Sisältö
- Solukalvot koko elinkaaren spektrissä
- Solukalvon rakenne
- Solukalvon toiminnot
- The Lipid Bilayer
- Solukalvojen kuljetus
Solumembraani - jota kutsutaan myös plasmamembraaniksi tai sytoplasmamembraaniksi - on yksi kiehtovimmista ja tyylikkäimmistä rakenteista biologian maailmassa. Solua pidetään kaikkien maapallon elävien olentojen perusyksikkönä tai "rakennuspalikkana"; omassa kehossasi on biljoonia niitä, ja eri elinten ja kudosten eri soluilla on erilaiset rakenteet, jotka korreloivat erinomaisesti näistä soluista koostuvien kudosten toimintojen kanssa.
Vaikka solujen ytimet kiinnittävät usein eniten huomiota, koska ne sisältävät geneettisen materiaalin, jota tarvitaan tiedon kuljettamiseen organismin seuraaville sukupolville, solumembraani on kirjallinen solujen vartija ja vartija. Kaukana pelkästään astiasta tai esteestä, membraani on kuitenkin kehittynyt ylläpitämään solujen tasapainoa tai sisäistä tasapainoa tehokkaiden ja väsymätöntä kuljetusmekanismien avulla, jotka tekevät kalvosta eräänlaisen mikroskooppisen tullivirkamiehen, joka sallii ja estä ionien ja molekyylit solujen reaaliaikaisten tarpeiden mukaisesti.
Solukalvot koko elinkaaren spektrissä
Kaikilla organismeilla on jonkinlainen solukalvo. Tähän sisältyy prokaryootit, jotka ovat enimmäkseen bakteereja ja joiden uskotaan edustavan joitain maan vanhimmista elävistä lajeista, sekä eukaryootit, joihin kuuluvat eläimet ja kasvit. Sekä prokaryoottisilla bakteereilla että eukaryoottisilla kasveilla on solumembraanin ulkopuolella oleva soluseinä lisäsuojausta varten; kasveissa tällä seinällä on huokosia, ja ne eivät ole erityisen valikoivia sen suhteen, mikä voi kulkea läpi ja mikä ei. Lisäksi eukaryooteilla on organelleja, kuten ydin ja mitokondriat, jotka on suljettu kalvoilla, kuten koko solua ympäröivä kalvo. Prokaryooteilla ei ole edes ytimiä; niiden geenimateriaali on hajaantunut, tosin hieman tiukasti, koko sytoplasmaan.
Huomattava molekyylitodistus viittaa siihen, että eukaryoottiset solut ovat syntyneet prokaryoottisista soluista, menettäen soluseinämän jossain vaiheessa niiden evoluutiota. Vaikka tämä teki yksittäisistä soluista alttiimpia loukkauksille, se antoi heille myös mahdollisuuden tulla monimutkaisemmiksi ja laajentua geometrisesti prosessissa. Itse asiassa eukaryoottisolut voivat olla kymmenen kertaa suurempia kuin prokaryoottiset solut, havainnon tekee vieläkin silmiinpistävämmäksi se tosiseikka, että yksi solu on määritelmän mukaan prokaryoottisen organismin kokonaisuus. (Jotkut eukaryootit ovat myös yksisoluisia.)
Solukalvon rakenne
Solumembraani koostuu kaksikerroksisesta rakenteesta (jota joskus kutsutaan "nestemäiseksi mosaiikkimalliksi"), joka koostuu pääasiassa fosfolipideistä. Yksi näistä kerroksista osoittaa solun sisäpuolelle tai sytoplasmaan, kun taas toinen on ulkoiseen ympäristöön. Ulkopuolisia ja sisäänpäin suuntautuvia puolia pidetään "hydrofiilisinä" tai vetoisissa ympäristöissä houkuttelevina; sisäosa on "hydrofobinen" tai vetinen ympäristö hylkää sen. Eristettynä solumembraanit ovat nestemäisiä kehon lämpötiloissa, mutta viileämmissä lämpötiloissa ne saavat geelimäisen konsistenssin.
Kaksikerroksen lipidien osuus on noin puolet solukalvon kokonaismassasta. Kolesteroli muodostaa noin viidenneksen eläinsolujen lipideistä, mutta ei kasvisoluissa, koska kolesterolia ei löydy mistään kasveista. Suurin osa jäljellä olevasta kalvosta johtuu proteiineista, joilla on monenlainen toiminta. Koska suurin osa proteiineista on polaarisia molekyylejä, kuten itse kalvo, niiden hydrofiiliset päät ulottuvat solun ulkopuolelle ja niiden hydrofobiset päät osoittavat kaksikerroksen sisäpuolelle.
Joissakin näistä proteiineista on hiilihydraattiketjuja kiinnittyneinä, mikä tekee niistä glykoproteiineja. Monet membraaniproteiineista osallistuvat aineiden selektiiviseen kuljetukseen kaksikerroksessa, minkä ne voivat tehdä joko luomalla proteiinikanavia kalvon läpi tai siirtämällä ne fyysisesti kalvon läpi. Muut proteiinit toimivat reseptoreina solupinnoilla tarjoamalla sitoutumiskohtia molekyyleille, jotka kuljettavat kemiallisia signaaleja; nämä proteiinit välittävät sitten tämän informaation solun sisäpuolelle. Vielä muut kalvoproteiinit toimivat entsyymeinä, jotka katalysoivat reaktioita varsinkin itse plasmamembraaniin.
Solukalvon toiminnot
Solukalvon kriittinen näkökohta ei ole se, että se on "vedenpitävä" tai aineiden läpäisemätön yleensä; jos se olisi, solu kuolee. Avain solumembraanien päätehtävän ymmärtämiseen on, että se on valikoivasti läpäisevä. Analogia: Kuten useimmat maapallon maat eivät kokonaan estä ihmisiä matkustamasta valtioiden kansainvälisten rajojen yli, ympäri maailmaa sijaitsevilla mailla ei ole tapana antaa kenenkään ja kaikkien päästä maahan. Solumembraanit yrittävät tehdä mitä näiden maiden hallitukset tekevät, paljon pienemmässä mittakaavassa: antaa toivottujen entiteettien päästä soluun "tarkistetun" jälkeen ja estää pääsyn yksiköille, jotka saattavat osoittautua myrkyllisiksi tai tuhoavia sisälle tai soluun koko.
Kaiken kaikkiaan kalvo toimii muodollisena rajana pitäen kennon eri osat yhdessä samalla tavalla kuin maatilan ympärillä oleva aita pitää karjan yhdessä, samalla kun se antaa heidän vaeltaa ja sekoittaa. Jos joutuisit arvaamaan, minkä tyyppisiä molekyylejä päästään sisään ja poistuu helpommin, saatat sanoa "polttoaineen lähteet" ja "aineenvaihdunnan jätteet", kun otetaan huomioon, että tämä on pääosin mitä elimet tekevät kokonaisuutena. Ja olisit oikeassa. Hyvin pienet molekyylit, kuten kaasumainen happi (O2), kaasumainen hiilidioksidi (CO2) ja vettä (H2O) voi kulkea vapaasti kalvon läpi, mutta suurempien molekyylien, kuten aminohappojen ja sokereiden, kulkua säädetään tiukasti.
The Lipid Bilayer
Molekyylejä, joita kutsutaan lähes yleisesti "fosfolipideiksi" ja jotka muodostavat solukalvon kaksikerroksen, kutsutaan oikeammin "glyserofosfolipideiksi". Ne koostuvat glyserolimolekyylistä, joka on kolmen hiilen alkoholi, kiinnittyneenä kahteen pitkään rasvahappoon toisella puolella ja fosfaattiryhmään toisella. Tämä antaa molekyylin pitkän, lieriömäisen muodon, joka sopii hyvin tehtävään olla osa laajaa arkkia, mitä kalvon kaksoiskerroksen yksi kerros muistuttaa poikkileikkaukseltaan.
Glyserofosfolipidin fosfaattiosa on hydrofiilinen. Erityinen fosfaattiryhmän tyyppi vaihtelee molekyylistä toiseen; se voi olla esimerkiksi fosfatidyylikoliini, a, joka sisältää typpeä sisältävän komponentin. Se on hydrofiilinen, koska sen varaus on jakautunut epätasaisesti (ts. Se on polaarinen), aivan kuten vesi, joten nämä kaksi "tulevat toimeen" läheisissä mikroskooppisissa neljänneksissä.
Kalvon sisäpuolella olevilla rasvahapoilla ei ole varauksen epätasaista jakautumista missään rakenteessaan, joten ne ovat polaarisia ja siten hydrofobisia.
Fosfolipidien sähkökemiallisten ominaisuuksien takia fosfolipidien kaksikerroksinen järjestely ei vaadi energian syöttämistä luomiseen tai ylläpitämiseen. Itse asiassa veteen sijoitetuilla fosfolipideillä on taipumus olettaa itsestään kaksikerroskokoonpano samalla tavalla kuin nesteet "etsivät omaa tasoaan".
Solukalvojen kuljetus
Koska solukalvo on selektiivisesti läpäisevä, sen on tarjottava keino saada aikaan erilaisia aineita, joista jotkut ovat suuria ja toisia pieniä, sivuilta toiselle. Ajattele tapoja, joilla voit ylittää joen tai vesimuodostuman. Saatat käydä lautalla; saatat yksinkertaisesti ajautua kevyellä tuulen takana, tai sinut voi kuljettaa tasainen joki- tai merivirto. Ja saatat joutua pääsemään vain vesistön ylittämiseen, koska ihmisten pitoisuus on liian korkea puolellasi ja toisaalta liian pieni pitoisuus, mikä aiheuttaa tarpeen tasata asioita.
Jokaisella näistä skenaarioista on jonkinlainen suhde yhteen tai useampaan tapaan, jolla molekyylit voivat kulkea solukalvon läpi. Näitä tapoja ovat:
Yksinkertainen diffuusio: Tässä prosessissa molekyylit vain ajautuvat kaksoiskalvon läpi kulkemaan joko soluun tai ulos solusta. Tärkeintä on, että molekyylit liikkuvat useimmissa tilanteissa pitoisuusgradienttia alaspäin, mikä tarkoittaa, että ne siirtyvät luonnollisesti korkeamman pitoisuuden alueilta pienemmän pitoisuuden alueille. Jos kaataisit tölkin maalia uima-altaan keskelle, maalimolekyylien liikkuminen ulospäin edustaisi yksinkertaisen diffuusion muotoa. Molekyylit, jotka voivat ylittää solumembraanit tällä tavalla, kuten voitte ennustaa, ovat pieniä molekyylejä, kuten O2 ja CO2.
Osmosis: Osmoosia voidaan kuvata "imupaineeksi", joka aiheuttaa veden liikkumisen, kun veteen liuenneiden hiukkasten liikkuminen on mahdotonta. Tämä tapahtuu, kun kalvo antaa veden, mutta ei kyseisten liuenneiden hiukkasten ("liuenneiden aineiden"), kulkea sen läpi. Käyttövoima on jälleen pitoisuusgradientti, koska koko paikallinen ympäristö "etsii" tasapainotilaa, jossa liuenneen aineen määrä yksikköä vettä kohti on sama kaikkialla. Jos vettä läpäisevän, liukenemattoman läpäisevän kalvon toisella puolella on enemmän liuenneita hiukkasia, vettä virtaa korkeamman liuenneen pitoisuuden alueelle. Eli jos hiukkaset eivät voi muuttaa pitoisuuttaan vedessä liikuttamalla, niin vesi itse liikkuu suorittaakseen enemmän tai vähemmän saman työn.
Helppo diffuusio: Jälleen tämäntyyppinen membraanikuljetus näkee hiukkasten siirtyvän korkeamman pitoisuuden alueilta pienemmän pitoisuuden alueille. Toisin kuin yksinkertaisella diffuusiolla, molekyylit kuitenkin liikkuvat soluun tai solusta pois erikoistuneiden proteiinikanavien kautta, sen sijaan että ne vain ajautuvat glyserofosfolipidimolekyylien välisten tilojen läpi. Jos olet joskus tarkkannut mitä tapahtuu, kun jokin ajaa jokin ajoi yhtäkkiä joutumaan kallioiden väliselle käytävälle, tiedät, että esine (ehkä sisäputken ystävä!) Nopeuttaa huomattavasti tällä käytävällä; joten se on proteiinikanavien kanssa. Tämä on yleisintä polaarisilla tai sähkövarauksisilla molekyyleillä.
Aktiivinen kuljetus: Aikaisemmin käsitellyt kalvotransporttityypit sisältävät liikkeen pitoisuusgradientin alas. Joskus veneiden on kuitenkin liikuttava ylävirtaan ja autojen on kiivetä mäkeä, aineet liikkuvat eniten pitoisuusgradienttia vasten - energiallisesti epäsuotuisa tilanne. Tämän seurauksena prosessin on saatava virtansa ulkopuolisesta lähteestä, ja tässä tapauksessa kyseinen lähde on adenosiinitrifosfaatti (ATP), tämä laajalle levinnyt polttoaine mikroskooppisiin biologisiin tapahtumiin. Tässä prosessissa yksi kolmesta fosfaattiryhmästä poistetaan ATP: stä adenosiinidifosfaatin (ADP) ja vapaan fosfaatin luomiseksi, ja fosfaatti-fosfaattisidoksen hydrolyysillä vapauttamaa energiaa käytetään "pumppaamaan" molekyylejä ylöspäin gradienttia ja kalvon poikki.
Aktiivinen kuljetus voi tapahtua myös epäsuorasti tai toissijaisesti. Esimerkiksi membraanipumppu voi siirtää natriumia konsentraatiogradientinsa läpi kalvon yhdeltä puolelta toiselle, ulos solusta. Kun natriumioni diffundoituu takaisin toiseen suuntaan, se saattaa kuljettaa glukoosimolekyylin mukanaan kyseisen molekyylin omaa konsentraatiogradienttia vastaan (glukoosipitoisuus on yleensä korkeampi solujen sisäpuolella kuin ulkopuolella). Koska glukoosin liikkuminen on vastoin sen pitoisuusgradienttia, tämä on aktiivinen kuljetus, mutta koska ATP ei ole suoraan mukana, se on esimerkki toissijainen aktiivinen kuljetus.