Biologie voor Majors i

Beschrijf de structuur en functie van membranen, in het bijzonder de fosfolipide bilayer

In dit resultaat zullen we meer te weten komen over de structuur van membranen.

structuur van het celmembraan

het plasmamembraan van een cel bepaalt de grens van de cel en bepaalt de aard van zijn contact met het milieu. Cellen sluiten sommige stoffen uit, nemen andere op en scheiden weer andere uit, allemaal in gecontroleerde hoeveelheden. Plasma membranen omsluiten de grenzen van cellen, maar in plaats van een statische zak, ze zijn dynamisch en voortdurend in beweging. Het plasmamembraan moet voldoende flexibel zijn om bepaalde cellen, zoals rode bloedcellen en witte bloedcellen, van vorm te laten veranderen wanneer ze door smalle haarvaten gaan. Dit zijn de meer voor de hand liggende functies van een plasmamembraan. Bovendien draagt de oppervlakte van het plasmamembraan tellers die cellen toestaan om elkaar te erkennen, die essentieel als weefsels en organen tijdens vroege ontwikkeling vormen is, en die later een rol in het “zelf” versus “niet-zelf” onderscheid van de immune reactie speelt.

het plasmamembraan bevat ook receptoren, die bindingsplaatsen zijn voor specifieke stoffen die interageren met de cel. Elke receptor is gestructureerd om te binden met een specifieke stof. Bijvoorbeeld, leiden de oppervlaktereceptoren van het membraan tot veranderingen in het binnenland, zoals veranderingen in enzymen van metabolische wegen. Deze metabolische wegen kunnen essentieel zijn voor het verstrekken van de cel van energie, het maken van specifieke stoffen voor de cel, of het afbreken van cellulair afval of toxines voor verwijdering. De receptoren op de buitenoppervlakte van het plasmamembraan interageren met hormonen of neurotransmitters, en laten hun berichten toe om in de cel worden overgebracht. Sommige herkenningssites worden gebruikt door virussen als bevestigingspunten. Hoewel ze zeer specifiek zijn, kunnen ziekteverwekkers zoals virussen evolueren om receptoren te exploiteren om toegang tot een cel te bereiken door de specifieke substantie na te bootsen die de receptor moet binden. Deze specificiteit helpt te verklaren waarom het humaan immunodeficiëntievirus (HIV) of een van de vijf soorten hepatitis-virussen slechts specifieke cellen binnendringen.

Fluid Mosaic Model

in 1972 stelden S. J. Singer en Garth L. Nicolson een nieuw model voor van het plasmamembraan dat, vergeleken met eerdere inzichten, zowel microscopische waarnemingen als de functie van het plasmamembraan beter kon verklaren. Dit werd het vloeibare mozaïekmodel genoemd. Het model is enigszins geëvolueerd in de tijd, maar nog steeds het beste rekeningen voor de structuur en functies van het plasmamembraan zoals we ze nu begrijpen. Het fluid mozaïek model beschrijft de structuur van het plasmamembraan als een mozaïek van componenten—met inbegrip van fosfolipiden, cholesterol, proteã nen, en koolhydraten—waarin de componenten kunnen stromen en positie veranderen, met behoud van de fundamentele integriteit van het membraan. Zowel fosfolipide molecules als ingebedde proteã nen kunnen snel en zijdelings in het membraan verspreiden (figuur 1). De vloeibaarheid van het plasmamembraan is noodzakelijk voor de activiteiten van bepaalde enzymen en transportmoleculen binnen het membraan. Plasmamembranen variëren van 5-10 nm dik. Als vergelijking, zijn de menselijke rode bloedcellen, zichtbaar via lichtmicroscopie, ongeveer 8 µm dik, of ongeveer 1.000 keer dikker dan een plasmamembraan.

figuur 1. Het vloeibare mozaïekmodel van de plasmamembraan structuur beschrijft het plasmamembraan als een vloeibare combinatie van fosfolipiden, cholesterol, proteã nen, en koolhydraten.

het plasmamembraan bestaat voornamelijk uit een bilaag van fosfolipiden met ingebedde eiwitten, koolhydraten, glycolipiden en glycoproteïnen en, in dierlijke cellen, cholesterol. De hoeveelheid cholesterol in dierlijke plasmamembranen regelt de vloeibaarheid van het membraan en veranderingen op basis van de temperatuur van de omgeving van de cel. Met andere woorden, cholesterol werkt als antivries in het celmembraan en is overvloediger in dieren die in koude klimaten leven.

het hoofdweefsel van het membraan bestaat uit twee lagen fosfolipide moleculen, en de polaire uiteinden van deze moleculen (die eruit zien als een verzameling ballen in een kunstenaar vertolking van het model) (figuur 1) zijn in contact met waterige vloeistof zowel binnen als buiten de cel. Zo zijn beide oppervlakken van het plasmamembraan hydrofiel (“waterminnend”). In tegenstelling, het binnenste van het membraan, tussen de twee oppervlakken, is een hydrofoob (“water-hatend”) of niet-polair gebied vanwege de vetzuurstaarten. Deze regio heeft geen aantrekkingskracht op water of andere polaire moleculen (we zullen dit verder bespreken in de volgende pagina).

eiwitten vormen de tweede belangrijke chemische component van plasmamembranen. De integrale proteã nen zijn ingebed in het plasmamembraan en kunnen geheel of een deel van het membraan overspannen. De integrale proteã nen kunnen als kanalen of pompen dienen om materialen in of uit de cel te bewegen. De perifere proteã nen worden gevonden op de buiten-of binnenoppervlakken van membranen, in bijlage aan integrale proteã nen of aan phospholipid molecules. Zowel de integrale als de perifere proteã nen kunnen als enzymen, als structurele gehechtheden voor de vezels van cytoskeleton, of als deel van de erkenningsplaatsen van de cel dienen.

koolhydraten zijn de derde belangrijke component van plasmamembranen. Ze worden altijd gevonden op het buitenoppervlak van cellen en zijn gebonden aan eiwitten (het vormen van glycoproteïnen) of aan lipiden (het vormen van glycolipiden). Deze koolhydraatketens kunnen bestaan uit 2-60 monosacharide-eenheden en kunnen recht of vertakt zijn. Samen met perifere proteã nen, vormen de koolhydraten gespecialiseerde plaatsen op de celoppervlakte die cellen toestaan om elkaar te erkennen.

hoe virussen specifieke organen infecteren

Figuur 2. HIV dokken op en binden aan de CD4-receptor, een glycoproteïne op het oppervlak van T-cellen, voordat ze de cel binnenkomen of infecteren. (krediet: wijziging van het werk van de Amerikaanse National Institutes of Health / National Institute of Allergy and Infectious Diseases)

de specifieke glycoproteïnemolecules die op de oppervlakte van de celmembranen van gastheercellen worden blootgesteld worden uitgebuit door vele virussen om specifieke organen te besmetten. HIV kan bijvoorbeeld de plasmamembranen van specifieke soorten witte bloedcellen, T-helpercellen en monocyten genoemd, evenals sommige cellen van het centrale zenuwstelsel binnendringen. Het hepatitis virus valt alleen levercellen aan.

deze virussen kunnen deze cellen binnendringen, omdat de cellen bindingsplaatsen op hun oppervlak hebben die de virussen hebben uitgebuit met even specifieke glycoproteïnen in hun vacht. (Figuur 2). De cel wordt misleid door de nabootsing van de viruscoatmoleculen, en het virus kan de cel binnendringen. Andere herkenningsplaatsen op het oppervlak van het virus interageren met het menselijke immuunsysteem, waardoor het lichaam wordt gevraagd antilichamen aan te maken. De antilichamen worden gemaakt in reactie op de antigenen (of proteã nen verbonden aan invasieve ziekteverwekkers). Deze zelfde plaatsen dienen als plaatsen voor antilichamen om zich te hechten, en of vernietigen of de activiteit van het virus te remmen. Helaas worden deze plaatsen op HIV gecodeerd door genen die snel veranderen, waardoor de productie van een effectief vaccin tegen het virus erg moeilijk is. De viruspopulatie binnen een geïnfecteerd individu evolueert door mutatie snel in verschillende populaties, of varianten, die door verschillen in deze herkenningsplaatsen worden onderscheiden. Deze snelle verandering van virale oppervlakte markers vermindert de effectiviteit van het immuunsysteem van de persoon bij het aanvallen van het virus, omdat de antilichamen de nieuwe variaties van de oppervlaktepatronen niet zullen herkennen.

fosfolipiden

zoals we zojuist hebben vernomen, bestaat het hoofdweefsel van het membraan uit twee lagen fosfolipidemoleculen. De hydrofiele of” water-liefhebbende ” gebieden van deze moleculen (die eruit ziet als een verzameling ballen in een kunstenaar vertolking van het model) (figuur 1) zijn in contact met de waterige vloeistof zowel binnen als buiten de cel. Aldus, zijn beide oppervlakken van het plasmamembraan hydrofiel. In tegenstelling, is het binnenland van het membraan, tussen zijn twee oppervlakken, een hydrophobic of niet-Polar gebied wegens de vetzuurstaarten. Deze regio heeft geen aantrekkingskracht op water of andere polaire moleculen (we zullen dit verder bespreken in de volgende pagina).

hydrofobe of waterhatende moleculen zijn meestal apolair. Ze interageren met andere apolaire moleculen in chemische reacties, maar over het algemeen niet met polaire moleculen. Wanneer geplaatst in water, neigen hydrophobic molecules om een bal of cluster te vormen. De hydrofiele gebieden van phospholipids neigen om waterstofbanden met water en andere polaire molecules op zowel de buitenkant als het binnenland van de cel te vormen. Aldus, zijn de membraanoppervlakken die het binnenland en de buitenkant van de cel gezicht hydrofiele. In tegenstelling, is het binnenste van het celmembraan hydrofoob en zal niet met water in wisselwerking staan. Daarom vormen fosfolipiden een uitstekend celmembraan met twee lagen dat vloeistof binnen de cel scheidt van de vloeistof buiten de cel.

Figuur 3. Deze fosfolipide molecule is samengesteld uit een hydrofiele hoofd en twee hydrophobic staarten. De hydrofiele hoofdgroep bestaat uit een fosfaathoudende groep die aan een glycerolmolecuul is bevestigd. De hydrofobe staarten, die elk een verzadigd of een onverzadigd vetzuur bevatten, zijn lange koolwaterstofketens.

een fosfolipidemolecuul (Figuur 3) bestaat uit een drie-koolstof glycerol-ruggengraat met twee vetzuurmoleculen verbonden aan koolstof 1 en 2, en een fosfaathoudende groep verbonden aan de derde koolstof.

deze opstelling geeft het totale molecuul een gebied beschreven als zijn kop (de fosfaathoudende groep), dat een polair Karakter of negatieve lading heeft, en een gebied genaamd de staart (de vetzuren), dat geen lading heeft. De kop kan waterstofbindingen vormen, maar de staart niet. Een molecuul met deze regeling van een positief of negatief geladen gebied en een ongeladen, of apolair, gebied wordt bedoeld als amfifilisch of “dual-loving.”

Dit kenmerk is van vitaal belang voor de structuur van een plasmamembraan, omdat fosfolipiden in water meestal gerangschikt raken met hun hydrofobe staarten naar elkaar toe en hun hydrofiele hoofden naar buiten. Op deze manier vormen ze een lipide bilayer—een barrière die bestaat uit een dubbele laag fosfolipiden die het water en andere materialen aan de ene kant van de barrière scheidt van het water en andere materialen aan de andere kant. In feite, fosfolipiden verwarmd in een waterige oplossing hebben de neiging om spontaan kleine bolletjes of druppels (genoemd micellen of liposomen) te vormen, met hun hydrofiele hoofden vormen de buitenkant en hun hydrofobe staarten aan de binnenkant (Figuur 4).

Figuur 4. In een waterige oplossing, hebben fosfolipiden de neiging om zich te schikken met hun polaire hoofden naar buiten gericht en hun hydrophobic staarten naar binnen gericht. (credit: wijziging van het werk van Mariana Ruiz Villareal)

Controleer uw begrip

beantwoord de vraag(en) hieronder om te zien hoe goed u de onderwerpen begrijpt die in de vorige sectie werden behandeld. Deze korte quiz telt niet mee voor je cijfer in de klas, en je kunt het opnieuw een onbeperkt aantal keer.

Gebruik deze quiz om uw begrip te controleren en te beslissen of u (1) de vorige sectie verder bestudeert of (2) naar de volgende sectie gaat.