Indhold
- Cellemembraner over hele livsspektret
- Cellemembranstruktur
- Cellemembranfunktioner
- The Lipid Bilayer
- Cellemembrantransport
Cellemembranen - også kaldet plasmamembranen eller cytoplasmatisk membran - er blandt de mest fascinerende og elegante konstruktioner i biologiens verden. Cellen betragtes som den grundlæggende enhed eller "byggesten" for alle levende ting på Jorden; din egen krop har billioner af dem, og forskellige celler i forskellige organer og væv har forskellige strukturer, der korrelerer smukt med funktionerne i vævene, der består af disse celler.
Mens cellerne i cellerne ofte er mest opmærksomme, da de indeholder det genetiske materiale, der er nødvendigt for at videresende information til efterfølgende generationer af organismen, er cellemembranen den bogstavelige portvagter og værge for cellernes indhold. Langt fra en ren beholder eller barriere har membranen imidlertid udviklet sig til at opretholde cellulær ligevægt eller indre balance gennem effektive og utrættelige transportmekanismer, der gør membranen til en slags mikroskopisk toldmyndighed, der tillader og nægter indtræden og udgangen af ioner og molekyler i overensstemmelse med cellerne i realtid behov.
Cellemembraner over hele livsspektret
Alle organismer har cellemembraner af en eller anden art. Dette inkluderer prokaryoter, der for det meste er bakterier og antages at repræsentere nogle af de ældste levende arter på Jorden, samt eukaryoter, der inkluderer dyr og planter. Både de prokaryote bakterier og de eukaryote planter har en cellevæg uden for cellemembranen for yderligere beskyttelse; i planter har denne væg porer, og de er ikke specielt selektive med hensyn til hvad der kan passere igennem og hvad der ikke kan. Derudover har eukaryoter organeller, såsom kernen og mitokondrierne, der er lukket af membraner som den, der omgiver cellen som helhed. Prokaryoter har ikke engang kerner; deres genetiske materiale er spredt, om end noget tæt, gennem cytoplasmaet.
Betydeligt molekylært bevis tyder på, at eukaryote celler stammer fra prokaryote celler, idet de mister cellevæggen på et tidspunkt i deres udvikling. Selvom dette gjorde individuelle celler mere sårbare over for fornærmelser, gav det dem også mulighed for at blive mere komplekse og udvide geometrisk i processen. Faktisk kan eukaryotiske celler være ti gange så store som prokaryotiske celler, hvilket er desto mere slående ved det faktum, at en enkelt celle er helheden af en prokaryot organisme pr. Definition. (Nogle eukaryoter er også encellede.)
Cellemembranstruktur
Cellemembranen består af en dobbeltlagsstruktur (undertiden kaldet "fluidmosaikmodellen") hovedsageligt sammensat af phospholipider. Et af disse lag vender mod det indre af cellen eller cytoplasma, mens det andet vender mod det ydre miljø. De udadvendte og indadvendte sider betragtes som "hydrofile" eller tiltrukket af vandige miljøer; den indre del er "hydrofob" eller frastøttes af vandige miljøer. Isoleret er cellemembraner flydende ved kropstemperaturer, men ved køligere temperaturer får de en gel-lignende konsistens.
Lipiderne i dobbeltlaget udgør omkring halvdelen af den totale masse af cellemembranen. Kolesterol udgør cirka en femtedel af lipiderne i dyreceller, men ikke i planteceller, da kolesterol ikke findes nogen steder i planter. Det meste af den resterende del af membranen står for proteiner med en forskelligartet funktion. Da de fleste proteiner er polære molekyler, som selve membranen, stikker deres hydrofile ender ud til cellen udvendigt, og deres hydrofobe ender peger mod det indre af dobbeltlaget.
Nogle af disse proteiner har kulhydratkæder knyttet til dem, hvilket gør dem til glycoproteins. Mange af membranproteinerne er involveret i den selektive transport af stoffer over dobbeltlaget, hvilket de kan gøre enten ved at skabe proteinkanaler over membranen eller ved fysisk at skubbe dem hen over membranen. Andre proteiner fungerer som receptorer på celleoverflader og tilvejebringer bindingssteder for molekyler, der bærer kemiske signaler; disse proteiner videresender derefter denne information til det indre af cellen. Yderligere andre membranproteiner fungerer som enzymer, der katalyserer reaktioner, specielt til selve plasmamembranen.
Cellemembranfunktioner
Det kritiske aspekt af cellemembranen er ikke, at den er "vandtæt" eller uigennemtrængelig for stoffer generelt; hvis det var enten, ville cellen dø. Nøglen til at forstå cellemembranernes hovedopgave er, at det er det selektivt permeabel. En analogi: Ligesom de fleste nationer på Jorden ikke helt forbyder folk at rejse over nationernes internationale grænser, er lande over hele kloden ikke i vane med at lade nogen og enhver komme ind. Cellemembraner forsøger at gøre, hvad disse landes regeringer gør i meget mindre skala: lad ønskelige enheder komme ind i cellen efter at have været "overvåget", mens de forhindrer adgang til enheder, der sandsynligvis viser sig giftige eller ødelæggende for det indre eller cellen som en hel.
Generelt fungerer membranen som en formel grænse, idet de forskellige dele af cellen holdes sammen på samme måde som et hegn omkring en gård holder husdyrene sammen, selvom de tillader dem at strejfe rundt og blande sig. Hvis du skulle gætte på hvilke slags molekyler der er tilladt at komme ind og ud lettest, kan du sige "henholdsvis brændstofkilder" og "metabolisk affald", da dette i det væsentlige er, hvad organer som helhed gør. Og du ville have ret. Meget små molekyler, såsom gasformigt ilt (O2), gasformigt kuldioxid (CO2) og vand (H2O), kan passere frit over membranen, men passagen af større molekyler, såsom aminosyrer og sukkerarter, kontrolleres tæt.
The Lipid Bilayer
Molekylerne, der næsten universelt kaldes "phospholipider", der udgør cellemembranen dobbeltlag, kaldes mere korrekt "glycerophospholipider." De består af et glycerolmolekyle, som er en tre-carbonalkohol, bundet til to lange fedtsyrer på den ene side og en fosfatgruppe på den anden. Dette giver molekylet en lang, cylindrisk form, der er velegnet til jobbet med at være en del af et bredt ark, hvilket er, hvad et enkelt lag af membran-dobbeltlaget ligner i tværsnit.
Fosfatdelen af glycerophospholipid er hydrofil. Den specifikke slags fosfatgruppe varierer fra molekyle til molekyle; for eksempel kan det være phosphatidylcholin, som indeholder en nitrogenholdig komponent. Det er hydrofilt, fordi det har en uensartet fordeling af ladningen (dvs. er polær), ligesom vand, så de to "går sammen" i tæt mikroskopisk kvarter.
Fedtsyrerne på det indre af membranen har ikke en uensartet fordeling af ladning overalt i deres struktur, så de er ikke-polære og dermed hydrofobe.
På grund af de elektrokemiske egenskaber af phospholipider kræver phospholipid-lagsarrangementet ingen tilførsel af energi til at skabe eller vedligeholde. Faktisk har phospholipider, der anbringes i vand, en tendens til spontant at antage dobbeltlagskonfigurationen på stort set samme måde som væsker "søger deres eget niveau."
Cellemembrantransport
Da cellemembranen er selektivt permeabel, skal den tilvejebringe et middel til at få en række stoffer, nogle store og nogle små, fra den ene side til den anden. Tænk på de måder, du kan krydse en flod eller en vandmasse. Du tager måske en færge; du kan måske bare køre på en let brise, eller du kan blive båret af jævne flod- eller havstrømme. Og du kan måske kun finde dig selv i at krydse vandmassen i første omgang, fordi der er en for høj koncentration af mennesker på din side og for lav koncentration på den anden, hvilket præsenterer et behov for at udjævne tingene.
Hver af disse scenarier har et forhold til en af flere af måderne molekyler kan passere gennem cellemembranen. Disse måder inkluderer:
Enkel diffusion: I denne proces driver molekyler simpelthen gennem den dobbelte membran for at passere enten ind eller ud af cellen. Nøglen her er, at molekyler i de fleste situationer vil bevæge sig nedad i en koncentrationsgradient, hvilket betyder, at de naturligt driver fra områder med højere koncentration til områder med lavere koncentration. Hvis du skulle hælde en dåse maling i midten af en svømmebassin, ville malingsmolekylernes bevægelse udad være en form for enkel diffusion. Molekylerne, der kan krydse cellemembraner på denne måde, som du måske forudsiger, er små molekyler som O2 og CO2.
osmose: Osmose kan beskrives som et "sugetryk", der forårsager bevægelse af vand, når bevægelsen af partikler opløst i vandet er umulig. Dette sker, når en membran tillader vand, men ikke de pågældende opløste partikler ("opløste stoffer") at passere gennem den. Drivkraften er igen en koncentrationsgradient, fordi hele det lokale miljø "søger" en ligevægtstilstand, hvor mængden af opløst stof pr. Vand er den samme overalt. Hvis der er flere opløste partikler på den ene side af en vandgennemtrængelig, opløst uigennemtrængelig membran end den anden, vil vand strømme til området med højere opløst koncentration. Det vil sige, at hvis partikler ikke kan ændre deres koncentration i vand ved at bevæge sig, vil vandet i sig selv bevæge sig for at udføre mere eller mindre det samme job.
Faciliteret diffusion: Igen ser denne type membrantransport partikler bevæge sig fra områder med højere koncentration til områder med lavere koncentration. I modsætning til tilfældet med simpelt diffusion bevæger molekylerne sig imidlertid ind eller ud af cellen via specialiserede proteinkanaler, snarere end blot at drive gennem mellemrummene mellem glycerophospholipidmolekyler. Hvis du nogensinde har set, hvad der sker, når noget, der driver ned ad en flod, pludselig befinder sig i en passage mellem klipper, ved du, at genstanden (måske en ven på et indre rør!) Fremskynder betydeligt, mens den er i denne passage; så er det med proteinkanaler. Dette er mest almindeligt med polære eller elektrisk ladede molekyler.
Aktiv transport: De typer, der tidligere er omtalt i membrantransport, involverer bevægelse ned ad en koncentrationsgradient. Nogle gange, ligesom både skal bevæge sig opstrøms og biler skal bestige bakker, bevæger stoffer sig mest mod en koncentrationsgradient - en energisk ugunstig situation. Som et resultat skal processen drives af en ekstern kilde, og i dette tilfælde er denne kilde adenosintrifosfat (ATP), det udbredte brændstof til mikroskopiske biologiske transaktioner. I denne proces fjernes en af de tre phosphatgrupper fra ATP for at skabe adenosindiphosphat (ADP) og et frit phosphat, og energien frigivet ved hydrolyse af phosphat-phosphatbindingen bruges til at "pumpe" molekyler op gradienten og på tværs af membranen.
Aktiv transport kan også ske indirekte eller sekundær. F.eks. Kan en membranpumpe bevæge natrium over dens koncentrationsgradient fra den ene side af membranen til den anden ud af cellen. Når natriumion diffunderer tilbage i den anden retning, kan det medføre et glukosemolekyle med sig mod det molekyls egen koncentrationsgradient (glukosekoncentration er normalt højere på indersiden af celler end på ydersiden). Da bevægelsen af glukose er mod dens koncentrationsgradient, er dette aktiv transport, men fordi ingen ATP er direkte involveret, er dette et eksempel på sekundær aktiv transport.