Buněčná membrána - nazývaná také plazmatická membrána nebo cytoplazmatická membrána - patří mezi nejvíce fascinující a elegantní konstrukce ve světě biologie. Buňka je považována za základní jednotku nebo „stavební kámen“ všeho živého na Zemi; vaše vlastní tělo jich má biliony a různé buňky v různých orgánech a tkáních různé struktury, které skvěle korelují s funkcemi tkání, které se z nich skládají buňky.
Zatímco jádra buněk často přitahují největší pozornost, protože obsahují genetický materiál nezbytný pro průchod informace pro následující generace organismu, buněčná membrána je doslovným strážcem a strážcem buňky obsah. Daleko od pouhé nádoby nebo bariéry se však membrána vyvinula tak, aby udržovala buněčnou rovnováhu nebo vnitřní rovnováhu prostřednictvím efektivního a neúnavného transportu mechanismy, díky nimž je membrána jakýmsi mikroskopickým celním úředníkem, který umožňuje a zakazuje vstup a výstup iontů a molekul v souladu s real-time buňkou potřeby.
Buněčné membrány napříč životním spektrem
Všechny organismy mají nějaké buněčné membrány. To zahrnuje prokaryoty, které jsou většinou bakteriemi a předpokládá se, že představují některé z nejstarších žijících druhů na Zemi, stejně jako eukaryoty, které zahrnují zvířata a rostliny. Jak prokaryotické bakterie, tak eukaryotické rostliny mají pro další ochranu buněčnou stěnu vně buněčné membrány; v rostlinách má tato zeď póry a nejsou zvlášť selektivní, pokud jde o to, co může projít a co ne. Kromě toho eukaryota vlastní organely, jako je jádro a mitochondrie, uzavřené membránami, jako je ta, která obklopuje buňku jako celek. Prokaryoty nemají ani jádra; jejich genetický materiál je rozptýlen, i když poněkud těsně, po celé cytoplazmě.
Značné molekulární důkazy naznačují, že eukaryotické buňky pocházejí z prokaryotických buněk a v určitém okamžiku jejich vývoje ztrácejí buněčnou stěnu. Ačkoli se tím jednotlivé buňky staly zranitelnějšími vůči urážkám, umožnilo jim to také složitější a geometricky se rozšířit v procesu. Ve skutečnosti mohou být eukaryotické buňky desetkrát větší než prokaryotické buňky, což je o to pozoruhodnější, že jediná buňka je podle definice úplnou součástí prokaryotického organismu. (Některé eukaryoty jsou také jednobuněčné.)
Struktura buněčné membrány
Buněčná membrána se skládá z dvouvrstvé struktury (někdy nazývané „model tekuté mozaiky“) složené převážně z fosfolipidů. Jedna z těchto vrstev směřuje do vnitřku buňky nebo do cytoplazmy, zatímco druhá do vnějšího prostředí. Vnější a vnitřní strany jsou považovány za „hydrofilní“ nebo přitahované k vodním prostředím; vnitřní část je „hydrofobní“ nebo odpuzuje vodní prostředí. Izolované buněčné membrány jsou při tělesných teplotách tekuté, ale při nižších teplotách získávají gelovou konzistenci.
Lipidy v dvojvrstvě tvoří přibližně polovinu celkové hmotnosti buněčné membrány. Cholesterol tvoří asi jednu pětinu lipidů v živočišných buňkách, ale ne v rostlinných buňkách, protože cholesterol se v rostlinách nikde nenachází. Většinu zbytku membrány tvoří bílkoviny s různými funkcemi. Jelikož většina proteinů jsou polární molekuly, stejně jako samotná membrána, jejich hydrofilní konce vyčnívají do vnějšku buňky a jejich hydrofobní konce směřují dovnitř dvojvrstvy.
Některé z těchto proteinů mají k sobě připojené sacharidové řetězce, což z nich dělá glykoproteiny. Mnoho z membránových proteinů se účastní selektivního transportu látek přes dvojvrstvu, kterou tvoří může to udělat buď vytvořením proteinových kanálů přes membránu, nebo jejich fyzickým přepnutím přes membránu. Jiné proteiny fungují jako receptory na buněčných površích a poskytují vazebná místa pro molekuly, které přenášejí chemické signály; tyto proteiny pak přenášejí tyto informace do vnitřku buňky. Ještě další membránové proteiny působí jako enzymy katalyzující reakce zejména na samotnou plazmatickou membránu.
Funkce buněčné membrány
Kritickým aspektem buněčné membrány není to, že je „vodotěsná“ nebo nepropustná pro látky obecně; kdyby tomu tak bylo, buňka by zemřela. Klíčem k pochopení hlavní úlohy buněčné membrány je to, že je selektivně propustný. Analogie: Stejně jako většina národů na Zemi nezakazuje lidem úplně cestovat přes mezinárodní hranice národa, země po celém světě nemají ve zvyku nikoho nechat a všichni vstupují. Buněčné membrány se pokoušejí dělat to, co vlády těchto zemí, v mnohem menším měřítku: umožnit vstup žádoucích entit do buňky poté, co byl „prověřen“ při blokování vstupu entitám, u nichž je pravděpodobné, že budou toxické nebo destruktivní pro interiér nebo buňku jako Celý.
Celkově membrána působí jako formální hranice a drží různé části buňky pohromadě stejně způsob, jak plot kolem farmy udržuje hospodářská zvířata pohromadě, i když jim umožňuje pohybovat se a mísit se. Pokud byste museli hádat, jaké druhy molekul mají nejrychlejší vstup a výstup, dalo by se říci „zdroje paliva“ a „metabolický odpad“, vzhledem k tomu, že to je v podstatě to, co orgány jako celek dělat. A měli byste pravdu. Velmi malé molekuly, jako je plynný kyslík (O2), plynný oxid uhličitý (CO2) a voda (H.2O), může volně procházet přes membránu, ale průchod větších molekul, jako jsou aminokyseliny a cukry, je přísně kontrolován.
Lipidová dvojvrstva
Molekuly, které se téměř všeobecně nazývají „fosfolipidy“, které tvoří dvojvrstvu buněčné membrány, se nazývají správněji „glycerofosfolipidy.“ Skládají se z molekuly glycerolu, což je alkohol s třemi uhlíky, připojený ke dvěma dlouhým mastným kyselinám na jedné straně a fosfátová skupina na straně druhé. To dává molekule dlouhý válcovitý tvar, který je vhodný pro práci jako součást širokého listu, což je to, co se v průřezu podobá jedna vrstva membránové dvojvrstvy.
Fosfátová část glycerofosfolipidu je hydrofilní. Specifický druh fosfátové skupiny se liší od molekuly k molekule; může to být například fosfatidylcholin, který obsahuje složku obsahující dusík. Je hydrofilní, protože má nerovnoměrné rozložení náboje (tj. Je polární), stejně jako voda, takže si oba „vycházejí“ v blízkých mikroskopických částech.
Mastné kyseliny na vnitřní straně membrány nemají kdekoli ve své struktuře nerovnoměrné rozložení náboje, takže jsou nepolární, a proto hydrofobní.
Kvůli elektrochemickým vlastnostem fosfolipidů nevyžaduje uspořádání fosfolipidové dvojvrstvy žádný vstup energie k vytvoření nebo udržení. Ve skutečnosti mají fosfolipidy umístěné ve vodě spontánní převzetí dvouvrstvé konfigurace stejným způsobem, jakým tekutiny „hledají svou vlastní úroveň“.
Transport buněčných membrán
Protože buněčná membrána je selektivně propustná, musí poskytovat prostředky pro získání různých látek, z nichž některé jsou velké a malé, z jedné strany na druhou. Přemýšlejte o způsobech, jak byste mohli překročit řeku nebo vodní útvar. Můžete jet trajektem; můžete se jednoduše unášet na lehkém vánku nebo vás mohou unášet ustálené říční nebo oceánské proudy. A můžete se nejprve setkat pouze s přechodem vodního útvaru, protože tam je příliš vysoká a koncentrace lidí na vaší straně a příliš nízká koncentrace na druhé straně, což představuje potřebu vyrovnat věci ven.
Každý z těchto scénářů nese určitý vztah k jednomu z více způsobů, jak mohou molekuly procházet buněčnou membránou. Mezi tyto způsoby patří:
Jednoduchá difúze: V tomto procesu molekuly jednoduše driftují přes dvojitou membránu a procházejí buď do nebo z buňky. Klíčem je, že molekuly se ve většině situací budou pohybovat dolů v koncentračním gradientu, což znamená, že se přirozeně driftují z oblastí s vyšší koncentrací do oblastí s nižší koncentrací. Pokud byste měli nalít plechovku barvy do středu bazénu, pohyb molekul barvy směrem ven by představoval formu jednoduché difúze. Molekuly, které mohou procházet buněčnými membránami tímto způsobem, jak můžete předpovědět, jsou malé molekuly, jako je O2 a CO2.
Osmóza: Osmózu lze popsat jako „sací tlak“, který způsobuje pohyb vody, když není možný pohyb částic rozpuštěných ve vodě. K tomu dochází, když membrána propustí vodu, ale nikoli rozpuštěné částice („soluty“), kterými projde. Hnací silou je opět koncentrační gradient, protože celé místní prostředí „hledá“ rovnovážný stav, ve kterém je množství rozpuštěné látky na jednotku vody v celém rozsahu stejné. Pokud je na jedné straně pro vodu propustnou a nepropustnou membránu více částic rozpuštěné látky než na druhé straně, bude voda proudit do oblasti s vyšší koncentrací rozpuštěné látky. To znamená, že pokud částice nemohou změnit svoji koncentraci ve vodě pohybem, pak se voda sama pohne, aby dosáhla víceméně stejné úlohy.
Usnadněná difúze: Tento typ membránového transportu opět vidí pohyb částic z oblastí s vyšší koncentrací do oblastí s nižší koncentrací. Na rozdíl od případu s jednoduchou difúzí se však molekuly přesouvají do nebo z buňky specializované proteinové kanály, spíše než pouhé driftování mezerami mezi glycerofosfolipidem molekuly. Pokud jste někdy sledovali, co se stane, když se něco unášejícího po řece najednou ocitne v průchodu mezi skalami víte, že předmět (možná přítel na vnitřní trubce!) se v tom značně zrychluje průchod; tak je to s proteinovými kanály. To je nejběžnější u polárních nebo elektricky nabitých molekul.
Aktivní transport: Všechny dříve diskutované typy transportu membránou zahrnují pohyb dolů po koncentračním gradientu. Někdy se však stejně jako lodě musí pohybovat proti proudu a auta musí stoupat do kopců, látky se většinou pohybují proti koncentračnímu gradientu - energeticky nepříznivá situace. Ve výsledku musí být proces poháněn vnějším zdrojem, a v tomto případě je tímto zdrojem adenosintrifosfát (ATP), který je rozšířeným palivem pro mikroskopické biologické transakce. V tomto procesu je jedna ze tří fosfátových skupin odstraněna z ATP za vzniku adenosindifosfátu (ADP) a volného fosfátu a energie uvolněná hydrolýzou fosfát-fosfátové vazby se používá k „pumpování“ molekul do gradientu a přes membrána.
K aktivnímu přenosu může dojít také nepřímým nebo sekundárním způsobem. Například membránová pumpa může přesouvat sodík přes svůj koncentrační gradient z jedné strany membrány na druhou, ven z buňky. Když iont sodíku difunduje zpět opačným směrem, může s sebou nést molekulu glukózy vlastní koncentrační gradient molekuly (koncentrace glukózy je obvykle vyšší na vnitřní straně buněk než na mimo). Protože pohyb glukózy je proti jejímu koncentračnímu gradientu, jedná se o aktivní transport, ale protože není přímo zapojen žádný ATP, jedná se o příklad sekundární aktivní transport.