Buněčná membrána – stavební prvek buňky, chránící ji před vnějším prostředím. S jeho pomocí interaguje s mezibuněčným prostorem a je součástí biologického systému. Jeho membrána má speciální strukturu sestávající z lipidové dvojvrstvy, integrálních a semiintegrálních proteinů. Posledně jmenované jsou velké molekuly, které plní různé funkce. Nejčastěji se podílejí na transportu speciálních látek, jejichž koncentrace na různých stranách membrány je pečlivě regulována.
Obecný plán struktury buněčné membrány
Plazmatická membrána je sbírka molekul tuků a komplexních bílkovin. Jeho fosfolipidy se svými hydrofilními zbytky jsou umístěny na opačných stranách membrány a tvoří lipidovou dvojvrstvu. Ale jejich hydrofobní oblasti, sestávající ze zbytků mastných kyselin, jsou obráceny dovnitř. To vám umožní vytvořit tekutou strukturu tekutých krystalů, která může neustále měnit tvar a je v dynamické rovnováze.
Tato vlastnost struktury umožňuje omezit buňku z mezibuněčného prostoru, protože membrána je normálně nepropustná pro vodu a všechny látky v ní rozpuštěné. Některé komplexní integrální proteiny, semiintegrální a povrchové molekuly jsou ponořeny do tloušťky membrány. Prostřednictvím nich buňka interaguje s vnějším světem, udržuje homeostázu a tvoří integrální biologické tkáně.
Proteiny plazmatické membrány
Všechny proteinové molekuly, které se nacházejí na povrchu nebo v tloušťce plazmatické membrány, se dělí na typy v závislosti na hloubce jejich výskytu. Existují integrální proteiny pronikající do lipidové dvojvrstvy, semiintegrální proteiny, které pocházejí z hydrofilní oblasti membrány a jdou ven, a také povrchové proteiny umístěné na vnější oblasti membrány. Integrální proteinové molekuly speciálním způsobem prostupují plazmalemou a mohou být napojeny na receptorový aparát. Mnohé z těchto molekul prostupují celou membránou a nazývají se transmembránové. Zbytek je ukotven v hydrofobní části membrány a vystupuje na vnitřní nebo vnější povrch.
Buňkové iontové kanály
Iontové kanály nejčastěji fungují jako integrální komplexní proteiny. Tyto struktury jsou zodpovědné za aktivní transport určitých látek do buňky nebo z buňky. Skládají se z několika proteinových podjednotek a aktivního místa. Při vystavení specifickému ligandu na aktivním centru, reprezentovaném specifickou sadouaminokyselin, dochází ke změně konformace iontového kanálu. Takový proces vám umožňuje otevřít nebo zavřít kanál, a tím zahájit nebo zastavit aktivní transport látek.
Některé iontové kanály jsou většinu času otevřené, ale když je přijat signál z receptorového proteinu nebo když je připojen specifický ligand, mohou se uzavřít a zastavit iontový proud. Tento princip činnosti se scvrkává na skutečnost, že dokud není přijat receptor nebo humorální signál k zastavení aktivního transportu určité látky, bude se provádět. Jakmile je signál přijat, přeprava by měla být zastavena.
Většina integrálních proteinů, které fungují jako iontové kanály, inhibují transport, dokud se k aktivnímu místu nepřipojí specifický ligand. Poté bude aktivován transport iontů, což umožní dobití membrány. Tento algoritmus činnosti iontových kanálů je typický pro buňky excitabilních lidských tkání.
Typy zabudovaných proteinů
Všechny membránové proteiny (integrální, semiintegrální a povrchové) plní důležité funkce. Právě kvůli jejich zvláštní roli v životě buňky mají určitý typ integrace do fosfolipidové membrány. Některé proteiny, častěji se jedná o iontové kanály, musí zcela potlačit plazmalemu, aby mohly realizovat své funkce. Pak se jim říká polytopické, tedy transmembránové. Jiné jsou lokalizovány svým kotvícím místem v hydrofobním místě fosfolipidové dvojvrstvy a aktivní místo zasahuje pouze do vnitřní nebo pouze do vnějšípovrchu buněčné membrány. Pak se nazývají monotopní. Častěji jsou to receptorové molekuly, které přijímají signál z povrchu membrány a předávají jej speciálnímu „prostředníkovi“.
Obnova integrálních proteinů
Všechny integrální molekuly zcela pronikají do hydrofobní oblasti a jsou v ní fixovány tak, že jejich pohyb je umožněn pouze podél membrány. Vnikání proteinu do buňky, stejně jako spontánní oddělení molekuly proteinu od cytolematu, je však nemožné. Existuje varianta, kdy integrální proteiny membrány vstupují do cytoplazmy. Je spojena s pinocytózou nebo fagocytózou, to znamená, když buňka zachytí pevnou látku nebo kapalinu a obklopí ji membránou. Poté je vtažen dovnitř spolu s proteiny, které jsou v něm vložené.
Toto samozřejmě není nejúčinnější způsob výměny energie v buňce, protože všechny proteiny, které dříve sloužily jako receptory nebo iontové kanály, budou tráveny lysozomem. To bude vyžadovat jejich novou syntézu, na kterou bude vynaložena značná část energetických zásob makroergů. Při „vytěžování“molekul však často dochází k poškození iontových kanálů nebo receptorů, a to až k oddělení částí molekuly. To také vyžaduje jejich resyntézu. Fagocytóza, i když k ní dochází při štěpení vlastních receptorových molekul, je proto také způsobem jejich neustálé obnovy.
Hydrofobní interakce integrálních proteinů
Jak to byloJak je popsáno výše, integrální membránové proteiny jsou komplexní molekuly, které se zdají být uvízlé v cytoplazmatické membráně. Zároveň v něm mohou volně plavat, pohybovat se podél plazmalemy, ale nemohou se od něj odtrhnout a vstoupit do mezibuněčného prostoru. To je realizováno díky zvláštnostem hydrofobní interakce integrálních proteinů s membránovými fosfolipidy.
Aktivní centra integrálních proteinů se nacházejí buď na vnitřním nebo vnějším povrchu lipidové dvojvrstvy. A ten fragment makromolekuly, který je zodpovědný za těsnou fixaci, se vždy nachází mezi hydrofobními oblastmi fosfolipidů. Díky interakci s nimi zůstávají všechny transmembránové proteiny vždy v tloušťce buněčné membrány.
Funkce integrálních makromolekul
Jakýkoli integrální membránový protein má kotevní místo umístěné mezi hydrofobními zbytky fosfolipidů a aktivní centrum. Některé molekuly mají pouze jedno aktivní centrum a jsou umístěny na vnitřním nebo vnějším povrchu membrány. Existují také molekuly s více aktivními místy. To vše závisí na funkcích, které plní integrální a periferní proteiny. Jejich první funkcí je aktivní transport.
Makromolekuly bílkovin, které jsou zodpovědné za průchod iontů, se skládají z několika podjednotek a regulují iontový proud. Plazmatická membrána normálně nemůže propouštět hydratované ionty, protože se jedná o lipid. Přítomnost iontových kanálů, které jsou integrálními proteiny, umožňuje iontům proniknout do cytoplazmy a dobít buněčnou membránu. Toto je hlavní mechanismus pro výskyt membránového potenciálu buněk excitabilní tkáně.
Receptorové molekuly
Druhou funkcí integrálních molekul je funkce receptoru. Jedna lipidová dvojvrstva membrány plní ochrannou funkci a zcela omezuje buňku od vnějšího prostředí. Díky přítomnosti receptorových molekul, které jsou reprezentovány integrálními proteiny, však buňka může přijímat signály z okolí a interagovat s ním. Příkladem je kardiomyocytový adrenální receptor, buněčný adhezní protein, inzulínový receptor. Konkrétním příkladem receptorového proteinu je bakteriorhodopsin, speciální membránový protein nalezený v některých bakteriích, který jim umožňuje reagovat na světlo.
Proteiny mezibuněčné interakce
Třetí skupinou funkcí integrálních proteinů je realizace mezibuněčných kontaktů. Díky nim se může jedna buňka spojit s druhou a vytvořit tak řetězec přenosu informací. Podle tohoto mechanismu fungují nexusy – mezerové spoje mezi kardiomyocyty, přes které se přenáší srdeční rytmus. Stejný princip fungování je pozorován u synapsí, kterými se přenáší impuls v nervových tkáních.
Prostřednictvím integrálních proteinů mohou buňky vytvářet také mechanické spojení, které je důležité při tvorbě integrální biologické tkáně. Integrální proteiny také mohou hrát roli membránových enzymů a podílet se na přenosu energie, včetně nervových vzruchů.
