Ćelijska membrana - strukturni element ćelije, štiti je od spoljašnjeg okruženja. Uz pomoć njega stupa u interakciju sa međućelijskim prostorom i dio je biološkog sistema. Njegova membrana ima posebnu strukturu koja se sastoji od lipidnog dvosloja, integralnih i poluintegralnih proteina. Potonje su velike molekule koje obavljaju različite funkcije. Najčešće su uključeni u transport posebnih supstanci, čija je koncentracija na različitim stranama membrane pažljivo regulirana.
Generalni plan strukture ćelijske membrane
Plazma membrana je skup molekula masti i složenih proteina. Njegovi fosfolipidi, sa svojim hidrofilnim ostacima, nalaze se na suprotnim stranama membrane, formirajući lipidni dvosloj. Ali njihova hidrofobna područja, koja se sastoje od ostataka masnih kiselina, okrenuta su prema unutra. Ovo vam omogućava da kreirate fluidnu strukturu tečnog kristala koja može stalno da menja oblik i koja je u dinamičkoj ravnoteži.
Ova karakteristika strukture omogućava vam da ograničite ćeliju iz međućelijskog prostora, jer je membrana normalno nepropusna za vodu i sve tvari otopljene u njoj. Neki složeni integralni proteini, poluintegralni i površinski molekuli su uronjeni u debljinu membrane. Preko njih, ćelija stupa u interakciju sa vanjskim svijetom, održavajući homeostazu i formirajući integralna biološka tkiva.
Proteini plazma membrane
Svi proteinski molekuli koji se nalaze na površini ili u debljini plazma membrane dijele se na tipove ovisno o dubini njihovog pojavljivanja. Postoje integralni proteini koji prodiru u lipidni dvosloj, poluintegralni proteini koji nastaju u hidrofilnom području membrane i izlaze van, kao i površinski proteini koji se nalaze na vanjskom području membrane. Integralni proteinski molekuli prožimaju plazmalemu na poseban način i mogu se povezati sa receptorskim aparatom. Mnogi od ovih molekula prožimaju cijelu membranu i nazivaju se transmembranski. Ostali su usidreni u hidrofobnom dijelu membrane i izlaze na unutrašnju ili vanjsku površinu.
Ćelijski jonski kanali
Jonski kanali najčešće djeluju kao integralni kompleksni proteini. Ove strukture su odgovorne za aktivni transport određenih supstanci u ćeliju ili van nje. Sastoje se od nekoliko proteinskih podjedinica i aktivnog mjesta. Kada se izloži specifičnom ligandu na aktivnom centru, predstavljenom određenim skupomaminokiselina, dolazi do promjene u konformaciji jonskog kanala. Takav proces vam omogućava da otvorite ili zatvorite kanal, čime započinjete ili zaustavljate aktivni transport supstanci.
Neki jonski kanali su otvoreni većinu vremena, ali kada se primi signal od receptorskog proteina ili kada je vezan specifični ligand, oni se mogu zatvoriti, zaustavljajući jonsku struju. Ovaj princip rada svodi se na činjenicu da će se odvijati sve dok se ne primi receptor ili humoralni signal za zaustavljanje aktivnog transporta određene supstance. Čim se primi signal, transport treba zaustaviti.
Većina integralnih proteina koji djeluju kao jonski kanali rade na inhibiciji transporta sve dok se specifični ligand ne veže na aktivno mjesto. Tada će se aktivirati transport jona, što će omogućiti da se membrana napuni. Ovaj algoritam rada jonskih kanala tipičan je za ćelije ekscitabilnog ljudskog tkiva.
Vrste ugrađenih proteina
Svi membranski proteini (integralni, poluintegralni i površinski) obavljaju važne funkcije. Upravo zbog svoje posebne uloge u životu ćelije imaju određenu vrstu integracije u fosfolipidnu membranu. Neki proteini, češće su to jonski kanali, moraju potpuno potisnuti plazmalemu da bi ostvarili svoje funkcije. Tada se nazivaju politopičnim, odnosno transmembranskim. Drugi su lokalizirani po svom sidrenom mjestu na hidrofobnom mjestu fosfolipidnog dvosloja, a aktivno mjesto se proteže samo na unutrašnji ili samo na vanjskipovršine ćelijske membrane. Tada se nazivaju monotopičnim. Češće su to receptorski molekuli koji primaju signal sa površine membrane i prenose ga do posebnog "posrednika".
Obnavljanje integralnih proteina
Svi integralni molekuli u potpunosti prodiru u hidrofobno područje i fiksiraju se u njemu na takav način da je njihovo kretanje dozvoljeno samo duž membrane. Međutim, ulazak proteina u ćeliju, baš kao i spontano odvajanje proteinskog molekula od citoleme, je nemoguć. Postoji varijanta u kojoj integralni proteini membrane ulaze u citoplazmu. Povezuje se s pinocitozom ili fagocitozom, odnosno kada stanica uhvati čvrstu ili tekućinu i okruži je membranom. Zatim se uvlači unutra zajedno sa proteinima koji su ugrađeni u njega.
Naravno, ovo nije najefikasniji način za razmjenu energije u ćeliji, jer će svi proteini koji su ranije služili kao receptori ili jonski kanali biti probavljeni od strane lizozoma. To će zahtijevati njihovu novu sintezu, za koju će se potrošiti značajan dio energetskih rezervi makroerga. Međutim, prilikom "eksploatacije" molekula često se oštećuju jonski kanali ili receptori, sve do odvajanja delova molekula. To također zahtijeva njihovu resintezu. Stoga je fagocitoza, čak i ako nastane cijepanjem vlastitih receptorskih molekula, također način njihovog stalnog obnavljanja.
Hidrofobna interakcija integralnih proteina
Kao što je bilogore opisani, integralni membranski proteini su složeni molekuli za koje se čini da su zaglavljeni u citoplazmatskoj membrani. Istovremeno, u njemu mogu slobodno plivati, krećući se duž plazmaleme, ali se ne mogu odvojiti od nje i ući u međućelijski prostor. Ovo se ostvaruje zahvaljujući posebnostima hidrofobne interakcije integralnih proteina sa membranskim fosfolipidima.
Aktivni centri integralnih proteina nalaze se ili na unutrašnjoj ili vanjskoj površini lipidnog dvosloja. A taj fragment makromolekule, koji je odgovoran za čvrstu fiksaciju, uvijek se nalazi među hidrofobnim regijama fosfolipida. Zbog interakcije s njima, svi transmembranski proteini uvijek ostaju u debljini ćelijske membrane.
Funkcije integralnih makromolekula
Svaki integralni membranski protein ima sidro koje se nalazi među hidrofobnim ostacima fosfolipida i aktivni centar. Neki molekuli imaju samo jedan aktivni centar i nalaze se na unutrašnjoj ili vanjskoj površini membrane. Postoje i molekuli s više aktivnih mjesta. Sve to ovisi o funkcijama koje obavljaju integralni i periferni proteini. Njihova prva funkcija je aktivni transport.
Proteinske makromolekule, koje su odgovorne za prolaz jona, sastoje se od nekoliko podjedinica i regulišu struju jona. Normalno, plazma membrana ne može proći hidratizirane ione, jer je po prirodi lipid. Prisustvo jonskih kanala, koji su integralni proteini, omogućava ionima da prodru u citoplazmu i napune ćelijsku membranu. Ovo je glavni mehanizam za nastanak membranskog potencijala ekscitabilnih ćelija tkiva.
Molekuli receptora
Druga funkcija integralnih molekula je funkcija receptora. Jedan lipidni dvosloj membrane ostvaruje zaštitnu funkciju i potpuno ograničava ćeliju od vanjskog okruženja. Međutim, zbog prisustva receptorskih molekula, koje predstavljaju integralni proteini, stanica može primati signale iz okoline i komunicirati s njom. Primjer je adrenalni receptor kardiomiocita, protein ćelijske adhezije, inzulinski receptor. Poseban primjer receptorskog proteina je bakteriorhodopsin, poseban membranski protein koji se nalazi u nekim bakterijama i koji im omogućava da reaguju na svjetlost.
Proteini međustanične interakcije
Treća grupa funkcija integralnih proteina je realizacija međućelijskih kontakata. Zahvaljujući njima, jedna ćelija se može pridružiti drugoj, stvarajući tako lanac prijenosa informacija. Nexusi rade prema ovom mehanizmu - praznine između kardiomiocita, kroz koje se prenosi srčani ritam. Isti princip rada se primjećuje u sinapsama, preko kojih se impuls prenosi u nervnim tkivima.
Posredstvom integralnih proteina, ćelije mogu stvoriti i mehaničku vezu, koja je važna u formiranju integralnog biološkog tkiva. Također, integralni proteini mogu igrati ulogu membranskih enzima i učestvovati u prijenosu energije, uključujući nervne impulse.
