Bunková membrána – stavebný prvok bunky, ktorý ju chráni pred vonkajším prostredím. Pomocou nej interaguje s medzibunkovým priestorom a je súčasťou biologického systému. Jeho membrána má špeciálnu štruktúru pozostávajúcu z lipidovej dvojvrstvy, integrálnych a semiintegrálnych proteínov. Posledne menované sú veľké molekuly, ktoré vykonávajú rôzne funkcie. Najčastejšie sa podieľajú na transporte špeciálnych látok, ktorých koncentrácia na rôznych stranách membrány je starostlivo regulovaná.
Všeobecný plán štruktúry bunkovej membrány
Plazmatická membrána je súbor molekúl tukov a komplexných bielkovín. Jeho fosfolipidy so svojimi hydrofilnými zvyškami sú umiestnené na opačných stranách membrány a tvoria lipidovú dvojvrstvu. Ale ich hydrofóbne oblasti, pozostávajúce zo zvyškov mastných kyselín, sú obrátené dovnútra. To vám umožňuje vytvoriť štruktúru tekutých kryštálov, ktorá môže neustále meniť tvar a je v dynamickej rovnováhe.
Táto vlastnosť štruktúry umožňuje obmedziť bunku od medzibunkového priestoru, pretože membrána je normálne nepriepustná pre vodu a všetky látky v nej rozpustené. Niektoré komplexné integrálne proteíny, semiintegrálne a povrchové molekuly sú ponorené do hrúbky membrány. Prostredníctvom nich bunka interaguje s vonkajším svetom, udržiava homeostázu a tvorí integrálne biologické tkanivá.
Proteíny plazmovej membrány
Všetky proteínové molekuly, ktoré sa nachádzajú na povrchu alebo v hrúbke plazmatickej membrány, sú rozdelené do typov v závislosti od hĺbky ich výskytu. Existujú integrálne proteíny prenikajúce do lipidovej dvojvrstvy, semiintegrálne proteíny, ktoré pochádzajú z hydrofilnej oblasti membrány a idú von, ako aj povrchové proteíny umiestnené na vonkajšej oblasti membrány. Integrálne proteínové molekuly prenikajú špeciálnym spôsobom do plazmalemy a môžu byť napojené na receptorový aparát. Mnohé z týchto molekúl prenikajú cez celú membránu a nazývajú sa transmembránové. Zvyšok je ukotvený v hydrofóbnej časti membrány a vystupuje na vnútorný alebo vonkajší povrch.
Kanály bunkových iónov
Iónové kanály najčastejšie fungujú ako integrálne komplexné proteíny. Tieto štruktúry sú zodpovedné za aktívny transport určitých látok do bunky alebo z bunky. Pozostávajú z niekoľkých proteínových podjednotiek a aktívneho miesta. Pri vystavení špecifickému ligandu na aktívnom centre, reprezentovanom špecifickou sadouaminokyselín, dochádza k zmene konformácie iónového kanála. Takýto proces vám umožňuje otvoriť alebo zatvoriť kanál, čím sa spustí alebo zastaví aktívny transport látok.
Niektoré iónové kanály sú väčšinou otvorené, ale keď je prijatý signál z receptorového proteínu alebo keď je pripojený špecifický ligand, môžu sa uzavrieť, čím sa zastaví prúd iónov. Tento princíp činnosti sa scvrkáva na skutočnosť, že kým nie je prijatý receptorový alebo humorálny signál na zastavenie aktívneho transportu určitej látky, bude sa vykonávať. Hneď po prijatí signálu by sa mala preprava zastaviť.
Väčšina integrálnych proteínov, ktoré fungujú ako iónové kanály, inhibuje transport, kým sa na aktívne miesto nepripojí špecifický ligand. Potom sa aktivuje transport iónov, čo umožní dobitie membrány. Tento algoritmus činnosti iónových kanálov je typický pre bunky excitabilných ľudských tkanív.
Typy zabudovaných proteínov
Všetky membránové proteíny (integrálne, semiintegrálne a povrchové) vykonávajú dôležité funkcie. Práve kvôli ich špeciálnej úlohe v živote bunky majú určitý typ integrácie do fosfolipidovej membrány. Niektoré proteíny, častejšie sú to iónové kanály, musia úplne potlačiť plazmalemu, aby mohli realizovať svoje funkcie. Potom sa nazývajú polytopické, teda transmembránové. Iné sú lokalizované svojim kotviacim miestom v hydrofóbnom mieste fosfolipidovej dvojvrstvy a aktívne miesto sa rozprestiera len do vnútornej alebo len do vonkajšejpovrchu bunkovej membrány. Potom sa nazývajú monotopické. Častejšie sú to receptorové molekuly, ktoré prijímajú signál z povrchu membrány a prenášajú ho na špeciálneho „sprostredkovateľa“.
Obnova integrálnych bielkovín
Všetky integrálne molekuly úplne prenikajú do hydrofóbnej oblasti a sú v nej fixované tak, že ich pohyb je povolený len pozdĺž membrány. Avšak vniknutie proteínu do bunky, rovnako ako spontánne oddelenie molekuly proteínu od cytolemy, je nemožné. Existuje variant, v ktorom integrálne proteíny membrány vstupujú do cytoplazmy. Je spojená s pinocytózou alebo fagocytózou, to znamená, keď bunka zachytáva pevnú látku alebo kvapalinu a obklopuje ju membránou. Potom sa vtiahne dovnútra spolu s proteínmi, ktoré sú v ňom obsiahnuté.
Samozrejme, toto nie je najefektívnejší spôsob výmeny energie v bunke, pretože všetky proteíny, ktoré predtým slúžili ako receptory alebo iónové kanály, budú trávené lyzozómom. To si vyžiada ich novú syntézu, na ktorú sa minie značná časť energetických zásob makroergov. Pri „využívaní“molekúl však často dochádza k poškodeniu iónových kanálov alebo receptorov, a to až k oddeleniu častí molekuly. To si vyžaduje aj ich resyntézu. Preto je fagocytóza, aj keď k nej dochádza pri štiepení vlastných receptorových molekúl, tiež spôsobom ich neustálej obnovy.
Hydrofóbna interakcia integrálnych proteínov
Ako to boloPopísané vyššie, integrálne membránové proteíny sú komplexné molekuly, ktoré sa zdajú byť uviaznuté v cytoplazmatickej membráne. Zároveň v nej môžu voľne plávať, pohybovať sa pozdĺž plazmalemy, ale nedokážu sa od nej odtrhnúť a vstúpiť do medzibunkového priestoru. Toto je realizované vďaka zvláštnostiam hydrofóbnej interakcie integrálnych proteínov s membránovými fosfolipidmi.
Aktívne centrá integrálnych proteínov sa nachádzajú buď na vnútornom alebo vonkajšom povrchu lipidovej dvojvrstvy. A ten fragment makromolekuly, ktorý je zodpovedný za pevnú fixáciu, sa vždy nachádza medzi hydrofóbnymi oblasťami fosfolipidov. Vďaka interakcii s nimi zostávajú všetky transmembránové proteíny vždy v hrúbke bunkovej membrány.
Funkcie integrálnych makromolekúl
Akýkoľvek integrálny membránový proteín má kotviace miesto umiestnené medzi hydrofóbnymi zvyškami fosfolipidov a aktívne centrum. Niektoré molekuly majú iba jedno aktívne centrum a nachádzajú sa na vnútornom alebo vonkajšom povrchu membrány. Existujú tiež molekuly s viacerými aktívnymi miestami. To všetko závisí od funkcií, ktoré vykonávajú integrálne a periférne proteíny. Ich prvou funkciou je aktívny transport.
Proteínové makromolekuly, ktoré sú zodpovedné za prechod iónov, pozostávajú z niekoľkých podjednotiek a regulujú iónový prúd. Plazmatická membrána normálne nemôže prechádzať hydratovanými iónmi, pretože ide o lipidy. Prítomnosť iónových kanálov, ktoré sú integrálnymi proteínmi, umožňuje iónom preniknúť do cytoplazmy a dobiť bunkovú membránu. Toto je hlavný mechanizmus pre výskyt membránového potenciálu buniek excitabilného tkaniva.
Receptorové molekuly
Druhou funkciou integrálnych molekúl je funkcia receptora. Jedna lipidová dvojvrstva membrány vykonáva ochrannú funkciu a úplne obmedzuje bunku od vonkajšieho prostredia. Avšak vďaka prítomnosti receptorových molekúl, ktoré sú reprezentované integrálnymi proteínmi, môže bunka prijímať signály z prostredia a interagovať s ním. Príkladom je kardiomyocytový adrenálny receptor, bunkový adhézny proteín, inzulínový receptor. Konkrétnym príkladom receptorového proteínu je bakteriorhodopsín, špeciálny membránový proteín nachádzajúci sa v niektorých baktériách, ktorý im umožňuje reagovať na svetlo.
Proteíny medzibunkovej interakcie
Tretia skupina funkcií integrálnych proteínov je realizácia medzibunkových kontaktov. Vďaka nim sa môže jedna bunka spojiť s druhou, čím vznikne reťazec prenosu informácií. Podľa tohto mechanizmu fungujú nexusy – medzerové spojenia medzi kardiomyocytmi, cez ktoré sa prenáša srdcový rytmus. Rovnaký princíp fungovania je pozorovaný v synapsiách, cez ktoré sa prenáša impulz v nervových tkanivách.
Prostredníctvom integrálnych proteínov môžu bunky vytvárať aj mechanické spojenie, ktoré je dôležité pri tvorbe integrálneho biologického tkaniva. Integrálne proteíny môžu tiež hrať úlohu membránových enzýmov a podieľať sa na prenose energie vrátane nervových impulzov.
