler eller mycket små strukturer flyttas över membran eller relativt korta avstånd, ofta inom eller mellan celler.

Förflyttning av ämnen in och ut ur celler (näringsämnen in och gifter ut, till exempel) är en mycket viktig del av biologin eftersom utan den ingen cell och så ingen organism skulle kunna leva mycket länge. Ämnen kan bara korsa det skyddande cellmembranet genom diffusion, osmos eller aktiv transport (oroa dig inte - dessa termer kommer alla att förklaras inom kort). Massflöde fungerar endast på organ-, vävnads- och hela organismenivå.

Vad är cellmembranet?

Grunden för biologi

Du vet antagligen redan att all materia består av små osynliga atomer . När atomer kopplas samman bildar de molekyler . Både atomer och molekyler kan utveckla en elektrisk laddning. Elektriskt laddade atomer eller molekyler kallas joner.

I biologin använder vi enkla termen partiklar för att hänvisa till alla dessa saker: atomer, molekyler och joner.

Det är dessa partiklar som rör sig inom och mellan celler genom diffusion, osmos eller aktiv transport. Partiklar kan endast föras in från cellerna när de löses i vatten. Vatten med partiklar löst i det är känt som en lösning. Vattnet i en lösning kallas lösningsmedlet och partiklarna kallas det lösta ämnet. Vi kommer tillbaka till dessa villkor senare.

Så att du enkelt kan kontrollera din förståelse finns det en rolig frågesport i slutet. Alla svar kan hittas på denna sida och du får din poäng direkt.

Vad är diffusion?

Den klassiska definitionen av diffusion är rörelsen av ett ämne från ett område med högre koncentration till ett område med lägre koncentration ( koncentrationsgradienten ). Men vad betyder det egentligen?

Partiklar är alltid i slumpmässig rörelse. Koncentration betyder helt enkelt hur många partiklar det finns i en given volym. Genom slumpmässig rörelse kommer partiklar naturligt att spridas från där det finns massor av dem till där det är få eller inga. Det här är vad vi menar med diffusion längs koncentrationsgradienten.

Se den här korta animationen för att bättre förstå denna idé:

Diffusion ner koncentrationsgradienten

Celler och diffusion

Två villkor måste vara uppfyllda för att ett ämne kommer in i en cell genom diffusion.

  • Cellens membran måste vara permeabelt för den specifika substansen. Detta betyder att substansen måste på något sätt kunna korsa membranet utan att bryta det.
  • Koncentrationen av ämnet inuti cellen är lägre än den är utanför.

Syre är ett utmärkt exempel på ett livsviktigt ämne som kommer in i celler genom diffusionsprocessen. Syre konsumeras av celler i andningsprocessen . Detta innebär att koncentrationen av syre i en given cell troligen kommer att minska. Detta skapar en koncentrationsgradient som drar nytt syre in i cellen genom diffusion över cellmembranet.

Diffusionsprocessen längs en koncentrationsgradient kan också fungera för att flytta ämnen ut ur cellerna. Ett utmärkt exempel på detta är fallet med koldioxid. Koldioxid är en biprodukt av andning. Följaktligen tenderar koldioxid att öka koncentrationen i cellerna. Molekyler av koldioxid lämnar cellen genom diffusion när koncentrationen av ämnet inuti cellen är högre än den är utanför cellen.

I båda dessa exempel rör sig partiklarna som utgör ämnet ned en koncentrationsgradient: från ett område med högre koncentration till ett område med lägre koncentration.

Öka diffusionsnivån

Diffusion i sig är i allmänhet en mycket långsam process. Ibland måste celler flytta ämnen snabbare och så har ett antal mekanismer utvecklats för att påskynda diffusionen.

Dessa mekanismer använder tre viktiga faktorer:

  • temperatur
  • ytarean till volymförhållandet
  • koncentrationsgrad


Låt oss titta på var och en i tur och ordning.

Temperatur och diffusion

Du vet antagligen redan att när ämnets temperatur ökar (det blir varmare) börjar partiklarna som sammansätter ämnet flytta mycket snabbare. Denna ökning i rörelse när ämnen värms upp kan också hjälpa till att driva diffusion när partiklarna går igång snabbare.

Vetenskapliga temperaturer

I biologi och andra vetenskaper mäts och uttrycks temperaturen alltid i C (grader Celsius) och inte i Fahrenheit, som du kanske är mer bekant med hemma.

Människor är "varmblodiga" djur eller mer korrekt endotermer . Detta innebär att vi kan upprätthålla en stadig intern temperatur. I vårt fall handlar det om 37 C och upprätthåller vår ämnesomsättning även när det är kallt i miljön. Alla däggdjur är endotermiska. De flesta reptiler är emellertid exoterm eller "kallblodiga" och måste stängas av om miljötemperaturen faller under en viss nivå.

Ytarea till volymförhållande

Ju större cellens ytarea är, desto snabbare flyttas ämnen in och ut. Detta beror helt enkelt på att det finns mer membran för ämnena att korsa över. Du kan föreställa dig cellen som ett rum, kanske. Om dörren är bred kan fler gå in eller ut tillsammans. Om dörren är smal kan färre komma in och ut när som helst.

Men att ha en stor yta ensam påskyndar inte nödvändigtvis diffusionen. Den stora ytan måste vara i ett visst förhållande till cellens inre volym. Låter det komplicerat? Det låter på så sätt, men oroa dig inte, det är faktiskt ganska lätt att förstå.

Att vara liten hjälper

Att vara små och sfäriska hjälper cellerna att upprätthålla en god volym- och ytyta. Andra anpassningar inkluderar 'vinglande' membran och plattning, som alla ökar ytytan och därför cellens förmåga att absorbera ämnen genom diffusion. |

Den viktigaste faktorn för en cell är inte bara dess ytarea utan förhållandet mellan yta och volym . Förbrukningen av ämnen är beroende av volym, men det är cellmembranets ytarea som bestämmer absorptionshastigheten för nytt material.

Med andra ord, ju större ytarea på cellen jämfört med dess volym, desto mer effektiv är cellen att utföra sina funktioner.

Det är intressant att notera att när en cell blir större kommer volymen att öka mer än ytan. Låt oss titta på vad som händer om du fördubblar storleken på en cell:

  • fördubbling av en cellstorlek ökar volymen 8 gånger.
  • fördubbling av en cellstorlek ökar ytan endast fyra gånger.

Så du kan se att det finns ett negativt samband mellan storlek och effektivitet i cellerna. Ju större de blir desto svårare är det för dem att ta upp material tillräckligt snabbt.

Hur kan en cell öka ytan till volymförhållande?

Det finns tre viktiga sätt på vilka en cell kan öka dess ytarea till volymförhållande.

  1. Håll dig liten. Det är inte en slump att våra celler är så små. Det finns en maximal storlek utöver vilken de inte längre kan fungera. Ju mindre en cell är, desto större är förhållandet mellan volym och yta.
  2. Platta till. Om en cell utvecklar en platt snarare än rund form kan den bibehålla en konstant volym och samtidigt öka ytan. Många humana celler, såsom lungceller och epitelceller, använder denna metod.
  3. Utveckla en oregelbunden yta . Celler i tarmen har "vinklade" bitar snarare som hårstrån. De är faktiskt en del av cellmembranet och de tjänar till att öka ytan, vilket gör att dessa specialiserade celler bättre kan absorbera smälta matpartiklar. Håriga rotceller i växter använder samma strategi för att ta upp näringsämnen från jorden.

Diffusion över cellmembranet

Diffusion över cellmembranet sker på grund av koncentrationsgradienten mellan de intracellulära och extracellulära miljöerna. |

Koncentrationsgradienten

Vi har redan sett att diffusion betyder förflyttning av ämnen från områden med hög koncentration till områden med låg koncentration.

Emellertid är diffusionshastigheten beroende av koncentrationsgradienten. Koncentrationsgradienten beräknas som skillnaden i koncentration per centimeter.

Föreställ dig att en pojke rullar en boll nerför en kulle. Om kullen är mycket brant, kommer bollen att rulla snabbare. Om en koncentrationsgradient är brant, det vill säga den representerar en snabb förändring från hög koncentration till låg koncentration, kommer ämnen att flytta ner den snabbare - precis som bollen!

Ett typiskt cellmembran är mycket tunt. Anledningen till detta är att hålla avståndet mellan interna och externa koncentrationer kort. Detta hjälper till att skapa en brantare koncentrationsgradient, vilket möjliggör förflyttning av ämnen in och ut ur cellen.

När du tar ett djupt andetag ökar koncentrationen av syre i lungorna. Lungorna är fulla av luft med en hög syrekoncentration jämfört med en lägre syrekoncentration i blodet. Därför diffunderar syre i blodomloppet.

Rörelse av ämnen nerför en koncentrationsgradient

Aktiv transport

Förflyttning av ämnen in och ut ur cellen genom diffusion kallas passiv transport. Ibland diffunderar emellertid inte substanser över membranet och behöver kemiskt hjälpas. Detta kallas aktiv transport .

En typisk situation där aktiv transport krävs är när ett ämne måste köra mot koncentrationsgradienten. Det är tydligt i detta fall att diffusion inte hjälper alls!

Aktiv transport sker alltid över cellmembranet och det kräver extra energi för att pressa partiklarna upp koncentrationsgradienten. Energin för aktiv transport tillförs genom andningsprocessen.

Cellmembranet har specialiserade molekyler integrerade i det. Dessa bärarmolekyler absorberar andningens energi för att hjälpa andra ämnen att korsa cellmembranet.

Animering som förklarar aktiv transport

Osmos

Osmos är exakt samma mekanism som diffusion men det är en term som används för att specifikt tillämpas på vattenmolekylers rörelse. Så när vattenmolekyler (H20) överförs över ett delvis permeabelt membran från ett område med högre till ett område med lägre koncentration, vilket kallas osmos .

Låt oss bara pausa här ett ögonblick för att ge några definitioner av några viktiga termer som vi har använt:

  • Delvis permeabelt membran (även känt som ett semi-permeabelt membran eller ett selektivt permeabelt membran). Detta betyder bara ett membran som bara tillåter vissa ämnen genom det och inte andra. Cellmembran är alla av den här typen.
  • Ett av sätten på vilket ett membran kan vara partiellt genomträngligt är att det faktiskt är mer som ett nät gjord av små hål. Vissa partiklar är små nog att gå igenom dessa "porer" och andra inte.
  • I en biologisk cell kan vattenmolekyler passera båda vägarna och en nettorörelse innebär alltid att fler vattenmolekyler rör sig från högre till lägre koncentrationer än tvärtom. Kom ihåg att diffusionen av vattenmolekyler kallas osmos .

Osmos Made Simple

Något att tänka på...

Biologer hänvisar ofta till en lösning som innehåller en stor mängd lösta ämnen som en "koncentrerad lösning" men du kan också tänka på det som en lösning med en låg koncentration av vattenmolekyler. Så begreppet hög och låg koncentration är alltid i förhållande till molekylerna du refererar till!

Effekten av osmos på djurceller

En djurcell omges av ett delvis permeabelt membran. Eftersom osmos gör det möjligt för vatten att rinna så fritt genom cellsystemet kan det göra så mycket skada och gott. Den största faran är att lysera .

  • lysis härrör från det grekiska ordet för "split" och det är exakt det. Om en cell yttre miljö är mer utspädd än dess inre miljö (cytoplasma) får osmos att svälla med vatten tills den spricker. Detta kallas lys.
  • Om situationen vänds och för mycket vatten lämnar cellen, också genom osmos, kan cellen torka ut och dö.

Ett komplex av kemiska mekanismer säkerställer att vävnadsvätskan som omger cellerna i ett friskt djur hålls i en lika stor koncentration som cytoplasman.

Turgid växtceller

Betydelsen av osmos för växtceller

Osmos är mycket mindre hot mot växtceller än för djurceller. De har faktiskt utvecklat en styv cellvägg som gör det möjligt för dem att använda osmos till deras fördel.

Vatten kommer in i en växtcell genom osmos när cytoplasma har en lägre koncentration av vattenmolekyler än den omgivande vattenmiljön. Cellen expanderar för att rymma tillströmningen av vattenmolekyler. Detta sträcker cellens vägg. Som vi har sett med en djurcell är membranet inte tillräckligt starkt för att motstå för mycket expansion och kan spricka, vilket resulterar i cellens död. En växts cellvägg är emellertid mycket starkare och när cellen fylls med vatten utövar den ett motsatt tryck tills jämvikt har uppnåtts och inget mer vatten kan komma in. En växtcell i detta tillstånd, full till kapacitet med vattenmolekyler, kallas turgid .

Denna process är avgörande för växter. Turgidceller skjuter tätt samman och gör det möjligt för växten att förbli upprätt och hålla bladen mot ljuset.

När en växt växer eller blir slapp är det på grund av brist på vatten. Den kan inte längre absorbera tillräckliga vattenmolekyler genom osmos för att upprätthålla sin turgiditet, så bladen och eventuellt också stammen förlorar sitt huvudstöd.

Om detta tillstånd är akut och förlängd, kan vakuolen i växtcellens kärna, där vatten och näringsämnen lagras, torka ut, vilket får cytoplasma att krympa bort. En växt i det tillståndet är tydligt döende. Dess celler refereras till som plasmolyserade .

Sammanfattning

Här är en sammanfattning av punkter om vad vi har lärt oss på denna sida:

  • Ämnen rör sig in och ut från celler genom diffusion ned en koncentrationsgradient, genom ett delvis permeabelt membran.
  • Effektiviteten för förflyttning av ämnen in och ut från en cell bestäms av förhållandet mellan volym och yta.
  • Valda ämnen kan flytta upp en koncentrationsgradient med hjälp av specialiserade molekyler inbäddade i membranet. Detta kallas assistent diffusion eller aktiv transport.
  • Osmos är en typ av diffusion men avser endast rörelsen av vattenmolekyler.
  • Okontrollerad osmos i en djurcell kan orsaka cellens död.
  • Växter har styva cellväggar som hindrar dem att sprängas. De kan fylla med vatten och bli turgid, vilket hjälper till att stödja växten.

Nyckelord

  • Diffusion
  • Delvis permeabel
  • lösta
  • Aktiv transport
  • Svulstig
  • Vissna
  • Ytarea
  • Koncentrationsgrad
  • Osmos
  • Partikel
  • Slapp
  • Plasmolyzed

Frågetid. Omedelbara resultat!

visa frågesportstatistik

2015 Amanda Littlejohn