V roce 1972 byla předložena teorie, že částečně propustná membrána obklopuje buňku a plní řadu životně důležitých úkolů a struktura a funkce buněčných membrán jsou významnými problémy týkajícími se správného fungování všech buněk v těle.. Buněčná teorie se rozšířila v 17. století spolu s vynálezem mikroskopu. Bylo známo, že rostlinné a živočišné tkáně se skládají z buněk, ale kvůli nízkému rozlišení zařízení nebylo možné vidět žádné bariéry kolem živočišné buňky. Ve 20. století byla chemická podstata membrány studována podrobněji, bylo zjištěno, že jejím základem jsou lipidy.
Struktura a funkce buněčných membrán
Buněčná membrána obklopuje cytoplazmu živých buněk a fyzicky odděluje intracelulární složky od vnějšího prostředí. Houby, bakterie a rostliny mají také buněčné stěny, které poskytují ochranu a zabraňují průchodu velkých molekul. Svou roli hrají i buněčné membrányvytvoření cytoskeletu a připojení k extracelulární matrici jiných životně důležitých částic. To je nezbytné, aby je držely pohromadě a tvořily tkáně a orgány těla. Strukturní znaky buněčné membrány zahrnují permeabilitu. Hlavní funkcí je ochrana. Membránu tvoří fosfolipidová vrstva se zabudovanými proteiny. Tato část se podílí na procesech, jako je adheze buněk, vedení iontů a signalizační systémy a slouží jako připojovací povrch pro několik extracelulárních struktur, včetně stěny, glykokalyxu a vnitřního cytoskeletu. Membrána také udržuje potenciál buňky tím, že působí jako selektivní filtr. Je selektivně propustný pro ionty a organické molekuly a řídí pohyb částic.
Biologické mechanismy zahrnující buněčnou membránu
1. Pasivní difúze: Některé látky (malé molekuly, ionty), např. oxid uhličitý (CO2) a kyslík (O2), mohou difundovat plazmatickou membránou. Skořápka funguje jako bariéra pro určité molekuly a ionty, které mohou být koncentrovány na obou stranách.
2. Transmembránový kanál a transportní protein: Živiny, jako je glukóza nebo aminokyseliny, musí vstoupit do buňky a některé metabolické produkty musí odejít.
3. Endocytóza je proces, při kterém dochází k vychytávání molekul. V plazmatické membráně vzniká mírná deformace (invaginace), při které dochází ke spolknutí transportované látky. To vyžadujeenergie a je tedy formou aktivního transportu.
4. Exocytóza: dochází v různých buňkách k odstranění nestrávených zbytků látek, které přinesla endocytóza, aby se vylučovaly látky, jako jsou hormony a enzymy, a látka byla zcela transportována přes buněčnou bariéru.
Molekulární struktura
Buněčná membrána je biologická membrána, skládající se převážně z fosfolipidů a oddělující obsah celé buňky od vnějšího prostředí. Proces tvorby probíhá za normálních podmínek spontánně. Abychom tomuto procesu porozuměli a správně popsali strukturu a funkce buněčných membrán, ale i vlastnosti, je nutné posoudit povahu fosfolipidových struktur, které se vyznačují strukturní polarizací. Když fosfolipidy ve vodním prostředí cytoplazmy dosáhnou kritické koncentrace, spojí se do micel, které jsou ve vodním prostředí stabilnější.
Vlastnosti membrány
- Stabilita. To znamená, že po vytvoření membrány je nepravděpodobné, že by se zhroutila.
- Síla. Lipidová membrána je dostatečně spolehlivá, aby zabránila průchodu polární látky, vytvořenou hranicí nemohou projít jak rozpuštěné látky (ionty, glukóza, aminokyseliny), tak mnohem větší molekuly (proteiny).
- Dynamický charakter. To je možná nejdůležitější vlastnost při zvažování struktury buňky. Buněčná membrána můžepodléhají různým deformacím, lze je skládat a ohýbat bez zhroucení. Za zvláštních okolností, jako je splynutí váčků nebo pučení, se může rozbít, ale pouze dočasně. Při pokojové teplotě jsou jeho lipidové složky v neustálém chaotickém pohybu a tvoří stabilní hranici tekutiny.
Model tekuté mozaiky
Když už mluvíme o struktuře a funkcích buněčných membrán, je důležité poznamenat, že v moderním pojetí byla membrána jako model tekuté mozaiky považována v roce 1972 vědci Singerem a Nicholsonem. Jejich teorie odráží tři hlavní rysy membránové struktury. Integrální membránové proteiny poskytují mozaikový templát pro membránu a jsou schopny laterálního pohybu v rovině díky variabilní povaze organizace lipidů. Transmembránové proteiny jsou také potenciálně mobilní. Důležitou vlastností membránové struktury je její asymetrie. Jaká je struktura buňky? Buněčná membrána, jádro, proteiny a tak dále. Buňka je základní jednotkou života a všechny organismy se skládají z jedné nebo více buněk, z nichž každá má přirozenou bariéru, která ji odděluje od jejího prostředí. Tento vnější okraj buňky se také nazývá plazmatická membrána. Skládá se ze čtyř různých typů molekul: fosfolipidů, cholesterolu, bílkovin a sacharidů. Model tekuté mozaiky popisuje strukturu buněčné membrány následovně: pružná a elastická, konzistencí podobná rostlinnému oleji, takže všejednotlivé molekuly jednoduše plavou v kapalném médiu a všechny se mohou v tomto obalu pohybovat do stran. Mozaika je něco, co obsahuje mnoho různých detailů. V plazmatické membráně je reprezentován fosfolipidy, molekulami cholesterolu, proteiny a sacharidy.
Fosfolipidy
Fosfolipidy tvoří základní strukturu buněčné membrány. Tyto molekuly mají dva odlišné konce: hlavu a ocas. Headend obsahuje fosfátovou skupinu a je hydrofilní. To znamená, že je přitahován molekulami vody. Ocas se skládá z atomů vodíku a uhlíku nazývaných řetězce mastných kyselin. Tyto řetězce jsou hydrofobní, nerady se mísí s molekulami vody. Tento proces je podobný tomu, co se stane, když nalijete rostlinný olej do vody, to znamená, že se v ní nerozpustí. Strukturní rysy buněčné membrány jsou spojeny s tzv. lipidovou dvojvrstvou, která se skládá z fosfolipidů. Hydrofilní fosfátové hlavice jsou vždy umístěny tam, kde je voda ve formě intracelulární a extracelulární tekutiny. Hydrofobní ocasy fosfolipidů v membráně jsou organizovány tak, že je chrání před vodou.
Cholesterol, bílkoviny a sacharidy
Když lidé slyší slovo „cholesterol“, lidé si obvykle myslí, že je to špatné. Cholesterol je však ve skutečnosti velmi důležitou součástí buněčných membrán. Jeho molekuly se skládají ze čtyř kruhů atomů vodíku a uhlíku. Jsou hydrofobní a vyskytují se mezi hydrofobními konci v lipidové dvojvrstvě. Jejich význam spočívá vudržují konzistenci, zpevňují membrány a zabraňují křížení. Molekuly cholesterolu také zabraňují kontaktu fosfolipidových ocasů a jejich ztvrdnutí. To zaručuje plynulost a pružnost. Membránové proteiny fungují jako enzymy pro urychlení chemických reakcí, fungují jako receptory pro specifické molekuly nebo transportují látky přes buněčnou membránu.
Sacharidy neboli sacharidy se nacházejí pouze na extracelulární straně buněčné membrány. Společně tvoří glykokalyx. Poskytuje odpružení a ochranu plazmatické membrány. Na základě struktury a typu sacharidů v glykokalyxu může tělo rozpoznat buňky a určit, zda by tam měly být nebo ne.
Membránové proteiny
Strukturu buněčné membrány živočišné buňky si nelze představit bez tak významné složky, jako je bílkovina. Navzdory tomu mohou být ve velikosti výrazně horší než další důležitá složka - lipidy. Existují tři hlavní membránové proteiny.
- Integrální. Zcela pokrývají dvojvrstvu, cytoplazmu a extracelulární prostředí. Provádějí transportní a signalizační funkci.
- Periferní. Proteiny jsou připojeny k membráně elektrostatickými nebo vodíkovými vazbami na jejich cytoplazmatickém nebo extracelulárním povrchu. Jsou zapojeny především jako prostředek pro připojení integrálních proteinů.
- Transmembrána. Provádějí enzymatické a signalizační funkce a také modulují základní strukturu lipidové dvojvrstvy membrány.
Funkce biologických membrán
Hydrofobní efekt, který reguluje chování uhlovodíků ve vodě, řídí struktury tvořené membránovými lipidy a membránovými proteiny. Mnohé vlastnosti membrán propůjčují nosiče lipidových dvojvrstev, které tvoří základní strukturu všech biologických membrán. Integrální membránové proteiny jsou částečně skryty v lipidové dvojvrstvě. Transmembránové proteiny mají specializovanou organizaci aminokyselin ve své primární sekvenci.
Proteiny periferní membrány jsou velmi podobné rozpustným, ale jsou také vázané na membránu. Specializované buněčné membrány mají specializované buněčné funkce. Jak struktura a funkce buněčných membrán ovlivňují tělo? Funkčnost celého organismu závisí na tom, jak jsou uspořádány biologické membrány. Z intracelulárních organel, extracelulárních a mezibuněčných interakcí membrán se vytvářejí struktury nezbytné pro organizaci a výkon biologických funkcí. Mnoho strukturálních a funkčních znaků je společných pro bakterie, eukaryotické buňky a obalené viry. Všechny biologické membrány jsou postaveny na lipidové dvojvrstvě, která určuje přítomnost řady společných charakteristik. Membránové proteiny mají mnoho specifických funkcí.
- Ovládání. Plazmové membrány buněk definují hranice interakce buňky s prostředím.
- Doprava. Intracelulární membrány buněk jsou rozděleny do několika funkčních bloků s různýmivnitřní složení, z nichž každé je podpořeno nezbytnou transportní funkcí v kombinaci s kontrolní propustností.
- Přenos signálu. Membránová fúze poskytuje mechanismus pro intracelulární vezikulární oznámení a zabraňuje různým druhům virů ve volném vstupu do buňky.
Význam a závěry
Struktura vnější buněčné membrány ovlivňuje celé tělo. Hraje důležitou roli při ochraně integrity tím, že umožňuje pronikání pouze vybraným látkám. Je také dobrým základem pro ukotvení cytoskeletu a buněčné stěny, což pomáhá udržovat tvar buňky. Lipidy tvoří asi 50 % hmoty membrány většiny buněk, i když se to liší v závislosti na typu membrány. Struktura vnější buněčné membrány savců je složitější, obsahuje čtyři hlavní fosfolipidy. Důležitou vlastností lipidových dvojvrstev je, že se chovají jako dvourozměrná tekutina, ve které se mohou jednotlivé molekuly volně otáčet a pohybovat se laterálně. Taková tekutost je důležitou vlastností membrán, která se určuje v závislosti na teplotě a složení lipidů. Vzhledem ke struktuře uhlovodíkového kruhu hraje cholesterol roli při určování tekutosti membrán. Selektivní propustnost biologických membrán pro malé molekuly umožňuje buňce kontrolovat a udržovat její vnitřní strukturu.
Pokud vezmeme v úvahu strukturu buňky (buněčná membrána, jádro atd.), můžeme dojít k závěru, žeže tělo je samoregulační systém, který si bez vnější pomoci nemůže ublížit a vždy bude hledat způsoby, jak obnovit, chránit a správně fungovat každou buňku.
