background image

Lecture 2

 

Physiology

 

Dr.Affan Ezzat

 

1

 

 

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.  Conversely,  the  rate  at  which  molecules  diffuse  outward  is  proportional  to  their 
concentration inside the membrane. Therefore, the rate of net diffusion into the cell is proportional to 
the concentration on the outside minus the concentration on the inside, or: Net diffusion μ (Co - Ci) 
in which Co is concentration outside and Ci is concentration inside. 
   
(2)Effect of Membrane Electrical Potential on Diffusion of Ions—The “Nernst Potential.” 
 
If an electrical potential is applied across the membranethe electrical charges of the ions cause them 
to move through the membrane even though no concentration difference exists to cause movement. 
Thus, the concentration of negative ions is the same on both sides of the membrane, but a positive 
charge has been applied to the right side of the membrane and a negative charge to the left, creating an 
electrical gradient across the membrane. The positive charge attracts the negative ions,whereas the 
negative charge repels them. Therefore, net diffusion occurs from left to right. After much time, large 
quantities of negative ions have moved to the right, creating the condition in which a concentration 
difference of the ions has developed in the direction opposite to the electrical potential difference. The 
positive charge attracts the negative ions, whereas the negative charge now tends to move the ions to 
the left, while the electrical difference tends to move them to the right. When the concentration 
difference rises high enough, the two effects balance each other. 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: 
 

 

 
which EMF is the electromotive force (voltage) between side 1 and side 2 of the membrane, C1 is in 
the concentration on side 1, and C2 is the concentration on side 2. This equation is extremely important 
in understanding the transmission of nerve impulses.  
 
(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.

 

At  times, 

considerable pressure difference develops between the two sides of a diffusible membrane. This occurs, 
for example, at the blood capillary membrane in all tissues of the body. The pressure is about 20  mm 
Hg greater inside the capillary than outside. 

 

 


background image

Lecture 2

 

Physiology

 

Dr.Affan Ezzat

 

2

 

 

 

 
Osmosis Across Selectively Permeable Membranes— “Net Diffusion” of Water 
The most abundant substance that diffuses through the cell membrane is water.  Normally, the amount 
that  diffuses  in  the  two  directions  is  balanced  so  precisely  that  zero  net  movement  of  water  occurs. 
Therefore, the volume of the cell remains constant. However, under certain conditions, a concentration 
difference  for  water  
can  develop  across  a  membrane,  just  as  concentration  differences  for  other 
substances can occur. When this happens, net movement of water does occur across the cell membrane, 
causing the cell either to swell or to  shrink, depending on the direction of the water movement.  This 
process of net movement of water caused by a concentration difference of water
 is called osmosis. 
To  give  an  example  of  osmosis,  with  pure  water  on  one  side  of  the  cell membrane  and  a  solution  of 
sodium chloride on the other side. Water molecules pass through the cell membrane with ease, whereas 
sodium  and  chloride  ions  pass  through  only  with  difficulty.  Therefore,  sodium  chloride  solution  is 
actually  a  mixture  of  permeant  water  molecules  and  nonpermeant  sodium  and  chloride  ions,  and  the 
membrane is  said  to be selectively permeable  to  water but  much less so to sodium  and chloride ions. 
Yet the presence of the sodium and chloride has displaced some of the water molecules on the side of 
the  membrane  where  these  ions  are  present  and,  therefore,  has  reduced  the  concentration  of  water 
molecules to less than that of pure water. As a result more water molecules strike the channels on the 
left  side,  where  there  is  pure  water,  than  on  the  right  side,  where  the  water  concentration  has  been 
reduced. Thus, net movement of water occurs from left to right—that is, osmosis occurs from the pure 
water into the sodium chloride solution. 

 

 


background image

Lecture 2

 

Physiology

 

Dr.Affan Ezzat

 

3

 

 

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. 
A selectively permeable membrane separating two columns of fluid, one containing pure water and the 
other containing a solution of water and any solute that will not penetrate the membrane. Osmosis of 
water  from  chamber  B  into  chamber  A  causes  the  levels  of  the  fluid  columns  to  become  farther  and 
farther  apart,  until  eventually  a  pressure  difference  develops  between  the  two  sides  of  the  membrane 
great enough to oppose the osmotic effect. The pressure difference across the membrane at this point is 
equal to the osmotic pressure of the solution that contains the nondiffusible solute. 
The  osmotic  pressure  exerted  by  particles  in  a  solution,  whether  they  are  molecules  or  ions,  is 
determined by the number of particles per unit volume of fluid, not by the mass of the particles. The 
reason  for  this  is  that  each  particle  in  a  solution,  regardless  of  its  mass,  exerts,  on  average,  the  same 
amount of pressure against the membrane.  

 

 
 
 
 “Active Transport” of Substances Through Membranes 
When a cell membrane moves molecules or ions “uphill” against a concentration gradient (or “uphill” 
against an  electrical  or pressure  gradient), the process  is  called  active transport.  Different  substances 
that are actively transported through at least some cell membranes include sodium ions, potassium ions, 
calcium ions, iron ions,  hydrogen ions, chloride ions, iodide ions, urate ions, several different sugars, 
and most of the amino acids. 
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.  In  primary  active  transport,  the 
energy  is  derived  directly  from  breakdown  of  adenosine  triphosphate  (ATP)  or  of  some  other  high-
energy  phosphate  compound.  In  secondary  active  transport,  the  energy  is  derived  secondarily  from 
energy  that  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.  In  both  instances,  transport  depends  on  carrier  proteins  that  penetrate  through  the  cell 
membrane, as is true for facilitated diffusion. However, in active transport, the carrier protein functions 
differently  from  the  carrier  in  facilitated  diffusion  because  it  is  capable  of  imparting  energy  to  the 
transported substance to move it against the electrochemical gradient
 
 
Sodium-Potassium Pump as an example of Primary Active Transport: 
The active transport mechanism that has been studied in greatest detail is the sodium-potassium (Na+-
K+) 
pump, a transport process that pumps sodium ions outward through the cell membrane of all cells 
and at the same time pumps potassium ions from the outside to the inside. This pump is responsible for 
maintaining the sodium and potassium concentration differences across the cell membrane, as well as 
for  establishing  a  negative  electrical  voltage  inside  the  cells.  This  pump  is  also  the  basis  of  nerve 


background image

Lecture 2

 

Physiology

 

Dr.Affan Ezzat

 

4

 

 

function, transmitting nerve signals throughout the nervous system. The carrier protein is a complex of 
two  separate  globular  proteins:  a  larger  one  called  the  a  subunit,  and  a  smaller  one  called  the  b 
subunit, the larger protein has three specific features that are important for the functioning of the pump: 
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
When two potassium ions bind on the outside of the carrier protein and three sodium ions bind on the 
inside, the ATPase function of the protein becomes activated. This then cleaves one molecule of ATP, 
splitting  it  to  adenosine  diphosphate  (ADP)  and  liberating  a  high-energy  phosphate  bond  of  energy. 
This  liberated  energy  is  then  believed  to  cause  a  chemical  and  conformational  change  in  the  protein 
carrier  molecule,  extruding  the  three  sodium  ions  to  the  outside  and  the  two  potassium  ions  to  the 
inside.  For  some  cells,  such  as  electrically  active  nerve  cells,  60  to  70  per  cent  of  the  cells’  energy 
requirement may be devoted to pumping Na+ out of the cell and K+ into the cell. 

 

Electrogenic Nature of the Na+-K+ Pump. 
 
The  fact  that  the  Na+-K+  pump  moves  three  Na+  ions  to  the  exterior  for  every  two  K+  ions  to  the 
interior means that a net of one positive charge is moved from the interior of the cell to the exterior for 
each  cycle  of  the  pump.  This  creates  positivity  outside  the  cell  but  leaves  a  deficit  of  positive  ions 
inside  the  cell;  that  is,  it  causes  negativity  on  the  inside.  Therefore,  the  Na+-K+  pump  is  said  to  be 
electrogenic because 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. 
 
Secondary Active Transport— Co-Transport and Counter-Transport 
When  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-transportit is one form of secondary active 
transport.
 
For sodium to pull another substance along with it, a coupling mechanism is required. This is achieved 
by means of still another carrier protein in the cell membrane. 
The carrier in this example serves as an attachment point for both the sodium ion and the substance to 
be co-transported. Once they both are attached, the energy gradient of the sodium ion causes both the 
sodium  ion  and  the  other  substance  to  be  transported  together  to  the  interior  of  the  cell.  In  counter-
transport,
  
sodium  ions  again  attempt  to  diffuse  to  the  interior  of  the  cell  because  of  their  large 
concentration gradient. However, this time, the substance to be transported is on the inside of the cell 
and must be transported to the outside. Therefore, the sodium ion binds to the carrier protein where it 


background image

Lecture 2

 

Physiology

 

Dr.Affan Ezzat

 

5

 

 

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. 
Co-Transport of Glucose and Amino Acids Along with Sodium Ions 
Glucose and many amino acids are transported into most cells against large concentration gradients; the 
mechanism  of  this  is  entirely  by  co-transport.  Note  that  the  transport  carrier  protein  has  two  binding 
sites on its exterior side, one for sodium and one for glucose. Also, the concentration of sodium ions is 
very  high  on  the  outside  and  very  low  inside,  which  provides  energy  for  the  transport.  A  special 
property  of  the  transport  protein  is  that  a  conformational  change  to  allow  sodium  movement  to  the 
interior  will  not  occur  until  a  glucose  molecule  also  attaches.  When  they  both  become  attached,  the 
conformational  change  takes  place  automatically,  and  the  sodium  and  glucose  are  transported  to  the 
inside of the cell at the same time. Hence, this is a  sodium-glucose co-transport mechanism. Sodium 
co-transport  of  the  amino  acids
  
occurs  in  the  same  manner  as  for  glucose,  except  that  it  uses  a 
different  set  of  transport  proteins.  Five  amino  acid  transport  proteins  have  been  identified,  each  of 
which is responsible for transporting one subset of amino acids with specific molecular characteristics. 
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
.  Other  important  co-transport  mechanisms  in  at  least  some  cells  include  co-transport  of 
chloride ions, iodine ions, iron ions, and urate ions. 
 
 
 
 
 
 
 
Active Transport Through Cellular Sheets 
At many places in the body, substances must be transported all the way through a cellular sheet instead 
of  simply  through  the  cell  membrane.  Transport  of  this  type  occurs  through  the  (1)  intestinal 
epithelium, (2) epithelium of the renal tubules, (3) epithelium of all exocrine glands, (4) epithelium of 
the gallbladder, and (5) membrane of the choroid plexus of the brain and other membranes. 
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. A mechanism 
for transport of sodium ions through the epithelial sheet of the intestines, gallbladder, and renal tubules. 
This figure shows that the epithelial cells are connected together tightly at the luminal pole by means of 
junctions  called“kisses.”  The  brush  border  on  the  luminal  surfaces  of  the  cells  is  permeable  to  both 
sodium ions and water. Therefore, sodium and water diffuse readily from the lumen into the interior of 
the cell. Then, at the basal and lateral membranes of the cells, sodium ions are actively transported into 
the  extracellular  fluid  of  the  surrounding  connective  tissue  and  blood  vessels.  This  creates  a  high 
sodium ion concentration gradient across these membranes, which in turn causes osmosis of water as 
well.  Thus,  active  transport  of  sodium  ions  at  the  basolateral  sides  of  the  epithelial  cells  results  in 
transport not only of sodium ions but also of water. These are the mechanisms by which almost all the 
nutrients,  ions,  and  other  substances  are  absorbed  into  the  blood  from  the  intestine;  they  are  also  the 
way the same substances are reabsorbed from the glomerular filtrate by the renal tubules. 

 


background image

Lecture 2

 

Physiology

 

Dr.Affan Ezzat

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 14 عضواً و 250 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