Innehåll
- Cellmembran över livspektrumet
- Cellmembranstruktur
- Cellmembranfunktioner
- The Lipid Bilayer
- Cellmembrantransport
Cellmembranet - även kallad plasmamembranet eller cytoplasmatiskt membran - är bland de mest fascinerande och eleganta konstruktionerna i biologiens värld. Cellen anses vara den grundläggande enheten eller "byggstenen" för alla levande saker på jorden; din egen kropp har biljoner av dem, och olika celler i olika organ och vävnader har olika strukturer som korrelerar utmärkt med vävnadernas funktioner som består av dessa celler.
Medan cellkärnorna ofta drar mest uppmärksamhet eftersom de innehåller det genetiska materialet som är nödvändigt för att överföra information till efterföljande generationer av organismen, är cellmembranet den bokstavliga portvaktaren och skyddaren av cellernas innehåll. Långt ifrån enbart behållare eller barriär har emellertid membranet utvecklats för att upprätthålla cellulär jämvikt, eller inre balans, genom effektiva och outtröttliga transportmekanismer som gör membranet till en slags mikroskopisk tulltjänsteman, vilket tillåter och förnekar inträde och utträde av joner och molekyler i enlighet med cellernas realtidsbehov.
Cellmembran över livspektrumet
Alla organismer har cellmembran av något slag. Detta inkluderar prokaryoter, som mestadels är bakterier och tros representera några av de äldsta levande arterna på jorden, liksom eukaryoter, som inkluderar djur och växter. Både de prokaryota bakterierna och de eukaryota växterna har en cellvägg utanför cellmembranet för ytterligare skydd; hos växter har denna vägg porer, och de är inte särskilt selektiva vad gäller vad som kan passera och vad som inte kan. Dessutom har eukaryoter organeller, såsom kärnan och mitokondrierna, inneslutna av membran som den som omger cellen i sin helhet. Prokaryoter har inte ens kärnor; deras genetiska material sprids, om än något tätt, genom hela cytoplasman.
Betydande molekylära bevis tyder på att eukaryota celler härstammar från prokaryota celler och förlorar cellväggen vid någon tidpunkt i sin utveckling. Även om detta gjorde enskilda celler mer sårbara för förolämpningar, gjorde det också möjligt för dem att bli mer komplexa och expandera geometriskt i processen. I själva verket kan eukaryota celler vara tio gånger så stora som prokaryotiska celler, vilket är desto mer slående genom det faktum att en enda cell är hela en prokaryot organisme per definition. (Vissa eukaryoter är också encelliga.)
Cellmembranstruktur
Cellmembranet består av en dubbelskiktsstruktur (ibland kallad "fluidmosaikmodellen") huvudsakligen sammansatt av fosfolipider. Ett av dessa lager vetter mot cellens inre, eller cytoplasma, medan det andra vetter mot den yttre miljön. De utåt och inåtvända sidorna betraktas som "hydrofila" eller lockade till vattniga miljöer. den inre delen är "hydrofob" eller avvisas av vattniga miljöer. Isolerat är cellmembran flytande vid kroppstemperaturer, men vid kallare temperaturer får de en gelliknande konsistens.
Lipiderna i tvåskiktet svarar för cirka hälften av cellmembranets totala massa. Kolesterol utgör ungefär en femtedel av lipiderna i djurceller, men inte i växtceller, eftersom kolesterol inte finns någonstans i växter. Det mesta av resten av membranet står för proteiner med olika funktioner. Eftersom de flesta proteiner är polära molekyler, liksom själva membranet, sticker deras hydrofila ändar ut mot cellens yttre, och deras hydrofoba ändar pekar mot det inre av tvåskiktet.
Vissa av dessa proteiner har kolhydratkedjor anslutna till dem, vilket gör dem glykoproteiner. Många av membranproteinerna är involverade i den selektiva transporten av ämnen över tvåskiktet, vilket de kan göra antingen genom att skapa proteinkanaler över membranet eller genom att fysiskt skicka dem över membranet. Andra proteiner fungerar som receptorer på cellytor och ger bindningsställen för molekyler som bär kemiska signaler; dessa proteiner överför sedan denna information till det inre av cellen. Ytterligare andra membranproteiner fungerar som enzymer som katalyserar reaktioner, speciellt för själva plasmamembranet.
Cellmembranfunktioner
Den kritiska aspekten av cellmembranet är inte att det är "vattentätt" eller ogenomträngligt för ämnen i allmänhet; om det var endera skulle cellen dö. Nyckeln till att förstå cellmembranens huvudjobb är att det är det selektivt permeabelt. En analogi: Precis som de flesta nationer på jorden inte helt förbjuder människor att resa över nationernas internationella gränser, är länder runt om i världen inte för vana att låta någon och alla komma in. Cellmembran försöker göra vad dessa länder gör regeringar, i mycket mindre skala: låt önskvärda enheter komma in i cellen efter att ha blivit "vetted" medan de spärrar inträde till enheter som sannolikt kommer att visa sig giftiga eller förstörande för inre eller cellen som en hela.
Sammantaget fungerar membranet som en formell gräns, och håller de olika delarna av cellen samman på samma sätt som ett staket runt en gård håller boskapen tillsammans även om de låter dem ströva omkring och mingla. Om du var tvungen att gissa vilken typ av molekyler som får komma in och ut lättast, kan du säga "källor till bränsle" respektive "metaboliskt avfall", med tanke på att det här är i huvudsak vad organ som helhet gör. Och du skulle ha rätt. Mycket små molekyler, såsom gasformigt syre (O2), gasformig koldioxid (CO2) och vatten (H2O), kan passera fritt över membranet, men passagen av större molekyler, såsom aminosyror och socker, kontrolleras tätt.
The Lipid Bilayer
Molekylerna som nästan universellt kallas "fosfolipider" som utgör cellmembranet tvåskikt kallas mer korrekt "glycerofosfolipider." De består av en glycerolmolekyl, som är en tre-kolalkohol, fäst vid två långa fettsyror på ena sidan och en fosfatgrupp på den andra. Detta ger molekylen en lång, cylindrisk form som är väl lämpad för jobbet att vara en del av ett brett ark, vilket är vad ett enda lager av membranets tvåskikt liknar i tvärsnitt.
Fosfatdelen av glycerofosfolipiden är hydrofil. Den specifika typen av fosfatgrupp varierar från molekyl till molekyl; till exempel kan det vara fosfatidylkolin, en som innefattar en kväveinnehållande komponent. Det är hydrofilt eftersom det har en ojämn fördelning av laddningen (dvs är polär), precis som vatten, så de två "går över" i nära mikroskopiska kvarter.
Fettsyrorna på insidan av membranet har inte en ojämn fördelning av laddning någonstans i deras struktur, så de är icke-polära och därmed hydrofoba.
På grund av fosfolipidernas elektrokemiska egenskaper, kräver fosfolipid-skiktarrangemanget ingen energitillförsel för att skapa eller underhålla. I själva verket tenderar fosfolipider som placeras i vatten spontant att anta tvåskikskonfigurationen på ungefär samma sätt som vätskor "söker sin egen nivå."
Cellmembrantransport
Eftersom cellmembranet är selektivt permeabelt måste det tillhandahålla ett sätt att få en mängd olika ämnen, några stora och andra små, från ena sidan till den andra. Tänk på de sätt du kan korsa en flod eller en vattenmassa. Du kan ta en färja; du kanske helt enkelt driver på en svag bris, eller så kan du bäras av stadiga floder eller havströmmar. Och du kanske bara hittar dig som korsar vattenmassan i första hand eftersom det finns en för hög koncentration av människor på din sida och för låg koncentration på den andra, vilket ger ett behov av att jämna ut saker.
Var och en av dessa scenarier har en relation till ett av fler av de sätt molekyler kan passera genom cellmembranet. Dessa sätt inkluderar:
Enkel diffusion: I denna process driver molekyler helt enkelt genom det dubbla membranet för att passera antingen in i eller ut ur cellen. Nyckeln här är att molekyler i de flesta situationer kommer att flytta ner en koncentrationsgradient, vilket innebär att de naturligtvis driver från områden med högre koncentration till områden med lägre koncentration. Om du skulle hälla en burk målarfärg i mitten av en pool, skulle färgens molekylers rörelse utåt representera en form av enkel diffusion. Molekylerna som kan korsa cellmembran på detta sätt, som du kan förutsäga, är små molekyler som O2 och CO2.
Osmos: Osmos kan beskrivas som ett "sugtryck" som orsakar rörelse av vatten när rörelsen av partiklar upplösta i vattnet är omöjlig. Detta inträffar när ett membran tillåter vatten, men inte de upplösta partiklarna ("lösta ämnen") i fråga att passera genom det. Drivkraften är återigen en koncentrationsgradient, eftersom hela den lokala miljön "söker" ett jämviktstillstånd i vilket mängden lösta ämnen per vattenenhet är densamma hela. Om det finns fler lösta partiklar på ena sidan av ett vattenpermeabelt, lösta ogenomträngligt membran än det andra, kommer vatten att rinna till området med högre koncentration av lösta ämnen. Det vill säga, om partiklar inte kan ändra sin koncentration i vatten genom att flytta, kommer själva vattnet att röra sig för att utföra mer eller mindre samma jobb.
Underlättad diffusion: Återigen ser denna typ av membrantransport partiklar flytta från områden med högre koncentration till områden med lägre koncentration. Till skillnad från fallet med enkel diffusion rör sig molekylerna emellertid in i eller ut ur cellen via specialiserade proteinkanaler, snarare än att helt enkelt driva genom utrymmena mellan glycerofosfolipidmolekyler. Om du någonsin har sett vad som händer när något som flyter nedför en flod plötsligt befinner sig i en passage mellan stenar, vet du att föremålet (kanske en vän på ett inre rör!) Snabbare uppåt medan det är i denna gång; så är det med proteinkanaler. Detta är vanligast med polära eller elektriskt laddade molekyler.
Aktiv transport: De typer av membrantransport som tidigare diskuterats inbegriper rörelse nerför en koncentrationsgradient. Ibland, precis som båtar måste röra sig uppströms och bilar måste klättra i kullar, rör sig ämnen mest mot en koncentrationsgradient - en energiskt ogynnsam situation. Som ett resultat måste processen drivas av en extern källa, och i det här fallet är källan adenosintrifosfat (ATP), det utbredda bränslet för mikroskopiska biologiska transaktioner. I denna process avlägsnas en av de tre fosfatgrupperna från ATP för att skapa adenosindifosfat (ADP) och ett fritt fosfat, och energin som frigörs genom hydrolys av fosfat-fosfatbindningen används för att "pumpa" molekyler upp gradienten och över membranet.
Aktiv transport kan också ske indirekt eller sekundärt. Till exempel kan en membranpump flytta natrium över dess koncentrationsgradient från ena sidan av membranet till den andra, ut ur cellen. När natriumjonen diffunderar tillbaka i den andra riktningen, kan den ha en glukosmolekyl med sig mot den molekylens egen koncentrationsgradient (glukoskoncentrationen är vanligtvis högre på insidan av celler än på utsidan). Eftersom rörelsen av glukos är mot dess koncentrationsgradient, är detta aktiv transport, men eftersom ingen ATP är direkt involverad är det ett exempel på sekundär aktiv transport.