Błony biologiczne
Co to są błony biologiczne?
Błony biologiczne są to swoiste membrany lipidowo – białkowe, ktore otaczają lub oddzielają od siebie różne przedziały. Na przestrzeni lat stworzono kilka modeli ich wyglądu. Najważniejsze z nich to:
1895, Overton – model lipidowy. Uznaje lipidową budowę błony.
1925, Gortel i Grendel – model dwuwarstwy lipidowej. Uznaje, że istnieją dwie warstwy lipidów w błonie, skierowanych częścią polarną na zewnątrz a niepolarną do wewnątrz.
1935, Dowson i Danielli – model trójwarstwowej błony. Dwie warstwy lipidów miały być dodatkowo pokryte warstwą białek po obu stronach.
1972, Singer i Nicolson – model płynnej mozaiki.
Wymieniony tu jako ostatni model Singera i Nicholsona jest właśnie modelem, którym posługujemy sie do dziś. W modelu tym błony biologiczne są dwuwymiarowymi roztworami przestrzennie zorientowanych lipidów i sferycznych białek (białka nie tworzą warstwy na powierzchni lipidów, lecz pływają zanurzone w dwuwarstwie lipidowej). Dwuwarstwa jest rozpuszczalnikiem dla białek błonowych i stanowi barierę przepuszczalności. W monowarstwach istnieją tzw. „rafty” czyli lokalne obszary o składzie odbiegającym od rozkładu przypadkowego (bogatsze od sąsiednich obszarów monowarstwy w specyficzne lipidy, cholesterol czy białka). Błona taka jest asymetryczna, płynna i dynamiczna. Struktura błony jest stabilizowana przez wiązania wodorowe, oddziaływania hydrofobowe i wiązania jonów między Mg2+ i Ca2+ a ładunkami ujemnymi na fosfolipidach.
Warto wspomnieć, że błony biologiczne nie są jedynie zewnętrznymi błonami komórkowymi, ale również nazywa się nimi błony wewnętrzne, otaczające organella, np. błony mitochondrialne. Dodatkowo wszystkie te błony mają niemalże identyczny skład, również w obrębie różnych organizmów żywych.
Składniki budujące błony
Głównymi składnikami budującymi błony komórkowe są lipidy i białka. W każdej błonie występuje jednak wiele ich pochodnych. Rodzaje białek w błonach omówione zostaną poniżej. Jeśli z kolei chodzi o lipidy, to oprócz budujących dwuwarstwę fosfolipidów, występują tutaj również:
Glikolipidy – ich główną cechą jest występowanie w budowie glicerolu lub sfingozyny, kwasów tłuszczowych i składnika cukrowego. Znajdują się one na zewnętrznej warstwie błony i w przypadku większości komórek zwierzęcych tworzą tzw. glikokaliks. Przypuszczalnie odpowiada on za identyfikację komórek, ich ochronę przed uszkodzeniami oraz łączenie się w skupiska.
Sterole – związki organiczne, alkohole należące do steroidów. W błonach biologicznych znajdują się pomiędzy łańcuchami węglowodorowymi fisfolipidów.
Wspominane już kilkakrotnie fosfolipidy są najważniejszą grupą lipidów w strukturze błony biologicznej, dlatego zostaną omówione oddzielnie, razem z tworzoną przez nie dwuwarstwą lipidową.
Dwuwarstwa lipidowa
Podstawowymi lipidami budującymi dwuwarstwę są fosfolipidy. Mają one dwie części: polarną głowę zawierającą resztę fosforanową oraz niepolarny, złożony z dwóch łańcuchów kwasu tłuszczowego ogon. Ułożone są one w charakterystyczny sposób, zewnętrzną część stanowią polarne, często obdarzone ładunkiem głowy lipidów, a część wewnętrzną, hydrofobowe ogony, stanowiące barierę przepuszczalności dla rozpuszczalnych w wodzie związków. Grubość błony wynosi około 7nm.
Lipidy mają zdolność do samoorganizowania się w taki właśnie układ, dzięki występowaniu pomiędzy nimi oddziaływań hydrofobowych oraz ich amfiofilowej strukturze. Proces ten jest szybki i spontaniczny, a dobre upakowanie pojedynczych cząsteczek pomagają osiągnąć występujące pomiędzy łańcuchami węglowodorowymi oddziaływania van der Waalsa. Część polarna błony również posiada charakterystyczne wiązania, które są współodpowiedzialne za utrzymanie struktury w pożądanej postaci. W tym przypadku mamy do czynienia z wiązaniami wodorowymi wytwarzanymi między samymi głowami i głowami a cząsteczkami wody oraz z oddziaływaniami elektrostatycznymi pomiędzy głowami. Brak wiązań kowalencyjnych w dwuwarstwie wpływa na jej właściwości samoregeneracyjne.
Monowarstwa zewnętrzna i wewnętrzna nie są jednakowe, co nazywamy asymetrycznością dwuwarstwy. Lipidy mają na tę cechę mniejszy wpływ niż białka, jednak wiadomo jest, że różne fosfolipidy tworzą obie warstwy. Na przykład w przypadku erytrocytu, zewnętrzna zbudowan jest głównie z fofsolipidów cholinowych, a wewnętrzna – aminowych.
Białka błonowe
W błonach komórkowych występuje kilka rodzajów białek, spełniających charakterystyczne funkcje. Ze względu na lokalizację w obrębie dwuwarstwy dzieli się je na dwie główne grupy:
Białka integralne – są na stałe zakotwiczone w dwuwarstwie lipidowej. Niezbędne dla nich jest posiadanie przynajmniej sekwencji skłądającej się z minimum 22 aminokwasów hydrofobowych, pozwalających na ich zakotwiczenie się w błonie. Mogą one zarówno przebijać błonę na wylot (białka transportowe) lub nie, czyli należeć tylk do jednej monowarstwy lub być zanurzone całkowicie pomiędzy ogonami fosfolipidów.
Białka powierzchniowe (peryferyjne) – nie należą one do żadnej monowarstwy, są umieszczone na powierzchni błony. Więcej jest ich zazwyczaj na błonie zewnętrznej. Z powierzchnią błony zwiazane są luźno przy pomocy słabych oddziaływań molekularnych, głównie joowych, wodorowych czy van der Waalsa.
Właściwości błon biologicznych
Dynamiczność – błony biologiczne nie są statyczne. Ich elmenty nieustannie się poruszają, co pozwala m.in. na zachowanie elastyczności błony w celu eliminowania wszelkich ubytków. Fosfolipidy przemieszczają się zarówno w płaszczyźnie poziomej jak i pionowej, jednak ruch w obrębie jednej warstwy jest zdecydowanie szybszy (zachodzi co ok. 6-10s) niż migracja pomiędzy warstwami (zachodzi nawet co kilkaset godzin). Końce węglowodorowe wykonują nieustanne, szybkie ruchy i są bardziej ruchliwe niż polarne głowy. Białka błonowe natomiast wykonują ruchy obrotowe w osi prostopadłej do powierzchni błony. Mają również zdolność do zanurzania sie i wynurzania z warstwy lipidowej.
Półprzepuszczalnosć – woda swobodnie przenika przez błonę biologiczną, jednak substancje w niej rozpuszczone przepuszczane są wybiórczo. Zdolność do przechodzenia przez warstwę lipidową zależna jest od wielu czynników, takich jak rozmiar cząsteczki czy jej ładunek. Duże cząstki, jak głukoza czy większe jony, moga mieć trudności z przejściem przez błonę na skutek swoich rozmiarów lub odpychania przez ładunek powierzchni dwuwarstwy. Do ich przenoszenia służą specjalne kanały transportowe.
Polarność – błony biologiczne naładowane sa ujemnie do wewnątrz, a dodatnio na zewnątrz, co odgrywa dużą rolę w odbieraniu i przekazywaniu bodźców.
Funkcje błon biologicznych
Błony biologiczne, ze względu na swoją budowę, spełniają bardzo wiele ważnych funkcji. Najważniejsze z nich to:
Wytworzenie granicy między światem zewnętrznym a wewnętrznym komórki lub organellum.
Organizacja wnętrza komórki.
Odbieranie i przekazywanie bodźców oraz substancji odżywczych i metabolitów.
Umożliwienie transportu i kontaktu między komórkami.
Wytworzenie środowiska dla niektórych procesów biochemicznych, np. fosforylacja w fotosyntezie.