Innhold
- Cellemembraner over livspektrumet
- Cellemembranstruktur
- Cell Membrane Funksjoner
- The Lipid Bilayer
- Cellemembrantransport
Cellemembranen - også kalt plasmamembranen eller cytoplasmatisk membran - er blant de mest fascinerende og elegante konstruksjonene i biologiens verden. Cellen regnes som den grunnleggende enheten eller "byggesteinen" for alle levende ting på jorden; din egen kropp har billioner av dem, og forskjellige celler i forskjellige organer og vev har forskjellige strukturer som korrelerer utsøkt med funksjonene til vevene som består av disse cellene.
Mens kjernen i celler ofte trekker mest oppmerksomhet siden de inneholder det genetiske materialet som er nødvendig for å gi informasjon videre til påfølgende generasjoner av organismen, er cellemembranen den bokstavelige portvokteren og vergen for celleinnholdet. Langt fra en ren beholder eller barriere har membranen imidlertid utviklet seg til å opprettholde cellulær likevekt, eller indre balanse, gjennom effektive og utrettelige transportmekanismer som gjør membranen til en slags mikroskopisk tollvesen, som tillater og nekter inntreden og uttreden av ioner og molekyler i samsvar med cellenes sanntidsbehov.
Cellemembraner over livspektrumet
Alle organismer har cellemembraner av noe slag. Dette inkluderer prokaryoter, som for det meste er bakterier og antas å representere noen av de eldste levende artene på jorden, samt eukaryoter, som inkluderer dyr og planter. Både de prokaryote bakteriene og de eukaryote planter har en cellevegg utenfor cellemembranen for ytterligere beskyttelse; i planter har denne veggen porer, og de er ikke spesielt selektive med tanke på hva som kan passere gjennom og hva som ikke kan. I tillegg har eukaryoter organeller, slik som kjernen og mitokondriene, omsluttet av membraner som den som omgir cellen som helhet. Prokaryoter har ikke engang kjerner; deres arvestoff er spredt, om enn noe tett, gjennom cytoplasmaet.
Betydelig molekylær bevis tyder på at eukaryote celler er nedstammet fra prokaryote celler, og mister celleveggen på et tidspunkt i utviklingen. Selv om dette gjorde individuelle celler mer utsatt for fornærmelser, gjorde det dem også i stand til å bli mer komplekse og utvide geometrisk i prosessen. Faktisk kan eukaryote celler være ti ganger så store som prokaryote celler, et funn som blir desto mer påfallende ved at en enkelt celle er helheten til en prokaryot organisme per definisjon. (Noen eukaryoter er også encellede.)
Cellemembranstruktur
Cellemembranen består av en dobbeltlagsstruktur (noen ganger kalt "fluidmosaikkmodellen") hovedsakelig sammensatt av fosfolipider. Ett av disse lagene vender mot det indre av cellen, eller cytoplasma, mens det andre vender mot det ytre miljø. De ytre og innovervendte sidene anses som "hydrofile" eller tiltrekkes av vannholdige miljøer; den indre delen er "hydrofob" eller frastøt av vannholdige miljøer. Isolert sett er cellemembraner flytende ved kroppstemperaturer, men ved kjøligere temperaturer får de en gel-lignende konsistens.
Lipidene i dobbeltlaget utgjør omtrent halvparten av den totale massen til cellemembranen. Kolesterol utgjør omtrent en femtedel av lipidene i dyreceller, men ikke i planteceller, da kolesterol ikke finnes noe sted i planter. Det meste av resten av membranen står for proteiner med mange forskjellige funksjoner. Siden de fleste proteiner er polare molekyler, som selve membranen, stikker deres hydrofile ender ut til cellen utvendig, og deres hydrofobe ender peker mot det indre av dobbeltlaget.
Noen av disse proteinene har karbohydratkjeder festet til seg, noe som gjør dem til glykoproteiner. Mange av membranproteinene er involvert i selektiv transport av stoffer over dobbeltlaget, noe de kan gjøre enten ved å lage proteinkanaler over membranen eller ved fysisk å skubbe dem over membranen. Andre proteiner fungerer som reseptorer på celleoverflater, og gir bindingssteder for molekyler som bærer kjemiske signaler; Disse proteiner videresender deretter denne informasjonen til det indre av cellen. Atter andre membranproteiner fungerer som enzymer som katalyserer reaksjoner spesielt for selve plasmamembranen.
Cell Membrane Funksjoner
Det kritiske aspektet ved cellemembranen er ikke at den er "vanntett" eller ugjennomtrengelig for stoffer generelt; hvis det var en av dem, ville cellen dø. Nøkkelen til å forstå cellemembranenes viktigste jobb er at den er det selektivt gjennomtrengelig. En analogi: Akkurat som de fleste nasjoner på jorden ikke helt forbyr folk å reise over landets internasjonale grenser, er ikke land over hele kloden for vane å la noen og enhver komme inn. Cellemembraner prøver å gjøre det som disse lands regjeringer gjør, i mye mindre skala: la ønskelige enheter komme inn i cellen etter å ha blitt "overvåket" mens de hindrer innreise til enheter som sannsynligvis vil være giftige eller ødeleggende for interiøret eller cellen som en hel.
Totalt sett fungerer membranen som en formell grense, og holder de forskjellige delene av cellen sammen på samme måte som et gjerde rundt en gård holder husdyrene sammen selv mens de lar dem streife rundt og blande seg. Hvis du måtte gjette hva slags molekyler som er lov å komme inn og ut lettest, kan du si henholdsvis "kilder til drivstoff" og "metabolsk avfall", gitt at dette egentlig er hva organer som helhet gjør. Og du ville ha rett. Svært små molekyler, for eksempel gassformig oksygen (O2), gassformig karbondioksid (CO2) og vann (H2O), kan passere fritt over membranen, men passasjen av større molekyler, som aminosyrer og sukker, er tett kontrollert.
The Lipid Bilayer
Molekylene som nesten universelt kalles "fosfolipider" som utgjør cellemembranen dobbeltlag, kalles mer riktig "glyserofosfolipider." De består av et glyserolmolekyl, som er en tre-karbon alkohol, festet til to lange fettsyrer på den ene siden og en fosfatgruppe på den andre. Dette gir molekylet en lang, sylindrisk form som er godt egnet til jobben med å være en del av et bredt ark, og det er det som et enkelt lag av membran-dobbeltlaget ligner på tverrsnitt.
Fosfatdelen av glyserofosfolipid er hydrofil. Den spesifikke typen fosfatgrupper varierer fra molekyl til molekyl; for eksempel kan det være fosfatidylkolin, en som inkluderer en nitrogenholdig komponent. Det er hydrofilt fordi det har en ujevn fordeling av ladning (dvs. er polart), akkurat som vann, slik at de to "kommer sammen" i nære mikroskopiske kvartaler.
Fettsyrene på innsiden av membranen har ikke en ujevn fordeling av ladning noe sted i strukturen, så de er ikke-polare og dermed hydrofobe.
På grunn av fosfolipids elektrokjemiske egenskaper, krever fosfolipid-lagsarrangementet ingen tilførsel av energi for å skape eller vedlikeholde. Faktisk har fosfolipider plassert i vann en tendens til spontant å anta tolagskonfigurasjonen på omtrent samme måte som væsker "søker sitt eget nivå."
Cellemembrantransport
Fordi cellemembranen er selektivt permeabel, må den gi et middel til å få en rekke stoffer, noen store og noen små, fra den ene siden til den andre. Tenk på måtene du kan krysse en elv eller en vannmasse. Du kan ta en ferge; du kan ganske enkelt drive på en lett bris, eller du kan bli båret av jevn elve- eller havstrømmer. Og du vil kanskje bare finne deg selv å krysse vannmassen i utgangspunktet fordi det er for høy konsentrasjon av mennesker på din side og for lav konsentrasjon på den andre, noe som presenterer et behov for å jevne ut ting.
Hvert av disse scenariene har et forhold til en av flere av måtene molekyler kan passere gjennom cellemembranen. Disse måtene inkluderer:
Enkel diffusjon: I denne prosessen driver molekyler ganske enkelt gjennom dobbeltmembranen for å passere enten inn eller ut av cellen. Nøkkelen her er at molekyler i de fleste situasjoner vil bevege seg nedover en konsentrasjonsgradient, noe som betyr at de naturlig driver fra områder med høyere konsentrasjon til områder med lavere konsentrasjon. Hvis du skulle helle en boks maling i midten av et svømmebasseng, ville den ytre bevegelsen av malingsmolekylene representere en form for enkel diffusjon. Molekylene som kan krysse cellemembraner på denne måten, som du kanskje forutsier, er små molekyler som O2 og CO2.
osmose: Osmose kan beskrives som et "sugetrykk" som forårsaker bevegelse av vann når bevegelsen av partikler oppløst i vannet er umulig. Dette skjer når en membran lar vann, men ikke de oppløste partiklene ("løste stoffer") det gjelder. Drivkraften er igjen en konsentrasjonsgradient, fordi hele nærmiljøet "søker" en likevektsstilstand der mengden av oppløst stoff per vann enhet er den samme gjennom hele. Hvis det er flere løste partikler på den ene siden av en vanngjennomtrengelig, løst ugjennomtrengelig membran enn den andre, vil vann strømme til området med høyere konsentrasjon av løst stoff. Det vil si at hvis partikler ikke kan endre konsentrasjonen i vann ved å bevege seg, vil selve vannet bevege seg for å oppnå mer eller mindre den samme jobben.
Tilrettelagt diffusjon: Igjen ser denne typen membrantransport partikler bevege seg fra områder med høyere konsentrasjon til områder med lavere konsentrasjon. I motsetning til tilfellet med enkel diffusjon, beveger molekylene seg imidlertid inn eller ut av cellen via spesialiserte proteinkanaler, i stedet for bare å drive gjennom mellomrommene mellom glyserofosfolipidmolekyler. Hvis du noen gang har sett hva som skjer når noe som driver nedover en elv plutselig befinner seg i en gang mellom steiner, vet du at gjenstanden (kanskje en venn på et indre rør!) Setter fart betydelig mens du er i denne passasjen; slik er det med proteinkanaler. Dette er mest vanlig med polare eller elektrisk ladede molekyler.
Aktiv transport: Typene membrantransport som tidligere er diskutert, involverer bevegelse nedover en konsentrasjonsgradient. Noen ganger, derimot, akkurat som båter må bevege seg oppstrøms og biler må bestige bakker, beveger stoffer seg mest mot en konsentrasjonsgradient - en energisk ugunstig situasjon. Som et resultat må prosessen drives av en ekstern kilde, og i dette tilfellet er kilden adenosintrifosfat (ATP), det utbredte drivstoffet for mikroskopiske biologiske transaksjoner. I denne prosessen fjernes en av de tre fosfatgruppene fra ATP for å lage adenosindifosfat (ADP) og et fritt fosfat, og energien som frigjøres ved hydrolyse av fosfat-fosfatbindingen brukes til å "pumpe" molekyler opp gradienten og over membranen.
Aktiv transport kan også skje indirekte eller sekundær. For eksempel kan en membranpumpe flytte natrium over sin konsentrasjonsgradient fra den ene siden av membranen til den andre, ut av cellen. Når natriumion diffunderer tilbake i den andre retningen, kan det føre med seg et glukosemolekyl mot molekylenes egen konsentrasjonsgradient (glukosekonsentrasjon er vanligvis høyere på innsiden av celler enn på utsiden). Siden bevegelsen av glukose er mot dens konsentrasjonsgradient, er dette aktiv transport, men fordi ingen ATP er direkte involvert, er dette et eksempel på sekundær aktiv transport.