معلومة

3.1: لماذا يهم - الجزيئات البيولوجية المهمة - علم الأحياء

3.1: لماذا يهم - الجزيئات البيولوجية المهمة - 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.

لماذا تتعرف على الفئات الأربع الرئيسية للجزيئات البيولوجية الكبيرة المهمة؟

الحميات المبتذلة: لقد سمعنا جميعًا عنها وربما اتبعنا واحدًا أو اثنين في حياتنا. هذه الأنظمة الغذائية لها قواعد صارمة ، وغالبًا ما يكون لها قيود على تناول شيء معين مثل الدهون أو الكربوهيدرات (الكربوهيدرات).

هناك العديد من الأشياء التي يجب مراعاتها بشكل حاسم حول هذا النوع من النظام الغذائي. أولاً ، هل من الممكن حتى أن يبتعد الشخص عن جميع الكربوهيدرات في نظامه الغذائي؟ والأهم من ذلك ، هل من الصحي حقًا إزالة فئة كاملة من الجزيئات من النظام الغذائي؟ الدهون ليست مهمة حقًا ، أليس كذلك؟ من المؤكد أن الكوليسترول ضار ، أليس كذلك؟

قبل أن تقرر التخلص من الكربوهيدرات أو الدهون ، يجب أن تعلم أن هذه الأنواع من الأطعمة تمت تسميتها على اسم نوع الجزيئات التي تتكون منها. ثم يجب أن تتعلم ما يفعلونه بالفعل في الخلايا.

الجزيئات البيولوجية هي جزيئات كبيرة ، ضرورية للحياة ، مبنية من جزيئات عضوية أصغر. هناك أربع فئات رئيسية من الجزيئات البيولوجية الضخمة: الكربوهيدرات ، والدهون ، والبروتينات ، والأحماض النووية (الموجودة في DNA و RNA). يعد كل عنصر مكونًا مهمًا للخلية ويؤدي مجموعة واسعة من الوظائف. تشكل هذه الجزيئات مجتمعة غالبية كتلة الخلية. الجزيئات البيولوجية هي جزيئات عضوية ، أي أنها تحتوي على الكربون. بالإضافة إلى ذلك ، قد تحتوي على الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت وعناصر ثانوية إضافية. سنناقش كل فصل وكيف يقارنون مع بعضهم البعض.


أهمية الجزيئات الكبيرة في جسم الإنسان

الجزيئات الكبيرة مهمة للغاية لجسم الإنسان. تتكون من عدد كبير من الذرات. كل خلية في الجسم تتكون من جزيئات ماركو.

عندما نستهلك الطعام ، فإننا نتناول الجزيئات البيولوجية الكبيرة الموجودة في الطعام. يمكن تسمية هذه الجزيئات بالكربوهيدرات والبروتينات والدهون (الدهون) والأحماض النووية. فهي مطلوبة للطاقة ، والبنية ، والحمض النووي ، والإنزيمات ، إلخ.

الكربوهيدرات هي المصدر الأساسي للطاقة والنشا والجليكوجين والريبوز لجسمنا. وهي لا تعمل كجزيئات لتخزين الطاقة وعادة ما تستخدم بسرعة. يمكن وصف الكثير من السكريات المعقدة بأنها "كربوهيدرات" ولكن الجلوكوز ، الذي يحتوي على كمية كبيرة من الطاقة ، هو أبسطها.

البروتيناتتتكون من الأحماض الأمينية وتشكل عضيات الخلية والإنزيمات. بينما يمكن اعتبار البروتينات مصادر الطاقة ، يوصى بها أيضًا لنيتروجينها الضروري لبناء بروتينات جديدة وحمض نووي.

الحمض النووي ترميز علم الوراثة الخاص بك وهي البصمات الزرقاء من مكان إنتاج البروتينات. تؤدي البروتينات جميع الوظائف بما في ذلك تحريك الجزيئات واشتقاق شكلها ، وإرسال إشارات إلى الخلايا المجاورة وتكرار الحمض النووي.

الدهون ضرورية للحياة لأنها تؤدي وظائف حيوية مختلفة مثل العزل أو الحماية للأعضاء الداخلية. يحيط الدهون في الدماغ بالخلايا العصبية وتسهل التدفق السهل للإشارات الكهربائية. هذه جزيئات تخزين طاقة ممتازة ويمكن تخزينها لسنوات. لكن تجدر الإشارة إلى أن جميع الدهون ليست متشابهة ويمكن أن تكون ضارة بالجسم. قد تكون هذه الدهون المشبعة أو الدهون المتحولة.

الدهون تعتبر الفسفوليبيدات من أهم الأشياء في جسمك والتي تشكل طبقة ثنائية الفوسفوليبيد التي تحيط بالخلية. تعمل بعض الدهون كمكونات هيكلية رئيسية لأغشية الخلايا. بشكل عام ، يخدم كل جزيء كبير مجموعة متنوعة من الوظائف أو الأدوار التي تعتبر حاسمة للغاية من أجل الأداء السليم للجسم.


1. يشرح التغيرات في الجسم البشري

يُعرف البشر علميًا باسم المنزل العاقل. لديهم خصائص متشابهة مع القردة ولكنها أكثر تطورًا من حيث شكل الجسم والانتصاب والكلام والتفكير. وباعتباره أعلى شكل من أشكال الحيوانات ، فإن لدى البشر أجسادًا يصعب فهمها.

ولكن من خلال دراسة علم الأحياء ، سيعرف الجميع الأسباب الكامنة وراء التغييرات المفاجئة التي تحدث في أجسامهم. على سبيل المثال ، عندما يزداد طول الأطفال بشكل غير متوقع ويعانون من تغيرات في مظهرهم الجسدي وأنماط نومهم ، فإن هذا يعني أن أجسامهم بدأت في إفراز الهرمونات استعدادًا لمرحلة البلوغ.

يشرح علم الأحياء سبب حدوث مثل هذه الظروف وكيف تنتج الأجسام المواد الطبيعية ، مما يمنع أي شخص من التفكير في أن هناك شيئًا خاطئًا في أجسادهم.

كما أن أهمية علم الأحياء أنتجت الفرع العلمي المسمى علم الأمراضالذي يدرس أنواع الأمراض المختلفة وكيفية تأثيرها على أجسام كل من الإنسان والحيوان. يمكنه أيضًا تطوير أو اكتشاف أدوية جديدة من شأنها أن تخفف من بعض الحالات الصحية بدون أدوية حتى الآن.


ما هي دورة الكربون؟

الكربون هو رابع أكثر العناصر وفرة على وجه الأرض ، وهو مورد محدود لأنه يدور عبر الأرض بأشكال عديدة. بدون الكربون ، ستتوقف الحياة كما نعرفها عن الوجود لأنه العنصر الرئيسي في المركبات العضوية التي تتكون منها الكائنات الحية. يحدد وجود أو عدم وجود الكربون ما إذا كان الكائن الحي عضويًا أم غير عضوي.

دورة الكربون الجيولوجية

دورة الكربون الجيولوجي مدفوعة بحركات الصفائح التكتونية للأرض والعمليات الجيولوجية مثل التجوية الكيميائية. دورة الكربون الجيولوجي هي كيفية انتقال الكربون بين الصخور والمعادن ومياه البحر والغلاف الجوي. يحدث على مدى ملايين السنين.

دورة الكربون البيولوجية أو الفيزيائية

دورة الكربون البيولوجية أو الفيزيائية هي الطريقة التي يدور بها الكربون من خلال الغطاء النباتي ، والحيوانات العاشبة ، والحيوانات آكلة اللحوم ، والحيوانات آكلة اللحوم ، والتربة ، وفي حرق الوقود الأحفوري. إنه يحدث من أيام إلى آلاف السنين.


3.1: لماذا يهم - الجزيئات البيولوجية المهمة - علم الأحياء

1. تحدد بنية الخلية وظيفة الخلية.

· هياكل الخلية تكمن وراء وظائفها

7.1.2 ما الذي يحدد شكل الخلية وحجمها؟

7.1.3 ما الذي يمكّن حقيقيات النوى من أداء وظائف أكثر تخصصًا تقوم بها بدائيات النوى؟

7.2.1 ماذا يفعل الهيكل الخلوي؟

7.3.1 ما الذي يجعل الخلايا والكائنات مختلفة؟

7.3.2 كيف يتم تنظيم الخلايا في كائن حي متعدد الخلايا معقد؟

7.3.3 ما الذي يجعل الكائن الحي متعدد الخلايا حقًا؟

· تتحكم أغشية الخلايا في الامتصاص والانتشار

8.1.1 كيف يساعد غشاء الخلية الخلية في الحفاظ على التوازن؟

8.1.2 كيف يقيد غشاء الخلية تبادل المواد؟

8.1.3 ما هي بعض وظائف بروتينات الغشاء؟

8.2.1 ما الذي يحدد الاتجاه الذي يحدث فيه النقل السلبي؟

8.2.2 ما هي أهمية التناضح؟

8.2.3 كيف تتحرك المواد عكس تدرجات تركيزها؟

· يحتوي على عمليات خلوية أساسية مدى الحياة

7.2.2 كيف يوجه الحمض النووي نشاطه في السيتوبلازم؟

7.2.3 ما هي العضيات التي تدخل في إنتاج البروتين؟

7.2.4 ما هي الحويصلات والفجوات؟

7.2.5 كيف تحصل الخلية على الطاقة؟

2. الوظائف والتفاعلات الكيميائية

3.3.4 ما الذي يحدد وظيفة البروتينات؟

3.4.2 كيف تحدث التفاعلات الكيميائية؟

3.4.3 لماذا تعتبر الإنزيمات مهمة للكائنات الحية؟

3.3.1 ما هي المواد الكيميائية للحياة؟

3.3.2 ما هو دور الكربوهيدرات في الخلايا؟

3.4.1 من أين تحصل الكائنات الحية على الطاقة؟

9.1.1 ما هو نوع الطاقة المستخدمة في الخلايا ، وما هو المصدر النهائي لهذه الطاقة؟

9.1.2 كيف ترتبط عملية التمثيل الغذائي للكائن بدورة الكربون؟

9.1.3 كيف يتم إطلاق الطاقة في الخلية؟

9.3.1 كيف ينتج تحلل السكر ATP؟

9.3.2 كيف يتم إنتاج ATP في التنفس الهوائي؟

9.3.3 ما سبب أهمية التخمير؟

3. تنمو الخلايا وتنقسم

10.1.1 - لماذا تنقسم الخلايا؟

10.1.2 - كيف يتم تغليف الحمض النووي في النواة؟

10.1.3 - كيف تستعد الخلايا للانقسام؟

10.2.1 - ما هي مراحل دورة الخلية حقيقية النواة؟

10.2.2 - ما هي المراحل الأربع للانقسام؟

10.2.3 - كيف يحدث التحلل الخلوي؟

10.3.1 - ما هي بعض العوامل التي تتحكم في نمو الخلايا وانقسامها؟

10.3.2 - كيف تؤثر إشارات التغذية الراجعة على دورة الخلية؟

10.3.3 - كيف يرتبط السرطان بدورة الخلية؟

4.3.2 لماذا تعتبر النباتات والحيوانات مهمة بالنسبة للكربون والأكسجين في النظام البيئي؟

9.2.1 ما هو دور الصبغات في عملية التمثيل الضوئي؟

9.2.2 ما هي أدوار سلاسل نقل الإلكترون؟

9.2.3 كيف تصنع النباتات السكريات وتخزن الطاقة الزائدة غير المستخدمة؟

9.2.4 ما هي العوامل البيئية الثلاثة التي تؤثر على التمثيل الضوئي؟


3.2 الماء

هل تساءلت يومًا لماذا يقضي العلماء وقتًا في البحث عن الماء على الكواكب الأخرى؟ لأن الماء ضروري للحياة ، حتى الآثار الدقيقة له على كوكب آخر يمكن أن تشير إلى أن الحياة يمكن أن تكون موجودة أو موجودة بالفعل على هذا الكوكب. الماء هو أحد الجزيئات الأكثر وفرة في الخلايا الحية والأكثر أهمية للحياة كما نعرفها. يتكون ما يقرب من 60-70 في المائة من جسمك من الماء. بدونها ، ببساطة لم تكن الحياة موجودة.

3.2.1 الماء قطبي

تشكل ذرات الهيدروجين والأكسجين داخل جزيئات الماء روابط تساهمية قطبية. تقضي الإلكترونات المشتركة وقتًا مرتبطًا بذرة الأكسجين أكثر مما تقضيه مع ذرات الهيدروجين. لا توجد شحنة كلية لجزيء الماء ، ولكن توجد شحنة موجبة طفيفة على كل ذرة هيدروجين وشحنة سالبة طفيفة على ذرة الأكسجين. بسبب هذه الشحنات ، تتنافر ذرات الهيدروجين الموجبة قليلاً مع بعضها البعض وتشكل الشكل الفريد الموضح في الشكل 3.6. كل جزيء ماء يجذب جزيئات الماء الأخرى بسبب الشحنات الموجبة والسالبة في الأجزاء المختلفة للجزيء. يجذب الماء أيضًا الجزيئات القطبية الأخرى (مثل السكريات) ، مكونًا روابط هيدروجينية. عندما تشكل مادة ما بسهولة روابط هيدروجينية مع الماء ، يمكن أن تذوب في الماء ويشار إليها باسم محبة للماء ("محبة للماء"). لا تتشكل الروابط الهيدروجينية بسهولة مع مواد غير قطبية مثل الزيوت والدهون (الشكل 3.7). هذه المركبات غير القطبية نافرة من الماء ("يخشى الماء") ولن يذوب في الماء.

3.2.2 الماء يثبّت درجة الحرارة

تسمح روابط الهيدروجين الموجودة في الماء له بامتصاص الطاقة الحرارية وإطلاقها بشكل أبطأ من العديد من المواد الأخرى. درجة الحرارة هي مقياس لحركة (الطاقة الحركية) للجزيئات. مع زيادة الحركة ، تكون الطاقة أعلى وبالتالي تكون درجة الحرارة أعلى. يمتص الماء قدرًا كبيرًا من الطاقة قبل أن ترتفع درجة حرارته. تؤدي زيادة الطاقة إلى تعطيل الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء. نظرًا لأنه يمكن إنشاء هذه الروابط وتعطيلها بسرعة ، فإن الماء يمتص زيادة في الطاقة وتتغير درجة الحرارة بشكل ضئيل فقط. هذا يعني أن الماء يعدل التغيرات في درجات الحرارة داخل الكائنات الحية وفي بيئاتها. مع استمرار مدخلات الطاقة ، يتأرجح التوازن بين تكوين الرابطة الهيدروجينية والتدمير نحو جانب التدمير. يتم كسر المزيد من الروابط أكثر مما يتم تكوينه. ينتج عن هذه العملية إطلاق جزيئات الماء الفردية على سطح السائل (مثل جسم مائي أو أوراق نبات أو جلد كائن حي) في عملية تسمى التبخر. يسمح تبخر العرق ، الذي يتكون من 90 بالمائة من الماء ، بتبريد الكائن الحي ، لأن كسر الروابط الهيدروجينية يتطلب مدخلاً من الطاقة ويأخذ الحرارة بعيدًا عن الجسم.

على العكس من ذلك ، مع انخفاض الحركة الجزيئية وانخفاض درجات الحرارة ، توجد طاقة أقل لكسر الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء. تظل هذه الروابط سليمة وتبدأ في تكوين بنية صلبة تشبه الشبكة (مثل الجليد) (الشكل 3.8 أ). عند التجميد ، يكون الجليد أقل كثافة من الماء السائل (الجزيئات متباعدة). هذا يعني أن الجليد يطفو على سطح جسم مائي (الشكل 3.8 ب). في البحيرات والبرك والمحيطات ، سيتشكل الجليد على سطح الماء ، مما يخلق حاجزًا عازلًا لحماية الحيوانات والنباتات الموجودة تحتها من التجمد في الماء. إذا لم يحدث هذا ، فإن النباتات والحيوانات التي تعيش في الماء ستتجمد في كتلة من الجليد ولن تستطيع التحرك بحرية ، مما يجعل الحياة في درجات الحرارة الباردة صعبة أو مستحيلة.

المفاهيم في العمل

انقر هنا لمشاهدة رسم متحرك ثلاثي الأبعاد لهيكل شبكة جليدية.

3.2.3 الماء مذيب ممتاز

لأن الماء قطبي ، مع شحنات موجبة وسالبة طفيفة ، يمكن للمركبات الأيونية والجزيئات القطبية أن تذوب فيه بسهولة. لذلك ، فإن الماء هو ما يشار إليه بالمذيب - مادة قادرة على إذابة مادة أخرى. ستشكل الجسيمات المشحونة روابط هيدروجينية مع طبقة محيطة من جزيئات الماء. يشار إلى هذا باسم مجال الترطيب ويعمل على إبقاء الجزيئات منفصلة أو مشتتة في الماء. في حالة ملح الطعام (كلوريد الصوديوم) الممزوج بالماء (الشكل 3.9) ، تنفصل أيونات الصوديوم والكلوريد ، أو تنفصل ، في الماء ، وتتشكل كرات الماء حول الأيونات. أيون الصوديوم موجب الشحنة محاط بالشحنات السالبة جزئيًا لذرات الأكسجين في جزيئات الماء. أيون كلوريد سالب الشحنة محاط بشحنات موجبة جزئيًا لذرات الهيدروجين في جزيئات الماء. يشار إلى مجالات الترطيب هذه أيضًا باسم قشور الماء. إن قطبية جزيء الماء تجعله مذيبًا فعالًا ومهمًا في أدواره العديدة في الأنظمة الحية.

3.2.4 الماء متماسك

هل سبق لك أن ملأت كوبًا من الماء إلى الأعلى ثم أضفت بضع قطرات أخرى ببطء؟ قبل أن يفيض ، يشكل الماء في الواقع شكلًا يشبه القبة فوق حافة الزجاج. يمكن أن يبقى هذا الماء فوق الزجاج بسبب خاصية التماسك. في حالة التماسك ، تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض (بسبب الرابطة الهيدروجينية) ، مما يحافظ على الجزيئات معًا عند واجهة الهواء السائل (الغاز) ، على الرغم من عدم وجود مساحة إضافية في الزجاج. يؤدي التماسك إلى حدوث توتر سطحي ، أي قدرة المادة على تحمل التمزق عند وضعها تحت ضغط أو توتر. عندما تسقط قصاصة صغيرة من الورق على قطرة ماء ، تطفو الورقة فوق قطرة الماء ، على الرغم من أن الجسم أكثر كثافة (أثقل) من الماء. يحدث هذا بسبب التوتر السطحي الناتج عن جزيئات الماء. يحافظ التماسك والتوتر السطحي على سلامة جزيئات الماء والعنصر الطافي في الأعلى. حتى أنه من الممكن "تعويم" إبرة فولاذية فوق كوب من الماء إذا وضعتها برفق ، دون كسر التوتر السطحي (الشكل 3.10).

ترتبط قوى التماسك هذه أيضًا بخاصية التصاق الماء ، أو التجاذب بين جزيئات الماء والجزيئات الأخرى. يتم ملاحظة ذلك عندما "يتسلق" الماء فوق قش يوضع في كوب من الماء. ستلاحظ أن الماء يبدو أعلى على جوانب المصاصة منه في المنتصف. وذلك لأن جزيئات الماء تنجذب إلى القش وبالتالي تلتصق بها.

تعتبر قوى التماسك والالتصاق مهمة لاستدامة الحياة. على سبيل المثال ، بسبب هذه القوى ، يمكن أن يتدفق الماء من الجذور إلى قمم النباتات لتغذية النبات.

المفاهيم في العمل

لمعرفة المزيد عن المياه ، قم بزيارة المسح الجيولوجي الأمريكي لعلوم المياه للمدارس: كل شيء عن الماء! موقع الكتروني.

3.2.5 المخازن المؤقتة ، ودرجة الحموضة ، والأحماض ، والقواعد

الرقم الهيدروجيني للمحلول هو مقياس حموضته أو قاعدته. ربما تكون قد استخدمت ورق عباد الشمس ، وهو ورق تمت معالجته بصبغة طبيعية قابلة للذوبان في الماء بحيث يمكن استخدامه كمؤشر للأس الهيدروجيني ، لاختبار مقدار الحمض أو القاعدة (القاعدية) الموجودة في المحلول. ربما تكون قد استخدمت بعضها للتأكد من معالجة المياه في حمام السباحة الخارجي بشكل صحيح. في كلتا الحالتين ، هذا الرقم الهيدروجيني يقيس الاختبار كمية أيونات الهيدروجين الموجودة في محلول معين. ينتج عن التركيزات العالية من أيونات الهيدروجين درجة حموضة منخفضة ، بينما تؤدي المستويات المنخفضة من أيونات الهيدروجين إلى ارتفاع درجة الحموضة. يرتبط التركيز الكلي لأيونات الهيدروجين عكسياً مع الرقم الهيدروجيني ويمكن قياسه على مقياس الأس الهيدروجيني (الشكل 3.11). لذلك ، كلما زاد عدد أيونات الهيدروجين ، كلما انخفض الرقم الهيدروجيني بالعكس ، كلما قل عدد أيونات الهيدروجين ، زاد الرقم الهيدروجيني.

يتراوح مقياس الأس الهيدروجيني من 0 إلى 14. يمثل تغيير وحدة واحدة على مقياس الأس الهيدروجيني تغيرًا في تركيز أيونات الهيدروجين بمعامل 10 ، ويمثل التغيير في وحدتين تغييرًا في تركيز أيونات الهيدروجين بعامل. من 100. وهكذا ، فإن التغييرات الصغيرة في الرقم الهيدروجيني تمثل تغيرات كبيرة في تركيزات أيونات الهيدروجين. الماء النقي محايد. إنه ليس حمضيًا ولا قاعديًا ، وله درجة حموضة 7.0. أي شيء أقل من 7.0 (يتراوح من 0.0 إلى 6.9) يكون حمضيًا ، وأي شيء أعلى من 7.0 (من 7.1 إلى 14.0) يكون قلويًا. الدم في عروقك قلوي قليلاً (الرقم الهيدروجيني = 7.4). البيئة في معدتك شديدة الحموضة (الرقم الهيدروجيني = 1 إلى 2). عصير البرتقال حمضي قليلًا (الرقم الهيدروجيني = 3.5 تقريبًا) ، في حين أن صودا الخبز قاعدية (الرقم الهيدروجيني = 9.0).

الأحماض هي مواد توفر أيونات الهيدروجين (H +) ودرجة حموضة أقل ، بينما توفر القواعد أيونات الهيدروكسيد (OH -) وترفع درجة الحموضة. كلما كان الحمض أقوى ، كان يتبرع بـ H + بسهولة. على سبيل المثال ، حمض الهيدروكلوريك وعصير الليمون حمضي للغاية ويتخلى عن H + بسهولة عند إضافتهما إلى الماء. بالمقابل القواعد هي تلك المواد التي تتبرع بسهولة بـ OH -. تتحد أيونات OH مع H + لإنتاج الماء ، مما يرفع درجة حموضة المادة. هيدروكسيد الصوديوم والعديد من المنظفات المنزلية شديدة القلوية وتتخلص من الهيدروكسيد - بسرعة عند وضعها في الماء ، وبالتالي ترفع درجة الحموضة.

تعمل معظم الخلايا في أجسامنا ضمن نافذة ضيقة جدًا من مقياس الأس الهيدروجيني ، وعادة ما يتراوح فقط من 7.2 إلى 7.6. إذا كان الرقم الهيدروجيني للجسم خارج هذا النطاق ، فسيحدث خلل في الجهاز التنفسي ، كما يحدث مع الأجهزة الأخرى في الجسم. لم تعد الخلايا تعمل بشكل صحيح ، وسوف تتفكك البروتينات. يمكن أن يؤدي الانحراف خارج نطاق الأس الهيدروجيني إلى غيبوبة أو حتى يتسبب في الوفاة.

إذن كيف يمكننا أن نبتلع أو نستنشق المواد الحمضية أو الأساسية ولا نموت؟ المخازن المؤقتة هي المفتاح. مخازن يمتص بسهولة فائض H + أو OH - ، مع الحفاظ على الرقم الهيدروجيني للجسم بعناية في النطاق الضيق المذكور أعلاه. ثاني أكسيد الكربون هو جزء من نظام عازل بارز في جسم الإنسان يحافظ على درجة الحموضة ضمن النطاق المناسب. يشتمل نظام العازلة هذا على حمض الكربونيك (H2كو3) وبيكربونات (HCO3 -) أنيون. إذا دخل الكثير من H + الجسم ، فسوف تتحد البيكربونات مع H + لتكوين حمض الكربونيك والحد من انخفاض الرقم الهيدروجيني. وبالمثل ، إذا تم إدخال الكثير من OH في النظام ، فسوف يتفكك حمض الكربونيك بسرعة إلى بيكربونات وأيونات H +. يمكن أن تتحد أيونات H + مع أيونات OH ، مما يحد من الزيادة في الرقم الهيدروجيني. في حين أن حمض الكربونيك هو منتج مهم في هذا التفاعل ، فإن وجوده سريع الزوال لأن حمض الكربونيك ينطلق من الجسم كغاز ثاني أكسيد الكربون في كل مرة نتنفس فيها. بدون هذا النظام العازل ، سيتذبذب الأس الهيدروجيني في أجسامنا كثيرًا وسنفشل في البقاء على قيد الحياة.


السكريات

عديد السكاريد هو ثلاثة أو أكثر من السكريات الأحادية مرتبطة ببعضها البعض. بالطريقة نفسها التي يتشكل بها السكاريد ، تتشكل السكريات من خلال تفاعلات الجفاف المتعددة بين الكربوهيدرات.

يشار إلى أحادي السكاريد في عديد السكاريد على أنه مونومر. يمكن تسمية عديد السكاريد ، المصنوع من العديد من المونومرات ، بالبوليمر. يبلغ طول بعض البوليمرات أكثر من 1000 مونومر (أو السكريات الأحادية).

مونومر = بوليمر أحادي السكاريد = عديد السكاريد

مونومر + مونومر + مونومر = بوليمر

السكريات لديها مجموعة من الوظائف البيولوجية. الوظيفة الرئيسية التي يقومون بها هي التخزين المؤقت للطاقة. تخزن النباتات الطاقة على شكل عديد السكاريد المعروف باسم "النشا". العديد من المحاصيل ، مثل الذرة والأرز والبطاطس ، مهمة بسبب محتواها العالي من النشا. يخزن البشر والحيوانات الأخرى الطاقة في عضلاتنا وكبدنا باستخدام عديد السكاريد المعروف باسم "الجليكوجين".

الدور الثاني المهم للسكريات هو توفير الدعم الهيكلي. تحتوي النباتات على نوعين من السكريات الهيكلية المهمة جدًا: السليلوز واللجنين.

السليلوز هو المركب الرئيسي الذي يتكون من جدران الخلايا للخلايا النباتية. جدران الخلايا مسؤولة عن حماية شكل الخلايا النباتية والحفاظ عليه. اللجنين هو المركب الهيكلي الذي يصنع الخشب ومكّن النباتات من التطور إلى أشجار عملاقة.

تستخدم الحيوانات والفطريات أيضًا السكريات كمواد هيكلية. الكيتين هو عديد السكاريد الموجود في الهياكل الخارجية للحشرات والعناكب والقشريات وكذلك في جدران خلايا الفطريات.

ملخص

  • الكربوهيدرات هي أحد الجزيئات الأربعة الرئيسية للحياة
  • الكربوهيدرات عبارة عن جزيء مصنوع من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين ويتضمن مجموعة الكربونيل (C = O) ومجموعة الهيدروكسيل (-OH)
  • تعتبر الكربوهيدرات مصدرًا رئيسيًا للطاقة لمعظم الكائنات الحية وهي مهمة أيضًا كمركبات هيكلية والتعرف على الخلايا الخلوية
  • الأنواع الثلاثة من الكربوهيدرات هي السكريات الأحادية والسكريات والسكريات
  • السكريات الأحادية هي سكريات بسيطة مثل: الجلوكوز والفركتوز
  • تتشكل السكريات الثنائية عن طريق ربط اثنين من السكريات الأحادية معًا
  • تحتوي السكريات المتعددة على ثلاثة أو أكثر من السكريات الأحادية وتُعرف أيضًا بالبوليمرات
  • السكريات مهمة لتخزين الطاقة ولتوفير الدعم والحماية للخلايا والكائنات الحية بأكملها

تاريخ آخر تعديل: 23 أبريل 2016

دورة مجانية لمدة 6 أسابيع

أدخل التفاصيل الخاصة بك للوصول إلى مقدمة مجانية مدتها 6 أسابيع لدورة البريد الإلكتروني في علم الأحياء.

تعرف على الحيوانات والنباتات والتطور وشجرة الحياة والبيئة والخلايا وعلم الوراثة ومجالات علم الأحياء والمزيد.

النجاح! تم إرسال بريد إلكتروني للتأكيد إلى عنوان البريد الإلكتروني الذي قدمته للتو. تحقق من رسائل البريد الإلكتروني الخاصة بك وتأكد من النقر فوق الرابط لبدء الدورة التدريبية التي تستغرق 6 أسابيع.

علم الأحياء الأساسي: مقدمة

متاح أيضًا من Amazon و Book Depository وجميع المكتبات الجيدة الأخرى.


1.2 أين التنوع البيولوجي؟

ينص المستند المصدر لهذا الملخص على ما يلي:

التنوع البيولوجي موجود بشكل أساسي في كل مكان ، في كل مكان على سطح الأرض وفي كل قطرة من المسطحات المائية. نادرًا ما يتم تقدير الوجود الافتراضي للحياة على الأرض لأن معظم الكائنات الحية صغيرة (& lt5 سنتيمترات) وجودها متناثر أو سريع الزوال أو غامض ، أو في حالة الميكروبات ، فهي غير مرئية للعين البشرية المجردة (CF2).

يعد توثيق الأنماط المكانية في التنوع البيولوجي أمرًا صعبًا لأن الأبعاد التصنيفية والوظيفية والتغذوية والجينية والأبعاد الأخرى للتنوع البيولوجي كانت ضعيفة نسبيًا. حتى معرفة التنوع التصنيفي ، وهو البعد الأكثر شهرة للتنوع البيولوجي ، غير مكتمل ومتحيز بشدة نحو مستوى الأنواع ، والحيوانات الضخمة ، والأنظمة المعتدلة ، والمكونات التي يستخدمها الناس. (انظر الشكل 1.1) ينتج عن هذا فجوات كبيرة في المعرفة ، لا سيما فيما يتعلق بحالة النظم الاستوائية ، والكائنات الحية البحرية والمياه العذبة ، والنباتات ، واللافقاريات ، والكائنات الحية الدقيقة ، والحيوانات الجوفية. لهذه الأسباب ، تتراوح تقديرات العدد الإجمالي للأنواع على الأرض من 5 ملايين إلى 30 مليونًا. بغض النظر عن الثراء العالمي الفعلي للأنواع ، من الواضح أن 1.7-2 مليون نوع التي تم تحديدها رسميًا لا تمثل سوى جزء صغير من إجمالي ثراء الأنواع. هناك حاجة ماسة إلى قوائم جرد حيوية أكثر اكتمالاً لتصحيح هذا النقص (C4).

1.2.1 الأنماط المكانية للتنوع البيولوجي

ينص المستند المصدر لهذا الملخص على ما يلي:

الأنماط المكانية للتنوع البيولوجي: النقاط الساخنة ، المناطق الحيوية ، 1 العوالم الجغرافية الحيوية ، النظم البيئية ، والمناطق البيئية

في حين أن البيانات التي يتم تسليمها غالبًا ما تكون غير كافية لتوفير صور دقيقة لمدى وتوزيع جميع مكونات التنوع البيولوجي ، إلا أن هناك العديد من الأنماط والأدوات التي يمكن لصانعي القرار استخدامها لاستخلاص تقديرات تقريبية مفيدة لكل من النظم الإيكولوجية البرية والبحرية. غالبًا ما تحتوي المناطق الشمالية المعتدلة على بيانات قابلة للاستخدام حول التوزيعات المكانية للعديد من الأصناف ، وبعض المجموعات (مثل الطيور والثدييات والزواحف والنباتات والفراشات واليعسوب) موثقة جيدًا على مستوى العالم. يمكن لمبادئ الجغرافيا الحيوية (مثل التدرجات في ثراء الأنواع المرتبطة بخط العرض ودرجة الحرارة والملوحة وعمق المياه) أو استخدام المؤشرات أن تكمل قوائم الجرد الحيوية المتاحة. توفر الخرائط العالمية وشبه العالمية لثراء الأنواع ، والتي تم توفير العديد منها في تقارير تقييم الألفية للحالة الراهنة والاتجاهات والسيناريوهات ، صورًا قيّمة لتوزيع التنوع البيولوجي (C4، S10).

تحتوي معظم الكائنات الحية الدقيقة على نطاقات جغرافية صغيرة ، وغالبًا ما تكون متجمعة ، مما يؤدي إلى مراكز ذات تنوع عالٍ واستيطان ، وغالبًا ما تتركز في مناطق معزولة أو متغيرة طبوغرافيًا (الجزر والجبال وشبه الجزيرة). تتركز نسبة كبيرة من التنوع البيولوجي الأرضي في العالم على مستوى الأنواع في جزء صغير من العالم ، معظمها في المناطق الاستوائية. حتى بين الأنواع الأكبر والأكثر حركة ، مثل الفقاريات الأرضية ، فإن أكثر من ثلث جميع الأنواع لها نطاقات تقل عن 1000 كيلومتر مربع. في المقابل ، يميل التنوع المحلي والإقليمي للكائنات الدقيقة إلى أن يكون أكثر تشابهًا مع التنوع واسع النطاق والعالمي نظرًا لحجمها الكبير ، وتشتت أكبر ، وحجم نطاق أكبر ، ومستويات أقل من مجموعات الأنواع الإقليمية (جيم 4.2.3).

توفر المناطق الحيوية والعوالم الجغرافية الحيوية صورًا واسعة لتوزيع التنوع الوظيفي. يُظهر التنوع الوظيفي (تنوع الوظائف البيئية المختلفة في مجتمع مستقل عن تنوعه التصنيفي) أنماطًا من الارتباطات (الكائنات الحية النموذجية للأراضي الرطبة والغابات والأراضي العشبية ومصبات الأنهار وما إلى ذلك) مع الجغرافيا والمناخ المعروفين باسم المناطق الأحيائية (انظر الشكل 1.2) ، مع كون النظم الإيكولوجية والمناطق البيئية أقسامًا أصغر داخل المناطق الأحيائية (انظر الشكل 1.3). يمكن استخدام هذه لتقديم تقديرات تقريبية من الدرجة الأولى لكل من التنوع الوظيفي المتوقع بالإضافة إلى التغييرات المحتملة في توزيع هذه الارتباطات في حالة تغير الظروف البيئية.

1.2.2 الأنماط الزمنية للتنوع البيولوجي

ينص المستند المصدر لهذا الملخص على ما يلي:

الأنماط الزمنية للتنوع البيولوجي: معلومات أساسية عن معدلات الانقراض وفقدان التنوع البيولوجي

تسمح معرفة أنماط التنوع البيولوجي بمرور الوقت فقط بتقديرات تقريبية للغاية لمعدلات الانقراض الخلفية أو مدى سرعة انقراض الأنواع عبر الزمن الجيولوجي. باستثناء السنوات الألف الماضية ، كان التنوع البيولوجي العالمي ثابتًا نسبيًا على مدار معظم تاريخ البشرية ، ولكن تاريخ الحياة يتميز بتغيير كبير. يقدر الحجم المقدر لمعدلات الانقراض في الخلفية بحوالي 0.1-1.0 حالة انقراض لكل مليون نوع سنويًا. جاءت معظم قياسات هذا المعدل من تقييم طول عمر الأنواع من خلال سجل الحفريات: هذه تتراوح بين 0.5-13 مليون سنة ، وربما 0.2-16 مليون سنة. من المحتمل أن تقلل هذه البيانات من معدلات الانقراض في الخلفية لأنها مشتقة إلى حد كبير من الأصناف الوفيرة والمنتشرة في السجل الأحفوري (C4.4.2). تتم مناقشة معدلات الانقراض الحالية في السؤال الرئيسي 3.

يوجد عدم توافق بين ديناميكيات التغيرات في النظم الطبيعية والاستجابات البشرية لتلك التغييرات. ينشأ عدم التطابق هذا من التأخر في الاستجابات البيئية ، وردود الفعل المعقدة بين النظم الاجتماعية والاقتصادية والبيئية ، وصعوبة التنبؤ بالعتبات. يمكن أن تسبب التأثيرات المتعددة (خاصة إضافة تغير المناخ إلى مزيج وظائف التأثير) عتبات أو تغييرات سريعة ودراماتيكية في وظيفة النظام البيئي على الرغم من أن الزيادة في الإجهاد البيئي كانت صغيرة وثابتة بمرور الوقت. يتطلب فهم هذه العتبات وجود سجلات طويلة الأجل ، ولكن عادة ما تكون هذه السجلات مفقودة أو كانت المراقبة نادرة للغاية ، أو دورية خاطئة ، أو محلية للغاية لتوفير البيانات اللازمة لتحليل سلوك العتبة والتنبؤ به (C28 ، S3.3.1).

قد تؤدي التحولات إلى أنظمة مختلفة إلى تغييرات كبيرة وسريعة في التنوع البيولوجي وخدمات النظام الإيكولوجي ورفاهية الإنسان. تم توثيق تحولات النظام بشكل شائع في أنظمة السطح بسبب العتبات المتعلقة بنظم درجة الحرارة والاستغلال المفرط (C19.2.1 ، C18). بعض التحولات في النظام لا رجعة فيها بشكل أساسي ، مثل النظم البيئية للشعاب المرجانية التي تخضع لتحولات مفاجئة من الشعاب المرجانية إلى الشعاب التي تهيمن عليها الطحالب (C19.5). عادةً ما يشتمل الدافع لمثل هذه التحولات الطورية على زيادة مدخلات المغذيات التي تؤدي إلى ظروف التخثث وإزالة الأسماك العاشبة التي تحافظ على التوازن بين الشعاب المرجانية والطحالب. بمجرد تجاوز العتبات (كلا العتبة العلوية والسفلية) للعمليتين الإيكولوجيتين لتحميل المغذيات والحيوانات العاشبة ، يحدث تحول الطور بسرعة (في غضون أشهر) ، ويكون النظام البيئي الناتج - على الرغم من استقراره - أقل إنتاجية وأقل تنوعًا. وبالتالي ، فإن رفاهية الإنسان لا تتأثر فقط بانخفاض الإمدادات الغذائية وانخفاض الدخل من الصناعات المرتبطة بالشعاب المرجانية (الغوص والغطس ، وجمع أسماك الزينة ، وما إلى ذلك) ، ولكن أيضًا من خلال زيادة التكاليف بسبب تقلص قدرة الشعاب المرجانية على الحماية. الشواطئ. (الشعاب الطحلبية أكثر عرضة للتفتت في أحداث العواصف ، مما يؤدي إلى تآكل السواحل وخروقات مياه البحر للأرض) (C19.3). تم توثيق تحولات الطور هذه في جامايكا ، وفي أماكن أخرى من منطقة البحر الكاريبي ، وفي الشعاب المرجانية في المحيطين الهندي والهادئ (C19 ، S3.3.1).

يمكن أن تعمل الأنواع الغازية المدخلة كمحفز للتغييرات الدراماتيكية في بنية النظام الإيكولوجي ووظيفته وتقديم الخدمات. على سبيل المثال ، تسبب إدخال آكلة اللحوم Ctenophore Mnemiopsis leidyi (حيوان يشبه قنديل البحر) في البحر الأسود في خسارة 26 نوعًا من مصايد الأسماك الرئيسية ، وقد تورط (إلى جانب عوامل أخرى) في النمو اللاحق للحرمان من الأكسجين " ميت "(C19.2.1).


تقاطعات ضيقة

وظيفة السياج

خيوط TJ هي بوليمرات غير متجانسة لبروتينات غشاء متكامل وكلودينات تطوق باستمرار الجزء العلوي من الخلايا الظهارية / البطانية الفردية لترسيم الحدود بين نطاقات الغشاء القمي والقاعدية. لذلك ، يُعتقد أن خيوط TJ تعمل كسياج ، مما يحد من الانتشار الجانبي للدهون والبروتينات. في الواقع ، تبقى الدهون المسمى الفلوريسنت التي يتم إدخالها في النشرة الخارجية للغشاء القمي للخلايا الظهارية المستزرعة هناك. في المقابل ، لا تزال أهمية TJs في التوزيع غير المتماثل لبروتينات الغشاء المتكامل مثيرة للجدل. في هذا الصدد ، اقترحت دراسات الخلايا التي تعاني من نقص ZO-1 / -2 أنه حتى عندما تختفي TJs ، يتم الحفاظ على وظيفة السياج لبعض البروتينات. وبالتالي ، فإن وظيفة السياج لـ TJ قيد التساؤل ويتم تحديث أن TJs تعمل على وجه التحديد كحاجز مجاور للخلايا.


3.1 غشاء الخلية

على الرغم من الاختلافات في التركيب والوظيفة ، فإن جميع الخلايا الحية في الكائنات متعددة الخلايا لها غشاء خلوي محيط. مثلما تفصل الطبقة الخارجية من بشرتك جسمك عن بيئته ، يفصل غشاء الخلية (المعروف أيضًا باسم غشاء البلازما) المحتويات الداخلية للخلية عن بيئتها الخارجية. يوفر غشاء الخلية هذا حاجزًا وقائيًا حول الخلية وينظم المواد التي يمكن أن تمر إلى الداخل أو الخارج.

هيكل وتكوين غشاء الخلية

ال غشاء الخلية هي بنية مرنة للغاية تتكون أساسًا من طبقتين من الدهون الفوسفورية ("طبقة ثنائية"). يتم أيضًا تضمين الكوليسترول والبروتينات المختلفة داخل الغشاء مما يمنح الغشاء مجموعة متنوعة من الوظائف الموضحة أدناه.

يحتوي جزيء الفسفوليبيد المفرد على مجموعة فوسفات في أحد طرفيه ، تسمى "الرأس" ، وسلاسل من الأحماض الدهنية المتجاورة التي تشكل "ذيول" الدهون (الشكل 3.1.1). تواجه ذيول الدهون في إحدى الطبقات ذيول الدهون للطبقة الأخرى ، وتلتقي عند واجهة الطبقتين. The phospholipid heads face outward, one layer exposed to the interior of the cell and one layer exposed to the exterior (Figure 3.1.1).

Figure 3.1.1 – Phospholipid Structure and Bilayer: A phospholipid molecule consists of a polar phosphate “head,” which is hydrophilic and a non-polar lipid “tail,” which is hydrophobic. Unsaturated fatty acids result in kinks in the hydrophobic tails. The phospholipid bilayer consists of two adjacent sheets of phospholipids, arranged tail to tail. The hydrophobic tails associate with one another, forming the interior of the membrane. The polar heads contact the fluid inside and outside of the cell.

The phosphate group is negatively charged, making the head polar and hydrophilic—or “water loving.” أ hydrophilic molecule (or region of a molecule) is one that is attracted to water. The phosphate heads are thus attracted to the water molecules of both the extracellular and intracellular environments. The lipid tails, on the other hand, are uncharged, or nonpolar, and are hydrophobic—or “water fearing.” أ نافرة من الماء molecule (or region of a molecule) repels and is repelled by water. Phospholipids are thus amphipathic molecules. ان amphipathic molecule is one that contains both a hydrophilic and a hydrophobic region. In fact, soap works to remove oil and grease stains because it has amphipathic properties. The hydrophilic portion can dissolve in the wash water while the hydrophobic portion can trap grease in stains that then can be washed away. A similar process occurs in your digestive system when bile salts (made from cholesterol, phospholipids and salt) help to break up ingested lipids.

Since the phosphate groups are polar and hydrophilic, they are attracted to water in the intracellular fluid. Intracellular fluid (ICF) is the fluid interior of the cell. The phosphate groups are also attracted to the extracellular fluid. Extracellular fluid (ECF) is the fluid environment outside the enclosure of the cell membrane (see above Figure). Since the lipid tails are hydrophobic, they meet in the inner region of the membrane, excluding watery intracellular and extracellular fluid from this space. In addition to phospholipids and cholesterol, the cell membrane has many proteins detailed in the next section.

Membrane Proteins

The lipid bilayer forms the basis of the cell membrane, but it is peppered throughout with various proteins. Two different types of proteins that are commonly associated with the cell membrane are the integral protein and peripheral protein (Figure 3.1.2). As its name suggests, an integral protein is a protein that is embedded in the membrane. Many different types of integral proteins exist, each with different functions. For example, an integral protein that extends an opening through the membrane for ions to enter or exit the cell is known as a channel protein. Peripheral proteins are typically found on the inner or outer surface of the lipid bilayer but can also be attached to the internal or external surface of an integral protein.

Figure 3.1.2- Cell Membrane: The cell membrane of the cell is a phospholipid bilayer containing many different molecular components, including proteins and cholesterol, some with carbohydrate groups attached.

Some integral proteins serve as cell recognition or surface identity proteins, which mark a cell’s identity so that it can be recognized by other cells. Some integral proteins act as enzymes, or in cell adhesion, between neighboring cells. أ مستقبل is a type of recognition protein that can selectively bind a specific molecule outside the cell, and this binding induces a chemical reaction within the cell. Some integral proteins serve dual roles as both a receptor and an ion channel. One example of a receptor-channel interaction is the receptors on nerve cells that bind neurotransmitters, such as dopamine. When a dopamine molecule binds to a dopamine receptor protein, a channel within the transmembrane protein opens to allow certain ions to flow into the cell. Peripheral proteins are often associated with integral proteins along the inner cell membrane where they play a role in cell signaling or anchoring to internal cellular components (ie: cytoskeleton discussed later).

Some integral membrane proteins are glycoproteins. أ glycoprotein is a protein that has carbohydrate molecules attached, which extend into the extracellular environment. The attached carbohydrate tags on glycoproteins aid in cell recognition. The carbohydrates that extend from membrane proteins and even from some membrane lipids collectively form the glycocalyx. ال glycocalyx is a fuzzy-appearing coating around the cell formed from glycoproteins and other carbohydrates attached to the cell membrane. The glycocalyx can have various roles. For example, it may have molecules that allow the cell to bind to another cell, it may contain receptors for hormones, or it might have enzymes to break down nutrients. The glycocalyces found in a person’s body are products of that person’s genetic makeup. They give each of the individual’s trillions of cells the “identity” of belonging in the person’s body. This identity is the primary way that a person’s immune defense cells “know” not to attack the person’s own body cells, but it also is the reason organs donated by another person might be rejected.

Transport Across the Cell Membrane

One of the great wonders of the cell membrane is its ability to regulate the concentration of substances inside the cell. These substances include ions such as Ca ++ , Na + , K + , and Cl – , nutrients including sugars, fatty acids, and amino acids, and waste products, particularly carbon dioxide (CO2), which must leave the cell.

The membrane’s lipid bilayer structure provides the first level of control. The phospholipids are tightly packed together, and the membrane has a hydrophobic interior. This structure causes the membrane to be selectively permeable. A membrane that has selective permeability allows only substances meeting certain criteria to pass through it unaided. In the case of the cell membrane, only relatively small, nonpolar materials can move through the lipid bilayer (remember, the lipid tails of the membrane are nonpolar). Some examples of these are other lipids, oxygen and carbon dioxide gases, and alcohol. However, water-soluble materials—like glucose, amino acids, and electrolytes—need some assistance to cross the membrane because they are repelled by the hydrophobic tails of the phospholipid bilayer. All substances that move through the membrane do so by one of two general methods, which are categorized based on whether or not energy is required. Passive transport is the movement of substances across the membrane without the expenditure of cellular energy. In contrast, active transport is the movement of substances across the membrane using energy from adenosine triphosphate (ATP).

النقل السلبي

In order to understand كيف substances move passively across a cell membrane, it is necessary to understand concentration gradients and diffusion. أ concentration gradient is the difference in concentration of a substance across a space. Molecules (or ions) will spread/diffuse from where they are more concentrated to where they are less concentrated until they are equally distributed in that space. (When molecules move in this way, they are said to move تحت their concentration gradient, from high concentration to low concentration.) Diffusion is the movement of particles from an area of higher concentration to an area of lower concentration. A couple of common examples will help to illustrate this concept. Imagine being inside a closed room. If a bottle of perfume were sprayed, the scent molecules would naturally diffuse from the spot where they left the bottle to all corners of the room, and this diffusion would go on until the molecules were equally distributed in the room. Another example is a spoonful of sugar placed in a cup of tea. Eventually the sugar will diffuse throughout the tea until no concentration gradient remains. In both cases, if the room is warmer or the tea hotter, diffusion occurs even faster as the molecules are bumping into each other and spreading out faster than at cooler temperatures.

External Website

Visit this link to see diffusion and how it is propelled by the kinetic energy of molecules in solution. How does temperature affect diffusion rate, and why?

Whenever a substance exists in greater concentration on one side of a semipermeable membrane, such as cell membranes, any substance that can move down its concentration gradient across the membrane will do so. If the substances can move across the cell membrane without the cell expending energy, the movement of molecules is called passive transport. Consider substances that can easily diffuse through the lipid bilayer of the cell membrane, such as the gases oxygen (O2) وثاني أكسيد الكربون (CO2). These small, fat soluble gasses and other small lipid soluble molecules can dissolve in the membrane and enter or exit the cell following their concentration gradient. This mechanism of molecules moving across a cell membrane from the side where they are more concentrated to the side where they are less concentrated is a form of passive transport called simple diffusion. ا2 generally diffuses into cells because it is more concentrated outside of them, and CO2 typically diffuses out of cells because it is more concentrated inside of them.

Before moving on, it is important to realize that the concentration gradients for oxygen and carbon dioxide will always exist across a living cell and never reach equal distribution. This is because cells rapidly use up oxygen during metabolism and so, there is typically a lower concentration of O2 inside the cell than outside. As a result, oxygen will diffuse from outside the cell directly through the lipid bilayer of the membrane and into the cytoplasm within the cell. On the other hand, because cells produce CO2 as a byproduct of metabolism, CO2 concentrations rise within the cytoplasm therefore, CO2 will move from the cell through the lipid bilayer and into the extracellular fluid, where its concentration is lower. (Figure 3.1.3).

Figure 3.1.3 – Simple Diffusion Across the Cell (Plasma) Membrane: The structure of the lipid bilayer allows small, uncharged substances such as oxygen and carbon dioxide, and hydrophobic molecules such as lipids, to pass through the cell membrane, down their concentration gradient, by simple diffusion.

Large polar or ionic molecules, which are hydrophilic, cannot easily cross the phospholipid bilayer. Charged atoms or molecules of any size cannot cross the cell membrane via simple diffusion as the charges are repelled by the hydrophobic tails in the interior of the phospholipid bilayer. Solutes dissolved in water on either side of the cell membrane will tend to diffuse down their concentration gradients, but because most substances cannot pass freely through the lipid bilayer of the cell membrane, their movement is restricted to protein channels and specialized transport mechanisms in the membrane. Facilitated diffusion is the diffusion process used for those substances that cannot cross the lipid bilayer due to their size, charge, and/or polarity but do so down their concentration gradients (Figure 3.1.4). As an example, even though sodium ions (Na + ) are highly concentrated outside of cells, these electrolytes are charged and cannot pass through the nonpolar lipid bilayer of the membrane. Their diffusion is facilitated by membrane proteins that form sodium channels (or “pores”), so that Na+ ions can move down their concentration gradient from outside the cells to inside the cells. A common example of facilitated diffusion using a carrier protein is the movement of glucose into the cell, where it is used to make ATP. Although glucose can be more concentrated outside of a cell, it cannot cross the lipid bilayer via simple diffusion because it is both large and polar, and therefore, repelled by the phospholipid membrane. To resolve this, a specialized carrier protein called the glucose transporter will transfer glucose molecules into the cell to facilitate its inward diffusion. The difference between a channel and a carrier is that the carrier usually changes shape during the diffusion process, while the channel does not. There are many other solutes that must undergo facilitated diffusion to move into a cell, such as amino acids, or to move out of a cell, such as wastes.

Figure 3.1.4 – Facilitated Diffusion: (a) Facilitated diffusion of substances crossing the cell (plasma) membrane takes place with the help of proteins such as channel proteins and carrier proteins. Channel proteins are less selective than carrier proteins, and usually mildly discriminate between their cargo based on size and charge. (b) Carrier proteins are more selective, often only allowing one particular type of molecule to cross.

A specialized example of facilitated transport is water moving across the cell membrane of all cells, through protein channels known as aquaporins. التنافذ is the diffusion of water through a semipermeable membrane from where there is more relative water to where there is less relative water (down its water concentration gradient) (Figure 3.1.5).

Figure 3.1.5 – Osmosis: Osmosis is the diffusion of water through a semipermeable membrane down its concentration gradient. If a membrane is permeable to water, though not to a solute, water will equalize its own concentration by diffusing to the side of lower water concentration (and thus the side of higher solute concentration). In the beaker on the left, the solution on the right side of the membrane is hypertonic.

On their own, cells cannot regulate the movement of water molecules across their membrane, so it is important that cells are exposed to an environment in which the concentration of solutes outside of the cells (in the extracellular fluid) is equal to the concentration of solutes inside the cells (in the cytoplasm). Two solutions that have the same concentration of solutes are said to be isotonic (equal tension). When cells and their extracellular environments are isotonic, the concentration of water molecules is the same outside and inside the cells, and the cells maintain their normal shape (and function).

Osmosis occurs when there is an imbalance of solutes outside of a cell versus inside the cell. A solution that has a higher concentration of solutes than another solution is said to be hypertonic, and water molecules tend to diffuse into a hypertonic solution (Figure 3.1.6). Cells in a hypertonic solution will shrivel as water leaves the cell via osmosis. In contrast, a solution that has a lower concentration of solutes than another solution is said to be hypotonic, and water molecules tend to diffuse out of a hypotonic solution. Cells in a hypotonic solution will take on too much water and swell, with the risk of eventually bursting. A critical aspect of homeostasis in living things is to create an internal environment in which all of the body’s cells are in an isotonic solution. Various organ systems, particularly the kidneys, work to maintain this homeostasis.

Figure 3.1.6 – Concentration of Solution: A hypertonic solution has a solute concentration higher than another solution. An isotonic solution has a solute concentration equal to another solution. A hypotonic solution has a solute concentration lower than another solution.

النقل النشط

For all of the transport methods described above, the cell expends no energy. Membrane proteins that aid in the passive transport of substances do so without the use of ATP. During primary active transport, ATP is required to move a substance across a membrane, with the help of membrane protein, and ضد its concentration gradient.

One of the most common types of active transport involves proteins that serve as pumps. The word “pump” probably conjures up thoughts of using energy to pump up the tire of a bicycle or a basketball. Similarly, energy from ATP is required for these membrane proteins to transport substances—molecules or ions—across the membrane, against their concentration gradients (from an area of low concentration to an area of high concentration).

ال sodium-potassium pump, which is also called Na + /K + ATPase, transports sodium out of a cell while moving potassium into the cell. The Na + /K + pump is an important ion pump found in the membranes of all cells. The activity of these pumps in nerve cells is so great that it accounts for the majority of their ATP usage.

Figure 3.1.7 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.

Active transport pumps can also work together with other active or passive transport systems to move substances across the membrane. For example, the sodium-potassium pump maintains a high concentration of sodium ions outside of the cell. Therefore, if the cell needs sodium ions, all it has to do is open a passive sodium channel, as the concentration gradient of the sodium ions will drive them to diffuse into the cell. In this way, the action of an active transport pump (the sodium-potassium pump) powers the passive transport of sodium ions by creating a concentration gradient. When active transport powers the transport of another substance in this way, it is called secondary active transport.

Symporters are secondary active transporters that move two substances in the same direction. For example, the sodium-glucose symporter uses sodium ions to “pull” glucose molecules into the cell. Since cells store glucose for energy, glucose is typically at a higher concentration inside of the cell than outside however, due to the action of the sodium-potassium pump, sodium ions will easily diffuse into the cell when the symporter is opened. The flood of sodium ions through the symporter provides the energy that allows glucose to move through the symporter and into the cell, against its concentration gradient.

Conversely, antiporters are secondary active transport systems that transport substances in opposite directions. For example, the sodium-hydrogen ion antiporter uses the energy from the inward flood of sodium ions to move hydrogen ions (H + ) out of the cell. The sodium-hydrogen antiporter is used to maintain the pH of the cell’s interior.

Other Forms of Membrane Transport

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 3.1.8). 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 3.1.8 – 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 large particles into larger vesicles known as vacuoles. (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.

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 which 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 3.1.9). 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 its contents into the interstitial fluid. The vesicle membrane then becomes part of the cell membrane.

Specific examples of exocytosis include cells of the stomach and pancreas producing and secreting digestive enzymes through exocytosis (Figure 3.1.10) and endocrine cells producing and secreting hormones that are sent throughout the body.

The addition of new membrane to the plasma membrane is usually coupled with endocytosis so that the cell is not constantly enlarging. Through these processes, the cell membrane is constantly renewing and changing as needed by the cell.

Figure 3.1.9 – 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. Figure 3.1.10 – 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)

External Website

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 puzzled researchers for a long time because the Cl– ions are actually flowing تحت their concentration gradient when transported out of cells. Active transport generally pumps ions ضد 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 attracts 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. In a normal respiratory system, this is how 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.

مراجعة الفصل

The cell membrane provides a barrier around the cell, separating its internal components from the extracellular environment. It is composed of a phospholipid bilayer, with hydrophobic internal lipid “tails” and hydrophilic external phosphate “heads.” Various membrane proteins are scattered throughout the bilayer, both inserted within it and attached to it peripherally. The cell membrane is selectively permeable, allowing only a limited number of materials to diffuse through its lipid bilayer. All materials that cross the membrane do so using passive (non-energy-requiring) or active (energy-requiring) transport processes. During passive transport, materials move by simple diffusion or by facilitated diffusion through the membrane, down their concentration gradient. Water passes through the membrane in a diffusion process called osmosis. During active transport, energy is expended to assist material movement across the membrane in a direction against their concentration gradient. Active transport may take place with the help of protein pumps or through the use of vesicles.

Interactive Link Questions

Visit this link to see diffusion and how it is propelled by the kinetic energy of molecules in solution. How does temperature affect diffusion rate, and why?

Higher temperatures speed up diffusion because molecules have more kinetic energy at higher temperatures.


شاهد الفيديو: All About Carbohydrates in 6 min! From a HighSchool Student - BIOLOGY. HD (قد 2022).


تعليقات:

  1. Dat

    بدلا من النقد اكتب المتغيرات.

  2. Nochtli

    فقط أجرؤ على القيام بذلك مرة أخرى!

  3. Barnaby

    أعتقد أنك مخطئ. اكتب لي في رئيس الوزراء ، وسوف نتواصل.

  4. Akizragore

    السؤال المتعاطف

  5. Turisar

    لا أوافق بشدة

  6. Wattekinson

    أحسنت ، فكرتك رائعة

  7. Jon

    أعتذر عن التدخل ... لكن هذا الموضوع قريب جدًا مني. جاهز للمساعدة.



اكتب رسالة