cellemembraner

De fleste membranlipidene har en kort, polar del som lett blandes med vann (et hydrofilt hode) og en lang, apolar del som ikke blandes med vann (en hydrofob hale). Lipidene ligger i to lag med de to hydrofile hodene ut mot vannet på ut- og innsiden av membranen og de hydrofobe halene inn mot membranens midtdel. Denne to-molekyllag tykke filmen er en effektiv barriere mot passasje av ioner og polare molekyler. Innleirede membranproteiner utfører en lang rekke av funksjonene knyttet til membranen. Det er også en del nøytrale lipider, som for eksempel kolesterol, som inngår i noen typer membraner.

Mange forskjellige proteiner inngår i membraner, og disse kan også ha hydrofile og hydrofobe deler. Man skjelner mellom perifere og integrerte proteiner. De perifere har sin funksjon knyttet til cellemembranene, men de er svakt bundet til overflatene og kan lett frigjøres. De integrerte proteinene utgjør derimot en del av selve membranstrukturen og har evne til å trenge seg inn i dobbeltlaget av fosfolipider. Proteiner og lipider påvirker hverandre, og det kan også forekomme samspill mellom forskjellige proteiner.

Mange proteiner går tvers gjennom membranen. Sukkerartene er koblet til den delen av proteinet som finnes på utsiden av cellen. Molekylene forflytter seg hele tiden i forhold til hverandre ved diffusjonsbevegelser tilsvarende dem vi har mellom molekylene i gass og væske, men bare sidelengs i membranplanet. Bevegelsen kalles derfor lateral (sidelengs) diffusjon. Sidelengs flytting er viktig blant annet for at membranmolekylene skal fordeles likt til dattercellene ved celledeling, og for at nydannede bestanddeler av membranen fordeler seg utover celleoverflaten fra det stedet hvor de settes inn i membranen.

Cellens membraner er selektivt gjennomtrengelige, det vil si at de tillater noen molekyler eller ioner å passere, mens andre meget vanskelig slipper gjennom. Selv om lipidfilmen danner en effektiv barriere for ladde partikler og ioner, kan de passere hvis det finnes transportsystemer for dem i form av kanaler gjennom cellemembranen. Transportsystemene kan også transportere stoffer mot konsentrasjons- eller spenningsforskjeller. De består av proteiner og transporterer bare én eller noen få beslektede partikler. Deres aktivitet er nøye regulert. Transportsystemet har en rekke viktige oppgaver:

• opptak av næringsstoffer fra omgivelsene
• utskilling av avfallsstoffer
• regulering av cellevolumet, pH- og ionesammensetningen inne i cellen
• opprettholde membranpotensialet

Alle cellene i kroppen opprettholder en forskjell i konsentrasjonen av natrium- (Na⁺) og kalium- (K⁺-)ioner mellom inn- og utside av membranene ved aktiv transport. Transportsystemet pumper Na⁺ut av cellen i bytte for K⁺inn i cellen, og betegnes derfor Na⁺/K⁺-pumpen. I hvile bruker vi omtrent én tredel av vår totale energiomsetning på å drive cellenes Na⁺/K⁺-pumper.

Konsentrasjonsforskjellene varierer noe for forskjellige celletyper, men i en nervecelle har vi omtrent 40 ganger så høy K⁺-konsentrasjon inne i cellen som utenfor, mens Na⁺-konsentrasjonen inne i cellen er om lag en tiendedel av den utenfor. Konsentrasjonsforskjellen for K⁺på hver side av membranen gjør at K⁺-ioner langsomt og passivt lekker ut av cellen igjen gjennom spesielle kanaler. Også Na⁺-ionene lekker gjennom membranen inn i cellen igjen, men enda langsommere enn lekkasjen av K⁺-ioner. Dermed lekker positive ladninger hurtigere ut av enn inn i cellen, slik at det bygges opp en elektrisk spenning over membranen, det såkalte membranpotensialet. Siden innsiden av cellen blir negativt ladet, bremses passasjen av K⁺-ioner ut av cellen. Ved en bestemt spenning skjer det ikke lenger netto passiv utstrømning av K⁺-ioner. I hvilende nerveceller er innsiden av cellemembranen vanligvis rundt –70 mV målt i forhold til utsiden. Siden Na⁺-ioner langsomt lekker inn gjennom membranen, ville dette medføre at membranpotensialet etter hvert ble mindre negativt. Dermed ville flere K⁺-ioner lekke ut. Slik ville det fortsette til forskjellene i Na⁺- og K⁺-konsentrasjoner over membranen var utjevnet og membranpotensialet forsvunnet, hvis ikke Na⁺/K⁺-pumpen hele tiden vedlikeholdt disse konsentrasjonsforskjellene. Det er altså Na⁺/K⁺-pumpen som skaper og vedlikeholder konsentrasjonsforskjellene av Na⁺og K⁺over membranen, mens det er den større passive lekkasjen av K⁺-ioner enn Na⁺-ioner tilbake gjennom membranen som skaper membranpotensialet. Dette membranpotensialet er grunnleggende for cellers evne til å reagere på stimuli med en elektrisk utladning (spesielt nerve- og muskelceller).