Rakumembraan: määratlus, funktsioon, struktuur ja faktid

Rakumembraan - seda nimetatakse ka plasmamembraaniks või tsütoplasmaatiliseks membraaniks - on kõige põnevam ja elegantsem konstruktsioon bioloogia maailmas. Rakku peetakse kõigi Maa elusolendite põhiliseks üksuseks või "ehituskiviks"; teie enda kehal on neid triljoneid ja erinevates elundites ja kudedes on erinevatel rakkudel erinevad struktuurid, mis korreleeruvad suurepäraselt nendest koosnevate kudede funktsioonidega rakke.

Kui rakkude tuumad tõmbavad sageli kõige rohkem tähelepanu, kuna need sisaldavad mööda minekuks vajalikku geneetilist materjali teave organismi järgnevatele põlvkondadele, on rakumembraan sõna otseses mõttes väravavaht ja valvur sisu. Kaugel pelgalt konteinerist või tõkkest on membraan arenenud, et säilitada raku tasakaalu ehk sisemist tasakaalu tõhusa ja väsimatu transpordi kaudu mehhanismid, mis muudavad membraani omamoodi mikroskoopiliseks tolliametnikuks, võimaldades ja keelates ioonide ja molekulide sisenemist ja väljumist vastavalt raku reaalajas vajadustele.

Kõigil organismidel on mingisugused rakumembraanid. Siia kuuluvad nii prokarüootid, mis on enamasti bakterid ja mis arvatavasti esindavad mõnda vanimat elavat liiki Maal, aga ka eukarüoote, mis hõlmavad loomi ja taimi. Nii prokarüootsetel bakteritel kui ka eukarüootsetel taimedel on rakumembraan rakumembraanist väljaspool, et seda täiendavalt kaitsta; taimedes on sellel seinal poorid ja need ei ole eriti valivad selle poolest, mis võib läbi minna ja mis mitte. Lisaks on eukarüootidel organellid, nagu tuum ja mitokondrid, mis on ümbritsetud membraanidega, nagu see, mis ümbritseb rakku tervikuna. Prokarüootidel pole isegi tuuma; nende geneetiline materjal on hajutatud, ehkki mõnevõrra tihedalt, kogu tsütoplasmas.

Märkimisväärsed molekulaarsed tõendid viitavad sellele, et eukarüootsed rakud pärinevad prokarüootsetest rakkudest, kaotades rakuseina nende evolutsiooni ühel hetkel. Ehkki see muutis üksikud rakud solvangute suhtes haavatavamaks, võimaldas see neil protsessil ka keerukamaks muutuda ja geomeetriliselt paisuda. Tegelikult võivad eukarüootsed rakud olla kümme korda suuremad kui prokarüootsed rakud, seda tähelepanuväärsemaks teeb järelduse asjaolu, et üks rakk on definitsiooni järgi prokarüootse organismi tervik. (Mõned eukarüoodid on ka üherakulised.)

Rakumembraan koosneb kahekihilisest struktuurist (mõnikord nimetatakse seda "vedeliku mosaiigi mudeliks"), mis koosneb peamiselt fosfolipiididest. Üks neist kihtidest on suunatud raku sisemusse ehk tsütoplasmasse, teine ​​aga väliskeskkonda. Välja- ja sissepoole suunatud külgi peetakse hüdrofiilseteks või veetavasse keskkonda meelitatuks; sisemine osa on "hüdrofoobne" või veekeskkond tõrjub. Eraldi on rakumembraanid kehatemperatuuril vedelad, kuid jahedamal temperatuuril saavad nad geelilaadse konsistentsi.

Kahekihilised lipiidid moodustavad umbes poole rakumembraani kogumassist. Kolesterool moodustab loomarakkudes umbes viiendiku lipiididest, kuid mitte taimerakkudes, kuna kolesterooli ei leidu taimedes kusagil. Suurema osa ülejäänud membraanist moodustavad mitmesuguste funktsioonidega valgud. Kuna enamik valke on polaarmolekulid, nagu ka membraan ise, ulatuvad nende hüdrofiilsed otsad raku välisküljele ja hüdrofoobsed otsad osutavad kahekihilise sisemusse.

Mõnel neist valkudest on seotud süsivesikute ahelad, mis muudavad need glükoproteiinideks. Paljud membraanivalgud osalevad ainete selektiivses transportimises üle kaksikkihi, mida nad teevad saab teha kas valguskanalite loomisel üle membraani või füüsilise sulgemise läbi membraani. Teised valgud toimivad rakupindadel retseptoritena, pakkudes keemilisi signaale kandvate molekulide seondumiskohti; need valgud edastavad selle teabe seejärel raku sisemusse. Teised membraanivalgud toimivad ensüümidena, mis katalüüsivad reaktsioone plasmamembraanile endale.

Rakumembraani kriitiline aspekt pole see, et see oleks "veekindel" või aineid läbilaskmatu; kui see oleks kumbki, sureks rakk. Rakumembraani põhitöö mõistmise võti on selles valikuliselt läbilaskev. Analoogia: täpselt nagu enamik rahvusi Maa peal ei keela inimestel täielikult reisida üle maailma Rahvusvahelised riigipiirid ei ole kogu maailma riikidel kombeks kedagi lasta ja kõik sisenevad. Rakumembraanid üritavad teha seda, mida nende riikide valitsused teevad, palju väiksemas mahus: lubada soovitud üksustel rakku siseneda pärast "kontrollimist", keelates samal ajal sisenemise üksustele, mis võivad sisemusele või rakule tõenäoliselt mürgiseks või hävitavaks osutuda tervikuna.

Üldiselt toimib membraan formaalse piirina, hoides raku erinevaid osi koos Nii hoiab talu ümbritsev tara karja koos, võimaldades neil ka ringi kolada ja segada. Kui peaksite arvama, milliseid molekule on kõige hõlpsam siseneda ja väljuda, võite öelda vastavalt "kütuseallikad" ja "metaboolsed jäätmed", arvestades, et see on põhiliselt keha tervikuna tegema. Ja sul oleks õigus. Väga väikesed molekulid, näiteks gaasiline hapnik (O₂), gaasiline süsinikdioksiid (CO₂) ja vett (H₂O), pääseb vabalt üle membraani, kuid suuremate molekulide, näiteks aminohapete ja suhkrute, läbipääs on rangelt kontrollitud.

Molekule, mida peaaegu üldiselt nimetatakse "fosfolipiidideks", mis moodustavad rakumembraani kahekihilise, nimetatakse õigemini "glütserofosfolipiidid". Need koosnevad glütserooli molekulist, mis on kolme süsinikuga alkohol, mis on kinnitatud ühele küljele kahe pika rasvhappe ja fosfaatrühm. See annab molekulile pika silindrikujulise kuju, mis sobib hästi laia lehe osaks olemise ülesandega, mida ristlõikes sarnaneb membraani kaksikkihi üks kiht.

Glütserofosfolipiidi fosfaatosa on hüdrofiilne. Fosfaatrühma spetsiifiline liik on molekuliti erinev; näiteks võib see olla fosfatidüülkoliin, mis sisaldab lämmastikku sisaldavat komponenti. See on hüdrofiilne, kuna sellel on laengu ebaühtlane jaotumine (see tähendab, et see on polaarne), täpselt nagu vesi, nii et need kaks "saavad läbi" lähedastes mikroskoopilistes kvartalites.
Membraani siseküljel asuvatel rasvhapetel ei ole laengu struktuuri ebaühtlane jaotumine, seega on nad mittepolaarsed ja seega hüdrofoobsed.

Fosfolipiidide elektrokeemiliste omaduste tõttu ei vaja fosfolipiidide kahekihiline paigutus energia loomiseks ega säilitamiseks sisendit. Tegelikult kalduvad vette pandud fosfolipiidid spontaanselt kahekihilise konfiguratsiooni eeldama samamoodi, nagu vedelikud "otsivad oma taset".

Kuna rakumembraan on selektiivselt läbilaskev, peab see pakkuma vahendit mitmesuguste ainete, mõned suured ja teised väikesed, ühelt küljelt teisele saamiseks. Mõelge viisidele, kuidas võiksite jõe või veekogu ületada. Võite minna praamile; võite lihtsalt triivida kergel tuulel või kannavad teid püsivad jõe- või ookeanivoolud. Ja võite sattuda veekogu ületama ainult seetõttu, et seal on liiga kõrge a inimeste kontsentratsioon teie poolel ja liiga madal kontsentratsioon teisel poolel, esitades vajaduse ühtlustamiseks asjad välja.

Kõigil neil stsenaariumidel on teatud seos veel ühe viisiga, kuidas molekulid võivad rakumembraani läbida. Nende viiside hulka kuuluvad:

Lihtne difusioon: Selles protsessis triivivad molekulid lihtsalt läbi kahekordse membraani, et rakkudesse edasi liikuda. Peamine on see, et molekulid liiguvad enamikus olukordades kontsentratsiooni gradiendist allapoole, mis tähendab, et nad triivivad loomulikult suurema kontsentratsiooniga piirkondadest madalama kontsentratsiooniga piirkondadesse. Kui peaksite värvipurki valama basseini keskele, kujutaks värvimolekulide liikumine väljapoole lihtsa difusiooni vormi. Molekulid, mis võivad sel viisil rakumembraane läbida, nagu võite ennustada, on väikesed molekulid nagu O₂ ja CO₂.

Osmoos: Osmoosi võib kirjeldada kui "imemisrõhku", mis põhjustab vee liikumist, kui vees lahustunud osakeste liikumine on võimatu. See juhtub siis, kui membraan laseb sellel läbi vee, kuid mitte kõnesolevaid lahustunud osakesi ("lahustunud aineid"). Liikumapanev jõud on jällegi kontsentratsioonigradient, sest kogu kohalik keskkond "otsib" tasakaalu seisundit, milles lahustunud aine kogus veeühiku kohta on kogu ulatuses sama. Kui vett läbilaskva, mitteläbilaskva membraani ühel küljel on rohkem lahustunud aine osakesi, voolab vesi suurema lahustunud aine kontsentratsiooniga alale. See tähendab, et kui osakesed ei saa liikumisel oma kontsentratsiooni vees muuta, siis vesi ise liigub enam-vähem sama töö saavutamiseks.

Hõlbustatud difusioon: Jällegi näeb see membraanitranspordi tüüp osakeste liikumist suurema kontsentratsiooniga piirkondadest madalama kontsentratsiooniga piirkondadesse. Erinevalt lihtsa difusiooniga juhtumist liiguvad molekulid rakku või rakust välja spetsialiseerunud valgukanalid, selle asemel, et lihtsalt triivida läbi glütserofosfolipiidide vaheliste ruumide molekulid. Kui olete kunagi jälginud, mis juhtub, kui midagi, mis mööda jõge alla triivib, satub ootamatult käiguteele kivide vahel teate, et objekt (võib-olla mõni sisetorus olev sõber!) kiirendab selle ajal märkimisväärselt läbipääs; nii on ka valgukanalitega. See on kõige tavalisem polaarsete või elektriliselt laetavate molekulide puhul.

Aktiivne transport: Eelnevalt käsitletud membraanitranspordi tüübid hõlmavad liikumist kontsentratsiooni gradiendist allapoole. Mõnikord, nagu paadid peavad liikuma ülesvoolu ja autod peavad tõusma küngastele, liiguvad ained kõige enam kontsentratsioonigradiumi vastu - energeetiliselt ebasoodne olukord. Selle tulemusena peab protsess töötama väljastpoolt ja sel juhul on see allikas adenosiinitrifosfaat (ATP), mis on mikroskoopiliste bioloogiliste tehingute jaoks laialt levinud kütus. Selles protsessis eemaldatakse ATP-st üks kolmest fosfaatrühmast, et luua adenosiindifosfaat (ADP) ja vaba fosfaat, ning fosfaat-fosfaat-sideme hüdrolüüsil vabanenud energiat kasutatakse molekulide "pumpamiseks" gradiendist ülespoole ja membraan.

Aktiivne transport võib toimuda ka kaudselt või teisejärguliselt. Näiteks võib membraanipump viia naatriumi kogu kontsentratsiooni gradiendi ulatuses membraani ühelt küljelt teisele, rakust välja. Kui naatriumioon i difundeerib tagasi teises suunas, võib see selle vastu kanda glükoosimolekuli molekuli enda kontsentratsioonigradient (glükoosikontsentratsioon on rakkude sisekülgedel tavaliselt kõrgem kui väljaspool). Kuna glükoosi liikumine on vastuolus selle kontsentratsioonigradientiga, on see aktiivne transport, kuid kuna ükski ATP pole otseselt seotud, on see näide teisejärguline aktiivne transport.