Tartalom
- Sejtmembránok az élet spektrumán
- Sejtmembrán szerkezete
- A sejtmembrán funkciói
- A lipid bilayer
- Sejtmembrán szállítás
A sejtmembrán - amelyet plazmamembránnak vagy citoplazmatikus membránnak is neveznek - az egyik legérdekesebb és legelegánsabb konstrukció a biológia világában. A sejtet a Földön élő összes lény alapvető egységének vagy építőelemeinek tekintik; a saját tested trilliókból áll, és a különféle szervek és szövetek különböző sejtjeinek szerkezete eltérő, és tökéletesen korrelál az ezekből a sejtekből álló szövetek funkcióival.
Míg a sejtek sejtmagjai gyakran felhívják a legnagyobb figyelmet, mivel tartalmazzák a genetikai anyagot, amely szükséges az információ továbbításához a szervezet következő generációihoz, addig a sejtmembrán a sejtek tartalmának szó szerinti kapuja és őre. A membrán messze nem csupán a tartálytól vagy gáttól, hanem a celluláris egyensúly vagy belső egyensúly fenntartása érdekében, hatékony és fáradhatatlan szállítási mechanizmusok révén alakult ki, amelyek a membránt egyfajta mikroszkopikus vámtisztviselővé teszik, lehetővé téve és megtagadva az ionok belépését és kilépését. molekulák a sejtek valós idejű igényeinek megfelelően.
Sejtmembránok az élet spektrumán
Minden organizmus valamilyen sejtmembránnal rendelkezik. Ide tartoznak a prokarióták, amelyek többnyire baktériumok, és úgy gondolják, hogy képviselik a Föld egyik legrégebbi élő faját, valamint az eukarióták, amelyek állatokat és növényeket is magukban foglalnak. Mind a prokarióta baktériumok, mind az eukarióta növények a sejtmembránon kívül egy sejtfallal rendelkeznek a további védelem érdekében; a növényekben ennek a falnak pórusai vannak, és nem különösebben szelektívek abban, hogy mi mehet át, és mi nem. Ezen túlmenően az eukarióták olyan organellákat tartalmaznak, mint a mag és a mitokondriumok, amelyeket olyan membránok zárnak le, mint amilyeneket a sejt egészét körülvevő. A prokariótáknak sincs magjaik; genetikai anyaguk eloszlik, bár kissé szorosan, a citoplazmában.
Figyelemre méltó molekuláris bizonyítékok arra utalnak, hogy az eukarióta sejtek prokarióta sejtekből származnak, evolúciójuk egy bizonyos pontján elveszítik a sejtfalat. Bár ez az egyes sejteket érzékenyebbé tette a sértésekkel szemben, ez lehetővé tette számukra, hogy komplexebbé váljanak és geometriailag terjedjenek a folyamat során. Valójában az eukarióta sejtek tízszer nagyobbak lehetnek, mint a prokarióta sejtek; ezt a megállapítást még inkább meglepőnek tekinti az a tény, hogy az egyetlen sejt definíció szerint egy teljes prokarióta szervezet. (Egyes eukarióták egysejtűek is.)
Sejtmembrán szerkezete
A sejtmembrán egy kétrétegű szerkezetből áll (amelyet néha "folyadékmozaik modellnek" hívnak), amely főként foszfolipidekből áll. Az egyik réteg a sejt belsejébe vagy a citoplazmába néz, míg a másik a külső környezetbe. A kifelé és befelé néző oldalakat hidrofilnek tekintik, vagy a vizes környezet vonzza őket; a belső rész "hidrofób" vagy vizes környezetben taszítódik. Elkülönítve a sejtmembránok testhőmérsékleten folyékonyak, de hűvösebb hőmérsékleten gélszerű állagot kapnak.
A kétrétegű lipidek a sejtmembrán teljes tömegének körülbelül felét teszik ki. A koleszterin az állati sejtek lipideinek körülbelül egyötödét teszi ki, de a növényi sejtekben nem, mivel a koleszterint a növényekben sehol sem találják meg. A membrán fennmaradó részének a sokféle funkciójú fehérje felel meg. Mivel a legtöbb fehérje poláris molekulák, akárcsak a membrán, hidrofil végeik a sejt külsejéig jutnak, hidrofób végeik pedig a kettős réteg belsejébe mutatnak.
Ezen fehérjék némelyikéhez szénhidrát láncok kapcsolódnak, így glikoproteinekké válnak. Számos membránfehérje részt vesz az anyagok szelektív transzportjában a kettős rétegben, amit megtehetnek fehérjecsatornák létrehozásával a membránon vagy fizikai átfutással a membránon. Más fehérjék receptorként működnek a sejtek felületén, kötőhelyeket biztosítva a molekulák számára, amelyek kémiai jeleket hordoznak; ezek a fehérjék ezt az információt továbbítják a sejt belsejébe. Még más membránfehérjék enzimekként működnek, amelyek katalizálják a maga a plazmamembrán reakcióit.
A sejtmembrán funkciói
A sejtmembrán kritikus szempontja nem az, hogy vízálló vagy általában nem átjárható az anyagok számára; ha ez lenne, a sejt meghal. A sejtmembránok fő feladatának megértésének kulcsa az, hogy az legyen szelektíven áteresztő. Analógia: Mint ahogy a Földön a legtöbb nemzet sem tiltja meg teljesen az embereket a nemzetek nemzetközi határainak átutazásakor, a világ többi országa sem szokott engedni senkit és mindenki belépni. A sejtmembránok sokkal kisebb méretben próbálják megtenni azt, amit ezek az országok kormányai tesznek: lehetővé teszik a kívánt egységek számára, hogy belépjenek a sejtbe, miután "ellenőrizték", miközben megakadályozzák a belépést olyan entitásokba, amelyek valószínűleg mérgezőnek vagy pusztítónak bizonyulnak a belső vagy a sejt számára egész.
Összességében a membrán formális határként hat, és a cella különféle részeit ugyanúgy fogja össze, ahogyan egy farm körül kerítés tartja az állatokat együtt, miközben lehetővé teszi számukra, hogy körüljárjanak és összekeveredjenek. Ha kitalálnia kellene azokat a molekulákat, amelyek belépése vagy kilépése a legkönnyebben megengedett, akkor azt mondhatja: „üzemanyag-források” és „anyagcserék”, figyelembe véve, hogy lényegében ez az, amit a testek tesznek. És igazad lenne. Nagyon kicsi molekulák, például gáznemű oxigén (O2), gáznemű szén-dioxid (CO2) és víz (H2O) szabadon áthaladhat a membránon, de a nagyobb molekulák, például az aminosavak és a cukrok áthaladását szigorúan ellenőrzik.
A lipid bilayer
A sejtmembrán kettős rétegét alkotó molekulákat, amelyeket szinte egyetemesen "foszfolipideknek" hívnak, helyesebben "glicerofoszfolipideknek" nevezzük. Glicerin molekulából állnak, amely egy három széntartalmú alkohol, egyik oldalán két hosszú zsírsavhoz, a másik oldalán foszfátcsoporthoz kapcsolódva. Ez a molekula hosszú, hengeres alakját adja, amely jól illeszkedik egy széles lemez részéhez, amely a membrán kettős rétegének egyrétegű keresztmetszete.
A glicerofoszfolipid foszfát része hidrofil. A foszfátcsoport fajta molekulánként változik; lehet például foszfatidilkolin, amely nitrogéntartalmú komponenst tartalmaz. Hidrofil, mivel a töltés eloszlása egyenetlen (azaz sarkú), csakúgy, mint a víz, tehát a kettő szorosan mikroszkopikus részekben "átjut".
A membrán belsejében levő zsírsavak struktúrájukban sehol nincs egyenletes töltéseloszlás, tehát nem polárosak, és ezért hidrofóbak.
A foszfolipidek elektrokémiai tulajdonságai miatt a foszfolipid kettős réteg elrendezése nem igényel energiát a létrehozáshoz vagy fenntartáshoz. Valójában a vízbe helyezett foszfolipidek hajlamosak spontán módon feltételezni a kettős réteg konfigurációját, ugyanúgy, ahogy a folyadékok "saját szintjükre törekednek".
Sejtmembrán szállítás
Mivel a sejtmembrán szelektíven áteresztő képességgel bír, lehetővé kell tenni, hogy különféle anyagok - némelyek nagyok és kicsik - az egyik oldalról a másikra eljuthassanak. Gondolj arra, hogy miként léphet át egy folyón vagy egy víztestben. Lehet, hogy komppal utazik; egyszerűen sodródhat enyhe szellőn, vagy állandó folyó- vagy óceánáramok hordozhatnak téged. És először csak akkor találhatja magát, ha átlép a víztestben, mert túl magas az emberek koncentrációja az Ön oldalán, és túl alacsony a koncentráció a másik oldalon, ami szükségessé teszi a dolgok kiegyenlítését.
Ezeknek a forgatókönyveknek valamilyen összefüggése van a molekuláknak a sejtmembránon történő átjutásának egy vagy több módszerével. Ezek a következők:
Egyszerű diffúzió: Ebben a folyamatban a molekulák egyszerűen sodródnak a kettős membránon, hogy átjuthassanak a sejtekbe vagy a sejtből. A kulcs itt az, hogy a molekulák a legtöbb helyzetben a koncentráció-gradienssel lefelé mozognak, ami azt jelenti, hogy természetesen a nagyobb koncentrációjú területekről az alacsonyabb koncentrációjú területekre sodródnak. Ha egy festékdobozt öntene az úszómedence közepére, akkor a festékmolekulák kifelé irányuló mozgása az egyszerű diffúzió egyik formáját jelentené. Azok a molekulák, amelyek így átjuthatnak a sejtmembránokon, amint azt jósolhatja, kicsi molekulák, például O2 és CO2.
Ozmózis: Az ozmózist úgy lehet leírni, mint egy "szívónyomást", amely a víz mozgását okozza, amikor a vízben feloldott részecskék mozgása lehetetlen. Ez akkor fordul elő, amikor egy membrán lehetővé teszi a víz számára, hogy a szóban forgó oldott részecskék ("oldott anyagok") ne engedjenek rajta. A hajtóerő ismét egy koncentráció-gradiens, mivel a teljes helyi környezet egyensúlyi állapotot keres ", amelyben az oldott anyag mennyisége víz egységben azonos. Ha a vízáteresztő, oldott anyagot át nem eresztő membrán egyik oldalán több oldott részecske van, mint a másikban, akkor a víz a nagyobb oldott anyag koncentrációjának területére folyik. Vagyis ha a részecskék nem változtathatják meg vízben a koncentrációjukat mozgatással, akkor a víz maga is mozog, hogy többé-kevésbé ugyanazt a feladatot elvégezze.
Megkönnyített diffúzió: Ismét az ilyen típusú membránszállítás látja, hogy a részecskék a nagyobb koncentrációjú területekről az alacsonyabb koncentrációjú területekre mozognak. Az egyszerű diffúzióval ellentétben azonban a molekulák speciális fehérjecsatornákon keresztül mozognak a sejtekbe vagy a sejtből, ahelyett, hogy egyszerűen a glicerofoszfolipid molekulák közötti terekben sodródnának. Ha valaha is figyeltétek, mi történik, amikor valami folyón sodródik, hirtelen egy sziklák közötti átjárón találja magát, akkor tudja, hogy az objektum (talán egy barát a belső csövön!) Jelentősen felgyorsítja ezt a folyosót; tehát a protein csatornákkal. Ez leggyakoribb a poláris vagy az elektromos töltésű molekuláknál.
Aktiv szállitás: A korábban tárgyalt membránszállítás típusai mindegyike magában foglalja a koncentráció-gradiens lefelé történő mozgatását. Néha azonban, ahogy a hajóknak felfelé kell mozogniuk és az autóknak hegyekre kell mászniuk, az anyagok a legtöbb koncentrációs gradiens ellenére mozognak - ez egy energetikai szempontból kedvezőtlen helyzet. Ennek eredményeként a folyamatot külső forrásból kell hajtani, és ebben az esetben a forrás az adenozin-trifoszfát (ATP), amely a mikroszkopikus biológiai tranzakciók elterjedt tüzelőanyaga. Ebben a folyamatban a három foszfátcsoport egyikét eltávolítják az ATP-ből az adenozin-difoszfát (ADP) és a szabad foszfát előállításához, és a foszfát-foszfát kötés hidrolízisével felszabaduló energiát a molekulák "szivattyúzására" a gradiens felfelé és át a membránon.
Az aktív szállítás közvetett vagy másodlagos módon is előfordulhat. Például egy membránszivattyú a nátriumot a koncentráció-gradiense mentén mozgathatja a membrán egyik oldaláról a másikra, a sejtből. Amikor a nátrium-ion a másik irányba diffundál, akkor glükózmolekulát hordozhat azzal a molekula saját koncentráció-gradiensével szemben (a sejtek belsejében a glükózkoncentráció általában magasabb, mint kívül). Mivel a glükóz mozgása ellentétes a koncentráció-gradienssel, ez aktív transzport, de mivel az ATP-ben nincs közvetlen részvétel, ez a másodlagos aktiv szállitás.