เยื่อหุ้มเซลล์: ความหมาย หน้าที่ โครงสร้าง & ข้อเท็จจริง

เยื่อหุ้มเซลล์ - เรียกอีกอย่างว่าพลาสมาเมมเบรนหรือเยื่อหุ้มเซลล์ - เป็นหนึ่งในโครงสร้างที่น่าสนใจและสง่างามที่สุดในโลกของชีววิทยา เซลล์ถือเป็นหน่วยพื้นฐานหรือ "หน่วยการสร้าง" ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดบนโลก ร่างกายของคุณมีนับล้านล้าน และเซลล์ต่างๆ ในอวัยวะและเนื้อเยื่อต่างๆ ก็มี โครงสร้างต่าง ๆ ที่มีความสัมพันธ์อย่างประณีตกับหน้าที่ของเนื้อเยื่อที่ประกอบด้วยสิ่งเหล่านี้ เซลล์.

ในขณะที่นิวเคลียสของเซลล์มักจะได้รับความสนใจมากที่สุดเนื่องจากมีสารพันธุกรรมที่จำเป็นสำหรับการผ่านไป ข้อมูลสำหรับสิ่งมีชีวิตรุ่นต่อ ๆ ไป เยื่อหุ้มเซลล์คือตัวเฝ้าประตูตามตัวอักษรและผู้พิทักษ์ของเซลล์ เนื้อหา อย่างไรก็ตาม เยื่อหุ้มเซลล์นี้ไม่ได้เป็นเพียงภาชนะหรือสิ่งกีดขวางเท่านั้น แต่ได้มีการพัฒนาเพื่อรักษาสมดุลของเซลล์หรือความสมดุลภายใน ผ่านการขนส่งที่มีประสิทธิภาพและไม่รู้จักเหน็ดเหนื่อย กลไกที่ทำให้เมมเบรนเป็นเจ้าหน้าที่ศุลกากรด้วยกล้องจุลทรรศน์ อนุญาตและปฏิเสธการเข้าและออกของไอออนและโมเลกุลตามเวลาจริงของเซลล์ ความต้องการ

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีเยื่อหุ้มเซลล์บางชนิด ซึ่งรวมถึงโปรคาริโอตซึ่งส่วนใหญ่เป็นแบคทีเรียและเชื่อกันว่าเป็นตัวแทนของสิ่งมีชีวิตที่เก่าแก่ที่สุดในโลก เช่นเดียวกับยูคาริโอตซึ่งรวมถึงสัตว์และพืช ทั้งแบคทีเรียโปรคาริโอตและพืชยูคาริโอตมีผนังเซลล์อยู่ภายนอกเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อการป้องกันเพิ่มเติม ในพืช ผนังนี้มีรูพรุน และพวกเขาไม่ได้คัดเลือกโดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของสิ่งที่สามารถผ่านเข้าไปและสิ่งที่ไม่สามารถผ่านได้ นอกจากนี้ ยูคาริโอตยังมีออร์แกเนลล์ เช่น นิวเคลียสและไมโทคอนเดรีย ที่ล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งหมด โปรคาริโอตไม่มีแม้แต่นิวเคลียส สารพันธุกรรมของพวกมันกระจัดกระจาย แม้ว่าจะค่อนข้างแน่นหนา ทั่วทั้งไซโตพลาสซึม

หลักฐานเชิงโมเลกุลจำนวนมากชี้ให้เห็นว่าเซลล์ยูคาริโอตสืบเชื้อสายมาจากเซลล์โปรคาริโอต ทำให้ผนังเซลล์สูญเสียไปในบางช่วงของวิวัฒนาการ แม้ว่าสิ่งนี้จะทำให้เซลล์แต่ละเซลล์เสี่ยงต่อการถูกดูหมิ่นมากขึ้น แต่ก็ยอมให้พวกมันซับซ้อนมากขึ้นและขยายทางเรขาคณิตในกระบวนการ อันที่จริง เซลล์ยูคาริโอตอาจมีขนาดใหญ่กว่าเซลล์โปรคาริโอตถึงสิบเท่า การค้นพบนี้ทำให้ทุกอย่างโดดเด่นยิ่งขึ้นโดยข้อเท็จจริงที่ว่าเซลล์เดียวคือความสมบูรณ์ของสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตตามคำจำกัดความ (ยูคาริโอตบางชนิดก็มีเซลล์เดียวเช่นกัน)

เยื่อหุ้มเซลล์ประกอบด้วยโครงสร้างสองชั้น (บางครั้งเรียกว่า "แบบจำลองโมเสกของไหล") ซึ่งประกอบด้วยฟอสโฟลิปิดเป็นส่วนใหญ่ ชั้นหนึ่งหันไปทางภายในของเซลล์หรือไซโตพลาสซึม ในขณะที่ชั้นอื่นหันไปทางสภาพแวดล้อมภายนอก ด้านที่หันออกด้านนอกและด้านในถือเป็น "ชอบน้ำ" หรือดึงดูดสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำ ส่วนด้านในเป็น "ไม่ชอบน้ำ" หรือถูกขับไล่โดยสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำ ในการแยกเยื่อหุ้มเซลล์เป็นของเหลวที่อุณหภูมิของร่างกาย แต่ที่อุณหภูมิที่เย็นกว่าจะมีความคงตัวเหมือนเจล

ไขมันใน bilayer คิดเป็นประมาณครึ่งหนึ่งของมวลรวมของเยื่อหุ้มเซลล์ คอเลสเตอรอลประกอบด้วยไขมันประมาณหนึ่งในห้าในเซลล์สัตว์ แต่ไม่พบในเซลล์พืช เนื่องจากไม่พบคอเลสเตอรอลในพืช ส่วนที่เหลือของเมมเบรนส่วนใหญ่ประกอบด้วยโปรตีนที่มีหน้าที่หลากหลาย เนื่องจากโปรตีนส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลมีขั้ว เช่นเดียวกับเยื่อหุ้มเซลล์ สารที่ชอบน้ำของพวกมันจะยื่นออกไปด้านนอกของเซลล์ และปลายที่ไม่ชอบน้ำของพวกมันจะชี้ไปที่ด้านในของชั้นไบเลเยอร์

โปรตีนเหล่านี้บางชนิดมีสายโซ่คาร์โบไฮเดรตติดอยู่ ทำให้เป็นไกลโคโปรตีน โปรตีนเมมเบรนจำนวนมากเกี่ยวข้องกับการขนส่งสารที่เลือกผ่านไบเลเยอร์ ซึ่งพวกมัน สามารถทำได้โดยการสร้างช่องโปรตีนข้ามเมมเบรนหรือโดยการขนส่งทางร่างกายผ่านเมมเบรน โปรตีนอื่นๆ ทำหน้าที่เป็นตัวรับบนผิวเซลล์ โดยให้ตำแหน่งจับกับโมเลกุลที่ส่งสัญญาณทางเคมี โปรตีนเหล่านี้จะถ่ายทอดข้อมูลนี้ไปยังภายในเซลล์ โปรตีนเมมเบรนอื่น ๆ ยังทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาโดยเฉพาะกับเมมเบรนในพลาสมาเอง

ลักษณะสำคัญของเยื่อหุ้มเซลล์ไม่ใช่ว่า "กันน้ำ" หรือไม่สามารถซึมผ่านสารโดยทั่วไปได้ ถ้าเป็นอย่างใดอย่างหนึ่ง เซลล์จะตาย กุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจหน้าที่หลักของเยื่อหุ้มเซลล์ก็คือ เลือกซึมผ่านได้. การเปรียบเทียบ: เช่นเดียวกับที่ประเทศส่วนใหญ่บนโลกไม่ได้ห้ามไม่ให้ผู้คนเดินทางข้าม พรมแดนระหว่างประเทศของประเทศต่างๆ ทั่วโลก ไม่ได้มีนิสัยยอมให้ใครและ ทุกคนเข้ามา เยื่อหุ้มเซลล์พยายามทำสิ่งที่รัฐบาลของประเทศเหล่านี้ทำในระดับที่เล็กกว่ามาก: อนุญาตให้หน่วยงานที่ต้องการเข้าสู่เซลล์ หลังจากถูก "ตรวจสอบ" โดยห้ามไม่ให้เข้าไปในหน่วยงานที่มีแนวโน้มว่าเป็นพิษหรือเป็นอันตรายต่อภายในหรือเซลล์ ทั้งหมด

โดยรวม เมมเบรนทำหน้าที่เป็นขอบเขตที่เป็นทางการ โดยยึดส่วนต่างๆ ของเซลล์ไว้ด้วยกัน รั้วรอบฟาร์มเลี้ยงปศุสัตว์ไว้ด้วยกันแม้ในขณะที่ปล่อยให้พวกมันเดินเตร่และคลาคล่ำ หากคุณต้องเดาชนิดของโมเลกุลที่ได้รับอนุญาตให้เข้าและออกได้ง่ายที่สุด คุณอาจพูดว่า "แหล่งที่มาของเชื้อเพลิง" และ "ของเสียจากการเผาผลาญ" ตามลำดับ โดยพื้นฐานแล้วสิ่งนี้คือสิ่งที่ร่างกายโดยรวม ทำ. และคุณจะพูดถูก โมเลกุลขนาดเล็กมาก เช่น ก๊าซออกซิเจน (O₂), ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO .)₂) และน้ำ (H₂O) สามารถผ่านได้อย่างอิสระผ่านเมมเบรน แต่การผ่านของโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น กรดอะมิโนและน้ำตาล ถูกควบคุมอย่างเข้มงวด

โมเลกุลที่เกือบทั่วโลกเรียกว่า "ฟอสโฟลิปิด" ที่ประกอบเป็นไบเลเยอร์ของเยื่อหุ้มเซลล์จะถูกเรียกอย่างถูกต้องมากขึ้น more "กลีเซอโรฟอสโฟลิปิด" ประกอบด้วยโมเลกุลกลีเซอรอลซึ่งเป็นแอลกอฮอล์คาร์บอนสามตัวติดกับกรดไขมันยาว 2 ตัวที่ด้านหนึ่งและ หมู่ฟอสเฟตอีกกลุ่มหนึ่ง สิ่งนี้ทำให้โมเลกุลมีรูปร่างทรงกระบอกยาวซึ่งเหมาะสมกับงานของการเป็นส่วนหนึ่งของแผ่นงานกว้าง ซึ่งเป็นสิ่งที่ชั้นเดียวของเมมเบรน bilayer มีลักษณะคล้ายกันบนหน้าตัด

ส่วนฟอสเฟตของกลีเซอโรฟอสโฟลิปิดนั้นชอบน้ำ หมู่ฟอสเฟตชนิดจำเพาะแตกต่างกันไปในแต่ละโมเลกุล ตัวอย่างเช่น สามารถเป็น phosphatidylcholine ซึ่งรวมถึงส่วนประกอบที่ประกอบด้วยไนโตรเจน มันเป็นที่ชอบน้ำเพราะมีการกระจายประจุไม่สม่ำเสมอ (เช่น มีขั้ว) เช่นเดียวกับน้ำ ดังนั้นทั้งสอง "เข้ากันได้" ในไตรมาสที่ใกล้ด้วยกล้องจุลทรรศน์
กรดไขมันที่ด้านในของเมมเบรนไม่มีการกระจายประจุที่ไม่สม่ำเสมอในโครงสร้าง ดังนั้นจึงไม่มีขั้วและไม่ชอบน้ำ

เนื่องจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าเคมีของฟอสโฟลิปิด การจัดเรียงของฟอสโฟลิปิดไบเลเยอร์จึงไม่จำเป็นต้องป้อนพลังงานเพื่อสร้างหรือบำรุงรักษา ในความเป็นจริง ฟอสโฟลิปิดที่วางอยู่ในน้ำมักจะถือว่าการกำหนดค่าของ bilayer ในลักษณะเดียวกับของเหลว "แสวงหาระดับของตัวเอง"

เนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์สามารถซึมผ่านได้แบบคัดเลือก จึงต้องจัดให้มีวิธีการในการรับสารต่างๆ มากมาย ทั้งขนาดใหญ่และขนาดเล็ก จากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง ลองนึกถึงวิธีที่คุณอาจข้ามแม่น้ำหรือแหล่งน้ำ คุณอาจนั่งเรือข้ามฟาก คุณอาจล่องลอยไปในสายลมเบา ๆ หรือคุณอาจถูกกระแสน้ำไหลเชี่ยวหรือกระแสน้ำในมหาสมุทรพัดพาไป และคุณอาจพบว่าตัวเองกำลังข้ามแหล่งน้ำในตอนแรกเท่านั้นเพราะมีสูงเกินไป a ความเข้มข้นของผู้คนที่อยู่เคียงข้างคุณและมีสมาธิในอีกฝ่ายต่ำเกินไป นำเสนอความต้องการที่จะเท่าเทียมกัน สิ่งต่าง ๆ ออกไป

แต่ละสถานการณ์เหล่านี้มีความสัมพันธ์บางอย่างกับวิธีอื่นที่โมเลกุลสามารถผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ วิธีเหล่านี้รวมถึง:

การแพร่กระจายอย่างง่าย: ในกระบวนการนี้ โมเลกุลจะลอยผ่านเยื่อหุ้มสองชั้นเพื่อผ่านเข้าหรือออกจากเซลล์ กุญแจสำคัญในที่นี้คือ โมเลกุลในสถานการณ์ส่วนใหญ่จะเคลื่อนลงมาตามระดับความเข้มข้น ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลจะเคลื่อนตัวตามธรรมชาติจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงกว่าไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า หากคุณเทสีกระป๋องหนึ่งกระป๋องลงกลางสระ การเคลื่อนที่ออกไปด้านนอกของโมเลกุลของสีจะเป็นตัวแทนของรูปแบบการแพร่กระจายอย่างง่าย โมเลกุลที่สามารถข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ในลักษณะนี้ อย่างที่คุณอาจคาดการณ์ได้ คือโมเลกุลขนาดเล็ก เช่น O₂ และCO₂.

ออสโมซิส: ออสโมซิสอาจอธิบายได้ว่าเป็น "แรงดันดูด" ที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของน้ำเมื่อไม่สามารถเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ละลายในน้ำได้ สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อเมมเบรนยอมให้น้ำ แต่ไม่ใช่อนุภาคที่ละลาย ("ตัวถูกละลาย") ที่เป็นปัญหาให้ผ่านเข้าไปได้ แรงผลักดันคือการไล่ระดับความเข้มข้นอีกครั้ง เนื่องจากสภาพแวดล้อมในท้องถิ่นทั้งหมด "แสวงหา" สภาวะสมดุลซึ่งปริมาณของตัวถูกละลายต่อน้ำหนึ่งหน่วยจะเท่ากันตลอด หากมีอนุภาคของตัวถูกละลายที่ด้านหนึ่งของเมมเบรนที่ซึมผ่านของน้ำได้และตัวถูกละลายมากกว่าอีกด้านหนึ่ง น้ำจะไหลไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นของตัวถูกละลายสูงกว่า กล่าวคือ ถ้าอนุภาคไม่สามารถเปลี่ยนความเข้มข้นในน้ำโดยการเคลื่อนที่ ตัวน้ำก็จะเคลื่อนที่เพื่อทำงานเดียวกันให้สำเร็จไม่มากก็น้อย

การแพร่กระจายที่สะดวก: อีกครั้ง การขนส่งเมมเบรนประเภทนี้ทำให้อนุภาคเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า ต่างจากกรณีที่มีการแพร่กระจายอย่างง่าย อย่างไรก็ตาม โมเลกุลจะเคลื่อนเข้าหรือออกจากเซลล์ผ่านทาง ช่องโปรตีนเฉพาะ แทนที่จะเพียงลอยผ่านช่องว่างระหว่าง glycerophospholipid โมเลกุล หากคุณเคยดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อจู่ๆ บางสิ่งที่ล่องไปตามแม่น้ำก็พบว่าตัวเองอยู่ในทางเดิน ระหว่างก้อนหิน คุณรู้ไหมว่าวัตถุ (อาจเป็นเพื่อนที่ยางใน!) เร็วขึ้นมากในขณะที่อยู่ในนี้ ทางเดิน; ดังนั้นจึงเป็นช่องโปรตีน นี่เป็นเรื่องปกติมากที่สุดกับโมเลกุลที่มีขั้วหรือประจุไฟฟ้า

การขนส่งที่ใช้งาน: ประเภทของการขนส่งเมมเบรนที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ลงระดับความเข้มข้น อย่างไรก็ตาม ในบางครั้ง เช่นเดียวกับที่เรือต้องเคลื่อนทวนน้ำและรถยนต์ต้องปีนขึ้นเขา สารส่วนใหญ่เคลื่อนตัวต้านการไล่ระดับความเข้มข้น ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่ไม่เอื้ออำนวยอย่างกระฉับกระเฉง ด้วยเหตุนี้ กระบวนการจึงต้องใช้พลังงานจากแหล่งภายนอก และในกรณีนี้ แหล่งที่มาคืออะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่แพร่หลายสำหรับธุรกรรมทางชีววิทยาด้วยกล้องจุลทรรศน์ ในกระบวนการนี้ กลุ่มฟอสเฟตหนึ่งในสามกลุ่มจะถูกลบออกจาก ATP เพื่อสร้างอะดีโนซีนไดฟอสเฟต (ADP) และฟอสเฟตอิสระ และ พลังงานที่ปลดปล่อยโดยการไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสเฟต – ฟอสเฟตจะใช้เพื่อ "ปั๊ม" โมเลกุลขึ้นเหนือระดับและข้าม เมมเบรน

การขนส่งที่ใช้งานอยู่อาจเกิดขึ้นในลักษณะทางอ้อมหรือทางรอง ตัวอย่างเช่น ปั๊มเมมเบรนอาจเคลื่อนโซเดียมข้ามระดับความเข้มข้นจากด้านหนึ่งของเมมเบรนไปยังอีกด้านหนึ่ง ออกจากเซลล์ เมื่อโซเดียมไอออนกระจายย้อนกลับไปอีกทางหนึ่ง อาจมีโมเลกุลกลูโคสต้านกับสิ่งนั้น การไล่ระดับความเข้มข้นของโมเลกุลเอง (โดยปกติความเข้มข้นของกลูโคสที่อยู่ภายในเซลล์จะสูงกว่าที่ ภายนอก) เนื่องจากการเคลื่อนที่ของกลูโคสขัดต่อระดับความเข้มข้นของมัน นี่คือการขนส่งเชิงรุก แต่เนื่องจากไม่มี ATP ที่เกี่ยวข้องโดยตรง นี่เป็นตัวอย่าง รอง การขนส่งที่ใช้งาน