Κυτταρική μεμβράνη: Ορισμός, Λειτουργία, Δομή & Γεγονότα

Η κυτταρική μεμβράνη - που ονομάζεται επίσης μεμβράνη πλάσματος ή κυτταροπλασματική μεμβράνη - είναι από τις πιο συναρπαστικές και κομψές κατασκευές στον κόσμο της βιολογίας. Το κελί θεωρείται η θεμελιώδης μονάδα ή «δομικό στοιχείο» όλων των ζωντανών όντων στη Γη. το σώμα σας έχει τρισεκατομμύρια από αυτά και έχουν διαφορετικά κύτταρα σε διαφορετικά όργανα και ιστούς διαφορετικές δομές που σχετίζονται άψογα με τις λειτουργίες των ιστών που αποτελούνται από αυτές κύτταρα.

Ενώ οι πυρήνες των κυττάρων προσελκύουν συχνά τη μεγαλύτερη προσοχή, καθώς περιέχουν το γενετικό υλικό που είναι απαραίτητο για να περάσουν πληροφορίες για τις επόμενες γενιές του οργανισμού, η κυτταρική μεμβράνη είναι ο κυριολεκτικός φύλακας και φύλακας των κυττάρων περιεχόμενα. Μακριά από ένα απλό δοχείο ή φράγμα, ωστόσο, η μεμβράνη έχει εξελιχθεί για να διατηρήσει την κυτταρική ισορροπία ή την εσωτερική ισορροπία, μέσω αποτελεσματικής και ακούραστης μεταφοράς μηχανισμοί που καθιστούν τη μεμβράνη ένα είδος μικροσκοπικού τελωνείου επίσημο, επιτρέποντας και απαγορεύοντας την είσοδο και έξοδο ιόντων και μορίων σύμφωνα με τον πραγματικό χρόνο του κυττάρου ανάγκες των.

Όλοι οι οργανισμοί έχουν κυτταρικές μεμβράνες κάποιου είδους. Αυτό περιλαμβάνει προκαρυωτικά, τα οποία είναι κυρίως βακτήρια και πιστεύεται ότι αντιπροσωπεύουν μερικά από τα παλαιότερα ζωντανά είδη στη Γη, καθώς και ευκαρυωτικά, τα οποία περιλαμβάνουν ζώα και φυτά. Τόσο τα προκαρυωτικά βακτήρια όσο και τα ευκαρυωτικά φυτά έχουν κυτταρικό τοίχωμα εξωτερικό της κυτταρικής μεμβράνης για επιπλέον προστασία. Στα φυτά, αυτός ο τοίχος έχει πόρους και δεν είναι ιδιαίτερα επιλεκτικοί όσον αφορά το τι μπορεί να περάσει και τι δεν μπορεί. Επιπλέον, τα ευκαρυωτικά διαθέτουν οργανίδια, όπως ο πυρήνας και τα μιτοχόνδρια, που περικλείονται από μεμβράνες όπως αυτή που περιβάλλει το κύτταρο στο σύνολό του. Οι προκαρυωτικοί δεν έχουν καν πυρήνες. το γενετικό τους υλικό είναι διασκορπισμένο, αν και κάπως σφιχτά, σε όλο το κυτταρόπλασμα.

Σημαντικά μοριακά στοιχεία δείχνουν ότι τα ευκαρυωτικά κύτταρα προέρχονται από προκαρυωτικά κύτταρα, χάνοντας το κυτταρικό τοίχωμα σε κάποιο σημείο της εξέλιξής τους. Αν και αυτό έκανε τα μεμονωμένα κελιά πιο ευάλωτα στις προσβολές, τους επέτρεψε επίσης να γίνουν πιο περίπλοκα και να επεκταθούν γεωμετρικά στη διαδικασία. Στην πραγματικότητα, τα ευκαρυωτικά κύτταρα μπορούν να είναι δέκα φορές μεγαλύτερα από τα προκαρυωτικά κύτταρα, ένα εύρημα που καθίσταται ακόμη πιο εντυπωσιακό από το γεγονός ότι ένα μόνο κύτταρο είναι εξ ορισμού το σύνολο ενός προκαρυωτικού οργανισμού. (Ορισμένα ευκαρυωτικά είναι μονοκύτταρα.)

Η κυτταρική μεμβράνη αποτελείται από μια δομή διπλής στρώσης (μερικές φορές ονομάζεται "ρευστό μωσαϊκό μοντέλο") αποτελούμενη κυρίως από φωσφολιπίδια. Ένα από αυτά τα στρώματα βλέπει στο εσωτερικό του κυττάρου ή στο κυτταρόπλασμα, ενώ το άλλο βλέπει στο εξωτερικό περιβάλλον. Οι πλευρές προς τα έξω και προς τα μέσα θεωρούνται "υδρόφιλες" ή προσελκύονται σε υδάτινα περιβάλλοντα. το εσωτερικό τμήμα είναι "υδρόφοβο" ή απωθείται από υδάτινα περιβάλλοντα. Μεμονωμένα, οι κυτταρικές μεμβράνες είναι ρευστές σε θερμοκρασίες σώματος, αλλά σε ψυχρότερες θερμοκρασίες, παίρνουν μια ομοιάζουσα με γέλη.

Τα λιπίδια στη διπλή στιβάδα αντιπροσωπεύουν περίπου το ήμισυ της συνολικής μάζας της κυτταρικής μεμβράνης. Η χοληστερόλη αποτελεί περίπου το ένα πέμπτο των λιπιδίων στα ζωικά κύτταρα, αλλά όχι στα φυτικά κύτταρα, καθώς η χοληστερόλη δεν βρίσκεται πουθενά στα φυτά. Το μεγαλύτερο μέρος της υπόλοιπης μεμβράνης αντιπροσωπεύεται από πρωτεΐνες με ποικίλη ποικιλία λειτουργιών. Δεδομένου ότι οι περισσότερες πρωτεΐνες είναι πολικά μόρια, όπως η ίδια η μεμβράνη, τα υδρόφιλα άκρα τους προεξέχουν στο εξωτερικό του κυττάρου και τα υδρόφοβα άκρα τους δείχνουν προς το εσωτερικό της διπλής στιβάδας.

Μερικές από αυτές τις πρωτεΐνες συνδέονται με υδατάνθρακες αλυσίδες, καθιστώντας τις γλυκοπρωτεΐνες. Πολλές από τις πρωτεΐνες μεμβράνης εμπλέκονται στην επιλεκτική μεταφορά ουσιών μέσω της διπλής στιβάδας, τις οποίες αυτές μπορεί να το κάνει είτε με τη δημιουργία καναλιών πρωτεΐνης κατά μήκος της μεμβράνης ή με φυσική διακοπή τους μέσω της μεμβράνης. Άλλες πρωτεΐνες λειτουργούν ως υποδοχείς σε κυτταρικές επιφάνειες, παρέχοντας θέσεις σύνδεσης για μόρια που φέρουν χημικά σήματα. Αυτές οι πρωτεΐνες μεταδίδουν αυτές τις πληροφορίες στο εσωτερικό του κυττάρου. Ακόμα άλλες πρωτεΐνες μεμβράνης δρουν ως ένζυμα που καταλύουν αντιδράσεις ιδιαίτερα στην ίδια τη μεμβράνη πλάσματος.

Η κρίσιμη πτυχή της κυτταρικής μεμβράνης δεν είναι ότι είναι «αδιάβροχη» ή αδιαπέραστη από ουσίες γενικά. αν ήταν είτε, το κελί θα πεθάνει. Το κλειδί για την κατανόηση της κύριας εργασίας της κυτταρικής μεμβράνης είναι ότι είναι επιλεκτικά διαπερατό. Μια αναλογία: Ακριβώς όπως τα περισσότερα έθνη στη Γη δεν απαγορεύουν εντελώς τους ανθρώπους να ταξιδεύουν πέρα ​​από το διεθνή σύνορα του έθνους, χώρες σε όλο τον κόσμο δεν έχουν τη συνήθεια να αφήνουν κανέναν και όλοι μπαίνουν. Οι κυτταρικές μεμβράνες προσπαθούν να κάνουν ό, τι κάνουν οι κυβερνήσεις αυτών των χωρών, σε πολύ μικρότερη κλίμακα: επιτρέψτε στις επιθυμητές οντότητες να εισέλθουν στο κελί αφού "ελεγχθεί" ενώ απαγορεύεται η είσοδος σε οντότητες που είναι πιθανό να αποδειχθούν τοξικές ή καταστροφικές για το εσωτερικό ή το κελί ως ολόκληρος.

Συνολικά, η μεμβράνη δρα ως επίσημο όριο, συγκρατώντας τα διάφορα μέρη του κυττάρου μαζί με τον τρόπο που ένας φράκτης γύρω από ένα αγρόκτημα κρατά τα ζώα μαζί ακόμα και επιτρέποντάς τους να περιπλανηθούν και να ανακατευτούν. Εάν έπρεπε να μαντέψετε τα είδη των μορίων που επιτρέπεται να εισέλθουν και να εξέλθουν πιο εύκολα, μπορείτε να πείτε "πηγές καυσίμου" και "μεταβολικά απόβλητα" αντίστοιχα, δεδομένου ότι αυτό είναι ουσιαστικά αυτό που τα σώματα στο σύνολό τους κάνω. Και θα έχεις δίκιο. Πολύ μικρά μόρια, όπως αέριο οξυγόνο (Ο₂), αέριο διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και νερό (Η₂Ο), μπορεί να περάσει ελεύθερα σε όλη τη μεμβράνη, αλλά η διέλευση μεγαλύτερων μορίων, όπως αμινοξέα και σάκχαρα, ελέγχεται αυστηρά.

Τα μόρια που ονομάζονται σχεδόν καθολικά "φωσφολιπίδια" που απαρτίζουν τη διπλή στιβάδα της κυτταρικής μεμβράνης ονομάζονται πιο σωστά "γλυκεροφωσφολιπίδια." Αποτελούνται από ένα μόριο γλυκερίνης, το οποίο είναι μια αλκοόλη τριών-άνθρακα, προσκολλημένη σε δύο μακρά λιπαρά οξέα στη μία πλευρά και ένα φωσφορική ομάδα από την άλλη. Αυτό δίνει στο μόριο ένα μακρύ, κυλινδρικό σχήμα που ταιριάζει στη δουλειά του να είναι ένα μέρος ενός μεγάλου φύλλου, το οποίο μοιάζει με ένα στρώμα της μεμβράνης διπλής στιβάδας σε διατομή.

Το φωσφορικό τμήμα του γλυκεροφωσφολιπιδίου είναι υδρόφιλο. Το συγκεκριμένο είδος φωσφορικών ομάδων ποικίλλει από μόριο σε μόριο. Για παράδειγμα, μπορεί να είναι φωσφατιδυλοχολίνη, η οποία περιλαμβάνει ένα συστατικό που περιέχει άζωτο. Είναι υδρόφιλο επειδή έχει μια άνιση κατανομή φόρτισης (δηλαδή, είναι πολικό), ακριβώς όπως το νερό, έτσι οι δύο "ταιριάζουν" σε στενά μικροσκοπικά σημεία.
Τα λιπαρά οξέα στο εσωτερικό της μεμβράνης δεν έχουν άνιση κατανομή φορτίου οπουδήποτε στη δομή τους, επομένως είναι μη πολικά και ως εκ τούτου υδρόφοβα.

Λόγω των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των φωσφολιπιδίων, η διάταξη διπλής στιβάδας φωσφολιπιδίων δεν απαιτεί εισαγωγή ενέργειας για δημιουργία ή συντήρηση. Στην πραγματικότητα, τα φωσφολιπίδια που τοποθετούνται στο νερό τείνουν να αναλαμβάνουν αυθόρμητα τη διαστρωματική στιβάδα με τον ίδιο τρόπο όπως τα υγρά «αναζητούν το δικό τους επίπεδο».

Επειδή η κυτταρική μεμβράνη είναι επιλεκτικά διαπερατή, πρέπει να παρέχει ένα μέσο για να πάρει μια ποικιλία ουσιών, μερικές μεγάλες και μερικές μικρές, από τη μία πλευρά στην άλλη. Σκεφτείτε τους τρόπους με τους οποίους μπορείτε να διασχίσετε ένα ποτάμι ή ένα νερό. Μπορεί να πάρετε πλοίο? μπορεί απλά να παρασυρθείτε με ένα ελαφρύ αεράκι, ή μπορεί να σας μεταφέρει από σταθερά ρεύματα ποταμού ή ωκεανού. Και μπορεί να βρεθείτε μόνο να διασχίζετε το σώμα του νερού στην πρώτη θέση, επειδή υπάρχει πολύ υψηλό α συγκέντρωση των ανθρώπων από την πλευρά σας και πολύ χαμηλή συγκέντρωση από την άλλη, παρουσιάζοντας την ανάγκη για ομοιόμορφο τα πράγματα έξω.

Κάθε ένα από αυτά τα σενάρια έχει κάποια σχέση με έναν από τους περισσότερους από τους τρόπους με τους οποίους τα μόρια μπορούν να περάσουν μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτοί οι τρόποι περιλαμβάνουν:

Απλή διάχυση: Σε αυτήν τη διαδικασία, τα μόρια απλώς μετακινούνται μέσω της διπλής μεμβράνης για να περάσουν μέσα ή έξω από το κύτταρο. Το κλειδί εδώ είναι ότι τα μόρια στις περισσότερες περιπτώσεις θα μετακινηθούν σε μια κλίση συγκέντρωσης, πράγμα που σημαίνει ότι φυσικά μετακινούνται από περιοχές υψηλότερης συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλότερης συγκέντρωσης. Εάν επρόκειτο να ρίξετε ένα κουτί χρώματος στη μέση μιας πισίνας, η εξωτερική κίνηση των μορίων βαφής θα αποτελούσε μια μορφή απλής διάχυσης. Τα μόρια που μπορούν να διασχίσουν τις κυτταρικές μεμβράνες με αυτόν τον τρόπο, όπως μπορείτε να προβλέψετε, είναι μικρά μόρια όπως το Ο₂ και CO₂.

Ωσμωση: Η όσμωση μπορεί να περιγραφεί ως «πίεση αναρρόφησης» που προκαλεί την κίνηση του νερού όταν είναι αδύνατη η κίνηση σωματιδίων που διαλύονται στο νερό. Αυτό συμβαίνει όταν μια μεμβράνη επιτρέπει στο νερό, αλλά όχι τα διαλυμένα σωματίδια ("διαλυτές ουσίες") να περάσουν μέσα από αυτό. Η κινητήρια δύναμη είναι και πάλι μια κλίση συγκέντρωσης, επειδή ολόκληρο το τοπικό περιβάλλον «επιδιώκει» μια κατάσταση ισορροπίας στην οποία η ποσότητα της διαλυμένης ουσίας ανά μονάδα νερού είναι η ίδια σε όλη. Εάν υπάρχουν περισσότερα σωματίδια διαλυμένης ουσίας στη μία πλευρά μιας διαπερατής στο νερό, αδιαπέρατης από τη διαλυτότητα μεμβράνης από την άλλη, το νερό θα ρέει στην περιοχή υψηλότερης συγκέντρωσης διαλυμένης ουσίας. Δηλαδή, εάν τα σωματίδια δεν μπορούν να αλλάξουν τη συγκέντρωσή τους στο νερό μετακινώντας, τότε το ίδιο το νερό θα κινηθεί για να επιτύχει λίγο πολύ την ίδια δουλειά.

Διευκόλυνση διάχυσης: Και πάλι, αυτός ο τύπος μεταφοράς μεμβρανών βλέπει τα σωματίδια να μετακινούνται από περιοχές υψηλότερης συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλότερης συγκέντρωσης. Σε αντίθεση με την περίπτωση με απλή διάχυση, ωστόσο, τα μόρια μετακινούνται μέσα ή έξω από το κύτταρο μέσω εξειδικευμένα κανάλια πρωτεΐνης, και όχι απλώς να διέρχονται τα διαστήματα μεταξύ του γλυκεροφωσφολιπιδίου μόρια. Εάν έχετε δει ποτέ τι συμβαίνει όταν κάτι που παρασύρει κάτω από ένα ποτάμι ξαφνικά βρίσκεται σε ένα πέρασμα ανάμεσα σε βράχους, γνωρίζετε ότι το αντικείμενο (ίσως ένας φίλος σε έναν εσωτερικό σωλήνα!) επιταχύνεται σημαντικά ενώ βρίσκεται σε αυτό διάδρομος; έτσι είναι με τα κανάλια πρωτεΐνης. Αυτό είναι πιο κοινό με μόρια πολικών ή ηλεκτρικών φορτίων.

Ενεργή μεταφορά: Οι τύποι μεταφοράς μεμβράνης που συζητήθηκαν προηγουμένως όλοι περιλαμβάνουν κίνηση προς τα κάτω σε μια βαθμίδα συγκέντρωσης. Μερικές φορές, ωστόσο, όπως τα σκάφη πρέπει να κινούνται προς τα πάνω και τα αυτοκίνητα πρέπει να ανεβαίνουν στους λόφους, οι ουσίες κινούνται περισσότερο σε μια κλίση συγκέντρωσης - μια δραστικά δυσμενής κατάσταση. Ως αποτέλεσμα, η διαδικασία πρέπει να τροφοδοτείται από μια εξωτερική πηγή, και στην περίπτωση αυτή αυτή η πηγή είναι η τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), που είναι ευρέως διαδεδομένο καύσιμο για μικροσκοπικές βιολογικές συναλλαγές. Σε αυτήν τη διαδικασία, μία από τις τρεις ομάδες φωσφορικών αφαιρείται από το ATP για να δημιουργήσει διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) και ένα ελεύθερο φωσφορικό άλας και η ενέργεια που απελευθερώνεται από την υδρόλυση του δεσμού φωσφορικού-φωσφορικού χρησιμοποιείται για την «άντληση» μορίων στην κλίση και κατά μήκος της μεμβράνη.

Η ενεργή μεταφορά μπορεί επίσης να συμβεί με έμμεσο ή δευτερεύοντα τρόπο. Για παράδειγμα, μια αντλία μεμβράνης μπορεί να μετακινεί το νάτριο κατά μήκος της βαθμίδας συγκέντρωσης από τη μία πλευρά της μεμβράνης στην άλλη, έξω από το κελί. Όταν το ιόν νατρίου διαχέεται πίσω προς την άλλη κατεύθυνση, μπορεί να φέρει ένα μόριο γλυκόζης μαζί του βαθμίδα συγκέντρωσης του μορίου (η συγκέντρωση γλυκόζης είναι συνήθως υψηλότερη στα εσωτερικά των κυττάρων από ό, τι στο εξω απο). Δεδομένου ότι η κίνηση της γλυκόζης είναι ενάντια στη βαθμίδα συγκέντρωσης, αυτή είναι η ενεργή μεταφορά, αλλά επειδή δεν εμπλέκεται άμεσα ATP, αυτό είναι ένα παράδειγμα δευτερεύων ενεργή μεταφορά.