1972. aastal esitati teooria, et osaliselt läbilaskev membraan ümbritseb rakku ja täidab mitmeid elutähtsaid ülesandeid ning rakumembraanide struktuur ja funktsioon on olulised küsimused, mis puudutavad kõigi keharakkude nõuetekohast toimimist.. Rakuteooria sai lai alt levinud 17. sajandil koos mikroskoobi leiutamisega. Sai teada, et taime- ja loomakuded koosnevad rakkudest, kuid seadme madala eraldusvõime tõttu ei olnud loomaraku ümber barjääre näha. 20. sajandil uuriti põhjalikum alt membraani keemilist olemust, leiti, et selle aluseks on lipiidid.
Rakumembraanide struktuur ja funktsioon
Rakumembraan ümbritseb elusrakkude tsütoplasmat, eraldades rakusisesed komponendid füüsiliselt väliskeskkonnast. Ka seentel, bakteritel ja taimedel on rakuseinad, mis pakuvad kaitset ja takistavad suurte molekulide läbipääsu. Oma rolli mängivad ka rakumembraanidtsütoskeleti moodustumine ja teiste elutähtsate osakeste kinnitumine rakuvälisele maatriksile. See on vajalik nende kooshoidmiseks, moodustades keha kudesid ja elundeid. Rakumembraani struktuuriomadused hõlmavad läbilaskvust. Peamine funktsioon on kaitse. Membraan koosneb sisseehitatud valkudega fosfolipiidikihist. See osa osaleb sellistes protsessides nagu rakkude adhesioon, ioonide juhtivus ja signaalisüsteemid ning toimib kinnituspinnana mitmetele rakuvälistele struktuuridele, sealhulgas seinale, glükokalüksile ja sisemisele tsütoskeletile. Membraan säilitab ka raku potentsiaali, toimides selektiivfiltrina. See on ioonide ja orgaaniliste molekulide suhtes selektiivselt läbilaskev ning kontrollib osakeste liikumist.
Rakumembraani hõlmavad bioloogilised mehhanismid
1. Passiivne difusioon: mõned ained (väikesed molekulid, ioonid), nagu süsinikdioksiid (CO2) ja hapnik (O2), võivad difundeeruda läbi plasmamembraani. Kest toimib tõkkena teatud molekulidele ja ioonidele, mis võivad koonduda mõlemale poole.
2. Transmembraanne kanal ja transportervalk: Toitained, nagu glükoos või aminohapped, peavad sisenema rakku ja mõned ainevahetusproduktid peavad lahkuma.
3. Endotsütoos on protsess, mille käigus omastatakse molekule. Plasmamembraanis tekib kerge deformatsioon (invaginatsioon), milles transporditav aine neelatakse alla. See nõuabenergiat ja on seega aktiivse transpordi vorm.
4. Eksotsütoos: esineb erinevates rakkudes, et eemaldada endotsütoosiga kaasa võetud ainete seedimata jäägid, et eritada selliseid aineid nagu hormoonid ja ensüümid ning transportida aine täielikult läbi rakubarjääri.
Molekulaarstruktuur
Rakumembraan on bioloogiline membraan, mis koosneb peamiselt fosfolipiididest ja eraldab kogu raku sisu väliskeskkonnast. Moodustamisprotsess toimub normaalsetes tingimustes spontaanselt. Selle protsessi mõistmiseks ja rakumembraanide struktuuri ja funktsioonide ning omaduste õigeks kirjeldamiseks on vaja hinnata fosfolipiidide struktuuride olemust, mida iseloomustab struktuurne polarisatsioon. Kui fosfolipiidid tsütoplasma veekeskkonnas saavutavad kriitilise kontsentratsiooni, ühinevad need mitsellideks, mis on veekeskkonnas stabiilsemad.
Membraani omadused
- Stabiilsus. See tähendab, et pärast membraani moodustumist ei varise see tõenäoliselt kokku.
- Tugevus. Lipiidmembraan on piisav alt töökindel, et takistada polaarse aine läbimist, nii lahustunud ained (ioonid, glükoos, aminohapped) kui ka palju suuremad molekulid (valgud) ei pääse moodustunud piirist läbi.
- Dünaamiline tegelane. See on võib-olla raku struktuuri arvestades kõige olulisem omadus. Rakumembraan võibvõivad olla erinevate deformatsioonidega, kokkupandavad ja painutavad ilma kokkuvarisemiseta. Eriolukordadel, näiteks vesiikulite ühinemisel või tärkamisel, võib see puruneda, kuid ainult ajutiselt. Toatemperatuuril on selle lipiidsed koostisosad pidevas kaootilises liikumises, moodustades stabiilse vedelikupiiri.
Liquid Mosaic Model
Rääkides rakumembraanide struktuurist ja funktsioonidest, on oluline märkida, et kaasaegses vaates käsitlesid teadlased Singer ja Nicholson membraani vedela mosaiikmudelina 1972. aastal. Nende teooria peegeldab membraani struktuuri kolme peamist tunnust. Integraalsed membraanivalgud pakuvad membraanile mosaiikmalli ja nad on võimelised külgsuunas tasapinnaliselt liikuma lipiidide organisatsiooni muutuva olemuse tõttu. Transmembraansed valgud on samuti potentsiaalselt mobiilsed. Membraani struktuuri oluline tunnus on selle asümmeetria. Mis on raku struktuur? Rakumembraan, tuum, valgud ja nii edasi. Rakk on elu põhiüksus ja kõik organismid koosnevad ühest või mitmest rakust, millest igaühel on looduslik barjäär, mis eraldab seda keskkonnast. Seda raku välispiiri nimetatakse ka plasmamembraaniks. See koosneb neljast erinevat tüüpi molekulist: fosfolipiidid, kolesterool, valgud ja süsivesikud. Vedelmosaiikmudel kirjeldab rakumembraani struktuuri järgmiselt: painduv ja elastne, konsistentsilt sarnane taimeõliga, nii et kõiküksikud molekulid lihts alt hõljuvad vedelas keskkonnas ja kõik on võimelised selles kestas külgsuunas liikuma. Mosaiik on midagi, mis sisaldab palju erinevaid detaile. Plasmamembraanis esindavad seda fosfolipiidid, kolesterooli molekulid, valgud ja süsivesikud.
Fosfolipiidid
Fosfolipiidid moodustavad rakumembraani põhistruktuuri. Nendel molekulidel on kaks erinevat otsa: pea ja saba. Peaots sisaldab fosfaatrühma ja on hüdrofiilne. See tähendab, et seda tõmbavad veemolekulid. Saba koosneb vesiniku- ja süsinikuaatomitest, mida nimetatakse rasvhappeahelateks. Need ahelad on hüdrofoobsed, neile ei meeldi veemolekulidega seguneda. See protsess sarnaneb sellega, mis juhtub siis, kui valate taimeõli vette, see tähendab, et see ei lahustu selles. Rakumembraani struktuursed tunnused on seotud nn lipiidide kaksikkihiga, mis koosneb fosfolipiididest. Hüdrofiilsed fosfaadipead asuvad alati seal, kus on rakusisese ja rakuvälise vedeliku kujul vett. Fosfolipiidide hüdrofoobsed sabad membraanis on korraldatud nii, et need hoiavad neid veest eemal.
Kolesterool, valgud ja süsivesikud
Kui inimesed kuulevad sõna "kolesterool", arvavad inimesed tavaliselt, et see on halb. Kolesterool on aga tegelikult väga oluline rakumembraanide komponent. Selle molekulid koosnevad neljast vesiniku- ja süsinikuaatomite ringist. Need on hüdrofoobsed ja esinevad lipiidide kaksikkihi hüdrofoobsete sabade hulgas. Nende tähtsus seisneb sellessäilitades konsistentsi, tugevdavad nad membraane, vältides ristumist. Kolesterooli molekulid takistavad ka fosfolipiidide sabade kokkupuudet ja kõvenemist. See tagab sujuvuse ja paindlikkuse. Membraanvalgud toimivad ensüümidena, mis kiirendavad keemilisi reaktsioone, toimivad spetsiifiliste molekulide retseptoritena või transpordivad aineid läbi rakumembraani.
Süsivesikuid ehk sahhariide leidub ainult rakumembraani rakuvälisel küljel. Koos moodustavad nad glükokalüksi. See tagab plasmamembraanile pehmenduse ja kaitse. Glükokalüksi süsivesikute struktuuri ja tüübi põhjal suudab keha rakud ära tunda ja otsustada, kas need peaksid seal olema või mitte.
Membraanvalgud
Loomaraku rakumembraani ehitust ei saa ette kujutada ilma sellise olulise komponendita nagu valk. Vaatamata sellele võivad need olla oma suuruselt oluliselt väiksemad kui teisele olulisele komponendile – lipiididele. Peamist membraanivalku on kolm.
- Integraal. Nad katavad täielikult kahekihilise, tsütoplasma ja rakuvälise keskkonna. Nad täidavad transpordi- ja signaalimisfunktsiooni.
- Välisseade. Valgud kinnituvad membraanile elektrostaatiliste või vesiniksidemetega nende tsütoplasmaatilisel või rakuvälisel pinnal. Neid kasutatakse peamiselt integraalsete valkude kinnitusvahendina.
- Transmembraanne. Nad täidavad ensümaatilisi ja signaalimisfunktsioone ning moduleerivad ka membraani lipiidide kahekihilist põhistruktuuri.
Bioloogiliste membraanide funktsioonid
Hüdrofoobne efekt, mis reguleerib süsivesinike käitumist vees, kontrollib membraanilipiidide ja membraanivalkude poolt moodustatud struktuure. Paljusid membraanide omadusi annavad lipiidide kaksikkihtide kandjad, mis moodustavad kõigi bioloogiliste membraanide põhistruktuuri. Integraalsed membraanivalgud on osaliselt peidetud lipiidide kaksikkihis. Transmembraansetel valkudel on nende esmases järjestuses spetsiaalne aminohapete korraldus.
Perifeersete membraanide valgud on väga sarnased lahustuvatele, kuid on ka membraaniga seotud. Spetsiaalsetel rakumembraanidel on spetsiifilised rakufunktsioonid. Kuidas rakumembraanide struktuur ja funktsioonid keha mõjutavad? Kogu organismi funktsionaalsus sõltub sellest, kuidas bioloogilised membraanid on paigutatud. Intratsellulaarsetest organellidest, membraanide ekstratsellulaarsetest ja rakkudevahelistest interaktsioonidest tekivad bioloogiliste funktsioonide organiseerimiseks ja täitmiseks vajalikud struktuurid. Paljud struktuursed ja funktsionaalsed tunnused on ühised bakteritele, eukarüootsetele rakkudele ja ümbrisega viirustele. Kõik bioloogilised membraanid on ehitatud lipiidide kaksikkihile, mis määrab mitmete ühiste omaduste olemasolu. Membraanvalkudel on palju spetsiifilisi funktsioone.
- Juhtimine. Rakkude plasmamembraanid määravad kindlaks raku ja keskkonna vastasmõju piirid.
- Transport. Rakkude intratsellulaarsed membraanid on jagatud mitmeks funktsionaalplokiks, millel on erinevadsisemine koostis, millest igaüht toetab vajalik transpordifunktsioon koos kontrolli läbilaskvusega.
- Signaali ülekanne. Membraanide liitmine pakub mehhanismi rakusiseseks vesikulaarseks teavitamiseks ja takistab erinevate viiruste vab alt rakku sisenemist.
Tähendus ja järeldused
Välise rakumembraani struktuur mõjutab kogu keha. See mängib olulist rolli terviklikkuse kaitsmisel, võimaldades ainult valitud ainetel tungida. See on ka hea alus tsütoskeleti ja rakuseina kinnitamiseks, mis aitab säilitada raku kuju. Lipiidid moodustavad ligikaudu 50% enamiku rakkude membraani massist, kuigi see varieerub sõltuv alt membraani tüübist. Imetajate välimise rakumembraani struktuur on keerulisem, see sisaldab nelja peamist fosfolipiidi. Lipiidide kaksikkihtide oluline omadus on see, et need käituvad nagu kahemõõtmeline vedelik, milles üksikud molekulid saavad vab alt pöörlema ja külgsuunas liikuda. Selline voolavus on membraanide oluline omadus, mis määratakse sõltuv alt temperatuurist ja lipiidide koostisest. Süsivesinike ringstruktuuri tõttu mängib kolesterool rolli membraanide voolavuse määramisel. Bioloogiliste membraanide selektiivne läbilaskvus väikestele molekulidele võimaldab rakul kontrollida ja säilitada oma sisemist struktuuri.
Arvestades raku struktuuri (rakumembraan, tuum ja nii edasi), võime järeldada, etet keha on isereguleeruv süsteem, mis ei saa ennast ilma välise abita kahjustada ja otsib alati võimalusi iga raku taastamiseks, kaitsmiseks ja nõuetekohaseks toimimiseks.
