Solukalvo: Määritelmä, toiminto, rakenne ja tosiasiat

Solukalvo - jota kutsutaan myös plasmamembraaniksi tai sytoplasmamembraaniksi - on kiehtovimpia ja tyylikkäimpiä rakenteita biologian maailmassa. Solua pidetään kaikkien maapallon elävien olentojen perusyksikkönä tai "rakennuspalikkana" omassa kehossasi on biljoonia niitä ja eri soluissa eri elimissä ja kudoksissa on erilaiset rakenteet, jotka korreloivat erinomaisesti niistä koostuvien kudosten toimintojen kanssa soluja.

Vaikka solujen ytimet kiinnittävät usein eniten huomiota, koska ne sisältävät kulkemiseen tarvittavaa geneettistä materiaalia tietoa organismin seuraaville sukupolville, solukalvo on kirjaimellinen portinvartija ja solujen vartija sisällys. Kaukana pelkästä säiliöstä tai esteestä kalvo on kuitenkin kehittynyt ylläpitämään solutasapainoa tai sisäistä tasapainoa tehokkaan ja väsymättömän kuljetuksen avulla mekanismit, jotka tekevät kalvosta eräänlaisen mikroskooppisen tulliviranomaisen, joka sallii ja estää ionien ja molekyylien sisäänpääsyn ja poistumisen solun reaaliaikaisen mukaisesti tarpeisiin.

Kaikilla organismeilla on jonkinlaisia ​​solukalvoja. Tämä sisältää prokaryootit, jotka ovat enimmäkseen bakteereja ja joiden uskotaan edustavan maapallon vanhimpia eläviä lajeja, samoin kuin eukaryootit, joihin kuuluvat eläimet ja kasvit. Sekä prokaryoottisilla bakteereilla että eukaryoottisilla kasveilla on soluseinä solukalvon ulkopuolella lisäsuojaa varten; kasveissa tällä seinällä on huokosia, eivätkä ne ole erityisen valikoivia sen suhteen, mikä voi kulkea läpi ja mikä ei. Lisäksi eukaryooteilla on organelleja, kuten ydin ja mitokondriot, jotka on suljettu kalvoilla, kuten solua ympäröivällä kalvolla. Prokaryooteilla ei ole edes ytimiä; niiden geneettinen materiaali on levinnyt, vaikkakin hieman tiukasti, koko sytoplasmaan.

Huomattavat molekyylitodisteet viittaavat siihen, että eukaryoottisolut polveutuvat prokaryoottisoluista menettämättä soluseinää jossain vaiheessa evoluutiota. Vaikka tämä teki yksittäisistä soluista alttiimpia loukkauksille, se myös antoi niiden tulla monimutkaisemmiksi ja laajentua prosessin aikana geometrisesti. Itse asiassa eukaryoottisolut voivat olla kymmenen kertaa suurempia kuin prokaryoottisolut, havainnon tekee vielä silmiinpistävämmäksi se, että yksittäinen solu on määritelmän mukaan prokaryoottisen organismin kokonaisuus. (Jotkut eukaryootit ovat myös yksisoluisia.)

Solukalvo koostuu kaksikerroksisesta rakenteesta (jota kutsutaan joskus "nestemosaiikkimalliksi") ja joka koostuu pääasiassa fosfolipideistä. Yksi näistä kerroksista on solun tai sytoplasman sisäpuolella, kun taas toinen on ulkoinen ympäristö. Ulospäin ja sisäänpäin osoittavia sivuja pidetään "hydrofiilisinä" tai vetovoimaisina ympäristöinä; sisempi osa on "hydrofobinen" tai hylkii vetiset ympäristöt. Solukalvot ovat erillään kehon lämpötiloissa nestemäisiä, mutta viileämmissä lämpötiloissa ne saavat geelimäisen koostumuksen.

Kaksikerroksisten lipidien osuus on noin puolet solukalvon kokonaismassasta. Kolesteroli muodostaa noin viidesosan lipideistä eläinsoluissa, mutta ei kasvisoluissa, koska kolesterolia ei löydy missään kasveissa. Suurimman osan kalvon loppuosasta muodostavat proteiinit, joilla on monipuoliset toiminnot. Koska suurin osa proteiineista on polaarisia molekyylejä, kuten itse kalvo, niiden hydrofiiliset päät ulottuvat solun ulkopuolelle ja niiden hydrofobiset päät osoittavat kaksikerroksisen sisäosaan.

Joillakin näistä proteiineista on hiilihydraattiketjuja, jotka tekevät niistä glykoproteiineja. Monet kalvoproteiineista osallistuvat aineiden selektiiviseen kuljettamiseen kaksikerroksen läpi voi tehdä joko luomalla proteiinikanavia kalvon yli tai sulkemalla ne fyysisesti kalvon yli. Muut proteiinit toimivat reseptoreina solupinnoilla tarjoamalla sitoutumiskohtia molekyyleille, jotka kuljettavat kemiallisia signaaleja; nämä proteiinit välittävät tämän jälkeen tiedot solun sisäosiin. Vielä muut kalvoproteiinit toimivat entsyymeinä, jotka katalysoivat reaktioita erityisesti plasmakalvolle.

Solukalvon kriittinen puoli ei ole se, että se on "vedenpitävä" tai aineita läpäisemätön yleensä; jos se olisi joko, solu kuolisi. Avain solukalvon päätehtävän ymmärtämiseen on se, että se on valikoivasti läpäisevä. Analogia: Aivan kuten useimmat maan maapallon kansakunnat eivät täysin estä ihmisiä matkustamasta maan kansainvälisillä rajoilla, mailla ympäri maailmaa ei ole tapana antaa kenenkään ja kaikki tulevat sisään. Solukalvot yrittävät tehdä paljon vähemmän näiden maiden hallitukset: sallia toivottujen yksiköiden pääsyn soluun "tarkastettuaan" ja samalla estäen pääsyn yhteisöille, jotka todennäköisesti osoittautuvat myrkyllisiksi tai tuhoaviksi sisä- tai soluille koko.

Kaiken kaikkiaan kalvo toimii muodollisena rajana, joka pitää solun eri osat samalla tavalla tapa, jolla maatilan ympärillä oleva aita pitää karjan yhdessä, samalla kun se antaa heidän vaeltaa ja sekoittua. Jos joudut arvailemaan sellaisia ​​molekyylejä, joiden annetaan tulla sisään ja poistua helpoimmin, saatat sanoa "polttoaineiden lähteet" ja "aineenvaihduntajätteet", kun otetaan huomioon, että elimet ovat pääasiassa koko kehoa tehdä. Ja olisit oikeassa. Hyvin pienet molekyylit, kuten kaasumainen happi (O₂), kaasumainen hiilidioksidi (CO₂) ja vesi (H₂O), voi kulkeutua vapaasti membraanin läpi, mutta suurempien molekyylien, kuten aminohappojen ja sokerien, kulkeutumista valvotaan tiukasti.

Molekyylejä, joita melkein yleisesti kutsutaan "fosfolipideiksi", jotka muodostavat solukalvon kaksoiskerroksen, kutsutaan paremmin "glyserofosfolipidit". Ne koostuvat glyserolimolekyylistä, joka on kolmen hiilen alkoholi, kiinnittyneenä kahteen pitkään rasvahappoon toisella puolella ja fosfaattiryhmä. Tämä antaa molekyylille pitkän, sylinterimäisen muodon, joka sopii hyvin tehtävään olla osa leveää levyä, jota yksi kalvon kaksikerroksinen kerros muistuttaa poikkileikkaukseltaan.

Glyserofosfolipidin fosfaattiosa on hydrofiilinen. Fosfaattiryhmän erityinen tyyppi vaihtelee molekyylistä toiseen; se voi olla esimerkiksi fosfatidyylikoliini, joka sisältää typpeä sisältävän komponentin. Se on hydrofiilinen, koska sillä on epätasainen varausjakauma (ts. Polaarinen), aivan kuten vesi, joten nämä kaksi "tulevat toimeen" läheisissä mikroskooppisissa neljänneksissä.
Kalvon sisäpuolella olevilla rasvahapoilla ei ole varauksen jakautumista epätasaisesti missään rakenteessa, joten ne ovat polaarittomia ja siten hydrofobisia.

Fosfolipidien sähkökemiallisten ominaisuuksien vuoksi fosfolipidien kaksikerroksinen järjestely ei vaadi energian syöttöä luomaan tai ylläpitämään. Itse asiassa veteen asetetuilla fosfolipideillä on taipumus spontaanisti olettaa kaksikerroksinen konfiguraatio samalla tavalla kuin nesteet "etsivät omaa tasoaan".

Koska solukalvo on valikoivasti läpäisevä, sen on tarjottava keino saada erilaisia ​​aineita, jotkut suuret ja toiset pienet, yhdeltä puolelta toiselle. Ajattele tapoja, joilla voit ylittää joen tai vesimuodostuman. Voit mennä lautalla; saatat vain ajautua kevyellä tuulella, tai sinut voivat kuljettaa tasaiset joki- tai merivirrat. Ja saatat löytää itsesi ensin ylittämästä vesimuodostumaa, koska siellä on liian korkea a ihmisten keskittyminen puolellesi ja liian matala keskittyminen toiselle, mikä tarve tasaantua asiat ulos.

Jokaisella näistä skenaarioista on jonkinlainen suhde yhteen useista tavoista, joilla molekyylit voivat kulkeutua solukalvon läpi. Näitä tapoja ovat:

Yksinkertainen diffuusio: Tässä prosessissa molekyylit yksinkertaisesti ajautuvat kaksoiskalvon läpi siirtyäkseen joko soluun tai ulos solusta. Tärkeintä tässä on, että molekyylit siirtyvät useimmissa tilanteissa pitoisuusgradienttia alaspäin, mikä tarkoittaa, että ne ajautuvat luonnollisesti alueilta, joilla on korkeampi pitoisuus, pienemmillä alueilla. Jos kaadat maalipurkin keskelle uima-allasta, maalimolekyylien ulkoinen liike edustaisi yksinkertaisen diffuusion muotoa. Molekyylit, jotka voivat ylittää solukalvot tällä tavalla, kuten voit ennustaa, ovat pieniä molekyylejä, kuten O₂ ja CO₂.

Osmoosi: Osmoosia voidaan kuvata "imupaineeksi", joka aiheuttaa veden liikkumisen, kun veteen liuenneiden hiukkasten liike on mahdotonta. Tämä tapahtuu, kun kalvo antaa veden, mutta ei liuenneita hiukkasia ("liuenneita aineita") kulkeutua sen läpi. Liikkeellepaneva voima on jälleen pitoisuusgradientti, koska koko paikallinen ympäristö "etsii" tasapainotilaa, jossa liuenneen aineen määrä vettä kohti on sama kaikkialla. Jos vettä läpäisevän, liuenneen aineen läpäisemättömän kalvon toisella puolella on enemmän liuenneita hiukkasia, vesi virtaa korkeamman liuenneen aineen pitoisuuden alueelle. Toisin sanoen, jos hiukkaset eivät voi muuttaa pitoisuuttaan vedessä liikkumalla, vesi itse liikkuu saavuttaakseen enemmän tai vähemmän saman työn.

Helpotettu diffuusio: Jälleen tämäntyyppinen membraanikuljetuksessa hiukkaset siirtyvät alueilta, joilla on korkeampi pitoisuus, alemmilla alueilla. Toisin kuin yksinkertaisen diffuusion tapauksessa, molekyylit liikkuvat soluun tai ulos solusta erikoistuneiden proteiinikanavien sijasta vain ajautumalla glyserofosfolipidin välisten tilojen läpi molekyylejä. Jos olet joskus seurannut, mitä tapahtuu, kun jokea ajautuva joki yhtäkkiä löytää käytävän kivien välillä tiedät, että esine (ehkä ystävä sisäputkessa!) kiihtyy huomattavasti tässä ollessaan käytävä; niin on proteiinikanavien kanssa. Tämä on yleisintä polaaristen tai sähköisesti varautuvien molekyylien kohdalla.

Aktiivinen kuljetus: Aikaisemmin käsitellyihin kalvonsiirtotyyppeihin liittyy liike alaspäin pitoisuusgradientissa. Joskus kuitenkin, samalla kun veneiden on siirryttävä ylävirtaan ja autojen on kiivettävä kukkuloille, aineet liikkuvat eniten pitoisuusgradienttia vastaan ​​- energisesti epäedullisessa tilanteessa. Tämän seurauksena prosessin on käytettävä ulkoista lähdettä, ja tässä tapauksessa lähde on adenosiinitrifosfaatti (ATP), joka on levinnyt polttoaine mikroskooppisiin biologisiin transaktioihin. Tässä prosessissa yksi kolmesta fosfaattiryhmästä poistetaan ATP: stä adenosiinidifosfaatin (ADP) ja vapaan fosfaatin muodostamiseksi, ja fosfaatti-fosfaatti-sidoksen hydrolyysin avulla vapautunutta energiaa käytetään molekyylien "pumppaamiseen" gradientissa ylöspäin ja kalvo.

Aktiivinen kuljetus voi tapahtua myös epäsuorasti tai toissijaisesti. Esimerkiksi membraanipumppu voi siirtää natriumia pitoisuusgradienttinsa läpi kalvon yhdeltä puolelta toiselle solusta. Kun natriumioni diffundoituu takaisin toiseen suuntaan, se saattaa kuljettaa glukoosimolekyyliä sitä vastaan molekyylin oma pitoisuusgradientti (glukoosipitoisuus on yleensä korkeampi solujen sisäpuolella kuin ulkopuolella). Koska glukoosin liike on sen pitoisuusgradienttia vastaan, tämä on aktiivista kuljetusta, mutta koska mitään ATP: tä ei ole suoraan mukana, se on esimerkki toissijainen aktiivinen liikenne.