New User Special Price Expires in

Let's log you in.

Sign in with Facebook


Don't have a StudySoup account? Create one here!


Create a StudySoup account

Be part of our community, it's free to join!

Sign up with Facebook


Create your account
By creating an account you agree to StudySoup's terms and conditions and privacy policy

Already have a StudySoup account? Login here

Chapter 6: Interactions Between Cells and the Extracellular Environment

by: Olivia Addis

Chapter 6: Interactions Between Cells and the Extracellular Environment BIOL 3160

Marketplace > Clemson University > Biological Sciences > BIOL 3160 > Chapter 6 Interactions Between Cells and the Extracellular Environment
Olivia Addis

Preview These Notes for FREE

Get a free preview of these Notes, just enter your email below.

Unlock Preview
Unlock Preview

Preview these materials now for free

Why put in your email? Get access to more of this material and other relevant free materials for your school

View Preview

About this Document

It would be helpful to look at the images in Dr. McNutt's posted notes, but all of the concepts from the graphics are explained.
Human Physiology
Dr. Tamara McNutt-Scott
Class Notes
25 ?




Popular in Human Physiology

Popular in Biological Sciences

This 12 page Class Notes was uploaded by Olivia Addis on Thursday January 28, 2016. The Class Notes belongs to BIOL 3160 at Clemson University taught by Dr. Tamara McNutt-Scott in Fall 2015. Since its upload, it has received 145 views. For similar materials see Human Physiology in Biological Sciences at Clemson University.


Reviews for Chapter 6: Interactions Between Cells and the Extracellular Environment


Report this Material


What is Karma?


Karma is the currency of StudySoup.

You can buy or earn more Karma at anytime and redeem it for class notes, study guides, flashcards, and more!

Date Created: 01/28/16
Chapter 6: Interactions Between Cells and the Extracellular Environment Extracellular Fluid (ECF) – interact with neighboring cells, tissues, and/or organs  Cells use ECF to obtain nourishment, release secretions, and eliminate wastes. o Interactions between cells occur through chemical regulators into the  extracellular environment. Body Fluids – 2 Compartments Extracellular (33%): blood plasma and interstitial fluid through which there is much  exchange.  More homogenous than intracellular to accommodate the needs of diverse cells. Intracellular (67%) Fluids are the connection between cells, tissues, and organs.  Cells secrete chemical regulators or nutrients that move through the ECM to the  target. Extracellular Matrix – connective tissue of tissue/organ  Complex network of proteins that are structured specific for a tissue o Interstitial Fluid (IF) with a structural component  Functions: scaffolding for cellular attachment and transmits information to  regulate activity, migration, growth, and differentiation.  ECM is composed of fibrous proteins (collagen and elastin) and a ground  substance, which is like a hydrated gel and where the Interstitial Fluid is located o Ground Substance is made up of glyocoproteins and proteoglycans.  Glycoproteins are on the surface of the PM and affect interactions  between cell and extracellular environment. (EX: integrins)  Proteoglycans love to bind water along with other proteins, which  helps to create the gel.  o Ground substance is a highly functional, complex organization of  molecules chemically linked to extracellular protein fibers and  glycoproteins of glycocalyx.  Provides structural strength to connective tissues. o Integrins are adhesion molecules between cell and ECM to join the  intracellular to the extracellular  serve to relay signals to integrate them o *Toxins in snake venom block integrin­binding site on platelets, which  slows blood clotting.  Transport Across the Plasma Membrane  The plasma membrane (PM) serves as a “barrier” between extracellular and  intracellular compartments  PM is selectively permeable, but also has dynamic  permeability meaning that it can change in different circumstances to meet the  needs of the cell  Membrane Transport Processes: o Passive – requires no energy because the net movement of molecules and  ions across the PM move from high to low concentration (down the  concentration gradient).  Diffusion: must be lipid­soluble to flow through PM  Facilitated Diffusion: requires a carrier protein o Active – requires energy because the net movement is from low to high  concentration (up the concentration gradient).   Carrier­Mediated vs. Transport Without A Carrier o Carrier Mediated: Facilitated Diffusion and Active Transport o Non­Carrier: Simple Diffusion (lipid­soluble), diffusion of ions through  channel, and diffusion of water through aquaporin channels.  Diffusion and Osmosis  Molecules of a solution are in constant motion involving s solvent (solution the  particle is dissolved in) and a solute (particle).   Concentration gradient exists, motion tends to eliminate the difference, with the  random motion of molecules is diffusion.  o There is movement in both directions despite the concentration gradient,  but a net movement from higher to lower occurs until equilibrium is  reached. o Mean Diffusion Time: time to reach equilibrium  It increases with distance; distances are kept within 100  micrometers for effective change with capillaries.  Diffusion Through a PM  Nonpolar molecules (O )2or small polar covalent molecules (CO ) w2thout charge  can easily move across a PM.  It will follow concentration gradient between compartments o Extracellular environment is always oxygen­rich as long as there is blood  circulation and there is a high concentration of carbon­dioxide in the cells, which allows gas exchange to occur between cells and the extracellular  environment. The opposite process occurs in the lungs.  Membrane Channels  Charged inorganic ions such as Na  and K  utilize channels that open the  membrane because they cannot flow by diffusion due to their charge.  o Channels may be open (diffusion ongoing) or gated. o Particular physiological stimuli opens and closes the gate by ion  concentration changes  leads to the production of nerve and muscle  impulses. o For large, polar molecules, carrier proteins are necessary for their  movement across a PM. Rate of Diffusion – speed of diffusion per unit time.  J = PA (C o– C)i net flow (J) is directly proportional to the concentration  gradient (Co – Ci, the surface are (A) and the membrane permeability coefficient  (P) o Greater the P, larger the J is across the PM for any give conc. difference  and A.  What effects the rate of diffusion? o Magnitude of conc. gradient, diffusing substance’s permeability to PM,  temperature, SA available , and distance.   Microvilli can inc. apical surface for diffusion to occur at the  desired rate. (Ex: small intestine and kidney)  Magnitude of a conc. gradient is the driving force for diffusion  BUT will not move if PM is not permeable to that molecule. Osmosis – net movement of water across a PM that flows along the concentration  gradient (high  low)  Requires a concentration difference in solutes and the membrane must be  impermeable to solute. o If the solute is nonpenetrating, then the water must move so that  equilibrium may be met.   If these requirements are met, the cell is said to be osmotically  active where the solute is “pulling” the water, creating an osmotic  pressure.  Aquaporins are the water channels through which water can move through the  PM. o Sometimes present and sometimes will be inserted into the PM because  regulatory molecules have received a stimuli.  They serve an import function in the kidneys. Osmotic Pressure (OP) – pressure needed to stop osmosis so that it indicates how  strongly a solution draws water.   Water is drawn more rapidly with greater solute. o Greater Solute Conc. = Greater OP o OP of pure water = 0 Molarity vs. Molality  Molarity: ratio of solute:solvent is not exactly known and the amount of water  changes according the to molecular weight of a substance.  Molality: better measurement of conc. for osmosis and it is determined with 1 mol of substance in 1 kg of water to compare solutes with the water remaining  constant. o This allows us to compare different compartments in the body. o When dealing with osmosis, molality is a more accurate measurement to  use. Osmolality – total number of solute per 1L of solution  Osmotic pressure depends on the ratio, but not the components of solutes and  solvents. o Measured in Osm  total molality of a solution  Electrolytes will ionize in a solution.  Plasma and other fluids have complex osmolality because there are many  different organic molecules and electrolytes. o Isosmotic: same osmolality as plasma in the blood Tonicity – change in shape due to volume change, due to the osmotic movement of  water.  Solute concentration and solute permeability for each solute crossing the PM must be taken into consideration. o Hypoosmotic means lower osmotic pressure than ______. o Hypotonic means less concentration than _______. o Hypertonic means high concentration than ______.  Also, higher osmolality and osmotic pressure.  Lecture Question:  When a cell comes in contact with a solution, hypertonic or hypotonic, the initial  concentration of solutes determines the degree of change.  o If a cell (300 mOsm) were placed  100 mOsm impermeant solutes, how  would its final volume compare to its intial volume?  The volume of the cell is going to triple. Homeostasis of Plasma Concentration  A variety of mechanisms exist to keep blood plasma osmolality maintained within very narrow limits. o Image on Slide16 of Notes: When a person becomes dehydrated, the blood becomes more concentrated and the total blood volume is reduced. The  increase in plasma osmolality and osmotic pressure in the cells of the  osmoreceptors in the hypothalamus stimulates them. The hypothalamus is  the homeostatic control center so it triggers ADH secretion from the  posterior pituitary, which is sent to the kidneys that stimulates it to  increase the retention of water. The second line of defense is that the  hypothalamus triggers thirst and the organism will drink. The increase in  water intake and water retention will raise the blood volume to the set  point, then acts as a negative feedback to stop the ADH secretion and  feeling of thirst.  CARRIER­MEDIATED TRANSPORT Carrier­Mediated Transport  Cellular metabolism requires the uptake of organic molecules such as glucose and amino acids, but these molecules are large and polar and cannot cross the PM by  simple diffusion; therefore, protein carriers are needed.   Carrier proteins exhibit observable characteristics including:  o specificity – carriers will only carry a particular molecule(s) o saturation – all transports are being used so that nothing more can be  moved  Saturation of the carrier proteins means that the rate of transport  has reached the transport maximum and is the highest rate. Any  more concentration does not matter, the rate will not surpass the  transport maximum.  This is different than simple diffusion because for  diffusion, as the concentration increases, so does the rate of transfer in a linear fashion. There is no transport maximum. o competition – if a carrier can transport more than one, they will compete   The molecule that is moved the most would be the molecule in the  highest concentration because it has the greatest probability to bind to the carrier protein.  Facilitated Diffusion  A type of carrier­mediated transport that moves large molecule like glucose down  its concentration gradient, which would mean that it is a passive transport and  does not require energy.  o It exhibits specificity, competition, and saturation.  In the unstimulated state, carrier proteins may be located in the membrane of  intracellular vesicles. In response to stimulation to take up more glucose, the  vesicle fuses with the PM and the carriers are inserted into the membrane. o Events are dynamic to meet the needs of the cell.  Primary Active Transport  Active transport is the movement of molecules against their concentration  gradient (low  high); therefore, it requires energy for carrier function.   Primary transport is when hydrolysis of ATP is directly responsible for the  function of the carriers.  Process: 1. The molecule will bind to its specific carrier at the “recognition site”. 2. Binding stimulates ATP hydrolysis. ATP  ADP + P i 3. The P i hosphorylates causes a conformational change in the carrier  protein. 4. The carrier protein observes a hinge­like motion so that it releases the  transported molecule to other side of the PM.   Carrier proteins that require ATP are called pumps. Na­K Pump  The Na­K Pump is a very important primary active transport carrier found in all  body cells.   Intracellular: High K  conc.  Extracellular: High Na  conc.  Summary of the process:  o 3 Na ions bind to the carrier protein, which then stimulates ATP  hydrolysis. This produces a temporary closing of the carrier, and then the  ADP is released changing the shape of the protein to allow 3 Na ions to  exit into the extracellular fluid. 2 K ions in the extracellular fluid bind to  carrier, releasing the Pifrom the carrier. After P is released, the carrier  protein is allowed to return to its initial state and the 2 K ions flow into the cytoplasm.  Functions that the steep ion gradient provide: o Provide NRG for coupled transport of other molecules o Generates Action Potentials for nervous and muscle tissue o Na movement is important for osmosis   If the pump isn’t working, there will be an increase in Na in the  cell as it tries to reach equilibrium, which causes osmotic influx of  water  swelling of cell leading to damage or even bursting Secondary Active Transport  It is active transport that is driven indirectly by passive ion gradients created by  + operation of primary active pumps. Therefore, ATP+is required to maintain Na   concentration gradients so that the flow of Na  along its gradient can move  another molecule at the same time. (cotransport) + o If the molecule moves the same direction as Na , then it is referred to as  symport. o If the molecule moves the opposite direction as Na , then it is referred to  as antiport.  What happens if the Na­K pump is poisoned? o The cell can no longer produce ATP, which maintains the concentration  gradient for the Na­K pump. As Na  comes to equilibrium, the other  molecules will cause an effect. Anything utilized will also stop.  Transport Across Membranes  Movement of solutes involves membrane proteins for facilitated diffusion, ion  channels, primary active transport, and secondary active transport.  o Can be modulated by various signals, resulting in controlled rise or fall in  solute fluxes across PM  Regulate how things are moved  Dynamic for different needs o Specialized cells may need additional and specific transporters and  channels that are optimal for that cells function. Transport Across Epithelial Membranes  Epithelial cells line surfaces and cavities so anything entering the body must pass  through an epithelial cell layer.   Functions of Epithelial Cells: o Absorption is the transport of products from cells into the blood. o Reabsorption is the transport of something originally derived from blood  back into blood circulation. o Transcellular transport (across cytoplasm), transepithelial transport  (across membrane), transcytosis (movement uses endocytosis or  exocytosis) o Paracellular Transport is transport between cells using a junctional  complex  Polarity, or definite direction of transport through epithelial cells is from apical  surface (outer) to basolateral surface (inner).  o Movement of Glucose: comes into epithelial cell on apical surface by  cotransport with Na moving down its conc. gradient. Then, ATP is used  to power the Na­K pump that and glucose can move across the basolateral  surface down its conc. gradient by facilitated diffusion. (SEE IMAGE ON  SLIDE 23 TO SEE THIS PROCESS) Junctional Complex  Connect adjacent cells for paracellular transport. It seals off epithelial membrane  forcing things to move through the epithelial membrane by selection to regulate  what comes in and out of cells, but it also provides the cell with other  characteristics.  o Presence and number of junctions depend on the location.   3 Structures: o Tight Junction – physically joins and seals 2 adjacent PMs by proteins  through them and connecting to the cytoskeleton.  Selectively permeable and sometimes even leaky o Adherens (Gap) Junction – “glue” together membranes; attached to  cytoskeleton and acts as the belt that upholds the apical surface o Desmosome – Velcroed together with many connections to cytoskeletal  elements throughout the basal ends of the cells, through which they help to distribute stress across the lining as to not damage the cells under different circumstances.  Bulk Transport – transport of multiple molecules at a time that are too big to be moved  through the membrane (EX: polypeptides and proteins)  Endocytotic Events move molecules into the cells. o Receptor Mediated: receptors on the surface are activated and the  membrane invaginates to pull molecules in, then are released into the cell  within a coated vesicle. o Pinocytosis: cell drinking by invagination pulling extracellular fluid into  the cell in a vesicle. o Phagocytosis: with “feet” that reach out to grab food to pull it into a food  vacuole.  Exocytosis secretes molecules out of cells. Vesicle joins into the plasma  membrane to secrete cellular product, which then is in the extracellular fluid.  MEMBRANE POTENTIAL The Membrane Potential – charges of opposite signs on either side of PM have the  potential to do work if allowed to come together.  Results from: o Action of Na­K pump that creates a concentration gradient and amplifies it since these ions move against their concentration gradient. o Permeability of PM; there is an unequal distribution of charges across PM  (only at PM), however, the charge is equal when added up.  The PM is more permeable to K and when it goes against its  gradient, the PM because less positively charged or negatively  charged.  Leakage channels for K, but not Na o The presence of impermeant molecule (fixed anions) pull the positively  charged cations into the cell.  This yields an observed “charge” only at the PM, and is primarily  due to the concentration gradient of K  Electrical potential is determined by the difference in the amount of charge  between 2 points.  measured in volts   For a cell, the Na­K pump and the fixed anions are constant, but the leakage  channels are an important variable.  Equilibrium Potentials  K equilibrium potential, E kis where the K conc. is stable if the membrane was  only permeable to K and is ­90mv.   Na equilibrium potential, E Nais where the Na conc. is stable if the membrane was only permeable to Na and is 66mv. o The main influences on membrane potential are Na , K , Cl, and Ca 2+  Equilibrium potentials helps explain how the PM becomes more permeable at  times. o Ex: An excitable cell because nerve impulses will come from membrane  potentials.  The membrane potential at rest is close to the E Kat ­70mv, but a little less  because there are other players. o The PM of a neuron will become permeable to Na for a brief period so  that the membrane potential moves toward E . This is the start of a action NA potential being produced.  Nernst Equation  Diffusion gradients of an ion depend on conc. differences, and the equilibrium  potential depends on the ratio of concentrations on either side of the PM.  The Nernst equation determines the electrical potential necessary to balance a  given ion conc. gradient across PM so no  net flux of the ion occurs.  o It differs between ions  for a cation, if the concentration inside is greater  than the outside, then the value is negative. 61 is always the constant. z is the valence (charge) X Ois conc. outside X is conc. inside Golman­Hodging­Katz equation (V ) m  The permeability coefficient (P) accounts for each ions permeability. o K has the highest permeability, which explains why Resting Membrane  Potential is close to K .  outside and inside   ­ reversed for Cl because  it is an anion, mvmt. has  opposite effect on PM r Resting Membrane Potential (RMP)  The potential when in a cell is in its inactivated state.  Depends on the ratio of concentrations of each ion and the permeability of each  ion.  + + ­ 2 Most important players: Na , K , Cl, and Ca o Their contributions are dependent on their conc. differences and  permeabilities.  Any change in conc. will change the RMP, but only as much as the membrane is permeable to.  Change in permeability will also change RMP  Na would have  the greatest effect because it has the lowest permeability, which is  why it plays a big role in excitable cells creating an action  potential.  Normal RMP range for cells: ­65mV to ­85mV Lecture Question:  Would lowering a neuron’s IC [K] by 1 mM have the same effect on RMP as  raising the EC [K] by 1 mM? o No; changing the EC [K] has a greater effect on E  ank thus the RMP  because of the ratio. Changing EC 5 to 6 is a 20% change, while changing  the IC 150 to 149 is a 0.7% change. This can be confirmed by the Nernst  Equation. Role of Na­K Pumps  RMP is almost E ,Kwhich shows that K has the greatest influence on membrane  potential, but because the RMP is less than E K it is suggested that there must be a  leakage of K. o Leakage channels are always open.  Electrogenic Effect: the continuous maintenance of ion concentration through  unequal transport of (+) ions because 3Na for every 2K, leakage is countered and  it makes the inside “less” positive or negatively charged. o This is minimal on RMP. o Ion leakage and the electrogenic effect result in the RMP of about ­70 mV. Cell Signaling – communication between cells (intercellular) by the release of regulatory molecules into extracellular environment.  Categories: o Paracrine: within the organ and releases regulatory molecules for local  mechanisms on nearby cells o Synaptic: functional connection between synapse and target organ through which neurotransmitters are released by axon endings. o Endocrine: long distance communication through hormones released into  blood or lymph circulation o Autocrine: product feeds back into itself  Gap Junctions allow adjoining cells to direct communication by diffusion and can  be regulated. Regulatory Molecules  Released by signaling cells or organs, then, will bind to the target cell for the  response, but the target cell must display the specific receptor protein for that  signaling/regulatory molecule.  Location of the receptors are affected by the nature of the signaling molecule. o If the molecule is small and nonpolar (lipiid­soluble) it can pass freely  through the PM so its receptor will be located intracellulary either in the  cytoplasm or the nucleus o If the molecule is polar (water­soluble), then the receptor is imbedded in  the PM because it cannot pass through the PM. Signal Transduction Pathways  The mechanism for water­soluble messengers is the second messenger system. o When the regulatory molecule cannot enter the cell, the second messenger  is sent into the cytoplasm from the receptor proteins in the PM.   G­proteins shuttle between receptors and membrane effector proteins to activate  the effector proteins and are made up of three subunits: , , and . o It takes energy and splits into () and (), through which either subunits  can temporarily activate the enzyme or operate the ion channel.  The mechanism for a lipid­soluble messenger is that the messenger will go  through the PM and enter the nucleus. It binds to a receptor (transcription factor)  that generates a message to cause a cellular response. Cessation of Activity in Signal Transduction  Cessation is important because chronic overstimulation can be detrimental to the  cell so it is necessary for the cell to respond if a stop signal is present.  Key event is stopping receptor (R) activation: o decrease conc. of regulatory molecule o R becomes chemically alter, which lowers the affinity for regulatory  molecule, which means the molecule does not bind as much. o R becomes phosphorylated, which prevents G protein binding o R­lingand complex endocytosed to remove R from PM  Overall, there are ways to stop and/or depress signal transduction.


Buy Material

Are you sure you want to buy this material for

25 Karma

Buy Material

BOOM! Enjoy Your Free Notes!

We've added these Notes to your profile, click here to view them now.


You're already Subscribed!

Looks like you've already subscribed to StudySoup, you won't need to purchase another subscription to get this material. To access this material simply click 'View Full Document'

Why people love StudySoup

Jim McGreen Ohio University

"Knowing I can count on the Elite Notetaker in my class allows me to focus on what the professor is saying instead of just scribbling notes the whole time and falling behind."

Jennifer McGill UCSF Med School

"Selling my MCAT study guides and notes has been a great source of side revenue while I'm in school. Some months I'm making over $500! Plus, it makes me happy knowing that I'm helping future med students with their MCAT."

Steve Martinelli UC Los Angeles

"There's no way I would have passed my Organic Chemistry class this semester without the notes and study guides I got from StudySoup."

Parker Thompson 500 Startups

"It's a great way for students to improve their educational experience and it seemed like a product that everybody wants, so all the people participating are winning."

Become an Elite Notetaker and start selling your notes online!

Refund Policy


All subscriptions to StudySoup are paid in full at the time of subscribing. To change your credit card information or to cancel your subscription, go to "Edit Settings". All credit card information will be available there. If you should decide to cancel your subscription, it will continue to be valid until the next payment period, as all payments for the current period were made in advance. For special circumstances, please email


StudySoup has more than 1 million course-specific study resources to help students study smarter. If you’re having trouble finding what you’re looking for, our customer support team can help you find what you need! Feel free to contact them here:

Recurring Subscriptions: If you have canceled your recurring subscription on the day of renewal and have not downloaded any documents, you may request a refund by submitting an email to

Satisfaction Guarantee: If you’re not satisfied with your subscription, you can contact us for further help. Contact must be made within 3 business days of your subscription purchase and your refund request will be subject for review.

Please Note: Refunds can never be provided more than 30 days after the initial purchase date regardless of your activity on the site.