Клітинна мембрана, яку також називають плазматичною мембраною або цитоплазматичною мембраною, є однією з найбільш захоплюючих та елегантних конструкцій у світі біології. Клітина вважається фундаментальною одиницею або «будівельним матеріалом» усього живого на Землі; у вашому власному тілі їх трильйони, а в різних клітинах різних органів і тканин різні структури, які вишукано корелюють із функціями тканин, що з них складаються клітин.
Хоча ядра клітин часто привертають найбільшу увагу, оскільки вони містять генетичний матеріал, необхідний для проходження Інформація для наступних поколінь організму, клітинна мембрана є буквальним воротарем і охоронцем клітини вмісту. Однак далеко не просто контейнер або бар’єр мембрана розвивалася для підтримки клітинної рівноваги або внутрішнього балансу завдяки ефективному і невтомному транспортуванню механізми, які роблять мембрану своєрідним мікроскопічним офіційним звичаєм, дозволяючи і забороняючи вхід і вихід йонів та молекул відповідно до реального часу клітини потреби.
Клітинні мембрани в життєвому спектрі
Всі організми мають певні клітинні мембрани. Сюди входять прокаріоти, які в основному є бактеріями і, як вважають, представляють одні з найдавніших видів на Землі, що живуть, а також еукаріоти, що включають тварин і рослини. Як прокаріотичні бактерії, так і еукаріотичні рослини мають клітинну стінку зовні клітинної мембрани для додаткового захисту; у рослин ця стінка має пори, і вони не особливо вибіркові щодо того, що може пройти, а що ні. Крім того, еукаріоти мають органели, такі як ядро та мітохондрії, укладені мембранами, подібними до тієї, що оточує клітину в цілому. Прокаріоти навіть не мають ядер; їх генетичний матеріал розподілений, хоча і дещо щільно, по всій цитоплазмі.
Значні молекулярні дані свідчать про те, що еукаріотичні клітини походять від прокаріотичних клітин, втрачаючи клітинну стінку в якийсь момент своєї еволюції. Хоча це робило окремі клітини більш вразливими до образ, це також дозволяло їм ускладнюватися та геометрично розширюватися в процесі. Насправді еукаріотичні клітини можуть бути в десять разів більшими за прокаріотичні клітини, що виявилося ще більш вражаючим тим, що одна клітина є цілістю прокаріотичного організму за визначенням. (Деякі еукаріоти також є одноклітинними.)
Будова клітинної мембрани
Клітинна мембрана складається з двошарової структури (іноді її називають «рідинною мозаїчною моделлю»), що складається в основному з фосфоліпідів. Один із цих шарів звернений до внутрішньої частини клітини, або цитоплазми, а інший - до зовнішнього середовища. Сторони, що спрямовані назовні та всередину, вважаються "гідрофільними" або приваблюються водянистим середовищем; внутрішня частина є "гідрофобною" або відштовхується від водянистих середовищ. Ізольовано клітинні мембрани є рідинами при температурі тіла, але при більш холодних температурах вони набувають гелеподібну консистенцію.
Ліпіди в двошаровому шарі складають близько половини загальної маси клітинної мембрани. Холестерин становить близько п'ятої частини ліпідів у клітинах тварин, але не в клітинах рослин, оскільки холестерин ніде не міститься в рослинах. Більша частина залишку мембрани припадає на білки з різноманітним різноманіттям функцій. Оскільки більшість білків є полярними молекулами, як і сама мембрана, їх гідрофільні кінці виступають назовні клітини, а гідрофобні кінці вказують на внутрішню сторону бішару.
Деякі з цих білків мають вуглеводні ланцюги, прикріплені до них, роблячи їх глікопротеїнами. Багато мембранних білків беруть участь у селективному перенесенні речовин через двошаровий шар, яким вони є може робити, створюючи білкові канали через мембрану, або шляхом фізичного переміщення їх через мембрану. Інші білки функціонують як рецептори на клітинних поверхнях, забезпечуючи місця зв'язування молекул, які несуть хімічні сигнали; ці білки потім передають цю інформацію всередину клітини. Ще інші мембранні білки діють як ферменти, що каталізують реакції, характерні для самої плазматичної мембрани.
Функції клітинної мембрани
Критичний аспект клітинної мембрани полягає не в тому, що вона "водонепроникна" або непроникна для речовин загалом; якби це було будь-яке, клітина загинула б. Ключ до розуміння основної роботи клітинної мембрани полягає в тому, що вона є вибірково проникний. Аналогія: Подібно до того, як більшість націй на Землі не забороняють людям подорожувати через міжнародні кордони нації, країни по всьому світу не мають звички дозволяти комусь і всі входять. Клітинні мембрани намагаються робити те, що роблять уряди цих країн, у значно менших масштабах: дозволити бажаним особам проникнути в камеру після "перевірки", забороняючи в'їзд особам, які можуть виявитись токсичними або руйнівними для внутрішньої частини або клітини як ціле.
В цілому мембрана діє як формальний кордон, утримуючи різні частини клітини однаково Таким чином, паркан навколо ферми утримує худобу разом, навіть дозволяючи їй блукати та змішуватися. Якби вам довелося вгадувати види молекул, яким дозволено входити і виходити найшвидше, ви могли б сказати "джерела палива" та "метаболічні відходи" відповідно, враховуючи, що це, по суті, те, що відбувається в цілому робити. І ти мав би рацію. Дуже малі молекули, такі як газоподібний кисень (O2), газоподібний вуглекислий газ (CO2) і води (H2O), може вільно проходити через мембрану, але проходження більших молекул, таких як амінокислоти та цукри, жорстко контролюється.
Ліпідний двошаровий
Молекули, які майже повсюдно називають "фосфоліпідами", що складають двошар клітинної мембрани, називаються правильніше "гліцерофосфоліпіди". Вони складаються з молекули гліцерину, який являє собою тривуглецевий спирт, приєднаний до двох довгих жирних кислот з одного боку та фосфатна група з іншого. Це надає молекулі довгу циліндричну форму, яка добре підходить для роботи як частина широкого листа, на що схожий на поперечному перерізі один шар мембранного двошару.
Фосфатна частина гліцерофосфоліпіду є гідрофільною. Конкретний вид фосфатної групи варіюється від молекули до молекули; наприклад, це може бути фосфатидилхолін, який включає азотовмісний компонент. Він гідрофільний, оскільки має нерівномірний розподіл заряду (тобто є полярним), так само, як і вода, тому ці два "уживаються" в тісних мікроскопічних кварталах.
Жирні кислоти, що знаходяться у внутрішній частині мембрани, не мають нерівномірного розподілу заряду ніде в своїй структурі, тому вони неполярні, а отже, і гідрофобні.
Через електрохімічні властивості фосфоліпідів, двошарова фосфоліпідна композиція не вимагає введення енергії для створення або підтримки. Насправді, фосфоліпіди, поміщені у воду, спонтанно приймають конфігурацію двошару приблизно так само, як рідини "шукають власний рівень".
Транспорт клітинної мембрани
Оскільки клітинна мембрана вибірково проникна, вона повинна забезпечувати засіб для перенесення різноманітних речовин, великих, а інших дрібних, з одного боку на інший. Подумайте, як можна переплисти річку чи водойму. Ви можете сісти на пором; ви можете просто дрейфувати на слабкому вітрі, або вас можуть нести стійкі річкові або океанські течії. І ви можете виявити, що перетинаєте водойму в першу чергу, тому що там занадто високо концентрація людей на вашому боці та занадто низька концентрація на іншому, що представляє потребу навіть речі назовні.
Кожен із цих сценаріїв певною мірою пов’язаний із ще одним із способів проходження молекулами крізь клітинну мембрану. Ці способи включають:
Проста дифузія: У цьому процесі молекули просто дрейфують через подвійну мембрану, проходячи або в клітину, або з неї. Ключовим тут є те, що молекули в більшості ситуацій рухатимуться вниз по градієнту концентрації, а це означає, що вони, природно, дрейфують із областей вищої концентрації до областей меншої концентрації. Якби ви заливали банку з фарбою в середину басейну, рух молекул фарби назовні представляв би форму простої дифузії. Молекули, які можуть перетинати клітинні мембрани таким чином, як ви можете передбачити, є невеликими молекулами, такими як О2 і CO2.
Осмос: Осмос можна описати як "всмоктуючий тиск", який спричиняє рух води, коли рух частинок, розчинених у воді, неможливий. Це відбувається, коли мембрана пропускає через неї воду, але не розчинені частинки («розчинені речовини»). Рушійною силою знову є градієнт концентрації, оскільки все місцеве середовище «шукає» рівноважного стану, при якому кількість розчиненої речовини в одиниці води протягом усього однакова. Якщо на одній стороні водопроникної, непроникної для розчиненої речовини мембрани більше частинок розчиненої речовини, ніж на іншій, вода буде надходити в область з більшою концентрацією розчиненої речовини. Тобто, якщо частинки не можуть змінювати свою концентрацію у воді, рухаючись, тоді сама вода рухатиметься, щоб виконати більш-менш ту саму роботу.
Полегшена дифузія: Знову ж таки, цей тип мембранного транспорту бачить, як частинки переміщуються з областей вищої концентрації в зони меншої концентрації. На відміну від випадку з простою дифузією, молекули рухаються всередину або з клітини через спеціалізовані білкові канали, а не просто дрейфують по просторах між гліцерофосфоліпідами молекули. Якщо ви коли-небудь спостерігали, що відбувається, коли щось, що дрейфує по річці, раптом опиняється в проході Ви знаєте, що об'єкт (можливо, друг у внутрішній трубі!) значно пришвидшується, перебуваючи в цьому прохід; так це з білковими каналами. Це найчастіше зустрічається у полярних або електрично заряджених молекул.
Активний транспорт: Типи мембранного транспорту, про які раніше говорилося, включають рух вниз за градієнтом концентрації. Однак іноді так само, як човни повинні рухатися вгору за течією, а машинам доводиться підніматися на пагорби, речовини більшість рухаються проти градієнта концентрації - енергетично несприятлива ситуація. Як результат, процес повинен забезпечуватися зовнішнім джерелом, і в цьому випадку цим джерелом є аденозинтрифосфат (АТФ), що є широко розповсюдженим паливом для мікроскопічних біологічних трансакцій. У цьому процесі одна з трьох фосфатних груп видаляється з АТФ, утворюючи аденозиндифосфат (АДФ) і вільний фосфат, і енергія, що виділяється гідролізом фосфатно-фосфатного зв'язку, використовується для "накачування" молекул вгору по градієнту і поперек мембрана.
Активний транспорт може також відбуватися непрямим або другорядним чином. Наприклад, мембранний насос може переміщати натрій через його градієнт концентрації з одного боку мембрани на інший, поза клітиною. Коли іон натрію дифундує назад в іншому напрямку, він може нести з собою молекулу глюкози власний градієнт концентрації молекули (концентрація глюкози, як правило, вища у внутрішній частині клітин, ніж у зовні). Оскільки рух глюкози суперечить її градієнту концентрації, це активний транспорт, але оскільки жоден АТФ не бере безпосередньої участі, це приклад вторинний активний транспорт.
