Biologické membrány.
Termín „membrána“ (lat. membrana - koža, film) sa začal používať pred viac ako 100 rokmi na označenie bunkovej hranice, ktorá slúži na jednej strane ako bariéra medzi obsahom bunky a vonkajším prostredím a na druhej strane ako polopriepustná priečka, cez ktorú môže prechádzať voda a niektoré látky. Funkcie membrány však nie sú obmedzené na toto, keďže biologické membrány tvoria základ štrukturálnej organizácie bunky.
Membránová štruktúra. Podľa tohto modelu je hlavnou membránou lipidová dvojvrstva, v ktorej hydrofóbne chvosty molekúl smerujú dovnútra a hydrofilné hlavy smerom von. Lipidy sú zastúpené fosfolipidmi - derivátmi glycerolu alebo sfingozínu. Proteíny sú spojené s lipidovou vrstvou. Integrálne (transmembránové) proteíny prenikajú cez membránu a sú s ňou pevne spojené; periférne neprenikajú a sú menej pevne spojené s membránou. Funkcie membránových proteínov: udržiavanie štruktúry membrány, prijímanie a konverzia signálov z prostredia. prostredie, transport určitých látok, katalýza reakcií prebiehajúcich na membránach. Hrúbka membrány sa pohybuje od 6 do 10 nm.
Vlastnosti membrány:
1. Tekutosť. Membrána nie je tuhá štruktúra, väčšina jej základných proteínov a lipidov sa môže pohybovať v rovine membrány.
2. Asymetria. Zloženie vonkajšej a vnútornej vrstvy bielkovín aj lipidov je odlišné. Plazmatické membrány živočíšnych buniek majú navyše na vonkajšej strane vrstvu glykoproteínov (glykokalyx, ktorá plní signalizačné a receptorové funkcie a je dôležitá aj pre spojenie buniek do tkanív)
3. Polarita. Vonkajšia strana membrány nesie kladný náboj a vnútorná strana nesie záporný náboj.
4. Selektívna priepustnosť. Membrány živých buniek okrem vody prepúšťajú len určité molekuly a ióny rozpustených látok (Používanie termínu „semipermeabilita“ vo vzťahu k bunkovým membránam nie je úplne správne, keďže tento pojem znamená, že. membrána prepúšťa iba molekuly rozpúšťadla, pričom zadržiava všetky molekuly a ióny rozpustených látok.)
Vonkajšia bunková membrána (plazmalema) je ultramikroskopický film s hrúbkou 7,5 nm, pozostávajúci z proteínov, fosfolipidov a vody. Elastický film, ktorý je dobre zmáčaný vodou a po poškodení rýchlo obnovuje svoju celistvosť. Má univerzálnu štruktúru, typickú pre všetky biologické membrány. Hraničné postavenie tejto membrány, jej účasť na procesoch selektívnej permeability, pinocytózy, fagocytózy, vylučovania exkrečných produktov a syntézy, v interakcii so susednými bunkami a ochrane bunky pred poškodením robí jej úlohu mimoriadne dôležitou. Živočíšne bunky mimo membrány sú niekedy pokryté tenkou vrstvou pozostávajúcou z polysacharidov a bielkovín - glykokalyx. V rastlinných bunkách je mimo bunkovej membrány silná bunková stena, ktorá vytvára vonkajšiu oporu a udržuje tvar bunky. Pozostáva z vlákniny (celulózy), vo vode nerozpustného polysacharidu.
Bunka- samoregulačná stavebná a funkčná jednotka tkanív a orgánov. Bunkovú teóriu štruktúry orgánov a tkanív vypracovali Schleiden a Schwann v roku 1839. Následne sa pomocou elektrónovej mikroskopie a ultracentrifugácie podarilo objasniť štruktúru všetkých hlavných organel živočíšnych a rastlinných buniek (obr. 1).
Ryža. 1. Schéma stavby živočíšnej bunky
Hlavnými časťami bunky sú cytoplazma a jadro. Každá bunka je obklopená veľmi tenkou membránou, ktorá obmedzuje jej obsah.
Bunková membrána je tzv plazmatická membrána a vyznačuje sa selektívnou permeabilitou. Táto vlastnosť umožňuje potrebným živinám a chemickým prvkom preniknúť do bunky a nadbytočným produktom ju opustiť. Plazmatická membrána pozostáva z dvoch vrstiev lipidových molekúl obsahujúcich špecifické proteíny. Hlavnými membránovými lipidmi sú fosfolipidy. Obsahujú fosfor, polárnu hlavu a dva nepolárne chvosty mastných kyselín s dlhým reťazcom. Membránové lipidy zahŕňajú cholesterol a cholesterylestery. V súlade s modelom štruktúry tekutej mozaiky obsahujú membrány inklúzie proteínových a lipidových molekúl, ktoré sa môžu miešať vzhľadom na dvojvrstvu. Každý typ membrány akejkoľvek živočíšnej bunky má svoje relatívne konštantné zloženie lipidov.
Membránové proteíny sú rozdelené do dvoch typov podľa ich štruktúry: integrálne a periférne. Periférne proteíny môžu byť odstránené z membrány bez jej zničenia. Existujú štyri typy membránových proteínov: transportné proteíny, enzýmy, receptory a štrukturálne proteíny. Niektoré membránové proteíny majú enzymatickú aktivitu, iné viažu určité látky a uľahčujú ich transport do bunky. Proteíny poskytujú niekoľko ciest pre pohyb látok cez membrány: tvoria veľké póry pozostávajúce z niekoľkých proteínových podjednotiek, ktoré umožňujú pohyb molekúl vody a iónov medzi bunkami; tvoria iónové kanály špecializované na pohyb určitých typov iónov cez membránu za určitých podmienok. Štrukturálne proteíny sú spojené s vnútornou lipidovou vrstvou a poskytujú cytoskelet bunky. Cytoskelet poskytuje mechanickú pevnosť bunkovej membrány. V rôznych membránach tvoria proteíny 20 až 80 % hmoty. Membránové proteíny sa môžu voľne pohybovať v laterálnej rovine.
Membrána tiež obsahuje sacharidy, ktoré sa môžu kovalentne viazať na lipidy alebo proteíny. Existujú tri typy membránových sacharidov: glykolipidy (gangliozidy), glykoproteíny a proteoglykány. Väčšina membránových lipidov je v tekutom stave a má určitú tekutosť, t.j. schopnosť prechádzať z jednej oblasti do druhej. Na vonkajšej strane membrány sú receptorové miesta, ktoré viažu rôzne hormóny. Iné špecifické oblasti membrány nedokážu rozpoznať a viazať určité proteíny a rôzne biologicky aktívne zlúčeniny, ktoré sú pre tieto bunky cudzie.
Vnútorný priestor bunky je vyplnený cytoplazmou, v ktorej prebieha väčšina enzýmovo katalyzovaných reakcií bunkového metabolizmu. Cytoplazma pozostáva z dvoch vrstiev: vnútornej, nazývanej endoplazma, a periférnej, ektoplazmy, ktorá má vysokú viskozitu a je bez granúl. Cytoplazma obsahuje všetky zložky bunky alebo organely. Najdôležitejšie z bunkových organel sú endoplazmatické retikulum, ribozómy, mitochondrie, Golgiho aparát, lyzozómy, mikrofilamenty a mikrotubuly, peroxizómy.
Endoplazmatické retikulum je systém vzájomne prepojených kanálov a dutín, ktoré prenikajú celou cytoplazmou. Zabezpečuje transport látok z prostredia a vnútri buniek. Endoplazmatické retikulum tiež slúži ako depot pre intracelulárne ióny Ca 2+ a slúži ako hlavné miesto syntézy lipidov v bunke.
ribozómy - mikroskopické sférické častice s priemerom 10-25 nm. Ribozómy sú voľne umiestnené v cytoplazme alebo sú pripojené k vonkajšiemu povrchu membrán endoplazmatického retikula a jadrovej membrány. Interagujú s messengerovou a transportnou RNA a dochádza v nich k syntéze bielkovín. Syntetizujú proteíny, ktoré vstupujú do cisterien alebo Golgiho aparátu a potom sa uvoľňujú von. Ribozómy, voľne umiestnené v cytoplazme, syntetizujú proteín na použitie samotnou bunkou a ribozómy spojené s endoplazmatickým retikulom produkujú proteín, ktorý sa vylučuje z bunky. Ribozómy syntetizujú rôzne funkčné proteíny: nosné proteíny, enzýmy, receptory, cytoskeletálne proteíny.
Golgiho aparát tvorené systémom tubulov, cisterien a vezikúl. Je spojená s endoplazmatickým retikulom a biologicky aktívne látky, ktoré sem vstupujú, sú uložené v zhutnenej forme v sekrečných vezikulách. Tie sa neustále oddeľujú od Golgiho aparátu, transportujú sa do bunkovej membrány a spájajú sa s ňou a látky obsiahnuté vo vezikulách sa z bunky odstraňujú procesom exocytózy.
lyzozómy -častice obklopené membránou s veľkosťou 0,25-0,8 mikrónu. Obsahujú množstvo enzýmov, ktoré sa podieľajú na rozklade bielkovín, polysacharidov, tukov, nukleových kyselín, baktérií a buniek.
Peroxizómy tvorené z hladkého endoplazmatického retikula, pripomínajú lyzozómy a obsahujú enzýmy, ktoré katalyzujú rozklad peroxidu vodíka, ktorý sa vplyvom peroxidáz a katalázy rozkladá.
Mitochondrie obsahujú vonkajšie a vnútorné membrány a sú „energetickou stanicou“ bunky. Mitochondrie sú okrúhle alebo predĺžené štruktúry s dvojitou membránou. Vnútorná membrána tvorí záhyby vyčnievajúce do mitochondrií – cristae. Prebieha v nich syntéza ATP, dochádza k oxidácii substrátov Krebsovho cyklu a k mnohým biochemickým reakciám. Molekuly ATP produkované v mitochondriách difundujú do všetkých častí bunky. Mitochondrie obsahujú malé množstvo DNA, RNA a ribozómov a za ich účasti dochádza k obnove a syntéze nových mitochondrií.
Mikrovlákna Sú to tenké proteínové vlákna pozostávajúce z myozínu a aktínu a tvoria kontraktilný aparát bunky. Mikrofilamenty sa podieľajú na tvorbe záhybov alebo výbežkov bunkovej membrány, ako aj na pohybe rôznych štruktúr v bunkách.
Mikrotubuly tvoria základ cytoskeletu a poskytujú jeho pevnosť. Cytoskelet dáva bunkám ich charakteristický vzhľad a tvar a slúži ako miesto pre pripojenie intracelulárnych organel a rôznych teliesok. V nervových bunkách sa zväzky mikrotubulov podieľajú na transporte látok z bunkového tela na konce axónov. S ich účasťou funguje mitotické vreteno počas bunkového delenia. Zohrávajú úlohu motorických prvkov v klkoch a bičíkoch v eukaryotoch.
Jadro je hlavnou štruktúrou bunky, podieľa sa na prenose dedičných vlastností a na syntéze bielkovín. Jadro je obklopené jadrovou membránou obsahujúcou veľa jadrových pórov, cez ktoré dochádza k výmene rôznych látok medzi jadrom a cytoplazmou. V jeho vnútri sa nachádza jadierko. Bola preukázaná dôležitá úloha jadierka pri syntéze ribozomálnych RNA a histónových proteínov. Zvyšné časti jadra obsahujú chromatín, pozostávajúci z DNA, RNA a množstva špecifických proteínov.
Funkcie bunkovej membrány
Bunkové membrány hrajú kľúčovú úlohu v regulácii intracelulárneho a medzibunkového metabolizmu. Majú selektívnu priepustnosť. Ich špecifická štruktúra im umožňuje zabezpečovať bariérové, transportné a regulačné funkcie.
Bariérová funkcia sa prejavuje obmedzením prieniku zlúčenín rozpustených vo vode cez membránu. Membrána je nepriepustná pre veľké molekuly bielkovín a organické anióny.
Regulačná funkcia membrán je regulovať vnútrobunkový metabolizmus v reakcii na chemické, biologické a mechanické vplyvy. Špeciálne membránové receptory vnímajú rôzne vplyvy s následnou zmenou aktivity enzýmov.
Transportná funkcia cez biologické membrány môže prebiehať pasívne (difúzia, filtrácia, osmóza) alebo pomocou aktívneho transportu.
Difúzia - pohyb plynu alebo rozpustnej látky pozdĺž koncentračného a elektrochemického gradientu. Rýchlosť difúzie závisí od permeability bunkovej membrány, ako aj koncentračného gradientu pre nenabité častice a elektrického a koncentračného gradientu pre nabité častice. Jednoduchá difúzia sa vyskytuje cez lipidovú dvojvrstvu alebo cez kanály. Nabité častice sa pohybujú podľa elektrochemického gradientu a nenabité častice sa pohybujú podľa chemického gradientu. Jednoduchou difúziou prenikajú cez lipidovú vrstvu membrány napríklad kyslík, steroidné hormóny, močovina, alkohol atď. Cez kanály sa pohybujú rôzne ióny a častice. Iónové kanály sú tvorené proteínmi a delia sa na hradlové a negované kanály. V závislosti od selektivity sa rozlišuje medzi iónovo selektívnymi káblami, ktoré prepúšťajú iba jeden ión, a kanálmi, ktoré selektivitu nemajú. Kanály majú otvor a selektívny filter a riadené kanály majú hradlový mechanizmus.
Uľahčená difúzia - proces, pri ktorom sú látky transportované cez membránu pomocou špeciálnych membránových transportných proteínov. Týmto spôsobom prenikajú aminokyseliny a monosacharidy do bunky. Tento typ prepravy prebieha veľmi rýchlo.
Osmóza - pohyb vody cez membránu z roztoku s nižším do roztoku s vyšším osmotickým tlakom.
Aktívna doprava - transport látok proti koncentračnému gradientu pomocou transportných ATPáz (iónových púmp). K tomuto prenosu dochádza pri výdaji energie.
Vo väčšom rozsahu boli študované Na+/K+-, Ca2+- a H+-čerpadlá. Čerpadlá sú umiestnené na bunkových membránach.
Typ aktívneho transportu je endocytóza A exocytóza. Pomocou týchto mechanizmov sa transportujú väčšie látky (proteíny, polysacharidy, nukleové kyseliny), ktoré nie je možné transportovať cez kanály. Tento transport je bežnejší v črevných epiteliálnych bunkách, renálnych tubuloch a vaskulárnom endoteli.
o Pri endocytóze tvoria bunkové membrány invaginácie do bunky, ktoré sa po uvoľnení premenia na vezikuly. Pri exocytóze sa vezikuly s obsahom prenesú na bunkovú membránu a splynú s ňou a obsah vezikúl sa uvoľní do extracelulárneho prostredia.
Štruktúra a funkcie bunkovej membrány
Aby ste pochopili procesy, ktoré zabezpečujú existenciu elektrických potenciálov v živých bunkách, musíte najprv pochopiť štruktúru bunkovej membrány a jej vlastnosti.
V súčasnosti je najviac akceptovaný tekutý mozaikový model membrány, ktorý navrhli S. Singer a G. Nicholson v roku 1972. Základom membrány je dvojitá vrstva fosfolipidov (dvojvrstva), hydrofóbne fragmenty molekuly sú ponorené do hrúbky membrány a polárne hydrofilné skupiny sú orientované smerom von, tie. do okolitého vodného prostredia (obr. 2).
Membránové proteíny sú lokalizované na povrchu membrány alebo môžu byť zapustené do rôznych hĺbok v hydrofóbnej zóne. Niektoré proteíny preklenujú membránu a rôzne hydrofilné skupiny toho istého proteínu sa nachádzajú na oboch stranách bunkovej membrány. Proteíny nachádzajúce sa v plazmatickej membráne zohrávajú veľmi dôležitú úlohu: podieľajú sa na tvorbe iónových kanálov, zohrávajú úlohu membránových púmp a transportérov rôznych látok a môžu plniť aj funkciu receptora.
Hlavné funkcie bunkovej membrány: bariérová, transportná, regulačná, katalytická.
Bariérovou funkciou je obmedzenie difúzie vo vode rozpustných zlúčenín cez membránu, čo je nevyhnutné na ochranu buniek pred cudzími, toxickými látkami a na udržanie relatívne konštantného obsahu rôznych látok vo vnútri buniek. Bunková membrána teda môže spomaliť difúziu rôznych látok 100 000-10 000 000 krát.
Ryža. 2. Trojrozmerný diagram modelu kvapalinovej mozaiky Singer-Nicholsonovej membrány
Zobrazené sú globulárne integrálne proteíny vložené do lipidovej dvojvrstvy. Niektoré proteíny sú iónové kanály, iné (glykoproteíny) obsahujú oligosacharidové bočné reťazce, ktoré sa podieľajú na rozpoznávaní buniek medzi sebou a v medzibunkovom tkanive. Molekuly cholesterolu tesne priliehajú k hlavám fosfolipidov a fixujú priľahlé časti „chvostov“. Vnútorné časti chvostov fosfolipidovej molekuly nie sú obmedzené vo svojom pohybe a sú zodpovedné za tekutosť membrány (Bretscher, 1985)
Membrána obsahuje kanály, cez ktoré prenikajú ióny. Kanály môžu byť závislé od napätia alebo nezávislé od potenciálu. Kanály závislé od napätia otvorené, keď sa potenciálny rozdiel zmení, a potenciálne nezávislý(hormonálne regulované) sa otvárajú pri interakcii receptorov s látkami. Kanály je možné otvárať alebo zatvárať vďaka bránam. V membráne sú zabudované dva typy brán: aktivácia(hlboko v kanáli) a inaktivácia(na povrchu kanála). Brána môže byť v jednom z troch stavov:
- otvorený stav (oba typy brán sú otvorené);
- zatvorený stav (aktivačná brána zatvorená);
- stav deaktivácie (brána inaktivácie zatvorená).
Ďalšou charakteristickou črtou membrán je schopnosť selektívne transportovať anorganické ióny, živiny a rôzne metabolické produkty. Existujú systémy pasívneho a aktívneho prenosu (transportu) látok. Pasívne transport prebieha cez iónové kanály s pomocou alebo bez pomoci nosných proteínov a jeho hnacou silou je rozdiel v elektrochemickom potenciáli iónov medzi intra- a extracelulárnym priestorom. Selektivita iónových kanálov je určená jeho geometrickými parametrami a chemickou povahou skupín lemujúcich steny kanála a jeho ústia.
V súčasnosti sú najviac preštudované kanály, ktoré sú selektívne priepustné pre ióny Na+, K+, Ca2+ a tiež pre vodu (tzv. akvaporíny). Priemer iónových kanálov je podľa rôznych štúdií 0,5-0,7 nm. Kapacita kanála sa môže meniť cez jeden iónový kanál;
Aktívne transport prebieha s vynaložením energie a je realizovaný takzvanými iónovými pumpami. Iónové pumpy sú molekulárne proteínové štruktúry vložené do membrány, ktoré transportujú ióny smerom k vyššiemu elektrochemickému potenciálu.
Čerpadlá pracujú s využitím energie hydrolýzy ATP. V súčasnosti sa používajú Na+/K+ - ATPáza, Ca 2+ - ATPáza, H + - ATPáza, H + /K + - ATPáza, Mg 2+ - ATPáza, ktoré zabezpečujú pohyb iónov Na +, K +, Ca 2+, resp. , boli dobre študované, H+, Mg2+ izolované alebo konjugované (Na+ a K+; H+ a K+). Molekulárny mechanizmus aktívneho transportu nie je úplne objasnený.
Medzi Hlavné funkcie bunkovej membrány možno rozlíšiť: bariérové, transportné, enzymatické a receptorové. Bunková (biologická) membrána (známa aj ako plazmalema, plazma alebo cytoplazmatická membrána) chráni obsah bunky alebo jej organel pred okolím, zabezpečuje selektívnu priepustnosť pre látky, sú na nej umiestnené enzýmy, ale aj molekuly, ktoré dokážu „chytiť“. “rôzne chemické a fyzikálne signály.
Túto funkčnosť zabezpečuje špeciálna štruktúra bunkovej membrány.
Pri evolúcii života na Zemi mohla bunka vo všeobecnosti vzniknúť až po objavení sa membrány, ktorá oddelila a stabilizovala vnútorný obsah a zabránila jeho rozpadu.
Z hľadiska udržiavania homeostázy (samoregulácia relatívnej stálosti vnútorného prostredia) bariérová funkcia bunkovej membrány úzko súvisí s transportom.
Malé molekuly sú schopné prejsť cez plazmalemu bez akýchkoľvek „pomocníkov“ po koncentračnom gradiente, teda z oblasti s vysokou koncentráciou danej látky do oblasti s nízkou koncentráciou. To je napríklad prípad plynov podieľajúcich sa na dýchaní. Kyslík a oxid uhličitý difundujú cez bunkovú membránu v smere, kde je ich koncentrácia momentálne nižšia.
Keďže membrána je väčšinou hydrofóbna (vďaka lipidovej dvojvrstve), polárne (hydrofilné) molekuly, dokonca ani malé, cez ňu často nedokážu preniknúť. Preto množstvo membránových proteínov pôsobí ako nosiče takýchto molekúl, viažu sa na ne a transportujú ich cez plazmalemu.
Integrálne (membránou prenikajúce) proteíny často fungujú na princípe otvárania a zatvárania kanálov. Keď sa akákoľvek molekula priblíži k takémuto proteínu, naviaže sa naň a kanál sa otvorí. Táto alebo iná látka prechádza proteínovým kanálom, potom sa zmení jej konformácia a kanál sa uzavrie pred touto látkou, ale môže sa otvoriť, aby umožnil prechod inej. Na tomto princípe funguje sodno-draslíková pumpa, ktorá pumpuje draselné ióny do bunky a odčerpáva z nej ióny sodíka.
Enzymatická funkcia bunkovej membrány vo väčšej miere realizované na membránach bunkových organel. Väčšina proteínov syntetizovaných v bunke vykonáva enzymatickú funkciu. „Sedia“ na membráne v určitom poradí a organizujú dopravník, keď sa reakčný produkt katalyzovaný jedným enzýmovým proteínom presúva na ďalší. Tento „dopravník“ je stabilizovaný povrchovými proteínmi plazmalemy.
Napriek univerzálnosti štruktúry všetkých biologických membrán (sú postavené podľa jediného princípu, sú takmer identické vo všetkých organizmoch a v rôznych membránových bunkových štruktúrach), ich chemické zloženie sa môže stále líšiť. Sú viac tekuté a pevnejšie, niektoré majú niektorých bielkovín viac, iné menej. Okrem toho sa líšia aj rôzne strany (vnútorné a vonkajšie) tej istej membrány.
Membrána, ktorá zvonku obklopuje bunku (cytoplazmatická), má veľa sacharidových reťazcov pripojených k lipidom alebo proteínom (čo vedie k tvorbe glykolipidov a glykoproteínov). Mnohé z týchto sacharidov slúžia funkcia receptora sú citlivé na určité hormóny, zisťujú zmeny fyzikálnych a chemických ukazovateľov v životnom prostredí.
Ak sa napríklad hormón spojí so svojim bunkovým receptorom, potom sacharidová časť molekuly receptora zmení svoju štruktúru a následne sa zmení štruktúra pridruženej proteínovej časti, ktorá preniká cez membránu. V ďalšom štádiu sa v bunke spúšťajú alebo pozastavujú rôzne biochemické reakcie, t. j. mení sa jej metabolizmus a začína sa bunková odpoveď na „stimul“.
Okrem uvedených štyroch funkcií bunkovej membrány sa rozlišujú aj ďalšie: matrica, energia, značenie, vytváranie medzibunkových kontaktov atď. Možno ich však považovať za „podfunkcie“ už diskutovaných.
Nie je žiadnym tajomstvom, že všetky živé bytosti na našej planéte sa skladajú z buniek, týchto nespočetných „“ organických látok. Bunky sú zase obklopené špeciálnym ochranným obalom - membránou, ktorá hrá veľmi dôležitú úlohu v živote bunky a funkcie bunkovej membrány sa neobmedzujú len na ochranu bunky, ale predstavujú komplex mechanizmus zapojený do reprodukcie, výživy a regenerácie bunky.
Čo je bunková membrána
Samotné slovo „membrána“ sa prekladá z latinčiny ako „film“, hoci membrána nie je len druh filmu, v ktorom je zabalená bunka, ale kombinácia dvoch filmov, ktoré sú navzájom spojené a majú rôzne vlastnosti. Bunková membrána je v skutočnosti trojvrstvová lipoproteínová (tukovo-proteínová) membrána, ktorá oddeľuje každú bunku od susedných buniek a prostredia a vykonáva riadenú výmenu medzi bunkami a prostredím, toto je akademická definícia toho, čo je bunková membrána je.
Dôležitosť membrány je jednoducho obrovská, pretože nielen oddeľuje jednu bunku od druhej, ale zabezpečuje aj interakciu bunky s ostatnými bunkami a prostredím.
História výskumu bunkových membrán
Dôležitý príspevok k štúdiu bunkovej membrány urobili dvaja nemeckí vedci Gorter a Grendel už v roku 1925. Vtedy sa im podarilo uskutočniť komplexný biologický experiment na červených krvinkách – erytrocytoch, počas ktorého vedci získali takzvané „tiene“, prázdne obaly erytrocytov, ktoré naskladali do jedného stohu a zmerali povrch, a tiež vypočítal množstvo lipidov v nich. Vedci na základe množstva získaných lipidov dospeli k záveru, že sú presne obsiahnuté v dvojitej vrstve bunkovej membrány.
V roku 1935 ďalšia dvojica výskumníkov bunkových membrán, tentoraz Američania Daniel a Dawson, po sérii dlhých experimentov stanovila obsah bielkovín v bunkovej membráne. Neexistoval žiadny iný spôsob, ako vysvetliť, prečo mala membrána také vysoké povrchové napätie. Vedci šikovne predstavili model bunkovej membrány v podobe sendviča, v ktorom úlohu chleba zohrávajú homogénne lipidovo-proteínové vrstvy a medzi nimi je namiesto oleja prázdnota.
V roku 1950, s príchodom elektroniky, bola teória Daniela a Dawsona potvrdená praktickými pozorovaniami – na mikrosnímkach bunkovej membrány boli jasne viditeľné vrstvy lipidových a proteínových hlavičiek a tiež prázdny priestor medzi nimi.
V roku 1960 americký biológ J. Robertson vypracoval teóriu o trojvrstvovej štruktúre bunkových membrán, ktorá bola dlho považovaná za jedinú pravdivú, no s ďalším rozvojom vedy sa začali objavovať pochybnosti o jej neomylnosti. Takže napríklad z tohto pohľadu by bolo pre bunky náročné a prácne transportovať potrebné živiny cez celý „sendvič“
A až v roku 1972 boli americkí biológovia S. Singer a G. Nicholson schopní vysvetliť nezrovnalosti v Robertsonovej teórii pomocou nového fluidno-mozaikového modelu bunkovej membrány. Zistili najmä, že bunková membrána nie je svojím zložením homogénna, navyše je asymetrická a naplnená kvapalinou. Okrem toho sú bunky v neustálom pohybe. A notoricky známe proteíny, ktoré sú súčasťou bunkovej membrány, majú rôzne štruktúry a funkcie.
Vlastnosti a funkcie bunkovej membrány
Teraz sa pozrime, aké funkcie vykonáva bunková membrána:
Bariérovou funkciou bunkovej membrány je membrána ako skutočná pohraničná stráž, ktorá stráži hranice bunky, zdržuje a nedovolí škodlivým alebo jednoducho nevhodným molekulám prejsť.
Transportná funkcia bunkovej membrány – membrána je nielen pohraničnou strážou pri bráne bunky, ale aj akýmsi colným kontrolným bodom, cez ňu sa neustále vymieňajú užitočné látky s inými bunkami a prostredím;
Funkcia matice - je to bunková membrána, ktorá určuje umiestnenie voči sebe navzájom a reguluje interakciu medzi nimi.
Mechanická funkcia - je zodpovedná za obmedzenie jednej bunky od druhej a zároveň za správne spojenie buniek medzi sebou, za ich formovanie do homogénneho tkaniva.
Ochranná funkcia bunkovej membrány je základom pre budovanie ochranného štítu bunky. V prírode môže byť príkladom tejto funkcie tvrdé drevo, hustá šupka, ochranná škrupina, to všetko vďaka ochrannej funkcii membrány.
Enzymatická funkcia je ďalšou dôležitou funkciou, ktorú vykonávajú určité proteíny v bunke. Napríklad vďaka tejto funkcii dochádza k syntéze tráviacich enzýmov v črevnom epiteli.
Okrem toho dochádza k bunkovej výmene cez bunkovú membránu, ktorá môže prebiehať v troch rôznych reakciách:
- Fagocytóza je bunková výmena, pri ktorej fagocytové bunky uložené v membráne zachytávajú a trávia rôzne živiny.
- Pinocytóza je proces zachytávania tekutých molekúl, ktoré sú s ňou v kontakte, bunkovou membránou. Na tento účel sa na povrchu membrány vytvárajú špeciálne úponky, ktoré akoby obklopovali kvapku kvapaliny a vytvárali bublinu, ktorú membrána následne „prehltne“.
- Exocytóza je reverzný proces, keď bunka uvoľňuje sekrečnú funkčnú tekutinu na povrch cez membránu.
Štruktúra bunkovej membrány
V bunkovej membráne sú tri triedy lipidov:
- fosfolipidy (ktoré sú kombináciou tukov a fosforu),
- glykolipidy (kombinácia tukov a sacharidov),
- cholesterolu
Fosfolipidy a glykolipidy zase pozostávajú z hydrofilnej hlavy, do ktorej zasahujú dva dlhé hydrofóbne chvosty. Cholesterol zaberá priestor medzi týmito chvostmi a bráni im v ohýbaní, to všetko v niektorých prípadoch spôsobuje, že membrána určitých buniek je veľmi tuhá. K tomu všetkému molekuly cholesterolu organizujú štruktúru bunkovej membrány.
Ale nech je to akokoľvek, najdôležitejšou súčasťou štruktúry bunkovej membrány je proteín, alebo skôr rôzne proteíny, ktoré hrajú rôzne dôležité úlohy. Napriek rôznorodosti proteínov obsiahnutých v membráne existuje niečo, čo ich spája – prstencové lipidy sa nachádzajú okolo všetkých membránových proteínov. Prstencové lipidy sú špeciálne štruktúrované tuky, ktoré slúžia ako akási ochranná škrupina pre bielkoviny, bez ktorej by jednoducho nefungovali.
Štruktúra bunkovej membrány má tri vrstvy: základom bunkovej membrány je homogénna tekutá bilipidová vrstva. Bielkoviny ho pokrývajú z oboch strán ako mozaika. Práve proteíny, okrem funkcií opísaných vyššie, zohrávajú aj úlohu zvláštnych kanálikov, ktorými cez membránu prechádzajú látky, ktoré nie sú schopné preniknúť cez tekutú vrstvu membrány. Patria sem napríklad draselné a sodné ióny na ich prienik cez membránu, príroda poskytuje špeciálne iónové kanály v bunkových membránach. Inými slovami, proteíny zabezpečujú priepustnosť bunkových membrán.
Ak sa pozrieme na bunkovú membránu cez mikroskop, uvidíme vrstvu lipidov tvorenú malými guľovitými molekulami, na ktorých plávajú bielkoviny ako na mori. Teraz viete, aké látky tvoria bunkovú membránu.
Video bunkovej membrány
A na záver vzdelávacie video o bunkovej membráne.
