Περιεχόμενο
- Μεμβράνες κυττάρων στο φάσμα ζωής
- Δομή μεμβράνης κυττάρου
- Λειτουργίες μεμβράνης κυττάρου
- Το Lipid Bilayer
- Μεταφορά κυτταρικής μεμβράνης
Η κυτταρική μεμβράνη - που ονομάζεται επίσης μεμβράνη πλάσματος ή κυτταροπλασματική μεμβράνη - είναι από τα πιο συναρπαστικά και κομψά κατασκευάσματα στον κόσμο της βιολογίας. Το κελί θεωρείται η θεμελιώδης μονάδα ή "δομικό στοιχείο" όλων των ζωντανών πραγμάτων στη Γη. το δικό σας σώμα έχει τρισεκατομμύρια από αυτά και διαφορετικά κύτταρα σε διαφορετικά όργανα και ιστούς έχουν διαφορετικές δομές που συσχετίζονται εξαιρετικά με τις λειτουργίες των ιστών που αποτελούνται από αυτά τα κύτταρα.
Ενώ οι πυρήνες των κυττάρων συχνά τραβούν την μεγαλύτερη προσοχή επειδή περιέχουν το γενετικό υλικό που είναι αναγκαίο για τη μετάδοση πληροφοριών σε επόμενες γενεές του οργανισμού, η κυτταρική μεμβράνη είναι ο κυριολεκτικός φύλακας και θεματοφύλακας των κυτταρικών περιεχομένων. Μακριά όμως από ένα απλό δοχείο ή φράγμα, η μεμβράνη έχει εξελιχθεί για να διατηρήσει την κυτταρική ισορροπία ή την εσωτερική ισορροπία μέσω αποτελεσματικών και ακούραστων μηχανισμών μεταφοράς που καθιστούν τη μεμβράνη ένα είδος μικροσκοπικού τελωνειακού υπαλλήλου επιτρέποντας και απαγορεύοντας την είσοδο και έξοδο ιόντων και μορίων σύμφωνα με τις ανάγκες των κυττάρων σε πραγματικό χρόνο.
Μεμβράνες κυττάρων στο φάσμα ζωής
Όλοι οι οργανισμοί έχουν κυτταρικές μεμβράνες κάποιου είδους. Αυτό περιλαμβάνει προκαρυωτικά, τα οποία είναι ως επί το πλείστον βακτήρια και πιστεύεται ότι αντιπροσωπεύουν μερικά από τα παλαιότερα ζωντανά είδη στη Γη, καθώς και ευκαρυώτες, που περιλαμβάνουν ζώα και φυτά. Τόσο τα προκαρυωτικά βακτήρια όσο και τα ευκαρυωτικά φυτά έχουν ένα κυτταρικό τοίχωμα εξωτερικό της κυτταρικής μεμβράνης για πρόσθετη προστασία. σε φυτά, αυτό το τείχος έχει πόρους, και δεν είναι ιδιαίτερα επιλεκτικοί από την άποψη του τι μπορεί να περάσει και τι δεν μπορεί. Επιπλέον, τα ευκαρυωτικά έχουν οργανίδια, όπως ο πυρήνας και τα μιτοχόνδρια, που περικλείονται από μεμβράνες όπως αυτή που περιβάλλει το κύτταρο ως σύνολο. Οι προκαρυώτες δεν έχουν καν πυρήνες. το γενετικό τους υλικό διασκορπίζεται, αν και κάπως σφιχτά, σε όλο το κυτταρόπλασμα.
Σημαντικά μοριακά στοιχεία υποδηλώνουν ότι τα ευκαρυωτικά κύτταρα προέρχονται από προκαρυωτικά κύτταρα, χάνοντας το κυτταρικό τοίχωμα σε κάποιο σημείο της εξέλιξής τους. Αν και αυτό καθιστούσε μεμονωμένα κύτταρα πιο ευάλωτα σε προσβολές, επέτρεψε επίσης να γίνουν πιο περίπλοκα και να επεκταθούν γεωμετρικά στη διαδικασία. Στην πραγματικότητα, τα ευκαρυωτικά κύτταρα μπορεί να είναι δέκα φορές μεγαλύτερα από τα προκαρυωτικά κύτταρα, γεγονός που καθίσταται ακόμη πιο εντυπωσιακό από το γεγονός ότι ένα μόνο κύτταρο είναι το σύνολο ενός προκαρυωτικού οργανισμού εξ ορισμού. (Ορισμένοι ευκαρυωτικοί είναι μονοκύτταροι επίσης.)
Δομή μεμβράνης κυττάρου
Η κυτταρική μεμβράνη αποτελείται από μια δομή διπλής στρώσης (μερικές φορές αποκαλείται "μοντέλο υγρού μωσαϊκού") που αποτελείται κυρίως από φωσφολιπίδια. Ένα από αυτά τα στρώματα αντιμετωπίζει το εσωτερικό του κυττάρου, ή κυτταρόπλασμα, ενώ το άλλο αντιμετωπίζει το εξωτερικό περιβάλλον. Οι πλευρές που βλέπουν προς τα έξω και προς τα εμπρός θεωρούνται "υδρόφιλες", ή προσέλκυσαν σε υδαρή περιβάλλοντα. το εσωτερικό τμήμα είναι "υδρόφοβο" ή απωθημένο από υδατώδη περιβάλλοντα. Μεμονωμένα, οι κυτταρικές μεμβράνες είναι υγρές σε θερμοκρασίες σώματος, αλλά σε πιο ζεστές θερμοκρασίες, παίρνουν μια ομοιάζουσα με γέλη συνοχή.
Τα λιπίδια στη διπλοστοιβάδα αντιπροσωπεύουν περίπου το ήμισυ της συνολικής μάζας της κυτταρικής μεμβράνης. Η χοληστερόλη αποτελεί περίπου το ένα πέμπτο των λιπιδίων σε ζωικά κύτταρα, αλλά όχι σε φυτικά κύτταρα, καθώς η χοληστερόλη δεν βρίσκεται σε κανένα σημείο των φυτών. Το μεγαλύτερο μέρος της υπόλοιπης μεμβράνης οφείλεται σε πρωτεΐνες με ποικίλες ποικιλίες λειτουργιών. Επειδή οι περισσότερες πρωτεΐνες είναι πολικά μόρια, όπως η ίδια η μεμβράνη, τα υδρόφιλα άκρα τους εκτείνονται στο εξωτερικό του κυττάρου και τα υδρόφοβα άκρα τους οδηγούν στο εσωτερικό της διπλής στιβάδας.
Ορισμένες από αυτές τις πρωτεΐνες φέρουν αλυσίδες υδατανθράκων, καθιστώντας τις γλυκοπρωτεΐνες. Πολλές από τις μεμβρανικές πρωτεΐνες εμπλέκονται στην εκλεκτική μεταφορά ουσιών διαμέσου της διπλοστοιβάδας, την οποία μπορούν να κάνουν είτε με τη δημιουργία διαύλων πρωτεΐνης διαμέσου της μεμβράνης είτε με φυσική μεταφορά τους διαμέσου της μεμβράνης. Άλλες πρωτεΐνες λειτουργούν ως υποδοχείς επί κυτταρικών επιφανειών, παρέχοντας θέσεις δέσμευσης για μόρια που φέρουν χημικά σήματα. αυτές οι πρωτεΐνες μεταδίδουν αυτή την πληροφορία στο εσωτερικό του κυττάρου. Άλλες πρωτεΐνες μεμβράνης δρουν ως ένζυμα που καταλύουν αντιδράσεις ιδιαίτερα στην ίδια την μεμβράνη πλάσματος.
Λειτουργίες μεμβράνης κυττάρου
Η κρίσιμη πτυχή της κυτταρικής μεμβράνης δεν είναι ότι είναι "αδιάβροχη" ή αδιαπέραστη από ουσίες γενικά. αν ήταν, το κύτταρο θα πεθάνει. Το κλειδί για την κατανόηση της κύριας εργασίας των κυτταρικών μεμβρανών είναι ότι είναι επιλεκτικά διαπερατό. Μια αναλογία: Όπως τα περισσότερα έθνη στη Γη δεν απαγορεύουν εντελώς τους ανθρώπους να ταξιδεύουν στα έθνη διεθνή σύνορα, οι χώρες σε όλο τον κόσμο δεν έχουν τη συνήθεια να επιτρέπουν σε οποιονδήποτε και όλους να εισέλθουν. Οι κυτταρικές μεμβράνες προσπαθούν να κάνουν ό, τι κάνουν οι κυβερνήσεις των χωρών αυτών σε πολύ μικρότερη κλίμακα: επιτρέπουν στις επιθυμητές οντότητες να εισέλθουν στην κυψέλη μετά την «εξέταση» ενώ εμποδίζουν την είσοδο σε οντότητες που είναι πιθανόν να αποδειχθούν τοξικές ή καταστρεπτικές στο εσωτερικό ή στο κύτταρο ολόκληρος.
Συνολικά, η μεμβράνη λειτουργεί ως επίσημο όριο, κρατώντας τα διάφορα μέρη του κελύφους μαζί με τον ίδιο τρόπο που ένας φράκτης γύρω από ένα αγρόκτημα κρατά το ζωικό κεφάλαιο μαζί ακόμη και ενώ τους επιτρέπει να περιπλανηθούν και να ανακατευτούν. Αν έπρεπε να μαντέψετε τα είδη των μορίων που επιτρέπεται να εισέλθουν και να βγουν πιο εύκολα, ίσως να πείτε "πηγές καυσίμων" και "μεταβολικά απόβλητα" αντίστοιχα, δεδομένου ότι αυτό είναι ουσιαστικά αυτό που κάνουν όλοι οι οργανισμοί στο σύνολό τους. Και θα έχετε δίκιο. Πολύ μικρά μόρια, όπως το αέριο οξυγόνο (Ο2), αέριο διοξείδιο του άνθρακα (CO2), και νερό (Η2O), μπορούν να περάσουν ελεύθερα κατά μήκος της μεμβράνης, αλλά η διέλευση μεγαλύτερων μορίων, όπως τα αμινοξέα και τα σάκχαρα, ελέγχεται αυστηρά.
Το Lipid Bilayer
Τα μόρια που σχεδόν γενικά ονομάζονται "φωσφολιπίδια" που σχηματίζουν τη διπλοστοιβάδα κυτταρικής μεμβράνης καλούνται πιο σωστά "γλυκεροφωσφολιπίδια". Αποτελούνται από ένα μόριο γλυκερόλης, το οποίο είναι αλκοόλη τριών ατόμων άνθρακα, προσκολλημένη σε δύο μακρά λιπαρά οξέα στη μία πλευρά και μια ομάδα φωσφορικών στην άλλη. Αυτό δίδει στο μόριο ένα μακρύ, κυλινδρικό σχήμα το οποίο είναι κατάλληλο για την εργασία του να είναι ένα μέρος ενός φαρδιού φύλλου, πράγμα που μοιάζει με μία μεμονωμένη στρώση της διπλοστρωματικής μεμβράνης σε διατομή.
Το φωσφορικό τμήμα του γλυκεροφωσφολιπιδίου είναι υδρόφιλο. Το συγκεκριμένο είδος φωσφορικής ομάδας ποικίλλει από μόριο σε μόριο. για παράδειγμα, μπορεί να είναι φωσφατιδυλοχολίνη, η οποία περιλαμβάνει συστατικό που περιέχει άζωτο. Είναι υδρόφιλο επειδή έχει μια ανομοιόμορφη κατανομή φορτίου (δηλ., Είναι πολική), ακριβώς όπως το νερό, έτσι ώστε οι δύο "να πάρει μαζί" σε στενά μικροσκοπικά τρίμηνα.
Τα λιπαρά οξέα στο εσωτερικό της μεμβράνης δεν έχουν μια άνιση κατανομή φορτίου οπουδήποτε στη δομή τους, επομένως είναι μη πολικά και συνεπώς υδρόφοβα.
Λόγω των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των φωσφολιπιδίων, η διάταξη δισθενούς φωσφολιπιδίου δεν απαιτεί ενέργεια εισόδου για δημιουργία ή συντήρηση. Στην πραγματικότητα, τα φωσφολιπίδια που τοποθετούνται στο νερό τείνουν να υποθέτουν αυθόρμητα τη διαμόρφωση διπλής στιβάδας με τον ίδιο τρόπο με τον οποίο τα υγρά "αναζητούν το δικό τους επίπεδο".
Μεταφορά κυτταρικής μεμβράνης
Επειδή η κυτταρική μεμβράνη είναι επιλεκτικά διαπερατή, πρέπει να παρέχει ένα μέσο για να πάρει μια ποικιλία ουσιών, μερικές μεγάλες και κάποιες μικρές, από τη μια πλευρά στην άλλη. Σκεφτείτε τους τρόπους με τους οποίους μπορείτε να διασχίσετε ένα ποτάμι ή ένα σώμα νερού. Μπορείτε να πάρετε ένα πλοίο. μπορείτε απλά να παρασύρουν σε ένα ελαφρύ αεράκι, ή να μεταφέρονται με σταθερά ποτάμια ή ωκεάνια ρεύματα. Και μπορείτε μόνο να βρείτε τον εαυτό σας να διασχίζει το σώμα του νερού στην πρώτη θέση επειδή υπάρχει πολύ υψηλή συγκέντρωση των ανθρώπων από την πλευρά σας και πολύ χαμηλή συγκέντρωση από την άλλη, παρουσιάζοντας την ανάγκη για ακόμη και τα πράγματα έξω.
Κάθε ένα από αυτά τα σενάρια φέρει κάποια σχέση με έναν από τους περισσότερους τρόπους με τους οποίους μπορούν να περάσουν τα μόρια μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτοί οι τρόποι περιλαμβάνουν:
Απλή διάχυση: Σε αυτή τη διαδικασία, τα μόρια μετακινούνται απλά μέσω της διπλής μεμβράνης για να περάσουν είτε μέσα είτε έξω από το κύτταρο. Το κλειδί εδώ είναι ότι τα μόρια στις περισσότερες περιπτώσεις θα κινούνται προς τα κάτω σε βαθμίδα συγκέντρωσης, που σημαίνει ότι φυσικά μετακινούνται από περιοχές υψηλότερης συγκέντρωσης σε περιοχές με χαμηλότερη συγκέντρωση. Εάν επρόκειτο να χύσετε ένα δοχείο χρώματος στη μέση μιας πισίνας, η εξωτερική κίνηση των μορίων βαφής θα αποτελούσε μια μορφή απλής διάχυσης. Τα μόρια που μπορούν να διασχίσουν κυτταρικές μεμβράνες με αυτόν τον τρόπο, όπως μπορείτε να προβλέψετε, είναι μικρά μόρια όπως το Ο2 και CO2.
Ωσμωση: Η όσμωση μπορεί να περιγραφεί ως "πίεση πιπίλισμα" που προκαλεί την κίνηση του νερού όταν η μετακίνηση σωματιδίων διαλυμένη στο νερό είναι αδύνατη. Αυτό συμβαίνει όταν μια μεμβράνη επιτρέπει τη διέλευση από το νερό, αλλά όχι των διαλυμένων σωματιδίων ("διαλελυμένων ουσιών"). Η κινητήρια δύναμη είναι και πάλι βαθμίδα συγκέντρωσης, επειδή ολόκληρο το τοπικό περιβάλλον «επιδιώκει» μια κατάσταση ισορροπίας στην οποία η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας ανά μονάδα νερού είναι η ίδια καθ 'όλη την έκταση. Εάν υπάρχουν περισσότερα σωματίδια διαλελυμένης ουσίας στη μία πλευρά μιας διαπερατής από το νερό, διαπερατής από τη διαλυτή μεμβράνη από την άλλη, το νερό θα ρέει στην περιοχή υψηλότερης συγκέντρωσης διαλελυμένης ουσίας. Δηλαδή, εάν τα σωματίδια δεν μπορούν να αλλάξουν τη συγκέντρωσή τους στο νερό με τη μετακίνηση, τότε το ίδιο το νερό θα κινηθεί για να ολοκληρώσει σχεδόν την ίδια δουλειά.
Διευκόλυνση της διάχυσης: Και πάλι, αυτός ο τύπος μεταφοράς μεμβράνης βλέπει τα σωματίδια να κινούνται από περιοχές υψηλότερης συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλότερης συγκέντρωσης. Αντίθετα με την περίπτωση με απλή διάχυση, ωστόσο, τα μόρια μετακινούνται ή εξέρχονται από το κύτταρο μέσω εξειδικευμένων διαύλων πρωτεΐνης, αντί να απλώς μετακινούνται μέσα από τους χώρους μεταξύ μορίων γλυκεροφωσφολιπιδίου. Εάν έχετε δει ποτέ τι συμβαίνει όταν κάτι που παρασύρεται κάτω από ένα ποτάμι ξαφνικά βρίσκεται σε ένα πέρασμα μεταξύ βράχων, ξέρετε ότι το αντικείμενο (ίσως ένας φίλος σε ένα εσωτερικό σωλήνα!) Επιταχύνεται σημαντικά σε αυτό το πέρασμα? έτσι είναι με τα κανάλια πρωτεΐνης. Αυτό είναι πιο κοινό με τα πολικά ή ηλεκτρικά φορτισμένα μόρια.
Ενεργή μεταφορά: Οι τύποι μεταφοράς μεμβράνης που συζητήθηκαν προηγουμένως όλες συνεπάγονται κίνηση προς τα κάτω σε βαθμίδα συγκέντρωσης. Μερικές φορές, όμως, όπως και τα σκάφη πρέπει να κινούνται προς τα ανάντη και τα αυτοκίνητα πρέπει να ανεβαίνουν σε λόφους, οι ουσίες κινούνται περισσότερο ενάντια σε κλίση συγκέντρωσης - μια ενεργειακά δυσμενής κατάσταση. Ως αποτέλεσμα, η διαδικασία πρέπει να τροφοδοτείται από μια εξωτερική πηγή, και σε αυτή την περίπτωση αυτή η πηγή είναι η τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), το ευρέως διαδεδομένο καύσιμο για μικροσκοπικές βιολογικές συναλλαγές. Σε αυτή τη διαδικασία, μια από τις τρεις φωσφορικές ομάδες απομακρύνεται από την ΑΤΡ για να δημιουργήσει διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) και ένα ελεύθερο φωσφορικό άλας και η ενέργεια που απελευθερώνεται με την υδρόλυση του δεσμού φωσφορικού φωσφορικού χρησιμοποιείται για να "αντλήσει" τα μόρια μέχρι την κλίση και κατά μήκος της μεμβράνης.
Η ενεργός μεταφορά μπορεί επίσης να συμβεί με έμμεσο ή δευτερογενή τρόπο. Για παράδειγμα, μια αντλία μεμβράνης μπορεί να μετακινεί το νάτριο διαμέσου της βαθμίδας συγκέντρωσης από τη μία πλευρά της μεμβράνης στην άλλη, έξω από το κελί. Όταν το ιόν νατρίου διαχέεται πίσω προς την άλλη κατεύθυνση, μπορεί να μεταφέρει ένα μόριο γλυκόζης μαζί με αυτή τη συγκέντρωση βαθμού συγκέντρωσης (η συγκέντρωση γλυκόζης είναι συνήθως υψηλότερη στα εσωτερικά των κυττάρων από ό, τι στο εξωτερικό). Εφόσον η μετακίνηση της γλυκόζης είναι ενάντια στη βαθμίδα συγκέντρωσης της, αυτή είναι ενεργή μεταφορά, αλλά επειδή δεν εμπλέκεται άμεσα καμία ΑΤΡ, αυτό είναι ένα παράδειγμα δευτερεύων ενεργή μεταφορά.