Δομή κυτταρικής μεμβράνης

Μόνο ένα πολύ λεπτό, εύκαμπτο φράγμα διαχωρίζει το περιεχόμενο ενός κελιού από το περιβάλλον του. Η λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης επιτρέπει επιλεκτικά την ανταλλαγή και διέλευση ορισμένων μορίων διατηρώντας παράλληλα τις ανεπιθύμητες ουσίες. Μέρη της κυτταρικής μεμβράνης επιτρέπουν επίσης στο κύτταρο να επικοινωνεί με άλλα κύτταρα και το περιβάλλον γύρω από αυτό. Τόσο τα φυτά όσο και τα ζώα διαθέτουν κυτταρικές μεμβράνες, αλλά η δομή και η οργάνωση της κυτταρικής μεμβράνης τους διαφέρει, καθώς Τα φυτά, η μαγιά και τα βακτήρια έχουν ένα άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα έξω από τη μεμβράνη για πρόσθετη υποστήριξη και δομή. Οι μοναδικές λειτουργίες της κυτταρικής μεμβράνης υπαγορεύουν τη δομή και τις ιδιότητές της.

Μια δομή δύο στρωμάτων ειδικών λιπιδικών μορίων, που ονομάζονται φωσφολιπίδια, αποτελεί την κυτταρική μεμβράνη. Κάθε φωσφολιπίδιο έχει δύο αλυσίδες λιπαρών οξέων συνδεδεμένες σε μια κεφαλή φωσφορικής-γλυκερόλης. Τα λιπαρά οξέα είναι υδρόφοβα (που μισούν το νερό), όπου όπως η φωσφορική κεφαλή είναι υδρόφιλη (λατρεύει το νερό). Τα δύο στρώματα φωσφολιπιδίων τοποθετούνται έτσι ώστε τα λιπαρά οξέα να βρίσκονται μέσα στα στρώματα ή τα φυλλάδια. Σύμφωνα με το «Carnegie-Mellon: Η δομή και η λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης», όταν έρχεται η διπλή μεμβράνη σε επαφή με το νερό, τα μόρια φωσφολιπιδίου αναδιατάσσονται για να κρατήσουν τις ουρές λιπαρών οξέων μακριά νερό.

Δύο είδη πρωτεϊνών διασκορπίζονται σε όλη την κυτταρική μεμβράνη: ολοκληρωμένες πρωτεΐνες και περιφερειακές πρωτεΐνες. Ολοκληρωμένες πρωτεΐνες, κατασκευασμένες από μεγάλες αλυσίδες αμινοξέων, διέρχονται από ολόκληρη τη μεμβράνη. Ορισμένα μέρη της πρωτεΐνης αλληλεπιδρούν με το εξωτερικό περιβάλλον και άλλα μέρη αλληλεπιδρούν με το εσωτερικό των κυττάρων. Ως εκ τούτου, οι ακέραιες πρωτεΐνες ονομάζονται επίσης διαμεμβρανικές πρωτεΐνες. Οι ακέραιες πρωτεΐνες έχουν δύο κύριες λειτουργίες. Δρουν ως πόροι που επιτρέπουν ορισμένα «ιόντα ή θρεπτικά συστατικά στο κύτταρο» και «μεταδίδουν σήματα μέσα και έξω από το κύτταρο», σύμφωνα με τον James Burnette III στο άρθρο Carnegie-Mellon.

Αντιθέτως, οι περιφερειακές πρωτεΐνες προσκολλούνται μόνο στην επιφάνεια της μεμβράνης και χρησιμεύουν ως αγκύρια για τον κυτταροσκελετό ή τις εξωκυτταρικές ίνες.

Ένα στρώμα υδατανθράκων γνωστό ως glycocalyx καλύπτει την κυτταρική επιφάνεια. Ο γλυκοκάλιξ αποτελείται από βραχείς ολιγοσακχαρίτες που συνδέονται με ορισμένους τύπους διαμεμβρανικών πρωτεϊνών. Σύμφωνα με το «The Cell: Structure of the Plasma Membrane», ο γλυκοκάλυκας παρέχει την ταυτότητα ενός κυττάρου. Παρέχει βασικά ένα σύνολο δεικτών που μπορούν να διακρίνουν μεταξύ πανομοιότυπων κυττάρων και ξένων ή εισβολέων κυττάρων. Ο γλυκοκάλυκας χρησιμεύει επίσης για την προστασία της κυτταρικής επιφάνειας.

Οι χοληστερόλες είναι ένας άλλος τύπος λιπιδίων που βρίσκονται στην κυτταρική μεμβράνη. Διασκορπισμένα σε όλο το εσωτερικό των λιπαρών οξέων, οι χοληστερόλες εμποδίζουν τις ουρές να συσκευάζονται πολύ σφιχτά και βοηθούν στη διατήρηση της μεμβράνης υγρό.

Προτείνεται για πρώτη φορά από τους Singer και Nicolson («Science», 18 Φεβρουαρίου 1972) ως Μοντέλο Fluid Mosaic, η κυτταρική μεμβράνη έχει δύο βασικά χαρακτηριστικά που της επιτρέπουν να εκτελεί τις λειτουργίες της. Πρώτον, η κυτταρική μεμβράνη είναι μια δομή μωσαϊκού διαφορετικών μορίων. Κάθε τύπος κυττάρου σε πολυκύτταρους και μονοκύτταρους οργανισμούς θα έχει μια μοναδική συλλογή και συνδυασμό πρωτεϊνών, υδατανθράκων και λιπιδίων. Για παράδειγμα, η Burnette του Carnegie-Mellon αναφέρει ότι η μεμβράνη των ερυθρών αιμοσφαιρίων έχει περισσότερα από 50 είδη πρωτεϊνών.

Η δεύτερη ιδιότητα της κυτταρικής μεμβράνης είναι η ρευστότητά της. Τα φωσφολιπίδια κινούνται ελεύθερα και αναδιατάσσονται σε κάθε στρώμα της μεμβράνης, αλλά σπάνια διασχίζουν την υδρόφοβη περιοχή και μεταφέρονται στην αντίθετη στιβάδα, σύμφωνα με τον Burnette. Οι υδρόφιλες κεφαλές βρίσκονται πάντα στην εξωτερική περιφέρεια και οι υδρόφοβες ουρές παραμένουν στον πυρήνα της διπλής στιβάδας.

Η ρευστή ιδιότητα της μεμβράνης έχει ως αποτέλεσμα ασύμμετρα διπλά στρώματα. Ο Burnette περιγράφει ότι, σε απόκριση σε μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα ή σε διαφορετικές θερμοκρασίες μέσα και έξω από το κελί, μπορεί να υπάρχουν περισσότερα πρωτεΐνες ή μόρια υδατανθράκων σε κάθε στρώση οποιαδήποτε στιγμή, επιτρέποντας την επιλεκτική διέλευση μορίων και ιόντων μεμβράνη.

Μια απεικόνιση των ρευστών μωσαϊκών ιδιοτήτων της κυτταρικής μεμβράνης παρουσιάζεται στο "Carnegie-Mellon: Η δομή και η λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης".