Błona komórkowa - element strukturalny komórki, chroniący ją przed środowiskiem zewnętrznym. Za jego pomocą wchodzi w interakcję z przestrzenią międzykomórkową i jest częścią systemu biologicznego. Jej błona ma specjalną strukturę składającą się z dwuwarstwy lipidowej, białek integralnych i półintegralnych. Te ostatnie to duże cząsteczki, które pełnią różne funkcje. Najczęściej biorą udział w transporcie specjalnych substancji, których stężenie po różnych stronach membrany jest dokładnie regulowane.
Ogólny plan struktury błony komórkowej
Błona plazmatyczna to zbiór cząsteczek tłuszczów i złożonych białek. Jego fosfolipidy wraz z resztami hydrofilowymi znajdują się po przeciwnych stronach błony, tworząc dwuwarstwę lipidową. Ale ich hydrofobowe obszary, składające się z reszt kwasów tłuszczowych, są skierowane do wewnątrz. Pozwala to na stworzenie płynnej struktury ciekłokrystalicznej, która może stale zmieniać kształt i jest w dynamicznej równowadze.
Ta cecha struktury pozwala ograniczyć komórkę z przestrzeni międzykomórkowej, ponieważ membrana jest normalnie nieprzepuszczalna dla wody i wszystkich rozpuszczonych w niej substancji. Niektóre złożone białka integralne, cząsteczki półintegralne i powierzchniowe są zanurzone w grubości błony. Za ich pośrednictwem komórka wchodzi w interakcję ze światem zewnętrznym, utrzymując homeostazę i tworząc integralne tkanki biologiczne.
Białka błony osocza
Wszystkie cząsteczki białek, które znajdują się na powierzchni lub w grubości błony plazmatycznej, dzielą się na typy w zależności od głębokości ich występowania. Istnieją białka integralne penetrujące dwuwarstwę lipidową, białka półintegralne, które pochodzą z hydrofilowego regionu błony i wychodzą na zewnątrz, a także białka powierzchniowe zlokalizowane na zewnętrznej powierzchni błony. Cząsteczki białka integralnego w szczególny sposób przenikają do osocza i mogą być połączone z aparatem receptorowym. Wiele z tych cząsteczek przenika przez całą błonę i nazywa się je transbłonowymi. Pozostałe są zakotwiczone w hydrofobowej części membrany i wychodzą na wewnętrzną lub zewnętrzną powierzchnię.
Komórkowe kanały jonowe
Najczęściej kanały jonowe działają jak integralne, złożone białka. Struktury te są odpowiedzialne za aktywny transport niektórych substancji do lub z komórki. Składają się z kilku podjednostek białkowych i miejsca aktywnego. Po wystawieniu na działanie określonego liganda w centrum aktywnym, reprezentowanego przez określony zestawaminokwasów, następuje zmiana konformacji kanału jonowego. Taki proces pozwala na otwarcie lub zamknięcie kanału, a tym samym rozpoczęcie lub zatrzymanie aktywnego transportu substancji.
Niektóre kanały jonowe są przez większość czasu otwarte, ale gdy odbierany jest sygnał z białka receptora lub gdy przyłączony jest określony ligand, mogą się zamknąć, zatrzymując prąd jonów. Ta zasada działania sprowadza się do tego, że dopóki nie zostanie odebrany sygnał receptorowy lub humoralny, aby zatrzymać aktywny transport określonej substancji, będzie on realizowany. Jak tylko sygnał zostanie odebrany, transport powinien zostać zatrzymany.
Większość integralnych białek, które działają jako kanały jonowe, hamuje transport, dopóki do miejsca aktywnego nie zostanie przyłączony określony ligand. Następnie aktywowany zostanie transport jonów, co pozwoli na ponowne naładowanie membrany. Ten algorytm działania kanałów jonowych jest typowy dla komórek pobudliwych tkanek ludzkich.
Rodzaje wbudowanych białek
Wszystkie białka błonowe (całkowe, półintegralne i powierzchniowe) pełnią ważne funkcje. Właśnie ze względu na ich szczególną rolę w życiu komórki mają pewien rodzaj integracji z błoną fosfolipidową. Niektóre białka, częściej są to kanały jonowe, muszą całkowicie stłumić plazmalemę, aby realizować swoje funkcje. Następnie nazywane są politopowymi, czyli transbłonowymi. Inne są zlokalizowane przez ich miejsce zakotwiczenia w hydrofobowym miejscu podwójnej warstwy fosfolipidowej, a miejsce aktywne rozciąga się tylko do wnętrza lub tylko do zewnętrznegopowierzchnia błony komórkowej. Wtedy nazywane są monotopowymi. Częściej są to cząsteczki receptorowe, które odbierają sygnał z powierzchni błony i przekazują go do specjalnego „pośrednika”.
Odnowa integralnych białek
Wszystkie integralne cząsteczki całkowicie wnikają w obszar hydrofobowy i są w nim utrwalane w taki sposób, że ich ruch jest dozwolony tylko wzdłuż błony. Jednak wniknięcie białka do komórki, podobnie jak samoistne oderwanie się cząsteczki białka od cytolemmy, jest niemożliwe. Istnieje wariant, w którym integralne białka błony wchodzą do cytoplazmy. Jest to związane z pinocytozą lub fagocytozą, to znaczy, gdy komórka wychwytuje ciało stałe lub płyn i otacza je błoną. Następnie jest wciągany do środka wraz z osadzonymi w nim białkami.
Oczywiście nie jest to najskuteczniejszy sposób wymiany energii w komórce, ponieważ wszystkie białka, które wcześniej służyły jako receptory lub kanały jonowe, zostaną strawione przez lizosom. Będzie to wymagało ich nowej syntezy, na co wydatkowana zostanie znaczna część zasobów energetycznych makroergów. Jednak podczas „eksploatacji” cząsteczek często dochodzi do uszkodzenia kanałów jonowych lub receptorów, aż do oderwania się fragmentów cząsteczki. Wymaga to również ich ponownej syntezy. Dlatego fagocytoza, nawet jeśli następuje wraz z rozszczepieniem własnych cząsteczek receptora, jest również sposobem na ich nieustanną odnowę.
Hydrofobowe oddziaływanie białek integralnych
Jak byłoopisane powyżej, integralne białka błonowe są złożonymi cząsteczkami, które wydają się utknąć w błonie cytoplazmatycznej. Jednocześnie mogą w nim swobodnie pływać, poruszając się wzdłuż plazmlemmy, ale nie mogą się od niej oderwać i wejść w przestrzeń międzykomórkową. Jest to realizowane dzięki szczególnym właściwościom hydrofobowego oddziaływania białek integralnych z fosfolipidami błonowymi.
Aktywne centra integralnych białek znajdują się na wewnętrznej lub zewnętrznej powierzchni dwuwarstwy lipidowej. A ten fragment makrocząsteczki, który odpowiada za ścisłe wiązanie, zawsze znajduje się wśród hydrofobowych regionów fosfolipidów. Dzięki interakcji z nimi wszystkie białka transbłonowe zawsze pozostają w grubości błony komórkowej.
Funkcje całkowych makrocząsteczek
Każde integralne białko błonowe ma miejsce zakotwiczenia zlokalizowane pomiędzy hydrofobowymi resztami fosfolipidów i centrum aktywne. Niektóre cząsteczki mają tylko jedno centrum aktywne i znajdują się na wewnętrznej lub zewnętrznej powierzchni błony. Istnieją również cząsteczki z wieloma miejscami aktywnymi. Wszystko to zależy od funkcji pełnionych przez białka integralne i peryferyjne. Ich pierwszą funkcją jest aktywny transport.
Makrocząsteczki białek, które odpowiadają za przechodzenie jonów, składają się z kilku podjednostek i regulują przepływ jonów. Zwykle błona plazmatyczna nie może przepuszczać uwodnionych jonów, ponieważ z natury jest lipidem. Obecność kanałów jonowych, które są integralnymi białkami, pozwala jonom wnikać do cytoplazmy i ładować błonę komórkową. Jest to główny mechanizm powstawania potencjału błonowego komórek pobudliwych tkanek.
Cząsteczki receptorowe
Drugą funkcją integralnych cząsteczek jest funkcja receptora. Jedna podwójna warstwa lipidowa błony pełni funkcję ochronną i całkowicie ogranicza komórkę od środowiska zewnętrznego. Jednak dzięki obecności cząsteczek receptorowych, które są reprezentowane przez białka integralne, komórka może odbierać sygnały z otoczenia i oddziaływać z nim. Przykładem jest receptor nadnerczowy kardiomiocytów, białko adhezyjne komórek, receptor insuliny. Szczególnym przykładem białka receptorowego jest bakteriorodopsyna, specjalne białko błonowe występujące w niektórych bakteriach, które pozwala im reagować na światło.
Białka interakcji międzykomórkowych
Trzecia grupa funkcji białek integralnych to realizacja kontaktów międzykomórkowych. Dzięki nim jedna komórka może łączyć się z drugą, tworząc w ten sposób łańcuch przekazywania informacji. Nexusy działają zgodnie z tym mechanizmem - połączeniami szczelinowymi między kardiomiocytami, przez które przekazywany jest rytm serca. Ta sama zasada działania jest obserwowana w synapsach, przez które impuls jest przekazywany w tkankach nerwowych.
Dzięki integralnym białkom komórki mogą również tworzyć połączenia mechaniczne, co jest ważne w tworzeniu integralnej tkanki biologicznej. Ponadto białka integralne mogą pełnić rolę enzymów błonowych i uczestniczyć w przekazywaniu energii, w tym impulsów nerwowych.
