Membrány sú extrémne viskózne a zároveň plastické štruktúry, ktoré obklopujú všetky živé bunky. Funkcie bunkové membrány:

1. Plazmatická membrána je bariéra, ktorá udržuje rozdielne zloženie extra- a intracelulárneho prostredia.

2.Membrány tvoria vo vnútri bunky špecializované priehradky, t.j. početné organely - mitochondrie, lyzozómy, Golgiho komplex, endoplazmatické retikulum, jadrové membrány.

3. Enzýmy, ktoré sa podieľajú na premene energie v procesoch, ako je oxidačná fosforylácia a fotosyntéza, sú lokalizované v membránach.

Štruktúra a zloženie membrán

Základom membrány je dvojitá lipidová vrstva, na tvorbe ktorej sa podieľajú fosfolipidy a glykolipidy. Lipidovú dvojvrstvu tvoria dva rady lipidov, ktorých hydrofóbne radikály sú skryté dovnútra a hydrofilné skupiny smerujú von a sú v kontakte s vodným prostredím. Proteínové molekuly sú akoby „rozpustené“ v lipidovej dvojvrstve.

Štruktúra membránových lipidov

Membránové lipidy sú amfifilné molekuly, pretože molekula má hydrofilnú oblasť (polárne hlavy) aj hydrofóbnu oblasť, ktorú predstavujú uhľovodíkové radikály mastných kyselín, ktoré spontánne tvoria dvojvrstvu. Membrány obsahujú tri hlavné typy lipidov – fosfolipidy, glykolipidy a cholesterol.

Zloženie lipidov je odlišné. Obsah konkrétneho lipidu je zjavne určený rôznymi funkciami, ktoré tieto lipidy vykonávajú v membránach.

Fosfolipidy. Všetky fosfolipidy možno rozdeliť do dvoch skupín – glycerofosfolipidy a sfingofosfolipidy. Glycerofosfolipidy sú klasifikované ako deriváty kyseliny fosfatidovej. Najbežnejšie glycerofosfolipidy sú fosfatidylcholíny a fosfatidyletanolamíny. Sfingofosfolipidy sú založené na aminoalkohole sfingozínu.

Glykolipidy. V glykolipidoch je hydrofóbna časť reprezentovaná alkoholovým ceramidom a hydrofilná časť je reprezentovaná sacharidovým zvyškom. V závislosti od dĺžky a štruktúry sacharidovej časti sa rozlišujú cerebrozidy a gangliozidy. Polárne „hlavy“ glykolipidov sú umiestnené na vonkajšom povrchu plazmatických membrán.

Cholesterol (CS). CS je prítomný vo všetkých membránach živočíšnych buniek. Jeho molekula pozostáva z tuhého hydrofóbneho jadra a pružného uhľovodíkového reťazca. Jediná hydroxylová skupina v polohe 3 je „polárna hlava“. Pre živočíšnu bunku je priemerný molárny pomer cholesterol/fosfolipidy 0,3-0,4, ale v plazmatickej membráne je tento pomer oveľa vyšší (0,8-0,9). Prítomnosť cholesterolu v membránach znižuje pohyblivosť mastných kyselín, znižuje laterálnu difúziu lipidov, a preto môže ovplyvňovať funkcie membránových proteínov.

Vlastnosti membrány:

1. Selektívna priepustnosť. Uzavretá dvojvrstva poskytuje jednu z hlavných vlastností membrány: je nepriepustná pre väčšinu molekúl rozpustných vo vode, pretože sa nerozpúšťajú v jej hydrofóbnom jadre. Plyny ako kyslík, CO 2 a dusík majú schopnosť ľahko prenikať do buniek vďaka malej veľkosti ich molekúl a slabej interakcii s rozpúšťadlami. Molekuly lipidovej povahy, ako sú steroidné hormóny, tiež ľahko prenikajú do dvojvrstvy.

2. Likvidita. Membrány sa vyznačujú tekutosťou (tekutosťou), schopnosťou pohybu lipidov a bielkovín. Možné sú dva typy fosfolipidových pohybov: salto (vo vedeckej literatúre nazývané „flip-flop“) a laterálna difúzia. V prvom prípade sa fosfolipidové molekuly v bimolekulárnej vrstve navzájom proti sebe prevrátia (alebo kotrmelce) k sebe a vymenia si miesta v membráne, t.j. vonkajšok sa stáva vnútrom a naopak. Takéto skoky sú spojené so spotrebou energie. Častejšie sa pozorujú rotácie okolo osi (rotácia) a laterálna difúzia - pohyb vo vrstve rovnobežný s povrchom membrány. Rýchlosť pohybu molekúl závisí od mikroviskozity membrán, ktorá je zase určená relatívnym obsahom nasýtených a nenasýtených mastných kyselín v zložení lipidov. Mikroviskozita je nižšia, ak v zložení lipidov prevládajú nenasýtené mastné kyseliny, a vyššia, ak je obsah nasýtených mastných kyselín vysoký.

3. Asymetria membrán. Povrchy tej istej membrány sa líšia zložením lipidov, bielkovín a sacharidov (priečne asymetria). Napríklad fosfatidylcholíny prevládajú vo vonkajšej vrstve a fosfatidyletanolamíny a fosfatidylseríny prevažujú vo vnútornej vrstve. Sacharidové zložky glykoproteínov a glykolipidov sa dostávajú na vonkajší povrch a vytvárajú súvislú štruktúru nazývanú glykokalyx. Na vnútornom povrchu nie sú žiadne sacharidy. Proteíny - hormonálne receptory sú umiestnené na vonkajšom povrchu plazmatickej membrány a enzýmy, ktoré regulujú - adenylátcykláza, fosfolipáza C - na vnútornom povrchu atď.

Membránové proteíny

Membránové fosfolipidy pôsobia ako rozpúšťadlo pre membránové proteíny, čím vytvárajú mikroprostredie, v ktorom tieto môžu fungovať. Proteíny tvoria 30 až 70 % hmoty membrán. Počet rôznych proteínov v membráne sa pohybuje od 6-8 v sarkoplazmatickom retikule po viac ako 100 v plazmatickej membráne. Sú to enzýmy, transportné proteíny, štrukturálne proteíny, antigény vrátane antigénov hlavného histokompatibilného systému, receptory pre rôzne molekuly.

Proteíny sa na základe ich lokalizácie v membráne delia na integrálne (čiastočne alebo úplne ponorené v membráne) a periférne (umiestnené na jej povrchu). Niektoré integrálne proteíny prechádzajú cez membránu raz (glykoforín), iné cez membránu mnohokrát. Napríklad retinálny fotoreceptor a β2-adrenergný receptor prechádzajú cez dvojvrstvu 7-krát.

Periférne proteíny a domény integrálnych proteínov, umiestnené na vonkajšom povrchu všetkých membrán, sú takmer vždy glykozylované. Oligosacharidové zvyšky chránia proteín pred proteolýzou a tiež sa podieľajú na rozpoznávaní alebo adhézii ligandu.

Nie je žiadnym tajomstvom, že všetky živé bytosti na našej planéte sa skladajú z buniek, týchto nespočetných „“ organických látok. Bunky sú zase obklopené špeciálnym ochranným obalom - membránou, ktorá hrá veľmi dôležitú úlohu v živote bunky a funkcie bunkovej membrány sa neobmedzujú len na ochranu bunky, ale predstavujú komplex mechanizmus zapojený do reprodukcie, výživy a regenerácie bunky.

Čo je bunková membrána

Samotné slovo „membrána“ sa prekladá z latinčiny ako „film“, hoci membrána nie je len druh filmu, v ktorom je zabalená bunka, ale kombinácia dvoch filmov, ktoré sú navzájom spojené a majú rôzne vlastnosti. Bunková membrána je v skutočnosti trojvrstvová lipoproteínová (tukovo-proteínová) membrána, ktorá oddeľuje každú bunku od susedných buniek a prostredia a vykonáva riadenú výmenu medzi bunkami a prostredím, toto je akademická definícia toho, čo je bunková membrána je.

Dôležitosť membrány je jednoducho obrovská, pretože nielen oddeľuje jednu bunku od druhej, ale zabezpečuje aj interakciu bunky s ostatnými bunkami a prostredím.

História výskumu bunkových membrán

Dôležitý príspevok k štúdiu bunkovej membrány urobili dvaja nemeckí vedci Gorter a Grendel už v roku 1925. Vtedy sa im podarilo uskutočniť komplexný biologický experiment na červených krvinkách – erytrocytoch, počas ktorého vedci získali takzvané „tiene“, prázdne obaly erytrocytov, ktoré naskladali do jedného stohu a zmerali povrch a tiež vypočítali množstvo lipidov v nich. Vedci na základe množstva získaných lipidov dospeli k záveru, že sú presne obsiahnuté v dvojitej vrstve bunkovej membrány.

V roku 1935 ďalšia dvojica výskumníkov bunkových membrán, tentoraz Američania Daniel a Dawson, po sérii dlhých experimentov stanovila obsah bielkovín v bunkovej membráne. Neexistoval žiadny iný spôsob, ako vysvetliť, prečo mala membrána také vysoké povrchové napätie. Vedci šikovne predstavili model bunkovej membrány v podobe sendviča, v ktorom úlohu chleba zohrávajú homogénne lipidovo-proteínové vrstvy a medzi nimi je namiesto oleja prázdnota.

V roku 1950, s príchodom elektroniky, bola teória Daniela a Dawsona potvrdená praktickými pozorovaniami – na mikrosnímkach bunkovej membrány boli jasne viditeľné vrstvy lipidových a proteínových hlavičiek a tiež prázdny priestor medzi nimi.

V roku 1960 americký biológ J. Robertson vypracoval teóriu o trojvrstvovej štruktúre bunkových membrán, ktorá bola dlho považovaná za jedinú pravdivú, no s ďalším rozvojom vedy sa začali objavovať pochybnosti o jej neomylnosti. Takže napríklad z tohto pohľadu by bolo pre bunky náročné a prácne transportovať potrebné živiny cez celý „sendvič“

A až v roku 1972 boli americkí biológovia S. Singer a G. Nicholson schopní vysvetliť nezrovnalosti v Robertsonovej teórii pomocou nového fluidno-mozaikového modelu bunkovej membrány. Zistili najmä, že bunková membrána nie je svojím zložením homogénna, navyše je asymetrická a naplnená kvapalinou. Okrem toho sú bunky v neustálom pohybe. A notoricky známe proteíny, ktoré sú súčasťou bunkovej membrány, majú rôzne štruktúry a funkcie.

Vlastnosti a funkcie bunkovej membrány

Teraz sa pozrime, aké funkcie vykonáva bunková membrána:

Bariérovou funkciou bunkovej membrány je membrána ako skutočná pohraničná stráž, ktorá stráži hranice bunky, zdržuje a nedovolí škodlivým alebo jednoducho nevhodným molekulám prejsť.

Transportná funkcia bunkovej membrány - membrána nie je len pohraničnou strážou pri bráne bunky, ale aj akýmsi colným kontrolným bodom, neustále sa cez ňu vymieňajú užitočné látky s inými bunkami a prostredím.

Funkcia matrice - je to bunková membrána, ktorá určuje umiestnenie voči sebe navzájom a reguluje interakciu medzi nimi.

Mechanická funkcia - je zodpovedná za obmedzenie jednej bunky od druhej a zároveň za správne spojenie buniek medzi sebou, za ich formovanie do homogénneho tkaniva.

Ochranná funkcia bunkovej membrány je základom pre budovanie ochranného štítu bunky. V prírode môže byť príkladom tejto funkcie tvrdé drevo, hustá šupka, ochranná škrupina, to všetko vďaka ochrannej funkcii membrány.

Enzymatická funkcia je ďalšou dôležitou funkciou, ktorú vykonávajú určité proteíny v bunke. Napríklad vďaka tejto funkcii dochádza k syntéze tráviacich enzýmov v črevnom epiteli.

Okrem toho dochádza k bunkovej výmene cez bunkovú membránu, ktorá môže prebiehať v troch rôznych reakciách:

• Fagocytóza je bunková výmena, pri ktorej fagocytové bunky uložené v membráne zachytávajú a trávia rôzne živiny.
• Pinocytóza je proces zachytávania tekutých molekúl, ktoré sú s ňou v kontakte, bunkovou membránou. Na tento účel sa na povrchu membrány vytvárajú špeciálne úponky, ktoré akoby obklopovali kvapku kvapaliny a vytvárali bublinu, ktorú membrána následne „prehltne“.
• Exocytóza je reverzný proces, keď bunka uvoľňuje sekrečnú funkčnú tekutinu na povrch cez membránu.

Štruktúra bunkovej membrány

V bunkovej membráne sú tri triedy lipidov:

• fosfolipidy (ktoré sú kombináciou tukov a fosforu),
• glykolipidy (kombinácia tukov a sacharidov),
• cholesterolu

Fosfolipidy a glykolipidy zase pozostávajú z hydrofilnej hlavy, do ktorej zasahujú dva dlhé hydrofóbne chvosty. Cholesterol zaberá priestor medzi týmito chvostmi a bráni im v ohýbaní; to všetko v niektorých prípadoch spôsobuje, že membrána určitých buniek je veľmi pevná. K tomu všetkému molekuly cholesterolu organizujú štruktúru bunkovej membrány.

Ale nech je to akokoľvek, najdôležitejšou súčasťou štruktúry bunkovej membrány je proteín, alebo skôr rôzne proteíny, ktoré hrajú rôzne dôležité úlohy. Napriek rôznorodosti proteínov obsiahnutých v membráne existuje niečo, čo ich spája – prstencové lipidy sa nachádzajú okolo všetkých membránových proteínov. Prstencové lipidy sú špeciálne štruktúrované tuky, ktoré slúžia ako akási ochranná škrupina pre bielkoviny, bez ktorej by jednoducho nefungovali.

Štruktúra bunkovej membrány má tri vrstvy: základom bunkovej membrány je homogénna tekutá bilipidová vrstva. Bielkoviny ho pokrývajú z oboch strán ako mozaika. Práve proteíny, okrem funkcií opísaných vyššie, zohrávajú aj úlohu zvláštnych kanálikov, ktorými cez membránu prechádzajú látky, ktoré nie sú schopné preniknúť cez tekutú vrstvu membrány. Patria sem napríklad ióny draslíka a sodíka, pre ich prienik cez membránu poskytuje príroda špeciálne iónové kanály v bunkových membránach. Inými slovami, proteíny zabezpečujú priepustnosť bunkových membrán.

Ak sa pozrieme na bunkovú membránu cez mikroskop, uvidíme vrstvu lipidov tvorenú malými guľovitými molekulami, na ktorých plávajú bielkoviny ako na mori. Teraz viete, aké látky tvoria bunkovú membránu.

Video bunkovej membrány

A na záver vzdelávacie video o bunkovej membráne.

Bunková membrána je ultratenký film na povrchu bunky alebo bunkovej organely, ktorý pozostáva z bimolekulárnej vrstvy lipidov so zabudovanými proteínmi a polysacharidmi.

Funkcie membrán:

• · Bariéra – zabezpečuje regulovaný, selektívny, pasívny a aktívny metabolizmus s okolím. Napríklad peroxizómová membrána chráni cytoplazmu pred peroxidmi, ktoré sú pre bunku nebezpečné. Selektívna permeabilita znamená, že priepustnosť membrány pre rôzne atómy alebo molekuly závisí od ich veľkosti, elektrického náboja a chemických vlastností. Selektívna permeabilita zabezpečuje, že bunka a bunkové kompartmenty sú oddelené od prostredia a zásobené potrebnými látkami.
• · Transport – transport látok do bunky a von z bunky prebieha cez membránu. Transport cez membrány zabezpečuje: dodávanie živín, odstraňovanie konečných produktov metabolizmu, sekréciu rôznych látok, vytváranie iónových gradientov, udržiavanie optimálneho pH a koncentrácie iónov v bunke, ktoré sú potrebné pre fungovanie bunkových enzýmov. Častice, ktoré z akéhokoľvek dôvodu nie sú schopné prejsť cez fosfolipidovú dvojvrstvu (napríklad kvôli hydrofilným vlastnostiam, keďže membrána vo vnútri je hydrofóbna a neprepúšťa hydrofilné látky, alebo kvôli ich veľkej veľkosti), ale sú pre bunku nevyhnutné. , môže preniknúť membránou cez špeciálne nosné proteíny (transportéry) a kanálové proteíny alebo endocytózou. Pri pasívnom transporte látky prechádzajú cez lipidovú dvojvrstvu bez toho, aby vynaložili energiu pozdĺž koncentračného gradientu difúziou. Variantom tohto mechanizmu je uľahčená difúzia, pri ktorej špecifická molekula pomáha látke prejsť cez membránu. Táto molekula môže mať kanál, ktorý umožňuje prechod len jedného typu látky. Aktívny transport vyžaduje energiu, pretože sa vyskytuje proti koncentračnému gradientu. Na membráne sú špeciálne pumpové proteíny vrátane ATPázy, ktorá aktívne pumpuje draselné ióny (K +) do bunky a pumpuje z nej sodíkové ióny (Na +).
• · matrica – zabezpečuje určitú relatívnu polohu a orientáciu membránových bielkovín, ich optimálnu interakciu.
• · mechanická – zabezpečuje autonómiu bunky, jej vnútrobunkových štruktúr, ako aj spojenie s inými bunkami (v tkanivách). Bunkové steny zohrávajú hlavnú úlohu pri zabezpečovaní mechanickej funkcie a u zvierat medzibunková látka.
• · energia - pri fotosyntéze v chloroplastoch a bunkovom dýchaní v mitochondriách fungujú v ich membránach systémy prenosu energie, na ktorých sa podieľajú aj bielkoviny;
• · receptor – niektoré proteíny nachádzajúce sa v membráne sú receptory (molekuly, pomocou ktorých bunka vníma určité signály). Napríklad hormóny cirkulujúce v krvi pôsobia len na cieľové bunky, ktoré majú receptory zodpovedajúce týmto hormónom. Neurotransmitery (chemické látky, ktoré zabezpečujú vedenie nervových vzruchov) sa tiež viažu na špeciálne receptorové proteíny v cieľových bunkách.
• · enzymatické – membránové proteíny sú často enzýmy. Napríklad plazmatické membrány buniek črevného epitelu obsahujú tráviace enzýmy.
• · implementácia tvorby a vedenia biopotenciálov. Pomocou membrány sa v bunke udržiava konštantná koncentrácia iónov: koncentrácia iónu K + vo vnútri bunky je oveľa vyššia ako vonku a koncentrácia Na + je oveľa nižšia, čo je veľmi dôležité, pretože to zabezpečuje zachovanie rozdielu potenciálov na membráne a generovanie nervového impulzu.
• · značenie buniek – na membráne sú antigény, ktoré fungujú ako markery – „štítky“, ktoré umožňujú bunku identifikovať. Sú to glykoproteíny (to znamená proteíny s rozvetvenými oligosacharidovými bočnými reťazcami, ktoré sú k nim pripojené), ktoré zohrávajú úlohu „antén“. Kvôli nespočetným konfiguráciám bočných reťazcov je možné vytvoriť špecifický marker pre každý typ bunky. Pomocou markerov môžu bunky rozpoznať iné bunky a konať v zhode s nimi, napríklad pri tvorbe orgánov a tkanív. To tiež umožňuje imunitnému systému rozpoznať cudzie antigény.

Niektoré proteínové molekuly voľne difundujú v rovine lipidovej vrstvy; v normálnom stave časti proteínových molekúl vznikajúce na rôznych stranách bunkovej membrány nemenia svoju polohu.

Špeciálna morfológia bunkových membrán určuje ich elektrické charakteristiky, z ktorých najdôležitejšie sú kapacita a vodivosť.

Kapacitné vlastnosti určuje najmä fosfolipidová dvojvrstva, ktorá je nepriepustná pre hydratované ióny a zároveň dostatočne tenká (asi 5 nm), aby umožnila účinnú separáciu a ukladanie náboja a elektrostatickú interakciu katiónov a aniónov. Okrem toho sú kapacitné vlastnosti bunkových membrán jedným z dôvodov, ktoré určujú časové charakteristiky elektrických procesov prebiehajúcich na bunkových membránach.

Vodivosť (g) je prevrátená hodnota elektrického odporu a rovná sa pomeru celkového transmembránového prúdu pre daný ión k hodnote, ktorá určila jeho transmembránový potenciálny rozdiel.

Cez fosfolipidovú dvojvrstvu môžu difundovať rôzne látky a stupeň permeability (P), t.j. schopnosť bunkovej membrány prechádzať týmito látkami, závisí od rozdielu koncentrácií difundujúcej látky na oboch stranách membrány, od jej rozpustnosti. v lipidoch a vlastnostiach bunkovej membrány. Rýchlosť difúzie nabitých iónov v podmienkach konštantného poľa v membráne je určená pohyblivosťou iónov, hrúbkou membrány a distribúciou iónov v membráne. V prípade neelektrolytov permeabilita membrány neovplyvňuje jej vodivosť, pretože neelektrolyty nenesú náboj, t. j. nemôžu prenášať elektrický prúd.

Vodivosť membrány je mierou jej iónovej permeability. Zvýšenie vodivosti naznačuje zvýšenie počtu iónov prechádzajúcich cez membránu.

Dôležitou vlastnosťou biologických membrán je tekutosť. Všetky bunkové membrány sú pohyblivé tekuté štruktúry: väčšina ich základných lipidových a proteínových molekúl sa môže pohybovať pomerne rýchlo v rovine membrány.

Na základe funkčných charakteristík možno bunkovú membránu rozdeliť na 9 funkcií, ktoré vykonáva.
Funkcie bunkovej membrány:
1. Doprava. Prenáša látky z bunky do bunky;
2. Bariéra. Má selektívnu priepustnosť, zabezpečuje potrebný metabolizmus;
3. Receptor. Niektoré proteíny nachádzajúce sa v membráne sú receptory;
4. Mechanické. Zabezpečuje autonómiu bunky a jej mechanických štruktúr;
5. Matica. Zabezpečuje optimálnu interakciu a orientáciu matricových proteínov;
6. Energia. Membrány obsahujú systémy prenosu energie počas bunkového dýchania v mitochondriách;
7. Enzymatické. Membránové proteíny sú niekedy enzýmy. Napríklad membrány črevných buniek;
8. Označovanie. Membrána obsahuje antigény (glykoproteíny), ktoré umožňujú identifikáciu buniek;
9. Generovanie. Vykonáva tvorbu a vedenie biopotenciálov.

Ako vyzerá bunková membrána, môžete vidieť na príklade štruktúry živočíšnej bunky alebo rastlinnej bunky.

Na obrázku je znázornená štruktúra bunkovej membrány.
Zložky bunkovej membrány zahŕňajú rôzne proteíny bunkovej membrány (globulárne, periférne, povrchové), ako aj lipidy bunkovej membrány (glykolipid, fosfolipid). Aj v štruktúre bunkovej membrány sú sacharidy, cholesterol, glykoproteín a proteín alfa helix.

Zloženie bunkovej membrány

Hlavné zloženie bunkovej membrány zahŕňa:
1. Proteíny - zodpovedné za rôzne vlastnosti membrány;
2. Tri typy lipidov (fosfolipidy, glykolipidy a cholesterol) zodpovedné za tuhosť membrány.
Proteíny bunkovej membrány:
1. Globulárny proteín;
2. povrchový proteín;
3. Periférny proteín.

Hlavným účelom bunkovej membrány

Hlavný účel bunkovej membrány:
1. Regulovať výmenu medzi bunkou a prostredím;
2. Oddeľte obsah akejkoľvek bunky od vonkajšieho prostredia, čím zabezpečíte jej integritu;
3. Vnútrobunkové membrány delia bunku na špecializované uzavreté kompartmenty – organely alebo kompartmenty, v ktorých sú udržiavané určité podmienky prostredia.

Štruktúra bunkovej membrány

Štruktúra bunkovej membrány je dvojrozmerný roztok globulárnych integrálnych proteínov rozpustených v tekutej fosfolipidovej matrici. Tento model membránovej štruktúry navrhli dvaja vedci Nicholson a Singer v roku 1972. Základom membrán je teda bimolekulárna lipidová vrstva s usporiadaným usporiadaním molekúl, ako ste mohli vidieť v.

Bunkové membrány: ich štruktúra a funkcie

Membrány sú extrémne viskózne a zároveň plastické štruktúry, ktoré obklopujú všetky živé bunky. Funkcie bunkových membrán:

1. Plazmatická membrána je bariéra, ktorá udržuje rozdielne zloženie extra- a intracelulárneho prostredia.

2.Membrány tvoria vo vnútri bunky špecializované priehradky, t.j. početné organely - mitochondrie, lyzozómy, Golgiho komplex, endoplazmatické retikulum, jadrové membrány.

3. Enzýmy, ktoré sa podieľajú na premene energie v procesoch, ako je oxidačná fosforylácia a fotosyntéza, sú lokalizované v membránach.

Membránová štruktúra

V roku 1972 Singer a Nicholson navrhli model membránovej štruktúry fluidnej mozaiky. Podľa tohto modelu sú funkčné membrány dvojrozmerným roztokom globulárnych integrálnych proteínov rozpustených v kvapalnej fosfolipidovej matrici. Základom membrán je teda bimolekulárna lipidová vrstva s usporiadaným usporiadaním molekúl.

V tomto prípade je hydrofilná vrstva tvorená polárnou hlavou fosfolipidov (fosfátový zvyšok s pripojeným cholínom, etanolamínom alebo serínom), ako aj sacharidovou časťou glykolipidov. A hydrofóbna vrstva je tvorená uhľovodíkovými radikálmi mastných kyselín a sfingozínu, fosfolipidov a glykolipidov.

Vlastnosti membrány:

1. Selektívna priepustnosť. Uzavretá dvojvrstva poskytuje jednu z hlavných vlastností membrány: je nepriepustná pre väčšinu molekúl rozpustných vo vode, pretože sa nerozpúšťajú v jej hydrofóbnom jadre. Plyny ako kyslík, CO 2 a dusík majú schopnosť ľahko prenikať do buniek vďaka malej veľkosti ich molekúl a slabej interakcii s rozpúšťadlami. Molekuly lipidovej povahy, ako sú steroidné hormóny, tiež ľahko prenikajú do dvojvrstvy.

2. Likvidita. Lipidová dvojvrstva má tekutú kryštalickú štruktúru, pretože lipidová vrstva je vo všeobecnosti tekutá, ale má oblasti tuhnutia, podobné kryštalickým štruktúram. Hoci je poloha molekúl lipidov usporiadaná, zachovávajú si schopnosť pohybu. Možné sú dva typy fosfolipidových pohybov: salto (vo vedeckej literatúre nazývané „flip-flop“) a laterálna difúzia. V prvom prípade sa fosfolipidové molekuly v bimolekulárnej vrstve navzájom proti sebe prevrátia (alebo kotrmelce) k sebe a vymenia si miesta v membráne, t.j. vonkajšok sa stáva vnútrom a naopak. Takéto skoky zahŕňajú výdaj energie a vyskytujú sa veľmi zriedkavo. Častejšie sa pozorujú rotácie okolo osi (rotácia) a laterálna difúzia - pohyb vo vrstve rovnobežný s povrchom membrány.

3. Asymetria membrán. Povrchy tej istej membrány sa líšia zložením lipidov, bielkovín a sacharidov (priečne asymetria). Napríklad fosfatidylcholíny prevládajú vo vonkajšej vrstve a fosfatidyletanolamíny a fosfatidylseríny prevažujú vo vnútornej vrstve. Sacharidové zložky glykoproteínov a glykolipidov sa dostávajú na vonkajší povrch a vytvárajú súvislú štruktúru nazývanú glykokalyx. Na vnútornom povrchu nie sú žiadne sacharidy. Proteíny - hormonálne receptory sú umiestnené na vonkajšom povrchu plazmatickej membrány a enzýmy, ktoré regulujú - adenylátcykláza, fosfolipáza C - na vnútornom povrchu atď.

Membránové proteíny

Membránové fosfolipidy pôsobia ako rozpúšťadlo pre membránové proteíny, čím vytvárajú mikroprostredie, v ktorom tieto môžu fungovať. Počet rôznych proteínov v membráne sa pohybuje od 6-8 v sarkoplazmatickom retikule po viac ako 100 v plazmatickej membráne. Sú to enzýmy, transportné proteíny, štrukturálne proteíny, antigény vrátane antigénov hlavného histokompatibilného systému, receptory pre rôzne molekuly.

Proteíny sa na základe ich lokalizácie v membráne delia na integrálne (čiastočne alebo úplne ponorené v membráne) a periférne (umiestnené na jej povrchu). Niektoré integrálne proteíny zošívajú membránu viackrát. Napríklad retinálny fotoreceptor a β2-adrenergný receptor prechádzajú cez dvojvrstvu 7-krát.

Prenos hmoty a informácií cez membrány

Bunkové membrány nie sú tesne uzavreté priečky. Jednou z hlavných funkcií membrán je regulácia prenosu látok a informácií. Transmembránový pohyb malých molekúl nastáva 1) difúziou, pasívnou alebo uľahčenou, a 2) aktívnym transportom. Transmembránový pohyb veľkých molekúl sa uskutočňuje 1) endocytózou a 2) exocytózou. Prenos signálu cez membrány sa uskutočňuje pomocou receptorov lokalizovaných na vonkajšom povrchu plazmatickej membrány. V tomto prípade signál buď prechádza transformáciou (napríklad glukagón cAMP), alebo je internalizovaný, spojený s endocytózou (napríklad LDL - LDL receptor).

Jednoduchá difúzia je prenikanie látok do bunky pozdĺž elektrochemického gradientu. V tomto prípade nie sú potrebné žiadne náklady na energiu. Rýchlosť jednoduchej difúzie je určená 1) transmembránovým koncentračným gradientom látky a 2) jej rozpustnosťou v hydrofóbnej vrstve membrány.

S uľahčenou difúziou sú látky transportované cez membránu aj po koncentračnom gradiente, bez výdaja energie, ale pomocou špeciálnych membránových nosných proteínov. Preto sa facilitovaná difúzia líši od pasívnej v niekoľkých parametroch: 1) facilitovaná difúzia sa vyznačuje vysokou selektivitou, pretože nosný proteín má aktívne centrum komplementárne k transportovanej látke; 2) rýchlosť uľahčenej difúzie môže dosiahnuť plató, pretože počet molekúl nosiča je obmedzený.

Niektoré transportné proteíny jednoducho prenášajú látku z jednej strany membrány na druhú. Tento jednoduchý prenos sa nazýva pasívny uniport. Príkladom uniportu sú GLUT – glukózové transportéry, ktoré transportujú glukózu cez bunkové membrány. Iné proteíny fungujú ako kotransportné systémy, v ktorých transport jednej látky závisí od súčasného alebo postupného transportu inej látky, buď v rovnakom smere, ktorý sa nazýva pasívny symport, alebo v opačnom smere, ktorý sa nazýva pasívny antiport. Translokázy vnútornej mitochondriálnej membrány, najmä ADP/ATP translokáza, fungujú pasívnym antiportovým mechanizmom.

Počas aktívneho transportu dochádza k prenosu látky proti koncentračnému gradientu, a preto je spojený s nákladmi na energiu. Ak je prenos ligandov cez membránu spojený s výdajom energie ATP, potom sa takýto prenos nazýva primárny aktívny transport. Príkladom je Na+K+-ATPáza a Ca2+-ATPáza lokalizovaná v plazmatickej membráne ľudských buniek a H+,K+-ATPáza žalúdočnej sliznice.

Sekundárny aktívny transport. Transport niektorých látok proti koncentračnému gradientu závisí od súčasného alebo postupného transportu Na + (sodných iónov) pozdĺž koncentračného gradientu. Okrem toho, ak sa ligand prenáša v rovnakom smere ako Na +, proces sa nazýva aktívny symport. Podľa mechanizmu aktívneho symportu sa glukóza absorbuje z lúmenu čreva, kde je jej koncentrácia nízka. Ak sa ligand prenáša v smere opačnom k ​​iónom sodíka, potom sa tento proces nazýva aktívny antiport. Príkladom je Na +,Ca2+ výmenník plazmatickej membrány.