írja le a membránok szerkezetét és funkcióját, különösen a foszfolipid kétrétegű
ebben az eredményben megismerjük a membránok szerkezetét.
tanulási célok
- ismertesse a sejtmembránok szerkezetét
- azonosítsa a sejtmembrán összetevőit, beleértve a foszfolipideket, a koleszterint, a fehérjéket és a szénhidrátokat
- magyarázza el, hogy a hidrofil anyagok miért nem tudnak átjutni a sejtmembrán belsejében
a sejtmembrán szerkezete
a sejt plazmamembránja meghatározza a sejt határát és meghatározza a környezettel való érintkezés jellegét. A sejtek bizonyos anyagokat kizárnak, másokat befogadnak, másokat pedig kiválasztanak, mindezt ellenőrzött mennyiségben. A plazmamembránok körülveszik a sejtek határait, de nem statikus zsákok, hanem dinamikusak és folyamatosan áramlanak. A plazmamembránnak kellően rugalmasnak kell lennie ahhoz, hogy bizonyos sejtek, például a vörösvérsejtek és a fehérvérsejtek alakja megváltozzon, amikor áthaladnak a keskeny kapillárisokon. Ezek a plazmamembrán nyilvánvalóbb funkciói. Ezenkívül a plazmamembrán felülete olyan markereket hordoz, amelyek lehetővé teszik a sejtek számára, hogy felismerjék egymást, ami létfontosságú, mivel a szövetek és szervek a korai fejlődés során alakulnak ki, és amely később szerepet játszik az immunválasz “én” és “nem-én” megkülönböztetésében.
a plazmamembrán receptorokat is hordoz, amelyek a sejtekkel kölcsönhatásba lépő specifikus anyagok kötődési helyei. Minden receptor úgy van felépítve, hogy egy adott anyaggal kötődjön. Például a membrán felszíni receptorai változásokat hoznak létre a belső térben, például az anyagcsere-útvonalak enzimjeinek változásait. Ezek az anyagcsere-útvonalak létfontosságúak lehetnek a sejt energiával való ellátásához, a sejt számára specifikus anyagok előállításához, vagy a sejthulladék vagy toxinok lebontásához ártalmatlanítás céljából. A plazmamembrán külső felületén lévő receptorok kölcsönhatásba lépnek a hormonokkal vagy neurotranszmitterekkel, és lehetővé teszik üzeneteik továbbítását a sejtbe. Néhány felismerési helyet a vírusok csatolási pontként használnak. Annak ellenére, hogy nagyon specifikusak, a kórokozók, mint a vírusok, úgy fejlődhetnek ki, hogy kihasználják a receptorokat, hogy bejuthassanak a sejtbe azáltal, hogy utánozzák azt a specifikus anyagot, amelyet a receptor köt. Ez a specifitás segít megmagyarázni, hogy az emberi immunhiányos vírus (HIV) vagy az öt típusú hepatitis vírus bármelyike miért támad csak specifikus sejteket.
Folyadékmozaik modell
1972-ben S. J. Singer és Garth L. Nicolson a plazmamembrán új modelljét javasolta, amely a korábbi ismeretekhez képest jobban megmagyarázta mind a mikroszkopikus megfigyeléseket, mind a plazmamembrán működését. Ezt folyékony mozaik modellnek hívták. A modell az idő múlásával némileg fejlődött, de még mindig a legjobban magyarázza a plazmamembrán szerkezetét és funkcióit, ahogy most értjük őket. A folyadékmozaik modell a plazmamembrán szerkezetét komponensek mozaikjaként írja le—beleértve a foszfolipideket, a koleszterint, a fehérjéket és a szénhidrátokat—, amelyekben az összetevők képesek áramlani és megváltoztatni helyzetüket, miközben megőrzik a membrán alapvető integritását. Mind a foszfolipid molekulák, mind a beágyazott fehérjék képesek gyorsan és oldalirányban diffundálni a membránban (1.ábra). A plazmamembrán folyékonysága szükséges bizonyos enzimek és transzport molekulák működéséhez a membránon belül. A plazmamembránok vastagsága 5-10 nm. Összehasonlításképpen, az emberi vörösvérsejtek, amelyek fénymikroszkóppal láthatók, körülbelül 8 mm vastagok, vagy körülbelül 1000-szer vastagabbak, mint egy plazmamembrán.
1.ábra. A plazmamembrán szerkezetének folyadékmozaik modellje a plazmamembránt foszfolipidek, koleszterin, fehérjék és szénhidrátok folyadék kombinációjaként írja le.
a plazmamembrán elsősorban foszfolipidek kétrétegéből áll, beágyazott fehérjékkel, szénhidrátokkal, glikolipidekkel és glikoproteinekkel, valamint állati sejtekben koleszterinnel. A koleszterin mennyisége az állati plazmamembránokban szabályozza a membrán folyékonyságát és a sejt környezetének hőmérséklete alapján változik. Más szavakkal, a koleszterin fagyállóként működik a sejtmembránban, és sokkal gyakoribb a hideg éghajlaton élő állatokban.
a membrán fő szövete két réteg foszfolipid molekulából áll, és ezeknek a molekuláknak a poláris végei (amelyek úgy néznek ki, mint egy golyógyűjtemény a modell művész általi átadásában) (1.ábra) vizes folyadékkal érintkeznek mind a sejten belül, mind azon kívül. Így a plazmamembrán mindkét felülete hidrofil (“vízszerető”). Ezzel szemben a membrán belseje a két felülete között hidrofób (“vízgyűlölő”) vagy nem poláris régió a zsírsav farok miatt. Ez a régió nem vonzza a vizet vagy más poláris molekulákat (ezt a következő oldalon tovább tárgyaljuk).
a fehérjék alkotják a plazmamembránok második fő kémiai összetevőjét. Az integrált fehérjék a plazmamembránba ágyazódnak, és a membrán egészét vagy egy részét lefedhetik. Az integrált fehérjék csatornákként vagy szivattyúként szolgálhatnak az anyagok sejtbe vagy onnan történő mozgatásához. A perifériás fehérjék a membránok külső vagy belső felületén találhatók, amelyek vagy integrált fehérjékhez, vagy foszfolipid molekulákhoz kapcsolódnak. Mind az integrált, mind a perifériás fehérjék enzimként, a citoszkeleton rostjainak szerkezeti kötődéseként vagy a sejt felismerési helyeinek részeként szolgálhatnak.
a szénhidrátok a plazmamembránok harmadik fő alkotóelemei. Mindig megtalálhatók a sejtek külső felületén, és vagy fehérjékhez (glikoproteineket képezve), vagy lipidekhez (glikolipideket képezve) kötődnek. Ezek a szénhidrátláncok 2-60 monoszacharid egységből állhatnak, és lehetnek egyenesek vagy elágazók. A perifériás fehérjék mellett a szénhidrátok speciális helyeket képeznek a sejtfelszínen, amelyek lehetővé teszik a sejtek egymás felismerését.
hogyan fertőzik meg a vírusok bizonyos szerveket
2.ábra. A HIV dokkol és kötődik a CD4 receptorhoz, egy glikoproteinhez a T-sejtek felszínén, mielőtt belépne vagy megfertőzné a sejtet. (hitel: az amerikai Nemzeti Egészségügyi Intézetek munkájának módosítása/Országos allergia és Fertőző Betegségek Intézete)
a gazdasejtek sejtmembránjainak felületén kitett specifikus glikoprotein molekulákat számos vírus kihasználja bizonyos szervek megfertőzésére. Például a HIV képes behatolni a T-helper sejteknek és monocitáknak nevezett fehérvérsejtek plazmamembránjaiba, valamint a központi idegrendszer egyes sejtjeibe. A hepatitis vírus csak a májsejteket támadja meg.
ezek a vírusok képesek behatolni ezekbe a sejtekbe, mert a sejtek felületén olyan kötőhelyekkel rendelkeznek, amelyeket a vírusok ugyanolyan specifikus glikoproteinekkel használtak ki a kabátjukban. (2. ábra). A sejtet a vírusréteg-molekulák mimikriája becsapja, és a vírus képes belépni a sejtbe. A vírus felszínén található egyéb felismerési helyek kölcsönhatásba lépnek az emberi immunrendszerrel, ami arra készteti a testet, hogy antitesteket termeljen. Az antitesteket az antigénekre (vagy az invazív kórokozókkal kapcsolatos fehérjékre) reagálva állítják elő. Ugyanezek a helyek szolgálnak az antitestek kötődésének helyeként, vagy elpusztítják vagy gátolják a vírus aktivitását. Sajnos ezeket a HIV-helyeket olyan gének kódolják, amelyek gyorsan változnak, ami nagyon megnehezíti a vírus elleni hatékony vakcina előállítását. A fertőzött egyén víruspopulációja a mutáció révén gyorsan fejlődik különböző populációkká vagy variánsokká, amelyeket megkülönböztetnek ezen felismerési helyek különbségei. A vírus felületi markereinek ez a gyors változása csökkenti a személy immunrendszerének hatékonyságát a vírus megtámadásában, mivel az antitestek nem ismerik fel a felületi minták új variációit.
foszfolipidek
mint most megtudtuk, a membrán fő szövete két réteg foszfolipid molekulából áll. Ezeknek a molekuláknak a hidrofil vagy “vízszerető” területei (amelyek úgy néznek ki, mint egy golyógyűjtemény a modell művész általi átadásában) (1.ábra) érintkeznek a vizes folyadékkal mind a sejten belül, mind azon kívül. Így a plazmamembrán mindkét felülete hidrofil. Ezzel szemben a membrán belseje a két felülete között hidrofób vagy nem poláros régió a zsírsav farok miatt. Ez a régió nem vonzza a vizet vagy más poláris molekulákat (ezt a következő oldalon tovább tárgyaljuk).
a hidrofób vagy vízgyűlölő molekulák általában nem polárisak. Kémiai reakciókban kölcsönhatásba lépnek más nem poláros molekulákkal, de általában nem lépnek kölcsönhatásba a poláris molekulákkal. Vízbe helyezve a hidrofób molekulák általában gömböt vagy klasztert képeznek. A foszfolipidek hidrofil régiói hajlamosak hidrogénkötéseket kialakítani vízzel és más poláris molekulákkal mind a sejt külső, mind belső részén. Így a sejt belső és külső felületei hidrofilek. Ezzel szemben a sejtmembrán belseje hidrofób, és nem lép kölcsönhatásba a vízzel. Ezért a foszfolipidek kiváló kétrétegű sejtmembránt képeznek, amely elválasztja a sejten belüli folyadékot a sejten kívüli folyadéktól.
3.ábra. Ez a foszfolipid molekula egy hidrofil fejből és két hidrofób farokból áll. A hidrofil fejcsoport egy glicerinmolekulához kapcsolt foszfáttartalmú csoportból áll. A hidrofób farok, amelyek mindegyike telített vagy telítetlen zsírsavat tartalmaz, hosszú szénhidrogénláncok.
a foszfolipid molekula (3.ábra) egy három szénatomos glicerin gerincből áll, amelyben két zsírsav-molekula kapcsolódik az 1-es és a 2-es szénatomhoz, valamint egy foszfáttartalmú csoport kapcsolódik a harmadik szénatomhoz.
ez az elrendezés a teljes molekulának egy olyan területet ad, amelyet a fejének (a foszfáttartalmú csoportnak) neveznek, amely poláris jellegű vagy negatív töltésű, és egy faroknak nevezett területet (a zsírsavak), amelynek nincs töltése. A fej hidrogénkötéseket képezhet,de a farok nem. A pozitív vagy negatív töltésű terület ilyen elrendezésű, töltetlen vagy nem poláros molekulát amfifil vagy “kettős szerető” -nak nevezik.”
ez a tulajdonság létfontosságú a plazmamembrán szerkezete szempontjából, mivel a vízben a foszfolipidek hajlamosak úgy elrendezni, hogy hidrofób farkuk egymással szemben, hidrofil fejük pedig kifelé nézzen. Ily módon lipid kettős réteget képeznek—egy kettős rétegű foszfolipidekből álló gátat, amely elválasztja a gát egyik oldalán lévő vizet és más anyagokat a másik oldalon lévő víztől és más anyagoktól. Valójában a vizes oldatban hevített foszfolipidek spontán módon kis gömböket vagy cseppeket (úgynevezett micellákat vagy liposzómákat) képeznek, hidrofil fejük a külsőt, hidrofób farkuk pedig a belső részét képezi (4.ábra).
4.ábra. Vizes oldatban a foszfolipidek hajlamosak úgy elrendezni magukat, hogy poláris fejük kifelé, hidrofób farkuk pedig befelé nézzen. (hitel: Mariana Ruiz Villareal munkájának módosítása)
összefoglalva: a sejtmembrán szerkezete
a plazmamembrán modern megértését folyadékmozaik modellnek nevezzük. A plazmamembrán foszfolipidek kétrétegéből áll, hidrofób, zsírsav farkukkal érintkezve egymással. A membrán tája fehérjékkel van ellátva, amelyek közül néhány a membránra terjed ki. Ezen fehérjék egy része az anyagok sejtbe vagy onnan történő szállítására szolgál. A szénhidrátok a membrán kifelé néző felületén lévő fehérjékhez és lipidekhez kapcsolódnak. Ezek olyan komplexeket képeznek, amelyek a sejtet más sejtekkel azonosítják. A membrán folyékony jellege a zsírsav farok konfigurációjának, a membránba ágyazott koleszterin jelenlétének (állati sejtekben), valamint a fehérjék és a fehérje-szénhidrát komplexek mozaik jellegének köszönhető, amelyek nincsenek szilárdan rögzítve a helyükön. A plazmamembránok körülveszik a sejtek határait, de nem statikus zsákok, hanem dinamikusak és folyamatosan áramlanak.
ellenőrizze megértését
válaszoljon az alábbi kérdés(ek) re, hogy lássa, mennyire érti az előző részben tárgyalt témákat. Ez a rövid kvíz nem számít bele az osztályzatodba, és korlátlan számú alkalommal megismételheted.
használja ezt a kvízt, hogy ellenőrizze a megértést, és eldöntse, hogy (1) tanulmányozza tovább az előző szakaszt, vagy (2) lépjen tovább a következő szakaszra.