Cellmembran: definition, funktion, struktur och fakta

Cellmembranet - även kallat plasmamembran eller cytoplasmiskt membran - är bland de mest fascinerande och eleganta konstruktionerna i biologiens värld. Cellen anses vara den grundläggande enheten eller "byggstenen" för alla levande saker på jorden; din egen kropp har biljoner av dem, och olika celler i olika organ och vävnader har olika strukturer som exakt korrelerar med funktionerna hos vävnaderna som består av dessa celler.

Medan cellkärnorna ofta drar mest uppmärksamhet eftersom de innehåller det genetiska material som krävs för att passera information till efterföljande generationer av organismen är cellmembranet bokstavlig portvakt och väktare för cellens innehåll. Långt ifrån bara en behållare eller barriär har emellertid membranet utvecklats för att upprätthålla cellulär jämvikt, eller inre balans, genom effektiv och outtröttlig transport mekanismer som gör membranet till ett slags mikroskopiskt tulltjänsteman som tillåter och förnekar inträde och utträde av joner och molekyler i enlighet med cellens realtid behov.

Alla organismer har cellmembran av något slag. Detta inkluderar prokaryoter, som mestadels är bakterier och tros representera några av de äldsta levande arterna på jorden, liksom eukaryoter, som inkluderar djur och växter. Både de prokaryota bakterierna och de eukaryota växterna har en cellvägg utanför cellmembranet för ytterligare skydd; i växter har denna vägg porer, och de är inte särskilt selektiva vad gäller vad som kan passera och vad som inte kan. Dessutom har eukaryoter organeller, såsom kärnan och mitokondrierna, inneslutna av membran som den som omger cellen som helhet. Prokaryoter har inte ens kärnor; deras genetiska material sprids, om än något tätt, genom hela cytoplasman.

Betydande molekylära bevis tyder på att eukaryota celler härstammar från prokaryota celler och förlorar cellväggen någon gång i sin utveckling. Även om detta gjorde enskilda celler mer sårbara för förolämpningar, gjorde det också möjligt för dem att bli mer komplexa och expandera geometriskt i processen. I själva verket kan eukaryota celler vara tio gånger så stora som prokaryota celler, en upptäckt som är desto mer slående av det faktum att en enda cell per definition är en helhet av en prokaryot organism. (Vissa eukaryoter är också encelliga.)

Cellmembranet består av en dubbelskiktad struktur (ibland kallad "flytande mosaikmodell") som huvudsakligen består av fosfolipider. Ett av dessa lager vetter mot det inre av cellen, eller cytoplasman, medan det andra är vänd mot den yttre miljön. De utåt och inåtvända sidorna betraktas som "hydrofila" eller lockas till vattniga miljöer; den inre delen är "hydrofob" eller avvisas av vattniga miljöer. Isolerat är cellmembran flytande vid kroppstemperaturer, men vid kallare temperaturer får de en gelliknande konsistens.

Lipiderna i dubbelskiktet står för ungefär hälften av cellmembranets totala massa. Kolesterol utgör ungefär en femtedel av lipiderna i djurceller, men inte i växtceller, eftersom kolesterol inte finns någonstans i växter. Merparten av resten av membranet redovisas av proteiner med olika funktioner. Eftersom de flesta proteiner är polära molekyler, liksom själva membranet, sticker deras hydrofila ändar ut mot cellens utsida och deras hydrofoba ändar pekar mot det inre av dubbelskiktet.

Några av dessa proteiner har kolhydratkedjor fästa vid dem, vilket gör dem till glykoproteiner. Många av membranproteinerna är involverade i den selektiva transporten av ämnen över dubbelskiktet, som de kan göra antingen genom att skapa proteinkanaler över membranet eller genom att fysiskt skicka dem över membranet. Andra proteiner fungerar som receptorer på cellytor, vilket ger bindningsställen för molekyler som bär kemiska signaler; dessa proteiner vidarebefordrar sedan denna information till det inre av cellen. Ytterligare andra membranproteiner fungerar som enzymer som katalyserar reaktioner speciellt för själva plasmamembranet.

Den kritiska aspekten av cellmembranet är inte att det är "vattentätt" eller ogenomträngligt för ämnen i allmänhet; om det vore antingen skulle cellen dö. Nyckeln till att förstå cellmembranets huvudsakliga jobb är att det är selektivt permeabelt. En analogi: Precis som de flesta nationer på jorden inte helt förbjuder människor att resa över nationens internationella gränser har länder över hela världen inte för vana att låta någon och alla kommer in. Cellmembran försöker göra vad dessa lands regeringar gör, i mycket mindre skala: låta önskvärda enheter komma in i cellen efter att ha "kontrollerats" medan de spärrar tillträde till enheter som sannolikt kan visa sig giftiga eller destruktiva för inredningen eller cellen som en hela.

Sammantaget fungerar membranet som en formell gräns och håller de olika delarna av cellen ihop samma sätt ett staket runt en gård håller boskapen ihop även medan de låter dem vandra omkring och mingla. Om du var tvungen att gissa vilka typer av molekyler som får komma in och ut lättast, kan du säga "källor till bränsle" respektive "metaboliskt avfall", med tanke på att detta i huvudsak är vad kroppar som helhet do. Och du skulle ha rätt. Mycket små molekyler, såsom gasformigt syre (O₂), gasformig koldioxid (CO₂) och vatten (H₂O), kan passera fritt över membranet, men passagen av större molekyler, såsom aminosyror och sockerarter, kontrolleras tätt.

Molekylerna som nästan allmänt kallas "fosfolipider" som utgör cellmembran tvåskiktet kallas mer korrekt "glycerofosfolipider." De består av en glycerolmolekyl, som är en alkohol med tre kol, fäst vid två långa fettsyror på ena sidan och en fosfatgruppen å andra sidan. Detta ger molekylen en lång, cylindrisk form som är väl lämpad för jobbet att vara en del av ett brett ark, vilket är vad ett enda lager av membran dubbelskiktet liknar i tvärsnitt.

Fosfatdelen av glycerofosfolipiden är hydrofil. Den specifika typen av fosfatgrupp varierar från molekyl till molekyl; till exempel kan det vara fosfatidylkolin, som innefattar en kväveinnehållande komponent. Det är hydrofilt eftersom det har en ojämn laddningsfördelning (dvs. är polär), precis som vatten, så de två "kommer överens" i nära mikroskopiska delar.
Fettsyrorna på det inre av membranet har ingen ojämn fördelning av laddning någonstans i sin struktur, så de är opolära och därmed hydrofoba.

På grund av fosfolipidernas elektrokemiska egenskaper kräver fosfolipid-dubbelskiktarrangemanget ingen energiinmatning för att skapa eller underhålla. Faktum är att fosfolipider placerade i vatten tenderar att spontant anta dubbelskiktskonfigurationen på ungefär samma sätt som vätskor "söker sin egen nivå."

Eftersom cellmembranet är selektivt permeabelt måste det tillhandahålla ett sätt att få en mängd olika ämnen, några stora och andra små, från ena sidan till den andra. Tänk på hur du kan korsa en flod eller en vattendrag. Du kan ta en färja; du kanske helt enkelt driver på en lätt bris, eller du kan bäras av stadig flod- eller havsströmmar. Och du kanske bara befinner dig att korsa vattnet i första hand eftersom det finns för högt a koncentration av människor på din sida och för låg koncentration på den andra, vilket ger ett behov av att jämna ut saker ut.

Var och en av dessa scenarier har något samband med ett av flera sätt molekyler kan passera genom cellmembranet. Dessa sätt inkluderar:

Enkel diffusion: I denna process driver molekyler helt enkelt genom det dubbla membranet för att passera antingen in i eller ut ur cellen. Nyckeln här är att molekyler i de flesta situationer kommer att röra sig ner i en koncentrationsgradient, vilket innebär att de naturligt driver från områden med högre koncentration till områden med lägre koncentration. Om du skulle hälla en burk färg i mitten av en pool, skulle den yttre rörelsen av färgmolekylerna representera en form av enkel diffusion. De molekyler som kan korsa cellmembran på detta sätt, som du kan förutsäga, är små molekyler som O₂ och CO₂.

Osmos: Osmos kan beskrivas som ett "sugtryck" som orsakar rörelse av vatten när rörelsen av partiklar som löses i vattnet är omöjlig. Detta inträffar när ett membran tillåter vatten, men inte de lösta partiklarna ("lösta ämnen") i fråga, att passera genom det. Drivkraften är återigen en koncentrationsgradient, eftersom hela lokalmiljön "söker" ett jämviktstillstånd där mängden löst ämne per vattenenhet är densamma hela tiden. Om det finns fler lösta partiklar på ena sidan av ett vattengenomsläppligt, lösligt ogenomträngligt membran än den andra, kommer vatten att strömma till området med högre koncentrerad löst ämne. Det vill säga om partiklar inte kan ändra sin koncentration i vatten genom att röra sig, kommer själva vattnet att röra sig för att utföra mer eller mindre samma jobb.

Underlättad diffusion: Återigen ser denna typ av membrantransport partiklar flytta från områden med högre koncentration till områden med lägre koncentration. Till skillnad från fallet med enkel diffusion rör sig dock molekylerna in i eller ut ur cellen via specialiserade proteinkanaler, snarare än att helt enkelt driva genom mellanrummen mellan glycerofosfolipid molekyler. Om du någonsin har sett vad som händer när något som drivs nerför en flod plötsligt befinner sig i en gång mellan stenar, vet du att objektet (kanske en vän på ett innerrör!) snabbar upp betydligt medan det är i det här passage; så är det med proteinkanaler. Detta är vanligast med polära eller elektriskt laddade molekyler.

Aktiv transport: De typer av membrantransport som tidigare diskuterats involverar alla rörelse nedåt i en koncentrationsgradient. Ibland, precis som båtar måste röra sig uppströms och bilar måste klättra uppför kullar, rör sig ämnen mest mot en koncentrationsgradient - en energiskt ogynnsam situation. Som ett resultat måste processen drivas av en extern källa, och i det här fallet är källan adenosintrifosfat (ATP), som utbreder bränsle för mikroskopiska biologiska transaktioner. I denna process avlägsnas en av de tre fosfatgrupperna från ATP för att skapa adenosindifosfat (ADP) och ett fritt fosfat, och energin som frigörs genom hydrolysen av fosfat-fosfatbindningen används för att "pumpa" molekyler upp över lutningen och över membran.

Aktiv transport kan också ske indirekt eller sekundärt. Till exempel kan en membranpump flytta natrium över sin koncentrationsgradient från ena sidan av membranet till den andra, ut ur cellen. När natriumjonen diffunderar igenom i den andra riktningen kan den bära en glukosmolekyl mot den molekylens egen koncentrationsgradient (glukoskoncentrationen är vanligtvis högre på insidan av cellerna än på utanför). Eftersom glukosrörelsen är mot dess koncentrationsgradient är detta aktiv transport, men eftersom ingen ATP är direkt inblandad är det ett exempel på sekundär aktiv transport.