Клеточная мембрана, также называемая плазматической мембраной или цитоплазматической мембраной, является одной из самых интересных и элегантных конструкций в мире биологии. Клетка считается фундаментальной единицей или «строительным блоком» всего живого на Земле; в вашем собственном теле их триллионы, и разные клетки в разных органах и тканях имеют различные структуры, которые прекрасно соотносятся с функциями тканей, состоящих из этих клетки.
В то время как ядра клеток часто привлекают наибольшее внимание, поскольку они содержат генетический материал, необходимый для передачи информация для последующих поколений организма, клеточная мембрана является буквальным привратником и хранителем клеточной содержание. Однако мембрана - это не просто контейнер или барьер, она эволюционировала для поддержания клеточного равновесия или внутреннего баланса за счет эффективного и неутомимого транспорта. механизмы, которые делают мембрану своего рода микроскопическим таможенным служащим, разрешающим и запрещающим вход и выход ионов и молекул в соответствии с данными клетки в реальном времени. потребности.
Клеточные мембраны по всему спектру жизни
У всех организмов есть какие-то клеточные мембраны. Сюда входят прокариоты, которые в основном являются бактериями и считаются одними из самых старых живых существ на Земле, а также эукариоты, в том числе животные и растения. И прокариотические бактерии, и эукариотические растения имеют клеточную стенку, внешнюю по отношению к клеточной мембране, для дополнительной защиты; у растений эта стена имеет поры, и они не особенно избирательны в отношении того, что может проходить, а что нет. Кроме того, эукариоты обладают органеллами, такими как ядро и митохондрии, окруженными мембранами, подобными той, которая окружает клетку в целом. Прокариоты даже не имеют ядер; их генетический материал рассредоточен, хотя и несколько плотно, по цитоплазме.
Значительные молекулярные данные свидетельствуют о том, что эукариотические клетки произошли от прокариотических клеток, теряя клеточную стенку в какой-то момент своей эволюции. Хотя это сделало отдельные ячейки более уязвимыми для оскорблений, это также позволило им усложняться и геометрически расширяться в процессе. Фактически, эукариотические клетки могут быть в десять раз больше прокариотических клеток, и это открытие тем более поразительно, что одна клетка по определению является целостным прокариотическим организмом. (Некоторые эукариоты также одноклеточные.)
Структура клеточной мембраны
Клеточная мембрана состоит из двухслойной структуры (иногда называемой «жидкой мозаичной моделью»), состоящей в основном из фосфолипидов. Один из этих слоев обращен внутрь клетки или цитоплазмы, а другой - к внешней среде. Стороны, обращенные наружу и внутрь, считаются «гидрофильными» или привлекаются водной средой; внутренняя часть является «гидрофобной» или отталкивается водянистой средой. По отдельности клеточные мембраны жидкие при температуре тела, но при более низких температурах они приобретают гелеобразную консистенцию.
Липиды в бислое составляют около половины общей массы клеточной мембраны. Холестерин составляет около одной пятой липидов в клетках животных, но не в клетках растений, поскольку холестерин нигде не содержится в растениях. Большая часть остальной мембраны приходится на белки, выполняющие самые разные функции. Поскольку большинство белков являются полярными молекулами, как и сама мембрана, их гидрофильные концы выступают за пределы клетки, а их гидрофобные концы указывают внутрь бислоя.
К некоторым из этих белков прикреплены углеводные цепи, превращающие их в гликопротеины. Многие мембранные белки участвуют в избирательном переносе веществ через бислой, который они может делать это либо путем создания белковых каналов через мембрану, либо путем физического перемещения их через мембрану. Другие белки действуют как рецепторы на поверхности клеток, обеспечивая сайты связывания для молекул, несущих химические сигналы; эти белки затем передают эту информацию внутрь клетки. Еще другие мембранные белки действуют как ферменты, катализирующие реакции, характерные для самой плазматической мембраны.
Функции клеточной мембраны
Критический аспект клеточной мембраны не в том, что она «водонепроницаема» или непроницаема для веществ в целом; в противном случае клетка погибла бы. Ключом к пониманию основной функции клеточной мембраны является то, что она избирательно проницаемый. Аналогия: так же, как большинство стран на Земле не запрещают полностью людям путешествовать по национальные границы, страны по всему миру не имеют обыкновения позволять никому и все входят. Клеточные мембраны пытаются делать то, что делают правительства этих стран, в гораздо меньших масштабах: позволять желаемым объектам проникать в клетку. после "проверки" при запрете доступа к объектам, которые могут оказаться токсичными или разрушительными для интерьера или камеры в качестве весь.
В целом, мембрана действует как формальная граница, удерживая вместе различные части клетки вместе. То, как забор вокруг фермы удерживает скот вместе, даже позволяя им бродить и смешиваться. Если бы вам нужно было угадать виды молекул, которым разрешено входить и выходить наиболее легко, вы могли бы сказать: «источники топлива» и «метаболические отходы» соответственно, учитывая, что это, по сути, то, что тела в целом делать. И ты был бы прав. Очень маленькие молекулы, такие как газообразный кислород (O2), газообразный диоксид углерода (CO2) и вода (H2O), могут свободно проходить через мембрану, но прохождение более крупных молекул, таких как аминокислоты и сахара, строго контролируется.
Липидный бислой
Молекулы, которые почти повсеместно называют «фосфолипидами», которые составляют бислой клеточной мембраны, правильнее называть «глицерофосфолипиды». Они состоят из молекулы глицерина, который представляет собой трехуглеродный спирт, присоединенный к двум длинным жирным кислотам с одной стороны и фосфатная группа с другой. Это придает молекуле длинную цилиндрическую форму, которая хорошо подходит для того, чтобы быть частью широкого листа, который в поперечном сечении напоминает один слой двухслойной мембраны.
Фосфатная часть глицерофосфолипида является гидрофильной. Конкретный вид фосфатной группы варьируется от молекулы к молекуле; например, это может быть фосфатидилхолин, который включает азотсодержащий компонент. Она гидрофильна, потому что имеет неравномерное распределение заряда (т.е. полярна), как вода, поэтому они «ладят» в тесном микроскопическом пространстве.
Жирные кислоты внутри мембраны не имеют неравномерного распределения заряда где-либо в своей структуре, поэтому они неполярны и, следовательно, гидрофобны.
Из-за электрохимических свойств фосфолипидов двухслойная структура фосфолипидов не требует затрат энергии для создания или поддержания. Фактически, фосфолипиды, помещенные в воду, имеют тенденцию самопроизвольно принимать двухслойную конфигурацию почти так же, как жидкости «ищут свой собственный уровень».
Транспорт через клеточную мембрану
Поскольку клеточная мембрана избирательно проницаема, она должна обеспечивать возможность попадания различных веществ, больших и малых, с одной стороны на другую. Подумайте, как можно перейти реку или водоем. Вы можете сесть на паром; вы можете просто плыть на легком ветру, или вас может унести устойчивое течение реки или океана. И вы можете столкнуться с тем, что пересекаете водоем, во-первых, только потому, что он слишком высок. концентрация людей на вашей стороне и слишком низкая концентрация на другой, что вызывает необходимость даже вещи вне.
Каждый из этих сценариев имеет некоторое отношение к одному или нескольким путям прохождения молекул через клеточную мембрану. Эти способы включают:
Простая диффузия: В этом процессе молекулы просто дрейфуют через двойную мембрану, чтобы попасть внутрь клетки или выйти из нее. Ключевым моментом здесь является то, что молекулы в большинстве ситуаций будут двигаться вниз по градиенту концентрации, а это означает, что они естественным образом дрейфуют из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией. Если бы вы вылили банку с краской в середину бассейна, движение молекул краски наружу представило бы форму простой диффузии. Молекулы, которые могут таким образом пересекать клеточные мембраны, как вы можете предсказать, представляют собой небольшие молекулы, такие как O2 и CO2.
Осмос: Осмос можно описать как «всасывающее давление», которое вызывает движение воды, когда движение растворенных в воде частиц невозможно. Это происходит, когда мембрана позволяет воде, но не растворенным частицам («растворенным веществам»), проходить через нее. Движущей силой снова является градиент концентрации, потому что вся местная среда «ищет» равновесное состояние, в котором количество растворенного вещества на единицу воды одинаково во всем. Если на одной стороне водопроницаемой, непроницаемой для растворенных веществ мембраны находится больше частиц растворенного вещества, чем на другой, вода будет течь в область с более высокой концентрацией растворенного вещества. То есть, если частицы не могут изменить свою концентрацию в воде, двигаясь, то сама вода будет двигаться, выполняя более или менее ту же работу.
Облегченная диффузия: Опять же, при этом типе мембранного переноса частицы перемещаются из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией. Однако, в отличие от случая простой диффузии, молекулы перемещаются в ячейку или выходят из нее через специализированные белковые каналы, а не просто дрейфуют через промежутки между глицерофосфолипидами молекулы. Если вы когда-нибудь наблюдали, что происходит, когда что-то, плывущее по реке, внезапно оказывается в проходе между камнями, вы знаете, что объект (возможно, друг на внутренней трубе!) значительно ускоряется, находясь в этом проход; так же и с белковыми каналами. Чаще всего это происходит с полярными или электрически заряженными молекулами.
Активный транспорт: Все ранее рассмотренные типы мембранного транспорта включают движение вниз по градиенту концентрации. Иногда, однако, подобно тому, как лодки должны двигаться вверх по течению, а автомобили должны подниматься по холмам, вещества в большинстве своем движутся против градиента концентрации - это энергетически неблагоприятная ситуация. В результате процесс должен быть обеспечен внешним источником, и в данном случае этим источником является аденозинтрифосфат (АТФ), широко распространенное топливо для микроскопических биологических операций. В этом процессе одна из трех фосфатных групп удаляется из АТФ с образованием аденозиндифосфата (АДФ) и свободного фосфата, и энергия, высвобождаемая при гидролизе фосфатно-фосфатной связи, используется для «накачки» молекул вверх по градиенту и поперек мембрана.
Активный транспорт также может происходить косвенным или вторичным образом. Например, мембранный насос может перемещать натрий через градиент его концентрации от одной стороны мембраны к другой из клетки. Когда ион натрия диффундирует обратно в другом направлении, он может унести с собой молекулу глюкозы против этого. собственный градиент концентрации молекулы (концентрация глюкозы обычно выше внутри клеток, чем на за пределами). Поскольку движение глюкозы против градиента ее концентрации, это активный транспорт, но поскольку АТФ не участвует напрямую, это пример того, как вторичный активный транспорт.
