Клетъчна мембрана: определение, функция, структура и факти

Клетъчната мембрана - наричана още плазмена мембрана или цитоплазматична мембрана - е сред най-очарователните и елегантни конструкции в света на биологията. Клетката се счита за основната единица или „градивен елемент“ на всички живи същества на Земята; собственото ви тяло има трилиони от тях и различни клетки в различни органи и тъкани различни структури, които отлично корелират с функциите на тъканите, състоящи се от тях клетки.

Докато ядрата на клетките често привличат най-много внимание, тъй като те съдържат генетичния материал, необходим за преминаване информация за следващите поколения на организма, клетъчната мембрана е буквалният пазач и пазител на клетката съдържание. Далеч от обикновен контейнер или бариера обаче, мембраната се е развила, за да поддържа клетъчно равновесие или вътрешен баланс, чрез ефективен и неуморен транспорт механизми, които превръщат мембраната в някакъв вид микроскопични митнически служители, позволяващи и отказващи влизането и излизането на йони и молекули в съответствие с реалното време на клетката нужди.

Всички организми имат клетъчни мембрани от някакъв вид. Това включва прокариоти, които са предимно бактерии и се смята, че представляват едни от най-старите живи видове на Земята, както и еукариоти, които включват животни и растения. Както прокариотните бактерии, така и еукариотните растения имат клетъчна стена извън клетъчната мембрана за допълнителна защита; при растенията тази стена има пори и те не са особено селективни по отношение на това какво може да премине и какво не. В допълнение, еукариотите притежават органели, като ядрото и митохондриите, затворени от мембрани като тази, заобикаляща клетката като цяло. Прокариотите дори нямат ядра; техният генетичен материал е разпръснат, макар и донякъде плътно, в цялата цитоплазма.

Значителни молекулярни доказателства предполагат, че еукариотните клетки произхождат от прокариотни клетки, губейки клетъчната стена в някакъв момент от тяхното развитие. Въпреки че това направи отделните клетки по-уязвими на обиди, това също им позволи да станат по-сложни и да се разширят геометрично в процеса. Всъщност еукариотните клетки могат да бъдат десет пъти по-големи от прокариотните клетки, което е още по-поразително от факта, че една клетка е дефиниция на целия прокариотен организъм. (Някои еукариоти също са едноклетъчни.)

Клетъчната мембрана се състои от двуслойна структура (понякога наричана „течен мозаечен модел“), съставена главно от фосфолипиди. Един от тези слоеве е обърнат към вътрешността на клетката или цитоплазмата, докато другият е обърнат към външната среда. Външните и обърнатите навътре страни се считат за „хидрофилни“ или привлечени от воднисти среди; вътрешната част е "хидрофобна" или отблъсквана от водни среди. Изолирано клетъчните мембрани са течни при телесни температури, но при по-ниски температури те придобиват гелообразна консистенция.

Липидите в двуслоя представляват около половината от общата маса на клетъчната мембрана. Холестеролът съставлява около една пета от липидите в животинските клетки, но не и в растителните клетки, тъй като холестеролът не се среща никъде в растенията. По-голямата част от останалата част от мембраната се дължи на протеини с разнообразно разнообразие от функции. Тъй като повечето протеини са полярни молекули, подобно на самата мембрана, техните хидрофилни краища стърчат към клетъчната външност, а хидрофобните им краища сочат към вътрешността на бислоя.

Някои от тези протеини имат въглехидратни вериги, свързани с тях, което ги прави гликопротеини. Много от мембранните протеини участват в селективния транспорт на веществата през двуслоя, който те може да направи или чрез създаване на протеинови канали през мембраната, или чрез физическото им преместване през мембраната. Други протеини функционират като рецептори на клетъчните повърхности, осигурявайки места за свързване на молекули, които носят химически сигнали; след това тези протеини предават тази информация във вътрешността на клетката. Други мембранни протеини действат като ензими, катализиращи реакции, специфични за самата плазмена мембрана.

Критичният аспект на клетъчната мембрана не е, че тя е "водоустойчива" или непропусклива за вещества като цяло; ако беше и двете, клетката щеше да умре. Ключът към разбирането на основната работа на клетъчната мембрана е, че тя е такава селективно пропусклив. Аналогия: Точно както повечето държави на Земята не забраняват напълно на хората да пътуват през международните граници на нацията, страните по света нямат навика да позволяват на никого и всички влизат. Клетъчните мембрани се опитват да правят това, което правят правителствата на тези държави, в много по-малък мащаб: позволяват на желаните лица да влязат в клетката след като е бил „проверен“, докато е забранено влизането на лица, които е вероятно да се окажат токсични или разрушителни за вътрешността или клетката като цяло.

Като цяло мембраната действа като формална граница, като държи различните части на клетката заедно еднакви начин ограда около ферма поддържа животните заедно, дори докато им позволява да се разхождат и да се смесват. Ако трябва да познаете видовете молекули, на които е позволено да влизат и излизат най-лесно, може да кажете "източници на гориво" и "метаболитни отпадъци" съответно, като се има предвид, че това по същество е това, което телата като цяло направете. И щеше да си прав. Много малки молекули, като газообразен кислород (O₂), газообразен въглероден диоксид (CO₂) и вода (H₂O), могат да преминават свободно през мембраната, но преминаването на по-големи молекули, като аминокиселини и захари, е строго контролирано.

По-правилно се наричат ​​молекулите, които почти универсално се наричат ​​"фосфолипиди", които изграждат бислоя на клетъчната мембрана „глицерофосфолипиди“. Те се състоят от глицеролова молекула, която е тривъглероден алкохол, прикрепен към две дълги мастни киселини от едната страна и фосфатна група от друга. Това дава на молекулата дълга, цилиндрична форма, която е подходяща за работа като част от широк лист, което прилича на един слой от мембранния бислой на напречно сечение.

Фосфатната част на глицерофосфолипида е хидрофилна. Специфичният вид фосфатна група варира от молекула на молекула; например, това може да бъде фосфатидилхолин, който включва азотсъдържащ компонент. Той е хидрофилен, тъй като има неравномерно разпределение на заряда (т.е. е полярен), точно като водата, така че двамата се "разбират" в близки микроскопични квартали.
Мастните киселини във вътрешността на мембраната нямат неравномерно разпределение на заряда никъде в тяхната структура, така че те са неполярни и следователно хидрофобни.

Поради електрохимичните свойства на фосфолипидите, двуслойното подреждане на фосфолипидите не изисква влагане на енергия за създаване или поддържане. Всъщност фосфолипидите, поставени във вода, са склонни спонтанно да приемат двуслойната конфигурация по почти същия начин, по който течностите "търсят собственото си ниво".

Тъй като клетъчната мембрана е селективно пропусклива, тя трябва да осигури средство за получаване на различни вещества, някои големи, а други малки, от едната страна до другата. Помислете за начините, по които бихте могли да прекосите река или водоем. Може да вземете ферибот; може просто да се носите на лек бриз или да ви носят постоянни речни или океански течения. И може да се окажете, че прекосявате водното тяло само на първо място, защото има твърде високо a концентрация на хора от ваша страна и твърде ниска концентрация от друга, което представлява необходимост от равномерно нещата навън.

Всеки от тези сценарии има някаква връзка с един от повече от начините, по които молекулите могат да преминат през клетъчната мембрана. Тези начини включват:

Обикновена дифузия: В този процес молекулите просто се носят през двойната мембрана, за да преминат или в клетката, или извън нея. Ключът тук е, че молекулите в повечето ситуации ще се движат надолу по градиент на концентрация, което означава, че те естествено се отклоняват от зони с по-висока концентрация към области с по-ниска концентрация. Ако трябва да излеете кутия с боя в средата на плувен басейн, движението на молекулите на боята навън би представлявало форма на проста дифузия. Молекулите, които могат да пресичат клетъчните мембрани по този начин, както можете да предскажете, са малки молекули като О₂ и CO₂.

Осмоза: Осмозата може да бъде описана като "смучещо налягане", което причинява движението на водата, когато движението на частици, разтворени във водата, е невъзможно. Това се случва, когато мембраната позволява на водата, но не и на разтворените частици ("разтворени вещества"), да премине през нея. Движещата сила отново е градиент на концентрация, тъй като цялата местна среда "търси" равновесно състояние, при което количеството разтворено вещество на единица вода е еднакво през цялото време. Ако има повече разтворени частици от едната страна на водопропусклива, непропусклива мембрана от другата, водата ще тече към зоната с по-висока концентрация на разтвореното вещество. Тоест, ако частиците не могат да променят концентрацията си във вода чрез движение, тогава самата вода ще се движи, за да изпълни горе-долу същата работа.

Улеснена дифузия: Отново този тип мембранен транспорт вижда, че частиците се преместват от зони с по-висока концентрация към зони с по-ниска концентрация. За разлика от случая с обикновена дифузия обаче, молекулите се преместват в или извън клетката чрез специализирани протеинови канали, вместо просто да се движат през пространствата между глицерофосфолипидите молекули. Ако някога сте гледали какво се случва, когато нещо, плуващо по река, изведнъж се озове в проход между скалите знаете, че обектът (може би приятел на вътрешна тръба!) се ускорява значително, докато е в това коридор; така е и с протеиновите канали. Това е най-често при полярни или електрически зарядни молекули.

Активен транспорт: Видовете мембранни транспорти, обсъждани по-рано, включват движение надолу по концентрационен градиент. Понякога обаче, както лодките трябва да се движат нагоре по течението, а колите трябва да се изкачват по хълмове, веществата най-много се движат срещу градиент на концентрация - енергийно неблагоприятна ситуация. В резултат на това процесът трябва да се захранва от външен източник и в този случай този източник е аденозин трифосфат (АТФ), това широко разпространено гориво за микроскопични биологични транзакции. В този процес една от трите фосфатни групи се отстранява от АТФ, за да се създаде аденозин дифосфат (ADP) и свободен фосфат, и енергията, освободена от хидролизата на фосфат-фосфатната връзка, се използва за "изпомпване" на молекули нагоре по градиента и през мембрана.

Активен транспорт може да се осъществи и по косвен или вторичен начин. Например, мембранната помпа може да премества натрия през неговия градиент на концентрация от едната страна на мембраната до другата, извън клетката. Когато натриевият йон дифундира обратно в другата посока, той може да носи молекула глюкоза със себе си срещу това градиент на собствената концентрация на молекулата (концентрацията на глюкоза обикновено е по-висока във вътрешността на клетките, отколкото в отвън). Тъй като движението на глюкозата е срещу нейния градиент на концентрация, това е активен транспорт, но тъй като нито един АТФ не участва пряко, това е пример за втори активен транспорт.