Biologi For Majors i

Beskriv struktur og funksjon av membraner, spesielt fosfolipid dobbeltlag

i dette resultatet vil vi lære om strukturen av membraner.

Struktur Av Cellemembranen

en celles plasmamembran definerer grensen til cellen og bestemmer arten av dens kontakt med miljøet. Celler utelukker noen stoffer, tar inn andre og skiller ut andre, alt i kontrollerte mengder. Plasmamembraner omslutter cellens grenser, men i stedet for å være en statisk pose, er de dynamiske og stadig i flux. Plasmamembranen må være tilstrekkelig fleksibel slik at visse celler, som røde blodlegemer og hvite blodlegemer, kan endre form når de passerer gjennom smale kapillærer. Dette er de mer åpenbare funksjonene til en plasmamembran. I tillegg bærer overflaten av plasmamembranen markører som tillater celler å gjenkjenne hverandre, noe som er viktig når vev og organer dannes under tidlig utvikling, og som senere spiller en rolle i «selv» versus «ikke-selv» skillet av immunresponsen.

plasmamembranen bærer også reseptorer, som er festesteder for bestemte stoffer som interagerer med cellen. Hver reseptor er strukturert for å binde med en bestemt substans. For eksempel skaper overflate reseptorer av membranen endringer i interiøret, for eksempel endringer i enzymer av metabolske veier. Disse metabolske veiene kan være avgjørende for å gi cellen energi, lage bestemte stoffer for cellen, eller bryte ned cellulært avfall eller giftstoffer for avhending. Reseptorer på plasmamembranens ytre overflate samhandler med hormoner eller nevrotransmittere, og lar sine meldinger overføres til cellen. Noen gjenkjenningssteder brukes av virus som vedleggspunkter. Selv om de er svært spesifikke, kan patogener som virus utvikle seg for å utnytte reseptorer for å få adgang til en celle ved å etterligne det spesifikke stoffet som reseptoren er ment å binde. Denne spesifisiteten bidrar til å forklare hvorfor humant immunsviktvirus (HIV) eller noen av de fem typer hepatittvirus invaderer bare bestemte celler.

Fluid Mosaic Model

I 1972 foreslo Sj Singer Og Garth L. Nicolson en ny modell av plasmamembranen som, sammenlignet med tidligere forståelse, bedre forklarte både mikroskopiske observasjoner og plasmamembranens funksjon. Dette ble kalt fluid mosaic-modellen. Modellen har utviklet seg noe over tid, men fortsatt best står for strukturen og funksjonene til plasmamembranen som vi nå forstår dem. Væskemosaikkmodellen beskriver strukturen til plasmamembranen som en mosaikk av komponenter-inkludert fosfolipider, kolesterol, proteiner og karbohydrater—der komponentene er i stand til å strømme og endre posisjon, samtidig som membranets grunnleggende integritet opprettholdes. Både fosfolipidmolekyler og innebygde proteiner er i stand til å diffundere raskt og lateralt i membranen (Figur 1). Fluiditeten til plasmamembranen er nødvendig for aktivitetene til visse enzymer og transportmolekyler i membranen. Plasmamembraner varierer fra 5-10 nm tykk. Til sammenligning er humane røde blodlegemer, synlige via lysmikroskopi, omtrent 8 µ tykke, eller omtrent 1000 ganger tykkere enn en plasmamembran.

Figur 1. Væskemosaikkmodellen av plasmamembranstrukturen beskriver plasmamembranen som en væskekombinasjon av fosfolipider, kolesterol, proteiner og karbohydrater.

plasmamembranen består hovedsakelig av et dobbeltlag av fosfolipider med innebygde proteiner, karbohydrater, glykolipider og glykoproteiner, og i dyreceller, kolesterol. Mengden kolesterol i plasmamembraner i dyr regulerer membranets fluiditet og endringer basert på temperaturen i cellens miljø. Med andre ord virker kolesterol som frostvæske i cellemembranen og er mer rikelig hos dyr som lever i kaldt klima.

membranets hovedstoff består av to lag fosfolipidmolekyler, og de polare endene av disse molekylene (som ser ut som en samling baller i en kunstners gjengivelse av modellen) (Figur 1) er i kontakt med vandig væske både i og utenfor cellen. Således er begge overflater av plasmamembranen hydrofile («vann-elskende»). I kontrast er det indre av membranen, mellom de to overflatene, en hydrofob («vannhatende») eller ikke-polar region på grunn av fettsyrehaler. Denne regionen har ingen tiltrekning for vann eller andre polare molekyler (vi vil diskutere dette videre på neste side).

Proteiner utgjør den andre store kjemiske komponenten av plasmamembraner. Integrerte proteiner er innebygd i plasmamembranen og kan strekke seg over hele eller deler av membranen. Integrale proteiner kan fungere som kanaler eller pumper for å flytte materialer inn i eller ut av cellen. Perifere proteiner finnes på ytre eller indre overflater av membraner, festet enten til integrerte proteiner eller til fosfolipidmolekyler. Både integrerte og perifere proteiner kan tjene som enzymer, som strukturelle vedlegg for fibrene i cytoskelettet, eller som en del av cellens gjenkjenningssteder.

Karbohydrater er den tredje hovedkomponenten i plasmamembraner. De er alltid funnet på cellens ytre overflate og er bundet enten til proteiner (danner glykoproteiner) eller til lipider (danner glykolipider). Disse karbohydratkjedene kan bestå av 2-60 monosakkaridenheter og kan enten være rett eller forgrenet. Sammen med perifere proteiner danner karbohydrater spesialiserte steder på celleoverflaten som tillater celler å gjenkjenne hverandre.

Hvordan Virus Infiserer Spesifikke Organer

Figur 2. HIV dokker på OG binder SEG TIL CD4-reseptoren, et glykoprotein på overflaten Av T-celler, før de går inn i eller infiserer cellen. (kreditt: endring av arbeid AV AMERIKANSKE National Institutes Of Health / Nasjonalt Institutt For Allergi og Smittsomme Sykdommer)

spesifikke glykoproteinmolekyler eksponert på overflaten av cellemembranene i vertsceller utnyttes av mange virus for å infisere bestemte organer. FOR EKSEMPEL ER HIV i stand til å trenge inn i plasmamembranene av bestemte typer hvite blodlegemer kalt T-hjelperceller og monocytter, samt noen celler i sentralnervesystemet. Hepatittviruset angriper bare leverceller.

disse virusene er i stand til å invadere disse cellene, fordi cellene har bindingssteder på deres overflater som virusene har utnyttet med like spesifikke glykoproteiner i deres strøk. (Figur 2). Cellen er lurt av etterligning av virusbeleggmolekylene, og viruset er i stand til å komme inn i cellen. Andre gjenkjenningssteder på virusets overflate samhandler med det menneskelige immunsystemet, og får kroppen til å produsere antistoffer. Antistoffer er laget som svar på antigenene (eller proteiner assosiert med invasive patogener). Disse samme stedene tjener som steder for antistoffer å feste, og enten ødelegge eller hemme virusets aktivitet. Dessverre er DISSE NETTSTEDENE PÅ HIV kodet av gener som endres raskt, noe som gjør produksjonen av en effektiv vaksine mot viruset svært vanskelig. Viruspopulasjonen i et infisert individ utvikler seg raskt gjennom mutasjon i forskjellige populasjoner, eller varianter, preget av forskjeller i disse gjenkjenningsstedene. Denne raske endringen av virale overflatemarkører reduserer effektiviteten av personens immunsystem ved å angripe viruset, fordi antistoffene ikke vil gjenkjenne de nye variasjonene av overflatemønstrene.

Fosfolipider

som vi nettopp har lært, består membranets viktigste stoff av to lag fosfolipidmolekyler. De hydrofile eller» vannelskende » områdene av disse molekylene (som ser ut som en samling baller i en kunstners gjengivelse av modellen) (Figur 1) er i kontakt med den vandige væsken både i og utenfor cellen. Således er begge overflater av plasmamembranen hydrofile. I kontrast er det indre av membranen, mellom de to overflatene, en hydrofob eller ikke-polar region på grunn av fettsyrehaler. Denne regionen har ingen tiltrekning for vann eller andre polare molekyler (vi vil diskutere dette videre på neste side).

Hydrofobe, eller vannhatende molekyler, har en tendens til å være ikke-polare. De interagerer med andre ikke-polare molekyler i kjemiske reaksjoner, men samhandler vanligvis ikke med polare molekyler. Når de plasseres i vann, har hydrofobe molekyler en tendens til å danne en ball eller klynge. De hydrofile områdene av fosfolipidene har en tendens til å danne hydrogenbindinger med vann og andre polare molekyler både på utsiden og innsiden av cellen. Dermed er membranflatene som vender mot innsiden og utsiden av cellen hydrofile. I motsetning til dette er det indre av cellemembranen hydrofob og vil ikke interagere med vann. Derfor danner fosfolipider en utmerket tolags cellemembran som skiller væske i cellen fra væsken utenfor cellen.

Figur 3. Dette fosfolipidmolekylet består av et hydrofilt hode og to hydrofobe haler. Den hydrofile hodegruppen består av en fosfatholdig gruppe festet til et glyserolmolekyl. De hydrofobe haler, som hver inneholder enten en mettet eller en umettet fettsyre, er lange hydrokarbonkjeder.

et fosfolipidmolekyl (Figur 3) består av en tre-karbon glyserol ryggrad med to fettsyremolekyler festet til karbon 1 og 2, og en fosfatholdig gruppe festet til det tredje karbonet.

dette arrangementet gir det totale molekylet et område beskrevet som hodet (den fosfatholdige gruppen), som har en polar karakter eller negativ ladning, og et område kalt halen (fettsyrene), som ikke har ladning. Hodet kan danne hydrogenbindinger, men halen kan ikke. Et molekyl med dette arrangementet av et positivt eller negativt ladet område og et uladet eller ikke-polart område refereres til som amfifil eller » dual-loving.»

denne egenskapen er avgjørende for strukturen til en plasmamembran fordi fosfolipider i vann har en tendens til å bli arrangert med deres hydrofobe haler mot hverandre og deres hydrofile hoder vender ut. På denne måten danner de et lipid dobbeltlag-en barriere som består av et dobbeltlag av fosfolipider som skiller vannet og andre materialer på den ene siden av barrieren fra vannet og andre materialer på den andre siden. Faktisk har fosfolipider oppvarmet i en vandig løsning en tendens til spontant å danne små kuler eller dråper (kalt miceller eller liposomer), med deres hydrofile hoder som danner utsiden og deres hydrofobe haler på innsiden (Figur 4).

Figur 4. I en vandig løsning har fosfolipider en tendens til å ordne seg med sine polare hoder vendt utover og deres hydrofobe haler vendt innover. (kreditt: modifikasjon av arbeid Av Mariana Ruiz Villareal)

Sjekk Din Forståelse

Svar på spørsmålet(e) nedenfor for å se hvor godt du forstår emnene dekket i forrige avsnitt. Denne korte quizen teller ikke mot karakteren din i klassen, og du kan ta den på nytt et ubegrenset antall ganger.

Bruk denne testen for å sjekke din forståelse og avgjøre om du vil (1) studere forrige avsnitt videre eller (2) gå videre til neste avsnitt.