Šūnu membrāna - saukta arī par plazmas membrānu vai citoplazmas membrānu - ir viena no aizraujošākajām un elegantākajām konstrukcijām bioloģijas pasaulē. Šūna tiek uzskatīta par visu Zemes dzīvo būtņu vienību vai "celtniecības bloku"; jūsu pašu ķermenī ir triljoni to, un ir dažādas šūnas dažādos orgānos un audos dažādas struktūras, kas lieliski korelē ar to sastāvošo audu funkcijām šūnas.
Kamēr šūnu kodoli bieži pievērš vislielāko uzmanību, jo tie satur ģenētisko materiālu, kas nepieciešams, lai ietu garām informācija nākamajām organisma paaudzēm, šūnu membrāna ir burtiskais vārtu sargs un šūnu sargs saturs. Tomēr tālu no vienkārša konteinera vai barjeras membrāna ir attīstījusies, lai uzturētu šūnu līdzsvaru vai iekšējo līdzsvaru, izmantojot efektīvu un nenogurstošu transportu mehānismi, kas padara membrānu par sava veida mikroskopisku muitas ierēdni, ļaujot un liedzot jonu un molekulu iekļūšanu un izeju atbilstoši šūnas reāllaikam vajadzībām.
Šūnu membrānas visā dzīves spektrā
Visiem organismiem ir sava veida šūnu membrānas. Tas ietver prokariotus, kas galvenokārt ir baktērijas un tiek uzskatīts, ka tie pārstāv dažas no vecākajām dzīvajām sugām uz Zemes, kā arī eikariotus, kas ietver dzīvniekus un augus. Gan prokariotu baktērijām, gan eikariotu augiem ir šūnu siena ārpus šūnas membrānas, lai nodrošinātu papildu aizsardzību; augos šai sienai ir poras, un tās nav īpaši selektīvas attiecībā uz to, kas var iziet cauri un kas ne. Turklāt eikariotiem piemīt organelli, piemēram, kodols un mitohondriji, kurus ieskauj membrānas, piemēram, tā, kas ap šūnu kopumā. Prokariotiem pat nav kodolu; to ģenētiskais materiāls, kaut arī nedaudz cieši, ir izkliedēts visā citoplazmā.
Ievērojami molekulārie pierādījumi liecina, ka eikariotu šūnas ir cēlušās no prokariotu šūnām, kaut kādā to evolūcijas brīdī zaudējot šūnu sienu. Lai gan tas atsevišķas šūnas padarīja neaizsargātākas pret apvainojumiem, tas arī ļāva tām procesā kļūt sarežģītākām un ģeometriski paplašināties. Faktiski eikariotu šūnas var būt desmit reizes lielākas par prokariotu šūnām, šo secinājumu vēl jo vairāk pārsteidz tas, ka viena šūna pēc definīcijas ir prokariotu organisma kopums. (Daži eikarioti ir arī vienšūnas.)
Šūnu membrānas struktūra
Šūnas membrāna sastāv no divslāņu struktūras (dažreiz to sauc par "šķidruma mozaīkas modeli"), kas sastāv galvenokārt no fosfolipīdiem. Viens no šiem slāņiem ir vērsts uz šūnas vai citoplazmas iekšpusi, bet otrs - pret ārējo vidi. Uz āru un uz iekšu vērstās puses tiek uzskatītas par "hidrofilām" vai piesaista ūdeņaina vide; iekšējā daļa ir "hidrofobiska" vai to atgrūž ūdeņaina vide. Izolēti šūnu membrānas ķermeņa temperatūrā ir šķidras, bet vēsākā temperatūrā tās iegūst gēla formas konsistenci.
Divslāņu lipīdi veido apmēram pusi no šūnas membrānas kopējās masas. Holesterīns veido apmēram piekto daļu lipīdu dzīvnieku šūnās, bet ne augu šūnās, jo holesterīns augos nav atrodams nekur. Lielāko daļu atlikušās membrānas veido olbaltumvielas ar daudzveidīgām funkcijām. Tā kā lielākā daļa olbaltumvielu ir polāras molekulas, tāpat kā pati membrāna, to hidrofilie gali nonāk šūnas ārpusei, un hidrofobie gali norāda uz divslāņu iekšpusi.
Dažām no šīm olbaltumvielām ir pievienotas ogļhidrātu ķēdes, padarot tās par glikoproteīniem. Daudzi membrānas proteīni ir iesaistīti selektīvā vielu pārvadāšanā pāri divslānim, ko tie veic var darīt, vai nu izveidojot olbaltumvielu kanālus pāri membrānai, vai fiziski tos izslēdzot pa membrānu. Citas olbaltumvielas darbojas kā receptori uz šūnu virsmām, nodrošinot saites vietas molekulām, kuras pārnēsā ķīmiskos signālus; šie proteīni pēc tam nodod šo informāciju šūnas iekšienē. Vēl citi membrānas proteīni darbojas kā fermenti, kas katalizē reakcijas, kas raksturīgas pašas plazmas membrānai.
Šūnu membrānas funkcijas
Šūnas membrānas kritiskais aspekts nav tas, ka tā ir "ūdensizturīga" vai vispār nav caurlaidīga vielām; ja tā būtu, šūna nomirtu. Šūnas membrānas galvenā darba izpratnes atslēga ir tā selektīvi caurlaidīgs. Līdzība: Tāpat kā lielākā daļa valstu uz Zemes pilnībā neaizliedz cilvēkiem ceļot pāri valsts starptautiskās robežas valstīm visā pasaulē nav ieraduma ļaut nevienam un visi ienāk. Šūnu membrānas mēģina darīt to, ko dara šo valstu valdības, daudz mazākā mērogā: ļaut vēlamajām vienībām iekļūt šūnā pēc "pārbaudīšanas", vienlaikus liedzot iekļūt objektos, kuri, iespējams, izrādīsies toksiski vai postoši interjeram vai šūnai kā vesels.
Kopumā membrāna darbojas kā formāla robeža, vienādi turot dažādas šūnas daļas Žogs ap fermu tur mājlopus kopā, pat ļaujot tiem klīst un jaukt. Ja jums vajadzētu uzminēt molekulu veidus, kuriem visvieglāk atļauts iekļūt un iziet, jūs varētu teikt attiecīgi "degvielas avoti" un "vielmaiņas atkritumi", ņemot vērā, ka ķermeņi būtībā ir tas pats darīt. Un tev būtu taisnība. Ļoti mazas molekulas, piemēram, gāzveida skābeklis (O2), gāzveida oglekļa dioksīds (CO2) un ūdeni (H2O), var brīvi iziet cauri membrānai, bet lielāku molekulu, piemēram, aminoskābju un cukuru, pāreja tiek stingri kontrolēta.
Lipīdu divslānis
Pareizāk tiek sauktas molekulas, kuras gandrīz vispārīgi sauc par "fosfolipīdiem", kas veido šūnu membrānas divslāni "glicerofosfolipīdi". Tie sastāv no glicerīna molekulas, kas ir trīs oglekļa spirts, vienā pusē piestiprināts divām garām taukskābēm un fosfātu grupa, no otras puses. Tas piešķir molekulai garu, cilindrisku formu, kas ir labi piemērota darbam, kas ir daļa no platas loksnes, kas šķērsgriezumā atgādina vienu membrānas divslāņa slāni.
Glicerofosfolipīda fosfāta daļa ir hidrofila. Konkrētais fosfātu grupas veids katrā molekulā ir atšķirīgs; piemēram, tas var būt fosfatidilholīns, kurā ietilpst slāpekli saturošs komponents. Tas ir hidrofils, jo tam ir nevienmērīgs lādiņa sadalījums (t.i., tas ir polārs), tāpat kā ūdens, tāpēc abi "satiekas" tuvās mikroskopiskās ceturtdaļās.
Taukskābēm, kas atrodas membrānas iekšpusē, nav nevienmērīga lādiņa sadalījuma to struktūrā, tāpēc tās ir nepolāras un līdz ar to hidrofobas.
Fosfolipīdu elektroķīmisko īpašību dēļ fosfolipīdu divslāņu izkārtojumam nav nepieciešama enerģijas ievadīšana, lai to izveidotu vai uzturētu. Faktiski ūdenī ievietotie fosfolipīdi mēdz spontāni uzņemties divslāņu konfigurāciju tādā pašā veidā, kā šķidrumi "meklē savu līmeni".
Šūnu membrānas transports
Tā kā šūnu membrāna ir selektīvi caurlaidīga, tai jānodrošina līdzeklis dažādu vielu, dažu lielu un citu mazu, nokļūšanai no vienas puses uz otru. Padomājiet par veidiem, kā jūs varētu šķērsot upi vai ūdenstilpni. Jūs varētu doties uz prāmi; jūs varētu vienkārši novirzīties uz vieglas vēsmas, vai arī jūs var nogādāt vienmērīgas upes vai okeāna straumes. Un jūs, iespējams, vispirms atrodaties tikai šķērsojot ūdenstilpi, jo tur ir pārāk augsts a cilvēku koncentrēšanās jūsu pusē un pārāk zema koncentrēšanās uz otru pusi, kas rada vajadzību līdzsvarot lietas ārā.
Katram no šiem scenārijiem ir kāda saistība ar vienu no vairākiem veidiem, kā molekulas var iziet caur šūnu membrānu. Šie veidi ietver:
Vienkārša difūzija: Šajā procesā molekulas vienkārši dreifē caur dubulto membrānu, lai pārietu vai nu šūnā, vai ārpus tās. Galvenais šeit ir tas, ka molekulas lielākajā daļā situāciju pārvietosies lejup pa koncentrācijas gradientu, kas nozīmē, ka tās dabiski novirzās no augstākas koncentrācijas apgabaliem uz zemākas koncentrācijas zonām. Ja peldbaseina vidū būtu jālej krāsas bundža, krāsas molekulu kustība uz āru būtu vienkāršas difūzijas forma. Molekulas, kas šādā veidā var šķērsot šūnu membrānas, kā jūs varat paredzēt, ir mazas molekulas, piemēram, O2 un CO2.
Osmoze: Osmozi varētu raksturot kā "nepieredzējis spiediens", kas izraisa ūdens kustību, ja ūdenī izšķīdušo daļiņu kustība nav iespējama. Tas notiek, ja membrāna ļauj caur to iziet ūdenim, bet ne attiecīgajām izšķīdušajām daļiņām ("izšķīdušajām" daļiņām). Virzošais spēks atkal ir koncentrācijas gradients, jo visa vietējā vide "meklē" līdzsvara stāvokli, kurā izšķīdušās vielas daudzums uz ūdens vienību ir vienāds visā. Ja ūdens caurlaidīgas, neizšķīdušas membrānas vienā pusē ir vairāk izšķīdušo daļiņu nekā otrā, ūdens ieplūdīs augstākas izšķīdušās vielas koncentrācijas zonā. Tas ir, ja daļiņas nevar mainīt savu koncentrāciju ūdenī, pārvietojoties, tad pats ūdens pārvietosies, lai veiktu vairāk vai mazāk to pašu darbu.
Veicināta difūzija: Atkal šāda veida membrānas transportēšana redz, ka daļiņas pārvietojas no apgabaliem ar lielāku koncentrāciju uz apgabaliem ar zemāku koncentrāciju. Atšķirībā no gadījuma ar vienkāršu difūziju, tomēr molekulas pārvietojas šūnā vai no tās caur specializētos olbaltumvielu kanālos, nevis vienkārši dreifējot pa atstarpēm starp glicerofosfolipīdu molekulas. Ja esat kādreiz vērojis, kas notiek, kad kaut kas, kas dreifē pa upi, pēkšņi nonāk ejā starp akmeņiem jūs zināt, ka objekts (iespējams, draugs uz iekšējās caurules!) ievērojami paātrinās, kamēr tas atrodas eja; tā tas ir ar olbaltumvielu kanāliem. Tas visbiežāk notiek ar polārām vai elektriski lādējošām molekulām.
Aktīvs transports: Iepriekš aplūkotie membrānas transporta veidi ietver kustību uz leju koncentrācijas gradientā. Dažreiz, tāpat kā laivām jāpārvietojas pret straumi un automašīnām jākāpj pa kalniem, vielas visvairāk pārvietojas pret koncentrācijas gradientu - enerģētiski nelabvēlīgu situāciju. Tā rezultātā procesam ir jābūt darbināmam ar ārēju avotu, un šajā gadījumā šis avots ir adenozīna trifosfāts (ATP), kas ir plaši izplatīta degviela mikroskopiskām bioloģiskām transakcijām. Šajā procesā viena no trim fosfātu grupām tiek noņemta no ATP, lai izveidotu adenozīna difosfātu (ADP) un brīvo fosfātu, un fosfāta-fosfāta saites hidrolīzes rezultātā atbrīvoto enerģiju izmanto molekulu "sūknēšanai" uz gradientu un pāri membrāna.
Aktīvs transports var notikt arī netieši vai sekundāri. Piemēram, membrānas sūknis var pārvietot nātriju pa koncentrācijas gradientu no vienas membrānas puses uz otru, no šūnas. Kad nātrija jons izkliedējas atpakaļ citā virzienā, pret to var būt glikozes molekula pašas molekulas koncentrācijas gradients (glikozes koncentrācija parasti ir lielāka šūnu iekšienē nekā ārpusē). Tā kā glikozes kustība ir pret tās koncentrācijas gradientu, tas ir aktīvs transports, bet, tā kā ATP nav tieši iesaistīts, tas ir piemērs sekundārs aktīvs transports.