1972. godine iznesena je teorija da djelomično propusna membrana okružuje ćeliju i obavlja niz vitalnih zadataka, a struktura i funkcija ćelijskih membrana su značajna pitanja u pogledu pravilnog funkcioniranja svih stanica u tijelu.. Ćelijska teorija je postala široko rasprostranjena u 17. veku, zajedno sa pronalaskom mikroskopa. Postalo je poznato da se biljna i životinjska tkiva sastoje od ćelija, ali zbog niske rezolucije uređaja nije bilo moguće uočiti bilo kakve barijere oko životinjske ćelije. U 20. veku je detaljnije proučavana hemijska priroda membrane, ustanovljeno je da su lipidi njena osnova.
Struktura i funkcija ćelijskih membrana
Ćelijska membrana okružuje citoplazmu živih ćelija, fizički odvajajući intracelularne komponente od spoljašnjeg okruženja. Gljive, bakterije i biljke također imaju ćelijske zidove koji pružaju zaštitu i sprječavaju prolaz velikih molekula. Ćelijske membrane također igraju uloguformiranje citoskeleta i vezivanje za ekstracelularni matriks drugih vitalnih čestica. To je neophodno kako bi ih držali zajedno, formirajući tkiva i organe tijela. Strukturne karakteristike ćelijske membrane uključuju propusnost. Glavna funkcija je zaštita. Membrana se sastoji od fosfolipidnog sloja sa ugrađenim proteinima. Ovaj dio je uključen u procese kao što su ćelijska adhezija, jonska provodljivost i signalni sistemi i služi kao pričvrsna površina za nekoliko ekstracelularnih struktura, uključujući zid, glikokaliks i unutrašnji citoskelet. Membrana također održava potencijal ćelije djelujući kao selektivni filter. Selektivno je propusna za jone i organske molekule i kontroliše kretanje čestica.
Biološki mehanizmi koji uključuju ćelijsku membranu
1. Pasivna difuzija: Neke tvari (male molekule, ioni), kao što su ugljični dioksid (CO2) i kisik (O2), mogu difundirati kroz plazma membranu. Ljuska djeluje kao barijera određenim molekulima i jonima koji se mogu koncentrirati na obje strane.
2. Transmembranski kanal i transporter protein: Nutrijenti kao što su glukoza ili aminokiseline moraju ući u ćeliju, a neki metabolički proizvodi moraju izaći.
3. Endocitoza je proces kojim se molekuli preuzimaju. Na plazma membrani se stvara blaga deformacija (invaginacija) u kojoj se guta supstanca koja se transportuje. To zahtijevaenergije i stoga je oblik aktivnog transporta.
4. Egzocitoza: javlja se u različitim ćelijama radi uklanjanja neprobavljenih ostataka supstanci koje donosi endocitoza kako bi se izlučile supstance kao što su hormoni i enzimi i potpuno transportovala supstanca kroz ćelijsku barijeru.
Molekularna struktura
Ćelijska membrana je biološka membrana, koja se sastoji uglavnom od fosfolipida i odvaja sadržaj cijele ćelije od vanjskog okruženja. Proces formiranja se odvija spontano u normalnim uslovima. Da bi se razumio ovaj proces i pravilno opisali struktura i funkcije ćelijskih membrana, kao i svojstva, potrebno je procijeniti prirodu fosfolipidnih struktura koje karakterizira strukturna polarizacija. Kada fosfolipidi u vodenoj sredini citoplazme dostignu kritičnu koncentraciju, kombinuju se u micele, koje su stabilnije u vodenoj sredini.
Svojstva membrane
- Stabilnost. To znači da je malo vjerovatno da će se membrana nakon formiranja srušiti.
- Snaga. Lipidna membrana je dovoljno pouzdana da spriječi prolazak polarne tvari; i otopljene tvari (joni, glukoza, aminokiseline) i mnogo veće molekule (proteini) ne mogu proći kroz formiranu granicu.
- Dinamički karakter. Ovo je možda najvažnije svojstvo kada se uzme u obzir struktura ćelije. Ćelijska membrana možebiti podložan raznim deformacijama, može se savijati i savijati bez urušavanja. U posebnim okolnostima, kao što je spajanje vezikula ili pupanje, može se prekinuti, ali samo privremeno. Na sobnoj temperaturi, njegovi lipidni sastojci su u stalnom, haotičnom kretanju, formirajući stabilnu granicu fluida.
Model tekućeg mozaika
Govoreći o strukturi i funkcijama ćelijskih membrana, važno je napomenuti da su u modernom pogledu membranu kao tečni model mozaika razmatrali 1972. godine naučnici Singer i Nicholson. Njihova teorija odražava tri glavne karakteristike strukture membrane. Integralni membranski proteini daju mozaični šablon za membranu i oni su sposobni za bočno kretanje u ravni zbog promjenjive prirode organizacije lipida. Transmembranski proteini su također potencijalno mobilni. Važna karakteristika strukture membrane je njena asimetrija. Kakva je struktura ćelije? Ćelijska membrana, jezgra, proteini i tako dalje. Ćelija je osnovna jedinica života, a svi organizmi se sastoje od jedne ili više ćelija, od kojih svaka ima prirodnu barijeru koja je odvaja od okoline. Ova vanjska granica ćelije naziva se i plazma membrana. Sastoji se od četiri različite vrste molekula: fosfolipida, holesterola, proteina i ugljenih hidrata. Model tekućeg mozaika opisuje strukturu ćelijske membrane na sljedeći način: fleksibilna i elastična, po konzistenciji slična biljnom ulju, tako da svepojedinačni molekuli jednostavno lebde u tečnom mediju i svi su sposobni da se kreću bočno unutar te ljuske. Mozaik je nešto što sadrži mnogo različitih detalja. U plazma membrani je predstavljen fosfolipidima, molekulama holesterola, proteinima i ugljenim hidratima.
fosfolipidi
Fosfolipidi čine osnovnu strukturu ćelijske membrane. Ovi molekuli imaju dva različita kraja: glavu i rep. Glavni kraj sadrži fosfatnu grupu i hidrofilan je. To znači da ga privlače molekuli vode. Rep se sastoji od atoma vodika i ugljika koji se nazivaju lanci masnih kiselina. Ovi lanci su hidrofobni, ne vole da se mešaju sa molekulima vode. Ovaj proces je sličan onome što se dešava kada biljno ulje ulijete u vodu, odnosno ne otapa se u njoj. Strukturne karakteristike ćelijske membrane povezane su sa takozvanim lipidnim dvoslojem, koji se sastoji od fosfolipida. Hidrofilne fosfatne glave se uvijek nalaze tamo gdje ima vode u obliku intracelularne i vanćelijske tekućine. Hidrofobni repovi fosfolipida u membrani su organizirani na takav način da ih drže dalje od vode.
Kolesterol, proteini i ugljikohidrati
Kada ljudi čuju riječ "holesterol", ljudi obično misle da je to loše. Međutim, holesterol je zapravo veoma važna komponenta ćelijskih membrana. Njegove molekule sastoje se od četiri prstena atoma vodika i ugljika. Oni su hidrofobni i javljaju se među hidrofobnim repovima u lipidnom dvosloju. Njihov značaj leži uodržavajući konzistenciju, ojačavaju membrane, sprečavajući ukrštanje. Molekuli holesterola takođe sprečavaju da repovi fosfolipida dođu u kontakt i otvrdnu. Ovo garantuje fluidnost i fleksibilnost. Membranski proteini djeluju kao enzimi za ubrzavanje kemijskih reakcija, djeluju kao receptori za specifične molekule ili transportuju supstance kroz ćelijsku membranu.
Ugljeni hidrati ili saharidi se nalaze samo na ekstracelularnoj strani ćelijske membrane. Zajedno formiraju glikokaliks. Pruža amortizaciju i zaštitu plazma membrani. Na osnovu strukture i vrste ugljikohidrata u glikokaliksu, tijelo može prepoznati stanice i odrediti da li treba da budu tamo ili ne.
Membranski proteini
Struktura ćelijske membrane životinjske ćelije ne može se zamisliti bez tako značajne komponente kao što je protein. Unatoč tome, oni mogu biti značajno inferiorniji po veličini u odnosu na drugu važnu komponentu - lipide. Postoje tri glavna membranska proteina.
- Integral. U potpunosti pokrivaju dvoslojnu, citoplazmu i ekstracelularno okruženje. Oni obavljaju transportnu i signalnu funkciju.
- Periferija. Proteini su vezani za membranu elektrostatičkim ili vodikovim vezama na njihovim citoplazmatskim ili ekstracelularnim površinama. Oni su prvenstveno uključeni kao sredstvo vezivanja za integralne proteine.
- Transmembrane. Oni obavljaju enzimske i signalne funkcije, a također moduliraju osnovnu strukturu lipidnog dvosloja membrane.
Funkcije bioloških membrana
Hidrofobni efekat, koji reguliše ponašanje ugljovodonika u vodi, kontroliše strukture formirane od membranskih lipida i membranskih proteina. Mnoga svojstva membranama daju nosioci lipidnih dvoslojeva, koji čine osnovnu strukturu za sve biološke membrane. Integralni membranski proteini su djelimično skriveni u lipidnom dvosloju. Transmembranski proteini imaju specijalizovanu organizaciju aminokiselina u svom primarnom nizu.
Proteini periferne membrane su veoma slični rastvorljivim, ali su takođe vezani za membranu. Specijalizirane ćelijske membrane imaju specijalizirane ćelijske funkcije. Kako struktura i funkcije ćelijskih membrana utiču na organizam? Funkcionalnost cijelog organizma ovisi o tome kako su raspoređene biološke membrane. Iz intracelularnih organela, ekstracelularnih i međućelijskih interakcija membrana nastaju strukture neophodne za organizaciju i obavljanje bioloških funkcija. Mnoge strukturne i funkcionalne karakteristike zajedničke su bakterijama, eukariotskim ćelijama i virusima sa omotačem. Sve biološke membrane izgrađene su na lipidnom dvosloju, što određuje prisustvo niza zajedničkih karakteristika. Membranski proteini imaju mnoge specifične funkcije.
- Kontrola. Plazma membrane ćelija definišu granice interakcije ćelije sa okolinom.
- Transport. Unutarstanične membrane stanica podijeljene su u nekoliko funkcionalnih blokova s različitimunutrašnja kompozicija, od kojih je svaka podržana potrebnom transportnom funkcijom u kombinaciji sa kontrolom propusnosti.
- Transdukcija signala. Membranska fuzija obezbjeđuje mehanizam za unutarćelijsku vezikularnu notifikaciju i sprečava različite vrste virusa da slobodno uđu u ćeliju.
Značenje i zaključci
Struktura vanjske ćelijske membrane utiče na cijelo tijelo. On igra važnu ulogu u zaštiti integriteta dozvoljavajući samo odabranim supstancama da prodru. Takođe je dobra osnova za učvršćivanje citoskeleta i ćelijskog zida, što pomaže u održavanju oblika ćelije. Lipidi čine oko 50% mase membrane većine ćelija, iako to varira u zavisnosti od tipa membrane. Struktura vanjske stanične membrane sisara je složenija, sadrži četiri glavna fosfolipida. Važno svojstvo lipidnih dvoslojeva je da se ponašaju kao dvodimenzionalna tekućina u kojoj pojedinačni molekuli mogu slobodno rotirati i kretati se bočno. Takva fluidnost je važno svojstvo membrana, koje se određuje u zavisnosti od temperature i sastava lipida. Zbog strukture ugljikovodičnih prstenova, kolesterol igra ulogu u određivanju fluidnosti membrana. Selektivna permeabilnost bioloških membrana za male molekule omogućava ćeliji da kontroliše i održava svoju unutrašnju strukturu.
S obzirom na strukturu ćelije (ćelijska membrana, jezgro i tako dalje), možemo zaključiti dada je tijelo samoregulatorni sistem koji ne može naštetiti sebi bez pomoći izvana i uvijek će tražiti načine da obnovi, zaštiti i pravilno funkcionira svaku ćeliju.
