უჯრედის მემბრანა - რომელსაც ასევე უწოდებენ პლაზმის მემბრანს ან ციტოპლაზმურ მემბრანს - არის ყველაზე მომხიბვლელი და ელეგანტური კონსტრუქციები ბიოლოგიის სამყაროში. უჯრედი ითვლება დედამიწაზე ყველა ცოცხალი არსების ფუნდამენტურ ერთეულად ან "საშენი ბლოკად"; თქვენს საკუთარ სხეულს ტრილიონობით აქვს, ხოლო სხვადასხვა ორგანოსა და ქსოვილის სხვადასხვა უჯრედს აქვს სხვადასხვა სტრუქტურები, რომლებიც შესანიშნავად კავშირშია ამ ქსოვილების ფუნქციებთან უჯრედები.
მიუხედავად იმისა, რომ უჯრედების ბირთვები ხშირად ყველაზე მეტ ყურადღებას იქცევს, რადგან ისინი შეიცავს გენეტიკურ მასალას, რომელიც აუცილებელია გასავლელად ორგანიზმის შემდგომი თაობების ინფორმაცია, უჯრედის მემბრანა არის უჯრედის ფაქტობრივი კარიბჭე და მცველი შინაარსი უბრალო კონტეინერისგან ან ბარიერისგან შორს, მემბრანა განვითარდა უჯრედული წონასწორობის, ან შინაგანი წონასწორობის შესანარჩუნებლად, ეფექტური და დაუღალავი ტრანსპორტით. მექანიზმები, რომლებიც მემბრანს ერთგვარ მიკროსკოპულ საბაჟო ჩინოვნიკად აქცევს, რაც საშუალებას აძლევს და უარყოფს იონებისა და მოლეკულების შემოსვლა-გამოსვლას უჯრედის რეალურ დროში შესაბამისობაში. საჭიროებებს.
უჯრედის მემბრანები ცხოვრების სპექტრის მასშტაბით
ყველა ორგანიზმს აქვს ერთგვარი უჯრედული მემბრანა. ეს მოიცავს პროკარიოტებს, რომლებიც ძირითადად ბაქტერიები არიან და ითვლება, რომ ისინი წარმოადგენენ დედამიწის ზოგიერთ უძველეს სახეობას, ასევე ეუკარიოტებს, რომლებიც ცხოველებსა და მცენარეებს მოიცავს. პროკარიოტულ ბაქტერიებსაც და ეუკარიოტულ მცენარეებსაც აქვთ უჯრედის კედელი უჯრედის მემბრანის გარეთ, დამატებითი დაცვის მიზნით; მცენარეებში, ამ კედელს აქვს ფორები და ისინი განსაკუთრებით შერჩევითი არ არიან იმის გამო, თუ რა შეიძლება გაიაროს და რა არა. გარდა ამისა, ეუკარიოტებს აქვთ ორგანელები, მაგალითად, ბირთვი და მიტოქონდრია, რომლებიც გარშემორტყმულია მემბრანებით, როგორც უჯრედის გარშემო. პროკარიოტებს ბირთვებიც კი არ აქვთ; მათი გენეტიკური მასალა, თუმცა გარკვეულწილად მჭიდროდ, ციტოპლაზმაში იფანტება.
მნიშვნელოვანი მოლეკულური მტკიცებულებები ცხადყოფს, რომ ეუკარიოტული უჯრედები წარმოშობილია პროკარიოტული უჯრედებიდან, მათი ევოლუციის გარკვეულ ეტაპზე კარგავენ უჯრედის კედელს. მიუხედავად იმისა, რომ ამან ინდივიდუალური უჯრედები უფრო დაუცველი გახადა შეურაცხყოფისგან, ამან საშუალება მისცა მათ კიდევ უფრო რთულიყვნენ და გეომეტრიულად გაფართოებულიყვნენ პროცესში. სინამდვილეში, ეუკარიოტული უჯრედები შეიძლება ათჯერ აღემატებოდეს პროკარიოტულ უჯრედებს, რაც უფრო თვალშისაცემია იმ ფაქტით, რომ განმარტა, რომ ერთი უჯრედი წარმოადგენს პროკარიოტული ორგანიზმის მთლიანობას. (ზოგი ევკარიოტი ერთუჯრედიანია.)
უჯრედის მემბრანის სტრუქტურა
უჯრედის მემბრანა შედგება ორმაგი შრის სტრუქტურისგან (ზოგჯერ მას "თხევადი მოზაიკის მოდელს" უწოდებენ), რომელიც ძირითადად ფოსფოლიპიდებისგან შედგება. ამ ფენებიდან ერთ-ერთი წინაშე დგას უჯრედის ინტერიერში, ან ციტოპლაზმაზე, ხოლო მეორე - გარე გარემოზე. გარე და შინაგანი მხარეები განიხილება "ჰიდროფილურ", ან იზიდავს წყლიანი გარემო; შიდა ნაწილი არის "ჰიდროფობიური", ან მოგერიებულია წყლის გარემოთი. იზოლირებულად, უჯრედის მემბრანები სითხეა სხეულის ტემპერატურაზე, მაგრამ უფრო გრილ ტემპერატურაზე ისინი იღებენ გელის მაგვარ კონსისტენციას.
ორ ფენაში არსებული ლიპიდები უჯრედის მემბრანის მთლიანი მასის დაახლოებით ნახევარს შეადგენს. ქოლესტერინი წარმოადგენს ცხოველურ უჯრედებში არსებული ლიპიდების დაახლოებით მეხუთედს, მაგრამ არა მცენარეულ უჯრედებში, რადგან მცენარეებში ქოლესტერინი არსად გვხვდება. მემბრანის დარჩენილი ნაწილის აღრიცხვა ხდება პროტეინებით, რომელთა მრავალფეროვანი ფუნქციებია. მას შემდეგ, რაც პროტეინების უმეტესობა პოლარული მოლეკულაა, ისევე როგორც მემბრანა, მათი ჰიდროფილური მთავრდება უჯრედის გარედან, ხოლო ჰიდროფობიური ბოლოები მიანიშნებს შრის შიდა ფენაზე.
ზოგიერთ ამ ცილებს მიერთებულია ნახშირწყლების ჯაჭვები, რაც მათ გლიკოპროტეინებად აქცევს. მემბრანის მრავალი ცილა მონაწილეობს ნივთიერებების შერჩევით ტრანსპორტირებაში ორსაფეხურიანი შრის მასშტაბით შეუძლია გააკეთოს მემბრანის მასშტაბით ცილის არხების შექმნით ან მემბრანის ფიზიკური გადაჭრით. სხვა ცილები ფუნქციონირებენ როგორც რეცეპტორები უჯრედის ზედაპირებზე, უზრუნველყოფს სავალდებულო ადგილებს მოლეკულებისათვის, რომლებიც ქიმიურ სიგნალებს ატარებენ; შემდეგ ეს ცილები ამ ინფორმაციას აწვდის უჯრედის შიდა ნაწილს. მემბრანის სხვა პროტეინები მოქმედებენ როგორც ფერმენტები, რომლებიც ახდენენ კატალოზირების რეაქციებს, განსაკუთრებით პლაზმის მემბრანის მიმართ.
უჯრედის მემბრანის ფუნქციები
უჯრედის მემბრანის კრიტიკული ასპექტი არ არის ის, რომ იგი „წყალგაუმტარია“ ან ზოგადად არ არის წყალგაუმტარი; ეს რომ ყოფილიყო, უჯრედი მოკვდებოდა. უჯრედის მემბრანის მთავარი ამოცანის გაგების გასაღები არის ის შერჩევით გამტარი. ანალოგია: ისევე, როგორც დედამიწაზე მყოფი მრავალი ქვეყანა სრულად არ კრძალავს ხალხს მოგზაურობის გავლით ერის საერთაშორისო საზღვრები, მთელს მსოფლიოში არ აქვთ ჩვევა ვინმეს და ყველა შემოდის. უჯრედული მემბრანები ცდილობენ გააკეთონ ის, რასაც ამ ქვეყნების მთავრობები აკეთებენ, გაცილებით მცირე მასშტაბით: სასურველი ობიექტების უჯრედში შესვლის შესაძლებლობა "შემოწმების" შემდეგ, როდესაც იკრძალება იმ პირების შესვლა, რომლებიც, სავარაუდოდ, ტოქსიკური ან დამანგრეველი აღმოჩნდება ინტერიერისთვის ან უჯრედისთვის, მთლიანი.
საერთო ჯამში, მემბრანა ოფიციალური საზღვრის როლს ასრულებს, უჯრედის სხვადასხვა ნაწილს ერთნაირად იკავებს ფერმის ირგვლივ ღობე ინახავს პირუტყვს ერთად, მაშინაც კი, როდესაც მათ საშუალება ეძლევათ დაათვალიერონ და აირიონ. თუ თქვენ უნდა გამოიცნოთ რა სახის მოლეკულებია შესასვლელი და გასასვლელი ყველაზე ადვილად, შეიძლება ითქვას შესაბამისად "საწვავის წყაროები" და "მეტაბოლური ნარჩენები", იმის გათვალისწინებით, რომ მთლიანობაში ეს არის სხეული კეთება. და მართალი იქნებოდი. ძალიან მცირე მოლეკულები, როგორიცაა გაზური ჟანგბადი (O2), აირისებრი ნახშირორჟანგი (CO2) და წყალი (H2O), შეუძლია თავისუფლად გაიაროს მემბრანაზე, მაგრამ უფრო დიდი მოლეკულების, მაგალითად, ამინომჟავებისა და შაქრების გავლა მკაცრად კონტროლდება.
ლიპიდური ბილაიერი
მოლეკულები, რომლებსაც თითქმის საყოველთაოდ უწოდებენ "ფოსფოლიპიდებს", რომლებიც ქმნიან უჯრედის მემბრანის ორ ფენას, უფრო სწორად ეწოდება "გლიცეროფოსფოლიპიდები". ისინი შედგება გლიცერინის მოლეკულისგან, რომელიც არის სამ ნახშირბადის სპირტი, ერთ მხარეს ორ გრძელ ცხიმოვან მჟავასთან და ფოსფატის ჯგუფი მეორეს მხრივ. ეს აძლევს მოლეკულას გრძელ, ცილინდრულ ფორმას, რომელიც კარგად შეეფერება ფართო ფურცლის ნაწილად ყოფნას, რასაც ჰგავს მემბრანის ფენის ერთი ფენა განივი მონაკვეთის.
გლიცეროფოსფოლიპიდის ფოსფატის ნაწილი არის ჰიდროფილური. სპეციფიკური სახის ფოსფატების ჯგუფი იცვლება მოლეკულადან მოლეკულაში; მაგალითად, ეს შეიძლება იყოს ფოსფატიდილქოლინი, რომელიც მოიცავს აზოტის შემცველ კომპონენტს. ეს არის ჰიდროფილური, რადგან მას მუხტის არათანაბარი განაწილება აქვს (ანუ პოლარულია), ისევე როგორც წყალი, ამიტომ ორივენი ერთმანეთთან ახლოს იმყოფებიან მიკროსკოპულ უბნებში.
მემბრანის ინტერიერში არსებულ ცხიმოვან მჟავებს არ აქვთ მუხტის არათანაბარი განაწილება მათი სტრუქტურის მასშტაბით, ამიტომ ისინი არაპოლარულია და, შესაბამისად, ჰიდროფობიურია.
ფოსფოლიპიდების ელექტროქიმიური თვისებების გამო, ფოსფოლიპიდების ორშრიანი განლაგება არ საჭიროებს ენერგიის შეყვანას შესაქმნელად ან შენარჩუნებისთვის. სინამდვილეში, წყალში მოთავსებული ფოსფოლიპიდები, როგორც წესი, სპონტანურად იღებენ ორშრიან კონფიგურაციას, ისევე როგორც სითხეები "ეძებენ საკუთარ დონეს".
უჯრედის მემბრანის ტრანსპორტი
იმის გამო, რომ უჯრედის მემბრანა არის შერჩევით გამტარი, ამან უნდა უზრუნველყოს სხვადასხვა ნივთიერებების, ზოგი დიდი და ზოგი მცირე, ერთი მხრიდან მეორეში მიღების საშუალება. გაიხსენეთ, თუ როგორ შეიძლება გადაკვეთოთ მდინარე ან წყლის ნაკვეთი. შესაძლოა ბორანით იმგზავროთ; თქვენ შეიძლება უბრალოდ მსუბუქ ნიავს დაეშვათ, ან შეიძლება მდინარე ან ოკეანეების მუდმივი დინებები გატაროთ. თქვენ შეიძლება მხოლოდ პირველ რიგში აღმოჩნდეთ წყლის ტანის გადაკვეთა, რადგან იქ ძალიან მაღალია თქვენს მხარეს ხალხის კონცენტრაცია და მეორეს მხრივ ძალიან დაბალი კონცენტრაცია, რაც საჭიროებს კი საგნები
თითოეული ეს სცენარი გარკვეულ კავშირშია უჯრედის მემბრანის მეშვეობით მოლეკულების გადატანის კიდევ ერთ გზასთან. ეს გზები მოიცავს:
მარტივი დიფუზია: ამ პროცესში, მოლეკულები უბრალოდ გადიან ორმაგ მემბრანაში, რომ უჯრედში გადავიდნენ ან გარეთ გავიდნენ. აქ მთავარია, რომ მოლეკულები უმეტეს სიტუაციებში გადაადგილდებიან კონცენტრაციის გრადიენტზე, რაც ნიშნავს, რომ ისინი ბუნებრივად გადაადგილდებიან უფრო მაღალი კონცენტრაციის უბნებიდან დაბალი კონცენტრაციის ადგილებში. თუ საცურაო აუზს შუა საღებავს გადაასხამთ, საღებავის მოლეკულების გარე მოძრაობა წარმოადგენს უბრალო დიფუზიის ფორმას. მოლეკულები, რომლებსაც ამ გზით შეუძლიათ უჯრედის მემბრანების გადაკვეთა, როგორც შეიძლება იწინასწარმეტყველოთ, არის მცირე ზომის მოლეკულები, როგორიცაა O2 და CO2.
ოსმოზი: ოსმოსისი შეიძლება შეფასდეს, როგორც "წოვის წნევა", რომელიც იწვევს წყლის მოძრაობას, როდესაც წყალში გახსნილი ნაწილაკების მოძრაობა შეუძლებელია. ეს ხდება მაშინ, როდესაც მემბრანა საშუალებას აძლევს წყალს, მაგრამ არა განსახილველ გახსნილ ნაწილაკებს ("ხსნარები") გაიაროს მასში. მამოძრავებელი ძალა ისევ კონცენტრაციის გრადიენტია, რადგან მთელი ადგილობრივი გარემო "ეძებს" წონასწორობის მდგომარეობას, რომელშიც ხსნადი ნივთიერება წყლის ერთეულზე მთლიანი იქნება. თუ წყალგამტარი, ხსნადი წყალგამძლე მემბრანის ერთ მხარეს მეტი ხსნადი ნაწილაკია, ვიდრე მეორეზე, წყალი მიედინება ხსნადში უფრო მაღალი კონცენტრაციის არეზე. ანუ, თუ ნაწილაკებმა მოძრაობაში ვერ შეცვლიან კონცენტრაციას წყალში, მაშინ წყალი გადავა მეტნაკლებად იგივე სამუშაოს შესასრულებლად.
გამარტივებული დიფუზია: კიდევ ერთხელ, ამ ტიპის მემბრანის ტრანსპორტი ხედავს ნაწილაკების გადაადგილებას უფრო მაღალი კონცენტრაციის უბნებიდან ქვედა კონცენტრაციის ადგილებში. უბრალო დიფუზიის შემთხვევისგან განსხვავებით, მოლეკულები უჯრედში გადადიან ან გარეთ გადიან სპეციალიზებული ცილის არხები, ვიდრე უბრალოდ გლიცეროფოსფოლიპიდს შორის მდებარე სივრცეებში გადაადგილება მოლეკულები. თუ ოდესმე უყურებდით, რა ხდება, როდესაც მდინარეში რაღაც მიედინება მოულოდნელად, გადასასვლელში აღმოჩნდება კლდეებს შორის, თქვენ იცით, რომ ობიექტი (ალბათ მეგობარია მილზე!) მნიშვნელოვნად ჩქარდება ამ დროს გადასასვლელი; ასეა ცილოვანი არხების შემთხვევაშიც. ეს ყველაზე ხშირად გვხვდება პოლარული ან ელექტრონულად დამუხტული მოლეკულების დროს.
Აქტიური ტრანსპორტი: ადრე განხილული მემბრანის ტრანსპორტის სახეობები მოიცავს კონცენტრაციის გრადიენტის ქვემოთ გადაადგილებას. ზოგჯერ, ისევე, როგორც კატარღები უნდა მოძრაობდნენ დინების ზემოთ და მანქანებს უწევთ გორაკზე ასვლა, ნივთიერებები უმეტესად მოძრაობენ კონცენტრაციის გრადიენტის წინააღმდეგ - ენერგიულად არახელსაყრელი ვითარების წინააღმდეგ. შედეგად, პროცესი უნდა განხორციელდეს გარე წყაროთი და ამ შემთხვევაში ეს წყაროა ადენოზინტრიფოსფატი (ATP), რომელიც ფართო მასშტაბის საწვავია მიკროსკოპული ბიოლოგიური ოპერაციებისათვის. ამ პროცესში, სამი ფოსფატის ჯგუფიდან ერთი ამოღებულია ATP– დან, რომ შეიქმნას ადენოზინი დიფოსფატი (ADP) და თავისუფალი ფოსფატი და ფოსფატ – ფოსფატის ბმის ჰიდროლიზით გათავისუფლებული ენერგია გამოიყენება მოლეკულების გრადიენტით გადატუმბვისთვის და გარსი
აქტიური ტრანსპორტი შეიძლება ასევე მოხდეს არაპირდაპირი ან მეორადი გზით. მაგალითად, მემბრანის ტუმბოს შეუძლია ნატრიუმს გადაეტანა მისი კონცენტრაციის გრადიენტიდან, მემბრანის ერთი მხრიდან მეორეში, უჯრედის გარეთ. როდესაც ნატრიუმის იონი სხვა მიმართულებით დიფუზირდება, შესაძლოა მას გლუკოზის მოლეკულა ჰქონდეს ამის საწინააღმდეგოდ მოლეკულის საკუთარი კონცენტრაციის გრადიენტი (გლუკოზის კონცენტრაცია ჩვეულებრივ უფრო მაღალია უჯრედების შიგნით, ვიდრე უჯრედებზე) გარეთ). ვინაიდან გლუკოზის მოძრაობა ეწინააღმდეგება მისი კონცენტრაციის გრადიენტს, ეს არის აქტიური ტრანსპორტი, მაგრამ რადგან უშუალოდ არ მონაწილეობს ATP, ეს არის მაგალითი საშუალო აქტიური ტრანსპორტი.