5.1 Hlutar og bygging

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

• skilið fljótandi mósaíklíkan frumuhimnunnar
• lýst hlutverki fosfólípíða, próteina og kolvetna í himnum
• rætt um fljótanleika himnunnar

Frumuhimna frumunnar afmarkar frumuna, afmarkar mörk hennar og ákvarðar eðli samskipta hennar við umhverfið (sjá töflu 5.1 fyrir samantekt). Frumur útiloka sum efni, taka inn önnur og losa sig við enn önnur, allt í stjórnuðu magni. Frumuhimnan verður að vera mjög sveigjanleg til að gera ákveðnum frumum, eins og rauðum og hvítum blóðkornum, kleift að breyta um lögun þegar þær fara í gegnum þröngar háræðar. Þetta eru augljósari hlutverk frumuhimnunnar. Að auki ber yfirborð frumuhimnunnar merki sem gera frumum kleift að þekkja hver aðra, sem er lífsnauðsynlegt fyrir myndun vefja og líffæra á fyrstu stigum þroska, og gegnir síðar hlutverki í aðgreiningu ónæmiskerfisins á „sjálfu“ og „framandi“.

Meðal flóknustu hlutverka frumuhimnunnar er geta flókinna innfelldra himnupróteina, viðtaka, til að senda boð. Þessi prótein virka bæði sem viðtakar fyrir boð utan frumunnar og sem virkjarar innanfrumuferla. Þessir himnuviðtakar veita bindistaði utan frumunnar fyrir boðefni eins og hormón og vaxtarþætti, og þeir virkja innanfrumu-svarferla þegar boðefni bindast þeim. Stundum ræna veirur viðtökum (HIV, alnæmisveira manna, er eitt dæmi) og nota þá til að komast inn í frumur, og stundum stökkbreytast genin sem skrá viðtaka, sem veldur því að boðflutningsferlið bilar með skelfilegum afleiðingum.

Fljótandi mósaíklíkan

Vísindamenn greindu frumuhimnuna á síðasta áratug 19. aldar og efnafræðilega hluta hennar hennar árið 1915. Helstu hlutarnir sem þeir greindu voru lípíð og prótein. Árið 1935 lögðu Hugh Davson og James Danielli til byggingu frumuhimnunnar. Þetta var fyrsta líkanið sem aðrir í vísindasamfélaginu samþykktu almennt. Það byggðist á „járnbrautarteina“-útliti frumuhimnunnar í fyrstu rafeindasmásjármyndunum. Davson og Danielli settu fram þá kenningu að bygging frumuhimnunnar líktist samloku. Þeir líktu próteinum við brauð og lípíðum við áleggið. Á sjötta áratugnum gerðu framfarir í smásjárskoðun, einkum gegnumlýsingarrafeindasmásjá (TEM), rannsakendum kleift að sjá að kjarni frumuhimnunnar samanstóð af tvöföldu lagi, frekar en einföldu. Árið 1972 lögðu S.J. Singer og Garth L. Nicolson til nýtt líkan sem samræmist smásjárathugunum og útskýrir starfsemi frumuhimnunnar betur.

Skýringin, fljótandi mósaíklíkan, hefur þróast nokkuð með tímanum, en hún útskýrir enn best byggingu og starfsemi frumuhimnunnar eins og við skiljum hana nú. Fljótandi mósaíklíkanið lýsir byggingu frumuhimnunnar sem mósaík af hlutum – þar á meðal fosfólípíðum, kólesteróli, próteinum og kolvetnum – sem gefur himnunni fljótandi eðli. Frumuhimnur eru á bilinu 5 til 10 nm að þykkt. Til samanburðar eru rauð blóðkorn manna, sem sjást með ljóssmásjá, um það bil 8 µm á breidd, eða um það bil 1.000 sinnum breiðari en frumuhimna. Himnan lítur svolítið út eins og samloka (mynd 5.2).

Helstu hlutar frumuhimnu eru lípíð (fosfólípíð og kólesteról), prótein og kolvetni sem eru tengd sumum lípíðanna og próteinanna. Fosfólípíð er sameind sem samanstendur af glýseróli, tveimur fitusýrum og fosfattengdum höfuðhópi. Kólesteról, annað lípíð sem samanstendur af fjórum samtengdum kolefnishringjum, er staðsett við hlið fosfólípíðanna í kjarna himnunnar. Hlutfall próteina, lípíða og kolvetna í frumuhimnunni er breytilegt eftir frumugerð, en í dæmigerðri frumu manna eru prótein um 50 prósent af massanum, lípíð (af öllum gerðum) um 40 prósent og kolvetni mynda þau 10 prósent sem eftir eru. Hins vegar er styrkur próteina og lípíða breytilegur í mismunandi frumuhimnum. Til dæmis inniheldur mýelín, sem er útvöxtur af himnu sérhæfðra frumna sem einangrar síma úttaugakerfisins, aðeins 18 prósent prótein og 76 prósent lípíð. Innri himna hvatbera inniheldur 76 prósent prótein og aðeins 24 prósent lípíð. Frumuhimna rauðra blóðkorna í mönnum er 30 prósent lípíð. Kolvetni eru aðeins til staðar á ytra yfirborði frumuhimnunnar og eru tengd próteinum, og mynda þá glýkóprótein, eða tengd lípíðum, og mynda þá glýkólípíð.

Fosfólípíð

Aðalefni himnunnar samanstendur af tvíeðlis fosfólípíðsameindum. Vatnssæknu eða „vatnselskandi“ svæði þessara sameinda (sem líta út eins og safn af boltum í túlkun listamanns á líkaninu) (mynd 5.2) eru í snertingu við vatnskenndan vökvann bæði innan og utan frumunnar. Vatnsfælnar, eða vatnshatandi sameindir, hafa tilhneigingu til að vera óskautaðar. Þær hafa víxlverkun við aðrar óskautaðar sameindir í efnahvörfum, en hafa almennt ekki víxlverkun við skautaðar sameindir. Þegar vatnsfælnar sameindir eru settar í vatn hafa þær tilhneigingu til að mynda kúlu eða þyrpingar. Vatnssæknu svæði fosfólípíðanna mynda vetnistengi við vatn og aðrar skautaðar sameindir bæði utan og innan frumunnar. Þannig eru yfirborð himnunnar sem snúa að innra og ytra umhverfi frumunnar vatnssækin. Aftur á móti er innri hluti frumuhimnunnar vatnsfælið og verkar ekki á vatn. Þess vegna mynda fosfólípíð framúrskarandi tveggja laga frumuhimnu sem aðskilur vökva inni í frumunni frá vökvanum utan frumunnar.

Fosfólípíðsameind (mynd 5.3) samanstendur af þriggja kolefna glýserólgrind með tveimur fitusýrusameindum tengdum kolefnum 1 og 2, og fosfatberandi hópi tengdum þriðja kolefninu. Þessi uppröðun gefur sameindinni í heild höfuðsvæði (fosfatberandi hópurinn), sem hefur skautað eðli eða neikvæða hleðslu, og halasvæði (fitusýrurnar), sem hefur enga hleðslu. Höfuðið getur myndað vetnistengi, en halinn ekki. Vísindamenn kalla sameind með jákvætt eða neikvætt hlaðið svæði og óhlaðið, eða óskautað, svæði tvíeðlis eða „tvíelskandi“.

Þessi eiginleiki er lífsnauðsynlegur fyrir byggingu frumuhimnunnar því í vatni raða fosfólípíð sér þannig að vatnsfælnu halarnir snúa hver að öðrum og vatnssæknu höfuðin snúa út. Á þennan hátt mynda þau lípíðtvílag – tvöfalt lag af fosfólípíðum sem aðskilur vatn og önnur efni öðrum megin frá vatni og öðrum efnum hinum megin. Fosfólípíð sem hituð eru í vatnslausn mynda venjulega sjálfkrafa litlar kúlur eða dropa (mísellur eða lípósóm), þar sem vatnssæknu höfuðin mynda ytra borðið og vatnsfælnu halarnir eru að innan (mynd 5.4).

Prótein

Prótein mynda annan stærsta hluta frumuhimnunnar. Innfelld himnuprótein, eða integrín, eins og nafnið gefur til kynna, falla alveg inn í byggingu himnunnar, og vatnsfælin svæði þeirra sem spanna himnuna hafa víxlverkun við vatnsfælna svæðið í fosfólípíðtvílaginu (mynd 5.2). Innfelld himnuprótein sem fara einu sinni í gegnum himnuna hafa venjulega vatnsfælinn himnuspannandi hluta sem samanstendur af 20–25 amínósýrum. Sum spanna aðeins hluta himnunnar – tengjast einu lagi – á meðan önnur teygja sig frá einni hlið til annarrar og eru sýnileg báðum megin. Allt að 12 stakir próteinhlutar mynda sum flókin prótein, sem eru ríkulega samanbrotin og felld inn í himnuna (mynd 5.5). Þessi próteingerð hefur vatnssækið svæði eða svæði, og eitt eða fleiri lítillega vatnsfælin svæði. Þessi uppröðun próteinsvæða snýr próteininu við hlið fosfólípíðanna, þannig að vatnsfælið svæði próteinsins liggur að fosfólípíðhölunum og vatnssækið svæði eða svæði próteinsins standa út úr himnunni og eru í snertingu við frymisvökvann eða utanfrumuvökvann.

Jaðarprótein eru á ytra og innra yfirborði himnunnar, tengd annaðhvort innfelldum himnupróteinum eða fosfólípíðum. Jaðarprótein, ásamt innfelldum himnupróteinum, geta þjónað sem ensím, sem byggingarlegar festingar fyrir þræði frumugrindarinnar, eða sem hluti af kennistöðum frumunnar. Vísindamenn vísa stundum til þessara sem „frumusértækra“ próteina. Líkaminn þekkir sín eigin prótein og ræðst á framandi prótein sem tengjast ágengum sýklum.

Kolvetni

Kolvetni eru þriðji stærsti hluti frumuhimnunnar. Þau eru alltaf á ytra yfirborði frumunnar og eru bundin annaðhvort próteinum (og mynda glýkóprótein) eða lípíðum (og mynda glýkólípíð) (mynd 5.2). Þessar kolvetniskeðjur geta samanstaðið af 2–60 einsykrueiningum og geta verið annaðhvort beinar eða greinóttar. Ásamt jaðarpróteinum mynda kolvetni sérhæfða staði á yfirborði frumunnar sem gera frumum kleift að þekkja hver aðra. Þessir staðir hafa einstök mynstur sem gera frumugreiningu mögulega, líkt og andlitsdrættir sem eru einstakir fyrir hverja manneskju gera einstaklingum kleift að þekkja hvern einstakling. Þetta greiningarhlutverk er mjög mikilvægt fyrir frumur, þar sem það gerir ónæmiskerfinu kleift að greina á milli líkamsfrumna („sjálfs“) og framandi frumna eða vefja („framandi“). Svipaðar gerðir glýkópróteina og glýkólípíða eru á yfirborði veira og geta breyst oft, sem kemur í veg fyrir að ónæmisfrumur þekki þær og ráðist á þær.

Við vísum sameiginlega til þessara kolvetna á ytra yfirborði frumunnar – kolvetnishluta bæði glýkópróteina og glýkólípíða – sem sykurhjúp (sem merkir „sykurhjúpur“). Sykurhjúpurinn er mjög vatnssækinn og dregur mikið magn af vatni að yfirborði frumunnar. Þetta aðstoðar við samskipti frumunnar við vatnskennt umhverfi sitt og við getu frumunnar til að ná í efni sem eru leyst upp í vatninu. Eins og við ræddum hér að ofan er sykurhjúpurinn einnig mikilvægur fyrir auðkenningu frumna, aðgreiningu sjálfs og framandi, og fósturþroska, og nýtist í tengingum milli frumna til að mynda vefi.

Þróunarfræðileg tenging

Hvernig veirur sýkja tiltekin líffæri

Mynstur glýkópróteina og glýkólípíða á yfirborði frumna gefa mörgum veirum tækifæri til sýkingar. HIV og lifrarbólguveirur sýkja aðeins tiltekin líffæri eða frumur í mannslíkamanum. HIV getur komist í gegnum frumuhimnur undirgerðar eitilfrumna sem kallast T-hjálparfrumur, sem og sumra einkjörnunga og frumna í miðtaugakerfinu. Lifrarbólguveiran ræðst á lifrarfrumur.

Þessar veirur geta ráðist inn í frumurnar vegna þess að frumurnar hafa bindiset á yfirborði sínu sem eru sértæk fyrir og samrýmanleg ákveðnum veirum (mynd 5.6). Aðrar kennistöðvar á yfirborði veirunnar hafa samskipti við ónæmiskerfi mannsins og hvetja líkamann til að framleiða mótefni. Mótefni eru mynduð sem svar við mótefnavökum eða próteinum sem tengjast ágengum sýklum, eða sem svar við aðskotafrumum, eins og gæti gerst við líffæraígræðslu. Þessir sömu staðir þjóna sem festistaðir fyrir mótefni til að annaðhvort eyða eða hamla virkni veirunnar. Því miður breytast þessar kennistöðvar á HIV hratt vegna stökkbreytinga, sem gerir það mjög erfitt að þróa virkt bóluefni gegn veirunni, þar sem veiran þróast og aðlagast. Einstaklingur sem smitast af HIV mun fljótt þróa mismunandi stofna, eða afbrigði veirunnar sem greina má vegna mismunar á þessum kennistöðvum. Þessi hraða breyting á yfirborðsmerkjum dregur úr virkni ónæmiskerfis einstaklingsins við að ráðast á veiruna, því mótefnin þekkja ekki nýju tilbrigðin í yfirborðsmynstrinu. Í tilfelli HIV er vandamálið enn flóknara því veiran sýkir og eyðileggur sérstaklega frumur sem taka þátt í ónæmissvarinu, sem lamar hýsilinn enn frekar.

Fljótanleiki himnu

Mósaíkeiginleiki himnunnar hjálpar til við að lýsa eðli hennar. Innfelld himnupróteinin og lípíðin eru til staðar í himnunni sem aðskildar en lauslega tengdar sameindir. Þær líkjast aðskildum, marglitum flísum í mósaíkmynd, og þær fljóta og hreyfast nokkuð miðað við hverja aðra. Himnan er þó ekki eins og blaðra sem getur þanist út og dregist saman; hún er fremur stíf og getur rofnað ef farið er í gegnum hana eða ef fruma tekur inn of mikið vatn. Vegna mósaíkeðlis hennar getur mjög fín nál hins vegar auðveldlega farið í gegnum frumuhimnu án þess að hún rofni, og himnan flæðir til og lokast af sjálfsdáðum þegar nálin er dregin út.

Mósaíkeiginleikar himnunnar skýra hluta af fljótanleika hennar en ekki allan. Það eru tveir aðrir þættir sem hjálpa til við að viðhalda þessum fljótandi eiginleika. Einn þátturinn er eðli fosfólípíðanna sjálfra. Í mettuðu formi eru fitusýrurnar í fosfólípíðhölunum mettaðar af bundnum vetnisatómum. Engin tvítengi eru á milli aðliggjandi kolefnisatóma. Þetta leiðir til hala sem eru tiltölulega beinir. Aftur á móti innihalda ómettaðar fitusýrur ekki hámarksfjölda vetnisatóma, en þær innihalda nokkur tvítengi á milli aðliggjandi kolefnisatóma. Tvítengi veldur beygju í kolefniskeðjunni sem nemur um 30 gráðum (mynd 5.3).

Ef lækkandi hitastig þjappar saman mettuðum fitusýrum með beina hala, þrýstast þær hver að annarri og mynda þétta og fremur stífa himnu. Ef ómettaðar fitusýrur eru þjappaðar saman, ýta „hlykkirnir“ í hölum þeirra aðliggjandi fosfólípíðsameindum frá sér og viðhalda rými á milli fosfólípíðsameindanna. Þetta „svigrúm“ hjálpar til við að viðhalda fljótanleika í himnunni við hitastig þar sem himnur með mettaða fitusýruhala í fosfólípíðum sínum myndu „frjósa“ eða storkna. Hlutfallslegur fljótanleiki himnunnar er sérstaklega mikilvægur í köldu umhverfi. Kalt umhverfi þjappar venjulega saman himnum sem samanstanda að mestu af mettuðum fitusýrum, sem gerir þær minna fljótandi og hættara við að rofna. Margar lífverur (fiskar eru eitt dæmi) geta aðlagast köldu umhverfi með því að breyta hlutfalli ómettaðra fitusýra í himnum sínum sem viðbragð við lægra hitastigi.

Tengill í námsefni

Farðu á þessa síðu til að sjá hreyfimyndir af fljótanleika og mósaíkeiginleikum himna.

Dýr hafa viðbótarhimnuhluta sem aðstoðar við að viðhalda fljótanleika. Kólesteról, sem liggur við hlið fosfólípíðanna í himnunni, hefur tilhneigingu til að dempa hitaáhrif á himnuna. Þannig virkar þetta lípíð sem stuðpúði, sem kemur í veg fyrir að lægra hitastig hamli fljótanleika og kemur í veg fyrir að hærra hitastig auki fljótanleika of mikið. Þannig víkkar kólesteról, í báðar áttir, það hitastigssvið þar sem himnan er hæfilega fljótandi og þar af leiðandi starfhæf. Kólesteról þjónar einnig öðrum hlutverkum, svo sem að skipuleggja þyrpingar af innfelldum himnupróteinum í lípíðfleka.

Tengsl við starfsvettvang

Ónæmisfræðingur

Breytileiki í jaðarpróteinum og kolvetnum sem hefur áhrif á kennistöðvar frumu er meginviðfangsefni í ónæmisfræði. Við þróun bóluefna hefur vísindamönnum tekist að sigrast á mörgum smitsjúkdómum, svo sem bólusótt, mænusótt, barnaveiki og stífkrampa.

Ónæmisfræðingar eru læknar og vísindamenn sem rannsaka og þróa bóluefni, ásamt því að meðhöndla og rannsaka ofnæmi eða önnur ónæmisvandamál. Sumir ónæmisfræðingar rannsaka og meðhöndla sjálfsofnæmisvandamál (sjúkdóma þar sem ónæmiskerfi einstaklings ræðst á eigin frumur eða vefi, svo sem rauða úlfa) og ónæmisbresti, hvort sem þeir eru áunnir (svo sem áunnið ónæmisbrestsheilkenni, eða AIDS) eða arfgengir (svo sem alvarlegur samsettur ónæmisbrestur, eða SCID). Ónæmisfræðingar hjálpa einnig við meðferð sjúklinga í líffæraígræðslu, en bæla þarf ónæmiskerfi þeirra svo líkami þeirra hafni ekki ígrædda líffærinu. Sumir ónæmisfræðingar vinna að því að skilja náttúrulegt ónæmi og áhrif umhverfis einstaklings á það. Aðrir vinna að spurningum um hvernig ónæmiskerfið hefur áhrif á sjúkdóma eins og krabbamein. Í fortíðinni skildu vísindamenn ekki mikilvægi þess að hafa heilbrigt ónæmiskerfi til að fyrirbyggja krabbamein.

Ónæmisfræðingar sem einbeita sér að ákveðnum tegundum sjúkdóma eða sýkla geta gegnt mikilvægu hlutverki við að bjarga mannslífum í tilteknum faröldrum og heimsfaröldrum. Kizzmekia S. Corbett var til dæmis rannsóknarstipendíat og vísindalegur leiðtogi sem vann sérstaklega að kórónuveirum. Þegar COVID-19 heimsfaraldurinn braust út var djúpstæð reynsla og þekking Corbett lykilþáttur í þróun eins af helstu bóluefnunum (Moderna). Hún beitir nú þeirri reynslu á aðra öndunarfærasjúkdóma og ferla við þróun bóluefna.

Til að starfa sem ónæmisfræðingur þarf viðkomandi að hafa doktorsgráðu (PhD) eða læknispróf (MD). Auk þess gangast ónæmisfræðingar undir að minnsta kosti tveggja til þriggja ára þjálfun í viðurkenndu námi og verða að standast próf hjá American Board of Allergy and Immunology. Ónæmisfræðingar verða að búa yfir þekkingu á starfsemi mannslíkamans eftir því sem hún tengist málum utan bólusetninga, og þekkingu á lyfjafræði og læknisfræðilegri tækni, svo sem lyfjum, meðferðum, prófunarefnum og skurðaðgerðum.