5.1: Компоненти та структура
- Page ID
- 1686
Навички для розвитку
- Зрозумійте модель рідкої мозаїки клітинних мембран
- Опишіть функції фосфоліпідів, білків та вуглеводів у мембранах
- Обговорити плинність мембрани
Плазматична мембрана клітини визначає клітину, окреслює її межі та визначає характер її взаємодії з навколишнім середовищем (короткий зміст див. Таблицю\(\PageIndex{1}\)). Клітини виключають одні речовини, приймають інші, а виводять треті, все в контрольованих кількостях. Плазмова мембрана повинна бути дуже гнучкою, щоб дозволити певним клітинам, таким як еритроцити та лейкоцити, змінювати форму під час проходження через вузькі капіляри. Це більш очевидні функції плазматичної мембрани. Крім того, поверхня плазматичної мембрани несе маркери, які дозволяють клітинам розпізнавати один одного, що життєво важливо для формування тканин і органів під час раннього розвитку, і яке згодом відіграє певну роль у відмінності імунної відповіді «я» проти «не себе».
Серед найбільш складних функцій плазматичної мембрани - здатність передавати сигнали за допомогою складних, інтегральних білків, відомих як рецептори. Ці білки виступають як приймачами позаклітинних входів, так і активаторами внутрішньоклітинних процесів. Ці мембранні рецептори забезпечують позаклітинні місця кріплення для ефекторів, таких як гормони і фактори росту, і вони активують внутрішньоклітинний відповідь каскадів, коли їх ефектори пов'язані. Іноді рецептори викрадають віруси (ВІЛ, вірус імунодефіциту людини, є одним із прикладів), які використовують їх для отримання проникнення в клітини, а часом гени, що кодують рецептори, стають мутованими, що призводить до збою процесу передачі сигналу з плачевними наслідками.
Рідина Мозаїка Модель
Існування плазматичної мембрани було виявлено в 1890-х роках, а її хімічні компоненти були ідентифіковані в 1915 році. Основними компонентами, ідентифікованими в той час, були ліпіди і білки. Перша широко прийнята модель структури плазматичної мембрани була запропонована в 1935 році Х'ю Давсоном і Джеймсом Деніеллі; вона була заснована на «залізничній колії» появи плазматичної мембрани на ранніх електронних мікрофотографіях. Вони теоретизували, що структура плазматичної мембрани нагадує бутерброд, при цьому білок є аналогом хліба, а ліпіди - аналогом начинки. У 1950-х роках досягнення в області мікроскопії, зокрема трансмісійної електронної мікроскопії (ТЕМ), дозволили дослідникам побачити, що ядро плазматичної мембрани складалося з подвійного, а не одного шару. Нова модель, яка краще пояснює як мікроскопічні спостереження, так і функцію цієї плазматичної мембрани, була запропонована С.Дж. Сінгером та Гартом Нікольсоном у 1972 році.
Пояснення, запропоноване Сінгером та Нікольсоном, називається моделлю рідкої мозаїки. Модель дещо еволюціонувала з часом, але вона все ще найкраще враховує структуру та функції плазматичної мембрани, як ми зараз їх розуміємо. Модель мозаїки рідини описує структуру плазматичної мембрани як мозаїку компонентів, включаючи фосфоліпіди, холестерин, білки та вуглеводи - що надає мембрані рідинний характер. Плазмові мембрани варіюються від 5 до 10 нм в товщину. Для порівняння, еритроцити людини, видимі за допомогою світлової мікроскопії, мають ширину приблизно 8 мкм або приблизно в 1000 разів ширше плазматичної мембрани. Мембрана дійсно виглядає трохи схожа на сендвіч (рис.\(\PageIndex{1}\)).
Основними компонентами плазматичної мембрани є ліпіди (фосфоліпіди та холестерин), білки та вуглеводи, прикріплені до деяких ліпідів та деяких білків. Фосфоліпід - це молекула, що складається з гліцерину, двох жирних кислот і фосфатно-зв'язаної головки групи. Холестерин, ще один ліпідний, що складається з чотирьох злитих вуглецевих кілець, знаходиться поряд з фосфоліпідами в ядрі мембрани. Пропорції білків, ліпідів і вуглеводів в плазматичній мембрані змінюються в залежності від типу клітин, але для типової клітини людини на білок припадає близько 50 відсотків складу по масі, ліпіди (всіх типів) складають близько 40 відсотків складу по масі, а решта 10 відсотків склад по масі є вуглеводами. Однак концентрація білків і ліпідів змінюється в залежності від різних клітинних мембран. Наприклад, мієлін, наріст мембрани спеціалізованих клітин, що ізолює аксони периферичних нервів, містить всього 18 відсотків білка і 76 відсотків ліпідів. Внутрішня мембрана мітохондрій містить 76 відсотків білка і лише 24 відсотки ліпідів. Плазмова мембрана еритроцитів людини становить 30 відсотків ліпідів. Вуглеводи присутні тільки на зовнішній поверхні плазматичної мембрани і прикріплюються до білків, утворюючи глікопротеїни, або приєднуються до ліпідів, утворюючи гліколіпіди.
Фосфоліпіди
Основна тканина мембрани складається з амфіфільних, фосфоліпідних молекул. Гідрофільні або «водолюбні» ділянки цих молекул (які виглядають як сукупність кульок у виконанні художником моделі) (рис.\(\PageIndex{1}\)) контактують з водною рідиною як всередині, так і зовні клітини. Гідрофобні, або молекули, що ненавидять воду, мають тенденцію бути неполярними. Вони взаємодіють з іншими неполярними молекулами в хімічних реакціях, але, як правило, не взаємодіють з полярними молекулами. При розміщенні у воді гідрофобні молекули мають тенденцію утворювати кулю або скупчення. Гідрофільні області фосфоліпідів, як правило, утворюють водневі зв'язки з водою та іншими полярними молекулами як на зовнішній, так і на внутрішній частині клітини. Таким чином, мембранні поверхні, які звернені до внутрішньої і зовнішньої частини клітини, є гідрофільними. На відміну від цього, внутрішня частина клітинної мембрани гідрофобна і не буде взаємодіяти з водою. Тому фосфоліпіди утворюють відмінну двошарову клітинну мембрану, яка відокремлює рідину всередині клітини від рідини зовні клітини.
Молекула фосфоліпідів (рис.\(\PageIndex{2}\)) складається з тривуглецевого гліцеринового хребта з двома молекулами жирних кислот, прикріпленими до вуглецю 1 і 2, і фосфатсодержащей групи, приєднаної до третього вуглецю. Таке розташування надає загальній молекулі область, описану як її головка (фосфатсодержащая група), яка має полярний характер або негативний заряд, і область, яка називається хвостом (жирні кислоти), яка не має заряду. Голова може утворювати водневі зв'язки, але хвіст не може. Молекулу з таким розташуванням позитивно або негативно зарядженої області і незарядженої, або неполярної, області називають амфіфільної або «дволюблячої».
Ця характеристика є життєво важливою для структури плазматичної мембрани, оскільки у воді фосфоліпіди, як правило, влаштовуються з їх гідрофобними хвостами, зверненими один до одного, а їх гідрофільні головки звернені назовні. Таким чином, вони утворюють ліпідний бішар - бар'єр, що складається з подвійного шару фосфоліпідів, який відокремлює воду та інші матеріали з одного боку бар'єру від води та інших матеріалів з іншого боку. Насправді фосфоліпіди, нагріті у водному розчині, як правило, спонтанно утворюють невеликі сфери або краплі (звані міцелами або ліпосомами), при цьому їх гідрофільні головки утворюють зовнішність і гідрофобні хвости зсередини (рис.\(\PageIndex{3}\)).
Білки
Білки складають другий основний компонент плазматичних мембран. Інтегральні білки (деякі спеціалізовані типи називаються інтегранами), як випливає з їх назви, повністю інтегровані в мембранну структуру, а їх гідрофобні мембранно-охоплюючі області взаємодіють з гідрофобною областю фосфоліпідного бішару (рис.\(\PageIndex{1}\)). Однопрохідні інтегральні мембранні білки зазвичай мають гідрофобний трансмембранний сегмент, який складається з 20-25 амінокислот. Деякі охоплюють лише частину мембрани - асоціюючись з одним шаром, тоді як інші розтягуються з одного боку мембрани на іншу, і оголюються з обох сторін. Деякі складні білки складаються з до 12 сегментів одного білка, які широко згорнуті і вбудовані в мембрану (рис.\(\PageIndex{4}\)). Цей тип білка має гідрофільну область або області, і одну або кілька м'яко гідрофобних областей. Таке розташування областей білка має тенденцію орієнтувати білок поряд з фосфоліпідами, при цьому гідрофобна область білка прилягає до хвостів фосфоліпідів і гідрофільної області або областей білка, що виступають з мембрани і контактують з цитозолем або позаклітинна рідина.
Периферичні білки знаходяться на зовнішній і внутрішній поверхнях мембран, прикріплених або до інтегральних білків, або до фосфоліпідів. Периферичні білки, поряд з інтегральними білками, можуть служити ферментами, як структурні прикріплення для волокон цитоскелета, або як частина місць розпізнавання клітин. Їх іноді називають «клітиноспецифічними» білками. Організм розпізнає власні білки і атакує чужорідні білки, пов'язані з інвазивними патогенами
Вуглеводи
Вуглеводи є третім основним компонентом плазматичних мембран. Вони завжди знаходяться на зовнішній поверхні клітин і пов'язані або з білками (утворюючи глікопротеїни), або з ліпідами (утворюючи гліколіпіди) (рис.\(\PageIndex{1}\)). Ці вуглеводні ланцюги можуть складатися з 2-60 моносахаридних одиниць і можуть бути як прямими, так і розгалуженими. Поряд з периферичними білками вуглеводи утворюють спеціалізовані ділянки на поверхні клітин, які дозволяють клітинам розпізнавати один одного. Ці сайти мають унікальні візерунки, які дозволяють розпізнавати клітину, так само, як риси обличчя, унікальні для кожної людини, дозволяють його або її розпізнавати. Ця функція розпізнавання дуже важлива для клітин, оскільки дозволяє імунній системі диференціювати клітини організму (звані «я») та чужорідні клітини або тканини (звані «не-я»). Подібні типи глікопротеїнів і гліколіпідів знаходяться на поверхнях вірусів і можуть часто змінюватися, не даючи імунним клітинам розпізнавати і атакувати їх.
Ці вуглеводи на зовнішній поверхні клітини - вуглеводні компоненти як глікопротеїнів, так і гліколіпідів - в сукупності називаються глікокалікс (що означає «цукрове покриття»). Глікокалікс високогідрофільний і притягує велику кількість води до поверхні клітини. Це допомагає у взаємодії клітини з її водянистим середовищем і в здатності клітини отримувати речовини, розчинені у воді. Як обговорювалося вище, глікокалікс також важливий для ідентифікації клітин, самовизначення/самовизначення та ембріонального розвитку, і використовується в клітинно-клітинних прикріпленнях для формування тканин.
Еволюція зв'язку: як віруси заражають конкретні органи
Глікопротеїнові і гліколіпідні малюнки на поверхнях клітин дають багатьом вірусам можливість зараження. Віруси ВІЛ і гепатиту заражають тільки конкретні органи або клітини в організмі людини. ВІЛ здатний проникати через плазматичні мембрани підтипу лімфоцитів, званих Т-хелперними клітинами, а також деякі моноцити і клітини центральної нервової системи. Вірус гепатиту атакує клітини печінки.
Ці віруси здатні вторгнутися в ці клітини, оскільки клітини мають на своїх поверхнях місця зв'язування, специфічні для певних вірусів і сумісні з ними (рис.\(\PageIndex{5}\)). Інші місця розпізнавання на поверхні вірусу взаємодіють з імунною системою людини, спонукаючи організм виробляти антитіла. Антитіла виробляються у відповідь на антигени або білки, пов'язані з інвазивними патогенами, або у відповідь на чужорідні клітини, такі як може виникнути при трансплантації органів. Ці ж ділянки служать місцями для приєднання антитіл і або знищують, або пригнічують активність вірусу. На жаль, ці сайти розпізнавання на ВІЛ змінюються швидкими темпами через мутації, що робить виробництво ефективної вакцини проти вірусу дуже складним, оскільки вірус розвивається та адаптується. Людина, заражена ВІЛ, швидко розвине різні популяції або варіанти вірусу, які відрізняються відмінностями в цих місцях розпізнавання. Ця швидка зміна поверхневих маркерів знижує ефективність імунної системи людини в атаці вірусу, оскільки антитіла не розпізнають нових варіацій поверхневих візерунків. У випадку з ВІЛ проблема ускладнюється тим, що вірус специфічно заражає і знищує клітини, що беруть участь в імунній відповіді, ще більше виводячи з ладу господаря.
Плинність мембрани
Мозаїчна характеристика мембрани, описана в моделі рідкої мозаїки, допомагає проілюструвати її природу. Інтегральні білки і ліпіди існують в мембрані як окремі, але нещільно прикріплені молекули. Вони нагадують окремі, різнокольорові плитки мозаїчного малюнка, і вони пливуть, кілька рухаючись відносно один одного. Однак мембрана не схожа на повітряну кулю, яка може розширюватися і скорочуватися; скоріше, вона досить жорстка і може лопнути, якщо проникнути або якщо клітина забирає занадто багато води. Однак через свою мозаїчну природу дуже тонка голка може легко проникнути в плазмову мембрану, не викликаючи її розриву, і мембрана буде текти і самоущільнюватися, коли голка витягується.
Мозаїчні характеристики мембрани пояснюють деяку, але не всю її плинність. Є ще два фактори, які допомагають підтримувати цю характеристику рідини. Одним з факторів є природа самих фосфоліпідів. У насиченому вигляді жирні кислоти в фосфоліпідних хвостах насичені пов'язаними атомами водню. Подвійних зв'язків між сусідніми атомами вуглецю немає. Це призводить до того, що хвости є відносно прямими. На відміну від цього, ненасичені жирні кислоти не містять максимальної кількості атомів водню, але вони містять деякі подвійні зв'язки між сусідніми атомами вуглецю; подвійний зв'язок призводить до вигину в рядку вуглеців приблизно 30 градусів (рис.\(\PageIndex{2}\)).
Таким чином, якщо насичені жирні кислоти, своїми прямими хвостами, стискаються при зниженні температур, вони тиснуть один на одного, роблячи щільну і досить жорстку мембрану. Якщо ненасичені жирні кислоти стискаються, то «перегини» в їх хвостах лікті сусідні молекули фосфоліпідів подалі, зберігаючи деякий простір між молекулами фосфоліпідів. Ця «ліктьова кімната» допомагає підтримувати плинність в мембрані при температурах, при яких мембрани з хвостами насичених жирних кислот в їх фосфоліпідах «замерзають» або тверднуть. Відносна плинність мембрани особливо важлива в холодному середовищі. Холодне середовище має тенденцію стискати мембрани, що складаються в основному з насичених жирних кислот, роблячи їх менш текучими і більш сприйнятливими до розриву. Багато організмів (рибки - один із прикладів) здатні адаптуватися до холодних середовищ, змінюючи частку ненасичених жирних кислот в своїх мембранах у відповідь на зниження температури.
Посилання на навчання
Відвідайте цей сайт, щоб побачити анімацію плинності та якості мозаїки мембран.
Тварини мають додаткову мембранну складову, яка допомагає підтримувати плинність. Холестерин, який лежить поряд з фосфоліпідами в мембрані, має тенденцію приглушити вплив температури на мембрану. Таким чином, цей ліпідний функціонує як буфер, запобігаючи нижчим температурам гальмувати плинність і запобігаючи підвищенню температури занадто сильно збільшувати плинність. Таким чином, холестерин розширює в обох напрямках діапазон температур, при якому мембрана є відповідним чином рідкою і, отже, функціональною. Холестерин виконує і інші функції, такі як організація скупчень трансмембранних білків в ліпідні плоти.
| Компонент | Розташування |
|---|---|
| Фосфоліпідний | Основна тканина мембрани |
| Холестерин | Приєднаний між фосфоліпідами і між двома фосфоліпідними шарами |
| Інтегральні білки (наприклад, інтегіни) | Вбудований в фосфоліпідний шар (и). Може проникати або не проникати через обидва шари |
| периферичні білки | На внутрішній або зовнішній поверхні фосфоліпідного бішару; не вбудовані в фосфоліпіди |
| Вуглеводи (компоненти глікопротеїнів і гліколіпідів) | Зазвичай прикріплюється до білків на зовнішньому мембранному шарі |
Кар'єра зв'язку: імунолог
Варіації периферичних білків і вуглеводів, які впливають на місця розпізнавання клітин, представляють головний інтерес в імунології. Ці зміни враховуються при розробці вакцин. Багато інфекційні захворювання, такі як віспа, поліомієліт, дифтерія, правець, були завойовані застосуванням вакцин.
Імунологи - це лікарі та вчені, які досліджують та розробляють вакцини, а також лікують та вивчають алергію чи інші імунні проблеми. Деякі імунологи вивчають та лікують аутоімунні проблеми (захворювання, при яких імунна система людини атакує власні клітини або тканини, такі як вовчак) та імунодефіцити, будь то придбані (наприклад, синдром набутого імунодефіциту або СНІД) або спадкові (наприклад, важкий комбінований імунодефіцит або SCID ). Імунологи закликають допомогти лікувати пацієнтів з трансплантацією органів, у яких повинна бути придушена імунна система, щоб їх тіло не відкидало пересаджений орган. Деякі імунологи працюють над тим, щоб зрозуміти природний імунітет і вплив навколишнього середовища людини на нього. Інші працюють над питаннями про те, як імунна система впливає на такі захворювання, як рак. У минулому важливість наявності здорової імунної системи для запобігання раку взагалі не була зрозуміла.
Для роботи імунологом необхідний кандидат медичних наук або доктор медичних наук. Крім того, імунологи проводять не менше 2-3 років навчання за акредитованою програмою і повинні здати іспит, даний Американською радою з алергії та імунології. Імунологи повинні володіти знаннями про функції людського організму, оскільки вони стосуються питань, що виходять за межі імунізації, та знання фармакології та медичних технологій, таких як ліки, терапія, матеріали для випробувань та хірургічні процедури.
Резюме
Сучасне розуміння плазматичної мембрани називають моделлю рідкої мозаїки. Плазмова мембрана складається з бішару фосфоліпідів, причому їх гідрофобні хвости жирних кислот контактують один з одним. Ландшафт мембрани усипаний білками, деякі з яких охоплюють мембрану. Деякі з цих білків служать для транспортування матеріалів всередину або з клітини. Вуглеводи прикріплюються до деяких білків і ліпідів на зверненій назовні поверхні мембрани, утворюючи комплекси, які функціонують для ідентифікації клітини з іншими клітинами. Рідинна природа мембрани обумовлена температурою, конфігурацією хвостів жирних кислот (деякі перегинаються подвійними зв'язками), наявністю холестерину, вбудованого в мембрану, і мозаїчною природою білків і білково-вуглеводних комбінацій, які не міцно закріплені на місці. Плазмові мембрани укладають і визначають межі клітин, але замість того, щоб бути статичним мішком, вони динамічні і постійно перебувають у потоці.
Глосарій
- амфіфільний
- молекула, що володіє полярною або зарядженою областю і неполярною або незарядженою областю, здатною взаємодіяти як з гідрофільними, так і з гідрофобними середовищами
- модель рідкої мозаїки
- описує структуру плазматичної мембрани як мозаїку компонентів, включаючи фосфоліпіди, холестерин, білки, глікопротеїни та гліколіпіди (ланцюги цукру, прикріплені до білків або ліпідів відповідно), що призводить до текучого характеру (плинності)
- гліколіпідний
- поєднання вуглеводів і ліпідів
- глікопротеїн
- поєднання вуглеводів і білків
- гідрофільний
- молекула зі здатністю зв'язуватися з водою; «водолюбна»
- гідрофобних
- молекула, яка не має здатності зв'язуватися з водою; «ненависть до води»
- інтегральний білок
- білок, інтегрований в мембранну структуру, який активно взаємодіє з вуглеводневими ланцюгами мембранних ліпідів і часто охоплює мембрану; ці білки можуть бути видалені тільки порушенням мембрани миючими засобами
- периферичний білок
- білок знаходиться на поверхні плазматичної мембрани або на її зовнішній або внутрішній стороні; ці білки можуть бути видалені (змиваються з мембрани) високосольовим промиванням
