Membrana celulară: definiție, funcție, structură și fapte

Conţinut

• Membrane celulare în întregul spectru de viață
• Structura membranei celulare
• Funcțiile membranelor celulare
• Bilayerul lipidic
• Transportul membranelor celulare

Membrana celulară - numită și membrană plasmatică sau membrană citoplasmatică - este una dintre cele mai fascinante și mai elegante construcții din lumea biologiei. Celula este considerată unitatea fundamentală sau „blocul de construcție” al tuturor lucrurilor vii de pe Pământ; propriul corp are trilioane de ele, iar celule diferite din diferite organe și țesuturi au structuri diferite care se corelează în mod deosebit cu funcțiile țesuturilor constând din aceste celule.

În timp ce nucleele celulelor atrag adesea cea mai mare atenție, deoarece conțin materialul genetic necesar transmiterii informațiilor către generațiile ulterioare ale organismului, membrana celulară este purtătorul și gardianul literal al conținutului celulelor. Departe de un simplu recipient sau barieră, însă, membrana a evoluat pentru a menține echilibrul celular sau echilibrul intern, prin mecanisme de transport eficiente și neobosite care fac din membrană un fel de vamal microscopic oficial, permițând și refuzând intrarea și ieșirea ionilor și molecule în concordanță cu nevoile în timp real ale celulelor.

Membrane celulare în întregul spectru de viață

Toate organismele au un fel de membrane celulare. Aceasta include procariote, care sunt în mare parte bacterii și se crede că reprezintă unele dintre cele mai vechi specii vii de pe Pământ, precum și eucariote, care includ animale și plante. Atât bacteriile procariote, cât și plantele eucariote au un perete celular extern membranei celulare pentru o protecție suplimentară; în plante, acest perete are pori și nu sunt deosebit de selectivi în ceea ce privește ceea ce poate trece și ceea ce nu poate. În plus, eucariote posedă organule, cum ar fi nucleul și mitocondriile, închise de membrane ca cea care înconjoară celula în ansamblu. Procariotele nu au nici măcar nuclee; materialul lor genetic este dispersat, deși oarecum strâns, în întreaga citoplasmă.

Dovezi moleculare considerabile sugerează că celulele eucariote sunt descendente din celulele procariote, pierzând peretele celular la un moment dat în evoluția lor. Deși acest lucru a făcut celulele individuale mai vulnerabile la insulte, le-a permis, de asemenea, să devină mai complexe și să se extindă geometric în acest proces. De fapt, celulele eucariote pot fi de zece ori mai mari decât celulele procariote, o constatare făcută cu atât mai frapantă prin faptul că o singură celulă este totalitatea unui organism procariot prin definiție. (Unele eucariote sunt de asemenea unicelulare.)

Structura membranei celulare

Membrana celulară este formată dintr-o structură cu două straturi (uneori numită „modelul de mozaic fluid”) compusă în principal din fosfolipide. Unul dintre aceste straturi se confruntă cu interiorul celulei sau citoplasmă, în timp ce celălalt se confruntă cu mediul extern. Părțile orientate spre exterior și spre interior sunt considerate „hidrofile” sau atrase de mediile cu apă; porțiunea interioară este „hidrofobă” sau respinsă de mediile cu apă. În mod izolat, membranele celulare sunt fluide la temperaturile corpului, dar la temperaturi mai reci, ele au o consistență asemănătoare unui gel.

Lipidele din stratul bicapa reprezintă aproximativ jumătate din masa totală a membranei celulare. Colesterolul reprezintă aproximativ o cincime din lipidele din celulele animale, dar nu și din celulele vegetale, deoarece colesterolul nu se găsește nicăieri în plante. Cea mai mare parte a restului membranei este reprezentată de proteine ​​cu o varietate diversă de funcții. Deoarece majoritatea proteinelor sunt molecule polare, la fel ca membrana însăși, capetele lor hidrofile se extind către exteriorul celulei, iar capetele lor hidrofobe îndreaptă spre interiorul stratului.

Unele dintre aceste proteine ​​au lanțuri de carbohidrați atașate de ele, ceea ce le face glicoproteine. Multe dintre proteinele membranei sunt implicate în transportul selectiv al substanțelor pe stratul bicicletei, pe care le pot face fie prin crearea de canale proteice în întreaga membrană, fie prin mutarea lor fizică de-a lungul membranei. Alte proteine ​​funcționează ca receptori pe suprafețele celulare, furnizând site-uri de legare pentru molecule care poartă semnale chimice; aceste proteine ​​transmit apoi aceste informații către interiorul celulei. Alte proteine ​​ale membranei acționează ca enzime care catalizează reacțiile specifice membranei plasmatice în sine.

Funcțiile membranelor celulare

Aspectul critic al membranei celulare nu este faptul că este „impermeabil” sau impermeabil la substanțe în general; dacă ar fi, celula ar muri. Cheia pentru înțelegerea principalului loc de muncă al membranelor celulare este că este selectiv permeabile. O analogie: la fel cum majoritatea națiunilor de pe Pământ nu interzic complet oamenilor să călătorească peste granițele internaționale ale națiunilor, țările de pe glob nu au obiceiul de a lăsa pe nimeni și toată lumea să intre. Membranele celulare încearcă să facă ceea ce fac aceste țări guvernele, la o scară mult mai mică: să permită entităților dezirabile să intre în celulă după ce au fost „examinate”, în timp ce se interzice intrarea către entități care s-ar putea dovedi toxice sau distructive pentru interior sau celulă ca întreg.

În general, membrana acționează ca o graniță formală, ținând diferitele părți ale celulei la fel ca un gard în jurul unei ferme păstrează animalele la un loc, chiar și le permite să se plimbe și să se amestece. Dacă ar trebui să ghicești tipurile de molecule cărora li se permite să intre și să iasă cel mai ușor, s-ar putea să spui „surse de combustibil” și, respectiv, „deșeuri metabolice”, având în vedere că acest lucru este în esență ceea ce fac corpurile în ansamblu. Și ai avea dreptate. Molecule foarte mici, cum ar fi oxigenul gazos (O)₂), dioxid de carbon gazos (CO)₂) și apă (H₂O), poate trece liber peste membrană, dar trecerea moleculelor mai mari, cum ar fi aminoacizii și zaharurile, este strict controlată.

Bilayerul lipidic

Moleculele care sunt aproape universal numite „fosfolipide” care alcătuiesc stratul de membrană celulară sunt mai bine numite „glicerofosfolipide”. Ele constau dintr-o moleculă de glicerol, care este un alcool cu ​​trei carbon, atașat la doi acizi grași lungi pe o parte și o grupare fosfat pe cealaltă. Acest lucru conferă moleculei o formă lungă, cilindrică, care se potrivește bine lucrării de a face parte dintr-o foaie largă, ceea ce seamănă cu un singur strat al stratului de membrană pe secțiunea transversală.

Porțiunea fosfat a glicerofosfolipidului este hidrofilă. Tipul specific de grupare fosfați variază de la moleculă la moleculă; de exemplu, poate fi fosfatidilcolina, care include o componentă care conține azot. Este hidrofil, deoarece are o distribuție neuniformă a încărcării (adică este polar), la fel ca apa, deci cei doi se „înțeleg” în sferele microscopice apropiate.

Acizii grași din interiorul membranei nu au o distribuție neuniformă a încărcăturii nicăieri în structura lor, deci sunt nepolari și, prin urmare, hidrofobi.

Datorită proprietăților electrochimice ale fosfolipidelor, aranjamentul cu strat de fosfolipide nu necesită aport de energie pentru a crea sau menține. De fapt, fosfolipidele plasate în apă tind să-și asume în mod spontan configurația cu strat de straturi în același mod în care fluidele „își caută propriul nivel”.

Transportul membranelor celulare

Deoarece membrana celulară este permeabilă selectiv, trebuie să ofere un mijloc de a obține o varietate de substanțe, unele mari și altele mici, dintr-o parte în alta. Gândiți-vă la modalitățile prin care puteți traversa un râu sau un corp de apă. S-ar putea să luați un feribot; s-ar putea să te abatezi pur și simplu pe o adiere ușoară sau poți fi transportat de curenți fluviali sau oceanici constanți. Și s-ar putea să nu vă găsiți decât să traversați corpul de apă în primul rând, deoarece există o concentrație prea mare de oameni de partea dvs. și o concentrație prea mică de cealaltă, prezentând o nevoie chiar de a ieși afară.

Fiecare dintre aceste scenarii are o relație cu unul din mai multe moduri în care moleculele pot trece prin membrana celulară. Aceste modalități includ:

Difuzie simplă: În acest proces, moleculele pur și simplu trec prin membrana dublă pentru a trece fie în interiorul, fie în afara celulei. Cheia aici este că moleculele din cele mai multe situații se vor deplasa în jos cu un gradient de concentrație, ceea ce înseamnă că ele în mod natural se abate din zone cu concentrație mai mare în zone cu concentrație mai mică. Dacă ar trebui să turnați o cutie de vopsea în mijlocul unei piscine, mișcarea exterioară a moleculelor de vopsea ar reprezenta o formă de difuzie simplă. Moleculele care pot traversa membranele celulare în acest fel, așa cum puteți prezice, sunt molecule mici, cum ar fi O₂ și CO₂.

Osmoză: Osmoza ar putea fi descrisă ca o „presiune de aspirație” care provoacă mișcarea apei atunci când mișcarea particulelor dizolvate în apă este imposibilă. Aceasta se produce atunci când o membrană permite ca apa, dar nu particulele dizolvate („solutele”) în cauză să treacă prin ea. Forța motrice este din nou un gradient de concentrație, deoarece întregul mediu local „caută” o stare de echilibru în care cantitatea de solut per unitate de apă este aceeași în tot. Dacă există mai multe particule de solut dintr-o parte a unei membrane permeabile la apă, solut impermeabile decât cealaltă, apa va curge în zona cu concentrație mai mare de solut. Adică, dacă particulele nu își pot schimba concentrația în apă prin mișcare, apa în sine se va muta pentru a îndeplini mai mult sau mai puțin aceeași muncă.

Difuziune facilitată: Din nou, acest tip de transport cu membrană vede că particulele se deplasează de la zone cu concentrație mai mare la zone de concentrație mai mică. Spre deosebire de cazul cu o difuzie simplă, însă, moleculele se deplasează în sau din celulă prin canale proteice specializate, mai degrabă decât pur și simplu se plimbă prin spațiile dintre moleculele glicerofosfolipidice. Dacă ai privit vreodată ce se întâmplă când ceva în derivă pe un râu se găsește brusc într-un pasaj dintre roci, știi că obiectul (poate un prieten aflat într-un tub interior!) Se accelerează considerabil în timp ce se află în acest pasaj; deci este cu canale proteice. Acest lucru este cel mai frecvent în cazul moleculelor cu sarcini polare sau electrice.

Transport activ: Tipurile de transport cu membrană discutate anterior implică deplasarea către un gradient de concentrație. Uneori, însă, la fel cum bărcile trebuie să se deplaseze în amonte și mașinile trebuie să urce dealuri, substanțele se mișcă împotriva unui gradient de concentrare - o situație energică defavorabilă. Drept urmare, procesul trebuie alimentat de o sursă exterioară și, în acest caz, sursa este adenozina trifosfat (ATP), acel combustibil răspândit pentru tranzacțiile biologice microscopice. În acest proces, una dintre cele trei grupări fosfat este eliminată din ATP pentru a crea adenozina difosfat (ADP) și un fosfat liber, iar energia eliberată prin hidroliza legăturii fosfat-fosfat este utilizată pentru „pomparea” moleculelor până la gradient și de-a lungul membranei.

Transportul activ poate apărea, de asemenea, în mod indirect sau secundar. De exemplu, o pompă de membrană poate muta sodiu pe gradientul său de concentrație dintr-o parte a membranei în cealaltă, în afara celulei. Atunci când ionul de sodiu se difuzează în sens invers, ar putea transporta o moleculă de glucoză cu aceasta față de gradul de concentrație al moleculelor (concentrația de glucoză este de obicei mai mare la interiorul celulelor decât la exterior). Deoarece mișcarea glucozei este împotriva gradientului său de concentrație, acesta este un transport activ, dar pentru că nu este implicat direct ATP, acesta este un exemplu de secundar transport activ.