กระบวนการเยื่อหุ้มเซลล์ เมมเบรน PVC: สาระสำคัญและวัตถุประสงค์
ในปี พ.ศ. 2515 ได้มีการหยิบยกทฤษฎีขึ้นมาว่าเยื่อหุ้มเซลล์ที่ซึมผ่านได้บางส่วนจะล้อมรอบเซลล์และทำหน้าที่สำคัญหลายประการ โครงสร้างและหน้าที่ของเยื่อหุ้มเซลล์ถือเป็นประเด็นสำคัญเกี่ยวกับการทำงานที่เหมาะสมของเซลล์ทุกเซลล์ในร่างกาย เริ่มแพร่หลายในศตวรรษที่ 17 พร้อมกับการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ เป็นที่ทราบกันดีว่าเนื้อเยื่อพืชและสัตว์ประกอบด้วยเซลล์ แต่เนื่องจากอุปกรณ์มีความละเอียดต่ำ จึงไม่สามารถมองเห็นสิ่งกีดขวางรอบๆ เซลล์สัตว์ได้ ในศตวรรษที่ 20 มีการศึกษาลักษณะทางเคมีของเมมเบรนอย่างละเอียดมากขึ้น และพบว่าขึ้นอยู่กับไขมัน
โครงสร้างและหน้าที่ของเยื่อหุ้มเซลล์
เยื่อหุ้มเซลล์ล้อมรอบไซโตพลาสซึมของเซลล์ที่มีชีวิต โดยทำหน้าที่แยกส่วนประกอบภายในเซลล์ออกจากสภาพแวดล้อมภายนอก เชื้อรา แบคทีเรีย และพืชยังมีผนังเซลล์ที่ช่วยป้องกันและป้องกันการผ่านของโมเลกุลขนาดใหญ่ เยื่อหุ้มเซลล์ยังมีบทบาทในการก่อตัวของโครงร่างโครงร่างโครงกระดูกและการเกาะติดของอนุภาคสำคัญอื่นๆ เข้ากับเมทริกซ์นอกเซลล์ นี่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อที่จะยึดพวกมันเข้าด้วยกันจนกลายเป็นเนื้อเยื่อและอวัยวะต่างๆ ของร่างกาย คุณสมบัติของโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์รวมถึงการซึมผ่าน หน้าที่หลักคือการป้องกัน เมมเบรนประกอบด้วยชั้นฟอสโฟไลปิดที่มีโปรตีนฝังอยู่ ส่วนนี้เกี่ยวข้องกับกระบวนการต่างๆ เช่น การยึดเกาะของเซลล์ ระบบนำไฟฟ้าไอออนิก และระบบส่งสัญญาณ และทำหน้าที่เป็นพื้นผิวการเกาะติดสำหรับโครงสร้างภายนอกเซลล์หลายชนิด รวมถึงผนัง ไกลโคคาลิกซ์ และโครงร่างโครงร่างภายในเซลล์ เมมเบรนยังรักษาศักยภาพของเซลล์โดยทำหน้าที่เป็นตัวกรองแบบเลือกสรร สามารถเลือกซึมผ่านไอออนและโมเลกุลอินทรีย์ได้ และควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาค
กลไกทางชีวภาพที่เกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้มเซลล์
1. การแพร่กระจายแบบพาสซีฟ: สารบางชนิด (โมเลกุลขนาดเล็ก ไอออน) เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และออกซิเจน (O2) สามารถทะลุผ่านพลาสมาเมมเบรนได้โดยการแพร่กระจาย เปลือกทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันโมเลกุลและไอออนบางชนิด โดยอาจมีสมาธิอยู่ที่ด้านใดด้านหนึ่ง
2. ช่องทางของเมมเบรนและโปรตีนขนส่ง: สารอาหารเช่นกลูโคสหรือกรดอะมิโนจะต้องเข้าสู่เซลล์ และผลิตภัณฑ์เมตาบอลิซึมบางชนิดต้องออกจากเซลล์
3. Endocytosis เป็นกระบวนการที่โมเลกุลถูกดูดซับ การเสียรูปเล็กน้อย (การบุกรุก) เกิดขึ้นในพลาสมาเมมเบรนซึ่งสารที่จะขนส่งถูกกลืนเข้าไป สิ่งนี้ต้องใช้พลังงานและเป็นการขนส่งรูปแบบหนึ่ง
4. Exocytosis: เกิดขึ้นในเซลล์ต่างๆ เพื่อกำจัดสารที่ยังไม่ได้ย่อยซึ่งเกิดจากกระบวนการ Endocytosis เพื่อหลั่งสารต่างๆ เช่น ฮอร์โมนและเอนไซม์ และขนส่งสารโดยสมบูรณ์ผ่านอุปสรรคของเซลล์
โครงสร้างโมเลกุล
เยื่อหุ้มเซลล์เป็นเยื่อหุ้มชีวภาพที่ประกอบด้วยฟอสโฟลิพิดเป็นหลักและแยกเนื้อหาของเซลล์ทั้งหมดออกจากสภาพแวดล้อมภายนอก กระบวนการก่อตัวเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติภายใต้สภาวะปกติ เพื่อให้เข้าใจกระบวนการนี้และอธิบายโครงสร้างและหน้าที่ของเยื่อหุ้มเซลล์รวมถึงคุณสมบัติได้อย่างถูกต้อง จำเป็นต้องประเมินธรรมชาติของโครงสร้างฟอสโฟไลปิด ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยโพลาไรเซชันของโครงสร้าง เมื่อฟอสโฟลิปิดในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำของไซโตพลาสซึมถึงความเข้มข้นวิกฤต พวกมันจะรวมกันเป็นไมเซลล์ซึ่งมีความเสถียรมากกว่าในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำ
คุณสมบัติของเมมเบรน
- ความมั่นคง ซึ่งหมายความว่าเมื่อก่อตัวขึ้นแล้ว การแตกตัวของเมมเบรนไม่น่าจะเป็นไปได้
- ความแข็งแกร่ง. เปลือกไขมันมีความน่าเชื่อถือเพียงพอที่จะป้องกันการผ่านของสารที่มีขั้ว ทั้งตัวถูกละลาย (ไอออน กลูโคส กรดอะมิโน) และโมเลกุลที่ใหญ่กว่ามาก (โปรตีน) ไม่สามารถผ่านขอบเขตที่เกิดขึ้นได้
- ตัวละครแบบไดนามิก นี่อาจเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดเมื่อพิจารณาถึงโครงสร้างของเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์สามารถเกิดการเสียรูปได้หลากหลาย สามารถพับและโค้งงอได้โดยไม่ถูกทำลาย ภายใต้สถานการณ์พิเศษ เช่น ในระหว่างการรวมตัวของตุ่มหรือการแตกหน่อ มันสามารถถูกรบกวนได้ แต่เพียงชั่วคราวเท่านั้น ที่อุณหภูมิห้อง ส่วนประกอบของไขมันจะมีการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องและวุ่นวาย ทำให้เกิดขอบเขตของของไหลที่เสถียร
แบบจำลองโมเสกเหลว
เมื่อพูดถึงโครงสร้างและหน้าที่ของเยื่อหุ้มเซลล์ สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าในแนวคิดสมัยใหม่ เมมเบรนเป็นแบบจำลองโมเสกเหลวได้รับการพิจารณาในปี 1972 โดยนักวิทยาศาสตร์ซิงเกอร์และนิโคลสัน ทฤษฎีของพวกเขาสะท้อนถึงคุณสมบัติหลักสามประการของโครงสร้างเมมเบรน อินทิกรัลส่งเสริมรูปแบบโมเสกสำหรับเมมเบรน และพวกมันมีความสามารถในการเคลื่อนที่ด้านข้างในระนาบเนื่องจากธรรมชาติที่แปรผันของการจัดระเบียบของไขมัน โปรตีนของเมมเบรนก็สามารถเคลื่อนที่ได้เช่นกัน คุณลักษณะที่สำคัญของโครงสร้างเมมเบรนคือความไม่สมมาตร โครงสร้างของเซลล์คืออะไร? เยื่อหุ้มเซลล์ นิวเคลียส โปรตีน และอื่นๆ เซลล์เป็นหน่วยพื้นฐานของชีวิต และสิ่งมีชีวิตทั้งหมดประกอบด้วยเซลล์หนึ่งเซลล์หรือหลายเซลล์ ซึ่งแต่ละเซลล์มีสิ่งกีดขวางตามธรรมชาติที่แยกเซลล์ออกจากสภาพแวดล้อม ขอบเขตด้านนอกของเซลล์นี้เรียกอีกอย่างว่าพลาสมาเมมเบรน ประกอบด้วยโมเลกุลสี่ประเภท: ฟอสโฟลิปิด, โคเลสเตอรอล, โปรตีนและคาร์โบไฮเดรต แบบจำลองโมเสกของเหลวอธิบายโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์ดังนี้ ยืดหยุ่นและยืดหยุ่น โดยมีความคงตัวคล้ายกับน้ำมันพืช เพื่อให้โมเลกุลแต่ละโมเลกุลลอยอยู่ในตัวกลางที่เป็นของเหลว และพวกมันทั้งหมดสามารถเคลื่อนที่ในแนวขวางภายในเมมเบรนนี้ได้ โมเสกคือสิ่งที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนต่างๆ มากมาย ในพลาสมาเมมเบรนจะแสดงด้วยฟอสโฟลิพิด โมเลกุลโคเลสเตอรอล โปรตีน และคาร์โบไฮเดรต
ฟอสโฟไลปิด
ฟอสโฟไลปิดเป็นโครงสร้างหลักของเยื่อหุ้มเซลล์ โมเลกุลเหล่านี้มีปลายสองด้านที่แตกต่างกัน: หัวและหาง ส่วนหัวประกอบด้วยหมู่ฟอสเฟตและเป็นสารที่ชอบน้ำ ซึ่งหมายความว่ามันถูกดึงดูดไปยังโมเลกุลของน้ำ หางประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจนและคาร์บอนที่เรียกว่าสายโซ่กรดไขมัน โซ่เหล่านี้ไม่ชอบน้ำซึ่งไม่ชอบผสมกับโมเลกุลของน้ำ กระบวนการนี้คล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อคุณเทน้ำมันพืชลงในน้ำนั่นคือมันไม่ละลายลงไป ลักษณะโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์มีความเกี่ยวข้องกับสิ่งที่เรียกว่า lipid bilayer ซึ่งประกอบด้วยฟอสโฟลิปิด หัวฟอสเฟตที่ชอบน้ำมักจะอยู่ในตำแหน่งที่มีน้ำอยู่ในรูปของของเหลวในเซลล์และนอกเซลล์ หางที่ไม่ชอบน้ำของฟอสโฟลิพิดในเมมเบรนถูกจัดเรียงในลักษณะที่ป้องกันไม่ให้น้ำ
คอเลสเตอรอล โปรตีน และคาร์โบไฮเดรต
เมื่อได้ยินคำว่าคอเลสเตอรอลก็มักจะคิดว่ามันไม่ดี อย่างไรก็ตาม จริงๆ แล้วคอเลสเตอรอลเป็นองค์ประกอบที่สำคัญมากของเยื่อหุ้มเซลล์ โมเลกุลประกอบด้วยวงแหวนไฮโดรเจนสี่วงและอะตอมของคาร์บอน พวกมันไม่ชอบน้ำและเกิดขึ้นในหมู่หางที่ไม่ชอบน้ำในไขมันสองชั้น ความสำคัญของพวกเขาอยู่ที่การรักษาความสม่ำเสมอพวกเขาเสริมสร้างเยื่อหุ้มเซลล์ป้องกันการข้าม โมเลกุลของคอเลสเตอรอลยังป้องกันไม่ให้หางฟอสโฟลิปิดสัมผัสกันและแข็งตัว สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ถึงความลื่นไหลและความยืดหยุ่น โปรตีนเมมเบรนทำหน้าที่เป็นเอนไซม์เพื่อเร่งปฏิกิริยาเคมี ทำหน้าที่เป็นตัวรับโมเลกุลเฉพาะ หรือขนส่งสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์
คาร์โบไฮเดรตหรือแซ็กคาไรด์จะพบได้ที่ด้านนอกเซลล์ของเยื่อหุ้มเซลล์เท่านั้น เมื่อรวมกันแล้วจะเกิดเป็นไกลโคคาลิกซ์ ช่วยกันกระแทกและปกป้องพลาสมาเมมเบรน ขึ้นอยู่กับโครงสร้างและประเภทของคาร์โบไฮเดรตในไกลโคคาลิกซ์ ร่างกายสามารถจดจำเซลล์และพิจารณาว่าควรจะอยู่ที่นั่นหรือไม่
โปรตีนเมมเบรน
ไม่สามารถจินตนาการถึงโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์ได้หากไม่มีส่วนประกอบที่สำคัญเช่นโปรตีน อย่างไรก็ตาม พวกมันอาจมีขนาดเล็กกว่าส่วนประกอบสำคัญอื่นๆ อย่างมาก นั่นก็คือ ลิพิด โปรตีนเมมเบรนที่สำคัญมีสามประเภท
- บูรณาการ ครอบคลุมถึงสภาพแวดล้อมชั้นสอง ไซโตพลาสซึม และนอกเซลล์อย่างสมบูรณ์ พวกเขาทำหน้าที่ขนส่งและการส่งสัญญาณ
- อุปกรณ์ต่อพ่วง โปรตีนติดอยู่กับเมมเบรนด้วยพันธะไฟฟ้าสถิตหรือไฮโดรเจนที่พื้นผิวไซโตพลาสซึมหรือนอกเซลล์ พวกมันเกี่ยวข้องเป็นหลักในการเป็นสิ่งที่แนบมากับโปรตีนอินทิกรัล
- เมมเบรน พวกมันทำหน้าที่ของเอนไซม์และการส่งสัญญาณ และยังปรับโครงสร้างพื้นฐานของไขมันชั้นสองของเมมเบรนอีกด้วย
หน้าที่ของเยื่อหุ้มชีวภาพ
ผลกระทบที่ไม่ชอบน้ำซึ่งควบคุมพฤติกรรมของไฮโดรคาร์บอนในน้ำ ควบคุมโครงสร้างที่เกิดจากไขมันของเมมเบรนและโปรตีนของเมมเบรน คุณสมบัติของเมมเบรนหลายอย่างได้รับมาจากชั้นไลปิดของพาหะ ซึ่งเป็นโครงสร้างพื้นฐานสำหรับเยื่อหุ้มชีวภาพทั้งหมด โปรตีนจากเยื่อหุ้มเซลล์บางส่วนถูกซ่อนอยู่ในชั้นไลปิด โปรตีนของเมมเบรนมีการจัดเรียงกรดอะมิโนเฉพาะในลำดับปฐมภูมิ
โปรตีนเมมเบรนส่วนปลายนั้นคล้ายคลึงกับโปรตีนที่ละลายน้ำได้มาก แต่ก็มีการจับกับเมมเบรนเช่นกัน เยื่อหุ้มเซลล์ชนิดพิเศษมีหน้าที่เฉพาะของเซลล์ โครงสร้างและหน้าที่ของเยื่อหุ้มเซลล์ส่งผลต่อร่างกายอย่างไร? การทำงานของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดขึ้นอยู่กับโครงสร้างของเยื่อหุ้มชีวภาพ จากออร์แกเนลล์ในเซลล์ปฏิกิริยาระหว่างเซลล์และระหว่างเซลล์ของเยื่อหุ้มเซลล์จะสร้างโครงสร้างที่จำเป็นสำหรับองค์กรและประสิทธิภาพของการทำงานทางชีววิทยา คุณสมบัติทางโครงสร้างและการทำงานหลายอย่างพบได้ทั่วไปในแบคทีเรียและไวรัสที่ห่อหุ้ม เยื่อชีวภาพทั้งหมดถูกสร้างขึ้นบนชั้นไลปิด ซึ่งส่งผลให้เกิดลักษณะทั่วไปหลายประการ โปรตีนเมมเบรนมีหน้าที่เฉพาะมากมาย
- การควบคุม พลาสมาเมมเบรนของเซลล์กำหนดขอบเขตของปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับสิ่งแวดล้อม
- ขนส่ง. เยื่อหุ้มเซลล์ภายในเซลล์แบ่งออกเป็นหลายหน่วยการทำงานโดยมีองค์ประกอบภายในที่แตกต่างกัน ซึ่งแต่ละหน่วยได้รับการสนับสนุนจากฟังก์ชันการขนส่งที่จำเป็นร่วมกับการควบคุมการซึมผ่าน
- การส่งสัญญาณ ฟิวชั่นเมมเบรนเป็นกลไกในการส่งสัญญาณตุ่มภายในเซลล์และป้องกันไม่ให้ไวรัสประเภทต่างๆ เข้าสู่เซลล์ได้อย่างอิสระ
ความสำคัญและข้อสรุป
โครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกส่งผลต่อร่างกายทั้งหมด มีบทบาทสำคัญในการปกป้องความสมบูรณ์โดยอนุญาตให้เฉพาะสารที่เลือกเท่านั้นที่จะทะลุผ่านได้ นอกจากนี้ยังเป็นฐานที่ดีสำหรับการยึดเกาะของโครงร่างโครงร่างเซลล์และผนังเซลล์ซึ่งช่วยในการรักษารูปร่างของเซลล์ ไขมันคิดเป็นประมาณ 50% ของมวลเยื่อหุ้มเซลล์ส่วนใหญ่ แม้ว่าจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของเยื่อหุ้มเซลล์ก็ตาม โครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีความซับซ้อนมากขึ้น โดยมีฟอสโฟลิพิดหลักสี่ชนิด คุณสมบัติที่สำคัญของชั้นไขมันสองชั้นคือพวกมันทำหน้าที่เป็นของเหลวสองมิติซึ่งแต่ละโมเลกุลสามารถหมุนและเคลื่อนที่ไปด้านข้างได้อย่างอิสระ ความลื่นไหลดังกล่าวเป็นคุณสมบัติที่สำคัญของเมมเบรนซึ่งพิจารณาจากอุณหภูมิและองค์ประกอบของไขมัน เนื่องจากโครงสร้างวงแหวนไฮโดรคาร์บอน คอเลสเตอรอลจึงมีบทบาทในการพิจารณาการไหลของเมมเบรน เยื่อชีวภาพสำหรับโมเลกุลขนาดเล็กช่วยให้เซลล์สามารถควบคุมและรักษาโครงสร้างภายในได้
เมื่อพิจารณาถึงโครงสร้างของเซลล์ (เยื่อหุ้มเซลล์ นิวเคลียส และอื่นๆ) เราสามารถสรุปได้ว่าร่างกายเป็นระบบที่ควบคุมตนเองได้ ซึ่งหากปราศจากความช่วยเหลือจากภายนอก จะไม่สามารถทำร้ายตัวเองได้ และจะมองหาวิธีฟื้นฟู ป้องกัน และอย่างเหมาะสมอยู่เสมอ ทำงานแต่ละเซลล์
9.5.1. หน้าที่หลักประการหนึ่งของเมมเบรนคือการมีส่วนร่วมในการถ่ายโอนสาร กระบวนการนี้สำเร็จได้ด้วยกลไกหลัก 3 ประการ ได้แก่ การแพร่กระจายอย่างง่าย การแพร่กระจายแบบอำนวยความสะดวก และการขนส่งแบบแอคทีฟ (รูปที่ 9.10) จำคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของกลไกเหล่านี้และตัวอย่างของสารที่ขนส่งในแต่ละกรณี
รูปที่ 9.10.กลไกการลำเลียงโมเลกุลผ่านเยื่อหุ้มเซลล์
การแพร่กระจายอย่างง่าย- การถ่ายโอนสารผ่านเมมเบรนโดยไม่ต้องมีส่วนร่วมของกลไกพิเศษ การขนส่งเกิดขึ้นตามระดับความเข้มข้นโดยไม่มีการใช้พลังงาน โดยการแพร่กระจายอย่างง่าย สารชีวโมเลกุลขนาดเล็กจะถูกขนส่ง - H2O, CO2, O2, ยูเรีย, สารโมเลกุลต่ำที่ไม่ชอบน้ำ อัตราการแพร่กระจายอย่างง่ายเป็นสัดส่วนกับการไล่ระดับความเข้มข้น
การแพร่กระจายที่สะดวก- การถ่ายโอนสารผ่านเมมเบรนโดยใช้ช่องโปรตีนหรือโปรตีนตัวพาพิเศษ ดำเนินการตามการไล่ระดับความเข้มข้นโดยไม่มีการใช้พลังงาน โมโนแซ็กคาไรด์ กรดอะมิโน นิวคลีโอไทด์ กลีเซอรอล และไอออนบางชนิดถูกขนส่ง จลนพลศาสตร์ของความอิ่มตัวเป็นลักษณะเฉพาะ - ที่ความเข้มข้น (อิ่มตัว) ของสารที่ถูกขนส่งโมเลกุลทั้งหมดของตัวพาจะมีส่วนร่วมในการถ่ายโอนและความเร็วของการขนส่งจะถึงค่าสูงสุด
การขนส่งที่ใช้งานอยู่- ยังต้องมีส่วนร่วมของโปรตีนการขนส่งพิเศษ แต่การขนส่งเกิดขึ้นกับการไล่ระดับความเข้มข้นดังนั้นจึงต้องใช้ค่าใช้จ่ายด้านพลังงาน เมื่อใช้กลไกนี้ ไอออน Na+, K+, Ca2+, Mg2+ จะถูกส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ และโปรตอนจะถูกขนส่งผ่านเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย การขนส่งสารแบบแอคทีฟนั้นมีลักษณะเฉพาะโดยจลนศาสตร์ของความอิ่มตัว
9.5.2. ตัวอย่างของระบบการขนส่งที่ดำเนินการขนส่งไอออนแบบแอคทีฟคือ Na+,K+-adenosine triphosphatase (Na+,K+-ATPase หรือ Na+,K+-pump) โปรตีนนี้อยู่ลึกเข้าไปในพลาสมาเมมเบรนและสามารถกระตุ้นปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของ ATP ได้ พลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการไฮโดรไลซิสของ ATP 1 โมเลกุลจะถูกใช้เพื่อถ่ายโอน Na+ 3 ไอออนจากเซลล์ไปยังพื้นที่นอกเซลล์ และ 2 K+ ไอออนไปในทิศทางตรงกันข้าม (รูปที่ 9.11) จากผลของการกระทำของ Na+,K+-ATPase ความเข้มข้นที่ต่างกันจะถูกสร้างขึ้นระหว่างเซลล์ไซโตโซลและของเหลวที่อยู่นอกเซลล์ เนื่องจากการถ่ายโอนไอออนไม่เท่ากัน จึงเกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้น ดังนั้นศักย์ไฟฟ้าเคมีจึงเกิดขึ้น ซึ่งประกอบด้วยพลังงานของความต่างของศักย์ไฟฟ้า Δφ และพลังงานของความต่างของความเข้มข้นของสาร ΔC ที่ทั้งสองด้านของเมมเบรน
รูปที่ 9.11.แผนภาพปั๊ม Na+, K+
9.5.3. การเคลื่อนย้ายอนุภาคและสารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงผ่านเยื่อหุ้มเซลล์
นอกเหนือจากการขนส่งสารอินทรีย์และไอออนที่ดำเนินการโดยพาหะแล้ว ยังมีกลไกพิเศษในเซลล์ที่ออกแบบมาเพื่อดูดซับสารประกอบโมเลกุลสูงเข้าสู่เซลล์และกำจัดสารประกอบโมเลกุลสูงออกจากเซลล์โดยการเปลี่ยนรูปร่างของไบโอเมมเบรน กลไกนี้เรียกว่า การขนส่งตุ่ม.
รูปที่ 9.12.ประเภทของการขนส่งตุ่ม: 1 - endocytosis; 2 - เอ็กโซไซโตซิส
ในระหว่างการถ่ายโอนโมเลกุลขนาดใหญ่ จะเกิดการก่อตัวตามลำดับและการหลอมรวมของถุงน้ำที่ล้อมรอบเมมเบรน (ถุง) ขึ้นอยู่กับทิศทางของการขนส่งและลักษณะของสารที่ขนส่งการขนส่งตุ่มประเภทต่อไปนี้มีความโดดเด่น:
ภาวะเอนโดโทซิส(รูปที่ 9.12, 1) - การถ่ายโอนสารเข้าสู่เซลล์ ขึ้นอยู่กับขนาดของถุงที่เกิดขึ้นจะมีความโดดเด่น:
ก) พิโนไซโทซิส — การดูดซึมของของเหลวและโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ละลาย (โปรตีน, โพลีแซ็กคาไรด์, กรดนิวคลีอิก) โดยใช้ฟองอากาศขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลาง 150 นาโนเมตร)
ข) ฟาโกไซโตซิส — การดูดซับอนุภาคขนาดใหญ่ เช่น จุลินทรีย์หรือเศษเซลล์ ในกรณีนี้จะเกิดถุงขนาดใหญ่ที่เรียกว่า phagosomes ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 250 นาโนเมตร
Pinocytosis เป็นลักษณะของเซลล์ยูคาริโอตส่วนใหญ่ในขณะที่อนุภาคขนาดใหญ่ถูกดูดซับโดยเซลล์พิเศษ - เม็ดเลือดขาวและมาโครฟาจ ในระยะแรกของการเกิดเอนโดโทซิส สารหรืออนุภาคจะถูกดูดซับบนพื้นผิวของเมมเบรน กระบวนการนี้เกิดขึ้นโดยไม่มีการใช้พลังงาน ในระยะต่อไป เมมเบรนที่มีสารดูดซับจะลึกเข้าไปในไซโตพลาสซึม ผลที่ตามมาคือพลาสมาเมมเบรนรุกรานเฉพาะที่จะถูกแยกออกจากผิวเซลล์ ก่อตัวเป็นถุงน้ำ จากนั้นจึงย้ายเข้าไปในเซลล์ กระบวนการนี้เชื่อมต่อกันด้วยระบบไมโครฟิลาเมนต์และขึ้นอยู่กับพลังงาน ถุงและฟาโกโซมที่เข้าสู่เซลล์สามารถรวมเข้ากับไลโซโซมได้ เอนไซม์ที่มีอยู่ในไลโซโซมจะสลายสารที่อยู่ในถุงและฟาโกโซมให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ (กรดอะมิโน โมโนแซ็กคาไรด์ นิวคลีโอไทด์) ซึ่งถูกขนส่งเข้าสู่ไซโตโซล ซึ่งเซลล์สามารถนำมาใช้ได้
เอ็กโซไซโทซิส(รูปที่ 9.12, 2) - การถ่ายโอนอนุภาคและสารประกอบขนาดใหญ่ออกจากเซลล์ กระบวนการนี้เหมือนกับภาวะเอนโดโทซิส เกิดขึ้นพร้อมกับการดูดซึมพลังงาน ประเภทหลักของ exocytosis คือ:
ก) การหลั่ง - การกำจัดสารประกอบที่ละลายน้ำได้ออกจากเซลล์ที่ใช้หรือส่งผลต่อเซลล์อื่นของร่างกาย สามารถทำได้ทั้งโดยเซลล์ที่ไม่เฉพาะเจาะจงและโดยเซลล์ของต่อมไร้ท่อซึ่งเป็นเยื่อเมือกของระบบทางเดินอาหารซึ่งปรับให้เหมาะกับการหลั่งสารที่ผลิต (ฮอร์โมน สารสื่อประสาท โปรเอนไซม์) ขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของร่างกาย
โปรตีนที่หลั่งออกมาจะถูกสังเคราะห์บนไรโบโซมที่เกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้มของเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมที่หยาบ จากนั้นโปรตีนเหล่านี้จะถูกส่งไปยังอุปกรณ์ Golgi ซึ่งโปรตีนเหล่านี้จะถูกดัดแปลง ทำให้เข้มข้น คัดแยก และบรรจุลงในถุง ซึ่งถูกปล่อยลงในไซโตโซล และต่อมาหลอมรวมกับพลาสมาเมมเบรน เพื่อให้สิ่งที่อยู่ในถุงอยู่นอกเซลล์
อนุภาคที่หลั่งออกมาขนาดเล็ก เช่น โปรตอน ต่างจากโมเลกุลขนาดใหญ่ จะถูกส่งออกจากเซลล์โดยใช้กลไกของการแพร่กระจายและการขนส่งแบบแอคทีฟที่อำนวยความสะดวก
ข) การขับถ่าย - การกำจัดสารที่ไม่สามารถนำมาใช้ออกจากเซลล์ได้ (เช่น ในระหว่างการสร้างเม็ดเลือดแดง การกำจัดสารตาข่ายออกจากเรติคูโลไซต์ ซึ่งเป็นการรวมซากของออร์แกเนลล์) กลไกการขับถ่ายดูเหมือนว่าอนุภาคที่ถูกขับออกมาในตอนแรกจะติดอยู่ในถุงไซโตพลาสซึม ซึ่งจะหลอมรวมกับพลาสมาเมมเบรน
หน่วยโครงสร้างพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตคือเซลล์ ซึ่งเป็นส่วนที่แตกต่างของไซโตพลาสซึมที่ล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มเซลล์ เนื่องจากเซลล์ทำหน้าที่สำคัญหลายอย่าง เช่น การสืบพันธุ์ โภชนาการ การเคลื่อนไหว เมมเบรนจึงต้องเป็นพลาสติกและมีความหนาแน่น
ประวัติความเป็นมาของการค้นพบและการวิจัยเยื่อหุ้มเซลล์
ในปี 1925 Grendel และ Gorder ได้ทำการทดลองที่ประสบความสำเร็จเพื่อระบุ “เงา” ของเซลล์เม็ดเลือดแดงหรือเยื่อหุ้มเซลล์ที่ว่างเปล่า แม้จะมีข้อผิดพลาดหลายครั้ง แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ค้นพบชั้นไขมัน (lipid bilayer) งานของพวกเขาดำเนินต่อไปโดย Danielli, Dawson ในปี 1935 และ Robertson ในปี 1960 จากการทำงานเป็นเวลาหลายปีและการสะสมข้อโต้แย้งในปี 1972 ซิงเกอร์และนิโคลสันได้สร้างแบบจำลองโครงสร้างเมมเบรนแบบฟลูอิดโมเสก การทดลองและการศึกษาเพิ่มเติมยืนยันผลงานของนักวิทยาศาสตร์
ความหมาย
เยื่อหุ้มเซลล์คืออะไร? คำนี้เริ่มใช้มานานกว่าร้อยปีที่แล้ว แปลจากภาษาละตินแปลว่า "ภาพยนตร์" "ผิวหนัง" นี่คือวิธีกำหนดขอบเขตของเซลล์ ซึ่งเป็นอุปสรรคตามธรรมชาติระหว่างเนื้อหาภายในและสภาพแวดล้อมภายนอก โครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์หมายถึงความสามารถในการซึมผ่านแบบกึ่งซึมผ่านได้ เนื่องจากความชื้น สารอาหาร และผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวสามารถผ่านได้อย่างอิสระ เปลือกนี้สามารถเรียกได้ว่าเป็นองค์ประกอบโครงสร้างหลักของการจัดระเบียบเซลล์
พิจารณาหน้าที่หลักของเยื่อหุ้มเซลล์
1. แยกเนื้อหาภายในของเซลล์และส่วนประกอบของสภาพแวดล้อมภายนอก
2.ช่วยรักษาองค์ประกอบทางเคมีของเซลล์ให้คงที่
3. ควบคุมการเผาผลาญที่เหมาะสม
4. ให้การสื่อสารระหว่างเซลล์
5. รับรู้สัญญาณ
6. ฟังก์ชั่นการป้องกัน
"พลาสมาเชลล์"
เยื่อหุ้มเซลล์ด้านนอกหรือที่เรียกว่าพลาสมาเมมเบรนเป็นฟิล์มอัลตร้าไมโครสโคปิกซึ่งมีความหนาตั้งแต่ห้าถึงเจ็ดนาโนมิลลิเมตร ประกอบด้วยสารประกอบโปรตีน ฟอสโฟไลด์ และน้ำเป็นส่วนใหญ่ ฟิล์มมีความยืดหยุ่น ดูดซับน้ำได้ง่าย และคืนความสมบูรณ์ได้อย่างรวดเร็วหลังจากเกิดความเสียหาย
มีโครงสร้างที่เป็นสากล เมมเบรนนี้ครองตำแหน่งชายแดน มีส่วนร่วมในกระบวนการซึมผ่านแบบเลือกได้ การกำจัดผลิตภัณฑ์ที่ผุพัง และสังเคราะห์พวกมัน ความสัมพันธ์กับ "เพื่อนบ้าน" และการปกป้องเนื้อหาภายในจากความเสียหายที่เชื่อถือได้ทำให้เป็นองค์ประกอบสำคัญในเรื่องต่างๆ เช่น โครงสร้างของเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์ของสิ่งมีชีวิตในสัตว์บางครั้งถูกปกคลุมไปด้วยชั้นบาง ๆ ซึ่งก็คือไกลโคคาลิกซ์ซึ่งรวมถึงโปรตีนและโพลีแซ็กคาไรด์ เซลล์พืชที่อยู่นอกเมมเบรนได้รับการปกป้องโดยผนังเซลล์ ซึ่งทำหน้าที่พยุงและรักษารูปร่าง ส่วนประกอบหลักขององค์ประกอบคือไฟเบอร์ (เซลลูโลส) ซึ่งเป็นโพลีแซ็กคาไรด์ที่ไม่ละลายในน้ำ
ดังนั้นเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกจึงมีหน้าที่ซ่อมแซม ป้องกัน และโต้ตอบกับเซลล์อื่นๆ
โครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์
ความหนาของเปลือกที่สามารถเคลื่อนย้ายได้นี้แตกต่างกันไปตั้งแต่หกถึงสิบนาโนมิลลิเมตร เยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์มีองค์ประกอบพิเศษซึ่งมีพื้นฐานเป็นไขมันสองชั้น หางที่ไม่ชอบน้ำซึ่งเฉื่อยต่อน้ำตั้งอยู่ด้านใน ในขณะที่หัวที่ชอบน้ำซึ่งมีปฏิกิริยากับน้ำจะหันหน้าออกด้านนอก ไขมันแต่ละชนิดคือฟอสโฟลิพิด ซึ่งเป็นผลมาจากปฏิกิริยาระหว่างสารต่างๆ เช่น กลีเซอรอลและสฟิงโกซีน กรอบไขมันนั้นล้อมรอบด้วยโปรตีนอย่างใกล้ชิดซึ่งจัดเรียงอยู่ในชั้นที่ไม่ต่อเนื่องกัน บางส่วนถูกแช่อยู่ในชั้นไขมันส่วนที่เหลือจะผ่านไปได้ ส่งผลให้เกิดพื้นที่ที่สามารถซึมผ่านของน้ำได้ ฟังก์ชั่นที่ทำโดยโปรตีนเหล่านี้แตกต่างกัน บางส่วนเป็นเอนไซม์ส่วนที่เหลือเป็นโปรตีนขนส่งที่ถ่ายโอนสารต่าง ๆ จากสภาพแวดล้อมภายนอกไปยังไซโตพลาสซึมและด้านหลัง
เยื่อหุ้มเซลล์ถูกแทรกซึมผ่านและเชื่อมต่อกันอย่างใกล้ชิดด้วยโปรตีนอินทิกรัล และการเชื่อมต่อกับส่วนนอกมีความแข็งแรงน้อยกว่า โปรตีนเหล่านี้ทำหน้าที่สำคัญ ซึ่งก็คือการรักษาโครงสร้างของเมมเบรน รับและแปลงสัญญาณจากสิ่งแวดล้อม ขนส่งสาร และกระตุ้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นบนเมมเบรน
สารประกอบ
พื้นฐานของเยื่อหุ้มเซลล์คือชั้นสองโมเลกุล ด้วยความต่อเนื่องของมัน เซลล์จึงมีสิ่งกีดขวางและคุณสมบัติทางกล ในระยะต่างๆ ของชีวิต ชั้นสองนี้สามารถถูกทำลายได้ เป็นผลให้เกิดข้อบกพร่องทางโครงสร้างของรูพรุนที่ชอบน้ำ ในกรณีนี้ฟังก์ชันทั้งหมดของส่วนประกอบเช่นเยื่อหุ้มเซลล์สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างแน่นอน แกนกลางอาจได้รับอิทธิพลจากภายนอก
คุณสมบัติ
เยื่อหุ้มเซลล์มีคุณสมบัติที่น่าสนใจ เนื่องจากความลื่นไหล เมมเบรนนี้จึงไม่ใช่โครงสร้างที่แข็งแรง และโปรตีนและไขมันจำนวนมากที่ประกอบกันเป็นส่วนประกอบจะเคลื่อนที่อย่างอิสระบนระนาบของเมมเบรน
โดยทั่วไป เยื่อหุ้มเซลล์จะไม่สมมาตร ดังนั้นองค์ประกอบของชั้นโปรตีนและไขมันจึงแตกต่างกัน เยื่อหุ้มพลาสมาในเซลล์สัตว์ที่ด้านนอกมีชั้นไกลโคโปรตีนที่ทำหน้าที่รับและการส่งสัญญาณ และยังมีบทบาทสำคัญในกระบวนการรวมเซลล์เข้ากับเนื้อเยื่อ เยื่อหุ้มเซลล์มีขั้ว กล่าวคือ ประจุด้านนอกเป็นบวก และประจุด้านในเป็นลบ นอกเหนือจากที่กล่าวมาทั้งหมด เยื่อหุ้มเซลล์ยังมีข้อมูลเชิงลึกแบบเลือกสรรอีกด้วย
ซึ่งหมายความว่านอกเหนือจากน้ำแล้ว มีเพียงกลุ่มโมเลกุลและไอออนของสารที่ละลายบางกลุ่มเท่านั้นที่ได้รับอนุญาตให้เข้าไปในเซลล์ ความเข้มข้นของสารเช่นโซเดียมในเซลล์ส่วนใหญ่ต่ำกว่าในสภาพแวดล้อมภายนอกมาก โพแทสเซียมไอออนมีอัตราส่วนที่แตกต่างกัน: ปริมาณของพวกมันในเซลล์สูงกว่าในสิ่งแวดล้อมมาก ในเรื่องนี้ไอออนของโซเดียมมีแนวโน้มที่จะทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ และโพแทสเซียมไอออนมีแนวโน้มที่จะถูกปล่อยออกมาจากภายนอก ภายใต้สถานการณ์เหล่านี้ เมมเบรนจะเปิดใช้งานระบบพิเศษที่มีบทบาท "การสูบน้ำ" โดยจะปรับระดับความเข้มข้นของสาร โดยโซเดียมไอออนจะถูกปั๊มไปที่พื้นผิวของเซลล์ และโพแทสเซียมไอออนจะถูกปั๊มเข้าไปภายใน คุณลักษณะนี้เป็นหนึ่งในหน้าที่ที่สำคัญที่สุดของเยื่อหุ้มเซลล์
แนวโน้มที่โซเดียมและโพแทสเซียมไอออนจะเคลื่อนเข้ามาจากพื้นผิวมีบทบาทสำคัญในการขนส่งน้ำตาลและกรดอะมิโนเข้าสู่เซลล์ ในกระบวนการกำจัดโซเดียมไอออนออกจากเซลล์อย่างแข็งขัน เมมเบรนจะสร้างสภาวะสำหรับการดูดซึมกลูโคสและกรดอะมิโนเข้าไปใหม่ภายใน ในทางตรงกันข้ามในกระบวนการถ่ายโอนโพแทสเซียมไอออนเข้าสู่เซลล์จะมีการเติมเต็มจำนวน "ตัวขนส่ง" ของผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวจากภายในเซลล์ไปยังสภาพแวดล้อมภายนอก
สารอาหารของเซลล์เกิดขึ้นผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้อย่างไร?
เซลล์จำนวนมากดูดซับสารผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น ฟาโกไซโตซิสและพิโนไซโทซิส ในตัวเลือกแรก เมมเบรนด้านนอกที่ยืดหยุ่นจะสร้างการกดเล็กน้อยซึ่งอนุภาคที่จับได้จะสิ้นสุดลง เส้นผ่านศูนย์กลางของช่องจะมีขนาดใหญ่ขึ้นจนกว่าอนุภาคที่ปิดล้อมจะเข้าสู่ไซโตพลาสซึมของเซลล์ โปรโตซัวบางชนิดเช่นอะมีบาจะถูกป้อนผ่าน phagocytosis เช่นเดียวกับเซลล์เม็ดเลือด - เม็ดเลือดขาวและ phagocytes ในทำนองเดียวกัน เซลล์ดูดซับของเหลวซึ่งมีสารอาหารที่จำเป็น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าพิโนไซโทซิส
เยื่อหุ้มชั้นนอกเชื่อมต่ออย่างใกล้ชิดกับเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมของเซลล์
ส่วนประกอบของเนื้อเยื่อหลักหลายประเภทมีส่วนที่ยื่นออกมา รอยพับ และไมโครวิลลี่บนพื้นผิวของเมมเบรน เซลล์พืชที่อยู่ด้านนอกของเปลือกนี้ถูกปกคลุมไปด้วยอีกเซลล์หนึ่ง ซึ่งมีความหนาและมองเห็นได้ชัดเจนภายใต้กล้องจุลทรรศน์ เส้นใยที่ทำขึ้นช่วยรองรับเนื้อเยื่อพืช เช่น ไม้ เซลล์สัตว์ยังมีโครงสร้างภายนอกจำนวนหนึ่งที่วางอยู่เหนือเยื่อหุ้มเซลล์ พวกมันมีการปกป้องโดยธรรมชาติโดยเฉพาะ ตัวอย่างนี้คือไคตินที่มีอยู่ในเซลล์ผิวหนังของแมลง
นอกจากเยื่อหุ้มเซลล์แล้วยังมีเยื่อหุ้มเซลล์อีกด้วย หน้าที่ของมันคือการแบ่งเซลล์ออกเป็นช่องปิดเฉพาะหลายช่อง - ช่องหรือออร์แกเนลล์ซึ่งต้องรักษาสภาพแวดล้อมบางอย่างไว้
ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะประเมินค่าสูงไปบทบาทของส่วนประกอบดังกล่าวของหน่วยพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตเช่นเยื่อหุ้มเซลล์ โครงสร้างและหน้าที่แนะนำให้มีการขยายตัวอย่างมีนัยสำคัญของพื้นที่ผิวทั้งหมดของเซลล์และการปรับปรุงกระบวนการเผาผลาญ โครงสร้างโมเลกุลนี้ประกอบด้วยโปรตีนและไขมัน เมมเบรนจะแยกเซลล์ออกจากสภาพแวดล้อมภายนอกเพื่อให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของมัน ด้วยความช่วยเหลือของมัน การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์จะยังคงอยู่ในระดับที่ค่อนข้างแข็งแกร่งโดยสร้างเนื้อเยื่อ ในเรื่องนี้เราสามารถสรุปได้ว่าเยื่อหุ้มเซลล์มีบทบาทที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในเซลล์ โครงสร้างและหน้าที่ที่ทำนั้นแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงในเซลล์ต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ ทำให้เกิดกิจกรรมทางสรีรวิทยาที่หลากหลายของเยื่อหุ้มเซลล์และบทบาทในการดำรงอยู่ของเซลล์และเนื้อเยื่อ
เยื่อหุ้มเซลล์มีโครงสร้างค่อนข้างซับซ้อนซึ่งสามารถดูได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน กล่าวโดยคร่าวๆ ประกอบด้วยชั้นไขมัน (ไขมัน) ซึ่งมีเปปไทด์ (โปรตีน) หลายชนิดฝังอยู่ในที่ต่างๆ ความหนารวมของเมมเบรนประมาณ 5-10 นาโนเมตร
โครงสร้างทั่วไปของเยื่อหุ้มเซลล์นั้นเป็นสากลสำหรับสิ่งมีชีวิตทั้งโลก อย่างไรก็ตาม เยื่อหุ้มของสัตว์นั้นมีคอเลสเตอรอลรวมอยู่ด้วย ซึ่งเป็นตัวกำหนดความแข็งแกร่งของพวกมัน ความแตกต่างระหว่างเยื่อหุ้มของอาณาจักรสิ่งมีชีวิตต่างๆ ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของเยื่อหุ้มเซลล์ด้านบน (ชั้น) ดังนั้นในพืชและเชื้อราจึงมีผนังเซลล์อยู่เหนือเยื่อหุ้มเซลล์ (ด้านนอก) ในพืชประกอบด้วยเซลลูโลสเป็นส่วนใหญ่ และในเชื้อราประกอบด้วยไคตินเป็นส่วนใหญ่ ในสัตว์ ชั้นเมมเบรนด้านบนเรียกว่าไกลโคคาลิกซ์
อีกชื่อหนึ่งของเยื่อหุ้มเซลล์ เมมเบรนไซโตพลาสซึมหรือพลาสมาเมมเบรน
การศึกษาโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์ในเชิงลึกเผยให้เห็นคุณลักษณะหลายประการที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของเยื่อหุ้มเซลล์
ไขมัน bilayer ประกอบด้วยฟอสโฟลิปิดเป็นส่วนใหญ่ สิ่งเหล่านี้คือไขมันซึ่งปลายด้านหนึ่งมีกรดฟอสฟอริกตกค้างซึ่งมีคุณสมบัติชอบน้ำ (นั่นคือมันดึงดูดโมเลกุลของน้ำ) ปลายที่สองของฟอสโฟไลปิดคือสายโซ่ของกรดไขมันที่มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำ (ไม่สร้างพันธะไฮโดรเจนกับน้ำ)
โมเลกุลฟอสโฟไลปิดในเยื่อหุ้มเซลล์ถูกจัดเรียงเป็นสองแถวเพื่อให้ "ปลาย" ที่ไม่ชอบน้ำอยู่ด้านในและ "หัว" ที่ชอบน้ำอยู่ด้านนอก ผลลัพธ์ที่ได้คือโครงสร้างที่ค่อนข้างแข็งแกร่งซึ่งช่วยปกป้องเนื้อหาของเซลล์จากสภาพแวดล้อมภายนอก
การรวมโปรตีนในเยื่อหุ้มเซลล์มีการกระจายไม่สม่ำเสมอนอกจากนี้ยังเคลื่อนที่ได้ (เนื่องจากฟอสโฟลิปิดในชั้นสองชั้นมีความคล่องตัวด้านข้าง) ตั้งแต่ทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่ XX พวกเขาเริ่มพูดถึง โครงสร้างโมเสกของเหลวของเยื่อหุ้มเซลล์.
โปรตีนสามประเภทมีความโดดเด่นขึ้นอยู่กับว่าโปรตีนรวมอยู่ในเมมเบรนอย่างไร: อินทิกรัล, กึ่งอินทิกรัลและอุปกรณ์ต่อพ่วง โปรตีนอินทิกรัลผ่านความหนาทั้งหมดของเมมเบรนและปลายของมันยื่นออกมาทั้งสองด้าน พวกเขาทำหน้าที่ขนส่งเป็นหลัก ในโปรตีนกึ่งอินทิกรัล ปลายด้านหนึ่งอยู่ที่ความหนาของเมมเบรน และปลายที่สองขยายออกไปด้านนอก (จากด้านนอกหรือด้านใน) ทำหน้าที่ของเอนไซม์และตัวรับ โปรตีนส่วนปลายจะพบได้ที่พื้นผิวด้านนอกหรือด้านในของเมมเบรน
ลักษณะโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์บ่งชี้ว่าเป็นองค์ประกอบหลักของความซับซ้อนของพื้นผิวเซลล์ แต่ไม่ใช่องค์ประกอบเดียวเท่านั้น ส่วนประกอบอื่นๆ ได้แก่ ชั้นเมมเบรนด้านบนและชั้นเมมเบรนย่อย
ไกลโคคาลิกซ์ (ชั้นเยื่อหุ้มเหนือของสัตว์) เกิดจากโอลิโกแซ็กคาไรด์และโพลีแซ็กคาไรด์ รวมถึงโปรตีนส่วนปลายและส่วนที่ยื่นออกมาของโปรตีนอินทิกรัล ส่วนประกอบของ glycocalyx ทำหน้าที่รับหน้าที่
นอกจากไกลโคคาลิกซ์แล้ว เซลล์สัตว์ยังมีการก่อตัวของเยื่อเหนือเยื่ออื่นๆ ด้วย เช่น เมือก ไคติน เยื่อเพอริเล็มมา (คล้ายเยื่อ)
โครงสร้างเมมเบรนด้านบนในพืชและเชื้อราคือผนังเซลล์
ชั้นซับเมมเบรนของเซลล์คือไซโตพลาสซึมของพื้นผิว (hyaloplasm) โดยมีระบบรองรับการหดตัวของเซลล์รวมอยู่ในนั้นซึ่งมีไฟบริลซึ่งมีปฏิกิริยากับโปรตีนที่รวมอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ สัญญาณต่างๆ จะถูกส่งผ่านการเชื่อมต่อระดับโมเลกุลดังกล่าว
เยื่อหุ้มชีวภาพ- ชื่อทั่วไปของโครงสร้างพื้นผิวที่มีการใช้งานตามหน้าที่ซึ่งผูกเซลล์ (เซลล์หรือเยื่อหุ้มพลาสมา) และออร์แกเนลล์ภายในเซลล์ (เยื่อหุ้มของไมโตคอนเดรีย, นิวเคลียส, ไลโซโซม, ตาข่ายเอนโดพลาสมิก ฯลฯ ) ประกอบด้วยไขมัน โปรตีน โมเลกุลที่ต่างกัน (ไกลโคโปรตีน ไกลโคลิพิด) และส่วนประกอบย่อยจำนวนมาก ขึ้นอยู่กับการทำงานที่ทำ เช่น โคเอ็นไซม์ กรดนิวคลีอิก สารต้านอนุมูลอิสระ แคโรทีนอยด์ ไอออนอนินทรีย์ ฯลฯ
การทำงานร่วมกันของระบบเมมเบรน - ตัวรับ เอนไซม์ กลไกการขนส่ง - ช่วยรักษาสภาวะสมดุลของเซลล์และในขณะเดียวกันก็ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมภายนอกได้อย่างรวดเร็ว
ถึง หน้าที่พื้นฐานของเยื่อหุ้มชีวภาพ สามารถนำมาประกอบได้:
·การแยกเซลล์ออกจากสิ่งแวดล้อมและการก่อตัวของช่องภายในเซลล์ (ช่อง)
· การควบคุมและการควบคุมการขนส่งสารหลากหลายชนิดผ่านเยื่อเมมเบรน
· มีส่วนร่วมในการสร้างปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์ ส่งสัญญาณเข้าสู่เซลล์
· การแปลงพลังงานของสารอินทรีย์ในอาหารให้เป็นพลังงานของพันธะเคมีของโมเลกุล ATP
การจัดเรียงโมเลกุลของพลาสมาเมมเบรน (เซลล์) นั้นใกล้เคียงกันในทุกเซลล์: ประกอบด้วยโมเลกุลไขมันสองชั้นซึ่งมีโปรตีนจำเพาะหลายชนิดรวมอยู่ในนั้น โปรตีนจากเมมเบรนบางชนิดมีฤทธิ์ของเอนไซม์ ในขณะที่บางชนิดจับสารอาหารจากสิ่งแวดล้อมและขนส่งเข้าสู่เซลล์ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ โปรตีนเมมเบรนมีความโดดเด่นด้วยธรรมชาติของการเชื่อมต่อกับโครงสร้างของเมมเบรน โปรตีนบางชนิดเรียกว่า ภายนอกหรืออุปกรณ์ต่อพ่วง จะถูกผูกไว้อย่างหลวมๆ กับพื้นผิวของเมมเบรน หรือเรียกอีกอย่างว่า ภายในหรืออินทิกรัล , แช่อยู่ในเมมเบรน โปรตีนส่วนนอกสามารถสกัดได้ง่าย ในขณะที่โปรตีนอินทิกรัลสามารถแยกได้โดยใช้ผงซักฟอกหรือตัวทำละลายอินทรีย์เท่านั้น ในรูป รูปที่ 4 แสดงโครงสร้างของพลาสมาเมมเบรน
เยื่อหุ้มเซลล์ด้านนอกหรือพลาสมาของเซลล์จำนวนมากรวมถึงเยื่อหุ้มของออร์แกเนลล์ในเซลล์เช่นไมโตคอนเดรียคลอโรพลาสต์ถูกแยกออกในรูปแบบอิสระและศึกษาองค์ประกอบโมเลกุลของพวกมัน เมมเบรนทั้งหมดมีโพลาร์ลิพิดในปริมาณตั้งแต่ 20 ถึง 80% ของมวล ขึ้นอยู่กับประเภทของเมมเบรน ส่วนที่เหลือส่วนใหญ่เป็นโปรตีน ดังนั้นในพลาสมาเมมเบรนของเซลล์สัตว์ปริมาณโปรตีนและไขมันตามกฎจะเท่ากัน เยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียชั้นในประกอบด้วยโปรตีนประมาณ 80% และมีไขมันเพียง 20% ในขณะที่เยื่อหุ้มไมอีลินของเซลล์สมองมีไขมันประมาณ 80% และมีโปรตีนเพียง 20% เท่านั้น
ข้าว. 4. โครงสร้างของพลาสมาเมมเบรน
ส่วนไขมันของเมมเบรนเป็นส่วนผสมของโพลาร์ลิพิดชนิดต่างๆ โพลาร์ลิปิดซึ่งรวมถึงฟอสโฟกลีเซอโรไลปิด สฟิงโกลิพิด และไกลโคลิพิด จะไม่ถูกเก็บไว้ในเซลล์ไขมัน แต่จะรวมอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ และในสัดส่วนที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด
ไขมันขั้วโลกทั้งหมดในเยื่อหุ้มเซลล์ได้รับการต่ออายุอย่างต่อเนื่องในระหว่างกระบวนการเมตาบอลิซึม ภายใต้สภาวะปกติ สถานะคงที่แบบไดนามิกจะถูกสร้างขึ้นในเซลล์ ซึ่งอัตราการสังเคราะห์ไขมันจะเท่ากับอัตราการสลายตัว
เยื่อหุ้มเซลล์สัตว์ประกอบด้วยฟอสโฟกลีซีโรลิพิดเป็นส่วนใหญ่ และสฟิงโกลิพิดในปริมาณที่น้อยกว่า triacylglycerols พบได้ในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น เยื่อหุ้มเซลล์สัตว์บางชนิด โดยเฉพาะเยื่อหุ้มพลาสมาชั้นนอก มีคอเลสเตอรอลและเอสเทอร์ในปริมาณมาก (รูปที่ 5)
รูปที่ 5 ไขมันเมมเบรน
ปัจจุบัน แบบจำลองโครงสร้างเมมเบรนที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปคือแบบจำลองโมเสกของเหลว ซึ่งเสนอในปี 1972 โดย S. Singer และ J. Nicholson
จากข้อมูลดังกล่าว โปรตีนสามารถเปรียบได้กับภูเขาน้ำแข็งที่ลอยอยู่ในทะเลไขมัน ดังที่ได้กล่าวไปแล้วโปรตีนเมมเบรนมี 2 ประเภท: อินทิกรัลและอุปกรณ์ต่อพ่วง โปรตีนอินทิกรัลทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ โมเลกุลแอมฟิพาติก- โปรตีนส่วนปลายไม่ทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และเกาะแน่นน้อยกว่า ส่วนต่อเนื่องหลักของเมมเบรนซึ่งก็คือเมทริกซ์คือชั้นไขมันขั้วโลก ที่อุณหภูมิเซลล์ปกติเมทริกซ์จะอยู่ในสถานะของเหลวซึ่งมั่นใจได้ในอัตราส่วนที่แน่นอนระหว่างกรดไขมันอิ่มตัวและไม่อิ่มตัวในหางที่ไม่ชอบน้ำของไขมันขั้วโลก
แบบจำลองโมเสกเหลวยังสันนิษฐานว่าบนพื้นผิวของโปรตีนอินทิกรัลที่อยู่ในเมมเบรนมีกลุ่ม R ของกรดอะมิโนที่ตกค้าง (ส่วนใหญ่เป็นกลุ่มที่ไม่ชอบน้ำ เนื่องจากโปรตีนดูเหมือนจะ "ละลาย" ในส่วนที่ไม่ชอบน้ำส่วนกลางของชั้นสองชั้น) . ในเวลาเดียวกันบนพื้นผิวของอุปกรณ์ต่อพ่วงหรือโปรตีนภายนอกส่วนใหญ่จะมีกลุ่ม R ที่ชอบน้ำซึ่งถูกดึงดูดไปที่หัวขั้วของไขมันที่มีประจุที่ชอบน้ำเนื่องจากแรงไฟฟ้าสถิต โปรตีนอินทิกรัลซึ่งรวมถึงเอนไซม์และโปรตีนในการขนส่งจะทำงานได้ก็ต่อเมื่ออยู่ภายในส่วนที่ไม่ชอบน้ำของชั้นสองชั้นซึ่งพวกมันจะได้รับการกำหนดค่าเชิงพื้นที่ที่จำเป็นสำหรับการสำแดงของกิจกรรม (รูปที่ 6) ควรเน้นย้ำอีกครั้งว่าพันธะโควาเลนต์จะไม่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลในชั้นสองชั้นหรือระหว่างโปรตีนกับไขมันของชั้นสองชั้น
รูปที่ 6. โปรตีนเมมเบรน
โปรตีนเมมเบรนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในระนาบด้านข้าง โปรตีนส่วนนอกจะลอยอยู่บนพื้นผิวของ "ทะเล" ที่มีชั้นสอง ในขณะที่โปรตีนที่เป็นส่วนประกอบ เช่น ภูเขาน้ำแข็ง จะถูกแช่อยู่ในชั้นไฮโดรคาร์บอนเกือบทั้งหมด
โดยส่วนใหญ่แล้วเมมเบรนจะไม่สมมาตรนั่นคือมีด้านไม่เท่ากัน ความไม่สมดุลนี้แสดงออกมาดังต่อไปนี้:
· ประการแรก ด้านในและด้านนอกของพลาสมาเมมเบรนของเซลล์แบคทีเรียและสัตว์ต่างกันในองค์ประกอบของโพลาร์ลิพิด ตัวอย่างเช่น ชั้นไขมันชั้นในของเยื่อหุ้มเม็ดเลือดแดงของมนุษย์ประกอบด้วยฟอสฟาติดิลเอทานอลเอมีนและฟอสฟาติดิลซีรีนเป็นส่วนใหญ่ และชั้นนอกประกอบด้วยฟอสฟาติดิลโคลีนและสฟิงโกไมอีลิน
ประการที่สอง ระบบขนส่งบางระบบในเมมเบรนทำหน้าที่ในทิศทางเดียวเท่านั้น ตัวอย่างเช่นในเยื่อหุ้มเซลล์เม็ดเลือดแดงมีระบบขนส่ง (“ปั๊ม”) ที่สูบ Na + ไอออนจากเซลล์ออกสู่สิ่งแวดล้อมและ K + ไอออนเข้าสู่เซลล์เนื่องจากพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการไฮโดรไลซิสของ ATP
· ประการที่สาม พื้นผิวด้านนอกของพลาสมาเมมเบรนมีหมู่โอลิโกแซ็กคาไรด์จำนวนมาก ซึ่งเป็นหัวของไกลโคลิปิดและสายโซ่ด้านข้างของโอลิโกแซ็กคาไรด์ของไกลโคโปรตีน ในขณะที่บนพื้นผิวด้านในของพลาสมาเมมเบรนแทบไม่มีหมู่โอลิโกแซ็กคาไรด์เลย
ความไม่สมดุลของเยื่อหุ้มชีวภาพยังคงอยู่เนื่องจากความจริงที่ว่าการถ่ายโอนโมเลกุลฟอสโฟลิปิดแต่ละโมเลกุลจากด้านหนึ่งของชั้นไลปิดไปยังอีกชั้นหนึ่งนั้นทำได้ยากมากด้วยเหตุผลด้านพลังงาน โมเลกุลของไขมันมีขั้วสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระที่ด้านข้างของชั้นสองชั้น แต่มีข้อจำกัดในเรื่องความสามารถในการข้ามไปยังอีกด้านหนึ่ง
การเคลื่อนที่ของไขมันขึ้นอยู่กับปริมาณสัมพัทธ์และชนิดของกรดไขมันไม่อิ่มตัวที่มีอยู่ ธรรมชาติของไฮโดรคาร์บอนของโซ่กรดไขมันช่วยให้คุณสมบัติของเมมเบรนมีความลื่นไหลและเคลื่อนที่ได้ เมื่อมีกรดไขมันไม่อิ่มตัวซิส แรงยึดเกาะระหว่างสายโซ่จะอ่อนกว่าในกรณีของกรดไขมันอิ่มตัวเพียงอย่างเดียว และลิพิดยังคงเคลื่อนที่ได้สูงแม้ในอุณหภูมิต่ำ
ที่ด้านนอกของเมมเบรนจะมีบริเวณการจดจำเฉพาะ ซึ่งมีหน้าที่ในการจดจำสัญญาณโมเลกุลบางอย่าง ตัวอย่างเช่นผ่านเมมเบรนที่แบคทีเรียบางชนิดรับรู้การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความเข้มข้นของสารอาหารซึ่งกระตุ้นการเคลื่อนไหวไปยังแหล่งอาหาร ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ยาเคมีบำบัด.
เยื่อหุ้มเซลล์ต่างๆ และออร์แกเนลล์ในเซลล์มีความเฉพาะเจาะจงบางประการเนื่องจากโครงสร้าง องค์ประกอบทางเคมี และหน้าที่ของพวกมัน กลุ่มเยื่อหุ้มหลักต่อไปนี้ในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตมีความโดดเด่น:
พลาสมาเมมเบรน (เยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอก, พลาสม่าเลมมา),
· เยื่อหุ้มนิวเคลียส
ตาข่ายเอนโดพลาสซึม,
เยื่อหุ้มของอุปกรณ์ Golgi, ไมโตคอนเดรีย, คลอโรพลาสต์, เปลือกไมอีลิน,
เยื่อหุ้มเซลล์ที่น่าตื่นเต้น
ในสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตนอกเหนือจากพลาสมาเมมเบรนแล้วยังมีการก่อตัวของเยื่อหุ้มเซลล์ในโปรคาริโอตอีกด้วย ในโปรคาริโอตเฮเทอโรโทรฟิกพวกมันถูกเรียกว่า มีโซโซมหลังเกิดขึ้นจากการรุกรานของเยื่อหุ้มเซลล์ด้านนอกและในบางกรณียังคงสัมผัสกับมัน
เยื่อหุ้มเซลล์เม็ดเลือดแดงประกอบด้วยโปรตีน (50%) ไขมัน (40%) และคาร์โบไฮเดรต (10%) คาร์โบไฮเดรตจำนวนมาก (93%) เกี่ยวข้องกับโปรตีน ส่วนที่เหลือเกี่ยวข้องกับไขมัน ในเมมเบรน ไขมันจะถูกจัดเรียงแบบไม่สมมาตร ตรงกันข้ามกับการจัดเรียงแบบสมมาตรในไมเซลล์ ตัวอย่างเช่น พบเซฟาลินเป็นส่วนใหญ่ในชั้นไขมันชั้นใน เห็นได้ชัดว่าความไม่สมดุลนี้ยังคงอยู่เนื่องจากการเคลื่อนที่ตามขวางของฟอสโฟลิพิดในเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งดำเนินการด้วยความช่วยเหลือของโปรตีนเมมเบรน และเนื่องจากพลังงานเมตาบอลิซึม ชั้นในของเมมเบรนเม็ดเลือดแดงประกอบด้วยสฟิงโกไมอีลินเป็นส่วนใหญ่, ฟอสฟาติดิลเอทานอลเอมีน, ฟอสฟาติดิลซีรีน และชั้นนอกประกอบด้วยฟอสฟาติดิลโคลีน เยื่อหุ้มเซลล์เม็ดเลือดแดงประกอบด้วยไกลโคโปรตีนที่เป็นส่วนประกอบ ไกลโคโฟรินประกอบด้วยกรดอะมิโน 131 ตัวตกค้างและทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ และที่เรียกว่าโปรตีนแบนด์ 3 ประกอบด้วยกรดอะมิโน 900 ตัวตกค้าง ส่วนประกอบของคาร์โบไฮเดรตของไกลโคโฟรินทำหน้าที่รับการทำงานของไวรัสไข้หวัดใหญ่ ไฟโตเฮมักกลูตินิน และฮอร์โมนหลายชนิด พบโปรตีนอินทิกรัลอีกชนิดหนึ่งในเยื่อหุ้มเม็ดเลือดแดง ซึ่งมีคาร์โบไฮเดรตน้อยและแทรกซึมเข้าไปในเยื่อหุ้มเซลล์ พวกเขาเรียกเขาว่า โปรตีนในอุโมงค์(ส่วนประกอบ a) เนื่องจากสันนิษฐานว่าเป็นช่องทางสำหรับแอนไอออน โปรตีนส่วนปลายที่เกี่ยวข้องกับด้านในของเยื่อหุ้มเม็ดเลือดแดงคือ สเปกตรัม
เยื่อหุ้มไมอีลิน ล้อมรอบแอกซอนของเซลล์ประสาทมีหลายชั้นมีไขมันจำนวนมาก (ประมาณ 80% ครึ่งหนึ่งเป็นฟอสโฟลิปิด) โปรตีนของเมมเบรนเหล่านี้มีความสำคัญในการตรึงเกลือของเมมเบรนที่อยู่ด้านบน
เยื่อหุ้มคลอโรพลาสต์- คลอโรพลาสต์ถูกหุ้มด้วยเมมเบรนสองชั้น เยื่อหุ้มชั้นนอกมีความคล้ายคลึงกับเยื่อหุ้มไมโตคอนเดรีย นอกจากเมมเบรนพื้นผิวนี้แล้ว คลอโรพลาสยังมีระบบเมมเบรนภายใน - ลาเมลลา- ลาเมลลาก่อตัวเป็นถุงแบน - ไทลาคอยด์ซึ่งอยู่เหนืออีกอันหนึ่งจะถูกรวบรวมเป็นแพ็ค (กรานา) หรือสร้างระบบเมมเบรนสโตรมัล (สโตรมัลลาเมลลา) ลาเมลลาของกรานาและสโตรมาที่ด้านนอกของเมมเบรนไทลาคอยด์คือกลุ่มที่ชอบน้ำเข้มข้น กาแลคโต- และซัลโฟลิปิด ส่วนไฟทอลของโมเลกุลคลอโรฟิลล์นั้นถูกแช่อยู่ในทรงกลมและสัมผัสกับกลุ่มโปรตีนและไขมันที่ไม่ชอบน้ำ นิวเคลียสพอร์ไฟรินของคลอโรฟิลล์ส่วนใหญ่อยู่บริเวณระหว่างเยื่อสัมผัสของแกรนา ไทลาคอยด์
เยื่อหุ้มชั้นใน (ไซโตพลาสซึม) ของแบคทีเรียโครงสร้างของมันคล้ายกับเยื่อหุ้มภายในของคลอโรพลาสต์และไมโตคอนเดรีย เอ็นไซม์ของห่วงโซ่ทางเดินหายใจและการขนส่งแบบแอคทีฟนั้นมีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่น เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างส่วนประกอบของเมมเบรน ส่วนประกอบเด่นของเยื่อหุ้มแบคทีเรียคือโปรตีน อัตราส่วนโปรตีน/ไขมัน (โดยน้ำหนัก) คือ 3:1 เยื่อหุ้มชั้นนอกของแบคทีเรียแกรมลบเมื่อเปรียบเทียบกับเมมเบรนไซโตพลาสซึมนั้นมีฟอสโฟลิปิดและโปรตีนหลายชนิดน้อยกว่า เมมเบรนทั้งสองมีองค์ประกอบของไขมันต่างกัน เยื่อหุ้มชั้นนอกประกอบด้วยโปรตีนที่สร้างรูพรุนเพื่อการแทรกซึมของสารโมเลกุลต่ำหลายชนิด ส่วนประกอบที่เป็นลักษณะเฉพาะของเมมเบรนด้านนอกก็คือไลโปโพลีแซ็กคาไรด์ที่จำเพาะเช่นกัน โปรตีนจากเยื่อหุ้มชั้นนอกจำนวนหนึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับสำหรับฟาจ
เยื่อหุ้มไวรัสในบรรดาไวรัส โครงสร้างเมมเบรนเป็นลักษณะของโครงสร้างที่มีนิวคลีโอแคปซิดซึ่งประกอบด้วยโปรตีนและกรดนิวคลีอิก “แกนกลาง” ของไวรัสนี้ล้อมรอบด้วยเมมเบรน (ซอง) นอกจากนี้ยังประกอบด้วยไขมันสองชั้นที่มีไกลโคโปรตีนฝังอยู่ซึ่งส่วนใหญ่อยู่บนพื้นผิวของเมมเบรน ในไวรัสจำนวนหนึ่ง (ไมโครไวรัส) 70-80% ของโปรตีนทั้งหมดจะอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ โปรตีนที่เหลือจะอยู่ในนิวคลีโอแคปซิด
ดังนั้นเยื่อหุ้มเซลล์จึงมีโครงสร้างที่ซับซ้อนมาก สารประกอบเชิงซ้อนของโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบก่อให้เกิดโมเสกสองมิติที่ได้รับคำสั่ง ซึ่งให้ความจำเพาะทางชีวภาพแก่พื้นผิวเมมเบรน