Cellemembran: Definisjon, funksjon, struktur og fakta

Cellemembranen - også kalt plasmamembran eller cytoplasmisk membran - er blant de mest fascinerende og elegante konstruksjonene i biologiens verden. Cellen regnes som den grunnleggende enheten eller "byggesteinen" for alle levende ting på jorden; din egen kropp har billioner av dem, og forskjellige celler i forskjellige organer og vev har forskjellige strukturer som korrelerer utsøkt med funksjonene til vevene som består av disse celler.

Mens cellekjerner ofte trekker mest oppmerksomhet siden de inneholder det genetiske materialet som er nødvendig for å passere informasjon til påfølgende generasjoner av organismen, er cellemembranen den bokstavelige portvakten og vergen for cellene innholdet. Langt fra bare en beholder eller barriere har imidlertid membranen utviklet seg til å opprettholde cellulær likevekt, eller indre balanse, gjennom effektiv og utrettelig transport mekanismer som gjør membranen til en slags mikroskopisk tollmyndighet, som tillater og nekter inn- og utgang av ioner og molekyler i samsvar med cellens sanntid behov.

Alle organismer har cellemembraner av noe slag. Dette inkluderer prokaryoter, som for det meste er bakterier og antas å representere noen av de eldste levende arter på jorden, samt eukaryoter, som inkluderer dyr og planter. Både de prokaryote bakteriene og de eukaryote plantene har en cellevegg utenfor cellemembranen for ytterligere beskyttelse; i planter har denne veggen porer, og de er ikke spesielt selektive når det gjelder hva som kan passere og hva som ikke kan. I tillegg har eukaryoter organeller, som kjernen og mitokondriene, omsluttet av membraner som den som omgir cellen som helhet. Prokaryoter har ikke engang kjerner; deres genetiske materiale er spredt, om enn noe tett, gjennom hele cytoplasmaet.

Betydelige molekylære bevis antyder at eukaryote celler stammer fra prokaryote celler, og mister celleveggen på et tidspunkt i utviklingen. Selv om dette gjorde individuelle celler mer sårbare for fornærmelser, tillot det dem også å bli mer komplekse og utvide seg geometrisk i prosessen. Faktisk kan eukaryote celler være ti ganger så store som prokaryote celler, et funn gjort desto mer slående av det faktum at en enkelt celle per definisjon er en helhet av en prokaryot organisme. (Noen eukaryoter er også encellede.)

Cellemembranen består av en dobbeltlags struktur (noen ganger kalt "flytende mosaikkmodell") som hovedsakelig består av fosfolipider. Et av disse lagene vender mot det indre av cellen, eller cytoplasma, mens det andre vender mot det ytre miljøet. De utadvendte og innovervendte sidene betraktes som "hydrofile", eller tiltrekkes av vannet miljø; den indre delen er "hydrofob", eller frastøtt av vannet miljø. Isolert sett er cellemembraner flytende ved kroppstemperaturer, men ved kjøligere temperaturer får de en gelignende konsistens.

Lipidene i dobbeltlaget utgjør omtrent halvparten av den totale massen av cellemembranen. Kolesterol utgjør omtrent en femtedel av lipidene i dyreceller, men ikke i planteceller, da kolesterol ikke finnes noe sted i planter. Det meste av resten av membranen utgjøres av proteiner med mange forskjellige funksjoner. Siden de fleste proteiner er polare molekyler, i likhet med selve membranen, stikker deres hydrofile ender ut mot celleutvendig, og deres hydrofobe ender peker mot det indre av dobbeltlaget.

Noen av disse proteinene har karbohydratkjeder knyttet til seg, noe som gjør dem til glykoproteiner. Mange av membranproteinene er involvert i selektiv transport av stoffer over dobbeltlaget, som de kan gjøre enten ved å lage proteinkanaler over membranen eller ved å fysisk skyve dem over membranen. Andre proteiner fungerer som reseptorer på celleoverflater, og gir bindingssteder for molekyler som bærer kjemiske signaler; disse proteinene videreformidler denne informasjonen til det indre av cellen. Atter andre membranproteiner fungerer som enzymer som katalyserer reaksjoner som er spesielle for selve plasmamembranen.

Det kritiske aspektet ved cellemembranen er ikke at den er "vanntett" eller ugjennomtrengelig for stoffer generelt; hvis det var noen av dem, ville cellen dø. Nøkkelen til å forstå cellemembranens hovedjobb er at den er selektivt permeabel. En analogi: Akkurat som de fleste nasjoner på jorden ikke helt forbyder folk å reise over landets internasjonale grenser, har land over hele kloden ikke for vane å la noen og alle kommer inn. Cellemembraner prøver å gjøre det disse lands regjeringer gjør, i mye mindre skala: la ønskelige enheter komme inn i cellen etter å ha blitt "undersøkt" mens du sperrer adgang til enheter som sannsynligvis vil være giftige eller ødeleggende for interiøret eller cellen som et hel.

Samlet sett fungerer membranen som en formell grense, og holder de forskjellige delene av cellen sammen den samme hvordan et gjerde rundt en gård holder husdyrene sammen selv mens de lar dem streife omkring og blande seg. Hvis du måtte gjette hvilke typer molekyler som får lov til å komme inn og ut lettest, kan du si "kilder til drivstoff" og "metabolsk avfall", gitt at dette egentlig er kroppene som helhet gjøre. Og du ville ha rett. Svært små molekyler, for eksempel gassformet oksygen (O₂), gassformig karbondioksid (CO₂) og vann (H₂O), kan passere fritt over membranen, men passasjen av større molekyler, som aminosyrer og sukker, er tett kontrollert.

Molekylene som nesten er universelt kalt "fosfolipider" som utgjør cellemembran dobbeltlaget kalles mer korrekt "glyserofosfolipider." De består av et glyserolmolekyl, som er en tre-karbonalkohol, festet til to lange fettsyrer på den ene siden og en fosfatgruppe på den andre. Dette gir molekylet en lang, sylindrisk form som passer godt til jobben med å være en del av et bredt ark, og det er det et enkelt lag av membran-dobbeltlaget ligner på tverrsnitt.

Fosfatdelen av glyserofosfolipidet er hydrofil. Den spesifikke typen fosfatgruppe varierer fra molekyl til molekyl; for eksempel kan det være fosfatidylkolin, et som inkluderer en nitrogenholdig komponent. Det er hydrofilt fordi det har en ujevn fordeling av ladning (dvs. er polar), akkurat som vann, så de to "kommer overens" i tette mikroskopiske kvartaler.
Fettsyrene på det indre av membranen har ikke en ujevn fordeling av ladning noe sted i strukturen, så de er ikke-polære og dermed hydrofobe.

På grunn av de elektrokjemiske egenskapene til fosfolipider krever fosfolipid-dobbeltlagsarrangementet ingen energiinngang for å skape eller vedlikeholde. Faktisk har fosfolipider plassert i vann en tendens til spontant å anta dobbeltlagskonfigurasjonen på omtrent samme måte som væsker "søker sitt eget nivå."

Fordi cellemembranen er selektiv permeabel, må den gi et middel for å få en rekke stoffer, noen store og noen små, fra den ene siden til den andre. Tenk på måtene du kan krysse en elv eller en vannmasse. Du kan ta en ferge; du kan bare kjøre på en lett bris, eller du kan bli båret av jevn elv eller havstrømmer. Og du vil kanskje bare finne deg selv i å krysse vannmassen i utgangspunktet fordi det er for høyt a konsentrasjon av mennesker på din side og for lav konsentrasjon på den andre, noe som gir et behov for å jevne ut ting ut.

Hver av disse scenariene har noe forhold til en av flere måter molekyler kan passere gjennom cellemembranen. Disse måtene inkluderer:

Enkel diffusjon: I denne prosessen driver molekyler ganske enkelt gjennom den dobbelte membranen for å passere enten inn i eller ut av cellen. Nøkkelen her er at molekyler i de fleste situasjoner vil bevege seg nedover en konsentrasjonsgradient, noe som betyr at de naturlig driver fra områder med høyere konsentrasjon til områder med lavere konsentrasjon. Hvis du skulle helle en malingkanne midt i et svømmebasseng, ville malingens molekylers utadgående bevegelse representere en form for enkel diffusjon. Molekylene som kan krysse cellemembraner på denne måten, som du kan forutsi, er små molekyler som O₂ og CO₂.

Osmose: Osmose kan beskrives som et "sugetrykk" som forårsaker bevegelse av vann når bevegelse av partikler oppløst i vannet er umulig. Dette skjer når en membran lar vann, men ikke de oppløste partiklene ("oppløste stoffer"), passere gjennom den. Drivkraften er igjen en konsentrasjonsgradient, fordi hele lokalmiljøet "søker" en likevektstilstand der mengden av oppløst stoff per enhet vann er den samme gjennomgående. Hvis det er flere løsemiddelpartikler på den ene siden av en vanngjennomtrengelig, løsemiddelgjennomtrengelig membran enn den andre, vil vann strømme til området med høyere løsemiddelkonsentrasjon. Det vil si at hvis partikler ikke kan endre konsentrasjonen i vann ved å bevege seg, vil vannet i seg selv bevege seg for å utføre mer eller mindre den samme jobben.

Tilrettelagt diffusjon: Igjen ser denne typen membrantransport partikler bevege seg fra områder med høyere konsentrasjon til områder med lavere konsentrasjon. I motsetning til tilfellet med enkel diffusjon, beveger molekylene seg imidlertid inn i eller ut av cellen via spesialiserte proteinkanaler, snarere enn å bare drive gjennom mellomrommene mellom glyserofosfolipid molekyler. Hvis du noen gang har sett hva som skjer når noe som driver nedover en elv plutselig befinner seg i en gang mellom bergarter, vet du at gjenstanden (kanskje en venn på et indre rør!) øker betydelig mens du er i dette passasje; slik er det med proteinkanaler. Dette er mest vanlig med polære eller elektrisk ladede molekyler.

Aktiv transport: Typer av membrantransport som tidligere er diskutert, involverer alle bevegelse ned en konsentrasjonsgradient. Noen ganger, akkurat som båter må bevege seg oppstrøms og biler må klatre i åser, beveger stoffene seg mest mot en konsentrasjonsgradient - en energisk ugunstig situasjon. Som et resultat må prosessen drives av en ekstern kilde, og i dette tilfellet er kilden adenosintrifosfat (ATP), som utbredt drivstoff for mikroskopiske biologiske transaksjoner. I denne prosessen fjernes en av de tre fosfatgruppene fra ATP for å skape adenosindifosfat (ADP) og et fritt fosfat, og energien frigjort ved hydrolyse av fosfat-fosfatbinding brukes til å "pumpe" molekyler oppover gradienten og over membran.

Aktiv transport kan også forekomme indirekte eller sekundært. For eksempel kan en membranpumpe bevege natrium over sin konsentrasjonsgradient fra den ene siden av membranen til den andre, ut av cellen. Når natriumionet diffunderer tilbake i den andre retningen, kan det føre et glukosemolekyl med seg mot det molekylets egen konsentrasjonsgradient (glukosekonsentrasjonen er vanligvis høyere på innsiden av celler enn på utenfor). Siden bevegelsen av glukose er mot konsentrasjonsgradienten, er dette aktiv transport, men fordi ingen ATP er direkte involvert, er dette et eksempel på sekundær aktiv transport.