biologi for Majors i

beskriv strukturen og funktionen af membraner, især phospholipid-dobbeltlaget

i dette resultat lærer vi om strukturen af membraner.

struktur af cellemembranen

en celles plasmamembran definerer grænsen for cellen og bestemmer arten af dens kontakt med miljøet. Celler udelukker nogle stoffer, tager i andre og udskiller stadig andre, alt i kontrollerede mængder. Plasmamembraner omslutter cellernes grænser, men snarere end at være en statisk pose, er de dynamiske og konstant i strøm. Plasmamembranen skal være tilstrækkelig fleksibel til at tillade visse celler, såsom røde blodlegemer og hvide blodlegemer, at ændre form, når de passerer gennem smalle kapillærer. Dette er de mere åbenlyse funktioner i en plasmamembran. Derudover bærer overfladen af plasmamembranen markører, der tillader celler at genkende hinanden, hvilket er afgørende, når væv og organer dannes under den tidlige udvikling, og som senere spiller en rolle i “selv” versus “ikke-selv” – sondringen af immunresponset.

plasmamembranen bærer også receptorer, som er fastgørelsessteder for specifikke stoffer, der interagerer med cellen. Hver receptor er struktureret til at binde med et specifikt stof. For eksempel skaber membranets overfladereceptorer ændringer i det indre, såsom ændringer i metabolske veje. Disse metaboliske veje kan være afgørende for at give cellen energi, gøre specifikke stoffer til cellen eller nedbryde cellulært affald eller toksiner til bortskaffelse. Receptorer på plasmamembranens ydre overflade interagerer med hormoner eller neurotransmittere og tillader, at deres meddelelser overføres til cellen. Nogle genkendelsessteder bruges af vira som fastgørelsespunkter. Selvom de er meget specifikke, kan patogener som vira udvikle sig til at udnytte receptorer for at få adgang til en celle ved at efterligne det specifikke stof, som receptoren er beregnet til at binde. Denne specificitet hjælper med at forklare, hvorfor human immundefektvirus (HIV) eller nogen af de fem typer hepatitisvirus kun invaderer specifikke celler.

Fluid Mosaic Model

i 1972 foreslog S. J. Singer og Garth L. Nicolson en ny model af plasmamembranen, der sammenlignet med tidligere forståelse bedre forklarede både mikroskopiske observationer og plasmamembranens funktion. Dette blev kaldt fluid mosaic-modellen. Modellen har udviklet sig noget over tid, men tegner sig stadig bedst for plasmamembranens struktur og funktioner, som vi nu forstår dem. Fluidmosaikmodellen beskriver plasmamembranens struktur som en mosaik af komponenter—inklusive phospholipider, kolesterol, proteiner og kulhydrater—hvor komponenterne er i stand til at strømme og ændre position, samtidig med at membranens grundlæggende integritet opretholdes. Både phospholipidmolekyler og indlejrede proteiner er i stand til at diffundere hurtigt og lateralt i membranen (Figur 1). Plasmamembranens fluiditet er nødvendig for aktiviteterne af visse molekyler og transportmolekyler inden i membranen. Plasmamembraner spænder fra 5-10 nm tykke. Til sammenligning er humane røde blodlegemer, der er synlige via lysmikroskopi, cirka 8 liter tykke eller cirka 1.000 gange tykkere end en plasmamembran.

Figur 1. Den flydende mosaikmodel af plasmamembranstrukturen beskriver plasmamembranen som en væskekombination af phospholipider, kolesterol, proteiner og kulhydrater.

plasmamembranen består primært af et dobbeltlag af phospholipider med indlejrede proteiner, kulhydrater, glycolipider og glycoproteiner og i dyreceller kolesterol. Mængden af kolesterol i dyreplasmamembraner regulerer membranens fluiditet og ændringer baseret på temperaturen i cellens miljø. Med andre ord fungerer kolesterol som frostvæske i cellemembranen og er mere rigeligt hos dyr, der lever i kolde klimaer.

membranens hovedstof er sammensat af to lag phospholipidmolekyler, og de polære ender af disse molekyler (som ligner en samling kugler i en kunstners gengivelse af modellen) (Figur 1) er i kontakt med vandig væske både inden i og uden for cellen. Således er begge overflader af plasmamembranen hydrofile (“vandelskende”). I modsætning hertil er det indre af membranen mellem dens to overflader en hydrofob (“vandhatende”) eller ikke-polær region på grund af fedtsyrehalerne. Denne region har ingen attraktion for vand eller andre polære molekyler (vi vil diskutere dette yderligere på Næste side).

proteiner udgør den anden store kemiske komponent i plasmamembraner. Integrerede proteiner er indlejret i plasmamembranen og kan spænde over hele eller en del af membranen. Integrerede proteiner kan tjene som kanaler eller pumper til at flytte materialer ind i eller ud af cellen. Perifere proteiner findes på de udvendige eller indvendige overflader af membraner, der er bundet enten til integrerede proteiner eller til phospholipidmolekyler. Både integrerede og perifere proteiner kan tjene som strukturelle bindinger til fibrene i cytoskelettet eller som en del af cellens genkendelsessteder.

kulhydrater er den tredje hovedkomponent i plasmamembraner. De findes altid på den ydre overflade af celler og er bundet enten til proteiner (danner glycoproteiner) eller til lipider (danner glycolipider). Disse kulhydratkæder kan bestå af 2-60 monosaccharidenheder og kan enten være lige eller forgrenede. Sammen med perifere proteiner danner kulhydrater specialiserede steder på celleoverfladen, der gør det muligt for celler at genkende hinanden.

hvordan vira inficerer specifikke organer

figur 2. HIV dokker ved og binder til CD4-receptoren, et glycoprotein på overfladen af T-celler, inden de kommer ind eller inficerer cellen. (kredit: ændring af arbejde fra US National Institutes of Health / National Institute of Allergy and Infectious Diseases)

specifikke glycoproteinmolekyler udsat på overfladen af cellemembraner i værtsceller udnyttes af mange vira til at inficere specifikke organer. For eksempel er HIV i stand til at trænge ind i plasmamembranerne af specifikke typer hvide blodlegemer kaldet T-hjælperceller og monocytter samt nogle celler i centralnervesystemet. Hepatitisvirus angriber kun leverceller.

disse vira er i stand til at invadere disse celler, fordi cellerne har bindingssteder på deres overflader, som virusserne har udnyttet med lige så specifikke glycoproteiner i deres frakker. (Figur 2). Cellen narres af efterligningen af virusbeklædningsmolekylerne, og virussen er i stand til at komme ind i cellen. Andre genkendelsessteder på virusets overflade interagerer med det humane immunsystem, hvilket får kroppen til at producere antistoffer. Antistoffer fremstilles som reaktion på antigenerne (eller proteiner forbundet med invasive patogener). Disse samme steder tjener som steder, hvor antistoffer kan fastgøres, og enten ødelægge eller hæmme virusets aktivitet. Desværre er disse steder på HIV kodet af gener, der ændrer sig hurtigt, hvilket gør produktionen af en effektiv vaccine mod virussen meget vanskelig. Viruspopulationen inden for et inficeret individ udvikler sig hurtigt gennem mutation til forskellige populationer eller varianter, der er kendetegnet ved forskelle på disse genkendelsessteder. Denne hurtige ændring af virale overflademarkører mindsker effektiviteten af personens immunsystem til at angribe virussen, fordi antistofferne ikke genkender de nye variationer af overflademønstrene.

phospholipider

som vi lige har lært, er membranets hovedstof sammensat af to lag phospholipidmolekyler. De hydrofile eller” vandelskende ” områder af disse molekyler (som ligner en samling kugler i en kunstners gengivelse af modellen) (Figur 1) er i kontakt med den vandige væske både inden i og uden for cellen. Således er begge overflader af plasmamembranen hydrofile. I modsætning hertil er det indre af membranen mellem dens to overflader en hydrofob eller ikke-polær region på grund af fedtsyrehalerne. Denne region har ingen attraktion for vand eller andre polære molekyler (vi vil diskutere dette yderligere på Næste side).

hydrofobe eller vandhatende molekyler har tendens til at være ikke-polære. De interagerer med andre ikke-polære molekyler i kemiske reaktioner, men interagerer generelt ikke med polære molekyler. Når de placeres i vand, har hydrofobe molekyler en tendens til at danne en kugle eller klynge. De hydrofile områder af phospholipiderne har tendens til at danne hydrogenbindinger med vand og andre polære molekyler på både det ydre og det indre af cellen. Membranoverfladerne, der vender mod det indre og ydre af cellen, er således hydrofile. I modsætning hertil er det indre af cellemembranen hydrofob og vil ikke interagere med vand. Derfor danner phospholipider en fremragende tolags cellemembran, der adskiller væske i cellen fra væsken uden for cellen.

figur 3. Dette phospholipidmolekyle er sammensat af et hydrofilt hoved og to hydrofobe haler. Den hydrofile hovedgruppe består af en phosphatholdig gruppe bundet til et glycerolmolekyle. De hydrofobe haler, der hver indeholder enten en mættet eller en umættet fedtsyre, er lange carbonhydridkæder.

et phospholipidmolekyle (figur 3) består af en tre-carbon glycerol-rygrad med to fedtsyremolekyler bundet til carbon 1 og 2 og en phosphatholdig gruppe bundet til det tredje carbon.

dette arrangement giver det samlede molekyle et område beskrevet som dets hoved (den fosfatholdige gruppe), som har en polær karakter eller negativ ladning, og et område kaldet halen (fedtsyrerne), som ikke har nogen ladning. Hovedet kan danne hydrogenbindinger, men halen kan ikke. Et molekyle med dette arrangement af et positivt eller negativt ladet område og et uladet, eller ikke-polært, område kaldes amfifil eller “dobbeltelskende.”

denne egenskab er afgørende for strukturen af en plasmamembran, fordi fosfolipider i vand har tendens til at blive arrangeret med deres hydrofobe haler vendt mod hinanden og deres hydrofile hoveder vendt udad. På denne måde danner de et lipid—dobbeltlag-en barriere sammensat af et dobbeltlag af phospholipider, der adskiller vandet og andre materialer på den ene side af barrieren fra vandet og andre materialer på den anden side. Faktisk har fosfolipider opvarmet i en vandig opløsning en tendens til spontant at danne små kugler eller dråber (kaldet miceller eller liposomer), hvor deres hydrofile hoveder danner det ydre og deres hydrofobe haler på indersiden (figur 4).

figur 4. I en vandig opløsning har phospholipider en tendens til at arrangere sig med deres polære hoveder vendt udad og deres hydrofobe haler vendt indad. (kredit: ændring af arbejde af Mariana Ruis Villareal)

Tjek din forståelse

Besvar nedenstående spørgsmål for at se, hvor godt du forstår emnerne i det foregående afsnit. Denne korte test tæller ikke med i din karakter i klassen, og du kan genoptage den et ubegrænset antal gange.

brug denne test til at kontrollere din forståelse og beslutte, om du vil (1) studere det foregående afsnit yderligere eller (2) gå videre til næste afsnit.