Leta 1972 je bila predstavljena teorija, da delno prepustna membrana obdaja celico in opravlja številne vitalne naloge, struktura in delovanje celičnih membran pa sta pomembna vprašanja glede pravilnega delovanja vseh celic v telesu.. Celična teorija je postala razširjena v 17. stoletju, skupaj z izumom mikroskopa. Postalo je znano, da so rastlinska in živalska tkiva sestavljena iz celic, a zaradi nizke ločljivosti naprave ni bilo mogoče videti nobenih ovir okoli živalske celice. V 20. stoletju so kemično naravo membrane podrobneje preučili, ugotovili so, da so lipidi njena osnova.
Struktura in funkcija celičnih membran
Celična membrana obdaja citoplazmo živih celic in fizično ločuje znotrajcelične komponente od zunanjega okolja. Glive, bakterije in rastline imajo tudi celične stene, ki zagotavljajo zaščito in preprečujejo prehod velikih molekul. Tudi celične membrane igrajo vlogo pritvorba citoskeleta in pritrditev na zunajcelični matriks drugih vitalnih delcev. To je potrebno, da jih držimo skupaj in tvorijo tkiva in organe telesa. Strukturne značilnosti celične membrane vključujejo prepustnost. Glavna funkcija je zaščita. Membrana je sestavljena iz fosfolipidne plasti z vgrajenimi beljakovinami. Ta del je vključen v procese, kot so celična adhezija, ionsko prevodnost in signalni sistemi ter služi kot pritrdilna površina za več zunajceličnih struktur, vključno s steno, glikokaliksom in notranjim citoskeletom. Membrana ohranja tudi potencial celice, tako da deluje kot selektivni filter. Je selektivno prepusten za ione in organske molekule ter nadzoruje gibanje delcev.
Biološki mehanizmi, ki vključujejo celično membrano
1. Pasivna difuzija: Nekatere snovi (majhne molekule, ioni), kot sta ogljikov dioksid (CO2) in kisik (O2), lahko difundirajo skozi plazemsko membrano. Lupina deluje kot ovira za nekatere molekule in ione, ki se lahko koncentrirajo na obeh straneh.
2. Transmembranski kanal in transporter protein: Hranila, kot so glukoza ali aminokisline, morajo vstopiti v celico, nekateri presnovni produkti pa morajo zapustiti.
3. Endocitoza je proces, s katerim se molekule prevzamejo. V plazemski membrani nastane rahla deformacija (invaginacija), v kateri se snov, ki jo je treba transportirati, pogoltne. To zahtevaenergije in je tako oblika aktivnega transporta.
4. Eksocitoza: pojavi se v različnih celicah za odstranjevanje neprebavljenih ostankov snovi, ki jih prinese endocitoza, da se izločijo snovi, kot so hormoni in encimi, in se snov v celoti transportira skozi celično pregrado.
Molekularna struktura
Celična membrana je biološka membrana, sestavljena predvsem iz fosfolipidov in ločuje vsebino celotne celice od zunanjega okolja. Proces tvorbe poteka spontano v normalnih pogojih. Da bi razumeli ta proces in pravilno opisali strukturo in funkcije celičnih membran ter lastnosti, je treba oceniti naravo fosfolipidnih struktur, za katere je značilna strukturna polarizacija. Ko fosfolipidi v vodnem okolju citoplazme dosežejo kritično koncentracijo, se združijo v micele, ki so v vodnem okolju bolj stabilne.
Lastnosti membran
- Stabilnost. To pomeni, da po nastanku membrane ni verjetno, da bi se zrušila.
- Moč. Lipidna membrana je dovolj zanesljiva, da prepreči prehod polarne snovi; tako raztopljene snovi (ioni, glukoza, aminokisline) kot veliko večje molekule (beljakovine) ne morejo preiti skozi nastalo mejo.
- Dinamični znak. To je morda najpomembnejša lastnost ob upoštevanju strukture celice. Celična membrana lahkobiti podvržen različnim deformacijam, se lahko zloži in upogne, ne da bi se zrušil. V posebnih okoliščinah, kot je zlitje veziklov ali brstenje, se lahko zlomi, vendar le začasno. Pri sobni temperaturi so njegove lipidne sestavine v stalnem, kaotičnem gibanju in tvorijo stabilno mejo tekočine.
Model tekočega mozaika
Ko že govorimo o strukturi in funkcijah celičnih membran, je pomembno omeniti, da sta v sodobnem pogledu membrano kot model tekočega mozaika obravnavala leta 1972 znanstvenika Singer in Nicholson. Njihova teorija odraža tri glavne značilnosti strukture membrane. Integralni membranski proteini zagotavljajo mozaično predlogo za membrano in so zaradi spremenljive narave lipidne organizacije sposobni stranskega gibanja v ravnini. Transmembranski proteini so tudi potencialno mobilni. Pomembna značilnost strukture membrane je njena asimetrija. Kakšna je zgradba celice? Celična membrana, jedro, beljakovine in tako naprej. Celica je osnovna življenjska enota in vsi organizmi so sestavljeni iz ene ali več celic, vsaka z naravno pregrado, ki jo ločuje od okolja. Ta zunanja meja celice se imenuje tudi plazemska membrana. Sestavljen je iz štirih različnih vrst molekul: fosfolipidov, holesterola, beljakovin in ogljikovih hidratov. Model tekočega mozaika opisuje strukturo celične membrane na naslednji način: prožna in elastična, po konsistenci podobna rastlinskemu olju, tako da vseposamezne molekule preprosto lebdijo v tekočem mediju in vse se lahko v tej lupini premikajo bočno. Mozaik je nekaj, kar vsebuje veliko različnih podrobnosti. V plazemski membrani ga predstavljajo fosfolipidi, molekule holesterola, beljakovine in ogljikovi hidrati.
fosfolipidi
Fosfolipidi sestavljajo osnovno strukturo celične membrane. Te molekule imajo dva različna konca: glavo in rep. Glavni konec vsebuje fosfatno skupino in je hidrofilen. To pomeni, da ga privlačijo molekule vode. Rep je sestavljen iz vodikovih in ogljikovih atomov, imenovanih verige maščobnih kislin. Te verige so hidrofobne, ne marajo se mešati z molekulami vode. Ta postopek je podoben tistemu, ki se zgodi, ko rastlinsko olje vlijete v vodo, torej se v njej ne raztopi. Strukturne značilnosti celične membrane so povezane s tako imenovanim lipidnim dvoslojem, ki ga sestavljajo fosfolipidi. Hidrofilne fosfatne glave se vedno nahajajo tam, kjer je voda v obliki znotrajcelične in zunajcelične tekočine. Hidrofobni repi fosfolipidov v membrani so organizirani tako, da jih držijo stran od vode.
holesterol, beljakovine in ogljikovi hidrati
Ko ljudje slišijo besedo "holesterol", ljudje običajno mislijo, da je to slabo. Vendar je holesterol pravzaprav zelo pomemben sestavni del celičnih membran. Njegove molekule so sestavljene iz štirih obročev vodikovih in ogljikovih atomov. So hidrofobni in se pojavljajo med hidrofobnimi repi v lipidnem dvosloju. Njihov pomen je vohranjajo doslednost, krepijo membrane in preprečujejo križanje. Molekule holesterola tudi preprečujejo, da bi fosfolipidni repi prišli v stik in se strdili. To zagotavlja pretočnost in fleksibilnost. Membranski proteini delujejo kot encimi za pospešitev kemičnih reakcij, delujejo kot receptorji za specifične molekule ali prenašajo snovi skozi celično membrano.
Ogljikovi hidrati ali saharidi se nahajajo samo na zunajcelični strani celične membrane. Skupaj tvorijo glikokaliks. Zagotavlja oblazinjenje in zaščito plazemske membrane. Na podlagi strukture in vrste ogljikovih hidratov v glikokaliksu lahko telo prepozna celice in ugotovi, ali naj bodo tam ali ne.
membranski proteini
Strukture celične membrane živalske celice si ni mogoče predstavljati brez tako pomembne komponente, kot je beljakovina. Kljub temu so lahko po velikosti bistveno slabši od druge pomembne komponente - lipidov. Obstajajo trije glavni membranski proteini.
- Integral. Popolnoma pokrivajo dvoslojno, citoplazmo in zunajcelično okolje. Opravljajo transportno in signalno funkcijo.
- Periferna naprava. Beljakovine so pritrjene na membrano z elektrostatičnimi ali vodikovimi vezmi na njihovih citoplazmatskih ali zunajceličnih površinah. Vključeni so predvsem kot sredstvo za pritrditev integralnih beljakovin.
- Transmembranska. Izvajajo encimske in signalne funkcije ter tudi modulirajo osnovno strukturo lipidne dvosloje membrane.
Funkcije bioloških membran
Hidrofobni učinek, ki uravnava obnašanje ogljikovodikov v vodi, nadzoruje strukture, ki jih tvorijo membranski lipidi in membranski proteini. Številne lastnosti membran dajejo nosilci lipidnih dvoslojev, ki tvorijo osnovno strukturo vseh bioloških membran. Integralni membranski proteini so delno skriti v lipidnem dvosloju. Transmembranski proteini imajo specializirano organizacijo aminokislin v svojem primarnem zaporedju.
Periferne membranske beljakovine so zelo podobne topnim, vendar so tudi membransko vezane. Specializirane celične membrane imajo posebne celične funkcije. Kako struktura in funkcije celičnih membran vplivajo na telo? Funkcionalnost celotnega organizma je odvisna od tega, kako so urejene biološke membrane. Iz znotrajceličnih organelov, zunajceličnih in medceličnih interakcij membran nastanejo strukture, potrebne za organizacijo in izvajanje bioloških funkcij. Številne strukturne in funkcionalne značilnosti so skupne bakterijam, evkariontskim celicam in virusom z ovojnico. Vse biološke membrane so zgrajene na lipidnem dvosloju, ki določa prisotnost številnih skupnih značilnosti. Membranski proteini imajo številne specifične funkcije.
- Nadzor. Plazemske membrane celic določajo meje interakcije celice z okoljem.
- Prevoz. Intracelularne membrane celic so razdeljene na več funkcionalnih blokov z različniminotranja sestava, od katerih je vsaka podprta s potrebno transportno funkcijo v kombinaciji z nadzorno prepustnostjo.
- Transdukcija signala. Membranska fuzija zagotavlja mehanizem za znotrajcelično vezikularno obveščanje in preprečuje, da bi različne vrste virusov prosto vstopile v celico.
Pomen in zaključki
Struktura zunanje celične membrane vpliva na celotno telo. Ima pomembno vlogo pri varovanju integritete, saj omogoča prodiranje le izbranim snovem. Je tudi dobra podlaga za sidranje citoskeleta in celične stene, kar pomaga ohranjati obliko celice. Lipidi predstavljajo približno 50 % membranske mase večine celic, čeprav se to razlikuje glede na vrsto membrane. Struktura zunanje celične membrane sesalcev je bolj zapletena, vsebuje štiri glavne fosfolipide. Pomembna lastnost lipidnih dvoslojev je, da se obnašajo kot dvodimenzionalna tekočina, v kateri se posamezne molekule lahko prosto vrtijo in premikajo bočno. Takšna pretočnost je pomembna lastnost membran, ki se določi glede na temperaturo in lipidno sestavo. Zaradi strukture ogljikovodikovega obroča ima holesterol vlogo pri določanju pretočnosti membran. Selektivna prepustnost bioloških membran za majhne molekule omogoča celici, da nadzoruje in vzdržuje svojo notranjo strukturo.
Glede na strukturo celice (celična membrana, jedro itd.) lahko sklepamo, dada je telo samoregulacijski sistem, ki si ne more škodovati brez zunanje pomoči in bo vedno iskal načine za obnovitev, zaščito in pravilno delovanje vsake celice.
