Ćelijska membrana

ĆELIJSKA MEMBRANA- MODEL ORGANIZACIJE BIOMEMBRANA

1. BIOMEMBRANE
2. KONCEPT MEMBRANE kao ćelijske membrane i biomembrane
3. ĆELIJSKA MEMBRANA, struktura i funkcija
4. MOLEKULARNI MODELI, metodi izučavanja
5. PROCESI NA ĆELIJSKOJ MEMBRANI: transport, endocitoza, egzocitoza

Da li strukturu ćelijskih membrana možemo primeniti kao model na bilo koju membranu unutar ćelije? Kakva je povezanost ćelijske membrane i organela unutar ćelije? Da li je ćelijska membrana strukturno i funkcionalno povezana sa svim membranama? Strukturna i funkciona sličnost je izražena što pokazuje jedinstveno poreklo biomembrana. Brojne funkcije se odvijaju u i na biomembranama: produkcija ATP, sinteza mnogih molekula, transport, sinteza proteina, enzimske reakcije, fotosinteza… Membrane učestvuju u pupljenju vezikula, fertilizaciji, citokinezi. Svi membranski procesi su važni za održavanje i funkcionisanje ćelija. One poseduju transportnu funkciju jer vrše razmenu sa spoljašnjom sredinom.

Membrana povezuje živi sistem sa okolinom. Povezanost plazmatične membrane i membrane organela kao i povezanost strukture i funkcije su dokaz o jedinstvenom poreklu biomembranu. Funkcije u ćeliji se ne odvijaju samo u kompartmentima- glikoliza u citoplazmi, transkripcija u nukleusu, produkcija ATP-a u mitohondrijama. Na samim membranama se odvija veliki broj procesa, jer je evolucija membrana tekla u pravcu preuzimanju raznih funkcija i njihovom zaokruživanju i izdvajanju u pojedinačne kompartmente (organele).

Membrana sveobuhvatno povezuje živi sistem sa okolinom, nije tu da odvoji ćelije od okoline, već da je na specifičan način poveze sa okolinom.

STRUKTURA BIOMEMBRANE: kada se ćelija posmatra svetlosnim mikroskopom, membrane se vide kao linije. Može se uociti ćelijska membrana, membrana koja okružuje nukleus ili vakuolu, membrane mitohondrije, endoplazmaticnog retikuluma, sekretornih vezikula. Dublje na elektronskoj mikroskopiji vidi se prividno troslojni izgled membrane, to znaci da vidimo alterirajuće crne i bele trake. Ovakav izgled biomembrana naveo je citologe da daju prvi model organizacije membrane, koji je govorio da je membrana troslojna.

Uporednim biohemijskim istraživanjima sastava ćelijske membrane jasno su izdiferencirane tri organske komponente koje je izgrađuju- proteini, lipidi i ugljeni hidrati. Kako se u prvo vreme nije znala tačna količina proteina i lipida koji učestvuju u membrani ćelije troslojni modelom ćelijske membrane uključivao je dva periferna proteinska sloja između kojih je, kao u sendviču, jedan lipidni sloj. Detaljnije kvantitativne biohemijske analize dale su tačan procenat svake od ove tri komponente, i videlo se da se ne poklapaju količine proteina i lipida sa
troslojim izgledom membrane. Naime, kada se po troslojnom modelu preračuna količina proteina u dva sloja, ta brojka je bila mnogostruko veća, tačnije proteini su »nedostajali«.

Ovakav model je prevaziđen, odnosno korigovan uvođenjem posebne metode- zamrzavanje i lomljenje biomembrana. Metodom je bilo moguće cepati biomembrane i posmatrati membrana sa svake strane kroz ta tri sloja: spolja i unutra (jer se zamrzavanjem ćelijska membrana lomi u tri nivoa). Već se znalo da se na elektronskom mikroskopu proteini vide kao globule, a lipidi kao homogene sive mase. Na osnovu toga moglo se očekivati nekoliko opcija šta ce se dogoditi. Metod je pokazao da membrana nije troslojna već dvoslojna, prividna
troslojnost na rutinskoj elektronskoj mikroskopiji je poticala od greške prilikom prepariranja, jer se teški metali korišćeni u fiksaciji ćelije specifično talože s jedne i druge strane membrane i vrše veštačko zacrnjenje– to je prividna troslojnost ćelijske membrane.

Fluidno-mozaični i asimetrični model ćelijske membrane Ovaj model postulira tri važne osobine membrane: membrana je fluidni fosfolipidni dvosloj(1); mozaično je zaposednut roteinima; (2) asimetrično su zastupljene sve tri gradivne komponente (polarni lipidi, proteini, ugljeni hidrati)u odnosu na dvosloj (3).

Model sistem na kome je izučavana građa membrane, bila je ćelijska membrana sisarskog (humanog) eritrocita. To su ćelije koje su lako dostupne i jeftine kao eksperimentalni materijal. Ertitrociti sisara (osim kod kamila i lama) ne poseduju organele vec samo ćelijsku membranu i citoplazmu. Pri variranju jonskog sastava sredine gde se eritrocit nalazi, eritrocit pokazuje aktivnu promenu forme, od jednog zgrčenog (ježoliki ehinocit ili kreatinocit) do rastegnutog, uvećanog eritrocita (sferocit). Takav poremećaj jonskog sastava bi indukovao hemolizu- razlaganje eritrocita. Podešavanjem jonskog sastava (hipotonični rastvor) izazivala bi se hemoliza, i nakon kratkog centrifugiranja dobijale bi se čiste membranske frakcije- model za
ispitivanje biohemijskim, citološkim i molekularno-biološkim metodima.

Hemijski sastav: kada je ponovo urađen, hemijski sastav je pokazao priličnu ispravnost iz prethodnog modela, videle su se 3 komponente: lipidi, proteini i ugljeni hidrati. Lipidi membrana: Lipidi kao organski molekuli mogu biti neutralni i polarni lipidi. Neutralni lipidi su u živom svetu uglavnom trigliceridi, oni su deponujući lipidi u ćelijama (lipidna tela).
Lipidi biomembrana su polarni molekuli i mogu biti glicerofosfo- ili sfingolipidi. Od fosfolipida najzastupljeniji su fosfatidiletanolamin, fosfatidiletanolserin…, a do sfingolipida sfingomijelin.

Molekuli ovog hemijskog sastava, kako im ime kaže, pokazuju polarnost, mogu se razlikovati polarni glaveni domeni i nepolarni dugački repovi. Okoloćelijski matriks, odnosno
okoloćelijska sredina kao i unutrašnjost ćelije (unutarćelijska sredina) jesu de facto vodene sredine. Polarni molekuli fosfolipida »prinuđeni su« da se u takvoj vodenoj sredini, u živim
sistemima, organizuju u vidu dvosloja, polarne glave se okreću ka citoplazmi i ekstraćelijskom matriksu, a nepolarni hidrofobni repovi su okrenuti jedni ka drugima tj. ka unutrašnjosti
dvosloja.

Fosfolipidi unutar monoslojeva se relativno lako kreću tzv. lateralnom difuzijom– unutar svog monosloja- gore, dole, levo, desno, i to je upravo osobina fluidnosti (tecljivosti)
membrane. Pokretanje fosfolipida između monoslojeva, iz jednog u drugi sloj je retko jer je energetski nepovoljno. Ovaj proces označava se kao FLIP-FLOP. Ova izmena može biti enzimski katalisana, postoje enzimi flipaze u membranama, npr. endoplazminog retikuluma (ER) koji pojačavaju ovu izmenu– flip-flop. Za razliku od ER u ćelijskoj membrani flip-flop je
redak proces.

U sastav membrana ulazi i steroidni molekul holesterol. To je planaran molekul koji se umeće između fosfolipida i doprinosi održanju membrana u uslovima tranzicije (suviše niske ili
visoke temperature). Ćelijska membrana nije podjednako organizovana celom svojom površinom već poseduje mikrodomene. Za sada najbolje proučeni mikrodomeni jesu lipidna ostravca- delovi ćelijske membrane u kojim je visoka koncentracija sfingolipida i holesterola te se oni strukturno (nešto su deblji- oko 8 mikrometara, i tečljiviji) i funkcijski (u okviru njih se odigrava endocitoza) razlikuju od ostatka membrane.

Proteini membrana: Proteini membrana mogu se podeliti na (1) strukturne i funkcione (ako posmatramo da li uspostavljaju organizaciju ćelije tako što se vezuju za citoskelet i/ili
okoloćelijsku sredinu ili su napr. jonske pumpe) i (2) periferne i integralne (ako posmatramo lokalizaciju u membrani). Periferni proteini »pridruženi« su membrani i sa citoplazmatične i sa okoloćelijske strane. Sa unutrašnje, citoplazmatične strane najčešće ih »drži« veza sa fosfolipidima, a spoljne, okoloćelijske joni Ca2+. Njihovo odvajanje tokom izučavanja strukture
membrane vrši se ili fosfolipazama ili helatorima jonova (vidi Alberts, B. Molecular Biology of The Cell, ili Leninger Biochemistry). Integralni proteini membrana prostiru se delimično ili
potpuno kroz dvosloj, mogu biti fibrilarni ili globularni po izgledu. U slučaju potpunoprolazećih integralnih proteina uočavaju se tri domena na njima: citoplazmatični, membranski i vanćelijski.

Integralni proteini veoma su raznoliki po zastupljenosti i lokalizaciji u membrani. Neki od njih prolaze jedanput, a neki više puta kroz membranu (španuju je); N i C terminusi im mogu biti
različito okrenuti u odnosu na dvosloj; iako sasvim lepo mogu da se pokreću lateralnom difuzijom većina njih je »ukotvljena« nekim od restrikujućih sistema u određenim mikrodomenima membrane. Proučavaju se tako što se nakon odstranjivanja perifernih proteina deterdžentima membrana solubilizuje, »razbija« na micele koje sadrže malo lipida i pojedinačne integralne proteine.