يعد غشاء الخلية - المعروف أيضًا باسم غشاء البلازما أو الغشاء السيتوبلازمي - من بين أكثر التركيبات روعة وأناقة في عالم علم الأحياء. تعتبر الخلية الوحدة الأساسية أو "لبنة البناء" لجميع الكائنات الحية على الأرض ؛ يحتوي جسمك على تريليونات منها وخلايا مختلفة في أعضاء وأنسجة مختلفة الهياكل المختلفة التي ترتبط بشكل رائع بوظائف الأنسجة التي تتكون منها الخلايا.
في حين أن نوى الخلايا غالبًا ما تجذب الانتباه لأنها تحتوي على المادة الوراثية اللازمة لتمريرها معلومات للأجيال اللاحقة من الكائن الحي ، غشاء الخلية هو حارس البوابة والحارس الحقيقي للخلية محتويات. بعيدًا عن مجرد حاوية أو حاجز ، فقد تطور الغشاء للحفاظ على التوازن الخلوي ، أو التوازن الداخلي ، من خلال النقل الفعال والدؤوب الآليات التي تجعل الغشاء نوعًا من مسؤول الجمارك الميكروسكوبية ، مما يسمح ويمنع دخول وخروج الأيونات والجزيئات وفقًا للوقت الفعلي للخلية الاحتياجات.
أغشية الخلايا عبر طيف الحياة
جميع الكائنات الحية لها أغشية خلوية من نوع ما. يشمل ذلك بدائيات النوى ، والتي تتكون في الغالب من البكتيريا ويعتقد أنها تمثل بعضًا من أقدم الأنواع الحية على الأرض ، بالإضافة إلى حقيقيات النوى ، والتي تشمل الحيوانات والنباتات. كل من البكتيريا بدائية النواة والنباتات حقيقية النواة لها جدار خلوي خارج غشاء الخلية لحماية إضافية ؛ في النباتات ، يحتوي هذا الجدار على مسام ، وهي ليست انتقائية بشكل خاص من حيث ما يمكن أن يمر وما لا يمكن. بالإضافة إلى ذلك ، تمتلك حقيقيات النوى عضيات ، مثل النواة والميتوكوندريا ، محاطة بأغشية مثل تلك المحيطة بالخلية ككل. لا تحتوي بدائيات النوى حتى على نوى ؛ المواد الوراثية الخاصة بهم مشتتة ، وإن كانت بإحكام إلى حد ما ، في جميع أنحاء السيتوبلازم.
تشير أدلة جزيئية كبيرة إلى أن الخلايا حقيقية النواة تنحدر من خلايا بدائية النواة ، وتفقد جدار الخلية في مرحلة ما من تطورها. على الرغم من أن هذا جعل الخلايا الفردية أكثر عرضة للإهانات ، إلا أنه سمح لها أيضًا بأن تصبح أكثر تعقيدًا وتتوسع هندسيًا في هذه العملية. في الواقع ، يمكن أن تكون الخلايا حقيقية النواة أكبر بعشر مرات من الخلايا بدائية النواة ، وهو اكتشاف جعل الأمر أكثر إثارة للدهشة من خلال حقيقة أن الخلية الواحدة هي عبارة عن كائن بدائي النواة بالكامل. (بعض حقيقيات النوى أحادية الخلية أيضًا.)
هيكل غشاء الخلية
يتكون غشاء الخلية من هيكل مزدوج الطبقات (يسمى أحيانًا "نموذج الفسيفساء السائل") يتكون أساسًا من الدهون الفوسفورية. تواجه إحدى هذه الطبقات الجزء الداخلي من الخلية ، أو السيتوبلازم ، بينما تواجه الأخرى البيئة الخارجية. تعتبر الجوانب المواجهة للخارج والداخل "محبة للماء" أو تنجذب إلى البيئات المائية ؛ الجزء الداخلي "كاره للماء" أو يصده البيئات المائية. في عزلة ، تكون أغشية الخلايا سائلة في درجات حرارة الجسم ، ولكن في درجات الحرارة المنخفضة ، فإنها تأخذ قوامًا شبيهًا بالهلام.
تمثل الدهون في الطبقة الثنائية حوالي نصف الكتلة الكلية لغشاء الخلية. يشكل الكوليسترول حوالي خمس الدهون في الخلايا الحيوانية ، ولكن ليس في الخلايا النباتية ، حيث لا يوجد الكوليسترول في أي مكان في النباتات. يتم حساب معظم ما تبقى من الغشاء بواسطة بروتينات ذات وظائف متنوعة. نظرًا لأن معظم البروتينات عبارة عن جزيئات قطبية ، مثل الغشاء نفسه ، فإن نهاياتها المحبة للماء تمتد إلى الجزء الخارجي من الخلية ، ونهاياتها الكارهة للماء تشير إلى الطبقة الداخلية من الطبقة الثنائية.
تحتوي بعض هذه البروتينات على سلاسل كربوهيدرات متصلة بها ، مما يجعلها بروتينات سكرية. تشارك العديد من بروتينات الغشاء في النقل الانتقائي للمواد عبر الطبقة الثنائية ، وهي يمكن أن يفعل ذلك إما عن طريق إنشاء قنوات بروتينية عبر الغشاء أو عن طريق نقلها فعليًا عبر الغشاء. تعمل البروتينات الأخرى كمستقبلات على أسطح الخلايا ، وتوفر مواقع ربط للجزيئات التي تحمل إشارات كيميائية ؛ ثم تنقل هذه البروتينات هذه المعلومات إلى داخل الخلية. لا تزال بروتينات الغشاء الأخرى تعمل كأنزيمات تحفز تفاعلات خاصة بغشاء البلازما نفسه.
وظائف غشاء الخلية
لا يتمثل الجانب المهم في غشاء الخلية في أنه "مقاوم للماء" أو غير منفذة للمواد بشكل عام ؛ إذا كان الأمر كذلك ، لتموت الخلية. المفتاح لفهم الوظيفة الرئيسية لغشاء الخلية هو أنها كذلك نفاذية انتقائية. تشبيه: تمامًا كما أن معظم الدول على وجه الأرض لا تمنع الناس تمامًا من السفر عبر الحدود الدولية للأمة ، والبلدان في جميع أنحاء العالم ليست معتادة على السماح لأي شخص و يدخل الجميع. تحاول أغشية الخلايا أن تفعل ما تفعله حكومات هذه البلدان ، على نطاق أصغر بكثير: السماح للكيانات المرغوبة بدخول الخلية بعد "التدقيق" أثناء منع دخول الكيانات التي من المحتمل أن تثبت أنها سامة أو مدمرة للداخل أو للخلية كل.
بشكل عام ، يعمل الغشاء كحدود رسمية ، حيث تمسك الأجزاء المختلفة للخلية معًا بنفس الطريقة طريقة السياج حول مزرعة يحافظ على الماشية معًا حتى مع السماح لها بالتجول والاختلاط. إذا كان عليك تخمين أنواع الجزيئات التي يُسمح لها بالدخول والخروج بسهولة ، فقد تقول "مصادر الوقود" و "النفايات الأيضية" على التوالي ، بالنظر إلى أن هذا هو أساسًا ما هو الجسم ككل فعل. وكنت على حق. جزيئات صغيرة جدًا ، مثل الأكسجين الغازي (O2) وثاني أكسيد الكربون الغازي (CO2) والماء (H2O) ، يمكن أن تمر بحرية عبر الغشاء ، لكن مرور الجزيئات الأكبر ، مثل الأحماض الأمينية والسكريات ، يتم التحكم فيه بإحكام.
الدهون ثنائية الطبقة
يُطلق على الجزيئات التي تسمى تقريبًا عالميًا "الدهون الفوسفورية" التي تتكون منها الطبقة الثنائية لغشاء الخلية اسم مناسب أكثر "الجلسروفوسفوليبيد". تتكون من جزيء الجلسرين ، وهو عبارة عن كحول ثلاثي الكربون ، مرتبط بحموضين دهنيين طويلين على جانب واحد و مجموعة الفوسفات من جهة أخرى. يعطي هذا الجزيء شكلًا أسطوانيًا طويلًا مناسبًا تمامًا لوظيفة كونه جزءًا من صفيحة عريضة ، وهو ما تشبهه طبقة واحدة من طبقة الغشاء الثنائية في المقطع العرضي.
جزء الفوسفات من الجلسروفوسفوليبيد هو ماء. يختلف النوع المحدد لمجموعة الفوسفات من جزيء إلى جزيء ؛ على سبيل المثال ، يمكن أن يكون فوسفاتيديل كولين ، والذي يتضمن مكونًا يحتوي على النيتروجين. إنه ماء لأنه يحتوي على توزيع غير متساوٍ للشحنة (أي أنه قطبي) ، تمامًا مثل الماء ، لذلك "يتماشى" الاثنان في أماكن مجهرية قريبة.
لا تحتوي الأحماض الدهنية الموجودة في الجزء الداخلي من الغشاء على توزيع غير متساوٍ للشحنة في أي مكان في بنيتها ، لذا فهي غير قطبية وبالتالي فهي كارهة للماء.
بسبب الخصائص الكهروكيميائية للفوسفوليبيدات ، لا يتطلب ترتيب طبقة ثنائية الفسفوليبيد أي مدخلات من الطاقة لإنشاء أو الحفاظ. في الواقع ، تميل الدهون الفسفورية الموضوعة في الماء إلى افتراض تكوين الطبقة الثنائية تلقائيًا بنفس الطريقة التي "تبحث بها السوائل عن مستواها".
نقل غشاء الخلية
نظرًا لأن غشاء الخلية قابل للاختراق بشكل انتقائي ، فيجب أن يوفر وسيلة للحصول على مجموعة متنوعة من المواد ، بعضها كبير وبعضها صغير ، من جانب إلى آخر. فكر في الطرق التي قد تعبر بها نهرًا أو مسطحًا مائيًا. يمكنك ركوب العبارة ؛ قد تنجرف ببساطة على نسيم خفيف ، أو قد تحمله تيارات ثابتة في النهر أو المحيط. وقد تجد نفسك فقط تعبر الجسم المائي في المقام الأول لأن هناك ارتفاع كبير جدًا تركيز الناس على جانبك وتركيز منخفض جدًا على الجانب الآخر ، مما يدل على الحاجة إلى ذلك الأشياء بها.
كل من هذه السيناريوهات له علاقة ما بواحدة أو أكثر من الطرق التي يمكن أن تمر بها الجزيئات عبر غشاء الخلية. تشمل هذه الطرق:
انتشار بسيط: في هذه العملية ، تنجرف الجزيئات ببساطة عبر الغشاء المزدوج لتمرير إما داخل الخلية أو خارجها. المفتاح هنا هو أن الجزيئات في معظم الحالات ستتحرك لأسفل على تدرج تركيز ، مما يعني أنها تنجرف بشكل طبيعي من مناطق ذات تركيز أعلى إلى مناطق تركيز أقل. إذا كنت ستقوم بصب علبة طلاء في منتصف حمام السباحة ، فإن الحركة الخارجية لجزيئات الطلاء ستمثل شكلاً من أشكال الانتشار البسيط. الجزيئات التي يمكنها عبور أغشية الخلايا بهذه الطريقة ، كما قد تتنبأ ، هي جزيئات صغيرة مثل O2 وشارك2.
التنافذ: يمكن وصف التناضح بأنه "ضغط امتصاص" يتسبب في حركة الماء عندما تكون حركة الجزيئات الذائبة في الماء مستحيلة. يحدث هذا عندما يسمح الغشاء للماء ، ولكن ليس للجسيمات الذائبة ("المذابة") المعنية ، بالمرور عبره. القوة الدافعة هي مرة أخرى تدرج تركيز ، لأن البيئة المحلية بأكملها "تسعى" إلى حالة توازن تكون فيها كمية المذاب لكل وحدة ماء متساوية طوال الوقت. إذا كان هناك المزيد من الجسيمات الذائبة على جانب واحد من غشاء نفاذي للماء وغير قابل للذوبان أكثر من الآخر ، فسوف يتدفق الماء إلى المنطقة ذات التركيز العالي للذوبان. بمعنى ، إذا لم تستطع الجسيمات تغيير تركيزها في الماء عن طريق الحركة ، فإن الماء نفسه سيتحرك لإنجاز نفس الوظيفة تقريبًا.
نشر الميسر: مرة أخرى ، يرى هذا النوع من النقل الغشائي أن الجزيئات تنتقل من مناطق ذات تركيز أعلى إلى مناطق ذات تركيز أقل. على عكس حالة الانتشار البسيط ، تتحرك الجزيئات داخل الخلية أو خارجها عبر قنوات بروتينية متخصصة ، بدلاً من مجرد الانجراف عبر الفراغات بين الجليسيروفوسفوليبيد الجزيئات. إذا كنت قد شاهدت يومًا ما يحدث عندما يجد شيء ما ينجرف إلى أسفل النهر فجأة في ممر بين الصخور ، تعلم أن الجسم (ربما صديق على أنبوب داخلي!) يتسارع بشكل كبير أثناء وجوده في هذا ممر؛ لذلك هو الحال مع قنوات البروتين. هذا هو الأكثر شيوعًا مع جزيئات الشحنات القطبية أو الكهربائية.
النقل النشط: تتضمن جميع أنواع النقل الغشائي التي تمت مناقشتها سابقًا الحركة أسفل تدرج التركيز. ولكن في بعض الأحيان ، تمامًا كما يجب أن تتحرك القوارب في اتجاه المنبع ويتعين على السيارات تسلق التلال ، تتحرك معظم المواد عكس التدرج في التركيز - وهو وضع غير مواتٍ بقوة. نتيجة لذلك ، يجب أن تكون العملية مدعومة من مصدر خارجي ، وفي هذه الحالة يكون هذا المصدر هو الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، ذلك الوقود واسع الانتشار للمعاملات البيولوجية المجهرية. في هذه العملية ، تتم إزالة إحدى مجموعات الفوسفات الثلاث من ATP لإنتاج ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) والفوسفات الحر ، و تُستخدم الطاقة المحررة بواسطة التحلل المائي لرابطة الفوسفات والفوسفات في "ضخ" الجزيئات إلى أعلى التدرج وعبر غشاء.
قد يحدث النقل النشط أيضًا بطريقة غير مباشرة أو ثانوية. على سبيل المثال ، قد تنقل المضخة الغشائية الصوديوم عبر تدرج تركيزها من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر ، خارج الخلية. عندما ينتشر أيون الصوديوم مرة أخرى في الاتجاه الآخر ، فقد يحمل معه جزيء جلوكوز مقابل ذلك تدرج تركيز الجزيء نفسه (عادة ما يكون تركيز الجلوكوز أعلى في داخل الخلايا منه في في الخارج). نظرًا لأن حركة الجلوكوز تتعارض مع تدرج تركيزه ، فهذا نقل نشط ، ولكن نظرًا لعدم وجود ATP متورط بشكل مباشر ، فهذا مثال على ثانوي النقل النشط.