background image

Cell Physiology

 

Assistant Professor Dr. Affan Ezzat

 

 
 
Textbooks: 
1- Guyton and Hall Textbook of  Medical Physiology 
2- Ganong Review of  Medical Physiology 

 


background image

Objectives:

 

By the end of this lecture 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. 


background image

The basic living unit of the body is the cell. 

 

Membranous Structures of the Cell

 

Most organelles of the cell are covered by membranes composed 
primarily of lipids and proteins

 

The Cell Membrane:

 

The approximate composition is proteins, 55%; phospholipids, 

25%; cholesterol, 13%; other lipids, 4%; and carbohydrates, 

3%.

 

Its basic structure is a lipid bilayer

 


background image

The Cell Membrane Proteins:

 

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. 

 

(1)structural channels (or pores)

 

 (2) carrier proteins

 

(3) enzymes (catalyze chemical 

reactions). 

 

(4) receptors for water-soluble 
chemicals

 


background image

Peripheral protein 

 

function almost entirely as 

 

(1) enzymes

 

 (2) controllers of transport of substances through the cell 
membrane “pores.

 


background image

.”

Glycocalyx

The Cell “

The Membrane Carbohydrates

 

 

 Membrane carbohydrates occur in combination with 

proteins or lipids in the form of glycoproteins or glycolipids. It has 

several important functions:

 

(1) Have a negative electrical charge, 

 

 (2) The glycocalyx of some cells attaches to the glycocalyx of other 

cells.

 

(3) Act as receptor substances for binding hormones.

 

 (4) Some carbohydrate types enter into immune reactions. 

 


background image

background image

Transport through the cell membrane:

 

Either directly through the lipid bilayer or through the proteins, occurs 

by one of two basic processes: 

 

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. 

 

movement of ions or other substances across 

means 

 

transport

Active 

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

background image

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.

 

 

 


background image

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 example, 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 

 

Diffusion of Water and Other Lipid-Insoluble Molecules 

through Protein Channels.

 

Water 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

 


background image

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

 

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.

 


background image

Gating of Protein Channels.

 

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. Example 

Na-K pump.

 

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. Example Acteylcholine channel. 

Facilitated Diffusion.

 

Also called carrier-mediated 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. 

 

 


background image

background image

Factors That Affect the Net Rate of Diffusion

 

What is usually important is the net rate of diffusion of a 
substance in the desired direction. This net rate is determined 
by several factors.

 

(1)Effect of Concentration Difference on Net Diffusion through 

a Membrane.

 

The rate at which the substance diffuses inward is proportional to the 
concentration of molecules on the outside, because this concentration 
determines how many molecules strike the outside of the membrane each 
second . 
Net diffusion 

μ (Co - Ci) 

in which Co is concentration outside and Ci is concentration inside.

 


background image

(2)Effect of Membrane Electrical Potential on Diffusion of 

Ions—The  “Nernst  Potential.” 

If  an  electrical  potential  is 

applied  across  the  membrane,  the  electrical  charges  of  the  ions 
cause  them  to  move  through  the  membrane  even  though  no 
concentration difference exists to cause movement. At normal body 
temperature  (37

°C),  the  electrical  difference  that  will  balance  a 

given  concentration  difference  of  univalent  ions

—such  as  sodium 

(Na+)  ions

—can  be  determined  from  the  following  formula,  called 

the

 Nernst equation: 

 

 

 


background image

(3)Effect of a Pressure Difference across the Membrane.

 

Pressure means the sum of all the forces of the different molecules striking a 
unit surface area at a given instant. Therefore, when the pressure is higher 
on one side of a membrane than on the other, this means that the sum of all 
the forces of the molecules striking the channels on that side of the 
membrane is greater than on the other side. The result is that increased 
amounts of energy are available to cause net movement of molecules from 
the high-pressure side toward the low-pressure side.

 

 


background image

background image

Osmosis Across Selectively Permeable Membranes— 
“Net Diffusion” of Water
 

net movement of water caused by a concentration 
difference of water
 

 


background image

Osmotic Pressure

 

If pressure were applied to the sodium chloride solution, 
osmosis of water into this solution would be slowed, 
stopped, or even reversed. The exact amount of pressure 
required to stop osmosis is called the osmotic pressure of 
the sodium chloride solution.

 


background image

background image

“Active Transport” of Substances Through Membranes

 

 

Active transport is divided into two types according to the source 
of the energy used to cause the transport: primary active 
transport
 
and secondary active transport

 

the energy is derived directly 

primary active transport

In 

  
from breakdown of adenosine triphosphate (ATP) or of some 

secondary active 

. In 

energy phosphate compound

-

other high

the energy is derived secondarily from energy that 

 

,

transport
has been stored in the form of ionic concentration differences of 
secondary molecular or ionic substances between the two sides 
of a cell membrane, created originally by primary active 

.

transport

 

The carrier protein in active transport is capable of imparting 
energy to the transported substance to move it against the 
electrochemical gradient

 


background image

Sodium-Potassium Pump as an example of Primary Active 

Transport:

 

1. It has three receptor sites for binding sodium ions on 
the portion of the protein that protrudes to the  inside of the 
cell.

 

 
2. It has two receptor sites for potassium ions on the 
outside.

 

 
3. The inside portion of this protein near the sodium 
binding sites has ATPase activity.

 


background image

Electrogenic Nature of the Na+-K+ Pump. 

it creates an 

electrical  potential  across  the  cell  membrane.  This  electrical 
potential is a basic requirement in nerve and muscle fibers for 
transmitting nerve and muscle signals.

 


background image

Secondary  Active  Transport—  Co-Transport  and  Counter-TransportWhen 
sodium ions are transported out of cells by primary active transport, a large 
concentration  gradient  of  sodium  ions  across  the  cell  membrane  usually 
develops

—high  concentration  outside  the  cell  and  very  low  concentration 

inside.  This  gradient  represents  a  storehouse  of  energy  because  the 
excess sodium outside the cell membrane is always attempting to diffuse to 
the  interior.  Under  appropriate  conditions,  this  diffusion  energy  of  sodium 
can  pull  other  substances  along  with  the  sodium  through  the  cell 
membrane.  This  phenomenon  is  called  co-transport;  it  is  one  form  of 
secondary active transport.  
In counter-transport,. the sodium ion binds to the carrier protein where it 
projects to the exterior surface of the membrane, while the substance to be 
counter-transported  binds  to  the  interior  projection  of  the  carrier  protein. 
Once  both  have  bound,  a  conformational  change  occurs,  and  energy 
released  by  the  sodium  ion  moving  to  the  interior  causes  the  other 
substance to move to the exterior.

 

 


background image

Co-Transport of Glucose and Amino Acids Along with 

Sodium Ions 

 

Sodium co-transport of glucose and amino acids occurs especially 

through the epithelial cells of the intestinal tract and the renal tubules 
of the kidneys to promote absorption of these substances into the 
blood
.

 


background image

Active Transport Through Cellular Sheets

 

The basic mechanism for transport of a substance 
through a cellular sheet is (1) active transport through 
the cell membrane on one side of the transporting 
cells in the sheet, and then (2) either simple diffusion 
or facilitated diffusion through the membrane on the 
opposite side of the cell. 

 


background image



رفعت المحاضرة من قبل: Abbas Ahmed
المشاهدات: لقد قام 13 عضواً و 215 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