Sisu
- Rakumembraanid kogu elusspektris
- Rakumembraani struktuur
- Rakumembraani funktsioonid
- Lipiidide tugevdaja
- Rakumembraani transport
Rakumembraan - mida nimetatakse ka plasmamembraaniks või tsütoplasmaatiliseks membraaniks - on bioloogia maailmas üks põnevamaid ja elegantsemaid konstruktsioone. Rakku peetakse kõigi Maa peal olevate elusolendite põhiosaks või "ehitusplokkiks"; teie kehas on neist triljoneid ja erinevatel elunditel ja kudedel olevatel erinevatel rakkudel on erinev struktuur, mis korreleerub suurepäraselt nendest rakkudest koosnevate kudede funktsioonidega.
Kui rakkude tuumad tõmbavad sageli kõige suuremat tähelepanu, kuna need sisaldavad geneetilist materjali, mida on vaja teabe edasiandmiseks järgnevatele organismi põlvkondadele, on rakumembraan rakkude sõnasõnaline väravavaht ja valvaja. Membraan on siiski kaugel pelgalt mahutist või tõkkest, et säilitada raku tasakaal või sisemine tasakaal tõhusate ja väsimatute transpordimehhanismide abil, mis muudavad membraani omamoodi mikroskoopiliseks tolliametnikuks, võimaldades ja keelates ioonide ja ioonide sisenemist ja väljumist. molekulid vastavalt rakkude reaalajas vajadustele.
Rakumembraanid kogu elusspektris
Kõigil organismidel on mingid rakumembraanid. See hõlmab prokarüoote, mis on enamasti bakterid ja mida arvatakse esindavat mõnda vanimat elavat liiki Maal, samuti eukarüoote, mis hõlmavad loomi ja taimi. Nii prokarüootilistel bakteritel kui ka eukarüootsetel taimedel on täiendava kaitse jaoks rakumembraanist väljaspool olev rakusein; taimedes on sellel seinal poorid ja nad pole eriti selektiivsed selle osas, mis saab läbi ja mis mitte. Lisaks omavad eukarüootid organelleid, nagu tuum ja mitokondrid, mida ümbritsevad membraanid, nagu seda on rakk tervikuna. Prokarüootidel pole isegi tuuma; nende geneetiline materjal on hajutatud, ehkki pisut tihedalt, kogu tsütoplasmas.
Arvestatavad molekulaarsed tõendid viitavad sellele, et eukarüootsed rakud pärinevad prokarüootsetest rakkudest, kaotades rakuseina mingil etapil nende evolutsioonis. Ehkki see muutis üksikud rakud solvangute suhtes haavatavamaks, võimaldas see neil ka protsessis keerukamaks muutuda ja geomeetriliselt laieneda. Tegelikult võivad eukarüootsed rakud olla kümme korda suuremad kui prokarüootsed rakud. Selle tähelepanuväärsemaks teeb asjaolu, et üksik rakk on määratluse järgi kogu prokarüootne organism. (Mõned eukarüootid on ka üherakulised.)
Rakumembraani struktuur
Rakumembraan koosneb kahekihilisest struktuurist (mida mõnikord nimetatakse ka "vedela mosaiikimudeliks"), mis koosneb peamiselt fosfolipiididest. Üks neist kihtidest on raku sisemuse ehk tsütoplasma poole, teine aga väliskeskkonna poole. Väljapoole ja sissepoole suunatud külgi peetakse hüdrofiilseteks või tõmmatakse vesisesse keskkonda; sisemine osa on "hüdrofoobne" või tõrjub vesine keskkond. Isoleeritult on rakumembraanid kehatemperatuuril vedelad, kuid jahedamatel temperatuuridel omandavad nad geelitaolise konsistentsi.
Kahekihilised lipiidid moodustavad umbes poole rakumembraani kogumassist. Kolesterool moodustab loomarakkudes umbes viiendiku lipiididest, kuid mitte taimerakkudes, kuna kolesterooli ei leidu kusagil taimedes. Suurema osa ülejäänud membraanist moodustavad valgud, millel on mitmekesine funktsioon. Kuna enamik valke on polaarsed molekulid, nagu membraan ise, ulatuvad nende hüdrofiilsed otsad raku välisküljele ja nende hüdrofoobsed otsad osutavad kaksikkihi sisemusele.
Mõnel neist valkudest on kinnitatud süsivesikute ahelad, muutes need glükoproteiinideks. Paljud membraanivalgud on seotud ainete selektiivse transpordiga läbi kaksikkihi, mida nad saavad teha, luues proteiinikanalid üle membraani või lükates need füüsiliselt läbi membraani. Muud valgud toimivad raku pinnal retseptoritena, pakkudes keemiliste signaalide kandvatele molekulidele sidumissaite; need valgud edastavad selle teabe raku sisemusse. Teised membraanivalgud toimivad ensüümidena, mis katalüüsivad plasmamembraani enda reaktsioone.
Rakumembraani funktsioonid
Rakumembraani kriitiline aspekt ei ole see, et see oleks "veekindel" või ainete suhtes üldiselt mitteläbilaskev; kui see oleks kumbki, siis rakk sureb. Rakumembraanide põhitöö mõistmise võti on see, et see oleks valikuliselt läbilaskev. Analoogia: Nii nagu enamik maakera rahvaid ei keela inimestel täielikult üle rahvusvaheliste riikide piiride reisida, pole ka kogu maailma riikidel kombeks kedagi lubada ja kõik sisenevad. Rakumembraanid proovivad teha seda, mida nende riikide valitsused teevad, palju väiksemas mahus: võimaldada soovitavatel üksustel siseneda rakku pärast "kontrollimist", keerates samas sisenemise üksustesse, mis võivad osutuda sisemusele või rakule toksiliseks või hävitavaks. terved.
Üldiselt toimib membraan formaalse piirina, hoides raku eri osi koos samal viisil kui farmi ümber olev tara hoiab kariloomi koos, võimaldades samal ajal neil ringi liikuda ja seguneda. Kui peaksite ära arvama, millised molekulid kõige hõlpsamini sisenevad ja väljuvad, võiksite öelda vastavalt "kütuseallikad" ja "ainevahetusjäätmed", arvestades, et seda teevad kehad tervikuna. Ja teil oleks õigus. Väga väikesed molekulid, näiteks gaasiline hapnik (O2), gaasiline süsinikdioksiid (CO2) ja vesi (H2O) võib vabalt läbida membraani, kuid suuremate molekulide, näiteks aminohapete ja suhkrute läbimine on täpselt kontrollitud.
Lipiidide tugevdaja
Rakumembraani kaksikkihi moodustavaid molekule, mida peaaegu üldiselt nimetatakse "fosfolipiidideks", nimetatakse õigemini "glütserofosfolipiidideks". Need koosnevad glütseroolimolekulist, mis on kolme süsiniku sisaldusega alkohol, mis on ühelt poolt kinnitatud kahe pika rasvhappega ja teiselt poolt fosfaatrühmaga. See annab molekulile pika silindrikujulise kuju, mis sobib hästi selleks, et olla laia lehe osa - just see sarnaneb membraani kaksikkihi ühe kihiga ristlõikes.
Glütserofosfolipiidi fosfaatosa on hüdrofiilne. Spetsiifiline fosfaatrühma tüüp varieerub molekulide vahel; näiteks võib see olla fosfatidüülkoliin, mis sisaldab lämmastikku sisaldavat komponenti. See on hüdrofiilne, kuna selle jaotus on ebaühtlane (st on polaarne), nagu vesi, nii et kaks "saavad omavahel läbi" lähedastes mikroskoopilistes kvartalites.
Membraani sisemuses sisalduvatel rasvhapetel ei ole laengu jaotumine struktuuris ebaühtlane, seega on nad mittepolaarsed ja seega hüdrofoobsed.
Fosfolipiidide elektrokeemiliste omaduste tõttu ei vaja fosfolipiidide kahekihiline paigutus loomiseks ega säilitamiseks energiat. Tegelikult kipuvad vette paigutatud fosfolipiidid spontaanselt eeldama kahekihilise konfiguratsiooni sarnaselt sellele, kuidas vedelikud "otsivad oma taset".
Rakumembraani transport
Kuna rakumembraan on valikuliselt läbilaskev, peab see andma võimaluse mitmesuguste ainete - nii suurte kui ka väikeste - saamiseks ühelt küljelt teisele. Mõelge viisidele, kuidas võiksite jõge või veekogu ületada. Võid minna praamiga; võite lihtsalt kerge tuulega triivida või teid võivad vedada püsivad jõe- või ookeanihoovused. Ja võite end ainult veekogust ületada, kuna teie poolel on liiga suur inimeste kontsentratsioon ja teisel pool liiga väike kontsentratsioon, mis tingib vajaduse asjad tasandada.
Kõigil neil stsenaariumidel on teatav seos ühega mitmest molekulide viisist rakumembraanist läbi pääseda. Need viisid hõlmavad järgmist:
Lihtne difusioon: Selle protsessi käigus triivivad molekulid lihtsalt läbi topeltmembraani, et liikuda rakku või sealt välja. Peamine on see, et enamikus olukordades liiguvad molekulid kontsentratsioonigradiendi võrra allapoole, mis tähendab, et need triivivad loomulikult suurema kontsentratsiooniga aladelt madalama kontsentratsiooniga aladele. Kui valaksite värvipurgi basseini keskele, kujutaks värvimolekulide liikumine väljapoole lihtsa difusiooni vormi. Molekulid, mis võivad rakumembraane sel viisil ületada, nagu võite ennustada, on väikesed molekulid nagu O2 ja CO2.
Osmoos: Osmoosi võib kirjeldada kui "imemisrõhku", mis põhjustab vee liikumist, kui vees lahustunud osakeste liikumine on võimatu. See juhtub siis, kui membraan laseb vett, kuid mitte lahustunud osakesi ("lahustunud aineid") sellest läbi lasta. Liikumapanev jõud on jällegi kontsentratsioonigradient, sest kogu kohalik keskkond "otsib" tasakaaluasendit, kus lahustunud aine kogus veeühiku kohta on ühesugune. Kui vett läbilaskva, lahust mitteläbilaskva membraani ühel küljel on rohkem lahustunud osakesi, voolab vesi lahustunud aine suurema kontsentratsiooni piirkonda. See tähendab, et kui osakesed ei saa liikudes oma kontsentratsiooni vees muuta, liigub vesi ise enam-vähem sama töö täitmiseks.
Hõlbustatud difusioon: Jällegi näeb selline membraanitransport osakeste liikumist kõrgema kontsentratsiooniga aladelt madalama kontsentratsiooniga aladele. Erinevalt lihtsa difusiooniga juhtudest liiguvad molekulid rakusse või rakust välja spetsiaalsete valkkanalite kaudu, selle asemel et lihtsalt glütserofosfolipiidimolekulide vahelistes ruumides triivida. Kui olete kunagi jälginud, mis juhtub, kui jõe ääres triivib midagi järsku kaljude vahelisest käigust, siis teate, et objekt (võib-olla sõber sisemisel torul!) Kiirendab sellel vahekäigul märkimisväärselt; nii on valgukanalitega. Kõige tavalisem on see polaarsete või elektriliselt laetud molekulide korral.
Aktiivne transport: Eelnevalt käsitletud membraanitranspordi tüübid hõlmavad kõik kontsentratsioonigradiendi liikumist allapoole. Mõnikord aga, kui paadid peavad liikuma ülesvoolu ja autod peavad mägedele ronima, liiguvad ained kõige enam kontsentratsioonigradiendi - energeetiliselt ebasoodsa olukorra - vastu. Selle tulemusel peab protsessi toiteallikaks olema väline allikas ja sel juhul on selleks allikaks adenosiintrifosfaat (ATP), mis on mikroskoopiliste bioloogiliste toimingute jaoks laialt levinud kütus. Selle protsessi käigus eemaldatakse üks kolmest fosfaadirühmast ATP-st, et tekiks adenosiindifosfaat (ADP) ja vaba fosfaat, ning fosfaat-fosfaatsideme hüdrolüüsil vabanenud energiat kasutatakse molekulide "pumpamiseks" üles gradiendi ja üle membraani.
Aktiivne transport võib toimuda ka kaudselt või sekundaarselt. Näiteks võib membraanipump liigutada naatriumi oma kontsentratsioonigradiendi kaudu membraani ühelt küljelt teisele, lahtrist välja. Kui naatriumioon difundeerub tagasi teises suunas, võib see kanda glükoosimolekuli selle molekuli enda kontsentratsioonigradiendi vastu (glükoosi kontsentratsioon on rakkude sisekülgedel tavaliselt suurem kui välisküljel). Kuna glükoosi liikumine on vastuolus selle kontsentratsioonigradiendiga, on see aktiivne transport, kuid kuna ATP-ga otseselt ei tegeleta, on see näide teisene aktiivne transport.