Stanična membrana: definicija, funkcija, struktura i činjenice

Stanična membrana - koja se naziva i plazma membrana ili citoplazmatska membrana - među je najfascinantnijim i najelegantnijim konstrukcijama u svijetu biologije. Stanica se smatra temeljnom jedinicom ili "gradivnim blokom" svih živih bića na Zemlji; vaše vlastito tijelo ima bilijune, a imaju ih različite stanice u različitim organima i tkivima različite strukture koje izvrsno koreliraju sa funkcijama tkiva koja se od njih sastoje Stanice.

Iako jezgre stanica često privlače najviše pažnje jer sadrže genetski materijal potreban za prolazak dalje Podaci sljedećim generacijama organizma, stanična je membrana doslovni čuvar i čuvar stanice sadržaj. Daleko od pukog spremnika ili barijere, međutim, membrana se razvila kako bi održavala staničnu ravnotežu ili unutarnju ravnotežu učinkovitim i neumornim transportom mehanizmi koji membranu čine svojevrsnim mikroskopskim carinskim službenicima, dopuštajući i zabranjujući ulazak i izlazak iona i molekula u skladu sa staničnim stvarnim vremenom potrebe.

Svi organizmi imaju stanične membrane neke vrste. To uključuje prokariote, koji su uglavnom bakterije i za koje se vjeruje da predstavljaju neke od najstarijih živih vrsta na Zemlji, kao i eukariote, koji uključuju životinje i biljke. I prokariontske bakterije i eukariotske biljke imaju stanični zid izvan stanične membrane radi dodatne zaštite; kod biljaka ovaj zid ima pore i nisu posebno selektivne u pogledu onoga što može proći, a što ne. Uz to, eukarioti posjeduju organele, poput jezgre i mitohondrija, zatvorene membranama poput one koja okružuje stanicu u cjelini. Prokarioti nemaju ni jezgre; njihov je genetski materijal raspršen, iako donekle čvrsto, u cijeloj citoplazmi.

Značajni molekularni dokazi sugeriraju da eukariotske stanice potječu od prokariontskih stanica, gubeći staničnu stijenku u nekom trenutku svoje evolucije. Iako je to pojedine stanice učinilo osjetljivijima na uvrede, ujedno im je omogućilo da postanu složenije i geometrijski se šire u procesu. Zapravo, eukariotske stanice mogu biti deset puta veće od prokariontskih stanica, što je otkriće učinilo još upečatljivijim činjenicom da je jedna stanica po definiciji cjelina prokariotskog organizma. (Neki su eukarioti također jednostanični.)

Stanična se membrana sastoji od dvoslojne strukture (koja se ponekad naziva i "model tekućeg mozaika") koja se sastoji uglavnom od fosfolipida. Jedan od tih slojeva okrenut je prema unutrašnjosti stanice ili citoplazmi, dok je drugi okrenut prema vanjskoj okolini. Strane okrenute prema van i prema unutra smatraju se "hidrofilnima" ili ih privlači vodeno okruženje; unutarnji dio je "hidrofoban" ili ga odbija vodena sredina. Izolirano, stanične membrane su tekuće na tjelesnim temperaturama, ali na hladnijim poprimaju konzistenciju poput gela.

Lipidi u dvosloju čine oko polovice ukupne mase stanične membrane. Kolesterol čini otprilike petinu lipida u životinjskim stanicama, ali ne i u biljnim stanicama, jer kolesterola nema nigdje u biljkama. Veći dio ostatka membrane čine proteini s različitim funkcijama. Budući da je većina proteina polarne molekule, poput same membrane, njihovi hidrofilni krajevi strše prema vanjskoj strani stanice, a hidrofobni krajevi upućuju na unutrašnjost dvosloja.

Neki od tih proteina imaju za sebe vezane ugljikohidratne lance, što ih čini glikoproteinima. Mnogi membranski proteini sudjeluju u selektivnom transportu tvari kroz dvosloj koji su oni može učiniti stvaranjem proteinskih kanala preko membrane ili fizičkim prebacivanjem preko membrane. Ostali proteini funkcioniraju kao receptori na staničnim površinama, pružajući mjesta vezanja molekula koje nose kemijske signale; ti proteini zatim te podatke prenose u unutrašnjost stanice. Ostali membranski proteini djeluju kao enzimi koji kataliziraju reakcije specifične za samu plazemsku membranu.

Kritični aspekt stanične membrane nije u tome što je "vodootporna" ili nepropusna za tvari općenito; da je bilo, stanica bi umrla. Ključ razumijevanja glavnog posla stanične membrane je taj što ona jest selektivno propusan. Analogija: Baš kao što većina nacija na Zemlji ne zabranjuje ljudima u cijelosti putovanje preko međunarodne granice nacije, zemlje širom svijeta nemaju običaj dopustiti nikome i svi uđite. Stanične membrane pokušavaju učiniti ono što rade vlade ovih zemalja, u mnogo manjem opsegu: omogućiti poželjnim entitetima ulazak u ćeliju nakon što je "provjeren" dok je zabranjen ulazak entitetima koji bi se mogli pokazati toksičnim ili destruktivnim za unutrašnjost ili stanicu kao cijela.

Sveukupno, membrana djeluje kao formalna granica, držeći različite dijelove stanice zajedno način na koji ograda oko farme održava stoku na okupu, čak i dok im omogućava lutanje i miješanje. Ako biste morali pogoditi vrste molekula kojima je dopušteno najlakše ući i izaći, mogli biste reći "izvori goriva", odnosno "metabolički otpad", s obzirom na to da je to u osnovi ono što čine tijela u cjelini čini. I bili biste u pravu. Vrlo male molekule, poput plinovitog kisika (O₂), plinoviti ugljični dioksid (CO₂) i vode (H₂O), mogu slobodno prolaziti kroz membranu, ali prolaz većih molekula, poput aminokiselina i šećera, strogo je kontroliran.

Molekule koje se gotovo univerzalno nazivaju "fosfolipidi" koje čine dvosloj stanične membrane ispravnije se nazivaju "glicerofosfolipidi". Sastoje se od molekule glicerola, koji je alkohol s tri ugljika, povezan s dvije duge masne kiseline s jedne strane i fosfatna skupina s druge strane. To daje molekuli dugački, cilindrični oblik koji je pogodan za posao da bude dio širokog lima, na što jedan sloj membranskog dvosloja podsjeća na presjeku.

Fosfatni dio glicerofosfolipida hidrofilni je. Specifična vrsta fosfatne skupine varira od molekule do molekule; na primjer, to može biti fosfatidilkolin, koji uključuje komponentu koja sadrži dušik. Hidrofilna je jer ima neravnomjernu raspodjelu naboja (tj. Polarna je), baš kao i voda, pa se njih dvoje "slažu" u bliskim mikroskopskim četvrtima.
Masne kiseline u unutrašnjosti membrane nemaju nigdje u svojoj strukturi neravnomjernu raspodjelu naboja, pa su nepolarne, a time i hidrofobne.

Zbog elektrokemijskih svojstava fosfolipida, dvoslojni raspored fosfolipida ne zahtijeva unos energije za stvaranje ili održavanje. U stvari, fosfolipidi smješteni u vodi spontano preuzimaju dvoslojnu konfiguraciju na približno isti način na koji tekućine "traže vlastitu razinu".

Budući da je stanična membrana selektivno propusna, ona mora osigurati način prijenosa raznih tvari, od kojih neke velike, a neke male, s jedne na drugu stranu. Razmislite o načinima na koje biste mogli prijeći rijeku ili vodno tijelo. Možete se voziti trajektom; možda ćete jednostavno zanositi na laganom povjetarcu ili vas mogu nositi stabilne riječne ili oceanske struje. A možda ćete se prije svega prijeći preko vodene površine jer je previsoka a koncentracija ljudi s vaše strane i preniska koncentracija s druge strane, što predstavlja potrebu za ujednačavanjem stvari vani.

Svaki od ovih scenarija ima određenu vezu s jednim od više načina na koji molekule mogu proći kroz staničnu membranu. Ti načini uključuju:

Jednostavna difuzija: U tom procesu molekule jednostavno plutaju kroz dvostruku membranu kako bi prešle u ili iz stanice. Ovdje je ključno da će se molekule u većini situacija pomicati niz gradijent koncentracije, što znači da se prirodno prenose iz područja veće koncentracije u područja niže koncentracije. Ako biste limenku boje nalili u sredinu bazena, kretanje molekula boje prema van predstavljao bi oblik jednostavne difuzije. Molekule koje na taj način mogu prelaziti stanične membrane, kao što možete predvidjeti, male su molekule poput O₂ i CO₂.

Osmoza: Osmozu bismo mogli opisati kao "pritisak usisavanja" koji uzrokuje kretanje vode kad je kretanje čestica otopljenih u vodi nemoguće. To se događa kada membrana propušta vodu, ali ne i otopljene čestice ("otopljene tvari"). Pokretačka sila je opet gradijent koncentracije, jer cjelokupno lokalno okruženje "traži" ravnotežno stanje u kojem je količina otopljene tvari po jedinici vode u cijelom tijelu ista. Ako na jednoj strani vodonepropusne membrane, nepropusne za otopinu, ima više čestica otopljene tvari od druge, voda će teći u područje veće koncentracije otopljene tvari. Odnosno, ako čestice ne mogu mijenjati koncentraciju u vodi pomicanjem, tada će se i sama voda pomicati da bi se postigao manje-više isti posao.

Olakšana difuzija: Opet, kod ove vrste prijenosa membrane, čestice se premještaju iz područja veće koncentracije u područja niže koncentracije. Za razliku od slučaja s jednostavnom difuzijom, molekule se kreću u ili iz stanice specijalizirani proteinski kanali, umjesto da jednostavno lebde kroz prostore između glicerofosfolipida molekule. Ako ste ikada gledali što se događa kad se nešto što lebdi rijekom iznenada nađe u prolazu između kamenja, znate da se objekt (možda prijatelj na unutarnjoj cijevi!) znatno ubrzava dok je u tome prolaz; tako je i s proteinskim kanalima. To je najčešće kod polarnih molekula ili molekula s električnim nabojem.

Aktivni transport: Sve vrste prijenosa membrane koje su prethodno raspravljane uključuju kretanje niz gradijent koncentracije. No, ponekad, baš kao što se brodovi moraju kretati uzvodno, a automobili se moraju penjati uz brda, tako se i supstance kreću protiv gradijenta koncentracije - energetski nepovoljna situacija. Kao rezultat toga, proces mora pokretati vanjski izvor, a u ovom slučaju taj izvor je adenozin trifosfat (ATP), to rašireno gorivo za mikroskopske biološke transakcije. U ovom se procesu jedna od tri fosfatne skupine uklanja iz ATP-a da bi se dobio adenozin-difosfat (ADP) i slobodni fosfat, i energija oslobođena hidrolizom fosfat-fosfatne veze koristi se za "pumpanje" molekula prema gradijentu i preko membrana.

Aktivni prijevoz može se dogoditi i neizravno ili sekundarno. Na primjer, membranska pumpa može pomicati natrij preko svog gradijenta koncentracije s jedne strane membrane na drugu, izvan stanice. Kada se natrijev ion difundira natrag u drugom smjeru, mogao bi sa sobom nositi molekulu glukoze vlastiti koncentracijski gradijent molekule (koncentracija glukoze obično je veća u unutrašnjosti stanica nego na izvana). Budući da se kretanje glukoze protivi njenom gradijentu koncentracije, to je aktivni transport, ali budući da niti jedan ATP nije izravno uključen, ovo je primjer sekundarni aktivni transport.