Celmembraan: definitie, functie, structuur en feiten

Het celmembraan – ook wel het plasmamembraan of cytoplasmatisch membraan genoemd – behoort tot de meest fascinerende en elegante constructies in de wereld van de biologie. De cel wordt beschouwd als de fundamentele eenheid of "bouwsteen" van alle levende wezens op aarde; je eigen lichaam heeft er biljoenen van, en verschillende cellen in verschillende organen en weefsels hebben verschillende structuren die prachtig correleren met de functies van de weefsels waaruit deze bestaan cellen.

Terwijl de kernen van cellen vaak de meeste aandacht trekken, omdat ze het genetische materiaal bevatten dat nodig is om door te gaan informatie aan volgende generaties van het organisme, het celmembraan is de letterlijke poortwachter en bewaker van de cel inhoud. Verre van louter een container of barrière, is het membraan echter geëvolueerd om cellulair evenwicht, of intern evenwicht, te behouden door efficiënt en onvermoeibaar transport mechanismen die van het membraan een soort microscopisch kleine douanebeambte maken, die de in- en uittreding van ionen en moleculen toelaat en weigert in overeenstemming met de real-time van de cel behoeften.

Alle organismen hebben een soort celmembranen. Dit omvat prokaryoten, die meestal bacteriën zijn en waarvan wordt aangenomen dat ze enkele van de oudste levende soorten op aarde vertegenwoordigen, evenals eukaryoten, waaronder dieren en planten. Zowel de prokaryotische bacteriën als de eukaryote planten hebben een celwand buiten het celmembraan voor extra bescherming; in planten heeft deze muur poriën en ze zijn niet bijzonder selectief in termen van wat er doorheen kan en wat niet. Bovendien bezitten eukaryoten organellen, zoals de kern en mitochondriën, omsloten door membranen zoals die de cel als geheel omringen. Prokaryoten hebben niet eens kernen; hun genetisch materiaal is verspreid, zij het enigszins strak, door het cytoplasma.

Aanzienlijk moleculair bewijs suggereert dat eukaryote cellen afstammen van prokaryotische cellen en op een bepaald moment in hun evolutie de celwand verliezen. Hoewel dit individuele cellen kwetsbaarder maakte voor beledigingen, konden ze ook complexer worden en tijdens het proces geometrisch uitbreiden. In feite kunnen eukaryote cellen tien keer zo groot zijn als prokaryotische cellen, een bevinding die des te opvallender wordt door het feit dat een enkele cel per definitie het geheel is van een prokaryotisch organisme. (Sommige eukaryoten zijn ook eencellig.)

Het celmembraan bestaat uit een dubbellaagse structuur (soms het "vloeibare mozaïekmodel" genoemd) die voornamelijk uit fosfolipiden bestaat. Een van deze lagen is gericht naar het binnenste van de cel, of cytoplasma, terwijl de andere naar de externe omgeving is gericht. De naar buiten en naar binnen gerichte zijden worden als "hydrofiel" beschouwd of worden aangetrokken door waterige omgevingen; het binnenste gedeelte is "hydrofoob" of afgestoten door waterige omgevingen. Afzonderlijk zijn celmembranen vloeibaar bij lichaamstemperatuur, maar bij lagere temperaturen nemen ze een gelachtige consistentie aan.

De lipiden in de dubbellaag zijn goed voor ongeveer de helft van de totale massa van het celmembraan. Cholesterol vormt ongeveer een vijfde van de lipiden in dierlijke cellen, maar niet in plantencellen, omdat cholesterol nergens in planten wordt aangetroffen. Het grootste deel van de rest van het membraan wordt veroorzaakt door eiwitten met uiteenlopende functies. Omdat de meeste eiwitten polaire moleculen zijn, zoals het membraan zelf, steken hun hydrofiele uiteinden naar de buitenkant van de cel en wijzen hun hydrofobe uiteinden naar het binnenste van de dubbellaag.

Aan sommige van deze eiwitten zijn koolhydraatketens vastgemaakt, waardoor ze glycoproteïnen worden. Veel van de membraaneiwitten zijn betrokken bij het selectieve transport van stoffen door de dubbellaag, wat ze kan doen door eiwitkanalen over het membraan te creëren of door ze fysiek over het membraan te pendelen. Andere eiwitten functioneren als receptoren op celoppervlakken en verschaffen bindingsplaatsen voor moleculen die chemische signalen dragen; deze eiwitten geven deze informatie vervolgens door aan het binnenste van de cel. Nog andere membraaneiwitten werken als enzymen die reacties katalyseren die specifiek zijn voor het plasmamembraan zelf.

Het kritieke aspect van het celmembraan is niet dat het "waterdicht" of ondoordringbaar is voor stoffen in het algemeen; als het een van beide was, zou de cel sterven. De sleutel tot het begrijpen van de belangrijkste taak van het celmembraan is dat het: gedeeltelijk doorlatend. Een analogie: net zoals de meeste landen op aarde mensen niet volledig verbieden om over de internationale grenzen van het land, hebben landen over de hele wereld niet de gewoonte om iemand en iedereen komt binnen. Celmembranen proberen te doen wat de regeringen van deze landen doen, op veel kleinere schaal: gewenste entiteiten de cel laten binnenkomen na te zijn "doorgelicht" terwijl de toegang wordt geblokkeerd voor entiteiten die waarschijnlijk giftig of destructief blijken te zijn voor het interieur of de cel als een geheel.

Over het algemeen fungeert het membraan als een formele grens, die de verschillende delen van de cel op dezelfde manier bij elkaar houdt manier waarop een hek rond een boerderij het vee bij elkaar houdt, zelfs terwijl ze ronddwalen en zich vermengen. Als je zou moeten raden welke soorten moleculen er het gemakkelijkst in en uit mogen, zou je kunnen zeggen: respectievelijk "brandstofbronnen" en "stofwisselingsafval", aangezien dit in wezen is wat lichamen als geheel zijn Doen. En je zou gelijk hebben. Zeer kleine moleculen, zoals gasvormige zuurstof (O₂), gasvormig kooldioxide (CO₂), en water (H₂O) vrij door het membraan kunnen passeren, maar de doorgang van grotere moleculen, zoals aminozuren en suikers, wordt streng gecontroleerd.

De moleculen die bijna universeel "fosfolipiden" worden genoemd en die de dubbellaag van het celmembraan vormen, worden beter "glycerofosfolipiden." Ze bestaan ​​uit een glycerolmolecuul, een alcohol met drie koolstofatomen, bevestigd aan twee lange vetzuren aan één kant en een fosfaatgroep aan de andere kant. Dit geeft het molecuul een lange, cilindrische vorm die zeer geschikt is om deel uit te maken van een brede plaat, en dat is waar een enkele laag van de membraandubbellaag in dwarsdoorsnede op lijkt.

Het fosfaatgedeelte van het glycerofosfolipide is hydrofiel. De specifieke soort fosfaatgroep varieert van molecuul tot molecuul; het kan bijvoorbeeld fosfatidylcholine zijn, a dat een stikstofbevattende component bevat. Het is hydrofiel omdat het een ongelijke verdeling van de lading heeft (d.w.z. polair is), net als water, dus de twee "kunnen opschieten" in nauwe microscopisch kleine kwartieren.
De vetzuren aan de binnenkant van het membraan hebben nergens in hun structuur een ongelijke ladingsverdeling, dus zijn ze niet-polair en dus hydrofoob.

Vanwege de elektrochemische eigenschappen van fosfolipiden, vereist de opstelling van de fosfolipide dubbellaag geen input van energie om te creëren of te behouden. In feite hebben fosfolipiden die in water worden geplaatst de neiging om spontaan de dubbellaagse configuratie aan te nemen op vrijwel dezelfde manier als vloeistoffen "hun eigen niveau zoeken".

Omdat het celmembraan selectief permeabel is, moet het een middel zijn om een ​​verscheidenheid aan stoffen, sommige groot en sommige klein, van de ene naar de andere kant te krijgen. Denk aan de manieren waarop u een rivier of een watermassa zou kunnen oversteken. Je zou een veerboot kunnen nemen; je zou gewoon kunnen drijven op een lichte bries, of je zou kunnen worden gedragen door gestage rivier- of oceaanstromingen. En het kan zijn dat u in de eerste plaats alleen maar het water oversteekt omdat er te hoge a concentratie van mensen aan uw kant en een te lage concentratie aan de andere kant, waardoor een behoefte aan gelijkmatigheid ontstaat dingen uit.

Elk van deze scenario's houdt verband met een of meer van de manieren waarop moleculen door het celmembraan kunnen gaan. Deze manieren omvatten:

Eenvoudige diffusie: In dit proces drijven moleculen eenvoudig door het dubbele membraan om de cel in of uit te gaan. De sleutel hier is dat moleculen in de meeste situaties een concentratiegradiënt omlaag zullen bewegen, wat betekent dat ze van nature van gebieden met een hogere concentratie naar gebieden met een lagere concentratie afdrijven. Als je een blik verf in het midden van een zwembad zou gieten, zou de buitenwaartse beweging van de verfmoleculen een vorm van eenvoudige diffusie vertegenwoordigen. De moleculen die op deze manier celmembranen kunnen passeren, zoals je misschien al voorspelt, zijn kleine moleculen zoals O₂ en co₂.

Osmose: Osmose kan worden omschreven als een "zuigdruk" die de beweging van water veroorzaakt wanneer de beweging van in het water opgeloste deeltjes onmogelijk is. Dit gebeurt wanneer een membraan water doorlaat, maar niet de opgeloste deeltjes ("opgeloste stoffen") in kwestie. De drijvende kracht is weer een concentratiegradiënt, omdat de hele lokale omgeving een evenwichtstoestand "zoekt" waarin de hoeveelheid opgeloste stof per eenheid water overal hetzelfde is. Als er aan de ene kant van een waterdoorlatend, ondoordringbaar membraan meer opgeloste stofdeeltjes zijn dan aan de andere kant, zal water naar het gebied stromen met een hogere opgeloste stofconcentratie. Dat wil zeggen, als deeltjes hun concentratie in water niet kunnen veranderen door te bewegen, dan zal het water zelf bewegen om min of meer hetzelfde werk te doen.

Gefaciliteerde diffusie: Nogmaals, dit type membraantransport zorgt ervoor dat deeltjes zich verplaatsen van gebieden met een hogere concentratie naar gebieden met een lagere concentratie. Anders dan bij eenvoudige diffusie, gaan de moleculen echter via de cel de cel in of uit gespecialiseerde eiwitkanalen, in plaats van simpelweg door de ruimtes tussen glycerofosfolipiden te drijven moleculen. Als je ooit hebt gezien wat er gebeurt als iets dat in een rivier afdrijft, zich plotseling in een doorgang bevindt? tussen rotsen, je weet dat het object (misschien een vriend op een binnenband!) aanzienlijk versnelt terwijl je hierin zit doorgang; zo is het ook met eiwitkanalen. Dit komt het meest voor bij polaire of elektrisch geladen moleculen.

Actief transport: De eerder besproken typen membraantransport hebben allemaal te maken met beweging langs een concentratiegradiënt. Soms echter, net zoals boten stroomopwaarts moeten gaan en auto's heuvels moeten beklimmen, bewegen stoffen de meeste zich tegen een concentratiegradiënt in - een energetisch ongunstige situatie. Als gevolg hiervan moet het proces worden aangedreven door een externe bron, en in dit geval is die bron adenosinetrifosfaat (ATP), die wijdverbreide brandstof voor microscopische biologische transacties. In dit proces wordt een van de drie fosfaatgroepen verwijderd uit ATP om adenosinedifosfaat (ADP) en een vrij fosfaat te creëren, en de energie die vrijkomt door de hydrolyse van de fosfaat-fosfaatbinding wordt gebruikt om moleculen op de gradiënt en over de membraan.

Actief transport kan ook op indirecte of secundaire wijze plaatsvinden. Een membraanpomp kan bijvoorbeeld natrium over zijn concentratiegradiënt verplaatsen van de ene kant van het membraan naar de andere, de cel uit. Wanneer het natriumion in de andere richting terug diffundeert, kan het daartegen een glucosemolecuul meedragen de eigen concentratiegradiënt van het molecuul (glucoseconcentratie is meestal hoger aan de binnenkant van cellen dan aan de buiten). Aangezien de beweging van glucose tegen zijn concentratiegradiënt in is, is dit actief transport, maar omdat er geen ATP direct bij betrokken is, is dit een voorbeeld van ondergeschikt actief transport.