Građa i uloga biomembrana

Građa biomembrane

Biološke membrane ili biomembrane tanke su opne koje razdvajaju prostor u stanicama svih organizama. Biomembrane koje okružuju stanice i odvajaju njihovu unutrašnjost od okoline zovemo staničnim membranama, no one mogu graditi ovojnice i mnogih drugih struktura unutar stanice, poput ovojnice jezgre ili mitohondrija. Glavna im je uloga da zaštite unutrašnjost stanice ili staničnih dijelova od vanjskih utjecaja. One su selektivno propusne pa tako čuvaju one tvari koje su stanici potrebne, a štetne ili nepotrebne zadržavaju vani ili ih izbacuju.

Regulirajući protok tvari, svaka stanica svojom membranom može održavati specifične uvjete koji su joj potrebni za normalno funkcioniranje.

Osnova svake membrane je fosfolipidni dvosloj. Fosfolipidi su molekule koje imaju dio koji je hidrofilan i dio koji je hidrofoban. Kada ih stavimo u vodu, hidrofobni dijelovi molekule fosfolipida odbijaju se od molekula vode i spontano vežu s hidrofobnim dijelovima drugih molekula. Najstabilnija je struktura dvosloja u kojem su hidrofobni dijelovi usmjereni jedni prema drugima u unutrašnjosti, a hidrofilni dijelovi vezani za molekule vode u vanjskom dijelu dvosloja.

Osim molekula fosfolipida koje daju fleksibilnost i stabilnost, u sastavu membrana nalaze se i druge molekule: proteini, ugljikohidrati i kolesterol. Te su molekule umetnute u membranu i u njoj plutaju kao što i plutače plove na površini mora. One se slobodno kreću unutar tog fosfolipidnog dvosloja, što je glavni razlog zašto ovakav model građe membrane zovemo modelom tekućeg mozaika.

Prijenos tvari kroz biomembrane

Biomembrane su selektivno propusne ili polupropusne, a to znači da će neke tvari kroz njih prolaziti lakše i brže, dok će druge prolaziti teže ili nikako. Manje će molekule poput kisika ili vode u pravilu lako prolaziti između pojedinih molekula fosfolipida dok će veće poput glukoze moći prolaziti samo kroz specifične proteinske kanale.

Nadalje, budući da je unutrašnjost membrane izgrađena od hidrofobnih viših masnih kiselina koje čine repove fosfolipida, nabijene čestice poput iona ili polarne tvari teže će prolaziti kroz nju, a nepolarne i hidrofobne lakše.

Tvari kroz membranu prolaze ili pasivnim prijenosom, koji se događa spontano i bez utroška energije, ili aktivnim prijenosom, za koji stanica ulaže energiju.

Pasivni prijenos

Pasivni prijenos ostvaruje se difuzijom , što je spontano kretanje tvari iz područja veće koncentracije u područje manje ili niz tzv. koncentracijski gradijent. Plinovite i tekuće tvari slobodno se kreću i sudaraju te naposljetku šire u okolinu dok im se koncentracije ne izjednače.

Što je razlika u koncentracijama veća, difuzija će biti brža i ona će se usporavati kako se bliži izjednačavanju. Jednom kad se koncentracije izjednače, čestice otopljene tvari i dalje se kreću, ali bez promjena u koncentraciji.
Malene, nepolarne i nenabijene čestice otopljene tvari slobodno se kreću difuzijom kroz membranu. Najčešće dvije tvari koje na taj način prolaze membranom su molekule kisika i ugljikova(IV) oksida.

• Objasnite kako je moguće da se koncentracijski gradijent nikad ne mijenja prilikom ulaska kisika u stanice iz krvotoka, odnosno izlaska ugljikova(IV) oksida iz stanica u krvotok.
• Zašto se tijekom naših života koncentracije ovih plinova u krvotoku i u stanicama nikad ne izjednače?

Nabijene čestice otopljene tvari poput iona natrija, kalija i klorida ili polarnih poput aminokiselina, vode i glukoze također se kreću niz koncentracijski gradijent, no one mnogo teže prolaze između molekula fosfolipida. Kako bi se njihov prijenos omogućio ili ubrzao, u membrani nalazimo proteinske kanale koji specifično propuštaju pojedine tvari. Difuzija koju omogućavaju takvi proteini naziva se olakšana difuzija.

Ovakvi proteinski kanali nisu uvijek otvoreni. Stanica kontrolira prijenos mnogih tvari tako da kanale otvara ili zatvara. Uvjeti unutar stanice moraju biti kontrolirani jer u suprotnom ona ne bi mogla vršiti potrebne metaboličke reakcije.

• Koja je molekula potrebna da bi se, primjerice, otvorio kanal koji propušta molekule glukoze?

Prijenos vode iznimno je važan za život svake stanice. Sve su stanične tvari otopljene upravo u vodi, a voda omogućava njihovo kretanje, sudaranje i stupanje u sve životne, kemijske reakcije. Upravo zbog toga kretanje vode kroz membranu izdvajamo od ostalih oblika difuzije, a svako kretanje otapala kroz membranu nazivamo osmozom.

U mnogim slučajevima otopljene tvari poput soli ne mogu prolaziti kroz membranu, ili to čine presporo. Zbog velike razlike u koncentracijama postoji težnja da se molekule vode kreću u smjeru kojim će se izjednačiti koncentracije s obje strane. Voda, koja je otapalo, kreće se u područje gdje otopljene tvari (soli) ima više i time će tu otopljenu tvar razrijediti.

Otopina koja ima veću koncentraciju otopljene tvari od one u stanici zove se hipertonična, a otopina koja ima manju koncentraciju zove se hipotonična. Kad su koncentracije otopina u stanici i izvan nje jednake, voda će se kretati podjednako u oba smjera, a stanica će biti u dinamičkoj ravnoteži. Otopina jednake koncentracije staničnoj zove se izotonična.

• Promotrite kako biljne i životinjske stanice reagiraju u otopinama različitih koncentracija.

Aktivni prijenos

Aktivni prijenos uvijek se događa uz ulaganje energije i on se većinom događa u smjeru suprotnom od koncentracijskog gradijenta. Omogućuju ga specifični proteinski kanali koje nazivamo proteinskim crpkama ili pumpama.

Proteinskim crpkama stanica najčešće sprječava izjednačavanje koncentracija iona u stanici i izvan nje koje se događa zbog olakšane difuzije. Ovim se procesom ioni nakupljaju s jedne strane membrane. Najpoznatiji primjer je natrij-kalijeva crpka koja natrijeve ione zadržava vani, a kalijeve unutar stanice. Ona stalno izbacuje ione natrija koji su u stanicu ušli olakšanom difuzijom, a ubacuje ione kalija. Za svaka tri izbačena iona natrija, crpka ubaci samo dva iona kalija. Ovime se s vanjske strane membrane održava povećana količina pozitivnog naboja u odnosu na unutarnju stranu, što je, primjerice, iznimno važno za električnu provodljivost živčanih stanica.

Endocitoza i egzocitoza primjeri su aktivnog transporta koji troši velike količine energije i primjer su masovnog transporta. Endocitoza je unošenje velike količine tvari u stanicu izvrtanjem membrane kojim ona okružuje tvari koje će unijeti. Mnoge se stanice hrane upravo ovim procesom. Amebe lažnim nožicama okružuju svoj plijen i endocitozom ga unose. Unošenje većih čestica nazivamo fagocitozom, a manjih, otopljenih čestica pinocitozom.

Egzocitoza je obrnut proces, pri kojem će stanica izbacivati tvari van tako da se membranski mjehurići spoje sa staničnom membranom i izvrnu prema van.

Za kraj…

Koristeći stečeno znanje o osmozi izradite poster na kojem ćete prikazati primjere utjecaja osmoze na život čovjeka. Možete ga izraditi i u digitalnom alatu Canva. To mogu biti utjecaj hipertoničnih otopina na krvni tlak kod oboljelih od šećerne bolesti ili soljenje namirnica kako bi se očuvale od bakterijskog raspadanja. Koristite primjere iz životnog iskustva naglašavajući važnost uravnotežene koncentracije tvari za život stanica.