Bioloģiskā membrānas
Bioķīmiskās membrānas ir strukturēti, no daudziem komponentiem sastāvoši noslēgti veidojumi, kas veido šūnu, veido kodolu, mitohondrijus, lizosomas, endoplazmatisko retikulumu un nodrošina svarīgāko šūnas dzīvības funkciju izpildi. Tādējādi bioloģiskās membrānas nav tikai plēves, kas atdala vienu šūnu no otras (kā tās izskatījās mikroskopā skolas bioloģijas kursā), bet gan ļoti sarežģītas struktūras. Tās ir tik sarežģītas, ka to izpētei ir izveidojusies patstāvīga zinātne – membranoloģija.
Membrānu struktūru veidojošie komponenti ir molekulas, kuru struktūrā ir gan hidrofobas (t.i., tendētas izvairīties no ūdens), gan hidrofilas (t.i., gluži pretēji, viegli ar ūdeni saistīties spējīgas) grupas. Šādas savienojumus sauc par amfifīliem. Ikdienā mēs saskaramies ar šāda tipa struktūrām mazgāšanas līdzekļos – tie ir virsmaktīvās vielas.
Unikāla amfifilo savienojumu īpašība ir spēja spontāni veidot slēgtu lipīdu dubultslāni.
Šajā visai plašajā vielu grupā (ar sarežģītiem nosaukumiem un struktūrām, kuras šeit vienkāršības labad nav minētas) kā tipisku komponentu varam nosaukt visiem zināmo lecitīnu un tā analogus (plaši izmantotus atmiņas uzlabošanai, holesterīna līmeņa samazināšanai asinīs u.c.). Tie ir fosfolipīdu klases savienojumi, t.i., taukvielām līdzīgas vielas (nejaukt ar taukiem).
Membrānas struktūrā ietilpst arī holesterīns, kam ir slikta reputācija, taču tas ir svarīgs bioloģisko membrānu, tostarp smadzeņu šūnu membrānu, komponents.
Lipīdu dubultslānī hidrofobās molekulu daļas (astes) pievelkas cita citai hidrofobo mijiedarbību dēļ, bet hidrofilās daļas (apzīmētas ar aplīšiem), kas ir apņemtas ar ūdens molekulām, ir vērstas uz ūdens vidi (tādēļ astes ir pavērstas viena pret otru). Šādā veidā spontāni veidojas lipīdu dubultslānis.
Šāds dubultslānis veido relatīvi necaurlaidīgu barjeru lielākajai daļai ūdenī šķīstošo molekulu un pasargā šūnas no bīstamu vielu iekļūšanas. Tomēr šūnai nepieciešamie produkti tomēr nonāk tās iekšienē; šī procesa mehānisms tiks aplūkots tālāk.
Tātad, galvenie bioloģisko membrānu komponenti ir: polārie fosfolipīdi (t.i., polāras taukvielām līdzīgas vielas, bet ne tauki), membrānas olbaltumvielas, oligosaharīdi un to kombinācijas.
Visu fosfolipīdu, tostarp lecitīna un tā analogu, molekulas ir uzbūvētas pēc līdzīga principa. Fosfolipīdu struktūrā izšķir tā saucamo polāro galvu un divas hidrofobās astes.
Lecitīna un tā analogu sastāvā ir divi garām astēm taukskābju atlikumi (tos sauc par "augstākām taukskābēm" jeb AT), kas pievienoti glicerīnam. Pirmajā pozīcijā ir piesātinātās taukskābes atlikums, bet otrajā obligāti mononepiesātinātās (viena dubultsaišu) vai polinepiesātinātās (2–6 dubultsaišu) taukskābes atlikums. Citiem lipīdiem var būt arī divi piesātināto taukskābju atlikumi.
Lecitīna vai tā analogu molekulas augšējā daļa satur lādētas un/vai polāras grupas – fosforskābes atlikumu, kas savienots ar holīnu (dažreiz to sauc par B4 vitamīnu) un aminoskābi serīnu, kas aktīvi mijiedarbojas ar ūdens molekulām (hidrofilā daļa). Apakšējā daļa (zem svītras) sastāv no taukskābju ogļūdeņražu ķēdēm un atgrūž ūdeni (hidrofobā daļa).
Ja otrajā pozīcijā atrodas polinepiesātinātā taukskābe, šajā vietā izveidojas izliekums, kas rada telpu starp pirmās un otrās pozīcijas taukskābju astēm un palielina membrānas šķidrīgumu. Jo vairāk dubultsaišu taukskābē, jo augstāks šķidrīgums, t.i., zemāka membrānas mikroviskozitāte. Tieši tādēļ omega-3 polinepiesātinātās taukskābes ar piecām un sešām dubultsaitēm (eikozapentaēnskābe un dokozaheksaēnskābe) visefektīvāk sašķidrina bioloģisko membrānu, piešķirot tai elastību un aktīvi ietekmējot caurlaidību.
Holesterīns (holesterols) ir normāls un svarīgs membrānas komponents, kas lokalizēts tās ārējā monoslānī. Tas, tāpat kā piesātinātās AT, palielina dubultslāņa mikroviskozitāti, samazina caurlaidību, palielina membrānas elastību un mehānisko izturību.
Pie membrānas lipīdu komponentiem var pievienoties dažādi cukuru atlikumi – šādus komponentus sauc par glikolipīdiem. Tie nosaka šūnu imūnās īpašības un asins grupas piederību.
Vēl viens svarīgs bioloģisko membrānu komponents ir membrānas olbaltumvielas. Tās iedala šādās grupās:
🔀 Perifērās olbaltumvielas – tās atrodas membrānas ārējā vai iekšējā virsmā, līdzīgi ledus gabaliņiem ūdens plūdu laikā. Tās ir kustīgas olbaltumvielas.
🔀 Integrālās olbaltumvielas – tās caururbj membrānu un bieži vien vairākas reizes. Tās ietver transmembrānas kanālus, kanālu veidojošās un receptoru olbaltumvielas. Integrālās olbaltumvielas ir fiksētas noteiktā vietā.
Integrālajām olbaltumvielām, tāpat kā membrānas lipīdiem, var pievienoties cukuru atlikumi, un šādas olbaltumvielas sauc par glikoproteīniem. Tie nosaka šūnu imūnās īpašības, asins grupas piederību un starpšūnu kontaktus.
Membrānas citoplazmas pusē tai piekļaujas citoskeleta olbaltumvielas – mikrotubulas un mikrofilamenti. Tiem ir šādas funkcijas:
🌰 Mehāniskā funkcija – tie piešķir šķidrajai membrānai izturību, saglabājot elastību.
🌰 Transporta funkcija – pa mikrotubulām tiek transportētas dažādas vielas no vienas šūnas daļas uz otru.
🌰 Strukturālā funkcija – tās kalpo kā matrica citosola enzīmu (piemēram, glikolīzes enzīmu) izvietošanai.
Saskaņā ar mūsdienu teoriju par bioloģisko membrānu uzbūvi, membrānas struktūra ir šķidri-mozaīkveida. Tas nozīmē, ka bioloģiskā membrāna ir divslāņaina slēgta lipīdu struktūra, kuras īpašības nosaka piesātināto taukskābju un ārējā slānī iestrādātā holesterīna attiecība no vienas puses, kā arī nepiesātināto taukskābju klātbūtne membrānas lipīdu molekulās – no otras puses.
Šajā divslāņainajā struktūrā ir iekļautas dažādas membrānas olbaltumvielas: gan kustīgās virsmas olbaltumvielas, gan fiksētās integrālās olbaltumvielas, tostarp ar cukuriem saistītās struktūras, kā arī (citoplazmas pusē) citoskeleta olbaltumvielas.