home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HPAVC / HPAVC CD-ROM.iso / HOMEWORK.ZIP / MMEBIO.TXT < prev    next >
Text File  |  1998-07-25  |  19KB  |  269 lines

  1. Date sent:        Tue, 30 Apr 1996 12:23:52 +0100
  2.  
  3. Name:       essay.txt
  4. Uploader:   Stuart Wigley
  5. Email:      lsuqz@csv.warwick.ac.uk
  6. Language:   English
  7. Subject:    Biology
  8. Title:      What are the major components of biological membranes and how do they contribute
  9. to membrane function? Grade:      ~80% System:     University Age:        18 (when handed
  10. in) Country:    Britain Comments:   Overview of the structure and function of biological
  11. membranes with specific examples Where I...: News groups
  12.  
  13.  
  14.  
  15. What are the major components of biological membranes and how do they
  16. contribute to membrane function?.
  17. ___________________________________________________________________
  18.  
  19. Summary.
  20.         The role of the biological membrane has proved to be vital in countless
  21. mechanisms necessary to a cells survival. The phospholipid bilayer performs the
  22. simpler functions such as compartmentation, protection and osmoregulation. The
  23. proteins perform a wider range of functions such as extracellular interactions and
  24. metabolic processes. The carbohydrates are found in conjunction with both the lipids
  25. and proteins, and therefore enhance the properties of  both. This may vary from
  26. recognition to protection.
  27.         Overall the biological membrane is an extensive, self-sealing, fluid,
  28. asymmetric, selectively permeable, compartmental barrier essential for a cell or
  29. organelles correct functioning, and thus its survival.
  30. _____________________________________________________________________
  31.  
  32. Introduction.
  33.         Biological membranes surround all living cells, and may also be found
  34. surrounding many of an eukaryotes organelles. The membrane is essential to the
  35. survival of a cell due to its diverse range of functions. There are general functions
  36. common to all membranes such as control of permeability, and then there are
  37. specialised functions that depend upon the cell type, such as conveyance of an action
  38. potential in neurones. However, despite the diversity of function, the structure of
  39. membranes is remarkably similar.
  40.         All membranes are composed of lipid, protein and carbohydrate, but it is the
  41. ratio of these components that varies. For example the protein component may be as
  42. high as 80% in Erythrocytes, and as low as 18% in myelinated neurones. Alternately,
  43. the lipid component may be as high as 80% in myelinated neurones, and as low as
  44. 15% in skeletal muscle fibres.
  45.         The initial model for membrane structure was proposed by Danielli and
  46. Davson in the late 1930s. They suggested that the plasma membrane consisted of a
  47. lipid bilayer coated on both sides by protein. In 1960, Michael Robertson
  48. proposed the Unit Membrane Hypothesis which suggests that all biological
  49. membranes -regardless of location- have a similar basic structure. This has been
  50. confirmed by research techniques. In the 1970s, Singer and Nicholson announced a
  51. modified version of Danielli and Davsons membrane model, which they called the
  52. Fluid Mosaic Model. This suggested that the lipid bilayer supplies the backbone of
  53. the membrane, and proteins associated with the membrane are not fixed in regular
  54. positions. This model has yet to be disproved and will therefore be the basis
  55. of this essay.
  56.  
  57. The lipid component.
  58.         Lipid and protein are the two predominant components of the biological
  59. membrane. There are a variety of lipids found in membranes, the majority of which
  60. are phospholipids. The phosphate head of a lipid molecule is hydrophilic, while the
  61. long fatty acid tails are hydrophobic. This gives the overall molecule an amphipathic
  62. nature. The fatty acid tails of lipid molecules are attracted together by hydrophobic
  63. forces and this causes the formation of a bilayer that is exclusive of water. This bilayer
  64. is the basis of all membrane structure. The significance of the hydrophobic forces between
  65. fatty acids is that the membrane is capable of spontaneous reforming should it become
  66. damaged.
  67.         The major lipid of animal cells is phospatidylcholine. It is a typical
  68. phospholipid with two fatty acid chains. One of these chains is saturated, the other
  69. unsaturated. The unsaturated chain is especially important because the kink due to the
  70. double bond increases the distance between neighbouring molecules, and this in turn
  71. increases the fluidity of the membrane. Other important phospholipids include
  72. phospatidylserine and phosphatidylethanolamine, the latter of which is found in
  73. bacteria.
  74.         The phosphate group of phospholipids acts as a polar head, but it is not always the
  75. only polar group that can be present. Some plants contain sulphonolipids in their membranes,
  76. and more commonly a carbohydrate may be present to give a glycolipid. The main carbohydrate
  77. found in glycolipids is galactose. Glycolipids tend to only be found on the outer face of
  78. the plasma membrane where in animals they constitute about 5% of all lipid present. The
  79. precise functions of glycolipids is still unclear, but suggestions include protecting the
  80. membrane in harsh conditions, electrical insulation in neurones, and maintenance of ionic
  81. concentration gradients through the charges on the sugar units. However the most important
  82. role seems to be the behaviour of glycolipids in cellular recognition, where the charged
  83. sugar units interact with extracellular molecules. An example of this is the interaction
  84. between a ganglioside called GM1 and the Cholera toxin. The ganglioside triggers a chain of
  85. events that leads to the characteristic diarrhoea of Cholera sufferers. Cells lacking GM1
  86. are not affected by the Cholera toxin.
  87.         Eukaryotes also contain sterols in their membranes, associated with lipids. In
  88. plants the main sterol present is ergosterol, and in animals the main sterol is
  89. cholesterol. There may be as many cholesterol molecules in a membrane as there are
  90. phospholipid molecules. Cholesterol orientates in such a way that it significantly
  91. affects the fluidity of the membrane. In regions of high cholesterol content,
  92. permeability is greatly restricted so that even the smallest molecules can no longer
  93. cross the membrane. This is advantageous in localised regions of membrane.
  94. Cholesterol also acts as a very efficient cryoprotectant, preventing the lipid bilayer
  95. from crystallising in cold conditions.
  96.  
  97.         The biological membrane is responsible for defining cell and organelle
  98. boundaries. This is important in separating matrices that may have very different
  99. compositions. Since there are no covalent forces between lipids in a bilayer, the
  100. individual molecules are able to diffuse laterally, and occasionally across the
  101. membrane. This freedom of movement aids the process of simple diffusion, which is
  102. the only way that small molecules can cross the membrane without the aid of proteins.
  103. The limit of permeability of the membrane to the diffusion of small solutes is
  104. selectively controlled by the distribution of cholesterol.
  105.         Another role of lipids is their to dissolve proteins and enzymes that would
  106. otherwise be insoluble. When an enzyme becomes partially embedded in the lipid
  107. bilayer it can more readily undergo conformational changes, that increase its activity, or
  108. specificity to its substrate. For example, mitochondrial ATPase is a membranous enzyme that
  109. has a greatly decreased Km and Vmax following delipidation. The same applies to
  110. glucose-6-phospatase, and many other enzymes.
  111.         The ability of the lipid bilayer to act as an organic solvent is very important in
  112. the reception of the Intracellular Receptor Superfamily. These are hormones such as the
  113. steroids, thyroids and retinoids which are all small enough to pass directly through the
  114. membrane.
  115.         Ionophores are another family of compounds often found embedded in the
  116. plasma membrane. Although some are proteinous, the majority are polyaromatic
  117. hydrocarbons, or hydrocarbons with a net ring structure. Their presence in the
  118. membrane produces channels that increases permeability to specific inorganic ions.
  119. Ionophores may be either mobile ion-carriers or channel formers. (see fig.4)
  120.         The two layers of lipid tend to have different functions or at least uneven
  121. distribution of the work involved in a function, and to this end the distribution of
  122. types of lipid molecules is asymmetrical, usually in favour of the outer face. In general
  123. internal membranes are also a lot simpler in composition than the plasma membrane.
  124. Mitochondria, the endoplasmic reticulum, and the nucleus do not contain any glycolipids. The
  125. nuclear membrane is distinct in the fact that over 60% of its lipid is phospatidylcholine,
  126. whereas in the plasma membrane the figure is nearer 35%.
  127.  
  128. The protein component.
  129.         All biological membranes contain a certain amount of protein. The mass ratio
  130. of protein to lipid may vary from 0.25:1 to 3.6:1, although the average is usually 1:1. The
  131. proteins of a biological membrane can be classified into five groups depending upon their
  132. location, as follows;
  133.  
  134. Class 1. Peripheral.------------These proteins lack anchor chains. They are
  135.                                 usually found on the external face of membranes
  136.                                 associated by polar interactions.
  137. Class 2. Partially Anchored-----These proteins have a short hydrophobic anchor
  138.                                 chain that cannot completely span the membrane.
  139. Class 3. Integral (1)-----------These proteins have one anchor chain that spans
  140.                                 the membrane.
  141. Class 4. Integral (5)-----------These proteins have five anchor chains that span
  142.                                 the membrane.
  143. Class 5. Lipid Anchored---------These proteins undergo substitution with the
  144.                                 carbohydrate groups of glycolipids, therefore
  145.                                 binding covalently with the lipid.
  146.  
  147.         This classification is not definitive in including all proteins, since there may
  148. well be other examples that span the membrane with different numbers of anchor chains.
  149.         The structure of proteins varies greatly. The first factor affecting structure is
  150. the proteins function, but equally important is the proteins location, as shown above. Those
  151. proteins that span the membrane have regions of hydrophobic amino acids arranged in
  152. alpha-helices that act as anchors. The alpha-helix allows maximum Hydrogen bonding, and
  153. therefore water exclusion.
  154.         Proteins that pass completely through the membrane are never symmetrical in
  155. their structure. The outer face of the plasma membrane at least always has the bulk of
  156. the proteins structure. It is usually rich in disulphide bonds, oligasaccharides, and
  157. when relevant, prosthetic groups.
  158.  
  159.         The proteins found in biological membranes all have distinctive functions,
  160. such that the overall function of a cell or organelle may depend on the proteins
  161. present. Also, different membranes within a cell, (i.e. those membranes surrounding
  162. organelles) can be recognised solely on the presence of membranous marker proteins.
  163.         In the majority of cases membranous proteins perform regulatory functions.
  164. The first group of such proteins are the ionophores, as mentioned before. The
  165. proteinous ionophores are found in the greatest concentration in neurones. Here, the
  166. diffusion of inorganic ions is essential to maintaining the required membrane
  167. potential. The main ions responsible for this are Sodium, Potassium and Chloride -
  168. each of which has its own channel forming ionophore.
  169.         The observed rate of diffusion of many other solutes is much greater than can
  170. be explained by physical processes. It is widely accepted that membranous proteins
  171. carry certain solutes across the membrane by the process of facilitated diffusion. This is
  172. done by the forming of pores of a complimentary size and charge, to accept specific ions or
  173. organic molecules. The pores are opened and closed by conformational changes in the proteins
  174. structure. There are three main types of facilitated diffusion. None of these processes
  175. require an energy input.
  176.         Active transport is the movement of solutes across a membrane, against the
  177. concentration gradient, and it therefore utilises energy from ATP. An example of this
  178. is the Sodium-Potassium-ATPase pump, which is an active antiport carrier protein
  179. common to nearly all living cells. It maintains a high [Potassium ion] within the cell
  180. while simultaneously maintaining a high [Sodium ion] outside the cell. The reason for
  181. this is that by pumping Sodium out of the cell, it can diffuse in again at a different site
  182. where it couples to a nutrient.
  183.         As well as transporting solutes across a membrane, there are many proteins
  184. that transport solutes along the membrane. An example of this are the respiratory
  185. enzyme complexes of the inner mitochondrial membrane. These complexes are
  186. located in a close proximity to each other, and pass electrons through what is known
  187. as the respiratory chain. The orientation of the complexes is vital for their correct
  188. functioning.
  189.         Another key role of membranous proteins is to oversee interactions with the
  190. extracellular matrix. Many hormones interact with cells through the membranous
  191. enzyme - adenylcyclase. The binding of specific hormones activates adenylcyclase, to
  192. produce cyclic adenosine monophosphate (c.AMP) from adenosine triphosphate
  193. (ATP). c.AMP acts as a secondary messenger within the cell. A wide variety of
  194. extracellular signalling molecules work by controlling intracellular c.AMP levels.
  195. Insulin is an exception to this generalisation, because its receptor is enzyme linked
  196. rather than ligand linked. This means that the cystolic face of the receptor has
  197. enzymatic activity rather than ligand forming activity. The enzymatic activity of the
  198. Insulin receptor is in the reversible phosphorylation of phospoinosite.
  199.         Vision and smell rely on a family of receptors called the G-protein receptors.
  200. The cystolic faces of these receptors bind with guanosine triphosphate (GTP). This
  201. action is coupled to ion channels, so that the activation of a receptor changes the
  202. intracellular levels of c.GMP, which in turn activates the ion channels, and thus
  203. allows a membrane potential to be developed.
  204.         The composition of proteins in the biological membrane is far from static.
  205. Receptors are constantly being regenerated and replaced, and this is important in the
  206. ever changing environment of the cell. For example, the transferrin receptor is
  207. responsible for the uptake of Iron. In the cytosol, an enzyme called aconitase is present
  208. which inhibits the synthesis of transferrin by binding to transferrins mRNA. In a low Iron
  209. concentration, aconitase releases the mRNA allowing transferrin to be synthesised.
  210.        A similar process occurs with the Low Density Lipoprotein (LDL) receptor.
  211. This receptor traps LDL particles which are rich in cholesterol. The LDL receptor is
  212. only produced by the cell, when the cell requires cholesterol for membrane synthesis.
  213.         The number of receptors in a biological membrane varies greatly between
  214. different type of receptor.
  215.         The immune responses of cells are controlled by a superfamily of membranous
  216. proteins called the Ig superfamily. This superfamily contains all the molecules
  217. involved in intercellular and antigenic recognition. This includes major
  218. histocompatability complexes, Thymus T-cells, Bursa B-cells, antibodies and so on.
  219. Although this family is vast, the important point is that all antigenic responses are
  220. mediated by membranous proteins.
  221.         As there are glycolipids in the biological membrane, there are also
  222. glycoproteins. One of the key roles of glycoproteins is in intercellular adhesion. The
  223. Cadherins are a family of Calcium dependant adhesives. They are firmly anchored
  224. through the membrane, and have glycolated heads that covalently bind to
  225. neighbouring molecules. They seem to be important in embryonic morphogenesis
  226. during the differentiation of tissue types. The Lectins and Selectins are similar
  227. families of molecules responsible for adhesion in the bloodstream. However the most
  228. abundant adhesives are the Integrins, which are responsible for binding the cellular
  229. cytoskeleton to the extracellular matrix.
  230.         The range of membranous proteins has proved to be vast, due to the wide
  231. variety of functions that must be performed. It would be possible to continue
  232. describing proteins for many more pages, but one final example will be used in
  233. conclusion, and that is the photochemical reaction centre of photosynthesis. This
  234. very large protein complex is found in the Thylakoid membrane of chloroplasts. Each
  235. reaction centre has an antenna complex comprising hundreds of chlorophyll molecules
  236. that trap light and funnel the energy through to a trap where an excited electron is
  237. passed down a chain of several membranous electron acceptors.
  238.  
  239.  
  240. Conclusion.
  241.         The role of the biological membrane has proved to be vital in countless
  242. mechanisms necessary to a cells survival. The phospholipid bilayer performs the
  243. simpler functions such as compartmentation, protection and osmoregulation. The
  244. proteins perform a wider range of functions such as extracellular interactions and
  245. metabolic processes. The carbohydrates are found in conjunction with both the lipids
  246. and proteins, and therefore enhance the properties of  both. This may vary from
  247. recognition to protection.
  248.         Overall the biological membrane is an extensive, self-sealing, fluid,
  249. asymmetric, selectively permeable, compartmental barrier essential for a cell or
  250. organelles correct functioning, and thus its survival.
  251.  
  252. Bibliography.
  253.  
  254. 1)      Alberts,B; Bray,D; Lewis,J; Raff,M; Roberts,K; Watson,J.D. Molecular
  255.         Biology of the Cell, Third Edition. p.195-212, p.478-504. Garland Publishing,
  256.         1994.
  257. 2)      Beach; Cerejidol; Gordon; Rotunno. Introduction to the study of Biological
  258.         Membranes. p.12. 1970.
  259. 3)      Fleischer; Haleti; Maclennan; Tzagoloff. The Molecular Biology of
  260.         Membranes. p.138-182. Plenum Press, 1978.
  261. 4)      Perkins,H.R; Rogers,H.J. Cell Walls and Membranes. p.334-338. E & F.N.
  262.         Spon Ltd, 1968.
  263. 5)      Quinn,P. The Molecular Biology of Cell Membranes. p.30-34, p.173-207.
  264.         Macmillan Press, 1982.
  265. 6)      Stryer,L. Biochemistry, Third Edition. p.283-309. W.H. Freeman & Co, 1994.
  266. 7)      Yeagle,P. The Membranes of Cells. p.4-16, p.23-39. Academic Press Inc,
  267.        1987.
  268.  
  269.