background image

Dr. Affan

 

Ezzat 

Cell Physiology 

Lecture one 

 

Objectives: 

By the end of these two lectures the student will be able to: 

  Describe the basic components of the cell membrane. 

  Explain the transport process through cell membranes. 

  Define diffusion and its types. 

  List the factors that affect the net rate of diffusion. 

  Define osmosis. 

  Explain the active transport of substances through membranes. 

  Give examples on the types of active transport. 

Cell Physiology: 

 

The  basic  living  unit  of  the  body  is  the  cell.  Each  organ  is  an  aggregate  of  many  different  cells  held 

together  by  intercellular  supporting  structures.  Each  type  of  cell  is  specially  adapted  to  perform  one  or  a  few 
particular  functions.  For  instance,  the  red  blood  cells,  numbering  25  trillion  in  each  human  being,  transport 
oxygen from the lungs to the tissues. The entire body contains about 100 trillion cells. 

Membranous Structures of the Cell 

Most  organelles  of  the  cell  are  covered  by  membranes  composed  primarily  of  lipids  and  proteins.  These 
membranes  include  the  cell  membrane,  nuclear  membrane,  membrane  of  the  endoplasmic  reticulum,  and 
membranes of the mitochondria, lysosomes, and Golgi apparatus
. The lipids of the membranes provide a barrier 
that impedes the movement of water and water-soluble substances from one cell compartment to another because 
water  is  not  soluble  in  lipids.  However,  protein  molecules  in  the  membrane  often  do  penetrate  all  the  way 
through the membrane.

 

The Cell Membrane:

 

The  cell  membrane  (also  called  the  plasma  membrane),  which  envelops  the  cell,  is  a  thin,  pliable,  elastic 
structure only 7.5 to 10 nanometers thick. It is composed almost entirely of proteins and lipids. The approximate 
composition is proteins, 55%; phospholipids, 25%; cholesterol, 13%; other lipids, 4%; and carbohydrates, 3%. 

Its basic structure is a lipid bilayer, which is a thin, double-layered film of lipids—each layer only one molecule 
thick—that  is  continuous  over  the  entire  cell  surface.  Interspersed  in  this  lipid  film  are  large  globular  protein 
molecules.  The  basic  lipid  bilayer  is  composed  of  phospholipid  molecules.  One  end  of  each  phospholipid 
molecule  is  soluble  in  water;  that  is,  it  is  hydrophilic.  The  other  end  is  soluble  only  in  fats;  that  is,  it  is 
hydrophobic.  The  hydrophilic  phosphate  portions  then  constitute  the  two  surfaces  of  the  complete  cell 
membrane,  in  contact  with  intracellular  water  on  the  inside  of  the  membrane  and  extracellular  water  on  the 
outside  surface.  The  lipid  layer  in  the  middle  of  the  membrane  is  impermeable  to  the  usual  water-soluble 
substances, such as ions, glucose, and urea. Conversely, fat-soluble substances, such as oxygen, carbon dioxide, 
and alcohol, can penetrate this portion of the membrane with ease.  

 

 


background image

Dr. Affan

 

Ezzat 

Cell Physiology 

Lecture one 

 

The Cell Membrane Proteins: 

The membrane proteins are globular masses floating in the lipid bilayer, most of which are  glycoproteins. Two 
types  of  proteins  occur:  integral  proteins  that  protrude  all  the  way  through  the  membrane  and  peripheral 
proteins
 that are attached only to one surface of the membrane and do not penetrate all the way through.  

The integral proteins act as (1)structural channels (or pores) through which water molecules and water-soluble 
substances, especially ions, can diffuse between the extracellular and intracellular fluids. (2) carrier proteins for 
transporting substances that otherwise could not penetrate the lipid bilayer (bind with molecules or ions that are 
to  be  transported;  conformational  changes  in  the  protein  molecules  then  move  the  substances  through  the 
interstices of the protein to the other side of the membrane). Both the channel proteins and the carrier proteins 
are usually highly selective in the types of molecules or ions that are allowed to cross the membrane.   

(3) enzymes (catalyze chemical reactions).  

(4)  receptors  for  water-soluble  chemicals,  such  as  peptide  hormones,  that  do  not  easily  penetrate  the  cell 
membrane.  Interaction  of  cell  membrane  receptors  with  specific  ligands  that  bind  to  the  receptor  causes 
conformational changes in the receptor protein. This, in turn, enzymatically activates the intracellular part of the 
protein or induces interactions between the receptor and proteins in the cytoplasm that act as second messengers, 
thereby  relaying  the  signal  from  the  extracellular  part  of  the  receptor  to  the  interior  of  the  cell.  In  this  way, 
integral  proteins  spanning  the  cell  membrane  provide  a  means  of  conveying  information  about  the 
environment to the cell interior.
  

Peripheral protein molecules are often attached to the integral proteins, function almost entirely as (1) enzymes 
(2) controllers of transport of substances through the cell membrane “pores. 

The Membrane Carbohydrates—The Cell “Glycocalyx.” 

 

 Membrane carbohydrates occur in combination with proteins or lipids in the form of glycoproteins or 

glycolipids. Most of the integral proteins are glycoproteins, and about one tenth of the membrane lipid molecules 
are glycolipids. The “glyco” portions of these molecules protrude to the outside of the cell, dangling outward 
from the cell surface. Many other carbohydrate compounds, called proteoglycans—which are mainly 
carbohydrate substances bound to small protein cores—are loosely attached to the outer surface of the cell as 
well. The entire outside surface of the cell often has a loose carbohydrate coat called the glycocalyx. It has 
several important functions: 

(1) Have a negative electrical charge, which gives most cells an overall negative surface charge that repels other 
negative objects. 

 (2) The glycocalyx of some cells attaches to the glycocalyx of other cells, thus attaching cells to one another. 

(3) Act as receptor substances for binding hormones, such as insulin; when bound, this combination activates 
attached internal proteins that, in turn, activate a cascade of intracellular enzymes. 

 (4) Some carbohydrate types enter into immune reactions.  

 

 


background image

Dr. Affan

 

Ezzat 

Cell Physiology 

Lecture one 

 

 

 

 

Transport through the cell membrane: 

Either directly through the lipid bilayer or through the proteins, occurs by one of two basic processes: diffusion 
or active transport

Diffusion  means  random  molecular  movement  of  substances  molecule  by  molecule,  either  through 
intermolecular spaces in the membrane or in combination with a carrier protein, the energy that causes diffusion 
is the energy of the normal kinetic motion of matter.  

Active transport means movement of ions or other substances across the membrane in combination with a carrier 
protein in such a way that the carrier protein causes the substance to move against an energy gradient, such as 
from a low-concentration state to a high-concentration state, It requires an additional source of energy besides 
kinetic energy. 

 

 

 

 

 


background image

Dr. Affan

 

Ezzat 

Cell Physiology 

Lecture one 

 

Diffusion through the Cell Membrane 

Diffusion  through  the  cell  membrane  is  divided  into  two  subtypes  called  simple  diffusion  and  facilitated 
diffusion.
  Simple  diffusion  means  that  kinetic  movement  of  molecules  or  ions  occurs  through  a  membrane 
opening or through intermolecular spaces without any interaction with carrier proteins in the membrane. Simple 
diffusion can occur through the cell membrane by two pathways: (1) through the interstices of the lipid bilayer if 
the diffusing substance is lipid soluble, and (2) through watery channels that penetrate all the way through some 
of the large transport proteins. 

Facilitated diffusion requires interaction of a carrier protein. The carrier protein aids passage of the molecules or 
ions through the membrane by binding chemically with them and shuttling them through the membrane in this 
form.  

Diffusion of Lipid-Soluble Substances through the Lipid Bilayer. 

One of the most important factors that determine how rapidly a substance diffuses through the lipid bilayer is the 
lipid solubility of the substance. For instance, the lipid solubilities of oxygen, nitrogen, carbon dioxide, and 
alcohols are high, so that all these can dissolve directly in the lipid bilayer and diffuse through the cell membrane 
in the same manner that diffusion of water solutes occurs in a watery solution. The rate of diffusion of each of 
these substances through the membrane is directly proportional to its lipid solubility. Especially large amounts of 
oxygen can be transported in this way; therefore, oxygen can be delivered to the interior of the cell almost as 
though the cell membrane did not exist. 

Diffusion of Water and Other Lipid-Insoluble Molecules through Protein Channels. 

 Even though water is highly insoluble in the membrane lipids, it readily passes through channels in protein 
molecules that penetrate all the way through the membrane. Other lipid-insoluble molecules can pass through the 
protein pore channels in the same way as water molecules if they are water soluble and small enough. However, 
as they become larger, their penetration falls off rapidly.  

Diffusion Through Protein Channels, and “Gating” of These Channels 

Computerized three-dimensional reconstructions of protein channels have demonstrated tubular pathways all the 
way from the extracellular to the intracellular fluid. Therefore, substances can move by simple diffusion directly 
along these channels from one side of the membrane to the other. The protein channels are distinguished by two 
important characteristics: (1) they are often selectively permeable to certain substances, and (2) many of the 
channels can be opened or closed by gates

Selective Permeability of Protein Channels. 

 Many of the protein channels are highly selective for transport of one or more specific ions or molecules. This 
results from the characteristics of the channel itself, such as its diameter, its shape, and the nature of the 
electrical charges and chemical bonds along its inside surfaces. To give an example, one of the most important of 
the protein channels, the so-called sodium channel, is only 0.3 by 0.5 nanometer in diameter, but more 
important, the inner surfaces of this channel are strongly negatively charged, These strong negative charges can 
pull small dehydrated sodium ions into these channels, actually pulling the sodium ions away from their 
hydrating water molecules. Once in the channel, the sodium ions diffuse in either direction according to the 
usual laws of diffusion. Thus, the sodium channel is specifically selective for passage of sodium ions. 


background image

Dr. Affan

 

Ezzat 

Cell Physiology 

Lecture one 

 

Gating of Protein Channels. 

 Gating of protein channels provides a means of controlling ion permeability of the channels.  It is believed that 
some of the gates are actual gate like extensions of the transport protein molecule, which can close the opening 
of the channel or can be lifted away from the opening by a conformational change in the shape of the protein 
molecule itself. The opening and closing of gates are controlled in two principal ways: 

1.Voltage gating.  

The molecular conformation of the gate or of its chemical bonds responds to the electrical potential across the 
cell membrane.  when there is a strong negative charge on the inside of the cell membrane, this could cause the 
outside sodium gates to remain tightly closed; conversely, when the inside of the membrane loses its negative 
charge, these gates would open suddenly and allow tremendous quantities of sodium to pass inward through the 
sodium pores. This is the basic mechanism for eliciting action potentials in nerves that are responsible for nerve 
signals.  The potassium gates are on the intracellular ends of the potassium channels, and they open when the 
inside of the cell membrane becomes positively charged. The opening of these gates is partly responsible for 
terminating the action potential. 

2. Chemical (ligand) gating.  

Some protein channel gates are opened by the binding of a chemical substance (a ligand) with the protein; this 
causes a conformational or chemical bonding change in the protein molecule that opens or closes the gate. This 
is called chemical gating or ligand gating. One of the most important instances of chemical gating is the effect of 
acetylcholine on the so-called acetylcholine channel. Acetylcholine opens the gate of this channel, providing a 
negatively charged pore about 0.65 nanometer in diameter that allows uncharged molecules or positive ions 
smaller than this diameter to pass through. This gate is important for the transmission of nerve signals from one 
nerve cell to another and from nerve cells to muscle cells to cause muscle contraction. 

Facilitated Diffusion 

Facilitated  diffusion  is  also  called  carrier-mediated  diffusion  because  a  substance  transported  in  this  manner 
diffuses through the membrane using a specific carrier protein to help. That is, the carrier facilitates diffusion of 
the substance to the other side. 

Facilitated diffusion differs from simple diffusion in the following important way: Although the rate of simple 
diffusion through an open channel increases proportionately with the concentration of the diffusing substance, in 
facilitated  diffusion  the  rate  of  diffusion  approaches  a  maximum,  called  Vmax,  as  the  concentration  of  the 
diffusing substance increases, the rate of simple diffusion continues to increase proportionately, but in facilitated 
diffusion,  the  rate  of  diffusion  cannot  rise  greater  than  the  Vmax  level.
  What  is  it  that  limits  the  rate  of 
facilitated diffusion? 

a  carrier  protein  with  a  pore  large  enough  to  transport  a  specific  molecule  partway  through.  It  also  shows  a 
binding  “receptor”  on  the  inside  of  the  protein  carrier.  The  molecule  to  be  transported  enters  the  pore  and 
becomes  bound.  Then,  in  a  fraction  of  a  second,  a  conformational  or  chemical  change  occurs  in  the  carrier 
protein,  so  that  the  pore  now  opens  to  the  opposite  side  of  the  membrane.  Because  the  binding  force  of  the 
receptor is weak, the thermal motion of the attached molecule causes it to break away and to be released on the 
opposite side of the membrane. The rate at which molecules can be transported by this mechanism can never be 
greater than the rate at which the carrier protein molecule can undergo change back and forth between its two 
states.  


background image

Dr. Affan

 

Ezzat 

Cell Physiology 

Lecture one 

 

 

 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 19 عضواً و 290 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل