Ћелијска мембрана: дефиниција, функција, структура и чињенице

Ћелијска мембрана - која се назива и плазма мембрана или цитоплазматска мембрана - међу је најфасцинантнијим и најелегантнијим конструкцијама у свету биологије. Ћелија се сматра основном јединицом или „градивним елементом“ свих живих бића на Земљи; ваше тело их има трилионе, а различите ћелије у различитим органима и ткивима различите структуре које изврсно корелирају са функцијама ткива која се од њих састоје ћелије.

Док језгра ћелија често привлаче највише пажње јер садрже генетски материјал неопходан за пролазак даље Информације за наредне генерације организма, ћелијска мембрана је дословни чувар и чувар ћелије садржај. Далеко од пуког контејнера или баријере, међутим, мембрана је еволуирала да одржава ћелијску равнотежу или унутрашњу равнотежу ефикасним и неуморним транспортом механизми који мембрану чине некаквим микроскопским царинским службеницима, омогућавајући и забрањујући улазак и излазак јона и молекула у складу са ћелијским реалним временом потребе.

Сви организми имају ћелијске мембране неке врсте. То укључује прокариоте, који су углавном бактерије и за које се верује да представљају неке од најстаријих живих врста на Земљи, као и еукариоте, који укључују животиње и биљке. И прокарионтске бактерије и еукариотске биљке имају ћелијски зид спољашњи од ћелијске мембране ради додатне заштите; код биљака овај зид има поре и нису посебно селективне у погледу онога што може проћи, а шта не. Поред тога, еукариоти поседују органеле, попут језгра и митохондрија, затворене мембранама попут оне која окружује ћелију у целини. Прокариоти немају ни језгра; њихов генетски материјал је распршен, иако донекле чврсто, у целој цитоплазми.

Значајни молекуларни докази сугеришу да еукариотске ћелије потичу од прокарионтских ћелија, губећи ћелијски зид у неком тренутку њихове еволуције. Иако је ово поједине ћелије учинило рањивијима на увреде, такође им је омогућило да постану сложеније и да се у процесу геометријски прошире. У ствари, еукариотске ћелије могу бити десет пута веће од прокарионтских ћелија, што је откриће учинило још упечатљивијим чињеницом да је једна ћелија по дефиницији целина прокариотског организма. (Неки еукариоти су такође једноћелијски.)

Ћелијска мембрана састоји се од двослојне структуре (која се понекад назива и „флуидни мозаични модел“) састављене углавном од фосфолипида. Један од ових слојева окренут је унутрашњости ћелије или цитоплазми, док је други окренут ка спољном окружењу. Стране окренуте ка споља и према унутра сматрају се „хидрофилним“ или их привлачи водено окружење; унутрашњи део је „хидрофобан“ или га одбија водена средина. Изоловано, ћелијске мембране су течне на телесним температурама, али на хладнијим попримају геласту конзистенцију.

Липиди у двослоју чине око половине укупне масе ћелијске мембране. Холестерол чини око петину липида у животињским ћелијама, али не и у биљним ћелијама, јер холестерола нема нигде у биљкама. Већи део остатка мембране чине протеини са различитим функцијама. Будући да су већина протеина поларни молекули, попут саме мембране, њихови хидрофилни крајеви стрше према спољашности ћелије, а хидрофобни крајеви упућују на унутрашњост двослоја.

За неке од ових протеина везани су ланци угљених хидрата, што их чини гликопротеинима. Многи мембрански протеини су укључени у селективни транспорт супстанци преко двослоја који они може или стварањем протеинских канала преко мембране или физичким пребацивањем преко мембране. Остали протеини функционишу као рецептори на ћелијским површинама, пружајући места везивања за молекуле који носе хемијске сигнале; ови протеини затим те информације преносе у унутрашњост ћелије. Остали мембрански протеини делују као ензими који катализују реакције специфичне за саму плаземску мембрану.

Критични аспект ћелијске мембране није у томе што је она „водоотпорна“ или непропусна за супстанце уопште; да је било, ћелија би умрла. Кључ за разумевање главног посла ћелијске мембране је да она јесте селективно пропустљив. Аналогија: Баш као што већина нација на Земљи не забрањује људима у потпуности да путују преко међународне границе нације, земље широм света немају обичај да дозвољавају било коме и сви улазе. Ћелијске мембране покушавају да ураде оно што раде владе ових земаља, у много мањем обиму: омогућавају пожељним ентитетима да уђу у ћелију након што је „проверен“ док је забрањен улазак ентитетима који ће се вероватно показати токсичним или деструктивним за унутрашњост или ћелију као целина.

Све у свему, мембрана делује као формална граница, држећи различите делове ћелије заједно начин на који ограда око фарме одржава стоку на окупу, чак и док им омогућава да се шетају и мешају. Ако бисте морали да погодите врсте молекула којима је дозвољено да најлакше улазе и излазе, можда бисте рекли „извори горива“, односно „метаболички отпад“, с обзиром на то да је то у основи оно што организују у целини урадите. И били бисте у праву. Веома мали молекули, попут гасовитог кисеоника (О₂), гасовити угљен-диоксид (ЦО₂) и воде (Х.₂О), могу слободно пролазити кроз мембрану, али пролаз већих молекула, као што су аминокиселине и шећери, је строго контролисан.

Исправније се називају молекули који се готово универзално називају „фосфолипиди“ који чине двослој ћелијске мембране „глицерофосфолипиди“. Састоје се од молекула глицерола, који је алкохол са три угљеника, везан за две дуге масне киселине на једној страни и фосфатна група с друге стране. То даје молекулу дугачки цилиндрични облик који је добро прилагођен послу да буде део широког листа, на шта један слој мембранског двослоја подсећа на пресеку.

Фосфатни део глицерофосфолипида је хидрофилни. Специфична врста фосфатне групе варира од молекула до молекула; на пример, то може бити фосфатидилхолин, који укључује компоненту која садржи азот. Хидрофилна је јер има неравномерну расподелу наелектрисања (тј. Поларна је), баш као и вода, па се њих двоје „слажу“ у блиским микроскопским четвртима.
Масне киселине у унутрашњости мембране немају нигде у својој структури неравномерну расподелу наелектрисања, па су неполарне и отуда хидрофобне.

Због електрохемијских својстава фосфолипида, двослојни распоред фосфолипида не захтева унос енергије за стварање или одржавање. У ствари, фосфолипиди смештени у води имају тенденцију да спонтано преузму двослојну конфигурацију на приближно исти начин на који течности „траже свој ниво“.

Будући да је ћелијска мембрана селективно пропусна, она мора да обезбеди начин за добијање различитих супстанци, од којих неке велике, а неке мале, с једне на другу страну. Размислите о начинима на које бисте могли прећи реку или водно тело. Можете се возити трајектом; можда ћете једноставно заносити на лаганом ветарцу или вас могу носити стабилне речне или океанске струје. А можда ћете се прво затећи да пређете водено тело јер је превисока а концентрација људи на вашој страни и прениска концентрација на другој, што представља потребу за уједначавањем ствари напоље.

Сваки од ових сценарија има одређену везу са једним од више начина на који молекули могу да прођу кроз ћелијску мембрану. Ови начини укључују:

Једноставна дифузија: У овом процесу, молекули једноставно пролазе кроз двоструку мембрану да би прошли у ћелију или из ње. Овде је кључно да ће се молекули у већини ситуација кретати низ градијент концентрације, што значи да се природно преносе из подручја веће концентрације у подручја ниже концентрације. Ако бисте сипали лименку боје у средину базена, кретање молекула боје споља представљало би облик једноставне дифузије. Молекули који могу да пређу ћелијске мембране на овај начин, као што можете предвидети, су мали молекули попут О₂ и ЦО₂.

Осмоза: Осмоза се може описати као „притисак усисавања“ који узрокује кретање воде када је кретање честица растворених у води немогуће. То се дешава када мембрана дозволи да вода, али не и растворене честице („растворене материје“), прођу кроз њу. Покретачка сила је опет градијент концентрације, јер целокупно локално окружење „тражи“ равнотежно стање у којем је количина растворене супстанце по јединици воде у целини иста. Ако на једној страни водонепропусне, непропусне мембране растворене честице има више растворених супстанци од друге, вода ће тећи у подручје веће концентрације растворене супстанце. Односно, ако честице кретањем не могу да промене концентрацију у води, тада ће се и сама вода померити да би извршила мање више исти посао.

Олакшана дифузија: Поново, овај тип мембранског транспорта доводи до померања честица из подручја више концентрације у подручја ниже концентрације. За разлику од случаја са једноставном дифузијом, молекули се путем крећу у или из ћелије специјализовани протеински канали, уместо да се једноставно провлаче кроз просторе између глицерофосфолипида молекула. Ако сте икада гледали шта се дешава када се нешто што лебди реком изненада нађе у пролазу између стена, знате да се предмет (можда пријатељ у унутрашњој цеви!) знатно убрзава док је у овоме пролаз; тако је и са протеин-каналима. Ово је најчешће код поларних или електрично наелектрисаних молекула.

Активни превоз: Све врсте мембранског транспорта о којима је претходно било речи укључују кретање низ градијент концентрације. Понекад, међутим, баш као што се чамци морају кретати узводно, а аутомобили се морају пењати по брдима, супстанце се највише крећу против градијента концентрације - енергетски неповољне ситуације. Као резултат, процес мора да се напаја из спољног извора, а у овом случају тај извор је аденозин трифосфат (АТП), то широко распрострањено гориво за микроскопске биолошке трансакције. У овом процесу, једна од три фосфатне групе уклања се из АТП да би се створио аденозин дифосфат (АДП) и слободни фосфат, и енергија ослобођена хидролизом фосфат-фосфатне везе користи се за „пумпање“ молекула према градијенту и преко мембрана.

Активни транспорт се такође може десити на индиректан или секундарни начин. На пример, мембранска пумпа може померати натријум преко свог градијента концентрације са једне стране мембране на другу, ван ћелије. Када се натријум-јон дифундира назад у другом смеру, против њега може да носи молекул глукозе градијент сопствене концентрације молекула (концентрација глукозе је обично већа у унутрашњости ћелија него у споља). Будући да се кретање глукозе противи њеном градијенту концентрације, ово је активни транспорт, али пошто ниједан АТП није директно укључен, ово је пример секундарни активни превоз.