Membrana celulară (sau membrana plasmatică) este alcătuită din mai multe componente diferite. Fosfolipidele formează un strat dublu; cozile hidrofobe ale lor, compuse din acizi grași, sunt în contact unele cu altele, iar porțiunile hidrofile ale fosfolipidelor sunt orientate spre mediul apos intern și extern.
Alături de fosfolipide, în structura membranei celulare intră mai multe tipuri de proteine cu funcții diferite. Proteinele membranare integrate se întind adesea pe toată lățimea membranei și pot transporta materiale în sau din celule; aceste proteine încorporate pot fi hidrofile sau hidrofobe, în funcție de plasarea lor în membrană. Proteinele membranare periferice sunt întâlnite pe suprafețele exterioare și interioare ale membranelor și pot servi ca enzime, ca atașamente structurale pentru fibrele citoscheletului și ca parte a siturilor de recunoaștere ale unei celule. Aceste proteine „specifice celulei” joacă un rol vital în funcția imunitară, permit celulelor de un anumit tip (de exemplu, celule hepatice) să se identifice reciproc atunci când formează un țesut și permit hormonilor și altor molecule să recunoască celulele-țintă. Aceste proteine „plutesc” prin membrană, în flux constant.
Membrana plasmatică a unei celule definește celula, îi conturează granițele și determină natura interacțiunii acesteia cu mediul său. Celulele pot secreta, încorpora și excreta diferite substanțe, toate în cantități controlate. Membrana celulară trebuie să fie foarte flexibilă pentru a permite anumitor celule, cum sunt globulele roșii și globulele albe din sânge, să își schimbe forma pe măsură ce trec prin capilarele sanguine înguste.
Acestea sunt funcțiile mai importante ale unei membrane plasmatice. În plus, suprafața membranei plasmatice poartă markeri care permit celulelor să se recunoască între ele, ceea ce este vital pentru formarea țesuturilor și a organelor în timpul dezvoltării timpurii și care mai târziu joacă un rol în distincția „self” („propriu”) față de „non-self” („străin”) a răspunsului imun.
Printre cele mai sofisticate funcții ale membranei plasmatice se numără capacitatea de a transmite semnale prin intermediul unor proteine complexe, integrale, cunoscute sub numele de receptori. Aceste proteine acționează atât ca receptori ai intrărilor extracelulare, cât și ca activatori ai proceselor intracelulare. Acești receptori membranari furnizează locuri de atașare extracelulare pentru efectori, cum ar fi hormonii și factorii de creștere, și activează cascadele de răspuns intracelular atunci când efectorii lor sunt legați. Ocazional, receptorii sunt deturnați de virusuri care îi folosesc pentru a pătrunde în celule, iar, uneori, genele care codifică receptorii suferă mutații, determinând procesul de transducție a semnalului să funcționeze defectuos, ceea ce are consecințe dezastruoase.
Modelul mozaicului fluid
Existența membranei celulare a fost identificată în anii 1890, iar componentele sale chimice au fost identificate în 1915. Principalele componente identificate în acel moment au fost lipidele și proteinele.
Primul model acceptat pe larg al structurii membranei plasmatice a fost propus în 1935 de către savanții Hugh Davson și James Danielli; modelul se baza pe aspectul de „cale ferată” al membranei plasmatice în micrografiile electronice efectuate la acea vreme. Savanții au teoretizat că structura membranei plasmatice seamănă cu un sandviș, proteinele fiind analoage cu pâinea, iar lipidele fiind analoage cu umplutura.
În anii 1950, progresele în microscopie, în special microscopia electronică cu transmisie (TEM), au permis cercetătorilor să vadă că miezul membranei plasmatice constă dintr-un strat dublu, mai degrabă decât dintr-un singur strat. Un nou model care explica mai bine atât observațiile microscopice, cât și funcția membrane plasmatice a fost propus de S.J. Singer și Garth L. Nicolson în anul 1972.
Explicația propusă de Singer și Nicolson se numește modelul mozaicului fluid. Modelul a evoluat oarecum de-a lungul timpului, dar încă ține seama cel mai bine de structura și funcțiile membranei plasmatice așa cum le înțelegem acum.
Modelul mozaicului fluid descrie structura membranei plasmatice ca un mozaic de componente – inclusiv fosfolipide, colesterol, proteine și carbohidrați – care conferă membranei un caracter fluid. Membranele plasmatice variază de la 5 la 10 nanometri în grosime. Pentru comparație, globulele roșii umane, vizibile prin microscopie optică, au aproximativ 8 micrometri lățime, fiind de aproximativ 1.000 de ori mai late decât o membrană plasmatică. Membrana arată puțin ca un sandviș (Figura 1).
Figura 1 – Modelul mozaicului fluid al membranei celulare descrie membrana drept o combinație fluidă de fosfolipide, colesterol și proteine. Carbohidrații atașați de lipide (glicolipidele) și de proteine (glicoproteinele) se extind de pe suprafața exterioară a membranei.
Componentele principale ale unei membrane plasmatice sunt lipidele (fosfolipide și colesterol), proteinele și carbohidrații atașați la unele dintre lipide și unele dintre proteine. O fosfolipidă este o moleculă formată din glicerol, doi acizi grași și un grup principal legat de fosfat. Colesterolul, o altă lipidă compusă din patru inele de carbon fuzionate, se găsește alături de fosfolipidele din miezul membranei.
Proporțiile de proteine, lipide și carbohidrați din membrana plasmatică variază în funcție de tipul de celulă, dar pentru o celulă umană tipică, proteinele reprezintă aproximativ 50% din masă, lipidele (de toate tipurile) reprezintă aproximativ 40% din masă, restul de 10% din masă fiind carbohidrați. Cu toate acestea, concentrația de proteine și lipide variază în funcție de membranele celulare diferite. De exemplu, mielina, o componentă a membranei celulelor specializate care izolează axonii nervilor periferici, conține doar 18% proteine și 76% lipide. Membrana interioară mitocondrială conține 76% proteine și doar 24% lipide. Membrana celulară a globulelor roșii umane are 30% lipide. Carbohidrații sunt prezenți doar pe suprafața exterioară a membranei plasmatice și sunt atașați de proteine, formând glicoproteine, sau de lipide, formând glicolipide.
Fosfolipidele
Țesătura principală a membranei este compusă din molecule amfifile numite fosfolipide. Regiunile hidrofile (sau „iubitoare de apă”) ale acestor molecule sunt în contact cu fluidul apos atât din interiorul, cât și din exteriorul celulei. Moleculele hidrofobe (sau care „urăsc apa”) tind să fie nepolare. Ele interacționează cu alte molecule nepolare în reacții chimice, dar în general nu interacționează cu moleculele polare.
Atunci când sunt plasate în apă, moleculele hidrofobe tind să formeze o sferă sau un grup. Regiunile hidrofile ale fosfolipidelor tind să formeze legături de hidrogen cu apa și alte molecule polare atât pe exteriorul, cât și pe interiorul celulei. Astfel, suprafețele membranei care sunt orientate spre interiorul și exteriorul celulei sunt hidrofile. În schimb, interiorul membranei celulare este hidrofob și nu va interacționa cu apa. Prin urmare, fosfolipidele formează o excelentă membrană celulară cu două straturi, care separă fluidul din interiorul celulei de fluidul din exteriorul celulei.
O moleculă de fosfolipide (Figura 2) constă dintr-o coloană vertebrală de glicerol (o moleculă cu trei atomi de carbon), la care sunt atașate două molecule de acizi grași legate la atomii de carbon 1 și 2 și o grupare care conține fosfat atașată la al treilea carbon. Acest aranjament conferă moleculei o zonă denumită „cap” (grupul care conține fosfat), care are un caracter polar sau sarcină negativă, și o zonă denumită „coadă” (acizii grași), care nu are nicio sarcină. Capul poate forma legături de hidrogen, dar coada nu. O moleculă cu acest aranjament (o zonă încărcată pozitiv sau negativ și o zonă neîncărcată sau nepolară) este denumită amfifilă.
Figura 2 – O fosfolipidă este o moleculă cu doi acizi grași și o grupare fosfat modificată atașată la un schelet de glicerol. Fosfatul poate fi modificat prin adăugarea de grupări chimice încărcate sau polare.
Această caracteristică este vitală pentru structura unei membrane plasmatice, deoarece, în apă, fosfolipidele tind să se aranjeze cu cozile lor hidrofobe îndreptate una către cealaltă și capetele lor hidrofile îndreptate spre exterior. În acest fel, ele formează un dublu strat lipidic – o barieră compusă dintr-un strat dublu de fosfolipide care separă apa și alte materiale de pe o parte a barierei de apă și alte materiale de pe cealaltă parte. De fapt, fosfolipidele încălzite într-o soluție apoasă tind să formeze spontan mici sfere sau picături (numite micelii sau lipozomi), cu capetele lor hidrofile poziționate la exterior și cozile lor hidrofobe poziționate la interior.
Proteinele
Proteinele reprezintă a doua componentă majoră a membranelor celulare. Proteinele membranare integrate (unele tipuri specializate sunt numite integrine) sunt, după cum sugerează numele lor, integrate complet în structura membranei, iar regiunile lor hidrofobe interacționează cu regiunea hidrofobă a stratului dublu fosfolipidic.
Proteinele membranare integrate cu o singură trecere au, de obicei, un segment transmembranar hidrofob care constă din 20-25 de aminoacizi. Unele se întind doar pe o parte a membranei – asociindu-se cu un singur strat -, în timp ce altele se întind de pe o parte pe alta a membranei și sunt expuse pe ambele părți.
Unele proteine complexe sunt compuse din până la 12 segmente ale unei singure proteine, care sunt pliate extensiv și înglobate în membrană (Figura 3). Acest tip de proteină are o regiune sau regiuni hidrofile și una sau mai multe regiuni ușor hidrofobe. Acest aranjament tinde să orienteze proteina alături de fosfolipide, cu regiunea hidrofobă a proteinei adiacentă cozilor fosfolipidelor și regiunea sau regiunile hidrofile ale proteinei ieșind din membrană și intrând în contact cu citosolul sau lichidul extracelular.
Figura 3 – Proteinele cu membrane integrale pot avea unul sau mai multe alfa-helix-uri, care traversează membrana (exemplele 1 și 2) sau pot avea structuri beta-foaie-pliată ce se întind prin membrană (exemplul 3).
Proteinele membranare periferice se găsesc pe suprafețele exterioare și interioare ale membranelor, atașate fie de proteinele integrate, fie de fosfolipide. Proteinele periferice, împreună cu proteinele integrate, pot servi ca enzime, ca atașamente structurale pentru fibrele citoscheletului sau ca parte a siturilor de recunoaștere ale celulei. Acestea sunt uneori denumite proteine „specifice celulei”. Organismul își recunoaște propriile proteine și atacă proteinele străine asociate cu agenții patogeni invazivi.
Carbohidrații
Carbohidrații sunt a treia componentă majoră a membranelor plasmatice. Ei se găsesc întotdeauna pe suprafața exterioară a celulelor și sunt legați fie de proteine (formând glicoproteine), fie de lipide (formând glicolipide). Aceste lanțuri de carbohidrați pot consta din 2-60 de unități de monozaharide și pot fi liniare sau ramificate.
Alături de proteinele membranare periferice, carbohidrații formează situri specializate pe suprafața celulei care permit celulelor să se recunoască între ele. Aceste situri prezintă modele unice care permit recunoașterea celulei, la fel cum trăsăturile faciale unice pentru fiecare persoană îi permit să fie recunoscută. Această funcție de recunoaștere este foarte importantă pentru celule, deoarece permite sistemului imunitar să facă diferența între celulele corpului (numite „self”) și celulele sau țesuturile străine (numite „non-self”). Tipuri similare de glicoproteine și glicolipide se găsesc pe suprafețele virusurilor și se pot modifica frecvent, împiedicând celulele imune să le recunoască și să le atace.
Carbohidrați de pe suprafața exterioară a celulei – componentele carbohidraților atât ale glicoproteinelor, cât și ale glicolipidelor – sunt denumiți în mod colectiv drept glicocalix (însemnând „înveliș de zahăr”).
Glicocalixul este foarte hidrofil și atrage cantități mari de apă la suprafața celulei. Acest lucru ajută la interacțiunea celulei cu mediul său apos și la capacitatea celulei de a obține substanțe dizolvate în apă. Glicocalixul este, de asemenea, important pentru identificarea celulelor, pentru determinarea caracterului de „self” sau „non-self” și pentru dezvoltarea embrionară, fiind utilizat în atașamentele celulă-celulă pentru formarea țesuturilor.
Cum infectează virusurile organe specifice?
Tiparele de glicoproteine și glicolipide de pe suprafața celulelor oferă multor virusuri o oportunitate de infectare. Virusurile HIV și hepatitei infectează doar anumite organe sau celule din corpul uman. HIV este capabil să pătrundă în membranele plasmatice ale unui subtip de limfocite numite celule T-helper, precum și în unele monocite și celule ale sistemului nervos central. Virusul hepatitei atacă celulele hepatice.
Aceste virusuri sunt capabile să invadeze aceste celule, deoarece celulele au situri de legare pe suprafața lor care sunt specifice și compatibile cu anumite virusuri (Figura 4).
Alte locuri de recunoaștere de pe suprafața virusului interacționează cu sistemul imunitar uman, determinând organismul să producă anticorpi. Anticorpii sunt produși ca răspuns la antigenele sau proteinele asociate cu agenți patogeni invazivi sau ca răspuns la celule străine, cum ar putea apărea în cazul unui transplant de organ. Aceleași situri servesc drept locuri pentru atașarea anticorpilor, care fie să distrugă, fie să inhibe activitatea virusului. Din păcate, aceste situri de recunoaștere a HIV se schimbă într-un ritm rapid din cauza mutațiilor, ceea ce face foarte dificilă producerea unui vaccin eficient împotriva virusului, pe măsură ce virusul evoluează și se adaptează. O persoană infectată cu HIV va dezvolta rapid diferite populații sau variante ale virusului care se disting prin diferențele dintre aceste locuri de recunoaștere. Această schimbare rapidă a markerilor de suprafață scade eficiența sistemului imunitar al persoanei în atacarea virusului, deoarece anticorpii nu vor recunoaște noile variații ale tiparelor de suprafață. În cazul HIV, problema este agravată de faptul că virusul infectează și distruge în mod specific celulele implicate în răspunsul imun, incapacitând și mai mult gazda.
Fluiditatea membranei
Structura de tip mozaic caracteristică membranei celulare, descrisă în modelul mozaicului fluid, ajută la ilustrarea naturii acesteia. Proteinele și lipidele integrate există în membrană ca molecule separate, dar slab atașate. Acestea seamănă cu plăcile separate, multicolore ale unei imagini de mozaic și plutesc, mișcându-se oarecum una față de alta. Cu toate acestea, membrana nu este ca un balon care se poate extinde și contracta; mai degrabă, este destul de rigidă și se poate sparge dacă este penetrată sau dacă ia prea multă apă. Cu toate acestea, din cauza naturii sale de mozaic, un ac foarte fin poate pătrunde cu ușurință într-o membrană plasmatică fără a provoca spargerea acesteia, iar membrana se va auto-etanșa atunci când acul este extras.
Caracteristicile de mozaic ale membranei explică o parte, dar nu toată fluiditatea acesteia. Există alți doi factori care ajută la menținerea acestei caracteristici fluide. Un factor este natura fosfolipidelor în sine. În forma lor saturată, acizii grași din cozile fosfolipidelor sunt saturați cu atomi de hidrogen legați. Nu există legături duble între atomii de carbon adiacenți. Acest lucru are ca rezultat cozi care sunt relativ drepte. În schimb, acizii grași nesaturați nu conțin un număr maxim de atomi de hidrogen, dar conțin unele legături duble între atomi de carbon adiacenți; o legătură dublă are ca rezultat o îndoire a lanțului de atomi de carbon sub un unghi de aproximativ 30 de grade.
Astfel, dacă acizii grași saturați, cu cozile lor drepte, sunt comprimați prin scăderea temperaturii, se presează unul pe altul, formând o membrană densă și destul de rigidă. Dacă acizii grași nesaturați sunt comprimați, „îndoirile” din cozile lor îndepărtează moleculele de fosfolipide adiacente, menținând un anumit spațiu între moleculele de fosfolipide. Acest lucru ajută la menținerea fluidității membranei la temperaturi la care membranele cu cozi de acid gras saturat în fosfolipidele lor ar „îngheța” sau s-ar solidifica.
Fluiditatea relativă a membranei este deosebit de importantă într-un mediu rece. Un mediu rece tinde să comprime membranele compuse în mare parte din acizi grași saturați, făcându-le mai puțin fluide și mai susceptibile la rupere. Multe organisme (peștii sunt un exemplu) sunt capabile să se adapteze la medii reci prin modificarea proporției de acizi grași nesaturați din membranele lor ca răspuns la scăderea temperaturii.
Animalele dețin un constituent suplimentar în structura membranei, care ajută la menținerea fluidității. Colesterolul, întâlnit alături de fosfolipidele din membrană, tinde să atenueze efectele temperaturii asupra membranei. Astfel, această lipidă funcționează ca un tampon, împiedicând temperaturile mai scăzute să inhibe fluiditatea și împiedicând temperaturile crescute să crească prea mult fluiditatea. Astfel, colesterolul extinde, în ambele direcții, domeniul de temperatură în care membrana este adecvat fluidă și, în consecință, funcțională. Colesterolul îndeplinește și alte funcții, cum ar fi organizarea grupurilor de proteine transmembranare în plute lipidice.
Sursa (text și ilustrații): Opestax.org