Cellemembranen - også kaldet plasmamembran eller cytoplasmisk membran - er blandt de mest fascinerende og elegante konstruktioner i biologiens verden. Cellen betragtes som den grundlæggende enhed eller "byggesten" for alle levende ting på Jorden; din egen krop har billioner af dem, og forskellige celler i forskellige organer og væv har forskellige strukturer, der korrelerer udsøgt med funktionerne i vævene, der består af disse celler.
Mens cellernes kerner ofte henleder mest opmærksomhed, da de indeholder det genetiske materiale, der er nødvendigt for at passere information til efterfølgende generationer af organismen, er cellemembranen den bogstavelige portvogter og værge for cellens indhold. Langt fra en simpel beholder eller barriere har membranen imidlertid udviklet sig til at opretholde cellulær ligevægt eller indre balance gennem effektiv og utrættelig transport mekanismer, der gør membranen til en slags mikroskopisk toldembedsmand, der tillader og nægter indgang og udgang af ioner og molekyler i overensstemmelse med cellens realtid behov.
Cellemembraner på tværs af livsspektret
Alle organismer har cellemembraner af en slags. Dette inkluderer prokaryoter, som for det meste er bakterier og menes at repræsentere nogle af de ældste levende arter på Jorden, såvel som eukaryoter, som inkluderer dyr og planter. Både de prokaryote bakterier og de eukaryote planter har en cellevæg uden for cellemembranen for yderligere beskyttelse; i planter har denne mur porer, og de er ikke særlig selektive med hensyn til hvad der kan passere igennem og hvad der ikke kan. Derudover har eukaryoter organeller, såsom kernen og mitokondrierne, lukket af membraner som den, der omgiver cellen som helhed. Prokaryoter har ikke engang kerner; deres genetiske materiale er spredt, omend noget tæt, gennem hele cytoplasmaet.
Betydelige molekylære beviser antyder, at eukaryote celler stammer fra prokaryote celler og mister cellevæggen på et eller andet tidspunkt i deres udvikling. Selv om dette gjorde individuelle celler mere sårbare over for fornærmelser, tillod det dem også at blive mere komplekse og udvide geometrisk i processen. Faktisk kan eukaryote celler være ti gange så store som prokaryote celler, et fund, der er desto mere slående, fordi en enkelt celle pr. Definition er en helhed af en prokaryot organisme. (Nogle eukaryoter er også encellede.)
Cellemembranstruktur
Cellemembranen består af en dobbeltlags struktur (undertiden kaldet "flydende mosaikmodel"), der hovedsagelig består af phospholipider. Et af disse lag vender mod det indre af cellen eller cytoplasma, mens det andet vender ud mod det ydre miljø. De udad- og indadvendte sider betragtes som "hydrofile" eller tiltrukket af vandige omgivelser; den indre del er "hydrofob" eller frastødt af vandige omgivelser. Isoleret er cellemembraner flydende ved kropstemperaturer, men ved køligere temperaturer får de en gelignende konsistens.
Lipiderne i dobbeltlaget tegner sig for ca. halvdelen af den totale masse af cellemembranen. Kolesterol udgør ca. en femtedel af lipiderne i dyreceller, men ikke i planteceller, da kolesterol ikke findes nogen steder i planter. Det meste af resten af membranen tælles med proteiner med en række forskellige funktioner. Da de fleste proteiner er polære molekyler, ligesom selve membranen, stikker deres hydrofile ender ud til celleudvendigheden, og deres hydrofobe ender peger på det indre af dobbeltlaget.
Nogle af disse proteiner har kulhydratkæder knyttet til sig, hvilket gør dem til glykoproteiner. Mange af membranproteinerne er involveret i den selektive transport af stoffer over dobbeltlaget, som de kan gøre enten ved at skabe proteinkanaler på tværs af membranen eller ved fysisk at skubbe dem hen over membranen. Andre proteiner fungerer som receptorer på celleoverflader og tilvejebringer bindingssteder for molekyler, der bærer kemiske signaler; disse proteiner videresender derefter denne information til det indre af cellen. Endnu andre membranproteiner fungerer som enzymer, der katalyserer reaktioner, især for selve plasmamembranen.
Cellemembranfunktioner
Det kritiske aspekt af cellemembranen er ikke, at den er "vandtæt" eller uigennemtrængelig for stoffer generelt; hvis det var en af dem, ville cellen dø. Nøglen til at forstå cellemembranens hovedopgave er, at den er selektivt permeabel. En analogi: Ligesom de fleste nationer på Jorden ikke helt forbyder folk at rejse over nationens internationale grænser har lande over hele kloden ikke til vane at lade nogen og alle kommer ind. Cellemembraner forsøger at gøre, hvad disse landes regeringer gør, i meget mindre skala: tillade ønskelige enheder at komme ind i cellen efter at være blevet "undersøgt", mens spærre adgang til enheder, der sandsynligvis viser sig at være giftige eller ødelæggende for det indre eller cellen som en hel.
Samlet set fungerer membranen som en formel grænse og holder de forskellige dele af cellen sammen den samme måde et hegn omkring en gård holder husdyrene sammen, selv mens de tillader dem at strejfe rundt og blande sig. Hvis du skulle gætte, hvilke slags molekyler der er let at komme ind og ud, siger du måske henholdsvis "kilder til brændstof" og "metabolisk affald", forudsat at dette i det væsentlige er, hvad organer som helhed gør. Og du ville have ret. Meget små molekyler, såsom gasformigt ilt (O2), gasformig kuldioxid (CO2) og vand (H2O), kan passere frit over membranen, men passagen af større molekyler, såsom aminosyrer og sukkerarter, kontrolleres tæt.
Lipid-dobbeltlaget
Molekylerne, der næsten universelt kaldes "phospholipider", der udgør cellemembran dobbeltlaget, kaldes mere korrekt "glycerophospholipider." De består af et glycerolmolekyle, som er en alkohol med tre carbonatomer, bundet til to lange fedtsyrer på den ene side og en fosfatgruppe på den anden. Dette giver molekylet en lang, cylindrisk form, der er velegnet til opgaven med at være en del af et bredt ark, hvilket er, hvad et enkelt lag af membran-dobbeltlaget ligner på tværsnit.
Phosphatdelen af glycerophospholipidet er hydrofil. Den specifikke type phosphatgruppe varierer fra molekyle til molekyle; for eksempel kan det være phosphatidylcholin, en som inkluderer en nitrogenholdig komponent. Det er hydrofilt, fordi det har en ujævn fordeling af ladning (dvs. er polært), ligesom vand, så de to "kommer sammen" i tætte mikroskopiske kvarterer.
Fedtsyrerne på det indre af membranen har ikke en ujævn fordeling af ladning overalt i deres struktur, så de er ikke-polære og dermed hydrofobe.
På grund af phospholipids elektrokemiske egenskaber kræver phospholipid-dobbeltlagsarrangementet ingen input af energi for at skabe eller vedligeholde. Faktisk har phospholipider anbragt i vand en tendens til spontant at antage dobbeltlagskonfigurationen på omtrent samme måde som væsker "søger deres eget niveau."
Transport af cellemembran
Da cellemembranen er selektivt permeabel, skal den tilvejebringe et middel til at få en række stoffer, nogle store og nogle små, fra den ene side til den anden. Tænk på de måder, du kan krydse en flod eller en vandmasse. Du kan tage en færge; du kan bare køre på en let brise, eller du kan blive båret af en jævn strøm af floder eller havstrømme. Og du finder måske kun ud af, at du krydser vandmassen i første omgang, fordi der er for høj a koncentration af mennesker på din side og for lav koncentration på den anden, hvilket giver et behov for at udjævne tingene ud.
Hver af disse scenarier har et vist forhold til en af flere måder, hvorpå molekyler kan passere gennem cellemembranen. Disse måder inkluderer:
Enkel diffusion: I denne proces driver molekyler simpelthen gennem dobbeltmembranen for at passere enten ind i eller ud af cellen. Nøglen her er, at molekyler i de fleste situationer bevæger sig ned ad en koncentrationsgradient, hvilket betyder, at de naturligt driver fra områder med højere koncentration til områder med lavere koncentration. Hvis du hældte en dåse maling i midten af en swimmingpool, ville malingens molekylers udadgående bevægelse repræsentere en form for simpel diffusion. De molekyler, der kan krydse cellemembraner på denne måde, som du måske forudsiger, er små molekyler såsom O2 og CO2.
Osmose: Osmose kan beskrives som et "sugetryk", der forårsager bevægelse af vand, når bevægelsen af partikler opløst i vandet er umulig. Dette sker, når en membran tillader vand, men ikke de opløste partikler ("opløste stoffer"), at passere gennem det. Drivkraften er igen en koncentrationsgradient, fordi hele lokalmiljøet "søger" en ligevægtstilstand, hvor mængden af opløst stof pr. Enhed vand er den samme overalt. Hvis der er flere opløste partikler på den ene side af en vandgennemtrængelig, opløseligt uigennemtrængelig membran end den anden, vil vand strømme til området med højere koncentration af opløst stof. Det vil sige, hvis partikler ikke kan ændre deres koncentration i vand ved at bevæge sig, så bevæger selve vandet sig for at udføre mere eller mindre det samme job.
Lettet diffusion: Igen ser denne type membrantransport partikler bevæge sig fra områder med højere koncentration til områder med lavere koncentration. I modsætning til tilfældet med simpel diffusion bevæger molekylerne sig imidlertid ind i eller ud af cellen via specialiserede proteinkanaler, snarere end blot at flytte gennem mellemrummet mellem glycerophospholipid molekyler. Hvis du nogensinde har set, hvad der sker, når noget, der driver ned ad en flod, pludselig befinder sig i en passage mellem klipper, ved du, at objektet (måske en ven på et indre rør!) fremskynder betydeligt, mens det er i dette passage; sådan er det med proteinkanaler. Dette er mest almindeligt med polære eller elektrisk ladede molekyler.
Aktiv transport: De tidligere diskuterede typer af membrantransport involverer alle bevægelse ned ad en koncentrationsgradient. Nogle gange, ligesom både skal bevæge sig opstrøms, og biler skal klatre op ad bakker, bevæger stofferne sig mest mod en koncentrationsgradient - en energisk ugunstig situation. Som et resultat skal processen drives af en ekstern kilde, og i dette tilfælde er denne kilde adenosintrifosfat (ATP), der udbreder brændstof til mikroskopiske biologiske transaktioner. I denne proces fjernes en af de tre phosphatgrupper fra ATP for at skabe adenosindiphosphat (ADP) og et frit phosphat, og den energi, der frigøres ved hydrolyse af phosphat-phosphatbinding, bruges til at "pumpe" molekyler op ad gradienten og over membran.
Aktiv transport kan også forekomme på en indirekte eller sekundær måde. For eksempel kan en membranpumpe bevæge natrium over sin koncentrationsgradient fra den ene side af membranen til den anden ud af cellen. Når natriumionen diffunderer igennem i den anden retning, kan det medføre et glukosemolekyle mod det molekylets egen koncentrationsgradient (glukosekoncentration er normalt højere på indersiden af celler end på uden for). Da glukosens bevægelse er mod dets koncentrationsgradient, er dette aktiv transport, men fordi ingen ATP er direkte involveret, er det et eksempel på sekundær aktiv transport.