In 1972 werd de theorie naar voren gebracht dat een gedeeltelijk permeabel membraan de cel omringt en een aantal vitale taken vervult, en de structuur en functie van celmembranen zijn belangrijke problemen met betrekking tot het goed functioneren van alle cellen in het lichaam. De celtheorie werd wijdverbreid in de 17e eeuw, samen met de uitvinding van de microscoop. Het werd bekend dat plantaardige en dierlijke weefsels uit cellen bestaan, maar door de lage resolutie van het apparaat was het onmogelijk om barrières rond de dierlijke cel te zien. In de 20e eeuw werd de chemische aard van het membraan in meer detail bestudeerd, men ontdekte dat lipiden de basis vormen.
Structuur en functie van celmembranen
Het celmembraan omringt het cytoplasma van levende cellen en scheidt de intracellulaire componenten fysiek van de externe omgeving. Schimmels, bacteriën en planten hebben ook celwanden die bescherming bieden en de doorgang van grote moleculen voorkomen. Celmembranen spelen ook een rol bijvorming van het cytoskelet en hechting aan de extracellulaire matrix van andere vitale deeltjes. Dit is nodig om ze bij elkaar te houden en de weefsels en organen van het lichaam te vormen. Structurele kenmerken van het celmembraan omvatten permeabiliteit. De belangrijkste functie is bescherming. Het membraan bestaat uit een fosfolipidelaag met daarin ingebedde eiwitten. Dit deel is betrokken bij processen zoals celadhesie, ionengeleiding en signaleringssystemen en dient als bevestigingsoppervlak voor verschillende extracellulaire structuren, waaronder de wand, glycocalyx en intern cytoskelet. Het membraan handhaaft ook het potentieel van de cel door als een selectief filter te werken. Het is selectief permeabel voor ionen en organische moleculen en regelt de beweging van deeltjes.
Biologische mechanismen waarbij het celmembraan betrokken is
1. Passieve diffusie: Sommige stoffen (kleine moleculen, ionen), zoals koolstofdioxide (CO2) en zuurstof (O2), kunnen door het plasmamembraan diffunderen. De schaal fungeert als een barrière voor bepaalde moleculen en ionen die aan beide kanten kunnen worden geconcentreerd.
2. Transmembraankanaal en transporteiwit: voedingsstoffen zoals glucose of aminozuren moeten de cel binnenkomen en sommige stofwisselingsproducten moeten de cel verlaten.
3. Endocytose is het proces waarbij moleculen worden opgenomen. Er ontstaat een lichte vervorming (invaginatie) in het plasmamembraan, waarbij de te transporteren stof wordt ingeslikt. Het heeft nodigenergie en is dus een vorm van actief transport.
4. Exocytose: komt voor in verschillende cellen om onverteerde resten van stoffen te verwijderen die door endocytose zijn aangevoerd om stoffen zoals hormonen en enzymen uit te scheiden en de stof volledig door de cellulaire barrière te transporteren.
Moleculaire structuur
Celmembraan is een biologisch membraan dat voornamelijk bestaat uit fosfolipiden en dat de inhoud van de hele cel scheidt van de externe omgeving. Het vormingsproces vindt spontaan plaats onder normale omstandigheden. Om dit proces te begrijpen en de structuur en functies van celmembranen, evenals eigenschappen, correct te beschrijven, is het noodzakelijk om de aard van fosfolipidestructuren te beoordelen, die worden gekenmerkt door structurele polarisatie. Wanneer fosfolipiden in het aquatische milieu van het cytoplasma een kritische concentratie bereiken, combineren ze tot micellen, die stabieler zijn in het aquatische milieu.
Membraan eigenschappen
- Stabiliteit. Dit betekent dat het onwaarschijnlijk is dat het membraan na de vorming van het membraan instort.
- Kracht. Het lipidemembraan is betrouwbaar genoeg om de doorgang van een polaire stof te voorkomen, zowel opgeloste stoffen (ionen, glucose, aminozuren) als veel grotere moleculen (eiwitten) kunnen de gevormde grens niet passeren.
- Dynamisch karakter. Dit is misschien wel de belangrijkste eigenschap bij het beschouwen van de structuur van de cel. Het celmembraan kanonderhevig zijn aan verschillende vervormingen, kan worden gevouwen en gebogen zonder in te klappen. Onder speciale omstandigheden, zoals de fusie van blaasjes of knopvorming, kan het worden verbroken, maar slechts tijdelijk. Bij kamertemperatuur zijn de lipidebestanddelen in constante, chaotische beweging en vormen ze een stabiele vloeistofgrens.
Vloeibaar mozaïekmodel
Sprekend over de structuur en functies van celmembranen, is het belangrijk op te merken dat in de moderne visie het membraan als een vloeibaar mozaïekmodel in 1972 werd beschouwd door wetenschappers Singer en Nicholson. Hun theorie weerspiegelt drie hoofdkenmerken van de membraanstructuur. Integrale membraaneiwitten bieden een mozaïeksjabloon voor het membraan en zijn in staat tot laterale bewegingen in het vlak vanwege de variabele aard van de lipidenorganisatie. Transmembraaneiwitten zijn ook potentieel mobiel. Een belangrijk kenmerk van de membraanstructuur is de asymmetrie. Wat is de structuur van een cel? Celmembraan, kern, eiwitten enzovoort. De cel is de basiseenheid van het leven en alle organismen bestaan uit een of meer cellen, elk met een natuurlijke barrière die het scheidt van zijn omgeving. Deze buitenrand van de cel wordt ook wel het plasmamembraan genoemd. Het bestaat uit vier verschillende soorten moleculen: fosfolipiden, cholesterol, eiwitten en koolhydraten. Het vloeibare mozaïekmodel beschrijft de structuur van het celmembraan als volgt: flexibel en elastisch, vergelijkbaar in consistentie met plantaardige olie, zodat allesde individuele moleculen drijven gewoon in het vloeibare medium en ze kunnen allemaal zijwaarts bewegen binnen die schaal. Een mozaïek is iets dat veel verschillende details bevat. In het plasmamembraan wordt het weergegeven door fosfolipiden, cholesterolmoleculen, eiwitten en koolhydraten.
Fosfolipiden
Fosfolipiden vormen de basisstructuur van het celmembraan. Deze moleculen hebben twee verschillende uiteinden: een kop en een staart. Het kopeinde bevat een fosfaatgroep en is hydrofiel. Dit betekent dat het wordt aangetrokken door watermoleculen. De staart bestaat uit waterstof- en koolstofatomen die vetzuurketens worden genoemd. Deze ketens zijn hydrofoob, ze vermengen zich niet graag met watermoleculen. Dit proces is vergelijkbaar met wat er gebeurt als je plantaardige olie in water giet, dat wil zeggen dat het er niet in oplost. De structurele kenmerken van het celmembraan zijn geassocieerd met de zogenaamde lipidedubbellaag, die uit fosfolipiden bestaat. Hydrofiele fosfaatkoppen bevinden zich altijd waar water is in de vorm van intracellulaire en extracellulaire vloeistof. De hydrofobe staarten van fosfolipiden in het membraan zijn zo georganiseerd dat ze uit de buurt van water blijven.
Cholesterol, eiwitten en koolhydraten
Als mensen het woord 'cholesterol' horen, denken mensen meestal dat het slecht is. Cholesterol is echter eigenlijk een zeer belangrijk onderdeel van celmembranen. De moleculen bestaan uit vier ringen van waterstof- en koolstofatomen. Ze zijn hydrofoob en komen voor tussen de hydrofobe staarten in de lipidedubbellaag. Hun belang ligt inze behouden de consistentie en versterken de membranen, waardoor cross-over wordt voorkomen. Cholesterolmoleculen zorgen er ook voor dat de fosfolipidenstaarten niet in contact komen en hard worden. Dit garandeert vloeibaarheid en flexibiliteit. Membraaneiwitten werken als enzymen om chemische reacties te versnellen, werken als receptoren voor specifieke moleculen of transporteren stoffen door het celmembraan.
Koolhydraten, of sacchariden, worden alleen gevonden aan de extracellulaire kant van het celmembraan. Samen vormen ze de glycocalyx. Het biedt demping en bescherming aan het plasmamembraan. Op basis van de structuur en het type koolhydraten in de glycocalyx kan het lichaam cellen herkennen en bepalen of ze er moeten zijn of niet.
Membraanproteïnen
De structuur van het celmembraan van een dierlijke cel is niet voorstelbaar zonder een belangrijke component als eiwit. Desondanks kunnen ze aanzienlijk kleiner zijn dan een ander belangrijk bestanddeel - lipiden. Er zijn drie belangrijke membraaneiwitten.
- Integraal. Ze bedekken de dubbellaagse, cytoplasma- en extracellulaire omgeving volledig. Ze vervullen een transport- en signaleringsfunctie.
- Periferie. Eiwitten zijn aan het membraan gehecht door elektrostatische of waterstofbindingen op hun cytoplasmatische of extracellulaire oppervlakken. Ze zijn voornamelijk betrokken als aanhechtingsmiddel voor integrale eiwitten.
- Transmembraan. Ze vervullen enzymatische en signalerende functies, en moduleren ook de basisstructuur van de lipide dubbellaag van het membraan.
Functies van biologische membranen
Het hydrofobe effect, dat het gedrag van koolwaterstoffen in water reguleert, regelt structuren gevormd door membraanlipiden en membraaneiwitten. Veel eigenschappen van membranen worden verleend door dragers van lipide dubbellagen, die de basisstructuur vormen voor alle biologische membranen. Integrale membraaneiwitten zijn gedeeltelijk verborgen in de lipidedubbellaag. Transmembraaneiwitten hebben een gespecialiseerde organisatie van aminozuren in hun primaire volgorde.
Perifere membraaneiwitten lijken erg op oplosbare, maar ze zijn ook membraangebonden. Gespecialiseerde celmembranen hebben gespecialiseerde celfuncties. Hoe beïnvloeden de structuur en functies van celmembranen het lichaam? De functionaliteit van het hele organisme hangt af van hoe biologische membranen zijn gerangschikt. Uit intracellulaire organellen, extracellulaire en intercellulaire interacties van membranen, worden de structuren gecreëerd die nodig zijn voor de organisatie en uitvoering van biologische functies. Veel structurele en functionele kenmerken zijn gemeenschappelijk voor bacteriën, eukaryote cellen en omhulde virussen. Alle biologische membranen zijn gebouwd op een lipide dubbellaag, die de aanwezigheid van een aantal gemeenschappelijke kenmerken bepa alt. Membraaneiwitten hebben veel specifieke functies.
- Controle. Plasmamembranen van cellen bepalen de grenzen van de interactie van de cel met de omgeving.
- Vervoer. De intracellulaire membranen van cellen zijn verdeeld in verschillende functionele blokken met verschillendeinterne samenstelling, die elk ondersteund worden door de nodige transportfunctie in combinatie met controle doorlatendheid.
- Signa altransductie. Membraanfusie biedt een mechanisme voor intracellulaire vesiculaire melding en voorkomt dat verschillende soorten virussen vrij de cel binnenkomen.
Betekenis en conclusies
De structuur van het buitenste celmembraan beïnvloedt het hele lichaam. Het speelt een belangrijke rol bij het beschermen van de integriteit door alleen geselecteerde stoffen door te laten. Het is ook een goede basis voor het verankeren van het cytoskelet en de celwand, wat helpt bij het behouden van de vorm van de cel. Lipiden vormen ongeveer 50% van de membraanmassa van de meeste cellen, hoewel dit varieert afhankelijk van het type membraan. De structuur van het buitenste celmembraan van zoogdieren is complexer, het bevat vier hoofdfosfolipiden. Een belangrijke eigenschap van lipide dubbellagen is dat ze zich gedragen als een tweedimensionale vloeistof waarin individuele moleculen vrij kunnen roteren en zijdelings kunnen bewegen. Een dergelijke vloeibaarheid is een belangrijke eigenschap van membranen, die wordt bepaald afhankelijk van temperatuur en lipidesamenstelling. Door de koolwaterstofringstructuur speelt cholesterol een rol bij het bepalen van de vloeibaarheid van membranen. De selectieve permeabiliteit van biologische membranen voor kleine moleculen stelt de cel in staat om zijn interne structuur te controleren en te behouden.
Rekening houdend met de structuur van de cel (celmembraan, kern, enzovoort), kunnen we concluderen datdat het lichaam een zelfregulerend systeem is dat zichzelf niet kan schaden zonder hulp van buitenaf en altijd zal zoeken naar manieren om elke cel te herstellen, te beschermen en goed te laten functioneren.
