biologie pentru Majors I

descrieți structura și funcția membranelor, în special bistratul fosfolipidic

în acest rezultat, vom afla despre structura membranelor.

structura membranei celulare

membrana plasmatică a unei celule definește limita celulei și determină natura contactului său cu mediul. Celulele exclud unele substanțe, iau altele și elimină altele, toate în cantități controlate. Membranele plasmatice cuprind granițele celulelor, dar, mai degrabă decât să fie o pungă statică, ele sunt dinamice și în mod constant în flux. Membrana plasmatică trebuie să fie suficient de flexibilă pentru a permite anumitor celule, cum ar fi globulele roșii și globulele albe, să își schimbe forma pe măsură ce trec prin capilare înguste. Acestea sunt funcțiile mai evidente ale unei membrane plasmatice. În plus, suprafața membranei plasmatice poartă markeri care permit celulelor să se recunoască reciproc, ceea ce este vital pe măsură ce țesuturile și organele se formează în timpul dezvoltării timpurii și care mai târziu joacă un rol în distincția „sine” față de „non-sine” a răspunsului imun.

membrana plasmatică poartă, de asemenea, receptori, care sunt locuri de atașare pentru substanțe specifice care interacționează cu celula. Fiecare receptor este structurat pentru a se lega cu o substanță specifică. De exemplu, receptorii de suprafață ai membranei creează modificări în interior, cum ar fi modificările enzimelor căilor metabolice. Aceste căi metabolice ar putea fi vitale pentru a furniza celulei energie, pentru a produce substanțe specifice pentru celulă sau pentru a descompune deșeurile celulare sau toxinele pentru eliminare. Receptorii de pe suprafața exterioară a membranei plasmatice interacționează cu hormoni sau neurotransmițători și permit transmiterea mesajelor lor în celulă. Unele site-uri de recunoaștere sunt utilizate de viruși ca puncte de atașare. Deși sunt foarte specifici, agenții patogeni precum virușii pot evolua pentru a exploata receptorii pentru a intra într-o celulă prin imitarea substanței specifice pe care receptorul este menit să o lege. Această specificitate ajută la explicarea motivului pentru care virusul imunodeficienței umane (HIV) sau oricare dintre cele cinci tipuri de virusuri hepatitice invadează doar celule specifice.

model mozaic Fluid

în 1972, S. J. Singer și Garth L. Nicolson au propus un nou model al membranei plasmatice care, în comparație cu înțelegerea anterioară, a explicat mai bine atât observațiile microscopice, cât și funcția membranei plasmatice. Acesta a fost numit modelul mozaic fluid. Modelul a evoluat oarecum în timp, dar încă mai bine conturi pentru structura și funcțiile membranei plasmatice așa cum le înțelegem acum. Modelul mozaicului fluid descrie structura membranei plasmatice ca un mozaic de componente—inclusiv fosfolipide, colesterol, proteine și carbohidrați—în care componentele sunt capabile să curgă și să schimbe poziția, menținând în același timp integritatea de bază a membranei. Atât moleculele de fosfolipide, cât și proteinele încorporate sunt capabile să difuzeze rapid și lateral în membrană (Figura 1). Fluiditatea membranei plasmatice este necesară pentru activitățile anumitor enzime și molecule de transport în interiorul membranei. Membranele plasmatice variază de la 5-10 nm grosime. Ca o comparație, celulele roșii din sânge umane, vizibile prin microscopie cu lumină, au o grosime de aproximativ 8 mm sau de aproximativ 1.000 de ori mai groase decât o membrană plasmatică.

Figura 1. Modelul mozaic fluid al structurii membranei plasmatice descrie membrana plasmatică ca o combinație fluidă de fosfolipide, colesterol, proteine și carbohidrați.

membrana plasmatică este alcătuită în principal dintr-un strat dublu de fosfolipide cu proteine încorporate, carbohidrați, glicolipide și glicoproteine și, în celulele animale, colesterol. Cantitatea de colesterol din membranele plasmatice animale reglează fluiditatea membranei și se modifică în funcție de temperatura mediului celulei. Cu alte cuvinte, colesterolul acționează ca antigel în membrana celulară și este mai abundent la animalele care trăiesc în climă rece.

țesătura principală a membranei este compusă din două straturi de molecule de fosfolipide, iar capetele polare ale acestor molecule (care arată ca o colecție de bile în interpretarea modelului de către un artist) (Figura 1) sunt în contact cu fluidul apos atât în interiorul, cât și în exteriorul celulei. Astfel, ambele suprafețe ale membranei plasmatice sunt hidrofile („iubitoare de apă”). În schimb, interiorul membranei, între cele două suprafețe ale sale, este o regiune hidrofobă („ură de apă”) sau nepolară din cauza cozilor de acizi grași. Această regiune nu are nicio atracție pentru apă sau alte molecule polare (vom discuta acest lucru în continuare în pagina următoare).

proteinele constituie a doua componentă chimică majoră a membranelor plasmatice. Proteinele integrale sunt încorporate în membrana plasmatică și se pot întinde pe toată sau o parte a membranei. Proteinele integrale pot servi drept canale sau pompe pentru a muta materialele în sau din celulă. Proteinele periferice se găsesc pe suprafețele exterioare sau interioare ale membranelor, atașate fie la proteine integrale, fie la molecule de fosfolipide. Atât proteinele integrale, cât și cele periferice pot servi ca enzime, ca atașamente structurale pentru fibrele citoscheletului sau ca parte a locurilor de recunoaștere ale celulei.

carbohidrații sunt a treia componentă majoră a membranelor plasmatice. Ele se găsesc întotdeauna pe suprafața exterioară a celulelor și sunt legate fie de proteine (formând glicoproteine), fie de lipide (formând glicolipide). Aceste lanțuri de carbohidrați pot consta din 2-60 de unități monozaharidice și pot fi drepte sau ramificate. Împreună cu proteinele periferice, carbohidrații formează site-uri specializate pe suprafața celulei care permit celulelor să se recunoască reciproc.

cum virusurile infectează organe specifice

Figura 2. HIV se leagă și se leagă de receptorul CD4, o glicoproteină de pe suprafața celulelor T, înainte de a intra sau de a infecta celula. (credit: modificarea activității de către Institutele Naționale de sănătate din SUA / Institutul Național de alergie și Boli Infecțioase)

moleculele specifice de glicoproteină expuse pe suprafața membranelor celulare ale celulelor gazdă sunt exploatate de mulți viruși pentru a infecta anumite organe. De exemplu, HIV este capabil să pătrundă în membranele plasmatice ale anumitor tipuri de celule albe din sânge numite celule T-helper și monocite, precum și unele celule ale sistemului nervos central. Virusul hepatitei atacă numai celulele hepatice.

acești viruși sunt capabili să invadeze aceste celule, deoarece celulele au site-uri de legare pe suprafețele lor pe care virușii le-au exploatat cu glicoproteine la fel de specifice în straturile lor. (Figura 2). Celula este păcălită de mimica moleculelor de acoperire a virusului, iar virusul este capabil să intre în celulă. Alte site-uri de recunoaștere de pe suprafața virusului interacționează cu sistemul imunitar uman, determinând organismul să producă anticorpi. Anticorpii sunt făcuți ca răspuns la antigeni (sau proteine asociate cu agenți patogeni invazivi). Aceleași site-uri servesc ca locuri pentru atașarea anticorpilor și fie distrug sau inhibă activitatea virusului. Din păcate, aceste site-uri de pe HIV sunt codificate de gene care se schimbă rapid, ceea ce face foarte dificilă producerea unui vaccin eficient împotriva virusului. Populația de virus din cadrul unui individ infectat evoluează rapid prin mutație în diferite populații sau variante, distinse prin diferențe în aceste site-uri de recunoaștere. Această schimbare rapidă a markerilor de suprafață virală scade eficacitatea sistemului imunitar al persoanei în atacarea virusului, deoarece anticorpii nu vor recunoaște noile variații ale modelelor de suprafață.

fosfolipide

după cum tocmai am aflat, țesătura principală a membranei este compusă din două straturi de molecule de fosfolipide. Zonele hidrofile sau” iubitoare de apă ” ale acestor molecule (care arată ca o colecție de bile în interpretarea modelului de către un artist) (Figura 1) sunt în contact cu fluidul apos atât în interiorul, cât și în exteriorul celulei. Astfel, ambele suprafețe ale membranei plasmatice sunt hidrofile. În schimb, interiorul membranei, între cele două suprafețe ale sale, este o regiune hidrofobă sau nepolară din cauza cozilor de acizi grași. Această regiune nu are nicio atracție pentru apă sau alte molecule polare (vom discuta acest lucru în continuare în pagina următoare).

moleculele hidrofobe sau care urăsc apa tind să fie nepolare. Ei interacționează cu alte molecule nepolare în reacțiile chimice, dar, în general, nu interacționează cu moleculele polare. Când sunt plasate în apă, moleculele hidrofobe tind să formeze o bilă sau un cluster. Regiunile hidrofile ale fosfolipidelor tind să formeze legături de hidrogen cu apa și alte molecule polare atât pe exteriorul, cât și pe interiorul celulei. Astfel, suprafețele membranei care se confruntă cu interiorul și exteriorul celulei sunt hidrofile. În schimb, interiorul membranei celulare este hidrofob și nu va interacționa cu apa. Prin urmare, fosfolipidele formează o membrană celulară excelentă cu două straturi care separă fluidul din interiorul celulei de fluidul din afara celulei.

Figura 3. Această moleculă fosfolipidică este compusă dintr-un cap hidrofil și două cozi hidrofobe. Grupul capului hidrofil constă dintr-un grup care conține fosfat atașat la o moleculă de glicerol. Cozile hidrofobe, fiecare conținând fie un acid gras saturat, fie un acid gras nesaturat, sunt lanțuri lungi de hidrocarburi.

o moleculă de fosfolipide (Figura 3) constă dintr-o coloană vertebrală de glicerol cu trei atomi de carbon, cu două molecule de acizi grași atașate la carbonii 1 și 2 și o grupare care conține fosfat atașată la al treilea carbon.

acest aranjament conferă moleculei globale o zonă descrisă ca fiind capul său (grupul care conține fosfat), care are un caracter polar sau o sarcină negativă și o zonă numită coadă (acizii grași), care nu are sarcină. Capul poate forma legături de hidrogen, dar coada nu poate. O moleculă cu acest aranjament al unei zone încărcate pozitiv sau negativ și a unei zone neîncărcate sau nepolare este denumită amfifilă sau „iubitoare duală.”

această caracteristică este vitală pentru structura unei membrane plasmatice, deoarece, în apă, fosfolipidele tind să devină aranjate cu cozile lor hidrofobe orientate unul spre celălalt și capetele lor hidrofile orientate spre exterior. În acest fel, ele formează o bistrat lipidic—o barieră compusă dintr-un strat dublu de fosfolipide care separă apa și alte materiale de pe o parte a barierei de apă și alte materiale de pe cealaltă parte. De fapt, fosfolipidele încălzite într-o soluție apoasă tind să formeze spontan mici sfere sau picături (numite Miceli sau lipozomi), cu capetele lor hidrofile formând exteriorul și cozile lor hidrofobe în interior (Figura 4).

Figura 4. Într-o soluție apoasă, fosfolipidele tind să se aranjeze cu capetele polare orientate spre exterior și cozile hidrofobe orientate spre interior. (credit: modificarea lucrării de Mariana Ruiz Villareal)

verificați-vă înțelegerea

răspundeți la întrebarea(întrebările) de mai jos pentru a vedea cât de bine înțelegeți subiectele abordate în secțiunea anterioară. Acest test scurt nu contează pentru nota dvs. în clasă și îl puteți relua de un număr nelimitat de ori.

utilizați acest test pentru a vă verifica înțelegerea și a decide dacă (1) studiați secțiunea anterioară în continuare sau (2) Treceți la secțiunea următoare.