غشای نازکی که اطراف هر سلول را فرا می گیرد و باعث جدا کردن آن از محیط اطراف می شود، غشای سلول یا غشای پلاسمایی نامیده می شود. در سلول های جانوری غشای پلاسمایی به تنهایی وجود دارد ولی در سلول های گیاهی و باکتریایی، علاوه بر غشا، دیواره سلولی نیز وجود دارد. عبور و مرور مواد از درون غشا صورت گرفته و غشا متشکل از دو لایه لیپیدی است. در کتاب علوم هفتم غشای سلولی (غشای پلاسمایی) بررسی شده و مورد بحث قرار گرفته است. در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به طور مختصر درباره غشای سلولی (غشای پلاسمایی) و عملکرد آن در سلول آشنا می شویم.
غشای سلولی (غشای پلاسمایی) چیست؟
ساختار غشای پلاسمایی دارای ضخامت ۱۰ نانومتر بوده و ار اندامک های سلولی محافظت می کند. وجود این غشا مانع از ورود مواد خارجی به داخل سلول شده و همچنین مانع خارج شدن محتویات داخل سلول به خراج می شود. ساختار دولایه لیپیدی غشای سلولی منجر به عملکرد حیاتی سلول ها می شود. وجود پروتوپلاسم در سلول که ماده ای به حالت فیزیکی نیمه مایع و زنده است، دلیل نامگذاری غشای پلاسمایی است. به جهت احاطه کردن کل سلول و پلاسمای زنده توسط این غشای پلاسمایی، به آن غشای سلولی نیز می گویند.
غشای پلاسمایی در مقایسه با غشای سلولی، تعریفی گسترده تر است زیرا این بخش، غشاهای دو لایه لیپیدی اندامک ها را نیز در بر دارد.
ساختمان و ترکیبات غشای پلاسمایی
مولکول های بیولوژیکی تشکیل دهنده غشاهای پلاسمایی است که لیپیدها و پروتئین ها به خصوص در آن وجود دارند. ترکیبات تشکیل دهنده غشای پلاسمایی با توجه به تغییرات محیط در حال تغییر بوده و نوسانات تغییری آن در مرحله های مختلف رشد نیز ظاهر می شود. نمونه ای از این تغییرات در نورون های اولیه انسان است که این تغییر در میزان کلسترول غشای آن است. ساختار اساسی سلول را می توان به وجود دو لایه فسفولیپیدی در آن اشاره کرد که جداسازی مایعات داخل و خارج سلول را فراهم می کند.
انعطاف پذیری غشای سلولی باید به حدی باشد که بتواند سلول های خاصی چون گلبول های سفید و قرمز را از خود عبور دهد. اما نسبت ترکیبات پروتئینی، لیپیدی و کربوهیدرات تشکیل دهنده غشاهای سلولی در سلول های مختلف، متفاوت است. اما در کل درصد پروتئین تشکیل دهنده هر سلول معمولی انسان، ۵۰، درصد لیپید تشکیل دهنده آن، ۴۰ بوده و ۱۰ درصد باقی مانده نیز کربوهیدارت است.
مدل موزائیک سیال
یکی از نظریه های مهمی که به بهترین صورت توانست شکل میکروسکوپی غشای پلاسمایی و عملکرد آن ها را بیان کند، مدل ارائه شده در سال ۱۹۷۲ توسط S. J. Singer و Garth L. Nicolson بود. در این مدل که به نام مدل موزائیک سیال است، غشاهای بیولوژیکی یک مایع دو بعدی است. مایع دوبعدی، پخش مولکول های لیپیدی و پروتئینی را به طور تقریبی آسان می کند. در این نوع از غشاها، فسفولیپیدها، پروتئین ها و کلسترول به راحتی در صفحه غشا حرکت کرده و در کنار هم می لغزند.
سیال بودن غشای سلولی
با توجه به مدل موزائیکی که برای غشای پلاسمایی بیان شد، اجزای تشکیل دهنده آن مانند قایق های شناور به راحتی در این مایع سیال بوده و حرکت می کنند. غشای سلولی به طور تقریبی سفت بوده و نمی تواند به راحتی دچار انقباض و انبساط شود. زیرا اگر مقدار زیادی آب توسط یک سلول جذب شود، احتمال ترکیدن آن وجود دارد. اما خاصیت غشای پلاسمایی با توجه به مدل موزائیکی به گونه ای است که با نفوذ سوزن ظریف داخل آن، سلول نمی ترکد. همچنین اگر این سوزن خارج شود، غشا به حالت جریان در آمده و مسدود و بسته می شود.
از عوامل دیگری که خاصیت سیال بودن غشا را نشان می دهد، همان ماهیت خود فسفولیپیدهای تشکیل دهنده آن است. یک فسفولیپید با داشتن ساختمان دم اسیدهای چرب خود باعث سفت شدن غشا شده و انعطاف پذیری آن ها را کم می کند. وجود خاصیت سیال بودن غشا وقتی اهمیت پیدا می کند که سلول با قرار گرفتن در محیط سرد، سیالیت غشای سلولی آن کم می شود. در این شرایط است که غشا ممکن است دچار پارگی شود. اما برخی از موجودات مانند ماهی ها چون در محیط های سرد قرار می گیرند برای سازگار کردن خود با این شرایط کاهش دما، نسبت انواع اسیدهای چرب خود را تغییر می دهند.
وجود غشای سلولی اضافه در حیوانات باعث حفظ سیالیت در آن ها می شود. تاثیر دما بر خاصیت غشا به وسیله کلسترول موجود در کنار فسفولیپیدهای آن، کم می شود. سیالیت در غشاها با کمک لیپیدهای غشا در دماهای پایین کنترل می شود که این نشان دهنده عمل لیپید به عنوان یک بافر است. همین خصوصیت باعث می شود که غشای سلولی (غشای پلاسمایی) در دماهای خیای بالا نیز بیش از حد سیال نشود.
ساختار غشای سلولی (غشای پلاسمایی)
پروتئین ها، لیپیدها (فسفولیپیدها و کلسترول) و گروه های کربوهیدراتی، اجزای تشکیل دهنده غشای سلولی هستند. اجزای تشکیل دهنده فسفولیپید در لیپید، گلیسرول، دو دم اسید چرب و گروه سر در ارتباط با آن است. دو فسفولیپیدهای تشکیل دهنده غشاهای بیولوژیکی متمایل به سمت هم بوده و قسمت های آبدوست آن ها به سمت داخل و خارج سلول است. این طرز آرایش، ساختار دو لایه فسفولیپیدی به غشا می دهد. کلسترول نیز در کنار فسفولیپیدها قرار گرفته و از چهار حلقه کربن ذوب شده تشکیل شده است.
یون ها و مولکول های قطبی توانایی عبور از این غشای دو لایه لیپیدی را ندارد. همچنین املاح قطبی چون اسیدهای آمینه، اسیدهای نوکلئیک، پروتئین ها، یون ها و کربوهیدرات ها به جهت وجود دم های آب گریز لایه لیپیدی و سرهای آبدوست، نمی تواند از غشا عبور کرده و یا در کل آن منتشر شود. اما مولکول های آبگریز از غشای سلول ها عبور می کند در صورتی که این انتشار به صورت غیرفعال باشد. حرکت این مواد توسط مجتمع های پروتئینی سلول کنترل می شود. منافذ، کانال ها و ناقل ها نمونه ای از این تجمعات هستند.
توجه
در غشای پلاسمایی پروتئین های تشکیل دهنده یا در کل غشا منتشر می شود، یا کاملا از غشا عبور می کند و یا به قسمت های داخلی و خارجی غشا به صورت سیالی متصل می شود. کربوهیدرات ها که در قسمت بیرونی غشای سلولی وجود دارد، منجر به تشکیل گلیکوپروتئین ها و گلیکولیپیدها از طریق اتصال به پروتئین ها و لیپیدها می شوند.
لیپیدها
سه دسته از لیپیدهای آمفی پاتیک به نام های فسفولیپیدها، گلیکولیپیدها و استرول ها در غشای سلولی وجود دارد.
فسفولیپیدها
فسفولیپیدها به عنوان فراوان ترین این لیپیدها بوده و ۵۰ درصد از چربی ها در غشا را تشکیل می دهند. ۲ درصد از چربی ها از گلیکولیپیدها تشکیل شده و بقیه نیز از استرول ها تشکیل شده است.
همان طور که گفته شد فسفولیپیدها در دولایه بوده و دو قسمت آبدوست و آبگریز دارند. بخش آبدوست و یا هیدروفیل دارای یک گروه فسفات با بار منفی بوده و یک گروه کوچک اضافی دارد که می تواند باردار و یا قطبی باشد. تمایل سرهای آبدوست به بخش بیرونی دو لایه غشایی بوده و با مایع داخل و خارج سلول در ارتباط هستند. قطبی بودن مولکول های آب باعث می شود که با سرهای فسفولیپید برهم کنش داشته باشند.
اما دم آب گریز که بخش غیرقطبی اسید چرب است با مولکول های غیرقطبی برهمکنش دارند. بر اساس این ساختار، قرارگیری فسفولیپیدها از لحاظ انرژی به گونه ای است که دم های اسید چرب به بخش داخلی غشا متمایل می شود.
ساختار یک فسفولیپید
هر فسفولیپید در قسمت سر، متشکل از یک ستون گلیسرول سه کربنی با دو مولکول اسید چرب متصل به کربن های ۱ و ۲ بوده و به کربن سوم آن نیز یک گروه دارای فسفات متصل می شود. قسمت سر دارای بار منفی بوده و دارای توانایی برقراری پیوند هیدروژنی است اما قسمت دم بار ندارد و نمی تواند این پیوندها را تشکیل دهد.
فسفولیپیدها با قرارگیری در آب می توانند طوری آرایش پیدا کنند که سرهای آبدوست آن رو به بیرون بوده و دم های آگریزشان به سمت یکدیگر قرار گیرد. در صورت کوچک بودن دم های آن ها، یک مسیل و در صورت بلند بودن دم ها، یک لیپوزوم تشکیل می شود.
پروتئین های غشای سلولی
دو دسته پروتئین های داخلی غشایی (اینتگرال) و پروتئین های محیطی غشا، قسمت غشای پلاسمایی را تشکیل می دهد. پروتئین های داخلی غشا که حداقل دارای یک قسمت آبگریز هستند که اتصال آن ها به قسمت آبگریز دو لایه فسفولیپیدی را انجام می دهند، در غشا یکی می شوند. برخی از این پروتیئن ها در یک قسمت متصل شده و برخی دیگر در هر دو سمت آن به جهت کشیده شدن از یک سمت غشا به سمت دیگر، کشیده می شوند.
به پروتئین هایی که در کل طول غشا قرار می گیرند، پروتئین های عرض غشایی گفته می شود. در این پروتئین ها ۱۲ بخضش مختلف وجود داشته و هر بخش آن از ۲۰ تا ۲۵ اسید آمینه آبگریز تشکیل شده است. این اسیدهای آمینه در یک مارپیچ آلفا قرار گرفتند. برخی از این پروتئین ها تشکیل کانالی را داده که به می تواند مجوز عبور به مولکول های کوچک را دهد.
پروتئین های غشایی محیطی در اتصال به پروتیئن های اینتگرال هستند در هر دو بخش بیرون و داخل غشاها وجود دارند. این پروتئین ها برعکس پروتئین های غشایی داخلی، بیشتر در اتصال شل بوده و در اتصال با هسته آبگریز نیستند.
انواع پروتئین های غشایی
گلیکوپروتئین ها
به گلیکوپروتئین ها، مولکول های قندی متصل بوده و در شناسایی سلول ها به همدیگر کمک می کند. مولکول های قند با الگوهای خاصی در غشای سلول ها قرار گرفته و می توانند مشابه قفل و کلید با گلیکوپروتئین های دیگر در سلول های دیگر مرتبط شوند. به همین خاصیت است که سلول های ایمنی بدن توانایی شناسایی مهاجمان خارجی را داشته و از بدن در برابر آن ها دفاع می کند.
پروتئین های گیرنده
به گیرنده های سطح سلولی که با قرار گرفتن در غشای سلول ها مولکول های خاص را در خارج از سلول متصل و باعث واکنش شیمیای می شود به نام پروتئین های گیرنده هستند. لیگاندها با اتصال به گیرنده های خاص باعث فعال شدن آن ها می شوند. لیگاندها می تواند هورمون ها، سیتوکین ها، عوانل رشد، انتقال دهنده های عصبی، مواد مغذی و … باشند. لیگاندها با اتصال به گیرنده ها می توانند فعالیت و متابولیسم یک سلول را تغییر دهند.
پروتئین های کانالی
مواد می توانند توسط پروتئین های کانالی از یک سمت غشا به سمت دیگر حرکت کنند. در این مسیر، مولکول هایی که در حرکت هستند بدون صرف انرژی در یک سمت پروتئین کانال جذب شده و داخل سلول می شوند. این کانال ها باعث راحتی انتشار مولکول ها می شوند. به خصوص مولکول های قطبی بزرگ و یون های باردار که به راحتی نمی توانند به دلیل خصلت دولایه فسفولیپیدی غشای سلولی از آن عبور کنند. زیرا دم های اسید چرب این فسفولیپیدها، خاصیت آبگریزی دارد.
پروتئین های حامل
مواد شیمایی که با پروتئین های حامل منتقل می شوند باید به محل اتصال این پروتئین ها متصل شود به نام پروتئین های حامل هستند. در این انتقال، انرژی مصرف می شود. حامل ها با گرفتن مواد در حال جابجایی، آن ها را حفظ می کنند. بعد از این مرحله، پروتئین ها حانل تغییر شکل داده تا دهانه آن به بخش دیگر غشای سلولی قرار گیرد. سپس موادی که در حال انتقال بودند به آن قسمت غشا آزاد می شوند.
کانال های آب
پروتئین های عرض غشایی وجود دارند که به کانال های آب و یا آکواپورین ها معروف هستند و توانایی هدایت مولکول های آب را به داخل و خارج سلولی دارند. اما این پروتئین ها این کار را به صورت انتخابی انجام می دهند. منافذ این کانال ها به صورت مسیر پشت سر هم می تواند مولکول های آب را انتقال داده و از عبور املاح و یون ها جلوگیری کند. کانال های آب، آب را به صورت تک فایل عبور داده و به نفوذپذیری بیشتر آب کمک می کنند.
کربوهیدرات های غشای سلولی (غشای پلاسمایی)
هیدرات های کربن به عنوان سومین جزء تشکیل دهنده ساختار غشای پلاسمایی، همیشه در قسمت بیرونی سلول ها وجود دارند. این مواد در اتصال با پروتیئن ها و یا لیپیدها هستند. تعداد واحدهای مونوساکاریدی تشکیل دهنده کربوهیدرات ها بین ۲ تا ۶۰ واحد بوده و می تواند به صورت مستقیم و یا انشعاب دارد باشد. سطح سلول ها با گلیکولیپیدها و گلیکوپروتئین ها تشکیل شده و اجازه شناسایی سلول ها را به همدیگر می دهد. شناسایی به این شکل برای سلول ها به خصوص در زمان شناسایی بافت های خارجی توسط سلول ها، بسیار بااهمیت است.
گلیکوپروتئین ها و گلیکولیپیدها موجود در سطوح ویروس ها با تغییر مداوم مانع حمله سلول های ایمنی به آن ها می شوند. تعیین گروه های خونی با کربوهیدرات هایی صورت می گیرد که گلیکوپروتئین ها را تشکیل می دهند. ناسازگاری که در هنگام اهدای خون ناموزون صورت می گیرد توسط سیستم ایمنی به شناسایی این گلیکوپروتئین ها می پردازد.
وظایف غشای سلولی (غشای پلاسمایی)
کنترل و تنظیم مواد ورودی و خروجی به سلول ها با استفاده از غشای سلولی که به صورت نیمه تراوا است انجام می شود.
سد فیزیکی سلول
سیتوپلاسم سلول به عنوان اصلی ترین بخش تشکیل دهنده سلول توسط غشای پلاسمایی از مایع خارج سلولی جدا می شود. با این غشا، فعالیت ها داخل و خارج سلولی به صورت مجزا از هم صورت می گیرد. اسکلت سلولی تمام بخش های سلول را در خود جای داده و به صورت شبکه ای از رشته های پروتئینی است. علاوه بر آن در سلول های گیاهان و قارچ ها، دیواره سلولی نیز وجود دارد. سلولز تشکیل دهنده دیواره سلولی نقش پشتیبان کننده بیشتری را در این سلول ها فراهم می کند. علت این که سلول های گیاهی اگر پخش آب بیش از حد داشته باشند، باز هم نمی ترکند، به جهت داشتن دیواره سلولی است.
نفوذپذیری انتخابی سلول ها
مولکول های خاصی می تواننداز غشای سلولی عبور کنند و این به جهت نیمه تراوا بودن غشا است. عبور آب، اکسیژن و دی اکسید کربن به راحتی از غشا صورت گرفته در صورتی که یون هایی مانند سدیمو پتاسیم و همچنین مولکول های قطبی نمی توانند عبور کنند. کنترل سرعت عبور مولکول های خاص به سلول ها نیز توسط خاصیت نفوذپذیری آن ها صورت می گیرد.
اندوسیتوز و اگزوسیتوز مواد در سلول ها
وقتی مولکول های بزرگتری که در مقایسه با یون ها و مولکول های منفرد دیگر، توسط سلول ها خورده می شود، اندوسیتوز اتفاق می افتد. در این فرایند، حتی باکتری ها نیز توسط سلول می تواند خورده شود. اما اگر این مولکول ها توسط سلول آزاد شود، آگزوسیتوز اتفاق می افتد. در این روندها، شکل غشای سلولی به طور خودبه خودی تغییر می کند. واکوئول ها توانایی تشکیل حباب های کوچک غشایی را داشته و می توانند تعداد زیادی مولکول را به مکان های مختلفی در سلول منتقل کنند. سلول های مختلف می توانند به دلیل این ویژگی مواد مختلفی را وارد خود کنند. به عنوان مثال آمیب ها می توانند ذرات غذا را احاطه کرده و ببلعند.
سیگنالینگ سلولی
ارتباط و سیگنال دهی در سلول ها با کمک غشای سلولی راحت تر صورت می گیرد. پروتئین های و کربوهیدرات های مختلف در غشا می تواند این عمل را انجام دهدو پروتئین ها با قرار دادن علامت هایی در سلول ها، شناسایی توسط سلول های دیگر را راحت تر می کنند. همچنین وجود گیرنده هایی در غشای سلولی، انجام وظایف خاصی را در سلول ها در صورت اتصال مولکول هایی مانند هورمون ها به گیرنده ها را فراهم می کنند.
نقش غشای سلولی در تقسیم سلولی
از نقش های مهمی که غشای پلاسمایی در سلول دارند، دخالت در تقسیمات سلولی است. چون غشای پلاسمایی در حال حرکت است، وجود این خصوصیت کمک می کند تا تقسیم سلولی در صورت نیاز به راحتی انجام شود. غشا در این شرایط در بخش مرکزی از هم جدا شده و دو سلول جدید حاصل می شود.
