Κεφάλαιο 3.3 – Μεταφορά ουσιών διαμέσου της πλασματικής μεμβράνης – Απαντήσεις – Λύσεις (σελ. 70-73)

Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα

Άσκηση 7 (σελ. 70)

Ένα τεχνητό κύτταρο περιβάλλεται από ημιπερατή μεμβράνη διαπερατή στο νερό και στους μονοσακχαρίτες, αλλά τελείως αδιαπέραστη στους δισακχαρίτες. Στο εσωτερικό του υπάρχει διάλυμα Γλυκόζη 0,2 Μ και Σακχαρόζη 0,3 Μ. Το κύτταρο τοποθετείται σε εξωτερικό διάλυμα Σακχαρόζη 0,1 Μ, Γλυκόζη 0,1 Μ και Φρουκτόζη 0,1 Μ. 1. Ποιο σάκχαρο εξάγεται από το κύτταρο και γιατί; 2. Ποιο σάκχαρο εισάγεται στο κύτταρο και γιατί; 3. Το τεχνητό κύτταρο θα φουσκώσει ή θα συρρικνωθεί και γιατί;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Η μεμβράνη είναι διαπερατή μόνο στο νερό και στους μονοσακχαρίτες (γλυκόζη, φρουκτόζη), όχι στη σακχαρόζη (δισακχαρίτης). Οι μονοσακχαρίτες διαχέονται ελεύθερα από την υψηλή προς τη χαμηλή τους συγκέντρωση, ενώ η σακχαρόζη παραμένει παγιδευμένη· η ώσμωση του νερού καθορίζεται από τη συνολική συγκέντρωση των ουσιών που ΔΕΝ μπορούν να διαπεράσουν τη μεμβράνη.

Λύση:

1. Γλυκόζη (μονοσακχαρίτης, διαπερατή): ενδοκυτταρικά 0,2 Μ, εξωκυτταρικά 0,1 Μ ⟹ διαχέεται προς τα έξω.
2. Φρουκτόζη (μονοσακχαρίτης, διαπερατή): υπάρχει μόνο εξωκυτταρικά (0,1 Μ), ενδοκυτταρικά 0 ⟹ διαχέεται προς τα μέσα.
3. Σακχαρόζη (δισακχαρίτης, μη διαπερατή): παραμένει παγιδευμένη στο εσωτερικό στα 0,3 Μ, χωρίς να μπορεί να εξέλθει, ανεξάρτητα από την εξωτερική της συγκέντρωση (0,1 Μ).
4. Επειδή η μη διαπερατή σακχαρόζη διατηρεί υψηλότερη «αποτελεσματική» ενδοκυτταρική συγκέντρωση διαλυμένων σωματιδίων, το νερό εισέρχεται στο κύτταρο με ώσμωση.

Απάντηση: 1. Εξάγεται η γλυκόζη, γιατί η ενδοκυτταρική της συγκέντρωση (0,2 Μ) είναι μεγαλύτερη από την εξωκυτταρική (0,1 Μ) και διαχέεται ελεύθερα. 2. Εισάγεται η φρουκτόζη, γιατί υπάρχει μόνο έξω από το κύτταρο (0,1 Μ) και διαχέεται προς τα μέσα όπου αρχικά απουσιάζει. 3. Το κύτταρο θα φουσκώσει, γιατί η σακχαρόζη (0,3 Μ) παραμένει παγιδευμένη στο εσωτερικό, χωρίς να μπορεί να διαπεράσει τη μεμβράνη, με αποτέλεσμα να εισέρχεται νερό με ώσμωση.

Άσκηση 8 (σελ. 70)

Στους πίνακες που ακολουθούν σημειώνονται οι αρχικές και οι τελικές συγκεντρώσεις (ενδοκυτταρικές και εξωκυτταρικές) τριών ουσιών ενός αερόβιου κυττάρου που διαμετακινήθηκαν μέσω της πλασματικής μεμβράνης.

ΑΡΧΙΚΕΣ: Ενδοκυτταρική συγκέντρωση: Α 0,5 Μ, Β 0,1 Μ, Γ 0,3 Μ· Εξωκυτταρική συγκέντρωση: Α 0,5 Μ, Β 0,5 Μ, Γ 0,7 Μ.

ΤΕΛΙΚΕΣ: Ενδοκυτταρική συγκέντρωση: Α 0,1 Μ, Β 0,3 Μ, Γ 0,2 Μ· Εξωκυτταρική συγκέντρωση: Α 0,4 Μ, Β 0,3 Μ, Γ 0,8 Μ.

Να απαντήσετε στις ακόλουθες ερωτήσεις:

1. Ποια-ες ουσία-ες μεταφέρθηκε-αν με παθητική μεταφορά (διάχυση), ποια-ες με ενεργητική μεταφορά και γιατί;

2. Αν η παροχή οξυγόνου στο κύτταρο περιοριστεί, ποιας ή ποιων ουσιών θα επιβραδυνθεί αντίστοιχα η μεταφορά και γιατί;

3. Να ονομάσετε μια κυτταρική λειτουργία στην οποία σημαντικό ρόλο παίζει η παθητική μεταφορά και μια κυτταρική λειτουργία στην οποία σημαντικό ρόλο παίζει η ενεργητική μεταφορά.

4. Να περιγράψετε τον τρόπο με τον οποίο εισάγονται και εξάγονται από τα κύτταρα ουσίες μεγάλου μοριακού βάρους και σωματίδια τροφής.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Για κάθε ουσία εξετάζουμε προς ποια κατεύθυνση κινήθηκε (από τη μεταβολή της εξωκυτταρικής συγκέντρωσης) και αν η κίνηση έγινε από υψηλή προς χαμηλή συγκέντρωση (παθητική μεταφορά, χωρίς ενέργεια) ή αντίθετα (ενεργητική μεταφορά, με κατανάλωση ενέργειας από τον αερόβιο μεταβολισμό, άρα εξαρτάται από το οξυγόνο). Προσέχουμε ότι μια ουσία που εισέρχεται μπορεί να καταναλώνεται μέσα στο κύτταρο, οπότε η ενδοκυτταρική της συγκέντρωση μειώνεται.

Λύση:

1. Ουσία Α: η εξωκυτταρική συγκέντρωση μειώθηκε (0,5 Μ → 0,4 Μ), άρα η ουσία εισήλθε στο κύτταρο. Η ενδοκυτταρική της συγκέντρωση μειώθηκε κι αυτή (0,5 Μ → 0,1 Μ), που σημαίνει ότι η ουσία καταναλώνεται μέσα στο κύτταρο (π.χ. όπως το O₂ σε ένα αερόβιο κύτταρο). Έτσι η ενδοκυτταρική συγκέντρωση διατηρείται χαμηλότερη από την εξωκυτταρική και η ουσία εισέρχεται από υψηλή προς χαμηλή συγκέντρωση ⟹ παθητική μεταφορά (διάχυση).
2. Ουσία Β: αρχικά ενδοκυτταρικά 0,1 Μ και εξωκυτταρικά 0,5 Μ· τελικά 0,3 Μ και 0,3 Μ. Η ουσία εισήλθε από την υψηλή προς τη χαμηλή συγκέντρωση μέχρι να εξισωθούν οι συγκεντρώσεις ⟹ παθητική μεταφορά (διάχυση).
3. Ουσία Γ: η ενδοκυτταρική συγκέντρωση μειώθηκε (0,3 Μ → 0,2 Μ) και η εξωκυτταρική αυξήθηκε (0,7 Μ → 0,8 Μ), άρα η ουσία εξήχθη από το κύτταρο, από χαμηλή (0,3 Μ) προς υψηλή (0,7 Μ) συγκέντρωση, δηλαδή αντίθετα στη διαφορά συγκέντρωσης ⟹ ενεργητική μεταφορά.
4. Περιορισμός οξυγόνου: μειώνεται η παραγωγή ενέργειας (ATP) από τον αερόβιο μεταβολισμό, οπότε επιβραδύνεται μόνο η ενεργητική μεταφορά, δηλαδή η μεταφορά της ουσίας Γ.

Απάντηση: 1. Οι ουσίες Α και Β μεταφέρθηκαν με παθητική μεταφορά (διάχυση), γιατί κινήθηκαν από περιοχή υψηλής προς περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης: η Β μέχρι να εξισωθούν οι συγκεντρώσεις (0,3 Μ = 0,3 Μ), ενώ η Α εισέρχεται συνεχώς επειδή καταναλώνεται μέσα στο κύτταρο. Η ουσία Γ μεταφέρθηκε με ενεργητική μεταφορά, γιατί εξήχθη από το κύτταρο αντίθετα στη διαφορά συγκέντρωσης (από 0,3 Μ μέσα προς 0,7 Μ έξω), κάτι που απαιτεί κατανάλωση ενέργειας. 2. Θα επιβραδυνθεί η μεταφορά της ουσίας Γ, γιατί η ενεργητική μεταφορά απαιτεί ενέργεια που το αερόβιο κύτταρο παράγει με χρήση οξυγόνου· η παθητική μεταφορά (Α, Β) δεν απαιτεί ενέργεια. 3. Παθητική μεταφορά: η ανταλλαγή O₂ και CO₂ μεταξύ κυττάρου και περιβάλλοντος (κυτταρική αναπνοή). Ενεργητική μεταφορά: η λειτουργία της αντλίας Na⁺-K⁺ στα νευρικά κύτταρα. 4. Ουσίες μεγάλου μοριακού βάρους και σωματίδια τροφής εισάγονται με ενδοκύττωση (η μεμβράνη περιβάλλει την ουσία και σχηματίζει κυστίδιο που περνά στο εσωτερικό του κυττάρου) και εξάγονται με εξωκύττωση (κυστίδιο συντήκεται με την πλασματική μεμβράνη και απελευθερώνει το περιεχόμενό του έξω από το κύτταρο)· και οι δύο διαδικασίες απαιτούν κατανάλωση ενέργειας.

Πρόσεξε:

• Η μείωση της ενδοκυτταρικής συγκέντρωσης δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η ουσία βγαίνει από το κύτταρο: κοιτάμε και την εξωκυτταρική συγκέντρωση για να βρούμε την κατεύθυνση της μεταφοράς (η Α εισέρχεται και καταναλώνεται).

Άσκηση 15 (σελ. 71)

Περιγράψτε τις διαδικασίες που απεικονίζονται στο διάγραμμα: αριστερά η εξωκύττωση (κυστίδια στο κυτταρόπλασμα κατευθύνονται προς την κυτταρική μεμβράνη, συγχωνεύονται με αυτήν και απελευθερώνουν το περιεχόμενό τους στο περιβάλλον) και δεξιά η ενδοκύττωση (εγκολπώσεις της κυτταρικής μεμβράνης περικλείουν υλικό από το περιβάλλον, σχηματίζοντας κυστίδια που εισέρχονται στο κυτταρόπλασμα).

Σκέψη / Μεθοδολογία: Περιγράφουμε τα δύο μηχανισμούς ως αντίστροφες διαδικασίες μεταφοράς μεγαλομοριακών ουσιών, τονίζοντας τα στάδια εγκόλπωσης/απόσπασης κυστιδίου.

Απάντηση: Στην εξωκύττωση, μια ουσία προς αποβολή περικλείεται σε κυστίδιο στο εσωτερικό του κυττάρου· το κυστίδιο μετακινείται προς την πλασματική μεμβράνη, συντήκεται με αυτήν και απελευθερώνει το περιεχόμενό του στο εξωκυττάριο περιβάλλον. Στην ενδοκύττωση συμβαίνει η αντίστροφη πορεία: η πλασματική μεμβράνη σχηματίζει εγκόλπωση γύρω από υλικό του περιβάλλοντος, τα άκρα της ενώνονται, η μεμβράνη περισφίγγεται και αποκόπτεται, δημιουργώντας κυστίδιο που απελευθερώνεται στο κυτταρόπλασμα. Και οι δύο διαδικασίες γίνονται με κατανάλωση ενέργειας.

Άσκηση Ας ερευνήσουμε 4 (σελ. 73)

Προσθέτουμε μια σταγόνα διαλύματος 5% NaCl πάνω σε φύλλα του υδρόβιου φυτού Elodea. Παρατηρώντας τα φύλλα στο μικροσκόπιο, διαπιστώνουμε άχρωμες περιοχές στην περιφέρεια κάθε κυττάρου, που οφείλονται στο ότι οι κυτταρικές μεμβράνες συρρικνώνονται και αποκολλώνται από τα κυτταρικά τοιχώματα. Αξιοποιώντας γνώσεις Χημείας και Βιολογίας, εξηγήστε τι συνέβη στα κύτταρα αυτά.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Το διάλυμα 5% NaCl είναι υπέρτονο σε σχέση με το κυτταρόπλασμα· εφαρμόζουμε την έννοια της ώσμωσης και της πλασμόλυσης σε φυτικό κύτταρο, όπου το άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα διατηρεί το σχήμα ενώ μόνο η πλασματική μεμβράνη συρρικνώνεται.

Απάντηση (ενδεικτική): Το διάλυμα NaCl 5% είναι υπέρτονο σε σχέση με το εσωτερικό του φυτικού κυττάρου, δηλαδή έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση διαλυμένων σωματιδίων. Με ώσμωση, το νερό εξέρχεται από το κύτταρο προς το εξωτερικό διάλυμα, ώστε να μειωθεί η διαφορά συγκέντρωσης. Καθώς χάνεται νερό, το κυτταρόπλασμα και η πλασματική μεμβράνη συρρικνώνονται και αποκολλώνται από το άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα (το οποίο διατηρεί σχεδόν αναλλοίωτο το αρχικό του σχήμα, αφού δεν επηρεάζεται από την απώλεια νερού). Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται πλασμόλυση και εξηγεί τις άχρωμες περιοχές που παρατηρούνται ανάμεσα στη συρρικνωμένη μεμβράνη και στο τοίχωμα.