Membran Sel: Definisi, Fungsi, Struktur & Fakta

Membran sel – juga disebut membran plasma atau membran sitoplasma – adalah salah satu konstruksi paling menarik dan elegan di dunia biologi. Sel dianggap sebagai unit dasar atau "blok bangunan" dari semua makhluk hidup di Bumi; tubuh Anda sendiri memiliki triliunan, dan sel-sel yang berbeda di organ dan jaringan yang berbeda memiliki struktur berbeda yang berkorelasi indah dengan fungsi jaringan yang terdiri dari ini: sel.

Sementara inti sel sering menarik perhatian karena mengandung materi genetik yang diperlukan untuk meneruskan informasi untuk generasi berikutnya dari organisme, membran sel adalah penjaga gerbang literal dan penjaga sel isi. Jauh dari wadah atau penghalang belaka, bagaimanapun, membran telah berevolusi untuk menjaga keseimbangan seluler, atau keseimbangan internal, melalui transportasi yang efisien dan tak kenal lelah. mekanisme yang membuat membran semacam mikroskop resmi bea cukai, memungkinkan dan menolak masuk dan keluarnya ion dan molekul sesuai dengan waktu nyata sel kebutuhan.

Semua organisme memiliki semacam membran sel. Ini termasuk prokariota, yang sebagian besar adalah bakteri dan diyakini mewakili beberapa spesies tertua yang hidup di Bumi, serta eukariota, yang meliputi hewan dan tumbuhan. Baik bakteri prokariotik maupun tumbuhan eukariotik memiliki dinding sel di luar membran sel untuk perlindungan tambahan; pada tumbuhan, dinding ini memiliki pori-pori, dan mereka tidak terlalu selektif dalam hal apa yang bisa dilewati dan apa yang tidak. Selain itu, eukariota memiliki organel, seperti nukleus dan mitokondria, tertutup oleh membran seperti yang mengelilingi sel secara keseluruhan. Prokariota bahkan tidak memiliki inti; materi genetik mereka tersebar, meskipun agak rapat, di seluruh sitoplasma.

Bukti molekuler yang cukup menunjukkan bahwa sel eukariotik diturunkan dari sel prokariotik, kehilangan dinding sel di beberapa titik dalam evolusi mereka. Meskipun ini membuat sel-sel individu lebih rentan terhadap penghinaan, itu juga memungkinkan mereka untuk menjadi lebih kompleks dan berkembang secara geometris dalam prosesnya. Faktanya, sel eukariotik bisa sepuluh kali lebih besar dari sel prokariotik, sebuah temuan yang dibuat semakin mengejutkan oleh fakta bahwa satu sel adalah keseluruhan organisme prokariotik menurut definisi. (Beberapa eukariota juga bersel tunggal.)

Membran sel terdiri dari struktur berlapis ganda (kadang-kadang disebut "model mosaik cair") terutama terdiri dari fosfolipid. Salah satu lapisan ini menghadap ke bagian dalam sel, atau sitoplasma, sementara yang lain menghadap ke lingkungan luar. Sisi yang menghadap ke luar dan ke dalam dianggap "hidrofilik", atau tertarik pada lingkungan berair; bagian dalam adalah "hidrofobik," atau ditolak oleh lingkungan berair. Dalam isolasi, membran sel adalah cairan pada suhu tubuh, tetapi pada suhu yang lebih dingin, mereka mengambil konsistensi seperti gel.

Lipid di bilayer menyumbang sekitar setengah dari total massa membran sel. Kolesterol membentuk sekitar seperlima dari lipid dalam sel hewan, tetapi tidak pada sel tumbuhan, karena kolesterol tidak ditemukan di mana pun pada tumbuhan. Sebagian besar sisa membran terdiri dari protein dengan beragam fungsi. Karena sebagian besar protein adalah molekul polar, seperti membran itu sendiri, ujung hidrofiliknya menonjol ke luar sel, dan ujung hidrofobiknya mengarah ke bagian dalam bilayer.

Beberapa protein ini memiliki rantai karbohidrat yang melekat padanya, menjadikannya glikoprotein. Banyak protein membran terlibat dalam transpor selektif zat melintasi bilayer, yang dapat melakukannya dengan membuat saluran protein melintasi membran atau dengan memindahkannya secara fisik melintasi membran. Protein lain berfungsi sebagai reseptor pada permukaan sel, menyediakan tempat pengikatan untuk molekul yang membawa sinyal kimia; protein ini kemudian menyampaikan informasi ini ke bagian dalam sel. Masih protein membran lain bertindak sebagai enzim yang mengkatalisis reaksi khusus untuk membran plasma itu sendiri.

Aspek kritis dari membran sel bukanlah karena "tahan air" atau tidak dapat ditembus zat pada umumnya; jika itu salah, sel akan mati. Kunci untuk memahami tugas utama membran sel adalah: selektif permeabel. Sebuah analogi: Sama seperti kebanyakan negara di Bumi tidak sepenuhnya melarang orang bepergian melintasi perbatasan internasional negara, negara-negara di seluruh dunia tidak dalam kebiasaan membiarkan siapa pun dan semua orang masuk. Membran sel berusaha melakukan apa yang dilakukan oleh pemerintah negara-negara ini, dalam skala yang jauh lebih kecil: mengizinkan entitas yang diinginkan untuk memasuki sel setelah "diperiksa" sementara melarang masuk ke entitas yang mungkin terbukti beracun atau merusak interior atau sel sebagai seluruh.

Secara keseluruhan, membran bertindak sebagai batas formal, menyatukan berbagai bagian sel secara bersamaan cara pagar di sekitar peternakan menjaga ternak tetap bersama bahkan saat membiarkan mereka berkeliaran dan bergaul. Jika Anda harus menebak jenis molekul yang paling mudah masuk dan keluar, Anda mungkin mengatakan masing-masing "sumber bahan bakar" dan "limbah metabolisme", mengingat bahwa pada dasarnya inilah tubuh secara keseluruhan melakukan. Dan Anda akan benar. Molekul yang sangat kecil, seperti gas oksigen (O₂), gas karbon dioksida (CO₂), dan air (H₂O), dapat melewati membran dengan bebas, tetapi lintasan molekul yang lebih besar, seperti asam amino dan gula, dikontrol dengan ketat.

Molekul yang hampir secara universal disebut "fosfolipid" yang membentuk lapisan ganda membran sel lebih tepat disebut "gliserofosfolipid." Mereka terdiri dari molekul gliserol, yang merupakan alkohol tiga karbon, terikat pada dua asam lemak panjang di satu sisi dan gugus fosfat di sisi lain. Hal ini memberikan molekul panjang, bentuk silinder yang sangat cocok untuk pekerjaan menjadi bagian dari lembaran lebar, yang menyerupai lapisan tunggal membran bilayer pada penampang.

Bagian fosfat dari gliserofosfolipid bersifat hidrofilik. Jenis spesifik gugus fosfat bervariasi dari molekul ke molekul; misalnya, dapat berupa fosfatidilkolin, yang mencakup komponen yang mengandung nitrogen. Ini hidrofilik karena memiliki distribusi muatan yang tidak merata (yaitu, bersifat polar), seperti air, sehingga keduanya "bergaul" dalam jarak mikroskopis yang dekat.
Asam lemak di bagian dalam membran tidak memiliki distribusi muatan yang tidak merata di mana pun dalam strukturnya, sehingga bersifat nonpolar dan karenanya hidrofobik.

Karena sifat elektrokimia fosfolipid, susunan bilayer fosfolipid tidak memerlukan masukan energi untuk membuat atau mempertahankannya. Faktanya, fosfolipid yang ditempatkan dalam air cenderung secara spontan mengasumsikan konfigurasi lapisan ganda dengan cara yang sama seperti cairan "mencari levelnya sendiri."

Karena membran sel bersifat permeabel selektif, ia harus menyediakan sarana untuk mendapatkan berbagai zat, beberapa besar dan beberapa kecil, dari satu sisi ke sisi lain. Pikirkan cara Anda menyeberangi sungai atau badan air. Anda mungkin naik feri; Anda mungkin hanya terbawa angin sepoi-sepoi, atau Anda mungkin terbawa arus sungai atau laut yang stabil. Dan Anda mungkin hanya menemukan diri Anda melintasi badan air di tempat pertama karena ada terlalu tinggi konsentrasi orang di pihak Anda dan konsentrasi yang terlalu rendah di pihak lain, menghadirkan kebutuhan untuk merata hal-hal keluar.

Masing-masing skenario ini memiliki beberapa hubungan dengan salah satu cara molekul dapat melewati membran sel. Cara-cara tersebut antara lain:

Difusi sederhana: Dalam proses ini, molekul hanya melayang melalui membran ganda untuk masuk atau keluar dari sel. Kuncinya di sini adalah bahwa molekul dalam kebanyakan situasi akan bergerak menuruni gradien konsentrasi, yang berarti bahwa mereka secara alami berpindah dari area dengan konsentrasi tinggi ke area dengan konsentrasi lebih rendah. Jika Anda menuangkan sekaleng cat ke tengah kolam renang, gerakan keluar molekul cat akan mewakili bentuk difusi sederhana. Molekul yang dapat melintasi membran sel dengan cara ini, seperti yang Anda prediksi, adalah molekul kecil seperti O₂ dan CO₂.

Osmosa: Osmosis dapat digambarkan sebagai "tekanan mengisap" yang menyebabkan pergerakan air ketika pergerakan partikel terlarut dalam air tidak mungkin dilakukan. Ini terjadi ketika membran memungkinkan air, tetapi bukan partikel terlarut ("zat terlarut") yang bersangkutan, untuk melewatinya. Gaya pendorong sekali lagi adalah gradien konsentrasi, karena seluruh lingkungan lokal "mencari" keadaan setimbang di mana jumlah zat terlarut per unit air adalah sama. Jika ada lebih banyak partikel zat terlarut di satu sisi membran yang permeabel terhadap air dan tidak permeabel daripada yang lain, air akan mengalir ke area dengan konsentrasi zat terlarut yang lebih tinggi. Artinya, jika partikel tidak dapat mengubah konsentrasinya dalam air dengan bergerak, maka air itu sendiri akan bergerak untuk menyelesaikan pekerjaan yang kurang lebih sama.

Difusi yang terfasilitasi: Sekali lagi, jenis transportasi membran ini melihat partikel bergerak dari area dengan konsentrasi lebih tinggi ke area dengan konsentrasi lebih rendah. Berbeda dengan difusi sederhana, bagaimanapun, molekul bergerak masuk atau keluar dari sel melalui saluran protein khusus, bukan hanya melayang melalui ruang antara gliserofosfolipid molekul. Jika Anda pernah melihat apa yang terjadi ketika sesuatu yang hanyut di sungai tiba-tiba menemukan dirinya di lorong di antara bebatuan, Anda tahu bahwa objek (mungkin teman di ban dalam!) melaju kencang saat berada di sini gang; begitu juga dengan saluran protein. Ini paling umum dengan molekul bermuatan polar atau listrik.

Transportasi aktif: Jenis transpor membran yang telah dibahas sebelumnya semuanya melibatkan pergerakan menuruni gradien konsentrasi. Namun, kadang-kadang, sama seperti perahu harus bergerak ke hulu dan mobil harus mendaki bukit, sebagian besar zat bergerak melawan gradien konsentrasi – situasi yang sangat tidak menguntungkan. Akibatnya, proses tersebut harus didukung oleh sumber luar, dan dalam hal ini sumbernya adalah adenosin trifosfat (ATP), bahan bakar yang tersebar luas untuk transaksi biologis mikroskopis. Dalam proses ini, salah satu dari tiga gugus fosfat dikeluarkan dari ATP untuk membuat adenosin difosfat (ADP) dan fosfat bebas, dan energi yang dibebaskan oleh hidrolisis ikatan fosfat-fosfat digunakan untuk "memompa" molekul ke atas gradien dan melintasi selaput.

Transpor aktif juga dapat terjadi secara tidak langsung atau sekunder. Misalnya, pompa membran dapat memindahkan natrium melintasi gradien konsentrasinya dari satu sisi membran ke sisi lain, keluar dari sel. Ketika ion natrium berdifusi kembali ke arah lain, ia mungkin membawa molekul glukosa melawannya gradien konsentrasi molekul itu sendiri (konsentrasi glukosa biasanya lebih tinggi di bagian dalam sel daripada di di luar). Karena pergerakan glukosa melawan gradien konsentrasinya, ini adalah transpor aktif, tetapi karena tidak ada ATP yang terlibat secara langsung, ini adalah contoh dari sekunder transportasi aktif.