Biologiskt membran - Biological membrane

Tvärsnittsvy av de strukturer som kan bildas av fosfolipider i en vattenlösning

Ett biologiskt membran , biomembran eller cellmembran är ett selektivt permeabelt membran som separerar cell från den yttre miljön eller skapar intracellulära fack . Biologiska membran, i form av eukaryota cellmembran , består av ett fosfolipid tvåskikt med inbäddade, integrerade och perifera proteiner som används vid kommunikation och transport av kemikalier och joner . Huvuddelen av lipiden i ett cellmembran tillhandahåller en vätskematris för proteiner att rotera och diffundera i sidled för fysiologisk funktion. Proteiner är anpassade till en hög membranfluiditetsmiljö i lipiddubbelskikt med närvaro av ett ringformigt lipidskal , bestående av lipidmolekyler bundna tätt till ytan av integrerade membranproteiner . Cellmembranen skiljer sig från de isolerande vävnader som bildas av cellskikt, såsom slemhinnor , basalmembran och serösa membran .

Sammansättning

Asymmetri

En vätskemembranmodell av fosfolipid -tvåskiktet.

Lipiddubbelskiktet består av två lager- en yttre bipacksedel och en inre bipacksedel. Komponenterna i tvåskikt fördelas ojämnt mellan de två ytorna för att skapa asymmetri mellan de yttre och inre ytorna. Denna asymmetriska organisation är viktig för cellfunktioner såsom cellsignalering. Asymmetrin hos det biologiska membranet återspeglar de olika funktionerna hos membranets två broschyrer. Såsom framgår av vätskemembranmodellen för fosfolipid -tvåskiktet är membranets yttre broschyr och inre folder asymmetrisk i sin sammansättning. Vissa proteiner och lipider vilar endast på ena ytan av membranet och inte på den andra.

• Både plasmamembranet och inre membran har cytosoliska och exoplasmatiska ansikten • Denna orientering upprätthålls under membranhandel - proteiner, lipider, glykokonjugat som vetter mot lumen i ER och Golgi kommer till uttryck på plasmamembranets extracellulära sida. I eukaryota celler tillverkas nya fosfolipider av enzymer bundna till den del av det endoplasmatiska retikulamembranet som vetter mot cytosolen. Dessa enzymer, som använder fria fettsyror som substrat , avsätter alla nygjorda fosfolipider i den cytosoliska halvan av tvåskiktet. För att membranet som helhet ska kunna växa jämnt måste sedan hälften av de nya fosfolipidmolekylerna överföras till det motsatta monoskiktet. Denna överföring katalyseras av enzymer som kallas flippaser . I plasmamembranet överför flippaser specifikt fosfolipider selektivt, så att olika typer koncentreras i varje monoskikt.

Att använda selektiva flippaser är emellertid inte det enda sättet att producera asymmetri i lipidbilager. I synnerhet fungerar en annan mekanism för glykolipider - de lipider som visar den mest slående och konsekventa asymmetriska fördelningen i djurceller .

Lipider

Det biologiska membranet består av lipider med hydrofoba svansar och hydrofila huvuden. De hydrofoba svansarna är kolvätsvansar vars längd och mättnad är viktiga för att karakterisera cellen. Lipidflottor uppstår när lipidarter och proteiner samlas i domäner i membranet. Dessa hjälper till att organisera membrankomponenter i lokaliserade områden som är involverade i specifika processer, såsom signaltransduktion.

Röda blodkroppar, eller erytrocyter, har en unik lipidsammansättning. Det tvåskiktiga röda blodkropparna består av kolesterol och fosfolipider i lika viktprocent. Erytrocytmembran spelar en avgörande roll vid blodproppar. I tvåskiktet av röda blodkroppar finns fosfatidylserin. Detta är vanligtvis på membranets cytoplasmatiska sida. Det vänds dock till det yttre membranet för att användas under blodproppar.

Proteiner

Fosfolipid -skikt innehåller olika proteiner. Dessa membranproteiner har olika funktioner och egenskaper och katalyserar olika kemiska reaktioner. Integrerade proteiner spänner över membranen med olika domäner på vardera sidan. Integrerade proteiner har en stark koppling till lipid -tvåskiktet och kan inte lätt lossna. De kommer bara att dissociera med kemisk behandling som bryter membranet. Perifera proteiner är till skillnad från integrerade proteiner genom att de håller svaga interaktioner med ytan på tvåskiktet och kan lätt bli dissocierade från membranet. Perifera proteiner finns bara på ena sidan av ett membran och skapar membranasymmetri.

Oligosackarider

Oligosackarider är sockerinnehållande polymerer. I membranet kan de bindas kovalent till lipider för att bilda glykolipider eller kovalent bundna till proteiner för att bilda glykoproteiner . Membran innehåller sockerinnehållande lipidmolekyler som kallas glykolipider. I tvåskiktet exponeras sockergrupperna av glykolipider vid cellytan, där de kan bilda vätebindningar. Glykolipider ger det mest extrema exemplet på asymmetri i lipidbilaget. Glykolipider utför ett stort antal funktioner i det biologiska membranet som huvudsakligen är kommunikativa, inklusive celligenkänning och cell-celladhesion. Glykoproteiner är integrerade proteiner. De spelar en viktig roll i immunsvaret och skyddet.

Bildning

Fosfolipid -tvåskiktet bildas på grund av aggregering av membranlipider i vattenlösningar. Aggregering orsakas av den hydrofoba effekten , där hydrofoba ändar kommer i kontakt med varandra och avskiljs från vatten. Detta arrangemang maximerar vätebindningen mellan hydrofila huvuden och vatten samtidigt som ogynnsam kontakt mellan hydrofoba svansar och vatten minimeras. Ökningen av tillgänglig vätebindning ökar systemets entropi och skapar en spontan process.

Fungera

Biologiska molekyler är amfifila eller amfipatiska, dvs samtidigt hydrofoba och hydrofila. Fosfolipid -tvåskiktet innehåller laddade hydrofila huvudgrupper som interagerar med polärt vatten . Skikten innehåller också hydrofoba svansar, som möter de hydrofoba svansarna i komplementskiktet. De hydrofoba svansarna är vanligtvis fettsyror som skiljer sig i längder. De interaktioner av lipider, i synnerhet de hydrofoba svansarna, fastställa vilken lipiddubbelskiktet fysikaliska egenskaper såsom fluiditet.

Membran i celler definierar vanligtvis inneslutna utrymmen eller fack där celler kan upprätthålla en kemisk eller biokemisk miljö som skiljer sig från utsidan. Till exempel skyddar membranet runt peroxisomer resten av cellen från peroxider, kemikalier som kan vara giftiga för cellen och cellmembranet separerar en cell från dess omgivande medium. Peroxisomer är en form av vakuol som finns i cellen och som innehåller biprodukter av kemiska reaktioner i cellen. De flesta organeller definieras av sådana membran och kallas "membranbundna" organeller.

Selektiv permeabilitet

Förmodligen är det viktigaste med en biomembran att det är en selektivt permeabel struktur. Detta betyder att storleken, laddningen och andra kemiska egenskaper hos atomerna och molekylerna som försöker korsa den kommer att avgöra om de lyckas göra det. Selektiv permeabilitet är avgörande för effektiv separation av en cell eller organell från omgivningen. Biologiska membran har också vissa mekaniska eller elastiska egenskaper som gör att de kan ändra form och röra sig efter behov.

I allmänhet kan små hydrofoba molekyler lätt korsa fosfolipid -skikt genom enkel diffusion .

Partiklar som krävs för cellulär funktion men som inte kan diffundera fritt över ett membran kommer in genom ett membrantransportprotein eller tas upp med hjälp av endocytos , där membranet tillåter en vakuol att ansluta sig till det och skjuta dess innehåll in i cellen. Många typer av specialiserade plasmamembran kan skilja cell från yttre miljön: apikala, basolaterala, presynaptiska och postsynaptiska sådana membran av flag, cilier, mikrovillus , filopodia och lamellipodia den sarcolemma av muskelceller, samt specialiserade myelin och dendritiska ryggraden membran av neuroner. Plasmamembran kan också bilda olika typer av "supramembrane" strukturer såsom grottor , postsynaptisk densitet, podosom , invadopodium , desmosom, hemidesmosom , fokal vidhäftning och cellkorsningar. Dessa typer av membran skiljer sig åt i lipid- och proteinsammansättning.

Distinkta typer av membran skapar också intracellulära organeller: endosom; slät och grov endoplasmatisk retikulum; sarkoplasmatisk retikulum; Golgiapparat; lysosom; mitokondrion (inre och yttre membran); kärnan (inre och yttre membran); peroxisom ; vakuum; cytoplasmatiska granuler; cell vesiklar (fagosomen, autophagosome , clathrin -belagd vesiklar, Copi -belagd och COPII -belagd vesiklar) och sekretoriska vesiklar (inklusive synaptosom , akrosomer , melanosomer, och kromaffina granuler). Olika typer av biologiska membran har olika lipid- och proteinkompositioner. Innehållet i membran definierar deras fysiska och biologiska egenskaper. Vissa membrankomponenter spelar en nyckelroll i medicin, till exempel effluxpumpar som pumpar ut läkemedel ur en cell.

Fluiditet

Den hydrofoba kärnan i fosfolipid -skiktet rör sig ständigt på grund av rotationer runt bindningarna av lipidsvansar. Hydrofoba svansar i en tvåskiktsböjning och låsas ihop. På grund av vätebindning med vatten uppvisar emellertid de hydrofila huvudgrupperna mindre rörelse eftersom deras rotation och rörlighet begränsas. Detta resulterar i ökad viskositet för lipid -dubbelskiktet närmare de hydrofila huvuden.

Under en övergångstemperatur tappar ett lipiddubbelskikt flytande när de mycket rörliga lipiderna uppvisar mindre rörelse och blir till ett geliknande fast ämne. Övergångstemperaturen beror på sådana komponenter i lipiddubbelskiktet som kolvätekedjans längd och mättnad av dess fettsyror. Temperaturberoende fluiditet utgör ett viktigt fysiologiskt attribut för bakterier och kallblodiga organismer. Dessa organismer upprätthåller en konstant fluiditet genom att modifiera membranlipidfettsyrasammansättningen i enlighet med olika temperaturer.

I djurceller, är membranfluiditet modulerad genom införlivandet av sterolen kolesterol . Denna molekyl förekommer i särskilt stora mängder i plasmamembranet, där den utgör cirka 20 viktprocent av lipiderna i membranet. Eftersom kolesterolmolekylerna är korta och styva, fyller de utrymmena mellan angränsande fosfolipidmolekyler som lämnas av kinkarna i deras omättade kolvätesvansar. På detta sätt tenderar kolesterol att styva dubbelskiktet, vilket gör det mer styvt och mindre genomträngligt.

För alla celler är membranvätskan viktig av många skäl. Det gör det möjligt för membranproteiner att snabbt diffundera i tvåskiktsplanet och interagera med varandra, vilket är avgörande, till exempel vid cellsignalering . Det tillåter membranlipider och proteiner att diffundera från platser där de sätts in i tvåskiktet efter deras syntes till andra regioner i cellen. Det tillåter membran att smälta ihop och blanda sina molekyler, och det säkerställer att membranmolekyler fördelas jämnt mellan dotterceller när en cell delar sig. Om biologiska membran inte var flytande är det svårt att föreställa sig hur celler kan leva, växa och reproducera sig.

Se även

• Collodion väska
• Modell med flytande mosaik
• Osmos
• Membranbiologi

Referenser

externa länkar

• Media relaterade till biologiska membran på Wikimedia Commons
• Membraner vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)