Struktura błony komórkowej

Zawartość komórki jest otoczona półprzepuszczalną błoną plazmatyczną, której budowa umożliwia wymianę składników między komórką a jej otoczeniem Błona komórkowa jest połączona z systemem błon wewnątrzkomórkowych, które prawdopodobnie powstały w wyniku jej wpuklenia. W ten sposób błona komórkowa przez system błon, wewnątrz których znajdują się odpowiednie kanaliki, jest połączona z organellami cytoplazmatycznymi oraz z jądrem komórkowym. System kanalików rozpoczyna się w obrębie retikulum endoplazmatycznego. Kanaliki te łączą się z błoną jądrową poprzez kanaliki innej części retikulum endoplazmatycznego.
Błona plazmatyczna jest zbudowana z 2 podstawowych składników - lipidów i białek. Ponadto w jej skład może wchodzić cholesterol i węglowodany. Zawartość lipidów waha się od 25 do 70% i jest zależna od rodzaju komórek. Dotychczas opracowano wiele modeli budowy błony komórkowej. Modelem, który najlepiej uwzględnia wszystkie cechy błony, jest model "płynnej mozaiki" opracowany przez Singera i Nicolsona (rys. 41). Uwzględnia on także koncepcję modelu dwuwarstwowej błony lipidowej Daniel li i Dawsona

W modelu "płynnej mozaiki" błona komórkowa jest zbudowana z podwójnej warstwy fosfolipidowej, w której są umieszczone, tworząc rodzaj mozaiki, cząsteczki białek globularnych. W środowisku wodnym podwójna warstwa lipidowa wytwarza się samorzutnie, jako wyraz osiągnięcia optymalnego stanu termodynamicznego. Jak wiadomo, cząsteczki lipidów mają charakter amfipatyczny (amfilowy), tzn. można w nich wyróżnić część hydrofilową (polarną), utworzoną przez ugrupowanie
fosfocholiny, oraz część hydrofobową, którą tworzą niepolarne łańcuchy boczne kwasów tłuszczowych. Podczas samorzutnego formowania się błony części polarne lipidów ustawiają się zawsze na zewnątrz, w kierunku środowiska wodnego, natomiast części niepolarne, wykazujące tendencję do unikania kontaktu z wodą, są skierowane do wnętrza błony. W tego rodzaju płynnej błonie są zanurzone białka których cząsteczki, podobnie jak cząsteczki lipidów, mogą mieć charakter amfipatyczny. Część apolarna białka tkwi we wnętrzu błony, natomiast część polarna, zbudowana z jonowych reszt aminokwasowych, a niekiedy zawierająca dołączone reszty cukrowcowe, wystaje ponad powierzchnię błony w kierunku środowiska wodnego. Oprócz lipidów i białek w skład błon wchodzi także woda, stanowiąc około 209 ich masy.
LIPIDY. W skład błon wchodzą zarówno fosfoglicerydy, jak i fosfolipidy zawierające sfingozynę. Pośród sfingolipidów istotną rolę spełniają glikolipidy, zawierające reszty węglowodanowe.
Fosfoglicerydy są najliczniej występującymi lipidami błonowymi. Cechują się amfipatyczną cząsteczką, której konstrukcja jest oparta na kwasie fosfatydowym Grupa -OH przy C] glicerolu jest zestryfikowana kwasem tłuszczowym nasyconym nierozgałęzionym o parzystej liczbie atomów węgla od 14 do 24. Grupa-OH przy C glicerolu jest na ogół zestryfikowana kwasem nienasyconym o konfiguracji cis powodującej zgięcie łańcucha. Łańcuch taki jest trudniejszy do upakowania w błonie zwiększa zatem jej objętość i stopień płynności. Grupa -OH przy C3 glicerolu je: zestryfikowana kwasem fosforowym, który w fosfoglicerydach jest zestryfikowany grupą hydroksylową obecną w cholinie, etanoloaminie, serynie, inozytolu, glicerolu lub fosfatydyloglicerolu. Do glicerolofosfolipidów należą także plazmalogeny w} stepujące obficie w błonach komórek tkanki mięśniowej i nerwowej.
Drugą grupę lipidów stanowią sfingolipidy występujące w błonach w mniejszej ilości od fosfoglicerydów. Sfingozyna posiada długi hydrofobowy łańcuch węglowodorowy. Jeden z jego końców jest hydrofiłowy. Prekursorem sfingolipidów jest dihydroceramid, który powstaje przez połączenie grupy -COOH kwasu tłuszczowego z grupą aminową sfinganiny. Po przekształceniu dihydroceramidu w cerami pierwszorzędowa grupa alkoholowa przy C1 sfingozyny może być zestryfikowai przez fosfocholinę. Powstają wówczas sfingomieliny, które są głównymi składnik mi osłonek mielinowych.
Trzecia grupa lipidów błonowych obejmuje glikosfingolipidy, których cząsteczki zawierają ceramid, a zamiast fosfocholiny (jak to ma miejsce w sfingomielinach) dołączone cząsteczki cukrów. Cerebrozydy posiadają tylko jedną resztę cukrów natomiast gangliozydy więcej reszt cukrowych, a także pochodne kwasowe cukrów jak np. kwas sjalowy (N-acetyloneuraminowy).
Oprócz lipidów w błonach komórek zwierzęcych występuje cholesterol. Nie stwierdzono jego obecności w błonach prokariontów oraz u roślin. Cholesterol występuje zwykle w zewnętrznych częściach błon plazmatycznych. Jego grupa-OH jest skierowana w stronę fazy wodnej. Wpływa on na zmniejszenie przepuszczalności warstwy lipidowej oraz ogranicza ruchliwość molekularną łańcuchów węglowodorowych. Powoduje większą stabilność i sztywność błony.
Jak już wspomniano, lipidy mają charakter amfipatyczny. W roztworach wodnych przyjmują taką pozycję, że ich części hydrofilowe ("głowy") są skierowane w stronę fazy wodnej, natomiast reszty węglowodorowe (stanowiące hydrofobowe "ogony") są w dwu warstwie zwrócone do siebie, a przez to odizolowane od wody. W ten sposób zewnętrzna część błony jest zbudowana ze znajdujących się obok siebie polarnych "głów". Sąsiednie "głowy" mogą być połączone wiązaniami wodorowymi bądź siłami oddziaływania elektrostatycznego. Pomiędzy łańcuchami węglowodorowymi istnieją oddziaływania hydrofobowe. Lipidy błonowe nie tworzą między sobą wiązań kowalencyjnych.
BIAŁKA. Lipidy błony plazmatycznej tworzą środowisko dla białek, w którym mogą one spełniać swoje funkcje. Białka błonowe (membranowe) cechuje znaczna różnorodność. Przewagą określonego białka wyróżniają się błony o specyficznym przeznaczeniu, np. rodopsyna stanowi około 90% wszystkich białek siatkówki oka. W białkach o strukturze a-helisy wiązania peptydowe mogą przejawiać jedynie słabe własności hydrofilowe. Cała cząsteczka białka może wykazywać charakter amfipatyczny, a jej części hydrofilowe mogą wystawać nad powierzchnię dwuwarstwy do wnętrza lub na zewnątrz. Część hydrofobowa cząsteczki znajduje się wewnątrz dwuwarstwy. W zależności od usytuowania w błonie i ich współdziałania z błoną, białka membranowe podzielono na białka integralne i peryferyjne.
Białka integralne współdziałają z fosfolipidami. Tkwią bardzo mocno w błonie na przestrzeni jednej warstwy lipidowej albo obydwu. Są to zwykle białka globularne i amfipatyczne. Ich obydwa końce hydrofilowe wystają po jednej lub obydwu stronach błony, a część hydrofobowa wewnątrz dwuwarstwy jest związana przez oddziaływanie hydrofobowe. Białka integralne mogą być wymontowane z błony i przejść do roztworu w postaci kompleksów z detergentami.
Cząsteczki białek, które przenikają całą dwuwarstwę, a ich końce wystają ponad nią, noszą nazwę białektransmembranowych. Pozostałe białka mogą być osadzone tylko w jednej warstwie lipidów, a nawet między nimi. Białka integralne są zatem umiejscowione w błonie asymetrycznie. Ich obecność w błonie wiąże się z różnymi funkcjami: enzymatycznymi, transportowymi, strukturalnymi, mogą być antygenami zgodności tkankowej lub receptorami błonowymi.
Białka peryferyjne, zwane także powierzchniowymi, są z błoną związane luźno. Można je przeprowadzić do roztworu bez udziału detergentów, roztworami soli lub czynnikami chelatującymi. Za białka peryferyjne są uznawane hormony polipeptydowe, wiązane przez białka integralne (receptory). Białka peryferyjne w postaci hormonów mogą wpływać na rozmieszczenie receptorów błonowych.

Charakterystyka błony komórkowej.

Błonę plazmatyczną cechuje asymetria, dynamika jej struktury oraz płynność.

ASYMETRIA. 

Budowa asymetryczna błony zależy od asymetrycznego rozmieszczenia jej składników białkowych oraz lipidowych. Jak już podano, białka integralne mogą być umiejscowione w dwuwarstwie lub monowarstwie. Białka peryferyjne mogą być rozmieszczone po obydwu stronach błony, natomiast glikoproteiny znajdują się zawsze po zewnętrznej stronie warstwy zewnętrznej (ekstracyto-plazmatycznie).
Na asymetrię błony duży wpływ wywiera budowa lipidów i ich rozmieszczenie w poszczególnych warstwach. Wszystkie lipidy zawierające cholinę (fosfatydylocholiny i sfingomieliny) wchodzą w skład zewnętrznej warstwy błony. Lipidy zawierające serynę i etanoloaminę występują w warstwie wewnętrznej (od strony cytoplazmy). Glikolipidy, podobnie jak glikoproteiny, występują zawsze po zewnętrznej stronie warstwy zewnętrznej.
Wiele badań przeprowadzonych na erytrocytach i płytkach krwi wskazuje, że asymetria jest stanem dynamicznym, podlegającym zmianom zależnym od różnych czynników. Asymetria błon wytwarza się w procesie ich powstawania.

DYNAMIKA STRUKTURY BŁONY. 

Każda cząsteczka wchodząca w skład błony nie pozostaje sztywna, lecz ma możliwości ruchu. Części polarne lipidów są mniej ruchliwe, natomiast "ogony" węglowodorowe są tym bardziej ruchliwe, im bardziej krótki jest łańcuch i zawiera wiązania podwójne.
Pod wpływem wzrostu temperatury łańcuchy lipidów mogą wykonywać ruchy segmentalne wokół każdego z wiązań -C-C-. W niskich temperaturach wszystkie długie łańcuchy występują w postaci izometrycznej trans o najniższej energii. Są one wówczas prawie nieruchome. Oprócz ruchu segmentalnego możliwy jest także ruch rotacyjny, czyli obrotowy wokół podłużnej osi cząsteczki.
Wymiana sąsiadujących cząsteczek w monowarstwie jest możliwa dzięki ruchowi lateralnemu (bocznemu), określanemu jako dyfuzja lateralna (dyfuzja boczna). Ruch ten jest bardzo szybki.
Ruch cząsteczek polegający na przechodzeniu cząsteczek z jednej monowarstwy do drugiej nazywa się ruchem flip-flop. Ponieważ w grę wchodzi przejście części hydrofilowej (polarnej) cząsteczki przez część hydrofobową (niepolarną) błony, występują utrudnienia energetyczne i ruch ten jest bardzo powolny (kilka minut -kilka dni).
Cząsteczki białek membranowych mogą wykonywać wszystkie ruchy oprócz segmentalnego. Mogą one zatem wykonywać ruchy obrotowe, przemieszczać się w płaszczyźnie błony drogą dyfuzji lateralnej oraz zanurzać się w warstwie hydrofobowej błony bądź wynurzać się z niej.

PŁYNNOŚĆ BŁONY 

zależy od jej wszystkich składników. Składniki ściślej upakowane w błonach, jak np. sfingomieliny lub cholesterol, zmniejszają płynność błony. Długość łańcuchów oraz obecność wiązań podwójnych wpływa na zwiększenie płynności błony. Podobnie wpływa podwyższenie temperatury, natomiast odwrotny wpływ ma podwyższenie ciśnienia. Na upakowanie cząsteczek istotny wpływ wykazują zmiany pH oraz obecność jonów (np. Ca~+).
Płynność błon wpływa na ich funkcje. Wzrostowi płynności towarzyszy wzrost przepuszczalności dla wody i drobnocząsteczkowych związków polarnych. Wzrasta wówczas także dyfuzja lateralna białek. Płynność lipidów błonowych ma istotne znaczenie dla funkcji transportowej białek. Płynność błon wpływa na możliwości wiązania hormonów z ich receptorami błonowymi. Białka peryferyjne, np. przeciwciała, na skutek przyłączenia się do białek integralnych, mogą ograniczyć ich ruchliwość.

Formowanie błony komórkowej.

Enzymy biorące udział w biosyntezie fosfolipidów błonowych występują na powierzchni cytoplazmatycznej cystern siateczki śródplazmatycznej. W tym miejscu jest syntetyzowana większość fosfolipidów oraz cholesterol. Fosfatydyloglicerole oraz kardiolipiny są syntetyzowane w błonach mitochondrialnych, natomiast gliko-lipidy - w błonach aparatu Golgiego. Cząsteczki lipidów syntetyzowane w błonach siateczki śródplazmatycznej lub aparatu Golgiego powodują dwuwarstwowy rozrost błony, w następstwie którego ma miejsce odłączanie się od niej fragmentów w postaci pęcherzyków lipidowych. Pęcherzyki te mogą wędrować do błon innych organelli i zlewać się z nimi (fuzja), a z kolei odrywające się od nich pęcherzyki wędrują dalej, aż do błon docelowych.
Formowanie błon poprzez fuzję pęcherzyków nie wyklucza innej możliwości, którą jest wychwytywanie lipidów z jednej błony i transportowanie ich do innej przez specyficzne białka, zwane białkami wymiany fosfolipidowej. Białka te są prawdopodobnie odpowiedzialne za skład lipidowy błon.
Synteza i wbudowywanie białek błonowych jest zagadnieniem złożonym i dotychczas nie wyjaśnionym do końca. Na ogół synteza białek komórkowych zachodzi na wolnych rybosomach, natomiast na rybosomach związanych z siateczką są syntetyzowane białka błonowe oraz białka wydzielane przez komórkę na zewnątrz. Wolne rybosomy potrafią jednak syntetyzować białka występujące w wewnętrznej monowarstwie błony, wystające do cytoplazmy.
Istotną rolę w syntezie białek membranowych spełniają rybosomy związane z siateczką śródplazmatyczną. Związanie tych struktur jest możliwe dzięki swoistej glikoproteinie - ryboforynie. Białka syntetyzowane na tak związanych z błoną
rybosomach charakteryzują się obecnością na N-końcu tzw. peptydu sygnałowego
(sekwencji sygnałowej). Od nazwy tego peptydu wywodzi się nazwa hipotezy sygnałowej, tłumaczącej formowanie błon. Peptyd sygnałowy jest zakodowany w mRNA syntetyzowanych białek.
Jeśli wbudowywanie białek w błonę lipidową zachodzi równocześnie z ich syntezą na rybosomach, to cały ten proces jest nazywany insercją kotranslacyjną.
Zsyntetyzowany peptyd sygnałowy wystający poza rybosom jest rozpoznawany i wiązany przez cząsteczkę SRP (signal recognition particle). W skład cząsteczki SRP wchodzą białka związane z RNA. Translacja zostaje odblokowana w momencie, w którym kompleks SRP wiąże się z receptorem sygnałowym siateczki śródplazmatycznej, zwanym białkiem dokowym. W tym miejscu (zakotwiczenia) rozpoczyna się kotranslacyjna insercją białka do siateczki (rysunek niżej). Nowo syntetyzowany łańcuch białkowy jest skierowany w dwuwarstwę błonową, którą może przenikać lub w niej pozostawać.

Po zakończeniu syntezy enzym, zwany peptydazą sygnałową, rozpoznaje miejsce oznaczone specyficzną sekwencją aminokwasową. Następuje odhydrolizowanie łańcucha peptydowego (sygnałowego). Niektóre białka pozostają w błonie z nienaruszonym peptydem sygnałowym. Z kolei odpowiednia sekwencja aminokwasową może być sygnałem do zakończenia transłokacji białka poprzez warstwy błony.
Składniki cukrowcowe są przyłączane podczas przechodzenia białek przez wewnętrzną część błony (kotranslacyjna glikozylacja).
Białka powstałe w błonie siateczki śródpłazmatycznej są następnie za pośrednictwem pęcherzyków błonowych dostarczane do błon docelowych komórki. Oprócz kotranslacyjnego wbudowywania białek w błony istnieje możliwość wbudowywania potranslacyjnego, tzn. po całkowitym zakończeniu syntezy cząsteczki białka. Obserwowano, że niektóre z tych białek mają sekwencje sygnałowe, inne ich nie mają. Prawdopodobnie białka te mają swoiste receptory w błonach docelowych. O posttranslacyjnej insercji wiemy stosunkowo niewiele.

Funkcje błony komórkowej.

CECHY WSPÓLNE BŁON. 

Błony komórkowe są w pewnym stopniu zróżnicowane strukturalnie z uwagi na obecne w nich różnorodne białka enzymatyczne lub transportujące. Mimo zróżnicowania mają jednak wiele cech wspólnych, wynikających z jednolitego modelu ich struktury. Cechami wspólnymi są: zdolność fuzji, zdolność oddziaływania międzykomórkowego oraz zdolność wybiórczej przepuszczalności. Ta ostatnia cecha charakteryzuje wszystkie błony występujące w komórce. Komórki mają zdolność kontaktowania się z sobą dzięki różnorodnym przekaźnikom chemicznym. Sygnały pochodzące od innych komórek mogą być przyjmowane przez komórki posiadające specyficzne receptory błonowe.
Zdolność fuzji błony plazmatycznej jest to zdolność łączenia się dwóch błon, np. należących do 2 różnych komórek, w jedną błonę otaczającą jądra i cytoplazmy tych komórek.
Zdolność oddziaływania międzykomórkowego jest związana ze swoistością błony komórkowej. Za tę swoistość są odpowiedzialne reszty cukrowcowe umiejscowione na powierzchni biony, związane z białkami lub lipidami. Obecność cukrowców umożliwia komórce "rozpoznanie" otoczenia.
W warunkach fizjologicznych komórki kontaktujące się z sobą przestają rosnąć na skutek tzw. inhibicji kontaktowej. Natomiast komórki nowotworowe rosną mimo kontaktu z sobą bez żadnych ograniczeń. Jest to możliwe na skutek zmian powstałych w łańcuchach cukrowcowych glikoprotein błony.
Reszty cukrowcowe występujące na powierzchni błon erytrocytów decydują o swoistości grupowej krwi. Reszty te są związane z lipidami i występują jako gHkolipidy. O swoistości tkanek i płynów ustrojowych decydują reszty cukrowcowe związane z białkami, prawdopodobnie identyczne jak w glikolipidach erytrocytów. Tego rodzaju glikoproteiny są rozpuszczalne w fazie wodnej.
Zdolność wybiórczej przepuszczalności. Obecność błony komórkowej umożliwia utrzymanie środowiska wewnętrznego komórki oraz jego ochronę przed wpływem zmian zachodzących w środowisku otaczającym komórkę. Błony komórkowe odznaczają się zdolnością wybiórczej przepuszczalności w stosunku do jonów oraz cząsteczek substancji rozpuszczonych w wodzie. Ta cecha błony komórkowej umożliwia przechodzenie do wnętrza komórki składników pożywienia oraz usuwanie na zewnątrz komórki zbędnych metabolitów. Selektywność błony komórkowej uniemożliwia przechodzenie przez nią niektórych substancji, np. dużych cząsteczek białkowych.
Zdolność przyjmowania sygnałów z otoczenia. Komórka może kontaktować się z innymi tkankami organizmu poprzez różne przekaźniki chemiczne. Ich receptory znajdują się w błonach komórkowych. Po związaniu z receptorem następuje interakcja z białkami G, a te z kolei aktywują enzymy błonowe bądź oddziałują na kanały błonowe. Aktywacja enzymów błonowych prowadzi do wytworzenia przekaźników drugorzędowych. Wpływ na kanały błonowe powoduje uwalnianie jonów. Jon Ca + jest także wtórnym przekaźnikiem. Wtórne przekaźniki są uwalniane do cytoplazmy, gdzie wpływają na przebieg i tempo procesów metabolicznych.

---