Membrana celulară: definiție, funcție, structură și fapte

Membrana celulară - numită și membrană plasmatică sau membrană citoplasmatică - se numără printre cele mai fascinante și elegante constructe din lumea biologiei. Celula este considerată unitatea fundamentală sau „blocul de construcție” al tuturor viețuitoarelor de pe Pământ; propriul corp are trilioane de ele, iar celulele diferite din diferite organe și țesuturi au diferite structuri care se corelează rafinat cu funcțiile țesuturilor constând din acestea celule.

În timp ce nucleele celulelor atrag adesea cea mai mare atenție, deoarece conțin materialul genetic necesar pentru a trece de-a lungul informațiile către generațiile ulterioare ale organismului, membrana celulară este purtătorul și gardianul literal al celulei conținut. Departe de un simplu container sau barieră, totuși, membrana a evoluat pentru a menține echilibrul celular sau echilibrul intern, printr-un transport eficient și neobosit. mecanisme care fac din membrană un fel de oficial vamal microscopic, care permite și refuză intrarea și ieșirea ionilor și moleculelor în conformitate cu timpul real al celulei are nevoie.

Toate organismele au membranele celulare de un fel. Aceasta include procariotele, care sunt în majoritate bacterii și se crede că reprezintă unele dintre cele mai vechi specii vii de pe Pământ, precum și eucariote, care includ animale și plante. Atât bacteriile procariote, cât și plantele eucariote au un perete celular extern membranei celulare pentru o protecție suplimentară; la plante, acest perete are pori și nu sunt deosebit de selectivi în ceea ce privește ceea ce poate trece și ceea ce nu. În plus, eucariotele posedă organite, cum ar fi nucleul și mitocondriile, închise de membrane precum cea care înconjoară celula în ansamblu. Procariotele nici măcar nu au nuclee; materialul lor genetic este dispersat, deși oarecum strâns, în citoplasmă.

Dovezi moleculare considerabile sugerează că celulele eucariote sunt descendente din celulele procariote, pierzând peretele celular la un moment dat în evoluția lor. Deși acest lucru a făcut celulele individuale mai vulnerabile la insulte, le-a permis, de asemenea, să devină mai complexe și să se extindă geometric în proces. De fapt, celulele eucariote pot fi de zece ori mai mari decât celulele procariote, o constatare făcută cu atât mai izbitoare prin faptul că o singură celulă este în întregime un organism procariot prin definiție. (Unele eucariote sunt, de asemenea, unicelulare.)

Membrana celulară este formată dintr-o structură cu două straturi (numită uneori „modelul mozaicului fluid”) compusă în principal din fosfolipide. Unul dintre aceste straturi se confruntă cu interiorul celulei sau citoplasma, în timp ce celălalt se confruntă cu mediul extern. Laturile orientate spre exterior și spre interior sunt considerate „hidrofile” sau atrase de mediile apoase; porțiunea interioară este „hidrofobă” sau respinsă de mediile apoase. În mod izolat, membranele celulare sunt fluide la temperatura corpului, dar la temperaturi mai reci, au o consistență asemănătoare gelului.

Lipidele din stratul bistrat reprezintă aproximativ jumătate din masa totală a membranei celulare. Colesterolul reprezintă aproximativ o cincime din lipidele din celulele animale, dar nu și din celulele vegetale, deoarece colesterolul nu se găsește nicăieri în plante. Cea mai mare parte a restului membranei este explicată de proteine ​​cu o diversitate variată de funcții. Deoarece majoritatea proteinelor sunt molecule polare, ca și membrana în sine, capetele lor hidrofile se îndreaptă spre exteriorul celulei, iar capetele lor hidrofobe indică interiorul bistratului.

Unele dintre aceste proteine ​​au lanțuri de carbohidrați atașate la ele, făcându-le glicoproteine. Multe dintre proteinele de membrană sunt implicate în transportul selectiv al substanțelor pe bistrat, pe care le se poate face fie prin crearea de canale proteice prin membrană, fie prin transferul fizic al acestora prin membrană. Alte proteine ​​funcționează ca receptori pe suprafețele celulare, oferind site-uri de legare pentru molecule care transportă semnale chimice; aceste proteine ​​transmit apoi aceste informații către interiorul celulei. Alte proteine ​​membranare acționează ca enzime care catalizează reacții specifice membranei plasmatice în sine.

Aspectul critic al membranei celulare nu este acela că este "impermeabil" sau impermeabil la substanțe în general; dacă ar fi oricare, celula ar muri. Cheia pentru a înțelege sarcina principală a membranei celulare este că este selectiv permeabil. O analogie: La fel cum majoritatea națiunilor de pe Pământ nu interzic complet oamenilor să călătorească peste granițele internaționale ale națiunii, țările din întreaga lume nu au obiceiul de a lăsa pe nimeni și intră toată lumea. Membranele celulare încearcă să facă ceea ce fac guvernele acestor țări, la o scară mult mai mică: permit entităților dorite să intre în celulă după ce a fost „verificat” în timp ce interzice accesul la entități care sunt susceptibile să se dovedească toxice sau distructive pentru interior sau celulă ca întreg.

În general, membrana acționează ca o graniță formală, menținând la fel diferitele părți ale celulei modul în care un gard în jurul unei ferme menține animalele laolaltă chiar și în timp ce le permite să se plimbe și să se amestece. Dacă ar trebui să ghiciți tipurile de molecule cărora li se permite să intre și să iasă cel mai ușor, ați putea spune „surse de combustibil” și respectiv „deșeuri metabolice”, având în vedere că acest lucru este în esență corpurile în ansamblu do. Și ai avea dreptate. Molecule foarte mici, cum ar fi oxigenul gazos (O₂), dioxid de carbon gazos (CO₂) și apă (H₂O), poate trece liber prin membrană, dar trecerea unor molecule mai mari, cum ar fi aminoacizii și zaharurile, este strict controlată.

Moleculele care sunt aproape universal numite "fosfolipide" care alcătuiesc bistratul membranei celulare sunt numite mai corect „glicerofosfolipide”. Acestea constau dintr-o moleculă de glicerol, care este un alcool cu ​​trei atomi de carbon, atașat la doi acizi grași lungi pe o parte și o grupa fosfat pe de altă parte. Acest lucru conferă moleculei o formă cilindrică lungă, care se potrivește foarte bine pentru a face parte dintr-o foaie largă, ceea ce seamănă cu un singur strat al stratului de membrană pe secțiunea transversală.

Porțiunea fosfat a glicerofosfolipidei este hidrofilă. Tipul specific de grupare fosfat variază de la o moleculă la alta; de exemplu, poate fi fosfatidilcolină, care include o componentă care conține azot. Este hidrofil, deoarece are o distribuție inegală a sarcinii (adică este polară), la fel ca apa, astfel încât cei doi se „înțeleg” în spații microscopice apropiate.
Acizii grași din interiorul membranei nu au o distribuție inegală a sarcinii oriunde în structura lor, deci sunt nepolari și, prin urmare, hidrofobi.

Datorită proprietăților electrochimice ale fosfolipidelor, aranjamentul bistrat fosfolipidic nu necesită intrare de energie pentru a crea sau menține. De fapt, fosfolipidele plasate în apă tind să-și asume spontan configurația bistratificată în același mod în care fluidele „își caută propriul nivel”.

Deoarece membrana celulară este permeabilă selectiv, trebuie să ofere un mijloc de a obține o varietate de substanțe, unele mari și altele mici, de la o parte la alta. Gândiți-vă la modalitățile prin care ați putea traversa un râu sau un corp de apă. S-ar putea să luați un feribot; s-ar putea să vă deplasați pur și simplu pe o briză ușoară sau să fiți transportat de curenții constanți ai râului sau oceanului. Și s-ar putea să vă regăsiți traversând corpul de apă, în primul rând, deoarece este prea mare concentrație de oameni de partea ta și o concentrație prea scăzută de cealaltă, prezentând o nevoie de uniformizare lucrurile afară.

Fiecare dintre aceste scenarii are o relație cu unul dintre mai multe moduri în care moleculele pot trece prin membrana celulară. Aceste modalități includ:

Difuzie simplă: În acest proces, moleculele pur și simplu derivă prin membrana dublă pentru a trece fie în sau în afara celulei. Cheia aici este că moleculele din cele mai multe situații se vor deplasa în jos pe un gradient de concentrație, ceea ce înseamnă că acestea derivă în mod natural din zonele de concentrație mai mare în zonele de concentrație mai mică. Dacă ar fi să turnați o cutie de vopsea în mijlocul unei piscine, mișcarea exterioară a moleculelor de vopsea ar reprezenta o formă de difuzie simplă. Moleculele care pot traversa membranele celulare în acest mod, după cum puteți prevedea, sunt molecule mici, cum ar fi O₂ și CO₂.

Osmoză: Osmoza ar putea fi descrisă ca o „presiune de aspirare” care provoacă mișcarea apei atunci când mișcarea particulelor dizolvate în apă este imposibilă. Acest lucru se întâmplă atunci când o membrană permite apei, dar nu și particulelor dizolvate („substanțe dizolvate”) în cauză, să treacă prin ea. Forța motrice este din nou un gradient de concentrație, deoarece întregul mediu local „caută” o stare de echilibru în care cantitatea de solut pe unitate de apă este aceeași pe tot parcursul. Dacă există mai multe particule de solut pe o parte a unei membrane permeabile la apă, impermeabile la soluție decât cealaltă, apa va curge către zona cu concentrație mai mare de solut. Adică, dacă particulele nu își pot schimba concentrația în apă prin mișcare, atunci apa însăși se va mișca pentru a îndeplini mai mult sau mai puțin același lucru.

Difuzie facilitată: Din nou, acest tip de transport cu membrană vede particulele să se deplaseze din zone cu concentrație mai mare în zone cu concentrație mai mică. Spre deosebire de cazul cu difuzie simplă, totuși, moleculele se deplasează în sau în afara celulei prin canale proteice specializate, mai degrabă decât pur și simplu în derivă prin spațiile dintre glicerofosfolipid molecule. Dacă ați urmărit vreodată ce se întâmplă când ceva care derivă pe un râu se află brusc într-un pasaj între roci, știți că obiectul (poate un prieten pe un tub interior!) se accelerează considerabil în timp ce se află în aceasta pasaj; la fel este și cu canalele proteice. Acest lucru este cel mai frecvent în cazul moleculelor polare sau cu încărcare electrică.

Transport activ: Tipurile de transport cu membrană discutate anterior implică deplasarea pe un gradient de concentrație. Uneori, totuși, la fel cum bărcile trebuie să se deplaseze în amonte și mașinile trebuie să urce pe dealuri, substanțele se deplasează cel mai mult împotriva unui gradient de concentrație - o situație energetic nefavorabilă. Ca rezultat, procesul trebuie să fie alimentat de o sursă externă și, în acest caz, sursa respectivă este adenozin trifosfatul (ATP), acel combustibil răspândit pentru tranzacțiile biologice microscopice. În acest proces, una dintre cele trei grupări fosfat este îndepărtată din ATP pentru a crea adenozin difosfat (ADP) și un fosfat liber și energia eliberată de hidroliza legăturii fosfat-fosfat este utilizată pentru a „pompa” moleculele în gradient și de-a lungul membrană.

Transportul activ poate avea loc, de asemenea, într-un mod indirect sau secundar. De exemplu, o pompă cu membrană poate deplasa sodiul de-a lungul gradientului său de concentrație dintr-o parte a membranei în cealaltă, în afara celulei. Când ionul de sodiu difuzează înapoi în cealaltă direcție, ar putea transporta cu ea o moleculă de glucoză gradientul de concentrație propriu al moleculei (concentrația glucozei este de obicei mai mare pe interiorul celulelor decât pe in afara). Deoarece mișcarea glucozei este împotriva gradientului său de concentrație, acesta este un transport activ, dar pentru că nu este implicat direct ATP, acesta este un exemplu de secundar transport activ.