Celična membrana - strukturni element celice, ki jo ščiti pred zunanjim okoljem. S pomočjo nje sodeluje z medceličnim prostorom in je del biološkega sistema. Njegova membrana ima posebno strukturo, ki jo sestavljajo lipidni dvosloj, integralni in polintegralni proteini. Slednje so velike molekule, ki opravljajo različne funkcije. Najpogosteje sodelujejo pri transportu posebnih snovi, katerih koncentracija na različnih straneh membrane je skrbno urejena.
Splošni načrt strukture celične membrane
Plazemska membrana je zbirka molekul maščob in kompleksnih beljakovin. Njegovi fosfolipidi se s svojimi hidrofilnimi ostanki nahajajo na nasprotnih straneh membrane in tvorijo lipidni dvosloj. Toda njihova hidrofobna področja, sestavljena iz ostankov maščobnih kislin, so obrnjena navznoter. To vam omogoča, da ustvarite tekočo strukturo tekočih kristalov, ki lahko nenehno spreminja obliko in je v dinamičnem ravnovesju.
Ta lastnost strukture omogoča omejevanje celice iz medceličnega prostora, saj je membrana običajno neprepustna za vodo in vse v njej raztopljene snovi. Nekateri kompleksni integralni proteini, polintegralne in površinske molekule so potopljene v debelino membrane. Preko njih celica komunicira z zunanjim svetom, vzdržuje homeostazo in tvori integralna biološka tkiva.
proteini plazemske membrane
Vse beljakovinske molekule, ki se nahajajo na površini ali v debelini plazemske membrane, delimo na vrste glede na globino njihovega pojavljanja. Obstajajo integralni proteini, ki prodirajo v lipidni dvosloj, polintegralni proteini, ki izvirajo iz hidrofilnega območja membrane in gredo ven, ter površinske beljakovine, ki se nahajajo na zunanjem območju membrane. Integralne beljakovinske molekule na poseben način prodrejo v plazmalemo in se lahko povežejo z receptorskim aparatom. Mnoge od teh molekul prežemajo celotno membrano in se imenujejo transmembranske. Preostali so zasidrani v hidrofobnem delu membrane in bodisi izstopijo na notranjo ali zunanjo površino.
Celični ionski kanali
Najpogosteje delujejo ionski kanali kot integralni kompleksni proteini. Te strukture so odgovorne za aktivni transport določenih snovi v celico ali iz nje. Sestavljeni so iz več beljakovinskih podenot in aktivnega mesta. Ko je izpostavljen specifičnemu ligandu na aktivnem središču, ki ga predstavlja določen nizaminokislin, pride do spremembe v konformaciji ionskega kanala. Tak postopek vam omogoča, da odprete ali zaprete kanal, s čimer začnete ali ustavite aktivni transport snovi.
Nekateri ionski kanali so večino časa odprti, toda ko je prejet signal od receptorskega proteina ali ko je vezan poseben ligand, se lahko zaprejo in ustavijo ionski tok. To načelo delovanja temelji na dejstvu, da dokler ne prejme receptorja ali humoralnega signala za zaustavitev aktivnega transporta določene snovi, se bo izvajal. Takoj ko je signal prejet, je treba prevoz ustaviti.
Večina integralnih beljakovin, ki delujejo kot ionski kanali, deluje tako, da zavira transport, dokler se na aktivno mesto ne veže določen ligand. Nato se bo aktiviral ionski transport, kar bo omogočilo ponovno polnjenje membrane. Ta algoritem delovanja ionskih kanalov je značilen za celice razdražljivih človeških tkiv.
Vrste vgrajenih beljakovin
Vsi membranski proteini (integralni, polintegralni in površinski) opravljajo pomembne funkcije. Prav zaradi svoje posebne vloge v življenju celice imajo določeno vrsto integracije v fosfolipidno membrano. Nekateri proteini, pogosteje so to ionski kanali, morajo popolnoma zatreti plazmalemo, da lahko uresničijo svoje funkcije. Potem se imenujejo politopični, torej transmembranski. Drugi so lokalizirani s svojim sidrnim mestom v hidrofobnem mestu fosfolipidnega dvosloja, aktivno mesto pa se razteza samo na notranje ali samo na zunanjo stran.površino celične membrane. Potem se imenujejo monotopični. Pogosteje so to receptorske molekule, ki sprejemajo signal s površine membrane in ga posredujejo posebnemu "posredniku".
Obnova integralnih beljakovin
Vse integralne molekule popolnoma prodrejo v hidrofobno območje in se vanj fiksirajo tako, da je njihovo gibanje dovoljeno le vzdolž membrane. Vendar pa je vdor proteina v celico, tako kot spontan ločitev proteinske molekule od citoleme, nemogoč. Obstaja varianta, pri kateri integralni proteini membrane vstopijo v citoplazmo. Povezan je s pinocitozo ali fagocitozo, to je, ko celica zajame trdno ali tekočino in jo obda z membrano. Nato se potegne v notranjost skupaj z beljakovinami, ki so vdelane vanj.
Seveda to ni najučinkovitejši način za izmenjavo energije v celici, saj bo lizosom prebavil vse beljakovine, ki so prej služile kot receptorji ali ionski kanali. To bo zahtevalo njihovo novo sintezo, za katero bo porabljen pomemben del energetskih zalog makroergov. Vendar pa se med "izkoriščanjem" molekul pogosto poškodujejo ionski kanali ali receptorji, vse do ločitve delov molekule. To zahteva tudi njihovo ponovno sintezo. Zato je fagocitoza, četudi se pojavi z cepljenjem lastnih receptorskih molekul, tudi način njihove nenehne obnove.
Hidrofobna interakcija integralnih beljakovin
Kakor je biloopisano zgoraj, so integralni membranski proteini kompleksne molekule, za katere se zdi, da so zataknjene v citoplazmatski membrani. Hkrati lahko v njej prosto plavajo in se gibljejo vzdolž plazmaleme, vendar se ne morejo odtrgati od nje in vstopiti v medcelični prostor. To se uresniči zaradi posebnosti hidrofobne interakcije integralnih beljakovin z membranskimi fosfolipidi.
Aktivni centri integralnih beljakovin se nahajajo bodisi na notranji ali zunanji površini lipidnega dvosloja. In tisti delček makromolekule, ki je odgovoren za tesno fiksacijo, se vedno nahaja med hidrofobnimi regijami fosfolipidov. Zaradi interakcije z njimi vsi transmembranski proteini vedno ostanejo v debelini celične membrane.
Funkcije integralnih makromolekul
Vsak integralni membranski protein ima sidrno mesto med hidrofobnimi ostanki fosfolipidov in aktivno središče. Nekatere molekule imajo samo en aktivni center in se nahajajo na notranji ali zunanji površini membrane. Obstajajo tudi molekule z več aktivnimi mesti. Vse to je odvisno od funkcij, ki jih opravljajo integralni in periferni proteini. Njihova prva funkcija je aktivni transport.
Proteinske makromolekule, ki so odgovorne za prehod ionov, so sestavljene iz več podenot in uravnavajo ionski tok. Običajno plazemska membrana ne more prepuščati hidratiziranih ionov, saj je po naravi lipid. Prisotnost ionskih kanalov, ki so integralni proteini, omogoča ionom, da prodrejo v citoplazmo in napolnijo celično membrano. To je glavni mehanizem za nastanek membranskega potenciala razdražljivih tkivnih celic.
Receptorske molekule
Druga funkcija integralnih molekul je funkcija receptorja. En lipidni dvosloj membrane izvaja zaščitno funkcijo in popolnoma omejuje celico pred zunanjim okoljem. Zaradi prisotnosti receptorskih molekul, ki jih predstavljajo integralni proteini, pa lahko celica sprejema signale iz okolja in sodeluje z njim. Primer je kardiomiocitni adrenalni receptor, celični adhezijski protein, insulinski receptor. Poseben primer receptorske beljakovine je bakteriorhodopsin, posebna membranska beljakovina, ki jo najdemo v nekaterih bakterijah, ki jim omogoča, da se odzovejo na svetlobo.
proteini za medcelično interakcijo
Tretja skupina funkcij integralnih beljakovin je izvajanje medceličnih stikov. Zahvaljujoč njih se lahko ena celica pridruži drugi in tako ustvari verigo prenosa informacij. Po tem mehanizmu delujejo neksusi – vrzelni stiki med kardiomiociti, skozi katere se prenaša srčni ritem. Enako načelo delovanja opazimo pri sinapsah, preko katerih se impulz prenaša v živčna tkiva.
Prek integralnih beljakovin lahko celice ustvarijo tudi mehansko povezavo, ki je pomembna pri tvorbi integralnega biološkega tkiva. Prav tako lahko integralne beljakovine igrajo vlogo membranskih encimov in sodelujejo pri prenosu energije, vključno z živčnimi impulzi.
