Sejt membrán

A sejtmembrán (más néven cytolemma, plasmalemma vagy plazmamembrán) egy rugalmas molekulaszerkezet, amely fehérjékből és lipidekből áll . Elválasztja bármely cella tartalmát a külső környezettől, biztosítva annak integritását; szabályozza a sejt és a környezet közötti cserét; Az intracelluláris membránok a sejtet speciális zárt rekeszekre osztják fel - kompartmentekre vagy organellumokra , amelyekben bizonyos környezeti feltételek fennmaradnak.

Alapvető információk

Sejtfal , ha a sejtben van ilyen (általában növényi, baktérium- és gombasejtekben található), lefedi a sejtmembránt.

A sejtmembrán kétrétegű ( kétrétegű ) lipid osztályú molekulákból áll, amelyek többsége úgynevezett komplex lipidek - foszfolipidek . A lipidmolekuláknak van egy hidrofil („fej”) és egy hidrofób („farok”) része. Amikor membránok képződnek, a molekulák hidrofób részei befelé, míg a hidrofil részek  kifelé fordulnak. A membránok változatlan struktúrák , nagyon hasonlóak a különböző szervezetekben. Néhány kivétel az archaea , amelynek membránjait glicerin és terpenoid alkoholok alkotják . A membrán vastagsága 7-8 nm .

A biológiai membrán különféle fehérjéket is tartalmaz : integrált (áthatol a membránon), félig integrált (egyik végén a külső vagy belső lipidrétegbe merítve), felületi (a membrán külső oldalán vagy a belső oldalaival szomszédos). Egyes fehérjék a sejtmembrán érintkezési pontjai a sejten belüli citoszkeletonnal és kívül a sejtfallal (ha van ilyen). Az integrált fehérjék egy része ioncsatornaként , különféle transzporterként és receptorként funkcionál .

Kutatástörténet

1925-ben Evert Gorter és François Grendel (1897-1969) ozmotikus "hatás" segítségével megszerezte az eritrociták úgynevezett "árnyékát"  - üres héjukat . Az árnyékokat egymásra raktuk, és meghatároztuk a felületüket. Ezután acetonnal lipideket izoláltunk a membránokból, és meghatároztuk az eritrocita területegységére jutó lipidek mennyiségét - ez a mennyiség elegendő volt egy folyamatos kettős réteghez. Bár ez a kísérlet helyes következtetésre juttatta a kutatókat, több durva hibát követtek el – egyrészt abszolút minden lipid nem izolálható acetonnal, másrészt a felületet hibásan, száraz tömeg alapján határozták meg. Ebben az esetben a mínuszról mínuszra pluszt adott, a meghatározott mutatók aránya véletlenül helyesnek bizonyult és a lipid kettősréteget fedezték fel.

A mesterséges bilipid filmekkel végzett kísérletek kimutatták, hogy nagy felületi feszültséggel rendelkeznek, sokkal nagyobb, mint a sejtmembránokban. Vagyis tartalmaznak valamit, ami csökkenti a feszültséget - fehérjéket. 1935-ben James Danielli és Hugh Dawson bemutatta a „szendvics” modellt a tudományos közösségnek, amely szerint a membrán egy lipid kettős rétegen alapul, amelynek mindkét oldalán folyamatos fehérjerétegek találhatók. nincs semmi a kettős rétegben. Az 1950-es évek első elektronmikroszkópos vizsgálatai megerősítették ezt az elméletet - a mikrofényképek 2 elektronsűrűségű réteget mutattak - fehérjemolekulákat és lipidfejeket, valamint közöttük egy elektron-átlátszó réteget - lipidfarkat. J. Robertson 1960-ban fogalmazta meg az egységes biológiai membrán elméletét, amely az összes sejtmembrán háromrétegű szerkezetét feltételezte.

De fokozatosan felhalmozódtak a „szendvicsmodell” elleni érvek:

• információ halmozódott fel a plazmamembrán gömbölyűségéről;
• kiderült, hogy a membrán szerkezete az elektronmikroszkópos vizsgálat során a rögzítés módjától függ;
• a plazmamembrán szerkezete eltérő lehet még ugyanazon a sejten belül is, például a spermium fejében, nyakában és farkában;
• a „szendvics” modell termodinamikailag kedvezőtlen - egy ilyen szerkezet fenntartásához nagy mennyiségű energiát kell elkölteni, és nagyon nehéz egy anyagot áthúzni a membránon;
• a membránhoz elektrosztatikusan kötődő fehérjék száma nagyon kicsi, általában a fehérjéket nagyon nehéz izolálni a membránról, mivel belemerülnek.

Mindez ahhoz vezetett, hogy 1972-ben S. J. Singer és G. L. Nicholson megalkotta a membránszerkezet fluid mozaik modelljét. E modell szerint a membránban lévő fehérjék nem alkotnak folyamatos réteget a felületen, hanem integrálisra , félintegrálra és perifériásra oszthatók. A perifériás fehérjék valóban a membrán felszínén helyezkednek el, és elektrosztatikus kölcsönhatások révén kapcsolódnak a membránlipidek poláris fejéhez, de soha nem alkotnak folyamatos réteget. A membrán fluiditásának bizonyítéka a FRAP , FLIP és a szomatikus sejthibridizációs módszerek, a mozaikosság pedig a fagyasztás-hasításos módszer , melyben a membrán hasításán gumók és gödrök láthatók, mivel a fehérjék nem hasadnak, hanem teljesen elmennek. a membrán egyik rétegébe.

Funkciók

• Barrier – szabályozott, szelektív, passzív és aktív anyagcserét biztosít a környezettel [1] . Például a peroxiszóma membrán megvédi a citoplazmát a sejtre veszélyes peroxidoktól . A szelektív permeabilitás azt jelenti, hogy a membrán különböző atomok vagy molekulák permeabilitása méretüktől, elektromos töltésüktől és kémiai tulajdonságaiktól függ . A szelektív permeabilitás biztosítja a sejt és a sejtkompartmentek elválasztását a környezettől és a szükséges anyagokkal való ellátást.
• Szállítás – a membránon keresztül az anyagok a sejtbe és a sejtből kijutnak [1] . A membránon keresztüli szállítás biztosítja: a tápanyagok szállítását, az anyagcsere végtermékeinek eltávolítását, a különféle anyagok kiválasztását, az ionos gradiensek létrehozását, az optimális pH fenntartását a sejtben és a működéshez szükséges ionok koncentrációját. sejtenzimek.
  Olyan részecskék, amelyek valamilyen okból nem képesek átjutni a foszfolipid kettősrétegen (például hidrofil tulajdonságai miatt, mivel a membrán belül hidrofób és nem engedi át a hidrofil anyagokat, vagy nagy méretük miatt), de szükségesek a sejt számára , speciális hordozófehérjéken (transzportereken) és csatornafehérjéken keresztül vagy endocitózissal áthatolhatnak a membránon . Passzív transzport
  esetén az anyagok energiafelhasználás nélkül átjutnak a lipid kettős rétegen , mivel az anyagok diffúzió útján kerülnek át a magas koncentrációjú régióból az alacsony tartományba, vagyis a koncentrációgradiens ellenében (a koncentrációgradiens a koncentráció növekedésének irányát jelzi). Ennek a mechanizmusnak egy változata a könnyített diffúzió , amelyben egy adott molekula segíti az anyag átjutását a membránon. Ennek a molekulának lehet egy csatornája, amelyen csak egyfajta anyag jut át. Az aktív szállítás energiát igényel, mivel az anyagok az alacsony koncentrációjú területről a magas koncentrációjú területre kerülnek át, vagyis koncentrációgradiens mentén. A membránon speciális pumpás fehérjék találhatók, köztük az ATPáz , amely aktívan pumpálja a káliumionokat (K + ) a sejtbe, és nátriumionokat (Na + ) pumpál ki belőle.
  
• Mátrix - biztosítja a membránfehérjék bizonyos relatív helyzetét és orientációját, optimális kölcsönhatásukat.
• Mechanikus - biztosítja a sejt autonómiáját, intracelluláris struktúráit, valamint a kapcsolatot más sejtekkel (a szövetekben). A sejtfalak fontos szerepet töltenek be a mechanikai funkciók biztosításában és az állatok sejtközötti anyagában .

• Energia - a kloroplasztiszokban a fotoszintézis és a mitokondriumokban a sejtlégzés során a membránjukban energiatranszfer rendszerek működnek, amelyekben fehérjék is részt vesznek.
• Receptor - a membránban található egyes fehérjék receptorok (molekulák, amelyek segítségével a sejt bizonyos jeleket érzékel).
  Például a vérben keringő hormonok csak azokra a célsejtekre hatnak, amelyeknek ezeknek a hormonoknak megfelelő receptorai vannak. A neurotranszmitterek (az idegimpulzusokat vezető vegyszerek) a célsejtek specifikus receptorfehérjéihez is kötődnek.
• Az enzimatikus membránfehérjék gyakran enzimek . Például a bélhámsejtek plazmamembránjai emésztőenzimeket tartalmaznak.
• A biopotenciálok generálásának és vezetésének megvalósítása .
  A membrán segítségével a sejtben állandó ionkoncentrációt tartanak fenn: a sejten belül a K + ion koncentrációja sokkal magasabb, mint a külső, a Na + koncentrációja pedig sokkal alacsonyabb, ami nagyon fontos, hiszen ez fenntartja a potenciálkülönbséget a membránon keresztül, és idegimpulzust generál .
• Sejtjelölés - a membránon antigének vannak , amelyek markerként működnek - "címkék", amelyek lehetővé teszik a sejt azonosítását. Ezek glikoproteinek (vagyis olyan fehérjék, amelyekhez elágazó oligoszacharid oldalláncok kapcsolódnak), amelyek az "antennák" szerepét töltik be. A számtalan oldallánc-konfigurációnak köszönhetően minden sejttípushoz külön markert lehet készíteni. A markerek segítségével a sejtek felismerhetnek más sejteket, és együtt tudnak működni velük, például szervek és szövetek kialakításakor. Ez azt is lehetővé teszi az immunrendszer számára, hogy felismerje az idegen antigéneket .

A biomembránok szerkezete és összetétele

A membránok három lipidosztályból állnak: foszfolipidek , glikolipidek és koleszterin . A foszfolipidek és glikolipidek (lipidek szénhidrátokkal) két hosszú hidrofób szénhidrogén "farokból" állnak, amelyek egy töltött hidrofil "fejhez" kapcsolódnak. A koleszterin merevíti a membránt azáltal, hogy elfoglalja a hidrofób lipidfarok közötti szabad teret, és megakadályozza azok meghajlását. Ezért az alacsony koleszterintartalmú membránok rugalmasabbak, míg a magas koleszterintartalmú membránok merevebbek és törékenyebbek. A koleszterin „záróként” is szolgál, amely megakadályozza, hogy a poláris molekulák a sejtből és a sejtbe bejussanak.

A membrán fontos részét a behatoló fehérjék alkotják, amelyek a membránok különféle tulajdonságaiért felelősek. Összetételük és orientációjuk a különböző membránokban eltérő. A fehérjék mellett gyűrű alakú lipidek találhatók - rendezettebbek, kevésbé mozgékonyak, több telített zsírsavat tartalmaznak, és a fehérjével együtt szabadulnak fel a membránból. Gyűrűs lipidek nélkül a membránfehérjék nem működnek.

A sejtmembránok gyakran aszimmetrikusak, vagyis a rétegek lipidösszetételükben különböznek egymástól, a külső főleg foszfatidil -inozitot , foszfatidilkolint , szfingomielineket és glikolipideket , a belső foszfatidil- szerint, foszfatidil -etanol-amint és foszfatidil -foszfatidot tartalmaz . Az egyes molekulák egyik rétegből a másikba való átmenete nehézkes, de megtörténhet spontán módon, körülbelül 6 havonta egyszer, vagy a plazmamembrán flippase és scramblase fehérjéi segítségével . Ha a foszfatidil -szerin megjelenik a külső rétegben , ez egy jel a makrofágok számára, hogy elpusztítsák a sejtet.

Membránszervecskék

Ezek a citoplazma zárt egyetlen vagy egymással összefüggő szakaszai, amelyeket membránok választanak el a hialoplazmától . Az egymembrán organellumok közé tartozik az endoplazmatikus retikulum , a Golgi-készülék , a lizoszómák , a vakuolák , a peroxiszómák ; kétmembrános magokhoz , mitokondriumokhoz , plasztidokhoz . A különböző organellumok membránjainak szerkezete különbözik a lipidek és a membránfehérjék összetételében.

Szelektív permeabilitás

A sejtmembránok szelektív permeabilitással rendelkeznek: a glükóz , aminosavak , zsírsavak , glicerin és ionok lassan diffundálnak rajtuk , és maguk a membránok bizonyos mértékig aktívan szabályozzák ezt a folyamatot - egyes anyagok átjutnak, mások nem. Négy fő mechanizmus létezik az anyagok sejtbe való bejutására vagy a sejtből a kifelé történő eltávolítására: diffúzió , ozmózis , aktív transzport és exo- vagy endocitózis . Az első két folyamat passzív jellegű, vagyis nem igényel energiát; az utolsó kettő az energiafogyasztással kapcsolatos aktív folyamatok.

A membrán szelektív permeabilitása a passzív transzport során a speciális csatornáknak - integrált fehérjéknek köszönhető. Át- és áthatolnak a membránon, egyfajta átjárót képezve. A K, Na és Cl elemeknek saját csatornái vannak. A koncentráció gradiens tekintetében ezeknek az elemeknek a molekulái a sejtbe és kifelé mozognak. Irritáció esetén a nátriumion csatornák megnyílnak, és a nátriumionok élesen beáramlanak a sejtbe . Ebben az esetben a membránpotenciál kiegyensúlyozatlansága következik be, amely után a membránpotenciál visszaáll. A káliumcsatornák mindig nyitva vannak, amelyeken keresztül a káliumionok lassan belépnek a sejtbe .

Lásd még

• Lipidek
• Külső bakteriális membrán
• Membrán támadó komplexum
• akciós potenciál

Jegyzetek

1. ↑ 1 2 Tverdislov V. A. , Yakovenko L. V. A biológiai membránok fizikája // Iskolások a modern fizikáról. Akusztika. Relativitás-elmélet. Biofizika. - M., Oktatás, 1990. - ISBN 5-09-001323-3 . - Példányszám 200 000 példány. - 131-158

Irodalom

• Antonov V. F. , Smirnova E. N., Shevchenko E. V. Lipid membránok fázistranszformációk során / Orosz Tudományos Akadémia , Moszkva. a természet tesztelői . — M .: Nauka , 1992. — 136 p. — ISBN 5-02-004090-8 .
• Gennis R. Biomembránok. Molekulaszerkezet és funkciók: fordítás angolból. = Biomembránok. Molekuláris szerkezet és funkció (Robert B. Gennis). - 1. kiadás - M .: Mir , 1997. - ISBN 5-03-002419-0 .
• Ivkov V. G. , Berestovsky T. N. Biológiai membránok lipid kettős rétege / Szerk. szerk. levelező tag Szovjetunió Tudományos Akadémia L. D. Bergelson ; A Szovjetunió Tudományos Akadémia Biológiai Fizikai Intézete . — M .: Nauka , 1982. — 224 p. — (Elméleti és alkalmazott biofizika).
• Rubin A. B. Biofizika, tankönyv 2 kötetben . - 3. kiadás, Rev. és további - M . : Moszkvai Kiadó. un-ta, 2004. - ISBN 5-211-06109-8 .
• Bruce Alberts és mtsai. A sejt molekuláris biológiája . — 5. kiadás. - New York: Garland Science, 2007. - ISBN 0-8153-3218-1 .  — angol nyelvű molekuláris biológia tankönyv
• Ammendolia, DA, Bement, WM & Brumell, JH A plazmamembrán integritása: egészségre és betegségekre gyakorolt ​​hatás. BMC Biol 19, 71 (2021). https://doi.org/10.1186/s12915-021-00972-y Áttekintés nagyszerű illusztrációkkal

Linkek

• Vladimirov Yu. A. A biológiai membránok összetevőinek károsodása kóros folyamatokban

Tematikus oldalak	FMA
Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán Nagy katalán Nagy orosz Britannica (online) Universalis Modern Ukrajna
Bibliográfiai katalógusokban	BNF : 11958886k GND : 4067550-6 J9U : 987007284825105171 LCCN : sh85021654 NDL : 00569973