Bunková membrána: definícia, funkcia, štruktúra a fakty

Bunková membrána - tiež nazývaná plazmatická membrána alebo cytoplazmatická membrána - patrí medzi najfascinujúcejšie a najelegantnejšie konštrukcie vo svete biológie. Bunka sa považuje za základnú jednotku alebo „stavebný kameň“ všetkého živého na Zemi; vaše vlastné telo ich má bilióny a rôzne bunky v rôznych orgánoch a tkanivách rôzne štruktúry, ktoré vynikajúco korelujú s funkciami tkanív, ktoré z nich pozostávajú bunky.

Zatiaľ čo jadrá buniek často priťahujú najväčšiu pozornosť, pretože obsahujú genetický materiál potrebný na šírenie informácie pre nasledujúce generácie organizmu, bunková membrána je doslovným strážcom a strážcom bunky obsah. Ďaleko od obyčajného obalu alebo bariéry sa však membrána vyvinula tak, aby udržiavala bunkovú rovnováhu alebo vnútornú rovnováhu prostredníctvom efektívneho a neúnavného transportu mechanizmy, vďaka ktorým je membrána akýmsi mikroskopickým colníkom, ktorý umožňuje a zakazuje vstup a výstup iónov a molekúl v súlade s bunkou v reálnom čase potreby.

Všetky organizmy majú akési bunkové membrány. Patria sem prokaryoty, ktoré sú väčšinou baktériami a predpokladá sa, že predstavujú niektoré z najstarších žijúcich druhov na Zemi, ako aj eukaryoty, ktoré zahŕňajú zvieratá a rastliny. Prokaryotické baktérie aj eukaryotické rastliny majú pre ďalšiu ochranu bunkovú stenu mimo bunkovú membránu; v rastlinách má táto stena póry a nie sú zvlášť selektívne, pokiaľ ide o to, čo cez ne môže prechádzať a čo nie. Ďalej eukaryoty vlastnia organely, ako sú jadro a mitochondrie, uzavreté membránami, ako je tá, ktorá obklopuje bunku ako celok. Prokaryoty nemajú ani jadrá; ich genetický materiál je rozptýlený, aj keď trochu pevne, v celej cytoplazme.

Značný molekulárny dôkaz naznačuje, že eukaryotické bunky sú potomkami prokaryotických buniek a v určitom okamihu svojho vývoja strácajú bunkovú stenu. To síce robilo jednotlivé bunky zraniteľnejšími voči urážkam, ale tiež im to umožnilo stať sa zložitejšími a geometricky sa rozširovať v procese. V skutočnosti môžu byť eukaryotické bunky desaťkrát väčšie ako prokaryotické bunky, nález je o to výraznejší, že jedna bunka je definíciou celého prokaryotického organizmu. (Niektoré eukaryoty sú tiež jednobunkové.)

Bunková membrána sa skladá z dvojvrstvovej štruktúry (niekedy nazývanej „model tekutej mozaiky“) zloženej hlavne z fosfolipidov. Jedna z týchto vrstiev smeruje do vnútra bunky alebo do cytoplazmy, zatiaľ čo druhá do vonkajšieho prostredia. Vonkajšie a dovnútra smerujúce strany sú považované za „hydrofilné“ alebo priťahované k vodnému prostrediu; vnútorná časť je „hydrofóbna“ alebo odpudzuje vodnaté prostredie. Izolovane sú bunkové membrány tekuté pri teplotách tela, ale pri nižších teplotách získavajú gélovú konzistenciu.

Lipidy v dvojvrstve tvoria asi polovicu celkovej hmotnosti bunkovej membrány. Cholesterol tvorí asi jednu pätinu lipidov v živočíšnych bunkách, ale nie v rastlinných bunkách, pretože cholesterol sa v rastlinách nenachádza nikde. Väčšinu zvyšku membrány tvoria proteíny s rôznymi funkciami. Pretože väčšina proteínov sú polárne molekuly, podobne ako samotná membrána, ich hydrofilné konce vyčnievajú do exteriéru bunky a ich hydrofóbne konce smerujú do vnútra dvojvrstvy.

Niektoré z týchto proteínov majú k sebe pripojené uhľovodíkové reťazce, čo z nich robí glykoproteíny. Mnoho z membránových proteínov je zapojených do selektívneho transportu látok cez dvojvrstvu, ktorú tvoria je možné urobiť buď vytvorením proteínových kanálov cez membránu, alebo ich fyzickým uzatvorením cez membránu. Ostatné proteíny fungujú ako receptory na bunkových povrchoch a poskytujú väzbové miesta pre molekuly, ktoré prenášajú chemické signály; tieto proteíny potom prenášajú tieto informácie do vnútra bunky. Ešte ďalšie membránové proteíny pôsobia ako enzýmy katalyzujúce reakcie predovšetkým na samotnú plazmatickú membránu.

Kritickým aspektom bunkovej membrány nie je to, že je „vodotesná“ alebo nepriepustná pre látky všeobecne; ak by to bolo buď, bunka by zomrela. Kľúčom k pochopeniu hlavnej úlohy bunkovej membrány je to, že je selektívne priepustný. Analógia: Rovnako ako väčšina národov na Zemi nezakazuje ľuďom úplne cestovať cez medzinárodné hranice národa, krajiny po celom svete nemajú vo zvyku nikoho nechať a všetci vstupujú. Bunkové membrány sa pokúšajú urobiť to, čo vlády týchto krajín, v oveľa menšom rozsahu: umožniť žiaducim entitám vstúpiť do bunky po „preverení“ pri blokovaní vstupu osobám, ktoré sa pravdepodobne ukážu ako toxické alebo deštruktívne pre interiér alebo bunku ako celý.

Celkovo membrána funguje ako formálna hranica a drží rôzne časti bunky pohromade rovnako spôsob, ako plot okolo farmy udržuje hospodárske zvieratá pohromade, aj keď im umožňuje túlať sa a miešať sa. Keby ste mali hádať, aké druhy molekúl majú najľahší vstup a výstup, dalo by sa povedať „zdroje paliva“ a „metabolický odpad“, vzhľadom na to, že to je v podstate to, čo orgány ako celok robiť. A mali by ste pravdu. Veľmi malé molekuly, ako je plynný kyslík (O₂), plynný oxid uhličitý (CO₂) a vodu (H₂O), môžu voľne prechádzať cez membránu, ale priechod väčších molekúl, ako sú aminokyseliny a cukry, je prísne kontrolovaný.

Molekuly, ktoré sa takmer všeobecne nazývajú „fosfolipidy“, ktoré tvoria dvojvrstvu bunkovej membrány, sa nazývajú správnejšie „glycerofosfolipidy“. Skladajú sa z molekuly glycerolu, čo je trojuhlíkový alkohol, pripojený k dvom dlhým mastným kyselinám na jednej strane a fosfátová skupina na druhej strane. To dáva molekule dlhý, valcovitý tvar, ktorý je vhodný na to, aby bol súčasťou širokej vrstvy, čo je to, čo sa v priereze podobá jednej vrstve membránovej dvojvrstvy.

Fosfátová časť glycerofosfolipidu je hydrofilná. Špecifický druh fosfátovej skupiny sa líši od molekuly k molekule; môže to byť napríklad fosfatidylcholín, ktorý obsahuje zložku obsahujúcu dusík. Je hydrofilný, pretože má nerovnomerné rozloženie náboja (t. J. Je polárne), rovnako ako voda, takže si títo dvaja „rozumejú“ v blízkych mikroskopických štvrtiach.
Mastné kyseliny vo vnútri membrány nemajú kdekoľvek vo svojej štruktúre nerovnomerné rozloženie náboja, takže sú nepolárne, a teda hydrofóbne.

Kvôli elektrochemickým vlastnostiam fosfolipidov nevyžaduje usporiadanie dvojvrstvového fosfolipidu žiadny vstup energie na jeho vytvorenie alebo udržanie. Fosfolipidy umiestnené vo vode majú tendenciu spontánne predpokladať dvojvrstvovú konfiguráciu rovnakým spôsobom, ako tekutiny „hľadajú svoju vlastnú hladinu“.

Pretože je bunková membrána selektívne priepustná, musí poskytovať prostriedky na získavanie rôznych látok, niektoré veľké a malé, z jednej strany na druhú. Popremýšľajte, ako by ste mohli prekročiť rieku alebo vodnú plochu. Môžete ísť trajektom; môžete sa jednoducho unášať ľahkým vánkom alebo vás môžu uniesť stabilné riečne alebo oceánske prúdy. A najskôr sa môžete ocitnúť v prechode vodnou plochou, pretože je príliš vysoká koncentrácia ľudí na vašej strane a príliš nízka koncentrácia na druhej strane, čo predstavuje potrebu vyrovnať veci von.

Každý z týchto scenárov má určitý vzťah k jednému z viacerých spôsobov, ako môžu molekuly prechádzať cez bunkovú membránu. Medzi tieto spôsoby patria:

Jednoduchá difúzia: V tomto procese molekuly jednoducho driftujú cez dvojitú membránu a prechádzajú buď do alebo z bunky. Kľúčom je, že molekuly sa vo väčšine situácií presunú nadol s koncentračným gradientom, čo znamená, že sa prirodzene pohybujú z oblastí s vyššou koncentráciou do oblastí s nižšou koncentráciou. Ak by ste mali naliať plechovku farby do stredu bazéna, pohyb molekúl farby smerom von by predstavoval formu jednoduchej difúzie. Molekuly, ktoré môžu prechádzať bunkovými membránami týmto spôsobom, ako môžete predpokladať, sú malé molekuly, ako napríklad O₂ a CO₂.

Osmóza: Osmózu možno označiť ako „sací tlak“, ktorý spôsobuje pohyb vody, keď nie je možný pohyb častíc rozpustených vo vode. K tomu dôjde, keď membrána prepúšťa vodu, ale nie príslušné rozpustené častice („rozpustené látky“). Hnacou silou je opäť koncentračný gradient, pretože celé miestne prostredie „hľadá“ rovnovážny stav, v ktorom je množstvo rozpustenej látky na jednotku vody rovnaké po celú dobu. Ak je na jednej strane vodopriepustnej a nepriepustnej membrány viac častíc rozpustenej látky ako na druhej, bude voda prúdiť do oblasti s vyššou koncentráciou rozpustenej látky. To znamená, že ak častice nemôžu pohybom meniť svoju koncentráciu vo vode, potom sa bude pohybovať voda sama, aby vykonala viac-menej rovnakú prácu.

Uľahčená difúzia: Opäť tento typ membránového transportu vidí pohyb častíc z oblastí s vyššou koncentráciou do oblastí s nižšou koncentráciou. Na rozdiel od prípadu s jednoduchou difúziou sa však molekuly pohybujú do alebo z bunky cez špecializované proteínové kanály, namiesto jednoduchého driftovania medzi priestormi medzi glycerofosfolipidom molekuly. Ak ste niekedy sledovali, čo sa stane, keď sa niečo unášané riekou náhle ocitne v chodbe medzi skalami, viete, že predmet (možno priateľ na vnútornej trubici!) sa v tomto značne zrýchľuje priechod; tak je to aj s proteínovými kanálmi. To je najbežnejšie u polárnych alebo elektricky nabitých molekúl.

Aktívna preprava: Všetky predtým diskutované typy transportu membránou zahŕňajú pohyb nadol po koncentračnom gradiente. Niekedy však rovnako ako lode musia ísť proti prúdu a autá musia stúpať do kopcov, látky sa väčšinou pohybujú proti koncentračnému gradientu - energeticky nepriaznivá situácia. Vo výsledku musí byť proces poháňaný vonkajším zdrojom, a v tomto prípade týmto zdrojom je adenozíntrifosfát (ATP), ktorý je rozšíreným palivom pre mikroskopické biologické transakcie. V tomto procese sa jedna z troch fosfátových skupín odstráni z ATP, čím sa vytvorí adenozíndifosfát (ADP) a voľný fosfát a energia uvoľnená hydrolýzou fosfát-fosfátovej väzby sa používa na „prečerpanie“ molekúl smerom nahor a cez membrána.

K aktívnemu transportu môže dochádzať aj nepriamo alebo sekundárne. Napríklad membránová pumpa môže pohybovať sodíkom cez jeho koncentračný gradient z jednej strany membrány na druhú, von z bunky. Keď sodíkový ión difunduje späť opačným smerom, môže so sebou niesť molekulu glukózy vlastný koncentračný gradient molekuly (koncentrácia glukózy je zvyčajne vyššia na vnútorných stranách buniek ako na vonku). Pretože pohyb glukózy je proti jej koncentračnému gradientu, je to aktívny transport, ale pretože nie je priamo zapojený žiadny ATP, je to príklad sekundárne aktívna doprava.