Biologia dla kierunków i

opis struktury i funkcji błon, zwłaszcza dwuwarstwy fosfolipidowej

w wyniku tego dowiemy się o strukturze błon.

struktura błony komórkowej

błona plazmatyczna komórki określa granicę komórki i określa charakter jej kontaktu z otoczeniem. Komórki wykluczają niektóre substancje, przyjmują inne i wydalają jeszcze inne, wszystkie w kontrolowanych ilościach. Błony plazmatyczne otaczają granice komórek, ale zamiast być workiem statycznym, są dynamiczne i stale się zmieniają. Błona osocza musi być wystarczająco elastyczna, aby umożliwić niektórym komórkom, takim jak krwinki czerwone i krwinki białe, zmianę kształtu w miarę przechodzenia przez wąskie naczynia włosowate. Są to bardziej oczywiste funkcje błony plazmatycznej. Ponadto powierzchnia błony plazmatycznej zawiera markery, które umożliwiają komórkom wzajemne rozpoznawanie się, co jest istotne, ponieważ tkanki i narządy tworzą się podczas wczesnego rozwoju, a które później odgrywają rolę w rozróżnieniu „ja” w porównaniu z „nie-ja” odpowiedzi immunologicznej.

błona osocza przenosi również receptory, które są miejscami przyłączania określonych substancji, które oddziałują z komórką. Każdy receptor jest skonstruowany tak, aby wiązać się z określoną substancją. Na przykład receptory powierzchniowe błony tworzą zmiany we wnętrzu, takie jak zmiany w enzymach szlaków metabolicznych. Te szlaki metaboliczne mogą być niezbędne do dostarczania komórce energii, wytwarzania określonych substancji dla komórki lub rozkładania odpadów komórkowych lub toksyn w celu usunięcia. Receptory na zewnętrznej powierzchni błony plazmatycznej oddziałują z hormonami lub neuroprzekaźnikami i umożliwiają przekazywanie ich Wiadomości do komórki. Niektóre miejsca rozpoznawania są używane przez wirusy jako punkty mocowania. Chociaż są one bardzo specyficzne, patogeny, takie jak wirusy, mogą ewoluować w celu wykorzystania receptorów, aby uzyskać wejście do komórki, naśladując specyficzną substancję, którą receptor ma wiązać. Swoistość ta pomaga wyjaśnić, dlaczego ludzki wirus niedoboru odporności (HIV) lub którykolwiek z pięciu typów wirusów zapalenia wątroby atakują tylko określone komórki.

Fluid Mosaic Model

w 1972 roku S. J. Singer i Garth L. Nicolson zaproponowali nowy model błony plazmowej, który w porównaniu do wcześniejszego zrozumienia lepiej wyjaśniał zarówno obserwacje mikroskopowe, jak i funkcję błony plazmowej. Był to tzw. model mozaiki płynnej. Model ewoluował nieco w czasie, ale nadal najlepiej odpowiada za strukturę i funkcje błony plazmowej, jak je teraz rozumiemy. Model mozaiki płynów opisuje strukturę błony plazmatycznej jako mozaikę składników-w tym fosfolipidów, cholesterolu, białek i węglowodanów—w których składniki są w stanie przepływać i zmieniać pozycję, zachowując podstawową integralność błony. Zarówno cząsteczki fosfolipidu, jak i wbudowane białka są zdolne do szybkiego i bocznego dyfuzji w błonie (ryc. 1). Płynność błony plazmatycznej jest niezbędna do aktywności niektórych enzymów i cząsteczek transportowych w błonie. Błony plazmatyczne mają grubość od 5 do 10 nm. Dla porównania, ludzkie czerwone krwinki, widoczne za pomocą mikroskopii świetlnej, mają grubość około 8 µm, czyli około 1000 razy grubszą niż błona plazmatyczna.

Rysunek 1. Model mozaiki płynnej struktury błony plazmatycznej opisuje błonę plazmatyczną jako płynną kombinację fosfolipidów, cholesterolu, białek i węglowodanów.

błona osocza składa się głównie z dwuwarstwy fosfolipidów z wbudowanymi białkami, węglowodanami, glikolipidami i glikoproteinami, a w komórkach zwierzęcych-cholesterolem. Ilość cholesterolu w błonach osocza zwierzęcego reguluje płynność błony i zmienia się w zależności od temperatury otoczenia komórki. Innymi słowy, cholesterol działa jako środek przeciw zamarzaniu w błonie komórkowej i jest bardziej obfity u zwierząt, które żyją w zimnym klimacie.

główna tkanina membrany składa się z dwóch warstw cząsteczek fosfolipidu, a biegunowe końce tych cząsteczek (które wyglądają jak kolekcja kulek w artystycznym wykonaniu modelu) (ryc. 1) mają kontakt z wodnym płynem zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz komórki. Tak więc obie powierzchnie błony plazmatycznej są hydrofilowe („wodne”). Natomiast wnętrze membrany, pomiędzy jej dwiema powierzchniami, jest obszarem hydrofobowym („hydrofobowym”) lub niepolarnym ze względu na ogony kwasów tłuszczowych. Ten region nie ma atrakcyjności dla wody ani innych cząsteczek polarnych (omówimy to dalej na następnej stronie).

białka stanowią drugi główny składnik chemiczny błon osocza. Integralne białka są wbudowane w błonę plazmatyczną i mogą obejmować całość lub część błony. Integralne białka mogą służyć jako kanały lub pompy do przenoszenia materiałów do lub z komórki. Białka obwodowe znajdują się na zewnętrznych lub wewnętrznych powierzchniach błon, przyłączonych do białek integralnych lub do cząsteczek fosfolipidów. Zarówno białka integralne, jak i obwodowe mogą służyć jako enzymy, jako strukturalne załączniki włókien cytoszkieletu lub jako część miejsc rozpoznawania komórki.

węglowodany są trzecim głównym składnikiem błon osoczowych. Występują one zawsze na zewnętrznej powierzchni komórek i wiążą się albo z białkami (tworząc glikoproteiny), albo z lipidami (tworząc glikolipidy). Te łańcuchy węglowodanowe mogą składać się z 2-60 jednostek monosacharydowych i mogą być proste lub rozgałęzione. Wraz z białkami obwodowymi węglowodany tworzą wyspecjalizowane miejsca na powierzchni komórki, które umożliwiają komórkom wzajemne rozpoznawanie się.

jak wirusy infekują określone narządy

Rysunek 2. HIV dokuje i wiąże się z receptorem CD4, glikoproteiną na powierzchni komórek T, przed wejściem lub zakażeniem komórki. (kredyt: modyfikacja pracy przez Narodowy Instytut Zdrowia/Narodowy Instytut alergii i Chorób Zakaźnych)

specyficzne cząsteczki glikoprotein wyeksponowane na powierzchni błon komórkowych komórek gospodarza są wykorzystywane przez wiele wirusów do infekcji określonych narządów. Na przykład HIV jest w stanie przenikać przez błony plazmatyczne określonych rodzajów białych krwinek zwanych komórkami pomocniczymi T i monocytami, a także niektórych komórek ośrodkowego układu nerwowego. Wirus zapalenia wątroby atakuje tylko komórki wątroby.

wirusy te są w stanie atakować te komórki, ponieważ komórki mają miejsca wiązania na ich powierzchniach, które wirusy wykorzystały z równie specyficznymi glikoproteinami w swoich płaszczach. (Rys. 2). Komórka jest oszukana przez mimikrę cząsteczek płaszcza wirusa i wirus jest w stanie wejść do komórki. Inne miejsca rozpoznawania na powierzchni wirusa oddziałują z ludzkim układem odpornościowym, co skłania organizm do wytwarzania przeciwciał. Przeciwciała są wytwarzane w odpowiedzi na antygeny (lub białka związane z inwazyjnymi patogenami). Te same miejsca służą jako miejsca, w których przeciwciała mogą się przyłączać i albo niszczyć, albo hamować aktywność wirusa. Niestety, te miejsca na HIV są kodowane przez geny, które szybko się zmieniają, co bardzo utrudnia produkcję skutecznej szczepionki przeciwko wirusowi. Populacja wirusa wewnątrz zakażonego osobnika szybko ewoluuje poprzez mutację w różne populacje lub warianty, różniące się różnicami w tych miejscach rozpoznawania. Ta szybka zmiana wirusowych markerów powierzchniowych zmniejsza skuteczność układu odpornościowego człowieka w atakowaniu wirusa, ponieważ przeciwciała nie rozpoznają nowych odmian wzorców powierzchniowych.

fosfolipidy

jak właśnie się dowiedzieliśmy, główna tkanina membrany składa się z dwóch warstw cząsteczek fosfolipidów. Hydrofilowe lub” kochające wodę ” obszary tych cząsteczek (które wyglądają jak kolekcja kulek w artystycznym wykonaniu modelu) (ryc. 1) mają kontakt z wodnym płynem zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz komórki. Tak więc obie powierzchnie błony plazmatycznej są hydrofilowe. Natomiast wnętrze membrany, pomiędzy jej dwiema powierzchniami, jest obszarem hydrofobowym lub niepolarnym ze względu na ogony kwasów tłuszczowych. Ten region nie ma atrakcyjności dla wody ani innych cząsteczek polarnych (omówimy to dalej na następnej stronie).

hydrofobowe lub nienawidzące wody cząsteczki są zwykle niepolarne. Oddziałują one z innymi cząsteczkami niepolarnymi w reakcjach chemicznych, ale na ogół nie oddziałują z cząsteczkami polarnymi. Po umieszczeniu w wodzie cząsteczki hydrofobowe mają tendencję do tworzenia kuli lub klastra. Hydrofilowe regiony fosfolipidów mają tendencję do tworzenia wiązań wodorowych z wodą i innymi cząsteczkami polarnymi zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz komórki. Tak więc, powierzchnie membranowe, które skierowane są do wnętrza i na zewnątrz komórki, są hydrofilowe. Natomiast wnętrze błony komórkowej jest hydrofobowe i nie wchodzi w interakcje z wodą. Dlatego fosfolipidy tworzą doskonałą dwuwarstwową błonę komórkową, która oddziela płyn w komórce od płynu na zewnątrz komórki.

Rysunek 3. Ta cząsteczka fosfolipidu składa się z hydrofilowej głowy i dwóch hydrofobowych ogonów. Hydrofilowa Grupa głowicy składa się z grupy zawierającej fosforan przyłączonej do cząsteczki glicerolu. Hydrofobowe ogony, z których każdy zawiera nasycony lub nienasycony kwas tłuszczowy, są długimi łańcuchami węglowodorowymi.

cząsteczka fosfolipidu (Fig.

układ ten daje całej cząsteczce obszar opisany jako jej głowa (grupa zawierająca fosforany), który ma charakter polarny lub ładunek ujemny, oraz obszar zwany ogonem (kwasy tłuszczowe), który nie ma ładunku. Głowa może tworzyć wiązania wodorowe, ale ogon nie może. Cząsteczka o takim układzie dodatnio lub ujemnie naładowanego obszaru i niezaładowanego lub niepolarnego obszaru jest określana jako amfifilowa lub ” dwubiegunowa.”

ta cecha jest kluczowa dla struktury błony plazmatycznej, ponieważ w wodzie fosfolipidy mają tendencję do układania się z hydrofobowymi ogonami skierowanymi do siebie, a hydrofilowymi głowami skierowanymi na zewnątrz. W ten sposób tworzą one dwuwarstwę lipidową—barierę złożoną z podwójnej warstwy fosfolipidów, która oddziela wodę i inne materiały po jednej stronie bariery od wody i innych materiałów po drugiej stronie. W rzeczywistości fosfolipidy ogrzewane w roztworze wodnym mają tendencję do samoistnego tworzenia małych kulek lub kropelek (zwanych micelami lub liposomami), z hydrofilowymi główkami tworzącymi Na zewnątrz, a hydrofobowymi ogonami wewnątrz (ryc. 4).

Rysunek 4. W roztworze wodnym fosfolipidy mają tendencję do układania się z głowami polarnymi skierowanymi na zewnątrz, a ogonami hydrofobowymi skierowanymi do wewnątrz. (kredyt: modyfikacja pracy Mariana Ruiz Villareal)

Sprawdź swoje zrozumienie

Odpowiedz na poniższe pytania, aby zobaczyć, jak dobrze rozumiesz tematy omówione w poprzedniej sekcji. Ten krótki quiz nie liczy się do twojej oceny w klasie i możesz go powtórzyć nieograniczoną liczbę razy.

Użyj tego quizu, aby sprawdzić swoje zrozumienie i zdecydować ,czy (1) przestudiować poprzednią sekcję dalej, Czy (2) przejść do następnej sekcji.