معلومة

الانتشار إلى مركز الخلية

الانتشار إلى مركز الخلية



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.

لقد كنت أبحث عن النسبة بين مساحة سطح غشاء الخلية والحجم.

من الواضح أنه عندما يزداد الحجم بشكل أسرع من مساحة السطح ، وحتى نقطة معينة ، يكون هناك غشاء أقل نسبيًا للمواد التي تنتشر من خلالها وعدد أكبر نسبيًا من العضيات التي تحتاج إلى هذه المواد.

http://scienceline.ucsb.edu/getkey.php؟key=5203

يقول المصدر أعلاه أن "هذه العناصر الغذائية تحتاج بعد ذلك للوصول إلى مركز الخلية".

سؤالي هو: لماذا تستنفد الموارد قبل أن تصل إلى مركز الخلية؟ أليست كل العضيات المهمة في المركز على أي حال؟ على سبيل المثال ، ألا ينتقل الجلوكوز إلى مركز الخلية ، ولا يتم استهلاكه "في الطريق"؟

وللتوضيح فقط ، يشير "مركز الخلية" إلى عضيات مثل الميتوكوندريا والنواة وما إلى ذلك؟


يعتبر مركز الخلية في هذه الحالة طريقة لقول "وصول العناصر الغذائية إلى كل جزء من الخلية" ، ولا ينبغي حقًا اعتبارها "المركز" حرفيًا. إذا تم تصميم الخلية على شكل كرة ، مع انتشار المغذيات من الخارج ، فإن الكرة بأكملها ستمتلئ بالمغذيات عندما "تصل العناصر الغذائية إلى المركز". يوضح الشكل 1 كيف ستنتشر العناصر الغذائية من الطبقة الخارجية إلى الداخل. إنه يشبه القول بأن الزجاج كله سيمتلئ عندما "يصل الماء إلى القمة". لا يعني هذا بشكل خاص أن العضيات الحيوية موجودة في المركز ، ولكنها تستخدم فقط لتوضيح حقيقة أن العناصر الغذائية تنتشر ويمكن أن تصل إلى جميع أجزاء الخلية.

شكل 1: رسم توضيحي يوضح كيفية انتشار العناصر الغذائية من الخارج إلى مركز الخلية ، وملء الخلية بالمغذيات. تحاول هذه الصورة نمذجة مقطع عرضي لخلية دائرية. على سبيل المثال ، تدخل العناصر الغذائية من حول الطبقة الخضراء ، وتصل تدريجياً إلى المنطقة الزرقاء الداكنة الوسطى / الوسطى.

قد تنضب الموارد قبل أن تصل إلى "مركز" الخلية بسبب معدل الانتشار وأيضًا لأن عمليات التمثيل الغذائي قد تحول الموارد إلى جزيئات أخرى (مثل تحويل الجلوكوز إلى ATP ؛ يحدث تحلل السكر في السيتوبلازم ، ويمكن أن يحدث في أي جزء من الخلية. إذا تم استخدام جزيء الجلوكوز هذا ، فلن يتمكن من الانتقال إلى المركز).

علاوة على ذلك ، فإن "العضيات المهمة" ليست في المركز على وجه الخصوص. إذا كنت قد شاهدت صورة لخلية نباتية نموذجية على سبيل المثال ، فإن معظم العضيات تكون حول جدران الخلية (الشكل 2).

الشكل 2: صورة مجهرية إلكترونية نموذجية للخلية النباتية.

أيضًا ، يجب أن تتذكر أن نسبة مساحة السطح إلى الحجم هي أيضًا قيد على الانتشار الفعال لمواد النفايات خارج الخلية. الحجم الصغير / مساحة السطح الكبيرة ليس فقط لأن العناصر الغذائية يجب أن تنتشر فيها ، ولكن أيضًا لأن منتجات النفايات (مثل ثاني أكسيد الكربون) يجب أن تكون قادرة على الانتشار خارج الخلية ، من خلال الغشاء.


انتشار الخلية

يقوم باتريك بتدريس علم الأحياء AP لمدة 14 عامًا وهو الفائز بجوائز تعليمية متعددة.

انتشار الخلية هو نوع من النقل الخلوي السلبي. في الانتشار ، تنتقل الجزيئات من مناطق التركيز العالي إلى مناطق التركيز المنخفض من أجل تقليل تدرج التركيز. الانتشار من مناطق التركيز المنخفض إلى مناطق التركيز العالي ليس مواتياً بقوة

يعد الانتشار العام في علم الأحياء والعلوم أحد المبادئ الأساسية التي بمجرد الحصول عليها ، تصبح قابلة للاستخدام أو قابلة للتطبيق في مجموعة من الأماكن المختلفة. لذلك دعونا نبدأ بالتعريف ثم ننظر عن كثب واكتشف سبب حدوث ذلك. لذلك يسمى الانتشار أو يعرف بأنه حركة الجسيمات من منطقة التركيز العالي إلى منطقة التركيز المنخفض. الآن إذا لاحظت أن & # 39s عبارة طويلة حقًا ، فقد توصل العلماء إلى طريقة لوصف هذه المنطقة ذات التركيز العالي والتركيز المنخفض بكلمتين فقط وهذا التدرج اللوني للتركيز.

بشكل عام وفي العلوم استخدم مصطلح التدرج للإشارة إلى الفرق بين منطقتين. لذلك يمكنك التحدث عن التدرج الحراري ، الجو حار بالخارج ، يكون أكثر برودة في الداخل إذا كنت أنت وأصدقاؤك من ارتفاعات مختلفة ، يمكنك ترتيب أنفسكم في تدرج ارتفاع ، حيث يكون أطول شخص على جانب واحد ، وأقل شخص من جهة أخرى. بشكل عام ، هذا يعني فقط أن الأشياء تنتقل من حيث يوجد الكثير منها إلى حيث لا يوجد الكثير منها. وعليك أن تكون حذرًا على الرغم من أنه ليس فقط الكمية الإجمالية الكلية للأشياء التي تنتقل من منطقة بها الكثير من الأشياء إلى أشياء صغيرة ، فهي تعتمد على التركيز. كمية الأشياء في أي منطقة صغيرة مقارنة بالمنطقة المجاورة لها مباشرة. لذا دعنا نلقي نظرة على كيفية عمل ذلك ، الآن يجب أن تعرف أن الذرات والجزيئات تتحرك باستمرار وتهتز نوعًا ما مثل الأطفال الصغار في فصل رياض الأطفال.

كلما زادت درجة الحرارة أو الطاقة الحرارية التي توفرها لتلك الذرات والجزيئات ، زادت سرعة تحركها. يشبه الأمر نوعًا ما إعطاء صفك في رياض الأطفال مجموعة كاملة من الحلوى ، وكلما زاد عدد الحلوى ، بدأوا في التحرك بشكل أسرع وأسرع والقفز حولهم حتى يخرجوا من مقاعدهم ويركضون في جميع أنحاء الملعب. حسنًا ، لقد قلنا هنا كتلة من الصبغة وبعض الماء ، والآن لدي الكثير من هذه الجزيئات الصغيرة هنا وكلها تهتز. هل هم يهتزون في اتجاه واحد؟ لا ، إنهم يهتزون في كل مكان ، لذا فإن بعضهم يسير بهذه الطريقة بطريقة ما ، والبعض الآخر بهذه الطريقة ، والبعض الآخر بهذه الطريقة. لذلك مع مرور الوقت ينتهي بعضهم هنا ، حيث ينتشرون ويصطدمون بجزيئات الماء ثم يرتدون بهذه الطريقة ثم يرتدون بهذه الطريقة ، وهذا الرجل يتحرك هنا وهذا الرجل يتحرك هناك و هذا الرجل يتحرك هناك.

إنهم يتنقلون بشكل عشوائي في جميع أنحاء المكان ، ويستمر هذا في الحدوث حيث ينتشرون بشكل عشوائي مثل الأطفال الصغار في الملعب ، وهم يركضون في كل مكان وهم يرتدون في الجدران ، وينططون من بعضهم البعض ، في بعض الأحيان واجب الفناء هو الصراخ عليهم للحصول على مقاعد البدلاء ، أيا كان. وهي ترتد في كل مكان حتى تحصل على توزيع متساوٍ نسبيًا في جميع أنحاء دورق السوائل. الآن هل توقفوا؟ لا ولكن في كل مرة يتحرك فيها أحد هؤلاء الرجال بهذه الطريقة ، يتحرك أحد هؤلاء الأشخاص بهذه الطريقة ليحل محله. ليس عن قصد فقط عن طريق المتوسط ​​الإحصائي العشوائي ، إنه يشبه نوعًا ما إذا نظرت إلى الطريق السريع في ساعة الذروة وقمت بحساب عدد السيارات الموجودة هناك ثم انتظرت 10 دقائق وتحسب عدد السيارات هناك & # 39 هناك ربما يكون نفس المبلغ تقريبًا. لأنه في كل مرة يصل فيها إلى الطريق السريع ينزل شخص آخر.

وهكذا تصل إلى هذا التوازن ، ولكن نظرًا لأن الجزيئات توقفت عن الحركة ، فإنها لا تزال ترتد حولها وتسمى بالتوازن الديناميكي. الآن للتركيز على هذه المرة الأخيرة سأعطيك مثالاً قد تراه في أحد كتبنا المدرسية أو في اختبار. وهذا حيث يكون لديك جانبان من الدورق ، أحدهما ذو تركيز عالٍ والآخر بتركيز منخفض مرة أخرى ماذا سمي ذلك؟ تدرج التركيز ، والأشياء تتحرك أسفل تدرج التركيز. لذلك إذا نظرت هنا ، فهذا غشاء يفصل بين الجانبين ولكن هذه النقاط الحمراء الصغيرة يمكن أن تمر من خلاله. تمر كل ثانية 10 من هذه النقاط عبر هذه الفتحة بشكل عشوائي وهناك مجموعة من تحريك جميع الاتجاهات الأخرى ولكن الاتجاه الوحيد الذي يهمني الآن هو من جانب إلى آخر.

وبشكل عشوائي ، يتحرك 2 في الاتجاه الآخر ، فما هو صافي التغيير بعد أن أطرح أرى إجماليًا 8 يتحرك هنا بعد أن أطرح 2. في هذا الجانب ، انتقل إلى هذا الجانب. سيعود عدد قليل من هؤلاء الأشخاص إلى الوراء لكني لا ألاحظ التأثير حقًا. إنه نوع من الإعجاب ، دعنا نرى في الصين أن هناك عددًا من الأشخاص يهاجرون من الصين إلى الولايات المتحدة. وبالمثل ، أنا متأكد من أن هناك عددًا قليلاً من الأشخاص من الولايات المتحدة يهاجرون مرة أخرى إلى الصين أو إلى الصين ولكن بشكل عام نرى هجرة صافية نحو الولايات المتحدة وهذه الأشياء تلغي بعضها البعض. لذلك لدينا الكثير من الحركة بهذه الطريقة وليس العودة. وهذا الانتشار يمكنك رؤيته في جميع مجالات العلوم أو علم الأحياء من اتصال خلية واحدة في دماغك إلى خلية أخرى ، وانتشار المرسلات العصبية إلى انتشار الجلوكوز من مجرى الدم إلى خلاياك.


ما هو انتشار الخلايا؟

الانتشار الخلوي هو العملية التي تجعل الجزيئات تتحرك داخل وخارج الخلية. تنتقل الجزيئات من منطقة عالية التركيز إلى منطقة ذات تركيز منخفض. عندما يكون هناك تركيز أعلى للجزيئات خارج الخلية ، فإن جزيئات تدخل الخلية أكثر مما تخرج. عندما يكون هناك تركيز أعلى للجزيئات داخل الخلية ، فإن الجزيئات تغادر الخلية أكثر مما تدخل.

عندما يتم توزيع الجزيئات بالتساوي ، فإن عددًا متساويًا من الجزيئات يدخل الخلية ويغادرها. وهذا ما يسمى بالتوازن.

من الممكن ملاحظة التناضح ، أو انتشار الماء عبر غشاء الخلية ، عن طريق إجراء تجربة بسيطة باستخدام شريحتين من البطاطس وكوبين من الماء وملح المائدة. املأ كوبًا واحدًا من الماء وضع شريحة من البطاطس في الماء. املأ كوبًا آخر بالماء وأضف شريحة من البطاطس وملعقتين كبيرتين من ملح الطعام. دع شرائح البطاطس تنقع. ثم لاحظ الشرائح.

تبدو شريحة البطاطس في الماء المالح أصغر حجمًا وتشعر بأنها طرية. وذلك لأن المزيد من جزيئات الماء تركت خلايا البطاطس أكثر من تلك التي دخلت إليها. انتقلت جزيئات الماء إلى حيث كان هناك تركيز أقل لجزيئات الماء (محلول الماء المالح المحيط بالبطاطس).

تبدو شريحة البطاطس في الماء أكبر حجماً وأكثر حزماً. هذا بسبب وجود المزيد من الملح والمواد الكيميائية المذابة الأخرى (المذابة) داخل البطاطس. انتقلت جزيئات الماء من المنطقة الخارجية حيث يوجد تركيز أعلى لجزيئات الماء إلى خلايا البطاطس ، حيث يوجد المزيد من الذائبة وأقل تركيز لجزيئات الماء.


تشير ديناميكيات دوران البروتين إلى آلية الانتشار إلى الالتقاط لتجنيد الجسم شبه القاعدية والاحتفاظ ببروتينات النقل داخل السجيل

يعتبر النقل داخل السجيل (IFT) ضروريًا لبناء وصيانة الأهداب. تتركز بروتينات IFT في الجسم الأساسي حيث يُعتقد أنها تتجمع في قطارات وتربط الشحنات للنقل. لدراسة آليات تجنيد IFT في مجموعة الجسم شبه القاعدية هذه ، قمنا بتحديد ديناميكيات البروتين لثمانية بروتينات IFT ، بالإضافة إلى خمسة بروتينات أخرى توطين الجسم الأساسي باستخدام الاسترداد الفلوري بعد التبييض الضوئي في الخلايا متعددة الخلايا الفقارية. وجدنا أن أعضاء مجمعات البروتين IFT-A و IFT-B تظهر حركيات دوران متميزة من مكونات الجسم القاعدية الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، عرضت المجمعات الفرعية المعروفة لـ IFT ديناميكيات مشتركة ، مما يشير إلى توظيف الجسم الأساسي المشترك و / أو آليات الاحتفاظ. أخيرًا ، قمنا بتقييم آليات تجنيد الجسم الأساسي عن طريق إزالة بلمرة MTs العصاري الخلوي ، مما يشير إلى أن بروتينات IFT يتم تجنيدها في الأجسام القاعدية من خلال آلية الانتشار إلى الالتقاط. يوفر مسحنا لديناميات البروتين IFT رؤى جديدة حول توظيف IFT في الأجسام القاعدية ، وهي خطوة حاسمة في التكوّن الهدبي والإشارات الهدبية.


الانتشار إلى مركز الخلية - علم الأحياء

مشاكل بنية الخلية والانتشار والتناضح وممارسة النقل النشط

الأسئلة 1-2 تشير إلى الحالة التالية:

افترض أن الخليتين المذكورتين أعلاه لا تحتويان على مواد مذابة أخرى فيهما وأن الغشاء الموجود بين الخلايا نافذ للماء ، ولكنه غير منفذ للسكر.

1. في أي اتجاه ستحدث حركة الماء بين الخليتين؟ لماذا ا؟

2. ماذا سيحدث لنسبة السكر في الخلية ب؟ لماذا ا؟

3. افترض أن الخليتين أدناه منفذين لكل من أيونات الكلوريد والكالسيوم. اشرح النتائج التي تظهر في الخلايا أدناه من حيث الانتشار و / أو النقل النشط.

4. بعد حوالي اثني عشر إلى أربع وعشرين ساعة من الوجبة الأخيرة ، يتراوح مستوى السكر في دم الشخص عادة من 60 إلى 90 ملليغرام (ملغ) لكل 100 مل (مل) من الدم ، على الرغم من أنه قد يرتفع إلى 130 ملغ / 100 مل بعد الوجبات الغنية بالكربوهيدرات . إن الحفاظ على مستوى السكر في الدم ضمن نطاق ضيق إلى حد ما على الرغم من تناول السكر غير المتكافئ يرجع إلى قدرة الجسم على القيام بـ _______________________؟ افترض أن مستويات السكر في الدم تعمل ليس تظل ثابتة ، ما هو التأثير الذي قد يحدثه ارتفاع السكر في الدم على خلايا الجسم ، على سبيل المثال. خلايا الدم الحمراء؟ اشرح تنبؤاتك من حيث التناضح.

5. البروتوزوا في المياه العذبة يسمى باراميسيوم يطرد الماء الزائد من جسمه عن طريق بنية خلوية تسمى الفجوة الانقباضية. إذا طاف هذا البرامسيوم أسفل النهر في مصب المياه المالحة ، فتوقع ما سيحدث لمستوى نشاط فجوة الانقباض. اشرح تنبؤاتك من حيث التناضح.

بالنسبة للأسئلة من 6 إلى 8 ، استخدم المفتاح التالي للإجابة على السؤال المطروح.

6. إذا كان تركيز الملح الداخلي هوراشيو 3.6٪ وقمت بوضعه في محلول 3.6٪ ، فماذا تسمي هذا المحلول؟

7. لقد وضعت المخلوق البحري X في محلول بتركيز مذاب غير معروف. في غضون ساعتين تقوم بفحص Critter X وتلاحظ أن جميع خلاياه تتورم وتنفجر. يجب أن يكون تركيز الماء في Critter X. ? من أجل حدوث هذه النتائج.

8. خلايا الدم الحمراء ____؟ ___ لبيئتها.

9. ماذا سيحدث لخلايا نجم البحر إذا وضعته في وسط ناقص التوتر؟ اشرح السبب.

10. ماذا سيحدث لخلايا النبات إذا وضعته في وسط ناقص التوتر؟ اشرح السبب.

أسئلة متعددة للتخمين

11. أي عملية تتضمن حركة صافية لجزيئات السكر عبر غشاء من منطقة ذات تركيز منخفض إلى منطقة تركيز أعلى؟ (أ) التناضح (ب) الانتشار (ج) النقل النشط (د) النقل السلبي (هـ) الانتشار الميسر

12. في جسم الإنسان ، يمكن لأيون البوتاسيوم أن يمر بسهولة عبر أغشية الخلايا ، ومع ذلك فإن تركيز أيون البوتاسيوم يكون أعلى داخل العديد من الخلايا مما هو عليه خارج هذه الخلايا. هذا الشرط هو في الأساس نتيجة لعملية

(أ) النقل السلبي (ب) النقل النشط (ج) التناضح (د) البلعمة (هـ) الانتشار الميسر

13. يشير التحليل الكيميائي إلى أن غشاء الخلية يتكون أساسًا من

(أ) البروتينات والنشا (ب) البروتينات والسليلوز (ج) الدهون والنشا (د) الدهون والبروتينات

14. يُعرف التدفق الصافي للمواد عبر غشاء الخلية مقابل تدرج التركيز

(أ) النقل السلبي (ب) النقل النشط (ج) التناضح (د) كثرة الخلايا

15. عندما تستخدم الخلية الطاقة لتحريك المواد عبر غشاء الخلية ، تُعرف العملية باسم

(أ) التناضح (ب) النقل النشط (ج) الانتشار (د) النقل السلبي (هـ) الانتشار الميسر

16. يسمى انتشار جزيئات الماء داخل وخارج الخلايا

(أ) الانتشار (ب) كثرة الخلايا (ج) التناضح (د) النقل النشط (هـ) الانتشار الميسر

17. إن الحركة الصافية للجزيئات إلى الخلايا تعتمد بشكل كبير على
(أ) انتقائية غشاء البلازما
ب) انتقائية جدار الخلية
(ج) عدد النوى
(د) التركيب الجيني للخلية

18. خلية الدم الحمراء الموضوعة في الماء المقطر سوف تنتفخ وتنفجر بسبب انتشار
(أ) ملح من خلايا الدم الحمراء في الماء
(ب) الماء في خلايا الدم الحمراء
(ج) الماء من خلية الدم إلى بيئتها
(د) الأملاح من الماء إلى خلايا الدم الحمراء

  1. الجسيمات المحللة
  2. مجمع جولجي
  3. سلس ER
  4. النواة
  5. الخام ER
  6. الهيكل الخلوي
  7. أهداب
  8. حويصلات
  9. الريبوسومات (حشوية)
  1. صيانة الشكل الخلوي
  2. هيكل طويل يشبه السوط للحركة الخلوية
  3. مركز المعالجة والتعديل الكيميائي للخلية
  4. الهضم
  5. إنتاج الريبوسومات
  6. الحفاظ على التوازن المائي داخل الخلية
  7. تخليق البروتينات المصدرة من الخلية والبروتينات المستخدمة في العضيات الأخرى
  8. هيكل قصير يشبه الشعر للحركة الخلوية.
  9. التخليق الحيوي للدهون
  10. تخزين ونقل المواد داخل الخلية
  11. تخليق البروتينات الموجودة في السيتوبلازم

راجع الشكل أدناه للإجابة على السؤالين التاليين. يتم فصل المحاليل الموجودة في أذرع أنبوب U في الجزء السفلي من الأنبوب بواسطة غشاء قابل للاختراق بشكل انتقائي. الغشاء نافذ لكلوريد الصوديوم ولكن ليس للجلوكوز. الجانب أ مليء بمحلول من 0.4 مولار جلوكوز و 0.5 مول كلوريد صوديوم (NaCl) ويمتلئ الجانب B بمحلول يحتوي على 0.8 مولار جلوكوز و 0.4 مول كلوريد صوديوم. في البداية ، الحجم في كلا الذراعين هو نفسه.

28. في بداية التجربة ،

أ) الجانب أ مفرط التوتر إلى الجانب ب.

ب) الجانب أ ناقص التوتر إلى الجانب ب.

ج) الجانب أ متساوي التوتر إلى الجانب ب.

د) الجانب أ مفرط التوتر إلى الجانب ب بالنسبة للجلوكوز.

هـ) الجانب أ ناقص التوتر إلى الجانب ب بالنسبة إلى كلوريد الصوديوم.

29. إذا قمت بفحص الجانب "أ" بعد 3 أيام ، فيجب أن تجد

أ) انخفاض في تركيز كلوريد الصوديوم والجلوكوز وزيادة في مستوى الماء.

ب) انخفاض في تركيز كلوريد الصوديوم ، وزيادة في مستوى الماء ، وعدم وجود تغيير في تركيز الجلوكوز.

ج) لا يوجد تغيير صاف في النظام.

د) انخفاض في تركيز كلوريد الصوديوم وانخفاض في منسوب المياه.

ه) لا تغيير في تركيز كلوريد الصوديوم والجلوكوز وزيادة في مستوى الماء.


كيف تؤثر نسبة مساحة السطح إلى الحجم على معدل الانتشار؟

نسبة مساحة السطح إلى الحجم ، تعني ببساطة حجم مساحة السطح إلى حجم المادة التي يمكن أن تمر عبرها في وقت معين.
الأميبا وبعض أنواع البكتيريا مسطحة ولها مساحة كبيرة إلى نسبة الحجم. لذا فإن معدل الانتشار مرتفع جدًا بسبب مساحة السطح الكبيرة.
عندما يكون لدى البشر مساحة سطح صغيرة: يكون الحجم بطيئًا جدًا أو لا يحدث على الإطلاق.

عندما تصبح النسبة أصغر ، يستغرق انتشار العناصر وقتًا أطول.

تفسير:

عندما يزداد حجم الخلية ، يزداد الحجم أسرع من مساحة السطح ، لأن الحجم مكعّب حيث تكون مساحة السطح مربعة.

عندما يكون هناك حجم أكبر ومساحة سطح أقل ، يستغرق الانتشار وقتًا أطول ويكون أقل فعالية. هذا بسبب وجود مساحة أكبر تحتاج إلى تلقي المادة المنتشرة ، ولكن مساحة أقل لتلك المادة لدخول الخلية فعليًا.

هذا في الواقع سبب انقسام الخلايا. عندما تصبح كبيرة جدًا وتستغرق وقتًا طويلاً لنقل المواد عبر الخلية ، فإنها تفقد الكفاءة وتنقسم إلى نصفين لرفع مساحة السطح إلى نسبة الحجم.


الانتشار: الأهمية ، النفاذية ، الأغشية والأهمية | علم النبات

تُعرف حركة جزيئات الغازات والسوائل والمواد الصلبة من منطقة التركيز الأعلى للمنطقة ذات التركيز المنخفض باسم الانتشار. قد يحدث بين الغاز والغاز ، السائل والسائل ، أو الصلب والسائل.

يمكن تعريف الانتشار أيضًا على أنه حركة الجزيئات من مناطق الضغط الجزئي الأعلى إلى مناطق الضغط الجزئي المنخفض نتيجة لطاقتها الحركية الكامنة. على سبيل المثال ، عندما يتم إسقاط مكعب من السكر في دورق يحتوي على الماء ، يذوب السكر ببطء وتتحرك جزيئاته ، دون أن يحملها التيار ، من سطح المكعب إلى أجزاء أخرى من الماء في الدورق.

بعد فترة ، يختفي مكعب السكر وتتوزع جزيئات السكر بشكل موحد في جميع أنحاء الماء (الشكل 1.1). هذا هو الحال مع الغازات - غازان يتم إطلاقهما داخل حجرة مغلقة سرعان ما ينتشران في جميع أنحاء المساحة المتاحة بالكامل ويصبحان مختلطين تمامًا. عملها مألوف فيما يتعلق بالرائحة.

انتشار الجزيئات أو الأيونات عبر الغشاء نوعان:

لا تتحد الجزيئات أو الأيونات المنتشرة مع مكونات الغشاء.

(ب) الانتشار الميسر:

تنتقل الجزيئات المنتشرة عبر الغشاء بمساعدة بروتين النقل أو البروتينات الحاملة.

ضغط الانتشار (DP):

صاغ ماير (1938) المصطلح للدلالة على القدرة المحتملة لجزيئات أو أيونات أي مادة على الانتشار من منطقة تركيزها الأعلى إلى منطقة تركيزها المنخفض. يتناسب ضغط الانتشار طرديًا مع عدد الجسيمات المنتشرة. لذلك ، كلما زاد تركيز الجزيئات المنتشرة في نظام ما ، سيكون انتشارها أكبر أيضًا. الماء النقي (المذيب) سيكون له ضغط انتشار أكبر من محلول السكر.

العوامل المؤثرة في الانتشار:

قوة انتشار الجزيئات هي طاقتها الحركية (أي الإمكانات الكيميائية). وبالتالي ، تعتبر ظاهرة الانتشار ناتجة عن الاختلافات في الإمكانات الكيميائية أو الطاقة الحرة لمكونات النظام. ستؤثر جميع العوامل التي تغير الإمكانات الكيميائية للجزيئات في النهاية على معدل الانتشار.

فيما يلي بعض العوامل المهمة:

(أ) تدرج ضغط الانتشار (DPG):

معدل انتشار أي مادة يتناسب طرديا مع الاختلاف في تركيز جزيئاتها أو أيوناتها في المنطقتين ، ويتناسب عكسيا مع المسافة بين هاتين المنطقتين. وبالتالي ، فإن الاختلافات في ضغوط الانتشار تحدد معدل واتجاه الانتشار.

تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على معدل الانتشار. إذا ارتفعت درجة الحرارة ، يتم تسريع الانتشار بسبب زيادة سرعة جزيئات الانتشار.

يؤثر تركيز الجسيمات المنتشرة وكثافة السائل أو الغاز الذي يحدث من خلاله الانتشار بشكل ملحوظ على معدل الانتشار. تحدد كثافة غاز الانتشار نفسه معدل الانتشار. الغاز الأخف وزنا ، سيكون معدل انتشاره أكبر. وفقًا لقانون انتشار الغازات ، يتناسب معدل الانتشار عكسًا مع الجذر التربيعي لكثافة الغاز.

وفقًا للكثافة ، يتم انتشار المواد بالطريقة التالية:

أهمية الانتشار في النباتات:

1. تبادل الغازات من خلال الثغور (على سبيل المثال ، CO2 المدخول و O2 الإخراج أثناء التمثيل الضوئي ، و CO2 الإخراج و O2 المدخول أثناء التنفس يحدث من قبل مبدأ الانتشار المستقل.

2. النتح ينطوي على عملية الانتشار.

3. يتم امتصاص الأيونات عن طريق الانتشار البسيط أثناء pas

4. الانتشار وسيلة فعالة لنقل المواد تساعد في نقل المواد الغذائية.

5. رائحة بالقرب من الزهور ليست سوى انتشار المركبات العطرية المتطايرة. وبالتالي ، يساعد الانتشار على جذب الحشرات والحيوانات الأخرى للتلقيح.

6. يحافظ الانتشار على رطوبة جدران الخلايا للأنسجة النباتية الداخلية.

7. إنها وسيلة لنشر الأيونات والمواد الأخرى في جميع أنحاء البروتوبلاست.

أهمية الانتشار:

1. تشارك عملية الانتشار في نتح أبخرة الماء.

2. يتم تبادل الغازات أثناء عملية التنفس والتمثيل الضوئي بمساعدة الانتشار.

3. أثناء امتصاص الملح السلبي ، يتم امتصاص الأيونات من خلال عملية الانتشار.

4. كما أنه يساعد في نقل المواد الغذائية.

5. يحدث تبادل الغازات في النباتات المائية المغمورة عن طريق سطح الجسم العام (البشرة) من خلال الانتشار.

6. رائحة الأزهار ناتجة عن انتشار المركبات العطرية المتطايرة لجذب الحشرات.

النفاذية والأغشية:

النفاذية هي درجة انتشار الغازات والسوائل والمواد المذابة عبر الغشاء. تسمى أيضًا قدرة المادة على المرور عبر الغشاء باسم النفاذية. قد يكون الغشاء نافذًا بحرية لمادة واحدة ، ونفاذًا معتدلًا للمادة الثانية وقد يكون غير منفذ تمامًا للمادة الثالثة.

على هذا الأساس ، تم التعرف على أنواع الأغشية التالية:

1. غشاء نافذ بحرية:

يسمح هذا النوع من الأغشية بحرية الحركة (المرور) لمواد مختلفة ، مثل الماء ، والمذيبات الأخرى ، والأيونات المختلفة والمذابات المذابة ، وجدار الخلية e x & # 8211.

2. غشاء كتم:

هذا النوع من الأغشية لا يسمح بأي نوع من الحركة من خلاله ، على سبيل المثال ، & # 8211 جدار الخلية المستنبت.

3. غشاء شبه منفذ:

يسمح هذا النوع من الأغشية بمرور جزيئات المذيبات فقط من خلاله. لا يسمح بحركة الجزيئات الذائبة ، على سبيل المثال ، غشاء البيض ، المثانة الحيوانية ، غشاء الرق. يمكن تحضيرها بشكل مصطنع أيضًا.

4. غشاء منفذ بشكل انتقائي أو غشاء منفذي تفاضليًا:

تسمح هذه الأغشية فقط لبعض الجزيئات المختارة (من المذاب والمذيب) بالمرور خلالها. معظم الأغشية البيولوجية ، مثل غشاء الخلية ، و Tonoplast (غشاء فجوي) والغشاء المحيط بالعضيات تحت الخلوية قابلة للنفاذ بشكل انتقائي.هذه الأغشية تعطي معاملة تفاضلية لأنواع مختلفة من الجزيئات. تتحرك بعض الجزيئات بسرعة كبيرة ، وبعضها يتحرك ببطء شديد ، بينما لا يتحرك البعض الآخر على الإطلاق. السيلوفان هو الغشاء غير الحي القابل للنفاذ بشكل انتقائي.


محتويات

شوهدت الخلايا لأول مرة في القرن السابع عشر في أوروبا مع اختراع المجهر المركب. في عام 1665 ، وصف روبرت هوك اللبنة الأساسية لجميع الكائنات الحية بأنها "خلايا" بعد النظر إلى قطعة من الفلين وملاحظة بنية تشبه الخلية ، [3] [4] ومع ذلك ، كانت الخلايا ميتة ولم تعط أي إشارة إلى المكونات الإجمالية الفعلية للخلية. بعد بضع سنوات ، في عام 1674 ، كان أنطون فان ليفينهوك أول من قام بتحليل الخلايا الحية في فحصه للطحالب. كل هذا سبق نظرية الخلية التي تنص على أن جميع الكائنات الحية تتكون من خلايا وأن الخلايا هي الوحدة الوظيفية والهيكلية للكائنات الحية. انتهى هذا الأمر في نهاية المطاف من قبل عالم النبات ماتياس شلايدن [4] وعالم الحيوان تيودور شوان في عام 1838 ، اللذين شاهدًا الخلايا الحية في الأنسجة النباتية والحيوانية على التوالي. [5] بعد 19 عامًا ، ساهم رودولف فيرشو بشكل أكبر في نظرية الخلية ، مضيفًا أن جميع الخلايا تأتي من انقسام الخلايا الموجودة مسبقًا. [5] على الرغم من قبولها على نطاق واسع ، إلا أن هناك العديد من الدراسات التي تشكك في صحة نظرية الخلية. الفيروسات ، على سبيل المثال ، تفتقر إلى الخصائص المشتركة للخلية الحية ، مثل الأغشية والعضيات الخلوية والقدرة على التكاثر من تلقاء نفسها. [6] كافح العلماء لتحديد ما إذا كانت الفيروسات حية أم لا وما إذا كانت تتفق مع نظرية الخلية.

تبحث أبحاث بيولوجيا الخلية الحديثة في طرق مختلفة لاستنبات الخلايا ومعالجتها خارج الجسم الحي لإجراء مزيد من البحث في علم التشريح البشري وعلم وظائف الأعضاء ، ولاشتقاق الأدوية. تطورت التقنيات التي تدرس بها الخلايا. بسبب التقدم في الفحص المجهري ، سمحت التقنيات والتقنيات للعلماء بالحصول على فهم أفضل لهيكل ووظيفة الخلايا. العديد من التقنيات المستخدمة بشكل شائع لدراسة بيولوجيا الخلية مذكورة أدناه: [7]

    : يستخدم الخلايا سريعة النمو على الوسائط التي تسمح بكمية كبيرة من نوع خلية معين وطريقة فعالة لدراسة الخلايا. [8]: علامات الفلورسنت مثل GFP ، تستخدم لتسمية مكون معين من الخلية. بعد ذلك ، يتم استخدام طول موجي ضوئي معين لإثارة علامة الفلورسنت التي يمكن تصورها بعد ذلك. [8]: يستخدم الجانب البصري للضوء لتمثيل تغيرات المرحلة الصلبة والسائلة والغازية كاختلافات في السطوع. [8]: يجمع بين الفحص المجهري الفلوري والتصوير من خلال تركيز الضوء وحالات التصوير المفاجئ لتشكيل صورة ثلاثية الأبعاد. [8]: يتضمن تلطيخ المعادن ومرور الإلكترونات عبر الخلايا ، والتي تنحرف عند التفاعل مع المعدن. هذا يشكل في النهاية صورة للمكونات التي تتم دراستها. [8]: يتم وضع الخلايا في الجهاز الذي يستخدم شعاعًا لتشتت الخلايا بناءً على جوانب مختلفة وبالتالي يمكن فصلها بناءً على الحجم والمحتوى. يمكن أيضًا تمييز الخلايا باستخدام GFP-florescence ويمكن فصلها بهذه الطريقة أيضًا. [9]: تتطلب هذه العملية تفتيت الخلية باستخدام درجة حرارة عالية أو صوتنة متبوعة بالطرد المركزي لفصل أجزاء الخلية مما يسمح بدراستها بشكل منفصل. [8]

هناك تصنيفان أساسيان للخلايا: بدائية النواة وحقيقية النواة. تتميز الخلايا بدائية النواة عن الخلايا حقيقية النواة بغياب نواة الخلية أو عضية أخرى مرتبطة بالغشاء. [10] تعد الخلايا بدائية النواة أصغر بكثير من الخلايا حقيقية النواة ، مما يجعلها أصغر شكل من أشكال الحياة. [11] تشمل الخلايا بدائية النواة البكتيريا والعتائق ، وتفتقر إلى نواة خلية مغلقة. كلاهما يتكاثر من خلال الانشطار الثنائي. البكتيريا ، النوع الأكثر بروزًا ، لها عدة أشكال مختلفة تشمل بشكل أساسي كروي وقضيب الشكل. يمكن تصنيف البكتيريا على أنها موجبة الجرام أو سلبية الجرام اعتمادًا على تكوين جدار الخلية. تشمل السمات الهيكلية البكتيرية السوط الذي يساعد الخلية على الحركة ، [12] الريبوسومات لترجمة الحمض النووي الريبي إلى بروتين ، [12] ونيوكليويد الذي يحمل كل المواد الجينية في بنية دائرية. [12] هناك العديد من العمليات التي تحدث في الخلايا بدائية النواة والتي تسمح لها بالبقاء على قيد الحياة. على سبيل المثال ، في عملية تسمى الاقتران ، يسمح عامل الخصوبة للبكتيريا بامتلاك قضيب يسمح لها بنقل الحمض النووي إلى بكتيريا أخرى تفتقر إلى عامل F ، مما يسمح بنفاذية المقاومة مما يسمح لها بالبقاء في بيئات معينة. [13]

يمكن أن تكون الخلايا حقيقية النواة إما أحادية الخلية أو متعددة الخلايا [12] وتشمل الخلايا الحيوانية والنباتية والفطريات والأوليات التي تحتوي جميعها على عضيات ذات أشكال وأحجام مختلفة. [14]

تحرير هيكل الخلايا حقيقية النواة

تتكون الخلايا حقيقية النواة من العضيات التالية:

    : يعمل هذا كمخزن للجينوم والمعلومات الوراثية للخلية ، يحتوي على كل الحمض النووي المنظم في شكل كروموسومات. إنه محاط بغلاف نووي ، والذي يتضمن مسام نووية تسمح بنقل البروتينات بين داخل وخارج النواة. [15] هذا أيضًا موقع لتكرار الحمض النووي وكذلك نسخ الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي. بعد ذلك ، يتم تعديل الحمض النووي الريبي ونقله إلى العصارة الخلوية لترجمته إلى بروتين. : هذه البنية داخل النواة ، وعادة ما تكون كثيفة وكروية الشكل. إنه موقع تخليق الحمض النووي الريبي (الرنا الريباسي) ، وهو أمر ضروري لتجميع الريبوسوم. : يعمل هذا على تصنيع البروتينات وتخزينها وإفرازها لجهاز جولجي. [16]: يعمل هذا على إنتاج الطاقة أو ATP داخل الخلية. على وجه التحديد ، هذا هو المكان الذي تحدث فيه دورة كريبس أو دورة TCA لإنتاج NADH و FADH. بعد ذلك ، يتم استخدام هذه المنتجات ضمن سلسلة نقل الإلكترون (ETC) والفسفرة المؤكسدة للإنتاج النهائي لـ ATP. [17]: يعمل هذا على معالجة البروتينات وتغليفها وإفرازها إلى وجهتها. تحتوي البروتينات على تسلسل إشارة يسمح لجهاز جولجي بالتعرف عليها وتوجيهها إلى المكان الصحيح. [18]: تعمل الليزوزوم على تحطيم المواد التي يتم إحضارها من خارج الخلية أو العضيات القديمة. يحتوي هذا على العديد من هيدرولازات الحمض والبروتياز والنوكليازات والليباز ، والتي تحلل الجزيئات المختلفة. الالتهام الذاتي هو عملية التدهور من خلال الجسيمات الحالة التي تحدث عندما تنطلق الحويصلة من ER وتبتلع المادة ، ثم تلتصق وتندمج مع الليزوزوم للسماح بتحلل المادة. [19]: وظائف لترجمة الحمض النووي الريبي إلى بروتين. : يعمل هذا على تثبيت العضيات داخل الخلايا وتشكيل بنية الخلية واستقرارها. : يمكن وصف غشاء الخلية بأنه طبقة ثنائية فسفوليبيد ويتكون أيضًا من دهون وبروتينات. [12] نظرًا لأن الطبقة الداخلية من الداخل كارهة للماء ومن أجل أن تشارك الجزيئات في التفاعلات داخل الخلية ، يجب أن تكون قادرة على عبور هذه الطبقة الغشائية للوصول إلى الخلية عن طريق الضغط الاسموزي والانتشار وتدرجات التركيز والقنوات الغشائية . [20]: وظيفة لإنتاج ألياف المغزل التي تستخدم لفصل الكروموسومات أثناء انقسام الخلية.

يمكن أن تتكون الخلايا حقيقية النواة أيضًا من المكونات الجزيئية التالية:

    : هذا يشكل الكروموسومات وهو خليط من الحمض النووي مع بروتينات مختلفة. : تساعد على دفع المواد ويمكن استخدامها أيضًا للأغراض الحسية. [21]

تحرير التمثيل الغذائي للخلية

التمثيل الغذائي الخلوي ضروري لإنتاج الطاقة للخلية وبالتالي لبقائها ويشمل العديد من المسارات. بالنسبة للتنفس الخلوي ، بمجرد توفر الجلوكوز ، يحدث تحلل السكر داخل العصارة الخلوية للخلية لإنتاج البيروفات. يخضع البيروفات لنزع الكربوكسيل باستخدام المركب متعدد الإنزيمات لتكوين acetyl coA الذي يمكن استخدامه بسهولة في دورة TCA لإنتاج NADH و FADH2. تشارك هذه المنتجات في سلسلة نقل الإلكترون لتشكل في النهاية تدرجًا بروتونيًا عبر غشاء الميتوكوندريا الداخلي. يمكن لهذا التدرج بعد ذلك أن يدفع إنتاج ATP و H2O أثناء الفسفرة المؤكسدة. [22] يشمل التمثيل الغذائي في الخلايا النباتية عملية التمثيل الضوئي التي هي ببساطة العكس تمامًا للتنفس لأنها تنتج في النهاية جزيئات الجلوكوز.

تحرير إشارات الخلية

تعد إشارات الخلية مهمة لتنظيم الخلية وللخلايا لمعالجة المعلومات من البيئة والاستجابة وفقًا لذلك. يمكن أن يحدث التشوير من خلال الاتصال الخلوي المباشر أو إشارات الغدد الصماء والباراكرين والمستبدين. يحدث التلامس المباشر بين الخلية والخلية عندما يرتبط أحد المستقبلات الموجودة في الخلية بجزيء متصل بغشاء خلية أخرى. تحدث إشارات الغدد الصماء من خلال الجزيئات التي تفرز في مجرى الدم. تستخدم إشارات Paracrine جزيئات منتشرة بين خليتين للتواصل. الأوتوكرين هو خلية ترسل إشارة إلى نفسها عن طريق إفراز جزيء يرتبط بمستقبل على سطحه. يمكن أن تكون أشكال الاتصال من خلال:

    : يمكن أن يكون من أنواع مختلفة مثل القنوات الأيونية ذات الجهد الترابطي أو ligand. السماح بتدفق وتدفق الجزيئات والأيونات. (GPCR): من المعروف على نطاق واسع أنه يحتوي على 7 مجالات عبر الغشاء. يرتبط الترابط بالمجال خارج الخلية وبمجرد أن يرتبط الترابط ، فإن هذا يشير إلى عامل تبادل الجوانين لتحويل الناتج المحلي الإجمالي إلى GTP وتنشيط الوحدة الفرعية G-α. يمكن لـ G-α استهداف بروتينات أخرى مثل adenyl cyclase أو phospholipase C ، والتي تنتج في النهاية رسلًا ثانويًا مثل cAMP و Ip3 و DAG والكالسيوم. تعمل هذه المراسلات الثانوية على تضخيم الإشارات ويمكنها استهداف القنوات الأيونية أو الإنزيمات الأخرى. أحد الأمثلة على تضخيم الإشارة هو ربط cAMP بـ PKA وتنشيطه عن طريق إزالة الوحدات الفرعية التنظيمية وإطلاق الوحدة الفرعية الحفزية. تحتوي الوحدة الفرعية الحفزية على تسلسل توطين نووي يدفعها إلى الدخول في النواة وتفسفر البروتينات الأخرى إما لقمع أو تنشيط نشاط الجين. [22]: ربط عوامل النمو ، وزيادة تعزيز التيروزين على الجزء داخل الخلايا من البروتين لعبور الفسفوريلات. يصبح التيروزين الفسفوري منصة هبوط للبروتينات التي تحتوي على مجال SH2 مما يسمح بتنشيط Ras ومشاركة مسار كيناز MAP. [23]

تحرير دورة الخلية

لا تشير عملية نمو الخلية إلى حجم الخلية ، ولكن تشير إلى كثافة عدد الخلايا الموجودة في الكائن الحي في وقت معين. يتعلق نمو الخلية بالزيادة في عدد الخلايا الموجودة في الكائن الحي أثناء نموها وتطورها مع زيادة حجم الكائن الحي وكذلك عدد الخلايا الموجودة. الخلايا هي أساس جميع الكائنات الحية وهي الوحدة الأساسية للحياة. إن نمو الخلايا وتطورها ضروريان لصيانة العائل وبقاء الكائن الحي. For this process, the cell goes through the steps of the cell cycle and development which involves cell growth, DNA replication, cell division, regeneration, and cell death. The cell cycle is divided into four distinct phases: G1, S, G2, and M. The G phase – which is the cell growth phase – makes up approximately 95% of the cycle. The proliferation of cells is instigated by progenitors. All cells start out in an identical form and can essentially become any type of cells. Cell signaling such as induction can influence nearby cells to differentiate determinate the type of cell it will become. Moreover, this allows cells of the same type to aggregate and form tissues, then organs, and ultimately systems. The G1, G2, and S phase (DNA replication, damage and repair) are considered to be the interphase portion of the cycle, while the M phase (mitosis) is the cell division portion of the cycle. Mitosis is composed of many stages which include, prophase, metaphase, anaphase, telophase, and cytokinesis, respectively. The ultimate result of mitosis is the formation of two identical daughter cells.

The cell cycle is regulated by a series of signaling factors and complexes such as cyclins, cyclin-dependent kinase, and p53. When the cell has completed its growth process and if it is found to be damaged or altered, it undergoes cell death, either by apoptosis or necrosis, to eliminate the threat it can cause to the organism's survival. [24]

Cell mortality, cell lineage immortality Edit

The ancestry of each present day cell presumably traces back, in an unbroken lineage for over 3 billion years to the origin of life. It is not actually cells that are immortal but multi-generational cell lineages. [25] The immortality of a cell lineage depends on the maintenance of cell division potential. This potential may be lost in any particular lineage because of cell damage, terminal differentiation as occurs in nerve cells, or programmed cell death (apoptosis) during development. Maintenance of cell division potential over successive generations depends on the avoidance and the accurate repair of cellular damage, particularly DNA damage. In sexual organisms, continuity of the germline depends on the effectiveness of processes for avoiding DNA damage and repairing those DNA damages that do occur. Sexual processes in eukaryotes, as well as in prokaryotes, provide an opportunity for effective repair of DNA damages in the germ line by homologous recombination. [25] [26]

The scientific branch that studies and diagnoses diseases on the cellular level is called cytopathology. Cytopathology is generally used on samples of free cells or tissue fragments, in contrast to the pathology branch of histopathology, which studies whole tissues. Cytopathology is commonly used to investigate diseases involving a wide range of body sites, often to aid in the diagnosis of cancer but also in the diagnosis of some infectious diseases and other inflammatory conditions. For example, a common application of cytopathology is the Pap smear, a screening test used to detect cervical cancer, and precancerous cervical lesions that may lead to cervical cancer.


المواد والأساليب

زراعة الخلايا

NRK fibroblastic cells were grown in Ham's F12 medium supplemented with antibiotics and 10% FBS. Cells were plated on 12-mm-ϕ coverslip-based dishes (for single fluorophore imaging) or 18-mm × 18-mm coverslips (for high-speed video imaging) and used 2 d later.

Lipid probe incorporation

DOPE was purchased from Avanti Polar Lipids, Inc., Cy3 from Amersham Pharmacia Biotech, and FITC (isomer I) from Molecular Probes Inc. For single fluorophore imaging, DOPE conjugated with Cy3 in the head group region (Cy3–DOPE) was dissolved in 10 μl of methanol (10 μg/ml), which was then diluted to 1 ml with HBSS buffered with 2 mM Pipes, pH 7.2, (HP) while vortexing vigorously. It was further diluted to 0.4 ng/ml for the appropriate incorporation into cells at 37°C. Individual Cy3–DOPE molecules were observed on the dorsal cell membrane at the video rate using an objective-type total internal reflection microscope (Sako et al., 2000 Iino et al., 2001). For high-speed video imaging, DOPE conjugated with fluorescein in the head group region was diluted with the HP medium in the same way as Cy3–DOPE except that the final concentration of fluorescein–DOPE was 2 μg/ml.

Gold probe preparation and labeling

40-nm-ϕ colloidal gold particles (BBInternational) conjugated with Fab fragments of antifluorescein antibodies (Molecular Probes Inc.) were prepared by mixing 50 μl of 13.2 μg/ml Fab in 2 mM phosphate buffer, pH 7.2, and 500 μl of colloidal gold suspension (1.2 μg/ml of Fab in the mixture) (Tomishige et al., 1998). After incubating for 1 h at room temperature, the Fab–gold complex was further stabilized with 0.05% Carbowax 20 M (Sigma-Aldrich). After two washes by centrifugation and resuspension in 0.05% Carbowax/2 mM phosphate buffer, pH 7.2, the conjugates were resuspended in 0.05% Carbowax 20M/HBSS buffered with 2 mM Pipes, pH 7.2 (HP–CW). The gold probe suspension (∼0.02 nM of gold particles) was added to cells that had been incubated with fluorescein–DOPE.

The amount of Fab fragments mixed with the gold particles was varied to minimize the effect of lipid cross-linking by the gold probe. As the Fab concentration was reduced (when it was mixed with gold particles), the diffusion rate of the gold–DOPE complex determined at the video rate (د100ms) was increased, and it reached a plateau value of 0.49 μm 2 /s when 1.2 μg/ml of Fab was used. At this concentration, the ratio of particles bound specifically versus nonspecifically (without incorporation of fluorescein–DOPE) was 7.3 to 1 (13.2 vs. 1.8 particles/cell on average).

Colloidal gold particles conjugated with bovine holo transferrin (Wako) were prepared according to Sako and Kusumi (1994) while minimizing the effect of cross-linking by reducing the transferrin concentration mixed with the gold particles.

LUVs, as large as 10 μm in diameter, were prepared essentially according to Akashi et al. (1996) and attached to poly- l -lysine–coated coverslips.

Membrane blebs, up to 20 μm in diameter, were formed by incubating the cells with 1 mM menadione (Sigma-Aldrich) in the HP medium at 37°C for 1 h (Malorni et al., 1991). When further removal of the membrane skeleton was desired, the cells were then treated with latrunculin-A in the same way as described below.

High-speed video microscopy

High-speed video microscopy was performed as described previously (Tomishige et al., 1998). The precision of the position determination was estimated from the standard deviation of the coordinates of 40-nm-ϕ gold particles fixed in a 10% polyacrylamide gel on a poly- l -lysine–coated coverslip, and was 17 nm and 6.9 nm at time resolutions of 25 μs and 2 ms, respectively. On the cell membrane, the positions correspond to the probability distribution peaks of the diffusing gold particles during each exposure time. The quantitative analysis of lipid movement was performed based on the MSD methods described previously (Powles et al., 1992 Kusumi et al., 1993 Sako and Kusumi, 1994 Tomishige et al., 1998). For each trajectory of a particle, MSD, <(Δr(Δt)) 2 >, for every time interval was calculated according to the formula:

(Qian et al., 1991 Kusumi et al., 1993), where δt is the time resolution and (x(jδt + nδt), y(jδt + nδt)) describes the particle position after a time interval Δtن = nδt after starting at position (x(jδt), y(jδt)), N is the total number of frames in the sequence, n and j are positive integers, and n determines the time increment.

Tilting and reorientation of lipids are not likely to seriously affect the measurement of the lateral diffusion rate even at a 25-μs resolution because د100μس of DOPE in LUVs (9.4 μm 2 /s Table I) is almost the same as د33ms (9.5 μm 2 /s).

Treatment of cells with trypsin and drugs

To partially remove the extracellular domains of membrane proteins and the extracellular matrix, cells were treated with 25 μg/ml trypsin (Difco Laboratories) in the HP medium at 37°C for 10 min. To monitor the extent of cleavage, extracellular surface proteins were first tagged with sulfosuccinimidyl biotin (Sigma-Aldrich) and visualized by fluorescein–streptavidin (Molecular Probes Inc.) before and after trypsin digestion. Heparan sulfate glycosaminoglycan was detected by indirect immunofluorescence method using HepSS-1 antiheparan sulfate (Seikagaku Corp.) and fluorescein–goat anti–mouse antibody (Zymed Laboratories). Epifluorescence images of cells were quantitated by MetaView software (Universal Imaging Corp.). For cholesterol depletion (Kilsdonk et al., 1995), cells were incubated in the HP medium containing 4 mM methyl-β-cyclodextrin (Sigma-Aldrich) at 37°C for 30 min. Latrunculin-A and jasplakinolide were provided by G. Marriott (University of Wisconsin, Madison, WI). Cells were incubated in the HP–CW medium containing 50 nM latrunculin-A (Ayscough, 1998) or 400 nM jasplakinolide (Bubb et al., 2000) on the microscope stage at 37°C for 5 min. Microscopic observations were completed within 30 min after addition of drugs, before large morphological changes of the cells took place. Longer observations or higher concentrations of latrunculin-A and jasplakinolide caused the collapse and aggregation of the actin-based membrane skeleton, which results in the immobilization of gold probes, and hence were avoided.

Computer simulation

The two-dimensional, Brownian Monte Carlo algorithm employed here (Rossky et al., 1978) takes steps that are predicated on the Langevin equation, and hence allows the inclusion of the circumferential slowing effect. Extensions were made to include a spatially variable diffusivity as in Evans and Ritchie (1997). The variation in the diffusion coefficient away from the protein obstacles was taken from free area theory using the parameters of Almeida et al. (1992) (a coherence length of 15 Å for the free area disturbance, 0.25 for the relative critical free area next to an obstacle with respect to the bulk free area and a ratio of 2.5 for the relative critical free area for diffusion with respect to the bulk free area).

Online supplemental materials

Included in the online supplemental materials (available at http://www.jcb.org/cgi/content/full/jcb.200202050/DC1) are the quantitative analysis (Fig. S1) to confirm double compartmentalization of the NRK cell membrane, and the videos (Videos 1–5) showing movement of single DOPE molecules in the cell membrane, recorded by single fluorophore imaging and high-speed single particle imaging techniques. Video 1 shows the movement of single Cy3–DOPE molecules and a gold-tagged DOPE molecule on the NRK cell surface recorded at the video rate. Arrowheads in the first sequence indicate some of the DOPE molecules (with its fluorescence signal lasting longer than the average). Fluorescent spots are photobleached in single steps, indicating that these represent single Cy3–DOPE molecules. Video 2 shows the hop diffusion of gold-tagged DOPE over 230-nm compartments observed at a 25-μs resolution for 62 ms (×270 slowed). In the second sequence, their trajectories are superimposed. In the trajectories, plausible compartments are shown in different colors, based on quantitative analysis. 750-nm compartments cannot be detected in the 62-ms period. Video 3 shows the movement of gold-tagged DOPE (×270 slowed) diffusing freely on a large unilamellar vesicle, observed at a 25-μs resolution. In the second sequence, its trajectory is superimposed. Video 4 shows the hop diffusion of gold-tagged DOPE over 750-nm compartments, observed at a 2-ms resolution (×3.3 slowed). At this time resolution, the 230-nm compartments, where DOPE stays for 11 ms on average, cannot be identified due to the sparsity of points. Video 5 shows the effects of f-actin depolymerizing/stabilizing drugs on the movement of DOPE at a 2-ms resolution. Partial depolymerization of the actin-based membrane skeleton by latrunculin-A treatment increased the compartment size by a factor of ∼2 in area, whereas stabilization by jasplakinolide increased the residency time by a factor of ∼2.


Insights into the Fundamental Elements of Life

Our cell biology researchers collaborate with molecular, structural, genetic, developmental and evolutionary biologists as well as experts in genomics, genetics, virology, infectious disease, computational biology, pathology and clinical research.

Many Fred Hutch scientists seek a deeper understanding of fundamental cellular structures. Structures inside cells influence everything from individual cell movement to an organism’s metabolism. They include the cytoskeleton, a dynamic internal protein network that gives cells their shape and their ability to move — a key function that spreading cancer cells can turn to their advantage. Our researchers also study how cells package and organize their DNA, which influences gene expression, and how the shape of a nerve cell’s membrane affects communication between neurons.

Our investigators also study fundamental cellular processes that cancer cells often co-opt. For example, stem cells can either renew themselves or turn into specialized cells. Cancer cells can often acquire “stem-like” properties that allow them to grow unfettered. Our researchers study normal and cancer stem cells, as well as characteristics of early-developing organs that tumors can adopt. Other processes they study in the context of health and disease include how cells adhere to and communicate with one another and how they build proteins.


I am looking for:

In this animated object, learners view molecules as they collide and move between two different solutions. They also observe what happens when the temperature of the solutions is raised or lowered.

متعلق ب

بواسطة Amy Janssen

Learners test their knowledge in this drag-and-drop exercise by identifying coding errors in health care claim cases.

بواسطة Becky Polk-Pohlman

In this animated and interactive object, learners examine the location, structure, and function of the juxtaglomerular (JG) apparatus.

بواسطة Carol Parent-Paulson

This animated object illustrates the events leading to the migration of phagocytes into areas of tissue damage and/or bacterial presence. Learners view bacterial cell phagocytosis, its subsequent enzymatic digestion, and exocytosis.

بواسطة Becky Polk-Pohlman

Students identify the various regions of the human body through video.

ربما يعجبك أيضا

بواسطة Wendy Dusek

In this highly animated and colorful object, learners examine the steps of carbohydrate digestion. A brief quiz completes the activity.

بواسطة Carolyn Byom

Learners examine the different stages of maturation for red blood cells, white blood cells, and platelets. A quiz completes the activity.

بواسطة Terry Bartelt

Learners study the effect of reflected and transmitted energy on the measurement of emitted energy by a non-blackbody. A short quiz completes the activity.

بواسطة Kathleen Lee

In this animated and interactive object, learners conduct an experiment online to illustrate how a greater number of particles in a "vessel" increases osmotic pressure.

بواسطة Ann Jadin

In this interactive object, learners examine problem areas related to patients with arthritic conditions. They also identify treatment precautions and design a treatment plan.


شاهد الفيديو: A Tour of the Cell (أغسطس 2022).