A sejtmembrán - más néven plazmamembrán vagy citoplazmatikus membrán - a legizgalmasabb és legelegánsabb konstrukciók közé tartozik a biológia világában. A sejtet a Föld minden élőlényének alapvető egységének vagy "építőelemének" tekintik; a saját testedben ezermilliárdok vannak, a különböző szervekben és szövetekben különböző sejtek különböző struktúrák, amelyek tökéletesen korrelálnak az ezekből álló szövetek funkcióival sejtek.
Míg a sejtek magjai gyakran hívják fel a legtöbb figyelmet, mivel tartalmazzák a továbbjutáshoz szükséges genetikai anyagot információ a szervezet következő generációi számára, a sejtmembrán a szó szoros kapuőre és őrzője tartalmát. A puszta konténertől vagy gáttól távol azonban a membrán a sejtek egyensúlyának vagy belső egyensúlyának fenntartása érdekében fejlődött ki hatékony és fáradhatatlan szállítás révén olyan mechanizmusok, amelyek a membránt egyfajta mikroszkópos vámtisztviselővé teszik, lehetővé téve és megtagadva az ionok és molekulák be- és kilépését a sejt valós idejének megfelelően igények.
Sejtmembránok az élet spektrumában
Minden organizmusnak van valamilyen sejtmembránja. Ide tartoznak a prokarióták, amelyek többnyire baktériumok, és amelyekről úgy gondolják, hogy a Föld legrégebbi élő fajait képviselik, valamint az eukarióták, amelyekbe állatok és növények tartoznak. Mind a prokarióta baktériumoknak, mind az eukarióta növényeknek a sejtmembránon kívüli sejtfala van a további védelem érdekében; növényekben ennek a falnak pórusai vannak, és nem különösebben szelektívek abban a tekintetben, hogy mi mehet át és mi nem. Ezenkívül az eukariótáknak vannak olyan sejtjeik, mint például a sejtmag és a mitokondrium, amelyeket membránok zárnak be, mint például a sejt egészét körülvevő membránok. A prokariótáknak még csak magjaik sincsenek; genetikai anyaguk szétszórt, bár kissé szorosan, a citoplazmában.
Jelentős molekuláris bizonyíték arra utal, hogy az eukarióta sejtek a prokarióta sejtekből származnak, és evolúciójuk egy bizonyos pontján elveszítik a sejtfalat. Bár ez az egyes sejteket kiszolgáltatottabbá tette a sértésekkel szemben, lehetővé tette számukra a folyamat bonyolultabbá válását és geometriai tágulását is. Valójában az eukarióta sejtek tízszer akkorák lehetnek, mint a prokarióta sejtek, ezt a megállapítást annál is szembetűnőbbé teszi, hogy egyetlen sejt definíció szerint egy prokarióta szervezet egésze. (Néhány eukarióta egysejtű is.)
Sejtmembránszerkezet
A sejtmembrán kétrétegű struktúrából áll (amelyet néha "folyadékmozaik modellnek" neveznek), főleg foszfolipidekből áll. Ezen rétegek egyike a sejt belsejére vagy a citoplazmára, míg a másik a külső környezetre néz. A kifelé és a befelé néző oldalakat "hidrofilnek" tekintik, vagy vonzóvá teszik a vizes környezetek; a belső rész "hidrofób", vagy vizes környezet taszítja. A sejtmembránok önmagukban testhőmérsékleten folyékonyak, de hűvösebb hőmérsékleten gélszerű állagot kapnak.
A kétrétegű lipidek a sejtmembrán teljes tömegének körülbelül felét teszik ki. Az állati sejtekben a koleszterin a lipidek mintegy ötödét teszi ki, a növényi sejtekben azonban nem, mivel a koleszterin a növényekben sehol sem található. A membrán fennmaradó részének nagy részét változatos funkciójú fehérjék adják. Mivel a legtöbb fehérje poláris molekula, mint maga a membrán, hidrofil végeik a sejt külsejére nyúlnak, hidrofób végeik pedig a kétréteg belsejére mutatnak.
Ezen fehérjék némelyikéhez szénhidrátlánc kapcsolódik, ami glikoproteinekké teszi őket. A membránfehérjék közül sok részt vesz az anyagok szelektív transzportjában a kétrétegen keresztül, amelyet ők vagy fehérjecsatornákat hozhat létre a membránon keresztül, vagy fizikailag bezárhatja őket a membránon. Más fehérjék receptorokként működnek a sejtek felszínén, és kötési helyeket biztosítanak a kémiai jeleket hordozó molekulák számára; ezek a fehérjék ezt az információt továbbítják a sejt belsejébe. Még más membránfehérjék enzimként működnek, amelyek katalizálják a plazmamembránra jellemző reakciókat.
Sejtmembrán funkciók
A sejtmembrán kritikus szempontja nem az, hogy "vízálló" vagy általában anyagokat át nem eresztő; ha bármelyik lenne, a sejt elpusztulna. A sejtmembrán fő feladatának megértésének kulcsa az szelektíven áteresztő. Analógia: Ahogy a Földön a legtöbb nemzet nem tiltja meg teljesen az embereket, hogy az egész országon keresztül utazzanak nemzet nemzetközi határain, a világ minden táján található országok nem szoktak senkit engedni és mindenki belép. A sejtmembránok sokkal kisebb léptékben próbálják megtenni azt, amit ezen országok kormányai tesznek: lehetővé teszik a kívánatos entitások bejutását a sejtbe "átvizsgálás" után, miközben megtiltja a belépést azoknak az entitásoknak, amelyek valószínűleg mérgezőnek vagy rombolónak bizonyulnak a belső tér vagy a sejt számára, mint egész.
Összességében a membrán formális határként működik, és a sejt különböző részeit ugyanúgy tartja össze A gazdaság körüli kerítés megtartja az állatállományt akkor is, ha lehetővé teszi számukra a barangolást és a keveredést. Ha azt kellene kitalálnia, hogy milyen molekulák vannak a legkönnyebben be- és kilépni, akkor azt mondhatja "üzemanyagforrások" és "anyagcsere-hulladékok", tekintve, hogy a testek lényegében ez az egész csinálni. És igazad lenne. Nagyon kicsi molekulák, például gáz halmazállapotú oxigén (O2), gáznemű szén-dioxid (CO2) és a víz (H2O), szabadon átjuthat a membránon, de a nagyobb molekulák, például aminosavak és cukrok áthaladását szigorúan ellenőrzik.
A kétrétegű lipid
A molekulákat, amelyeket szinte univerzálisan "foszfolipideknek" neveznek, és amelyek a sejtmembrán kétrétegét alkotják, helyesebben nevezzük "glicerofoszfolipidek". Glicerin molekulából állnak, amely egy három szénatomos alkohol, egyik oldalán két hosszú zsírsavhoz és egy foszfátcsoport. Ez a molekulának hosszú, hengeres formát ad, amely jól illeszkedik ahhoz a feladathoz, hogy egy széles lap része legyen, erre a membrán kétrétegének egyetlen rétege keresztmetszetében hasonlít.
A glicerin-foszfolipid foszfát része hidrofil. A foszfátcsoport specifikus fajtája molekulánként változik; például lehet foszfatidilkolin, amely nitrogéntartalmú komponenst tartalmaz. Hidrofil, mert a töltés eloszlása egyenetlen (vagyis poláris), akárcsak a víz, így a kettő szoros mikroszkopikus negyedekben "kijön".
A membrán belsejében található zsírsavak szerkezetének sehol nincs egyenletes töltéseloszlása, ezért nem polárosak, ezért hidrofóbak.
A foszfolipidek elektrokémiai tulajdonságai miatt a foszfolipid kétrétegű elrendezés nem igényel energiát a létrehozáshoz vagy fenntartáshoz. Valójában a vízbe helyezett foszfolipidek hajlamosak spontán feltételezni a kétrétegű konfigurációt, ugyanúgy, ahogy a folyadékok "keresik a saját szintjüket".
Sejtmembrán transzport
Mivel a sejtmembrán szelektíven áteresztő, biztosítania kell a különböző anyagok, némelyik nagy és más kicsi anyag egyik oldalról a másikra jutását. Gondoljon arra, hogy miként léphet át egy folyón vagy egy víztesten. Lehet, hogy komppal indul; egyszerűen sodródhat egy könnyű szellőn, vagy állandó folyó- vagy óceáni áramlatok hordozhatják. És előfordulhat, hogy csak azért találja magát szembe a víztesten, mert túl magas a az emberek koncentrációja az Ön oldalán és túl alacsony koncentráció a másik oldalon, ami szükségessé teszi az egyenletességet dolgok ki.
E forgatókönyvek mindegyike kapcsolatban áll a molekulák sejtmembránon való áthaladásának egyikével. Ezek a módszerek a következők:
Egyszerű diffúzió: Ebben a folyamatban a molekulák egyszerűen átsodródnak a kettős membránon, hogy bejussanak a sejtbe vagy a sejtből. A legfontosabb itt az, hogy a molekulák a legtöbb helyzetben egy koncentrációgradiensben mozognak, ami azt jelenti, hogy természetesen a magasabb koncentrációjú területekről az alacsonyabb koncentrációjú területekre sodródnak. Ha egy festékdobozt öntene egy medence közepére, a festékmolekulák kifelé irányuló mozgása az egyszerű diffúzió egyik formáját jelentené. Azok a molekulák, amelyek ily módon keresztezhetik a sejtmembránokat, amint azt előre megjósolhatja, olyan kismolekulák, mint az O2 és CO2.
Ozmózis: Az ozmózist "szívó nyomásnak" nevezhetjük, amely a víz mozgását okozza, ha a vízben oldott részecskék mozgása lehetetlen. Ez akkor fordul elő, amikor egy membrán átengedi a vizet, de a szóban forgó oldott részecskéket ("oldott anyagokat") nem. A mozgatóerő ismét egy koncentrációgradiens, mert az egész helyi környezet "olyan egyensúlyi állapotot keres", amelyben az oldott anyag mennyisége vízegységenként végig azonos. Ha egy vízáteresztő, oldott anyagot át nem eresztő membrán egyik oldalán több oldott anyag részecske van, mint a másik, a víz az nagyobb oldott anyag koncentrációjú területre áramlik. Vagyis, ha a részecskék mozgással nem tudják megváltoztatni a vízben lévő koncentrációjukat, akkor a víz maga mozog, hogy nagyjából ugyanazt a munkát végezze el.
Könnyített diffúzió: Ismételten elmondható, hogy az ilyen típusú membrántranszport a részecskéket a nagyobb koncentrációjú területekről az alacsonyabb koncentrációjú területekre mozgatja. Az egyszerű diffúzióval ellentétben azonban a molekulák a sejten keresztül vagy onnan mozognak ki speciális fehérjecsatornák, ahelyett, hogy egyszerűen a glicerofoszfolipid közötti tereken sodródna molekulák. Ha valaha is figyelte, mi történik, ha valami, ami a folyón lefelé sodródik, hirtelen egy folyosón találja magát a sziklák között, tudod, hogy az objektum (talán egy barát egy belső csövön!) jelentősen felgyorsul, miközben ebben van folyosó; így van ez a fehérjecsatornákkal is. Ez leggyakrabban poláros vagy elektromos töltésű molekuláknál fordul elő.
Aktiv szállitás: Az előzőleg tárgyalt membrántranszport-típusok mindegyike magában foglalja a koncentrációgradiens lefelé történő mozgását. Néha azonban, ahogy a hajóknak felfelé kell haladniuk, és az autóknak dombokra kell mászniuk, az anyagok leginkább koncentrációs gradienssel szemben mozognak - ez energetikailag kedvezőtlen helyzet. Ennek eredményeként a folyamatot külső forrásból kell táplálni, és ebben az esetben ez a forrás az adenozin-trifoszfát (ATP), amely széles körben elterjedt üzemanyag a mikroszkopikus biológiai tranzakciókhoz. Ebben a folyamatban a három foszfátcsoport egyikét eltávolítják az ATP-ből adenozin-difoszfát (ADP) és szabad foszfát létrehozása céljából, és a foszfát-foszfát kötés hidrolízise során felszabadult energiát használják fel a molekulák "szivattyúzására" a gradiensen keresztül és az egész membrán.
Az aktív szállítás közvetett vagy másodlagos módon is előfordulhat. Például egy membránpumpa elmozdíthatja a nátriumot koncentrációgradiensében a membrán egyik oldaláról a másikra, a sejtből. Amikor a nátriumion diffundál a másik irányba, glükózmolekulát hordozhat magával szemben a molekula saját koncentrációs gradiense (a glükózkoncentráció általában magasabb a sejtek belsejében, mint a kívül). Mivel a glükóz mozgása ellentétes a koncentrációgradiensével, ez aktív transzport, de mivel közvetlenül nincs benne ATP, ez a példa másodlagos aktiv szállitás.