Błona komórkowa – zwana także błoną plazmatyczną lub błoną cytoplazmatyczną – należy do najbardziej fascynujących i eleganckich konstrukcji w świecie biologii. Komórka jest uważana za podstawową jednostkę lub „cegiełkę” wszystkich żywych istot na Ziemi; Twoje własne ciało ma ich biliony, a różne komórki w różnych narządach i tkankach mają różne struktury, które doskonale korelują z funkcjami tkanek składających się z nich komórki.
Podczas gdy jądra komórkowe często przyciągają najwięcej uwagi, ponieważ zawierają materiał genetyczny niezbędny do przechodzenia dalej informacje dla kolejnych pokoleń organizmu, błona komórkowa jest dosłownym strażnikiem i strażnikiem komórki zawartość. Daleka od zwykłego pojemnika lub bariery, jednak membrana ewoluowała, aby utrzymać równowagę komórkową lub równowagę wewnętrzną poprzez wydajny i niestrudzony transport mechanizmy, które sprawiają, że membrana jest rodzajem mikroskopijnego urzędnika celnego, umożliwiającego i blokującego wejście i wyjście jonów i cząsteczek zgodnie z czasem rzeczywistym komórki wymagania.
Błony komórkowe w całym spektrum życia
Wszystkie organizmy mają pewnego rodzaju błony komórkowe. Obejmuje to prokarionty, które są w większości bakteriami i uważa się, że reprezentują jedne z najstarszych żyjących gatunków na Ziemi, a także eukarionty, do których należą zwierzęta i rośliny. Zarówno bakterie prokariotyczne, jak i rośliny eukariotyczne mają ścianę komórkową zewnętrzną względem błony komórkowej dla dodatkowej ochrony; u roślin ściana ta ma pory i nie są one szczególnie selektywne pod względem tego, co może przejść, a co nie. Ponadto eukarionty posiadają organelle, takie jak jądro i mitochondria, otoczone błonami, takimi jak ta, która otacza komórkę jako całość. Prokarionty nie mają nawet jąder; ich materiał genetyczny jest rozproszony, choć nieco ciasno, w całej cytoplazmie.
Znaczące dowody molekularne sugerują, że komórki eukariotyczne pochodzą od komórek prokariotycznych, tracąc ścianę komórkową w pewnym momencie swojej ewolucji. Chociaż sprawiło to, że poszczególne komórki były bardziej podatne na zniewagi, pozwoliło im również stać się bardziej złożonymi i rozszerzać się geometrycznie w tym procesie. W rzeczywistości komórki eukariotyczne mogą być dziesięć razy większe od komórek prokariotycznych, co jest tym bardziej uderzające, że pojedyncza komórka jest z definicji całością organizmu prokariotycznego. (Niektóre eukarionty są również jednokomórkowe.)
Struktura błony komórkowej
Błona komórkowa składa się z dwuwarstwowej struktury (czasami nazywanej „modelem płynnej mozaiki”) złożonej głównie z fosfolipidów. Jedna z tych warstw skierowana jest do wnętrza komórki lub cytoplazmy, a druga do środowiska zewnętrznego. Strony skierowane na zewnątrz i do wewnątrz są uważane za „hydrofilowe” lub przyciągane do środowiska wodnego; część wewnętrzna jest „hydrofobowa” lub odpychana przez środowisko wodne. W izolacji błony komórkowe są płynne w temperaturze ciała, ale w niższych temperaturach przybierają konsystencję żelową.
Lipidy w dwuwarstwie stanowią około połowy całkowitej masy błony komórkowej. Cholesterol stanowi około jednej piątej lipidów w komórkach zwierzęcych, ale nie w komórkach roślinnych, ponieważ cholesterol nie występuje nigdzie w roślinach. Większość pozostałej części błony odpowiadają białka o różnych funkcjach. Ponieważ większość białek jest cząsteczkami polarnymi, tak jak sama błona, ich hydrofilowe końce wystają na zewnątrz komórki, a ich końce hydrofobowe wskazują na wnętrze dwuwarstwy.
Niektóre z tych białek mają dołączone do nich łańcuchy węglowodanowe, co czyni je glikoproteinami. Wiele białek błonowych bierze udział w selektywnym transporcie substancji przez dwuwarstwę, którą może to zrobić, tworząc kanały białkowe przez błonę lub fizycznie przesuwając je przez błonę. Inne białka działają jako receptory na powierzchni komórek, zapewniając miejsca wiązania dla cząsteczek przenoszących sygnały chemiczne; białka te następnie przekazują te informacje do wnętrza komórki. Jeszcze inne białka błonowe działają jako enzymy katalizujące reakcje specyficzne dla samej błony plazmatycznej.
Funkcje błony komórkowej
Krytycznym aspektem błony komórkowej nie jest to, że jest „wodoodporna” lub ogólnie nieprzepuszczalna dla substancji; gdyby tak było, komórka by umarła. Kluczem do zrozumienia głównego zadania błony komórkowej jest to, że: selektywnie przepuszczalna. Analogia: tak jak większość narodów na Ziemi nie zabrania całkowicie ludziom podróżowania po granice międzynarodowe kraju, kraje na całym świecie nie mają w zwyczaju nikogo wpuszczać i wszyscy wchodzą. Błony komórkowe próbują robić to, co robią rządy tych krajów, na znacznie mniejszą skalę: pozwalają na wejście do komórki pożądanym podmiotom po „sprawdzeniu” przy jednoczesnym zabronieniu wejścia podmiotom, które mogą okazać się toksyczne lub destrukcyjne dla wnętrza lub komórki jako cały.
Ogólnie rzecz biorąc, błona działa jak formalna granica, utrzymując w ten sam sposób różne części komórki sposób, w jaki ogrodzenie wokół farmy utrzymuje zwierzęta razem, nawet pozwalając im wędrować i mieszać się. Gdybyś musiał odgadnąć rodzaje cząsteczek, które najłatwiej mogą wchodzić i wychodzić, możesz powiedzieć: odpowiednio „źródła paliwa” i „odpady metaboliczne”, biorąc pod uwagę, że jest to zasadniczo to, co organizmy jako całość zrobić. I miałbyś rację. Bardzo małe cząsteczki, takie jak gazowy tlen (O2), gazowy dwutlenek węgla (CO2) i wody (H2O), może swobodnie przechodzić przez błonę, ale przechodzenie większych cząsteczek, takich jak aminokwasy i cukry, jest ściśle kontrolowane.
Podwójna warstwa lipidowa
Cząsteczki, które są prawie powszechnie nazywane „fosfolipidami”, które tworzą dwuwarstwę błony komórkowej, są bardziej poprawnie nazywane „glicerofosfolipidy”. Składają się z cząsteczki glicerolu, czyli alkoholu trójwęglowego, połączonego z dwoma długimi kwasami tłuszczowymi z jednej strony i grupa fosforanowa z drugiej. Nadaje to cząsteczce długi, cylindryczny kształt, który dobrze nadaje się do bycia częścią szerokiego arkusza, co przypomina w przekroju pojedynczą warstwę dwuwarstwy membrany.
Część fosforanowa glicerofosfolipidu jest hydrofilowa. Specyficzny rodzaj grupy fosforanowej różni się w zależności od cząsteczki; na przykład może to być fosfatydylocholina, która zawiera składnik zawierający azot. Jest hydrofilowy, ponieważ ma nierównomierny rozkład ładunku (tj. jest polarny), podobnie jak woda, więc oboje „dogadują się” w bliskich mikroskopijnych ćwiartkach.
Kwasy tłuszczowe we wnętrzu membrany nie mają nierównomiernego rozkładu ładunku w żadnym miejscu swojej struktury, więc są niepolarne, a więc hydrofobowe.
Ze względu na właściwości elektrochemiczne fosfolipidów, układ dwuwarstwy fosfolipidowej nie wymaga wkładu energii do wytworzenia lub utrzymania. W rzeczywistości fosfolipidy umieszczone w wodzie mają tendencję do spontanicznego przyjmowania konfiguracji dwuwarstwowej w podobny sposób, w jaki płyny „szukają własnego poziomu”.
Transport przez błonę komórkową
Ponieważ błona komórkowa jest selektywnie przepuszczalna, musi umożliwiać przenoszenie z jednej strony na drugą różnych substancji, zarówno dużych, jak i małych. Pomyśl, w jaki sposób możesz przekroczyć rzekę lub zbiornik wodny. Możesz wziąć prom; możesz po prostu dryfować na lekkim wietrze lub możesz być niesiony przez stałe prądy rzeczne lub oceaniczne. I może się zdarzyć, że przekroczysz akwen tylko dlatego, że jest tam zbyt wysoko a koncentracja ludzi po Twojej stronie i zbyt niska koncentracja po drugiej, co oznacza potrzebę wyrównania rzeczy.
Każdy z tych scenariuszy ma pewien związek z jednym z kilku sposobów, w jakie cząsteczki mogą przechodzić przez błonę komórkową. Te sposoby obejmują:
Prosta dyfuzja: W tym procesie cząsteczki po prostu dryfują przez podwójną błonę, aby przejść do komórki lub z niej. Kluczem jest tutaj to, że cząsteczki w większości sytuacji poruszają się w dół gradientu stężenia, co oznacza, że naturalnie dryfują z obszarów o wyższym stężeniu do obszarów o niższym stężeniu. Gdybyś wlał puszkę farby na środek basenu, ruch cząsteczek farby na zewnątrz byłby formą prostej dyfuzji. Cząsteczki, które mogą w ten sposób przechodzić przez błony komórkowe, jak można przewidzieć, to małe cząsteczki, takie jak O2 i CO2.
Osmoza: Osmozę można opisać jako „ciśnienie ssące”, które powoduje ruch wody, gdy ruch cząsteczek rozpuszczonych w wodzie jest niemożliwy. Dzieje się tak, gdy membrana przepuszcza wodę, ale nie rozpuszczone cząstki („substancje rozpuszczone”), przez które przechodzi. Siłą napędową jest ponownie gradient stężenia, ponieważ całe lokalne środowisko „szuka” stanu równowagi, w którym ilość substancji rozpuszczonej na jednostkę wody jest przez cały czas taka sama. Jeśli po jednej stronie membrany przepuszczalnej dla wody, nieprzepuszczalnej dla substancji rozpuszczonej znajduje się więcej cząstek substancji rozpuszczonej niż po drugiej, woda popłynie do obszaru o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej. Oznacza to, że jeśli cząstki nie mogą zmienić swojego stężenia w wodzie poprzez ruch, to sama woda będzie się poruszać, wykonując mniej więcej to samo zadanie.
Ułatwiona dyfuzja: Ponownie, ten rodzaj transportu błonowego powoduje, że cząsteczki przemieszczają się z obszarów o wyższym stężeniu do obszarów o niższym stężeniu. Jednak w przeciwieństwie do przypadku prostej dyfuzji, cząsteczki przemieszczają się do lub z komórki poprzez wyspecjalizowane kanały białkowe, zamiast po prostu dryfować przez przestrzenie między glicerofosfolipidami molekuły. Jeśli kiedykolwiek obserwowałeś, co się dzieje, gdy coś płynącego w dół rzeki nagle znajdzie się w przejściu? między skałami wiesz, że obiekt (być może przyjaciel na dętce!) znacznie przyspiesza w tym korytarz; tak samo jest z kanałami białkowymi. Jest to najbardziej powszechne w przypadku cząsteczek polarnych lub naładowanych elektrycznie.
Transport aktywny: Wszystkie omówione wcześniej rodzaje transportu przez błonę obejmują ruch w dół gradientu stężenia. Czasami jednak, tak jak łodzie muszą płynąć w górę rzeki, a samochody wspinać się po wzniesieniach, substancje najbardziej poruszają się wbrew gradientowi stężeń – sytuacja niekorzystna energetycznie. W rezultacie proces musi być zasilany ze źródła zewnętrznego, którym w tym przypadku jest trójfosforan adenozyny (ATP), szeroko rozpowszechnione paliwo do mikroskopijnych transakcji biologicznych. W tym procesie jedna z trzech grup fosforanowych jest usuwana z ATP, tworząc adenozynodifosforan (ADP) i wolny fosforan, oraz energia uwolniona przez hydrolizę wiązania fosforanowo-fosforanowego jest wykorzystywana do „pompowania” cząsteczek w górę gradientu i w poprzek membrana.
Transport aktywny może również zachodzić w sposób pośredni lub wtórny. Na przykład pompa membranowa może przenosić sód przez gradient stężenia z jednej strony membrany na drugą, poza komórkę. Kiedy jon sodu dyfunduje z powrotem w przeciwnym kierunku, może nieść ze sobą cząsteczkę glukozy przeciwko temu własny gradient stężeń cząsteczki (stężenie glukozy jest zwykle wyższe wewnątrz komórek niż na na zewnątrz). Ponieważ ruch glukozy jest przeciwny do gradientu stężeń, jest to transport aktywny, ale ponieważ ATP nie jest bezpośrednio zaangażowany, jest to przykład wtórny transport aktywny.