Vsebina
- Celične membrane po življenjskem spektru
- Struktura celične membrane
- Funkcije celične membrane
- Lipid Bilayer
- Transport celične membrane
Celična membrana - imenovana tudi plazemska membrana ali citoplazmatska membrana - spada med najfascinantnejše in najbolj elegantne konstrukte v svetu biologije. Celica velja za temeljno enoto ali "gradnik" vseh živih bitij na Zemlji; vaše telo ima trilijone, različne celice v različnih organih in tkivih pa imajo različne strukture, ki izvrstno korelirajo s funkcijami tkiv, ki so sestavljene iz teh celic.
Medtem ko jedra celic pogosto pritegnejo največ pozornosti, saj vsebujejo genetski material, potreben za posredovanje informacij naslednjim generacijam organizma, je celična membrana dobesedni čuvaj in varuh vsebine celic. Daleč od zgolj posode ali pregrade pa se je membrana razvila, da bi ohranila celično ravnovesje ali notranje ravnovesje, z učinkovitimi in neutrudnimi transportnimi mehanizmi, zaradi katerih je membrana nekakšen mikroskopski uradnik, ki omogoča in onemogoča vstop in izstop ionov in molekule v skladu s potrebami celic v realnem času.
Celične membrane po življenjskem spektru
Vsi organizmi imajo neke vrste celične membrane. Sem spadajo prokarioti, ki so večinoma bakterije in naj bi predstavljali nekatere najstarejše žive vrste na Zemlji, pa tudi evkarioti, ki vključujejo živali in rastline. Tako prokariontske bakterije kot evkariontske rastline imajo celično steno zunaj celične membrane za dodatno zaščito; pri rastlinah ima ta stena pore in niso posebej izbirne glede tega, kaj lahko gre skozi in česa ne. Poleg tega imajo evkarionti organele, kot sta jedro in mitohondriji, obdane z membranami, kot je celica, ki obdaja celico kot celoto. Prokarioti nimajo niti jeder; njihov genetski material je, čeprav nekoliko tesno, razpršen po citoplazmi.
Številni molekularni dokazi kažejo, da se evkariontske celice spuščajo iz prokariotskih celic in v nekem trenutku svoje evolucije izgubijo celično steno. Čeprav so posamezne celice postale bolj ranljive za žalitve, jim je to tudi omogočilo, da so se v procesu bolj zakomplicirale in se geometrično razširile. Dejansko so evkariontske celice lahko desetkrat večje od prokariotskih celic, ugotovitev pa je še toliko bolj presenetljiva zaradi dejstva, da je posamezna celica po definiciji celota prokariotskega organizma. (Nekateri evkarioti so tudi enocelični.)
Struktura celične membrane
Celična membrana je sestavljena iz dvoslojne strukture (včasih imenovane "model tekočega mozaika"), sestavljene predvsem iz fosfolipidov. Ena od teh plasti se sooča z notranjostjo celice ali citoplazmo, druga pa z zunanjim okoljem. Zunanje in navzven obrnjene strani veljajo za "hidrofilne" ali privlačene v vodnatih okoljih; notranji del je "hidrofoben" ali ga odbija vodna okolja. Celične membrane so izolirane pri telesni temperaturi, pri hladnejših pa prevzamejo gel podobno konsistenco.
Lipidi v dvoslojni predstavljajo približno polovico celotne mase celične membrane. Holesterol predstavlja približno petino lipidov v živalskih celicah, ne pa tudi v rastlinskih celicah, saj holesterola nikjer v rastlinah. Večino preostalega dela membrane predstavljajo beljakovine z najrazličnejšimi funkcijami. Ker je večina beljakovin polarnih molekul, tako kot sama membrana, njihovi hidrofilni konci segajo proti celicni zunanjosti, njihovi hidrofobni konci pa kažejo na notranjost dvosloja.
Nekatere od teh beljakovin imajo na njih pritrjene verige ogljikovih hidratov, zaradi česar so glikoproteini. Veliko membranskih beljakovin je vključenih v selektivni transport snovi skozi dvoplast, kar lahko storijo bodisi z ustvarjanjem beljakovinskih kanalov čez membrano bodisi s fizičnim prestavljanjem skozi membrano. Drugi proteini delujejo kot receptorji na celičnih površinah in zagotavljajo vezna mesta za molekule, ki prenašajo kemijske signale; ti proteini nato te podatke prenašajo v notranjost celice. Ostali membranski proteini delujejo kot encimi, ki katalizirajo reakcije, zlasti na plazemsko membrano.
Funkcije celične membrane
Kritični vidik celične membrane ni, da je "vodoodporna" ali na splošno nepropustna za snovi; če bi bilo tako, bi celica umrla. Ključno za razumevanje glavne naloge celičnih membran je, da je selektivno prepustna. Analogija: Tako kot večina držav na Zemlji ljudem popolnoma ne prepoveduje potovanja čez mednarodne meje držav, tudi države po vsem svetu ne puščajo nobenega in vsakogar. Celične membrane poskušajo narediti tisto, kar počnejo vlade teh držav, v veliko manjšem obsegu: omogočiti zaželenim subjektom, da vstopijo v celico, potem ko so "preverjene", medtem ko preprečijo vstop subjektom, za katere je verjetno, da se bodo v notranjosti ali celici izkazale strupene celoto.
Na splošno membrana deluje kot formalna meja, tako da različne dele celice držijo skupaj na enak način, če ograja okoli kmetije ohranja živino skupaj, hkrati pa jim omogoča, da se sprehajajo in se družijo. Če bi morali uganiti vrste molekul, ki jim je dovoljeno vstopiti in izstopiti najhitreje, bi lahko rekli "viri goriva" oziroma "presnovni odpadki", glede na to, da to v bistvu počnejo telesa kot celota. In imeli bi prav. Zelo majhne molekule, kot je plinasti kisik (O2), plinasti ogljikov dioksid (CO2) in vode (H2O) lahko prosto prehaja po membrani, vendar je prehod večjih molekul, kot so aminokisline in sladkorji, strogo nadzorovan.
Lipid Bilayer
Molekule, ki jih skoraj splošno imenujemo "fosfolipidi", ki tvorijo dvoplast celične membrane, bolj pravilno imenujemo "glicerofosfolipidi." Sestavljeni so iz molekule glicerola, ki je tri-ogljikov alkohol, vezan na dve dolgi maščobni kislini na eni strani in fosfatno skupino na drugi. To daje molekuli dolgo, cilindrično obliko, ki je zelo primerna za del širokega lista, kar je en sam sloj membranskega dvosloja v prerezu.
Fosfatni del glicerofosfolipida je hidrofilni. Specifična vrsta fosfatne skupine se razlikuje od molekule do molekule; lahko je na primer fosfatidilholin, ki vključuje sestavino, ki vsebuje dušik. Je hidrofilna, ker ima neenakomerno porazdelitev naboja (t.j. je polarna), tako kot voda, zato se oba "spravita" v tesne mikroskopske prostore.
Maščobne kisline v notranjosti membrane nimajo neenakomerne porazdelitve naboja kjer koli v svoji strukturi, zato so nepolarne in zato hidrofobne.
Zaradi elektrokemijskih lastnosti fosfolipidov razporeditev fosfolipidnega dvosloja ne potrebuje vložka energije za ustvarjanje ali vzdrževanje. Dejansko fosfolipidi, nameščeni v vodi, ponavadi spontano prevzamejo dvoslojno konfiguracijo na podoben način, kot tekočine "iščejo svojo raven".
Transport celične membrane
Ker je celična membrana selektivno prepustna, mora zagotoviti sredstvo za pridobivanje različnih snovi, nekaj velikih in nekaj majhnih, z ene strani na drugo. Pomislite na načine, kako lahko prečkate reko ali vodno telo. Lahko se peljete s trajektom; boste morda preprosto zavili na lahki vetrič ali pa vas bodo prenašali ustaljeni rečni ali oceanski tokovi. In morda se boste najprej znašli, če prehajate vodno telo, ker je previsoka koncentracija ljudi na vaši strani in prenizka koncentracija na drugi strani, kar predstavlja potrebo po izločanju stvari.
Vsak od teh scenarijev je povezan z enim od več načinov, kako molekule lahko prehajajo skozi celično membrano. Ti načini vključujejo:
Enostavna difuzija: Pri tem procesu se molekule preprosto pretakajo skozi dvojno membrano, da preidejo v celico ali iz nje. Ključno pri tem je, da se bodo molekule v večini situacij premaknile navzdol po koncentracijskem gradientu, kar pomeni, da se naravno gibljejo iz območij z višjo koncentracijo na območja z nižjo koncentracijo. Če bi na sredino bazena vlili pločevinko barve, bi gibanje molekul barve navzven predstavljalo obliko preproste difuzije. Molekule, ki lahko prečkajo celične membrane na ta način, kot lahko predvidevate, so majhne molekule, kot je O2 in CO2.
Osmoza: Osmozo lahko opišemo kot "sesalni tlak", ki povzroči gibanje vode, kadar je gibanje delcev, raztopljenih v vodi, nemogoče. To se zgodi, ko membrana omogoča, da skozi njo prehaja voda, ne pa raztopljeni delci ("topljeni"). Gonilna sila je znova gradient koncentracije, ker celotno lokalno okolje "išče" ravnovesno stanje, v katerem je količina topljene snovi na enoto vode enaka v celotnem. Če je na eni strani vodoprepustne, topno-nepropustne membrane več delcev topne snovi od druge, bo voda pritekla na območje z višjo koncentracijo topljenca. To pomeni, da če delci s premikanjem ne morejo spremeniti koncentracije v vodi, se bo voda sama premaknila, da bi opravila bolj ali manj enako delo.
Olajšana difuzija: Ponovno se pri tej vrsti membranskega transporta delci premaknejo iz območij z višjo koncentracijo v območja z nižjo koncentracijo. Za razliko od preproste difuzije pa se molekule gibljejo v celico ali iz nje prek specializiranih beljakovinskih kanalov, namesto da se preprosto gibljejo skozi prostore med molekuli glicerofosfolipida. Če ste že kdaj gledali, kaj se zgodi, ko se nekaj, kar pluje po reki, nenadoma znajde v prehodu med skalami, veste, da se predmet (morda prijatelj na notranji cevi!) Med tem prehodom precej pospeši; tako je z beljakovinskimi kanali. To se najpogosteje dogaja pri molekulah polarnih ali električnih nabojev.
Aktivni prevoz: Vse vrste prej omenjenih membranskih prevozov vključujejo gibanje navzdol po koncentracijskem gradientu. Včasih pa se mora, tako kot se čolni premikati navzgor in se avtomobili vzpenjati po hribih, se snovi najbolj premikajo proti koncentracijskemu gradientu - energetsko neugodne razmere. Rezultat tega je, da mora postopek poganjati zunanji vir, v tem primeru pa je adenozin trifosfat (ATP), ki je razširjeno gorivo za mikroskopske biološke transakcije. V tem postopku se ena od treh fosfatnih skupin odstrani iz ATP, da nastane adenozin difosfat (ADP) in prosti fosfat, energija, ki se sprosti s hidrolizo fosfatno-fosfatne vezi, pa se porabi za "prečrpavanje" molekul v gradientu in čez membrano.
Aktivni prevoz se lahko pojavi tudi posredno ali sekundarno. Na primer, membranska črpalka lahko premika natrij prek njegovega koncentracijskega gradienta z ene strani membrane na drugo, izven celice. Ko se natrijev ion razprši nazaj v drugo smer, lahko s seboj nosi molekulo glukoze proti lastnemu molekuli koncentracije glukoze (koncentracija glukoze je ponavadi višja na notranjosti celic kot na zunanji strani). Ker je gibanje glukoze v nasprotju z njenim koncentracijskim gradientom, je to aktivni transport, ker pa noben ATP ne sodeluje neposredno, je to primer sekundarno aktivni prevoz.