Biologie pro Obory

Popište strukturu a funkci membrán, zejména fosfolipidové dvojvrstvy

V tento výsledek, budeme se učit o struktuře membrány.

Struktura Buněčné Membrány

buňky plazmatická membrána definuje hranici buňky a určuje povahu jeho kontakt s prostředím. Buňky vylučují některé látky, přijímají jiné a vylučují ještě jiné, vše v kontrolovaných množstvích. Plazmové membrány obklopují hranice buněk, ale spíše než statický vak jsou dynamické a neustále v toku. Plazmatická membrána musí být dostatečně pružná, aby umožnila určitým buňkám, jako jsou červené krvinky a bílé krvinky, měnit tvar při průchodu úzkými kapilárami. To jsou zjevnější funkce plazmatické membrány. Kromě toho, na povrchu plazmatické membrány nese markerů, které umožňují buňkám rozpoznat jeden druhého, což je důležité, protože tkání a orgánů tvoří během časného vývoje, a který později hraje roli v „já“ versus „non-self“ rozlišení imunitní odpovědi.

plazmatická membrána také nese receptory, které jsou vazebnými místy pro specifické látky, které interagují s buňkou. Každý receptor je strukturován tak, aby se vážil se specifickou látkou. Například povrchové receptory membrány vytvářejí změny v interiéru, jako jsou změny enzymů metabolických drah. Tyto metabolické dráhy mohou být životně důležité pro poskytnutí energie buňce, výrobu specifických látek pro buňku nebo odbourávání buněčného odpadu nebo toxinů k likvidaci. Receptory na vnějším povrchu plazmatické membrány interagují s hormony nebo neurotransmitery a umožňují přenos jejich zpráv do buňky. Některé rozpoznávací weby používají viry jako připojovací body. I když jsou vysoce specifické, patogeny, jako jsou viry mohou vyvíjet využít receptory ke vstupu do buňky napodobováním specifické látky, které receptorů je možno vázat. Tato specificita pomáhá vysvětlit, proč virus lidské imunodeficience (HIV) nebo kterýkoli z pěti typů virů hepatitidy napadají pouze specifické buňky.

Tekutiny Mozaika Model

V roce 1972, S. J. Singer a Garth L. Nicolson navrhla nový model plazmatické membráně, že ve srovnání s dříve porozumění, lépe vysvětlil, jak mikroskopické pozorování a funkce plazmatické membrány. Tomu se říkalo model tekuté mozaiky. Model se v průběhu času poněkud vyvíjel, ale stále nejlépe odpovídá struktuře a funkcím plazmatické membrány, jak je nyní chápeme. Fluidní mozaika model popisuje strukturu plazmatické membrány jako mozaika z komponentů—včetně fosfolipidů, cholesterolu, bílkovin a sacharidů—v, které komponenty jsou schopni toku a změně polohy, při zachování základní integrity membrány. Jak fosfolipidové molekuly, tak Vložené proteiny jsou schopny rychle a bočně difundovat v membráně (Obrázek 1). Tekutost plazmatické membrány je nezbytná pro činnost určitých enzymů a transportních molekul v membráně. Plazmové membrány se pohybují od tloušťky 5-10 nm. Pro srovnání, lidské červené krvinky, viditelné světelnou mikroskopií, jsou přibližně 8 µm silné nebo přibližně 1 000krát silnější než plazmatická membrána.

Obrázek 1. Fluidní mozaika model plazmatické membráně popisuje strukturu plazmatické membrány jako fluidní kombinaci fosfolipidů, cholesterolu, bílkovin a sacharidů.

plazmatická membrána je tvořena především dvojvrstvou fosfolipidů s vloženými proteiny, sacharidy, glykolipidy a glykoproteiny a ve zvířecích buňkách cholesterolem. Množství cholesterolu v plazmatických membránách zvířat reguluje tekutost membrány a mění se na základě teploty prostředí buňky. Jinými slovy, cholesterol působí jako nemrznoucí směs v buněčné membráně a je hojnější u zvířat, která žijí v chladném podnebí.

hlavní textilie membrány je tvořena dvěma vrstvami fosfolipidů molekuly a polární konce molekul (které vypadají jako kolekce míčky na umělecké ztvárnění modelu) (Obr. 1) jsou v kontaktu s vodným tekutiny uvnitř a vně buňky. Oba povrchy plazmatické membrány jsou tedy hydrofilní („milující vodu“). Naproti tomu vnitřek membrány mezi jejími dvěma povrchy je hydrofobní („nenávidící vodu“) nebo nepolární oblast kvůli ocasům mastných kyselin. Tato oblast nemá žádnou přitažlivost pro vodu nebo jiné polární molekuly (o tom budeme dále diskutovat na další stránce).

proteiny tvoří druhou hlavní chemickou složku plazmatických membrán. Integrální proteiny jsou vloženy do plazmatické membrány a mohou pokrývat celou nebo část membrány. Integrální proteiny mohou sloužit jako kanály nebo čerpadla pro přesun materiálů do nebo z buňky. Periferní proteiny se nacházejí na vnějších nebo vnitřních površích membrán, které jsou připojeny buď k integrálním proteinům, nebo k molekulám fosfolipidů. Integrální i periferní proteiny mohou sloužit jako enzymy, jako strukturní vazby pro vlákna cytoskeletu nebo jako součást rozpoznávacích míst buňky.

sacharidy jsou třetí hlavní složkou plazmatických membrán. Vždy se nacházejí na vnějším povrchu buněk a jsou vázány buď na proteiny (tvořící glykoproteiny) nebo na lipidy (tvořící glykolipidy). Tyto sacharidové řetězce se mohou skládat z 2-60 monosacharidových jednotek a mohou být buď přímé nebo rozvětvené. Spolu s periferními proteiny tvoří uhlohydráty specializovaná místa na povrchu buněk, která umožňují buňkám vzájemně se rozpoznávat.

jak viry infikují specifické orgány

Obrázek 2. HIV ukotvuje a váže se na receptor CD4, glykoprotein na povrchu T buněk, před vstupem, nebo infikování, buňka. (úvěra: modifikace práce USA National Institutes of Health/National Institute of Alergie a Infekční Choroby)

Specifické glykoproteinové molekuly vystavené na povrchu buněčné membrány hostitelských buněk jsou využívány mnoha viry infikují určité orgány. Například HIV je schopen proniknout do plazmatických membrán specifických druhů bílých krvinek nazývaných T-pomocné buňky a monocyty, stejně jako některé buňky centrálního nervového systému. Virus hepatitidy napadá pouze jaterní buňky.

tyto viry jsou schopny napadnout tyto buňky, protože buňky mají na svých površích vazebná místa, která viry využily se stejně specifickými glykoproteiny ve svých pláštích. (Obrázek 2). Buňka je podvedena mimikry molekul viru a virus je schopen vstoupit do buňky. Další rozpoznávací místa na povrchu viru interagují s lidským imunitním systémem a vyzývají tělo k tvorbě protilátek. Protilátky se vytvářejí v reakci na antigeny (nebo proteiny spojené s invazivními patogeny). Stejná místa slouží jako místa pro připojení protilátek a buď ničí nebo inhibují aktivitu viru. Tato místa na HIV jsou bohužel kódována geny, které se rychle mění, což velmi ztěžuje výrobu účinné vakcíny proti viru. Populace viru v infikovaném jedinci se rychle vyvíjí mutací do různých populací nebo variant, které se vyznačují rozdíly v těchto rozpoznávacích místech. Tato rychlá změna virových povrchových markerů snižuje účinnost imunitního systému člověka při napadení viru, protože protilátky nerozpoznají nové variace povrchových vzorců.

Fosfolipidy

Jak jsme se právě dozvěděli, hlavní materiál membrány je tvořena dvěma vrstvami fosfolipidů molekuly. Hydrofilní nebo“ vodní milující “ oblasti těchto molekul (které vypadají jako sbírka koulí v umělcově ztvárnění modelu) (Obrázek 1) jsou v kontaktu s vodnou tekutinou uvnitř i vně buňky. Oba povrchy plazmatické membrány jsou tedy hydrofilní. Naproti tomu vnitřek membrány mezi jejími dvěma povrchy je hydrofobní nebo nepolární oblastí kvůli ocasům mastných kyselin. Tato oblast nemá žádnou přitažlivost pro vodu nebo jiné polární molekuly (o tom budeme dále diskutovat na další stránce).

hydrofobní molekuly nebo molekuly nenávidící vodu mají tendenci být nepolární. Interagují s jinými nepolárními molekulami v chemických reakcích, ale obecně neinteragují s polárními molekulami. Při umístění do vody mají hydrofobní molekuly tendenci tvořit kouli nebo shluk. Hydrofilní oblasti fosfolipidů mají tendenci vytvářet vodíkové vazby s vodou a dalšími polárními molekulami na vnější i vnitřní straně buňky. Membránové povrchy, které směřují k vnitřku a vnějšku buňky, jsou tedy hydrofilní. Naproti tomu vnitřek buněčné membrány je hydrofobní a nebude interagovat s vodou. Proto fosfolipidy tvoří vynikající dvouvrstvou buněčnou membránu, která odděluje tekutinu uvnitř buňky od tekutiny mimo buňku.

obrázek 3. Tato fosfolipidová molekula se skládá z hydrofilní hlavy a dvou hydrofobních ocasů. Skupina hydrofilních hlav se skládá ze skupiny obsahující fosfáty připojené k molekule glycerolu. Hydrofobní ocasy, z nichž každý obsahuje buď nasycenou nebo nenasycenou mastnou kyselinu, jsou dlouhé uhlovodíkové řetězce.

fosfolipidové molekuly (Obrázek 3) se skládá z tři-uhlík glycerolu páteř s dvěma mastných kyselin molekul připojen k uhlíku 1 a 2 a fosfát obsahující skupiny připojené na třetím uhlíku.

toto uspořádání dává celkové molekule oblast popsanou jako její hlava (skupina obsahující fosfáty), která má polární charakter nebo záporný náboj, a oblast zvaná ocas (mastné kyseliny), která nemá žádný náboj. Hlava může tvořit vodíkové vazby, ale ocas nemůže. Molekula s tímto uspořádáním kladně nebo záporně nabité oblasti a nenabité, nebo nepolární, oblast se označuje jako amfifilní nebo „duální milující“.“

Tato vlastnost je zásadní pro strukturu plazmatické membrány, protože ve vodě, fosfolipidy mají tendenci stát se dohodl s jejich hydrofobní ocasy proti sobě a jejich hydrofilní hlavy směrem ven. Tímto způsobem, tvoří lipidové dvojvrstvy—bariéru tvoří dvojitá vrstva fosfolipidů, která odděluje vodu a jiné materiály na jedné straně bariéry z vody a jiných materiálů na druhé straně. Ve skutečnosti, fosfolipidy zahřívá ve vodném roztoku mají tendenci spontánně tvoří malé kuličky nebo kapičky (tzv. micel nebo liposomů), s jejich hydrofilní hlavy, které tvoří vnější a jejich hydrofobní ocasy na vnitřní straně (Obrázek 4).

obrázek 4. Ve vodném roztoku mají fosfolipidy tendenci se uspořádat tak, aby jejich polární hlavy směřovaly ven a jejich hydrofobní ocasy směřovaly dovnitř. (credit: změna práce Mariana Ruiz Villareal)

Zkontrolujte své porozumění

odpovězte na níže uvedené otázky a zjistěte, jak dobře rozumíte tématům uvedeným v předchozí části. Tento krátký kvíz se nezapočítává do vaší známky ve třídě, a můžete to opakovat neomezeně mnohokrát.

pomocí tohoto kvízu zkontrolujte své porozumění a rozhodněte se, zda (1) studovat předchozí část dále nebo (2) Přejít na další část.