Celična membrana - imenovana tudi plazemska membrana ali citoplazmatska membrana - je med najbolj fascinantnimi in elegantnimi zgradbami v svetu biologije. Celica velja za temeljno enoto ali "gradnik" vseh živih bitij na Zemlji; vaše telo jih ima na bilijone in različne celice v različnih organih in tkivih različne strukture, ki so izvrstno povezane s funkcijami tkiv, ki jih sestavljajo celic.
Jedra celic pogosto pritegnejo največ pozornosti, saj vsebujejo genski material, ki je potreben za prehod informacije naslednjim generacijam organizma, je celična membrana dobesedni vratar in varuh celice vsebino. Vendar pa se membrana še zdaleč ni zgolj posoda ali ovira, da bi z učinkovitim in neutrudnim transportom ohranila celično ravnovesje ali notranje ravnovesje. mehanizmi, zaradi katerih je membrana nekakšen mikroskopski carinski uradnik, ki omogoča in zavrača vstop in izstop ionov in molekul v skladu s celicinim realnim časom potrebe.
Celične membrane po življenjskem spektru
Vsi organizmi imajo nekakšne celične membrane. Sem spadajo prokarionti, ki so večinoma bakterije in naj bi predstavljali nekatere najstarejše živeče vrste na Zemlji, pa tudi evkarionte, ki vključujejo živali in rastline. Tako prokariontske bakterije kot evkariontske rastline imajo za dodatno zaščito celično steno zunaj celične membrane; pri rastlinah ima ta stena pore in niso posebej selektivne glede tega, kaj lahko preide in kaj ne. Poleg tega imajo evkarionti organele, kot sta jedro in mitohondriji, zaprte z membranami, kakršna obdaja celico kot celoto. Prokarionti nimajo niti jeder; njihov genski material je, čeprav nekoliko tesno, razpršen po celotni citoplazmi.
Precejšnji molekularni dokazi kažejo, da evkariontske celice izvirajo iz prokariontskih celic in na neki točki svojega razvoja izgubijo celično steno. Čeprav so bile posamezne celice zaradi tega žaljive bolj občutljive, jim je tudi omogočilo, da so v procesu postale bolj zapletene in se geometrijsko razširile. Dejansko so evkariontske celice lahko desetkrat večje od prokariontskih celic, kar je še toliko bolj osupljivo zaradi dejstva, da je ena celica po definiciji celota prokariontskega organizma. (Nekateri evkarionti so tudi enocelični.)
Struktura celične membrane
Celična membrana je sestavljena iz dvoslojne strukture (včasih imenovane tudi "tekoči mozaični model"), sestavljene pretežno iz fosfolipidov. Ena od teh plasti je obrnjena proti notranjosti celice ali citoplazmi, druga pa proti zunanjemu okolju. Strani, obrnjene navzven in navznoter, veljajo za "hidrofilne" ali jih privlači vodno okolje; notranji del je "hidrofoben" ali ga vodna okolja odbija. Ločeno so celične membrane tekočine pri telesnih temperaturah, pri hladnejših pa dobijo gelasto konsistenco.
Lipidi v dvosloju predstavljajo približno polovico celotne mase celične membrane. Holesterol predstavlja približno petino lipidov v živalskih celicah, ne pa tudi v rastlinskih celicah, saj holesterola ni nikjer v rastlinah. Večino preostalega dela membrane predstavljajo beljakovine z različnimi funkcijami. Ker je večina beljakovin polarnih molekul, tako kot membrana sama, se njihovi hidrofilni konci štrlijo na zunanjost celice, hidrofobni konci pa kažejo na notranjost dvosloja.
Nekatere od teh beljakovin imajo na sebi vezane ogljikohidratne verige, zaradi česar so glikoproteini. Številni membranski proteini sodelujejo pri selektivnem prenosu snovi skozi dvoslojni sloj lahko stori bodisi z ustvarjanjem beljakovinskih kanalov čez membrano bodisi s fizičnim premeščanjem skozi membrano. Drugi proteini delujejo kot receptorji na celičnih površinah in zagotavljajo vezna mesta za molekule, ki prenašajo kemične signale; ti proteini nato te informacije posredujejo v notranjost celice. Drugi membranski proteini delujejo kot encimi, ki katalizirajo reakcije, značilne za samo plazemsko membrano.
Funkcije celične membrane
Kritični vidik celične membrane ni, da je "nepremočljiva" ali neprepustna za snovi na splošno; če bi bilo, bi celica umrla. Ključno za razumevanje glavne naloge celične membrane je, da je selektivno prepustna. Analogija: Tako kot večina držav na Zemlji ljudem v celoti ne prepoveduje potovanja čez mednarodne meje držav, države po vsem svetu nimajo navade nikomur dopuščati in vsi vstopijo. Celične membrane poskušajo storiti tisto, kar počnejo vlade teh držav, v veliko manjšem obsegu: omogočiti zaželenim entitetam vstop v celico po "preverjanju", medtem ko je prepovedan vstop subjektom, za katere je verjetno, da bodo strupeni ali uničujoči za notranjost ali celico kot celota.
Na splošno membrana deluje kot formalna meja in drži različne dele celice skupaj ograja okoli kmetije ohranja živino skupaj, čeprav ji omogoča, da se sprehaja in druži. Če bi morali uganiti, katere vrste molekul lahko najhitreje vstopajo in izstopajo, bi lahko rekli "viri goriva" oziroma "presnovni odpadki", glede na to, da gre v bistvu za telesa kot celoto naredi. In imel bi prav. Zelo majhne molekule, kot je plinasti kisik (O2), plinasti ogljikov dioksid (CO2) in vodo (H2O), lahko prosto prehaja skozi membrano, vendar je prehod večjih molekul, kot so aminokisline in sladkorji, strogo nadzorovan.
Lipidni dvoplast
Molekule, ki jih skoraj splošno imenujemo "fosfolipidi", ki tvorijo dvoplast celične membrane, bolj pravilno imenujemo "glicerofosfolipidi." Sestavljeni so iz molekule glicerola, ki je alkohol s tremi ogljiki, pritrjen na dve dolgi maščobni kislini na eni strani in fosfatna skupina na drugi strani. To daje molekuli dolgo, valjasto obliko, ki je primerna za delo kot del širokega lista, čemur je en sloj membranskega dvosloja podoben na prerezu.
Fosfatni del glicerofosfolipida je hidrofilni. Posebna vrsta fosfatne skupine se razlikuje od molekule do molekule; na primer lahko je fosfatidilholin, ki vključuje sestavino, ki vsebuje dušik. Hidrofilna je, ker ima neenakomerno porazdelitev naboja (torej je polarna), tako kot voda, tako da se oba "razumeta" v tesnih mikroskopskih četrtinah.
Maščobne kisline v notranjosti membrane nimajo neenakomerne porazdelitve naboja kjer koli v svoji strukturi, zato so nepolarne in s tem hidrofobne.
Zaradi elektrokemijskih lastnosti fosfolipidov dvoslojni sistem fosfolipidov ne zahteva vnosa energije za ustvarjanje ali vzdrževanje. Dejansko fosfolipidi, nameščeni v vodi, običajno spontano prevzamejo dvoslojno konfiguracijo na približno enak način, kot tekočine "iščejo svojo raven".
Transport celične membrane
Ker je celična membrana selektivno prepustna, mora zagotoviti način, kako z ene strani na drugo prenašati različne snovi, nekatere velike in majhne. Pomislite, kako lahko prečkate reko ali vodno telo. Morda se peljete s trajektom; lahko preprosto zanesete na rahlem vetriču ali pa vas lahko nosijo enakomerni rečni ali oceanski tokovi. In morda se boste najprej znašli prečkati vodno telo, ker je previsok a koncentracija ljudi na vaši strani in prenizka koncentracija na drugi strani, kar predstavlja potrebo po enakomernosti stvari ven.
Vsak od teh scenarijev je povezan z enim ali več načini, kako lahko molekule prehajajo skozi celično membrano. Ti načini vključujejo:
Preprosta difuzija: V tem procesu molekule preprosto odplavajo skozi dvojno membrano, da preidejo v celico ali iz nje. Ključno pri tem je, da se bodo molekule v večini primerov premaknile navzdol po koncentracijskem gradientu, kar pomeni, da se bodo naravno oddaljile od območij z višjo koncentracijo do območij z nižjo koncentracijo. Če bi v sredino bazena vlili pločevinko z barvo, bi gibanje molekul barve navzven predstavljalo obliko preproste difuzije. Molekule, ki lahko na ta način prečkajo celične membrane, kot lahko predvidevate, so majhne molekule, kot je O2 in CO2.
Osmoza: Osmozo bi lahko opisali kot "sesalni tlak", ki povzroča gibanje vode, kadar je gibanje delcev, raztopljenih v vodi, nemogoče. To se zgodi, ko membrana omogoča, da voda, ne pa tudi raztopljeni delci ("topljene snovi"), prehaja skozi njo. Gonilna sila je spet koncentracijski gradient, ker celotno lokalno okolje "išče" ravnotežno stanje, v katerem je količina topljene snovi na enoto vode vseskozi enaka. Če je na eni strani vodoprepustne in za topi neprepustne membrane več delcev topljenih snovi kot druge, bo voda pritekla na območje z višjo koncentracijo topljene snovi. To pomeni, da če delci s premikanjem ne morejo spremeniti svoje koncentracije v vodi, se bo voda sama premaknila, da bo opravila bolj ali manj isto nalogo.
Olajšana difuzija: Tudi pri tej vrsti prenosa membrane se delci premikajo z območij z višjo koncentracijo na območja z nižjo koncentracijo. V nasprotju s primerom preproste difuzije pa se molekule premikajo v celico ali iz nje specializiranih beljakovinskih kanalov, namesto da bi se preprosto prenašali po prostorih med glicerofosfolipidom molekul. Če ste že kdaj opazovali, kaj se zgodi, ko se nekaj, ki plava po reki, nenadoma znajde v prehodu med kamenjem veste, da se objekt (morda prijatelj v zračni cevi!) med tem precej pospeši prehod; tako je tudi z beljakovinskimi kanali. To je najpogostejše pri polarnih ali električno nabitih molekulah.
Aktivni prevoz: Vse vrste membranskih prevozov, o katerih smo že razpravljali, vključujejo gibanje navzdol po koncentracijskem gradientu. Včasih pa se, tako kot se morajo čolni premikati gorvodno, avtomobili pa morajo vzpenjati po hribih, snovi najpogosteje premikajo proti koncentracijskemu nagibu - energetsko neugodni situaciji. Posledično mora postopek poganjati zunanji vir, v tem primeru pa je to adenozin trifosfat (ATP), to razširjeno gorivo za mikroskopske biološke transakcije. V tem postopku se ena od treh fosfatnih skupin odstrani iz ATP, da nastane adenozin difosfat (ADP) in prosti fosfat, in energija, ki se sprosti s hidrolizo vezi fosfat-fosfat, se uporablja za "črpanje" molekul navzgor po gradientu in čez membrano.
Aktivni prevoz se lahko zgodi tudi posredno ali sekundarno. Na primer, membranska črpalka lahko premakne natrij preko njegovega koncentracijskega gradienta z ene strani membrane na drugo, iz celice. Ko se natrijev ion difundira nazaj v drugo smer, lahko s seboj nosi molekulo glukoze lasten koncentracijski gradient molekule (koncentracija glukoze je navadno višja v notranjosti celic kot na zunaj). Ker je gibanje glukoze v nasprotju z gradientom koncentracije, je to aktivni transport, ker pa noben ATP ni neposredno vpleten, je to primer sekundarni aktivni prevoz.