غشای سلولی چیست؟ – به زبان ساده

غشای سلولی چیست؟

تنظیمات نقل و انتقالات بین سلولی با این که یکی از عملکردهای حیاتی غشای سلولی محسوب می‌شود اما تنها نقش آن نیست. غشای سلولی در سازماندهی سلول‌های منفرد برای ایجاد بافت‌ها نیز همکاری می‌کند. علاوه بر این‌ها، غشای سلولی در ارتباطات زیستی نیز نقش دارد، به طوری که در اتصال ترکیبات اختصاصی به لایه خارجی غشا می‌تواند موجب فعالیت، تغییر یا خاموش شدن برخی از عملکردهای دورن سلولی شود.

ساختمان غشای سلولی

غشای سلولی در تمام سلول‌ها ساختمان تقریبا یکسانی دارد. این غشا از مولکول‌ها و ترکیبات متفاوتی ساخته شده است. ترکیبات اصلی غشای سلولی، فسفولیپیدها هستند که سرتاسر غشای سلولی را پوشش می‌دهند. این فسفولیپیدها در دو لایه طوری کنار هم ردیف می‌شوند که سرهای آب دوست آن‌ها به سمت داخل و خارج سلول قرار گرفته‌اند.

فیلم آموزش بیوشیمی غشا در فرادرس

کلیک کنید

ضخامت غشای سلولی در بخش‌های مختلف آن، بر حسب مولکول‌هایی که در آن بخش قرار دارند، ممکن است متفاوت باشد، به طور کلی ضخامت غشا در حدود ۷ تا ۱۰ نانومتر است.

لیپیدها

• فسفولیپیدها
• گلیکولیپیدها
• مولکول‌های کلسترول

در ادامه به بررسی بیشتر این ترکیبات می‌پردازیم.

فسفولیپیدها

برای این که دلیل تشکیل این دو لایه فسفولیپیدی را دقیق‌تر بررسی کنیم باید از برهمکنش دو مولکول فسفولیپید شروع کنیم. دو مولکول فسفولیپید زمانی که در محیط آبی قرار می‌گیرند، تمایل دارند که از طریق دم‌های آبگریز خود به یکدیگر بپیوندند. بنابراین زمانی که تعداد زیادی از این مولکول‌ها در کنار هم قرار می‌گیرند، صفحات دو لایه فسفولیپیدی طویلی را می‌سازند که در انتها، دو سر این لایه‌ها به هم متصل شده و ساختمانی کروی را تشکیل می‌دهند.

گلیکولیپیدها

علاوه بر گلیکولیپیدها، ترکیباتی از جنس کربوهیدرات و پروتئین به نام گلیکوپروتئین‌ها نیز در لایه خارجی غشای سلولی وجود دارند که نقشی مشابه با گلیکولیپیدها را ایفا می‌کنند. تمام این مولکول‌ها به عنوان گیرنده بر روی غشا عمل می‌کنند و به هورمون‌ها یا نوروترانسمیترها متصل شده و در پاسخ به آن‌ها واکنش‌های شیمیایی مختلفی را درون سلول به راه می‌اندازند.

کلسترول

«کلسترول» (Cholesterol) یکی از اجزای مهم در سلول‌های جانوری به شمار می‌آید. این مولکول باعث حفظ تمامیت و پایداری مکانیکی غشا در این موجودات می‌شود. کلسترول در غشای سلول‌های گیاهی وجود ندارد، زیرا همان طور که در بالا اشاره شد، این سلول‌ها اطراف غشا، دیواره سخت و محکمی به نام دیواره سلولی دارند که از پایداری و تمامیت غشای آن‌ها در برابر صدمات مکانیکی جلوگیری می‌کند. کلسترول مانند فسفولیپیدها، مولکولی آمفی‌پاتیک است و از دو بخش قطبی و آب‌دوست و غیرقطبی و آبگریز تشکیل شده است. همان طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، بخش قطبی این مولکول را گروه ‌OH می‌سازد، بقیه مولکول کلسترول بخش غیرقطبی آن را تشکیل می‌دهند.

در غشای سلولی، کلسترول با زنجیره‌های اسید چرب فسفولیپیدها بر همکنش می‌دهد و در کنار هم سیالیت غشا را تنظیم می‌کنند. کلسترول‌ها با بی‌حرکت کردن سطح خارجی غشای سلولی، باعث کاهش سیالیت آن می‌شوند. این مولکول‌ها گاهی می توانند کاری کنند که غشا نسبت به مولکول‌های کوچک مانند آب نفوذناپذیر شوند، در حالی که در شرایط عادی، مولکول‌های آب می‌توانند آزادانه از غشا عبور کنند. یکی دیگر از عملکردهای کلسترول در غشای سلولی، جدا کردن دم‌های فسفولیپیدی از یکدیگر است که این امر از کریستالیزه شدن غشا جلوگیری می‌کند.

پروتئین‌ها

غشای سلولی شامل دو نوع پروتئین است:

• «پروتئین‌های سطحی خارجی» (Extrinsic) یا «پروتئین‌های محیطی» (Peripheral) به سادگی به غشا چسبیده و توسط پیوندهای قطبی به آن‌ متصل شده‌اند. این پروتئین‌های با فسفولیپیدها و سایر پروتئین‌های غشایی پیوند برقرار می‌کنند.
• پروتئین‌های «درونی» (Intrinsic) یا «پروتئین‌های غشایی اینتگرال» (Integral Membrane Proteins) در درون غشای سلولی ساکن هستند و تمام طول غشا را در بر می‌گیرند. این پروتئین‌ها به طور گسترده‌ای با زنجیره‌های اسید چرب لیپیدهای غشایی ارتباط برقرار می‌کنند و فقط توسط عوامل رقابت کننده برای برهمکنش‌های غیرقطبی با اسیدهای چرب، می‌توانند آزاد شوند. علاوه بر این، اسکلت سلولی که غشای سلولی را تحت تأثیر قرار می‌دهد، نقاط اتصال به پروتئین‌های غشایی اینتگرال را فراهم می‌کند.

فیلم آموزش نقش پروتئین‌ های غشایی در انتقال مواد در فرادرس

کلیک کنید

اجزای پروتئینی غشای سلولی به خصوص پروتئین‌های اینتگرال ممکن است به عنوان کانال یا انتقال دهنده در سراسر غشا سلولی عمل کنند. این پروتئین‌ها گاهی نیز به عنوان گیرنده اطلاعات بیوشیمیایی به سلول در پاسخ به عوامل محیطی کمک می‌کنند.

تعداد نسبی پروتئین‌ها و لیپیدها در غشای سلولی به عملکرد تخصصی سلول بستگی دارد. به عنوان مثال، میلین غشایی که برخی از سلول‌های عصبی را محصور می‌کند، از خواص لیپیدها به عنوان عایق بهره می‌گیرد و به همین ترتیب در هر 70 لیپید فقط یک پروتئین در غشای آن‌ها وجود دارد. به طور کلی، ۵۰ درصد از وزن بیشتر غشاهای سلولی را پروتئین‌ها تشکیل می‌دهند.

مدل موزاییک سیال

ساختمان و عملکرد غشای سلولی اغلب با «مدل موزائیک سیال» (Fluid Mosaic Model) توصیف می‌شود. براساس این مدل غشای سلولی شامل یک سیال دو بعدی تشکیل شده از لیپیدهای آزاد است که پروتئین‌هایی در آن جاسازی شده‌اند. این مدل در سال ۱۹۷۱ برای اولین بار توسط «جاناتان سینگر» (Jonathan Singer) به عنوان یک مدل پروتئین - لیپیدی پیشنهاد شد، همچنین ویژگی سیالیت غشا که در مقاله‌ای در سال ۱۹۷۲ توسط «گارت نیکولسون» (Garth Nicolson) در «مجله ساینس» (Science) چاپ شد، به اثبات رسید.

در این مدل پروتئین‌ها در ماتریس لیپید آزاد هستند و می‌توانند در جهت‌های جانبی تحرک داشته باشند، مگر این که پروتئین‌ها توسط برهمکنش‌های خاص با برخی از مولکول‌های غشایی محدود شوند، اما در حالت کلی آن‌ها نمی‌توانند از یک طرف غشا به طرف دیگر چرخش داشته باشند.

انتقال در سراسر غشای سلولی

از آنجا که غشای سلولی نیمه نفوذپذیر است، تنها برخی از مولکول‌ها می‌توانند به طور آزادنه از غشای سلولی عبور کرده و به داخل یا خارج سلولی بروند. این مولکول‌ها معمولاً کوچک یا غیرقطبی هستند. غشای سلولی نسبت به یون و بیشتر مولکول‌های قطبی نفوذپذیری کمی دارد، اما مولکول‌های آب در این مورد یک استثنا محسوب می‌شوند.

دو مکانیسم اصلی برای جابجایی مواد شیمیایی در غشا وجود دارد. این دو مکانیسم شامل موارد زیر است:

• انتقال غیرفعال (که به انرژی خارجی نیاز ندارد)
• انتقال فعال (که با ورود مستقیم یا غیرمستقیم انرژی شیمیایی به شکل ATP هدایت می‌شود)

در ویدیوی کوتاه زیر می‌توانید با استفاده از شبیه‌ساز دانشگاه کلرادو درباره انواع انتقال غشا اطلاعات بیشتری کسب کنید.

انتقال غیر فعال

فرآیندهای «انتقال غیرفعال» (Passive Transport) به یک شیب غلظت (تفاوت غلظت بین دو طرف غشا) وابسته هستند. این فرآیند خود به خودی انجام می‌گیرد و باعث کاهش انرژی آزاد و افزایش «آنتروپی» (Entropy) در یک سیستم می‌شود. انتقال غیرفعال به دو صورت انجام می‌گیرد:

• «انتشار ساده» (Simple Diffusion): با این روش مولکول‌های آبگریز (غیر قطبی) و کوچک از طریق دو لایه فسفولیپید به سادگی عبور می‌کنند.

• «انتشار تسهیل شده» (Facilitated Diffusion): در این نوع انتشار مولکول‌های قطبی و یونی می‌توانند از غشا عبور کنند. این مولکول‌ها با استفاده از پروتئین‌های انتقالی و کانال‌ها یا اتصال به برخی از مولکول‌های ویژه، از غشای سلولی عبور داده می‌شوند. کانال‌ها، مسیرهای قطبی پیوسته‌ای را در طول غشاها تشکیل می‌دهند که به یون‌ها اجازه می‌دهد تا به سرعت در جهت شیب الکتروشیمیایی خود حرکت کنند (به عنوان مثال، در یک جهت مطلوب ترمودینامیکی).

فیلم آموزش پیام‌ رسانی در فیزیولوژی غشای سلولی در فرادرس

کلیک کنید

انتقال فعال

مولکول‌های باردار یا قطبی (مانند اسیدهای آمینه، قندها و یون‌ها) به راحتی نمی‌توانند از دولایه لیپیدی غشا عبور کنند. در غشای سلولی پمپ‌های پروتئینی، از منابع انرژی آزاد مانند ATP یا نور برای هدایت و حمل و نقل ترکیبات برخلاف شیب گرادیان مولکول‌ها استفاده می‌کنند. استفاده از پمپ‌های پروتئینی در «انتقال فعال» (Active Transport) به این معنی است که این نوع انتقال به طور معمول مولکول‌ها را در خلاف شیب الکتروشیمیایی خود حرکت می‌دهند. بنابراین این فرایندی که از نظر آنتروپیکی نامطلوب است، با تولید انرژی همراه نیست.

انتقال فعال به دو صورت اولیه و ثانویه در سلول‌ها انجام می‌گیرد:

• انتقال فعال اولیه شامل مشارکت مستقیم ATP است. در این نوع از انتقال ممکن است یک مولکول با مصرف انرژی (هیدرولیز ATP) از طریق پمپ، در جهت شیب غلظت از غشای عبور کند به این حالت «یونی‌پورت» (Uniport) می‌گویند. زمانی که دو مولکول با مصرف انرژی (در خلاف جهت شیب غلظت) دو جهت مخالف از غشا عبور کنند حالت «کانتراست‌پورت» (Contrastport) نام دارد.
• در انتقال فعال ثانویه، انرژی حاصل از انتقال یک مولکول (مانند سدیم) در جهت شیب الکتروشیمیایی برای حرکت مولکول دیگری در خلاف جهت شیب الکتروشیمیایی استفاده می‌شود. این انتقال معمولا با حامل‌ها انجام می‌گیرد. در این نوع انتقال دو مولکول به طور همزمان در دو جهت مخالف یا آنتی‌پورت (Antiport) و یکسان یا سیمپورت (Symport) و یکی در جهت شیب غلظت و دیگر در خلاف جهت شیب غلظت از غشا عبور می‌کنند.

به طور کلی، انتقال فعال بسیار کندتر از انتقال غیرفعال از طریق کانال‌ها انجام می‌شود.

اندوسیتوز و اگزوسیتوز

«اندوسیتوز» (Endocytosis)، فرایندی است که طی آن ماکرومولکول‌ها، ذرات بزرگ و حتی سلول‌های کوچک به درون سلول‌های یوکاریوتی کشیده می‌شوند. فرایند اندوسیتوز را می‌توان به عنوان یکی از روش‌های انتقال فعال در نظر گرفت. در اندوسیتوز، مولکول و ترکیب مورد نظر توسط غشای سلولی احاطه شده و اطراف این ترکیبات توسط غشا، وزیکولی ایجاد می‌شود. این وزیکول عمیق‌تر شده و به سمت داخل سلول کشیده می‌شود. پس از این که وزیکول به طور کامل وارد سلول شد، از غشا جدا شده و به نقطه مورد نظر درون سلول انتقال می‌یابد.

سایر عملکردهای غشای سلولی

علاوه بر تمام وظایف و عملکردهایی که برای غشای سلولی بیان شد، این بخش از سلول، عملکردهای دیگری را نیز در سلول به عهده دارد که در زیر به برخی از آن‌ها اشاره می‌شود.

• سازمان‌دهی سلول‌ها برای تشکیل بافت‌ها: برخی گیرنده‌های روی سطح خارجی غشای سلولی در گروه بندی سلول‌ها برای تشکیل بافت‌ها (چسبندگی سلولی) شرکت می‌کنند. به طوری که این گیرنده‌های سطح سلولی، به عنوان یک نشانه عمل کرده تا سلول‌ها یکدیگر شناسایی کنند و برای تشکیل بافت‌ها به درستی در کنار هم قرار بگیرند.
• پردازش اطلاعات: پروتئین‌های غشایی ممکن است به عنوان گیرنده برای دریافت پیام‌های شیمیایی مختلفی که بین سلول‌ها تبادل می‌شوند، عمل کنند. حرکت باکتری‌ها به سمت مواد غذایی و پاسخ سلول‌های هدف به هورمون‌هایی مانند انسولین، دو نمونه از فرآیندهای هستند که به تشخیص پیام توسط یک گیرنده خاص در غشای سلولی بستگی دارند.
• جمع‌آوری و سازمان‌دهی آنزیم‌ها: غشاهای سلولی می‌توانند به عنوان بستری عمل کنند که قادر است آنزیم‌های خاص درگیر در یک مسیر متابولیکی را در خود سازمان‌دهی کنند. به ترتیب که درون غشا ،آنزیم‌ها به طور متوالی براساس مسیر واکنش‌های شیمیایی قرار می‌گیرند. به این ترتیب غشا نقش مهمی را در تسهیل انجام واکنش‌ها در طی یک مسیر متابولیکی بر عهده دارد.
• ارتباطات بیولوژیکی: برخی از غشاها سیگنال‌ها و پیام‌های شیمیایی یا الکتریکی تولید می‌کنند. غشای سلول‌های عصبی، سلول‌های ماهیچه‌ای و برخی از سلول‌های تخم‌، از نظر الکتریکی تحریک پذیر هستند. به عنوان مثال، در سلول‌های عصبی، غشای سلولی پالس‌های عصبی را از یک انتهای سلول به سمت دیگر آن و از آن جا به سمت سایر سلول‌ها هدایت می‌کند.

اگر مطالعه این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطلب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شود:

• مجموعه آموزش‌های زیست‌شناسی
• آموزش زیست‌شناسی سلولی (Cell Biology)
• مجموعه آموزش‌های علوم پزشکی
• دستگاه گوارش انسان -- از صفر تا صد
• هورمون رشد چیست؟ -- به زبان ساده
• تیروئید -- از صفر تا صد

^^