Membrane plasmatice: Modelul mozaic fluid

Membrana plasmatică, membrana celulară, are multe funcții, dar cea mai de bază este de a defini granițele celulei și de a menține celula funcțională. Membrana plasmatică este permeabilă selectiv. Aceasta înseamnă că membrana permite unor materiale să intre sau să iasă liber din celulă, în timp ce alte materiale nu se pot deplasa liber, necesitând o structură specializată și, ocazional, chiar și investiții energetice pentru traversare.

Membrana plasmatică a unei celule definește celula, îi conturează granițele și determină natura interacțiunii acesteia cu mediul său. Celulele exclud unele substanțe, iau altele și excretă încă altele, toate în cantități controlate. Membrana plasmatică trebuie să fie foarte flexibilă pentru a permite anumitor celule, cum ar fi celulele roșii și albe din sânge, să își schimbe forma pe măsură ce trec prin capilarele înguste. Acestea sunt cele mai evidente funcții ale membranei plasmatice. În plus, suprafața membranei plasmatice poartă markeri care permit celulelor să se recunoască reciproc, ceea ce este vital pentru formarea țesuturilor și a organelor în timpul dezvoltării timpurii și care mai târziu joacă un rol în distincția „sine” față de „non-sine” a răspunsului imun.

Printre cele mai sofisticate funcții ale membranei plasmatice se numără capacitatea proteinelor complexe, integrale, a receptorilor de a transmite semnale. Aceste proteine acționează atât ca receptori de intrare extracelular, cât și ca activatori de procesare intracelulară. 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, virușii deturnează receptorii (HIV, virusul imunodeficienței umane, este un exemplu) pe care îi folosesc pentru a pătrunde în celule și, uneori, genele care codifică receptorii devin mutante, determinând funcționarea defectuoasă a procesului de transducție a semnalului cu consecințe dezastruoase.

Modelul mozaic fluid

Oamenii de știință au identificat membrana plasmatică în anii 1890, iar componentele sale chimice în 1915. Componentele principale pe care le-au identificat au fost lipidele și proteinele. În 1935, Hugh Davson și James Danielli au propus structura membranei plasmatice. Acesta a fost primul model pe care alții din comunitatea științifică l-au acceptat pe scară largă. S-a bazat pe aspectul „căii ferate” a membranei plasmatice în micrografiile electronice timpurii. Davson și Danielli au teoretizat că structura membranei plasmatice seamănă cu un sandviș. Ei au făcut analogia proteinelor cu pâinea și a lipidelor cu umplutura. În anii 1950, progresele în microscopie, în special microscopia electronică cu transmisie (TEM), au permis cercetătorilor să vadă că miezul membranei plasmatice consta dintr-un strat dublu, mai degrabă decât dintr-un singur strat. În 1972, S.J. Singer și Garth L. Nicolson au propus un nou model care oferă observații microscopice și explică mai bine funcția membranei plasmatice.

Explicația, modelul mozaic fluid, a evoluat oarecum de-a lungul timpului, dar încă ține seama cel mai bine de structura și funcția membranei plasmatice așa cum le înțelegem acum. Modelul mozaic 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 nm în grosime. Pentru comparație, globulele roșii umane, vizibile prin microscopie cu lumină, au aproximativ 8 um lățime sau de aproximativ 1.000 de ori mai late decât o membrană plasmatică. Membrana arată un pic ca un sandviș (Figura 5.2).

(Modelul mozaic fluid al membranei plasmatice descrie membrana plasmatică ca o combinație fluidă de fosfolipide, colesterol și proteine. Carbohidrații atașați la lipide (glicolipide) și la proteine (glicoproteine) se extind de pe suprafața care este orientată spre exterior a membranei. Credit: Rao, A., Ryan, K., Fletcher, S., Hawkins, A. și Tag, A. Departamentul de Biologie, Universitatea Texas A&M.)

Componentele principale ale membranei plasmatice sunt lipidele (fosfolipide și colesterol), proteine și carbohidrați atașați la unele dintre lipide și 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, este situat lângă 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 compoziție în masă, lipidele (de toate tipurile) reprezintă aproximativ 40%, iar carbohidrații cuprind restul de 10 procente. Cu toate acestea, concentrația de proteine și lipide variază în funcție de membranele celulare diferite. De exemplu, mielina, o consecință 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 plasmatică 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 atașați de lipide, formând glicolipide.