Зміст
- Клітинні мембрани по всьому спектру життя
- Структура клітинної мембрани
- Функції клітинної мембрани
- Ліпід Білайер
- Транспорт клітинної мембрани
Клітинна мембрана - її ще називають плазматичною або цитоплазматичною мембраною - є однією з найчарівніших та найвишуканіших конструкцій у світі біології. Клітина вважається фундаментальною одиницею або "будівельним блоком" всього живого на Землі; у вашому власному організмі є трильйони, а різні клітини в різних органах і тканинах мають різні структури, які виразно співвідносяться з функціями тканин, що складаються з цих клітин.
Хоча ядра клітин часто привертають найбільшу увагу, оскільки містять генетичний матеріал, необхідний для передачі інформації наступним поколінням організму, клітинна мембрана є буквальним захисником і охоронцем вмісту клітин. Однак мембрана далеко не просто контейнер чи бар'єр еволюціонувала для підтримки клітинної рівноваги або внутрішньої рівноваги за допомогою ефективних і невтомних транспортних механізмів, які роблять мембрану свого роду мікроскопічним митником, що дозволяє і забороняє вхід і вихід йонів і молекули відповідно до потреб клітини в режимі реального часу.
Клітинні мембрани по всьому спектру життя
Усі організми мають певні клітинні мембрани. Сюди входять прокаріоти, які в основному є бактеріями і, як вважають, представляють деякі найдавніші живі види на Землі, а також еукаріоти, до складу яких входять тварини та рослини. І прокаріотичні бактерії, і рослини еукаріоти мають клітинну стінку зовнішньої клітинної мембрани для додаткового захисту; у рослин ця стіна має пори, і вони не особливо виборчі щодо того, що може пройти, а що не може. Крім того, еукаріоти мають органели, такі як ядро та мітохондрії, укладені мембранами, як ті, що оточують клітину в цілому. У прокаріотів навіть немає ядер; їх генетичний матеріал розпорошений, хоча і дещо щільно, по всій цитоплазмі.
Чимало молекулярних даних свідчить про те, що еукаріотичні клітини походять від прокаріотичних клітин, втрачаючи клітинну стінку в певний момент своєї еволюції. Хоча це робило окремі клітини більш вразливими до образи, це також дозволяло їм ускладнюватися і геометрично розширюватися в процесі. Насправді еукаріотичні клітини можуть бути вдесятеро більшими, ніж прокаріотичні клітини, а висновок зробив ще більш вражаючим той факт, що одна клітина - це сукупність прокаріотичного організму за визначенням. (Деякі еукаріоти також одноклітинні.)
Структура клітинної мембрани
Клітинна мембрана складається з двошарової структури (її іноді називають «рідинною мозаїчною моделлю»), що складається в основному з фосфоліпідів. Один з цих шарів стикається з внутрішньою клітиною або цитоплазмою, а інший - із зовнішнім середовищем. Зовнішні та внутрішні сторони вважаються "гідрофільними" або притягуються до водянистих середовищ; внутрішня частина є "гідрофобною" або відштовхується водянистими середовищами. Ізольовано, клітинні мембрани є рідкими при температурі тіла, але при більш прохолодних температурах вони набувають гелеподібну консистенцію.
Ліпіди в двошаровому складі становлять близько половини загальної маси клітинної мембрани. Холестерин складає близько п’ятої частини ліпідів у клітинах тварин, але не в рослинних клітинах, оскільки холестерин ніде в рослинах не зустрічається. Більшість залишків мембрани припадає на білки з найрізноманітнішими функціями. Оскільки більшість білків є полярними молекулами, як і сама мембрана, їх гідрофільні кінці припливають до зовнішньої клітини, а їхні гідрофобні кінці вказують на внутрішню частину шару.
Деякі з цих білків мають приєднані до них вуглеводні ланцюги, що робить їх глікопротеїнами. Багато мембранних білків беруть участь у селективному транспорті речовин через двошаровий шар, що вони можуть робити, створюючи білкові канали через мембрану, або фізично переносячи їх через мембрану. Інші білки функціонують як рецептори на поверхні клітин, забезпечуючи місця зв’язування молекул, які несуть хімічні сигнали; ці білки потім передають цю інформацію у внутрішню частину клітини. Інші мембранні білки діють як ферменти, що каталізують реакції, зокрема, на саму плазматичну мембрану.
Функції клітинної мембрани
Критичний аспект клітинної мембрани полягає не в тому, що вона "водонепроникна" або непроникна для речовин взагалі; якби це було, клітина загинула б. Ключовим моментом для розуміння мембран клітин є те, що вона є вибірково проникні. Аналогія: Подібно до того, як більшість країн на Землі не забороняють людям пересуватися через міжнародні кордони країн, країни по всьому світу не мають звички пускати будь-кого і всіх. Клітинні мембрани намагаються робити те, що роблять уряди цих країн, у набагато меншому масштабі: дозволяють бажаним особам увійти в камеру після "перевірки", забороняючи входження до об'єктів, які можуть виявитись токсичними або руйнівними для внутрішніх справ або клітини як ціле.
В цілому мембрана виступає як формальна межа, утримуючи різні частини клітини разом так само, як огорожа навколо ферми тримає худобу разом, навіть дозволяючи їм бродити навколо та змішуватися. Якби вам довелося здогадуватися про види молекул, яким дозволено входити та виходити найбільш легко, ви можете сказати відповідно "джерела палива" та "метаболічні відходи", враховуючи, що це по суті те, що роблять органи в цілому. І ви б мали рацію. Дуже невеликі молекули, такі як газоподібний кисень (O2), газоподібний вуглекислий газ (СО)2) та води (Н2O), може вільно проходити по мембрані, але проходження більш великих молекул, таких як амінокислоти та цукри, жорстко контролюється.
Ліпід Білайер
Молекули, які майже повсюдно називаються "фосфоліпідами", що складають двошарову мембрану клітин, більш правильно називають "гліцерофосфоліпідами". Вони складаються з молекули гліцерину, що представляє собою тривуглецевий спирт, приєднаний до двох довгих жирних кислот з одного боку та фосфатної групи з іншого. Це надає молекулі довгу циліндричну форму, яка добре підходить до роботи, що є частиною широкого аркуша, який нагадує поперечний переріз одного шару мембранного шару.
Фосфатна частина гліцерофосфоліпіду гідрофільна. Специфічний вид фосфатної групи змінюється від молекули до молекули; наприклад, це може бути фосфатидилхолін, до складу якого входить азотовмісний компонент. Він гідрофільний, тому що має нерівномірний розподіл заряду (тобто полярний), як і вода, тому обидва «уживаються» в тісних мікроскопічних приміщеннях.
Жирні кислоти на внутрішній частині мембрани не мають нерівномірного розподілу заряду в будь-якій частині своєї структури, тому вони неполярні і, отже, гідрофобні.
Через електрохімічні властивості фосфоліпідів композиція фосфоліпідних двошарових не потребує введення енергії для створення або підтримки. Насправді фосфоліпіди, поміщені у воду, як правило, мимовільно припускають конфігурацію двошарових так само, як рідини "шукають свій рівень".
Транспорт клітинної мембрани
Оскільки клітинна мембрана є селективно проникною, вона повинна забезпечувати засоби отримання різноманітних речовин, одних великих та деяких дрібних, з однієї сторони на іншу. Подумайте, як можна перетнути річку або водойму. Ви можете взяти пором; ви можете просто повіяти на легкому вітрі, або вас можуть перенести стійкі річкові чи океанські течії. І ви можете виявити, що ви перетинаєте водойму в першу чергу, тому що занадто висока концентрація людей на вашому боці і занадто низька концентрація з іншого, що викликає необхідність вирівнювати речі.
Кожен із цих сценаріїв має певне відношення до одного з кількох способів проходження молекули через клітинну мембрану. Ці способи включають:
Проста дифузія: У цьому процесі молекули просто дрейфують через подвійну мембрану, щоб пройти або в клітину, або поза нею. Ключовим тут є те, що молекули в більшості ситуацій будуть рухатися вниз по градієнту концентрації, це означає, що вони природним чином переміщуються з областей більш високої концентрації в області з меншою концентрацією. Якби ви наливали банку з фарбою в середину басейну, рух назовні молекул фарби представляв би форму простої дифузії. Молекули, які можуть перетинати мембрани клітин таким чином, як ви можете передбачити, - це невеликі молекули, такі як O2 і СО2.
Осмоз: Осмоз може бути описаний як "тиск всмоктування", який викликає рух води, коли рух частинок, розчинених у воді, неможливий. Це відбувається, коли мембрана дозволяє воді, але не розчиненим частинкам ("розчинникам") проходити через неї. Рушійною силою знову є градієнт концентрації, оскільки все місцеве середовище "прагне" стану рівноваги, в якому кількість розчиненого речовини на одиницю води однакове протягом усього. Якщо на одній стороні водопроникної водонепроникної мембрани більше частинок розчиненої речовини, ніж на іншій, вода потече в область більш високої концентрації розчиненого речовини. Тобто, якщо частинки не можуть змінити свою концентрацію у воді шляхом переміщення, то сама вода переміститься, щоб виконати більш-менш ту саму роботу.
Полегшена дифузія: Знову-таки, цей тип мембранного транспорту бачить, як частинки переміщуються з областей більш високої концентрації в області з меншою концентрацією. Однак, на відміну від простої дифузії, молекули переміщуються в клітину або виходять з неї через спеціалізовані білкові канали, а не просто дрейфують через проміжки між молекулами гліцерофосфоліпідів. Якщо ви коли-небудь спостерігали за тим, що відбувається, коли щось пливе вниз по річці, раптом опиняється в проході між скелями, ви знаєте, що предмет (можливо, друг на внутрішній трубі!) Значно прискорюється, перебуваючи на цьому проїзді; так це і з білковими каналами. Це найчастіше з полярними або електрично зарядженими молекулами.
Активний транспорт: Раніше обговорювані типи мембранного транспорту передбачають рух вниз по градієнту концентрації. Однак іноді так само, як човни повинні рухатися вгору за течією, і автомобілі повинні підніматися на пагорби, речовини в більшості своїй рухаються проти градієнта концентрації - енергетично несприятлива ситуація. Як результат, цей процес має живитись від зовнішнього джерела, і в цьому випадку джерелом є аденозинтрифосфат (АТФ), яке є широко розповсюдженим паливом для мікроскопічних біологічних операцій. У цьому процесі одна з трьох фосфатних груп видаляється з АТФ для створення аденозиндифосфату (АДФ) та вільного фосфату, а енергія, звільнена гідролізом фосфат-фосфатної зв’язки, використовується для "перекачування" молекул вгору за градієнтом і поперек мембрани.
Активний транспорт може також відбуватися непрямим або вторинним способом. Наприклад, мембранний насос може переміщати натрій через його градієнт концентрації з однієї сторони мембрани на іншу, поза клітини. Коли іон натрію дифундує назад в іншому напрямку, він може нести з собою молекулу глюкози проти власного градієнта концентрації молекули (концентрація глюкози зазвичай вище на внутрішніх клітинах, ніж зовні). Оскільки рух глюкози проти його градієнта концентрації, це активний транспорт, але оскільки жоден АТФ не бере безпосереднього участі, це є прикладом вторинний активний транспорт.