Ląstelių membrana - dar vadinama plazmos membrana arba citoplazminė membrana - yra viena iš patraukliausių ir elegantiškiausių konstrukcijų biologijos pasaulyje. Ląstelė laikoma pagrindiniu visų gyvų būtybių Žemėje vienetu arba „statybine medžiaga“; jūsų pačių kūnas jų turi trilijonus, o skirtingų organų ir audinių ląstelės turi skirtingos struktūros, kurios puikiai koreliuoja su iš jų susidedančių audinių funkcijomis ląstelių.
Nors ląstelių branduoliai dažnai atkreipia didžiausią dėmesį, nes juose yra genetinė medžiaga, reikalinga praeiti informacija vėlesnėms organizmo kartoms, ląstelės membrana yra pažodinis vartų sargas ir globėjas turinį. Toli gražu ne tik konteineris ar barjeras, tačiau membrana išsivystė taip, kad išlaikytų ląstelių pusiausvyrą arba vidinę pusiausvyrą efektyviai ir nenuilstamai transportuodamas mechanizmai, dėl kurių membrana tampa tam tikru mikroskopiniu muitinės pareigūnu, leidžiančiu ir neleidžiančiu įeiti ir išeiti iš jonų ir molekulių pagal ląstelės realųjį laiką poreikiai.
Ląstelių membranos per visą gyvenimo spektrą
Visi organizmai turi tam tikras ląstelių membranas. Tai apima prokariotus, kurie dažniausiai yra bakterijos ir manoma, kad jie atstovauja seniausioms gyvoms rūšims Žemėje, taip pat eukariotus, kurie apima gyvūnus ir augalus. Tiek prokariotinės bakterijos, tiek eukariotiniai augalai turi ląstelės sienelę, esančią už ląstelės membranos, kad būtų galima papildomai apsaugoti; augaluose ši siena turi poras, ir jos nėra ypač selektyvios, atsižvelgiant į tai, kas gali praeiti, o kas ne. Be to, eukariotuose yra organelių, tokių kaip branduolys ir mitochondrijos, aptvertos membranomis, tokiomis, kurios supa visą ląstelę. Prokariotai net neturi branduolių; jų genetinė medžiaga yra išsklaidyta, nors ir šiek tiek tvirtai, visoje citoplazmoje.
Nemažai molekulinių įrodymų rodo, kad eukariotinės ląstelės yra kilusios iš prokariotinių ląstelių, tam tikru jų evoliucijos metu praradusios ląstelių sienelę. Nors dėl to atskiros ląstelės tapo labiau pažeidžiamos įžeidimų, tai taip pat leido joms tapti sudėtingesnėmis ir geometriškai išsiplėsti proceso metu. Tiesą sakant, eukariotinės ląstelės gali būti dešimt kartų didesnės nei prokariotinės ląstelės, o išvadą dar labiau stebina tai, kad viena ląstelė pagal apibrėžimą yra prokariotinių organizmų visuma. (Kai kurie eukariotai taip pat yra vienaląsčiai.)
Ląstelių membranos struktūra
Ląstelės membrana susideda iš dvisluoksnės struktūros (kartais vadinamos „skysčio mozaikos modeliu“), sudarytos daugiausia iš fosfolipidų. Vienas iš šių sluoksnių yra nukreiptas į ląstelės vidų arba citoplazmą, o kitas - į išorinę aplinką. Į išorę ir į vidų nukreiptos pusės laikomos „hidrofilinėmis“ arba jas traukia vandeninga aplinka; vidinė dalis yra „hidrofobinė“ arba ją atstumia vandeninga aplinka. Izoliuojant, ląstelių membranos yra skystos kūno temperatūroje, tačiau esant šaltesnei temperatūrai, jos įgauna į gelį panašią konsistenciją.
Dviejų sluoksnių lipidai sudaro apie pusę visos ląstelės membranos masės. Gyvūnų ląstelėse cholesterolis sudaro apie penktadalį lipidų, bet ne augalų ląstelėse, nes augaluose cholesterolio nėra niekur. Didžiąją likusios membranos dalį sudaro baltymai, turintys įvairias funkcijas. Kadangi dauguma baltymų yra polinės molekulės, kaip ir pati membrana, jų hidrofiliniai galai pakyla į ląstelės išorę, o hidrofobiniai galai nukreipti į dvigubo sluoksnio vidų.
Kai kurie iš šių baltymų turi angliavandenių grandines, todėl jie tampa glikoproteinais. Daugelis membranos baltymų dalyvauja selektyviame medžiagų pernešime per dvigubą sluoksnį gali tai padaryti arba sukurdami baltymų kanalus per membraną, arba fiziškai juos uždarydami per membraną. Kiti baltymai veikia kaip receptoriai ant ląstelių paviršiaus, užtikrindami jungimosi vietas molekulėms, kurios perduoda cheminius signalus; tada šie baltymai perduoda šią informaciją į ląstelės vidų. Dar kiti membraniniai baltymai veikia kaip fermentai, katalizuojantys reakcijas, ypač pačiai plazmos membranai.
Ląstelių membranos funkcijos
Kritinis ląstelės membranos aspektas nėra tas, kad ji yra „neperšlampama“ arba nepralaidi medžiagoms apskritai; jei taip būtų, ląstelė mirtų. Raktas norint suprasti pagrindinį ląstelės membranos darbą yra tas, kad ji yra selektyviai pralaidi. Analogija: Kaip ir dauguma tautų Žemėje, visiškai nedraudžia žmonėms keliauti per tarptautinės sienos, šalys visame pasaulyje nėra įpratę leisti niekam ir visi įeina. Ląstelių membranos bando padaryti tai, ką daro šių šalių vyriausybės, daug mažesniu mastu: leisti pageidaujamiems subjektams patekti į ląstelę po „patikrinimo“, uždraudus patekti į subjektus, kurie gali būti toksiški ar žalingi interjerui ar kamerai kaip visas.
Apskritai membrana veikia kaip formali riba, vienodai laikydama įvairias ląstelės dalis tvora aplink fermą išlaiko gyvulius kartu, net leisdama jiems klajoti ir maišytis. Jei turėtumėte atspėti molekulių rūšis, kurioms leidžiama patekti ir išeiti lengviausiai, galite pasakyti atitinkamai „kuro šaltiniai“ ir „medžiagų apykaitos atliekos“, turint omenyje, kad tai iš esmės yra kūnų visuma padaryti. Ir tu būtum teisus. Labai mažos molekulės, tokios kaip dujinis deguonis (O2), dujinis anglies dioksidas (CO2) ir vandens (H2O), gali laisvai praeiti per membraną, tačiau didesnių molekulių, tokių kaip aminorūgštys ir cukrus, perėjimas yra griežtai kontroliuojamas.
Dviejų sluoksnių lipidas
Tinkamiau vadinamos molekulės, kurios beveik visuotinai vadinamos „fosfolipidais“ ir kurios sudaro dvigubą ląstelės membranos sluoksnį "glicerofosfolipidai". Jie susideda iš glicerolio molekulės, kuri yra trijų anglių alkoholis, pritvirtintas prie dviejų ilgų riebalų rūgščių vienoje pusėje ir fosfatų grupė. Tai suteikia molekulei ilgą, cilindro formos formą, kuri puikiai tinka būti plataus lakšto dalimi, o tai yra vienas membranos dvigubo sluoksnio sluoksnis, kurio skerspjūvis yra panašus.
Glicerofosfolipido fosfato dalis yra hidrofilinė. Konkretus fosfatų grupės tipas skiriasi nuo molekulės; pavyzdžiui, tai gali būti fosfatidilcholinas, į kurį įeina azoto turintis komponentas. Jis yra hidrofilinis, nes turi netolygų krūvio pasiskirstymą (t. Y. Yra poliarinis), kaip ir vanduo, todėl abu „sutaria“ arti mikroskopinių ketvirčių.
Riebalų rūgštys, esančios membranos viduje, neturi tolygaus krūvio pasiskirstymo bet kurioje savo struktūros dalyje, todėl yra nepolinės ir todėl hidrofobiškos.
Dėl fosfolipidų elektrocheminių savybių fosfolipidų dvisluoksniam išsidėstymui sukurti ar palaikyti nereikia energijos. Tiesą sakant, į vandenį įdėti fosfolipidai yra linkę spontaniškai prisiimti dvigubo sluoksnio konfigūraciją panašiai kaip skysčiai „siekia savo lygio“.
Ląstelių membranos transportas
Kadangi ląstelės membrana yra selektyviai pralaidi, ji turi suteikti galimybę gauti įvairias medžiagas, kai kurias dideles, o kitas mažas, iš vienos pusės į kitą. Pagalvokite, kaip galėtumėte pereiti upę ar vandens telkinį. Galite keltis; galite tiesiog nuvilti ant lengvo vėjelio, arba jus gali nešti pastovi upių ar vandenynų srovė. Pirmiausia galite tik kirsti vandens telkinį, nes yra per aukštas a žmonių koncentracija jūsų pusėje ir per maža koncentracija kitoje pusėje, todėl reikia tolygiai dalykai.
Kiekvienas iš šių scenarijų turi tam tikrą ryšį su vienu iš daugiau būdų, kaip molekulės gali praeiti per ląstelės membraną. Šie būdai apima:
Paprasta difuzija: Šiame procese molekulės tiesiog dreifuoja per dvigubą membraną, kad patektų į ląstelę arba iš jos. Svarbiausia yra tai, kad daugumoje situacijų molekulės judės žemyn koncentracijos gradientu, o tai reiškia, kad jos natūraliai dreifuoja iš didesnės koncentracijos sričių į mažesnės koncentracijos zonas. Jei įpilkite dažų skardinę į baseino vidurį, dažų molekulių judėjimas į išorę reikštų paprastos difuzijos formą. Molekulės, kurios tokiu būdu gali kirsti ląstelių membranas, kaip jūs galite nuspėti, yra mažos molekulės, tokios kaip O2 ir CO2.
Osmosas: Osmosą galima apibūdinti kaip „čiulpimo slėgį“, sukeliantį vandens judėjimą, kai vandenyje ištirpusių dalelių judėti neįmanoma. Tai atsitinka, kai membrana leidžia vandeniui, bet ne ištirpusioms dalelėms („ištirpusioms medžiagoms“), praeiti pro ją. Varomoji jėga vėl yra koncentracijos gradientas, nes visa vietinė aplinka „ieško“ pusiausvyros būsenos, kurioje ištirpusių medžiagų kiekis vandens vienetui yra vienodas. Jei vienoje vandeniui pralaidžios, nepralaidžios membranos membranoje yra daugiau nei vienoje medžiagoje dalelių, vanduo tekės į didesnę ištirpusių medžiagų koncentraciją. Tai yra, jei dalelės negali pakeisti savo koncentracijos vandenyje judėdamos, tai pats vanduo judės atlikti daugmaž tą patį darbą.
Palengvinta difuzija: Vėlgi, šio tipo membranos transportas mato daleles iš didesnės koncentracijos sričių į mažesnės koncentracijos sritis. Skirtingai nei paprastos difuzijos atveju, molekulės juda į ląstelę arba iš jos specializuotus baltymų kanalus, o ne tiesiog dreifuoja tarpais tarp glicerofosfolipido molekulės. Jei kada nors stebėjote, kas atsitinka, kai kažkas, nutekantis upe, staiga atsiduria koridoriuje tarp uolų, jūs žinote, kad objektas (galbūt draugas ant vidinio vamzdžio!) žymiai pagreitėja tuo metu koridorius; taip yra ir su baltymų kanalais. Tai dažniausiai pasitaiko naudojant polines ar elektrines krūvio molekules.
Aktyvus transportas: Visi anksčiau aptarti membranos gabenimo tipai apima judėjimą žemyn koncentracijos gradientu. Tačiau kartais, kai valtys turi judėti prieš srovę ir automobiliai turi lipti į kalvas, medžiagos labiausiai juda prieš koncentracijos gradientą - energetiškai nepalankią situaciją. Dėl to procesą turi maitinti išorinis šaltinis, o šiuo atveju šaltinis yra adenozino trifosfatas (ATP), kuris yra plačiai paplitęs kuras mikroskopinėms biologinėms operacijoms atlikti. Šiame procese viena iš trijų fosfatų grupių pašalinama iš ATP, kad būtų sukurtas adenozino difosfatas (ADP) ir laisvas fosfatas, ir fosfatų-fosfatų jungties hidrolizės metu išsiskirianti energija naudojama molekulėms „pumpuoti“ gradiente ir skersai membrana.
Aktyvus transportas taip pat gali vykti netiesiogiai arba antraeiliu keliu. Pavyzdžiui, membraninis siurblys gali pernešti natrį per koncentracijos gradientą iš vienos membranos pusės į kitą, iš ląstelės. Kai natrio jonas difunduoja atgal kita kryptimi, jis gali su savimi turėti gliukozės molekulę pačios molekulės koncentracijos gradientas (gliukozės koncentracija paprastai būna didesnė ląstelių viduje nei lauke). Kadangi gliukozės judėjimas prieštarauja jo koncentracijos gradientui, tai yra aktyvus pernaša, tačiau kadangi tiesiogiai nedalyvauja ATP, tai yra antraeilis aktyvus transportas.