5.1B: Vloeistofmozaïekmodel

Het vloeiende mozaïekmodel werd voor het eerst voorgesteld door SJ Singer en Garth L. Nicolson in 1972 om de structuur van het plasmamembraan uit te leggen. Het model is in de loop van de tijd enigszins geëvolueerd, maar het verklaart nog steeds het beste de structuur en functies van het plasmamembraan zoals we ze nu begrijpen. Het vloeistofmozaïekmodel beschrijft de structuur van het plasmamembraan als een mozaïek van componenten – waaronder fosfolipiden, cholesterol, eiwitten en koolhydraten – die het membraan een vloeibaar karakter geven. Plasmamembranen variëren van 5 tot 10 nm dik. Ter vergelijking: menselijke rode bloedcellen, zichtbaar via lichtmicroscopie, zijn ongeveer 8 µm breed, of ongeveer 1000 keer breder dan een plasmamembraan. De verhoudingen van eiwitten, lipiden en koolhydraten in het plasmamembraan variëren per celtype. Myeline bevat bijvoorbeeld 18% eiwit en 76% lipide. Het mitochondriale binnenmembraan bevat 76% eiwit en 24% lipide.

De belangrijkste stof van het membraan is samengesteld uit amfifiele of tweeledige, fosfolipidenmoleculen. De hydrofiele of waterminnende gebieden van deze moleculen staan zowel binnen als buiten de cel in contact met de waterige vloeistof. Hydrofobe of waterhaatende moleculen zijn meestal niet-polair. Een fosfolipidemolecuul bestaat uit een glycerolruggengraat met drie koolstofatomen met twee vetzuurmoleculen die zijn bevestigd aan koolstofatomen 1 en 2 en een fosfaatbevattende groep die aan de derde koolstof is bevestigd. Deze opstelling geeft het totale molecuul een gebied dat wordt beschreven als zijn kop (de fosfaatbevattende groep), dat een polair karakter of een negatieve lading heeft, en een gebied dat de staart wordt genoemd (de vetzuren), dat geen lading heeft. Ze interageren met andere niet-polaire moleculen in chemische reacties, maar hebben over het algemeen geen interactie met polaire moleculen. Wanneer ze in water worden geplaatst, hebben hydrofobe moleculen de neiging om een bal of cluster te vormen. De hydrofiele gebieden van de fosfolipiden hebben de neiging om waterstofbruggen te vormen met water en andere polaire moleculen aan zowel de buitenkant als de binnenkant van de cel. De membraanoppervlakken die naar de binnen- en buitenkant van de cel zijn gericht, zijn dus hydrofiel. Het midden van het celmembraan daarentegen is hydrofoob en heeft geen interactie met water. Daarom vormen fosfolipiden een uitstekende lipide dubbellaagse celmembraan die vloeistof in de cel scheidt van de vloeistof buiten de cel.

Eiwitten vormen het tweede hoofdbestanddeel van plasmamembranen. Integrale eiwitten (sommige gespecialiseerde typen worden integrinen genoemd) zijn, zoals hun naam suggereert, volledig geïntegreerd in de membraanstructuur en hun hydrofobe membraanoverspannende gebieden werken samen met het hydrofobe gebied van de fosfolipide dubbellaag. Single-pass integrale membraaneiwitten hebben meestal een hydrofoob transmembraansegment dat uit 20-25 aminozuren bestaat. Sommige overspannen slechts een deel van het membraan – associëren met een enkele laag – terwijl andere zich uitstrekken van de ene kant van het membraan naar de andere en aan beide kanten zichtbaar zijn. Sommige complexe eiwitten zijn samengesteld uit maximaal 12 segmenten van een enkel eiwit, die uitgebreid zijn gevouwen en ingebed in het membraan. Dit type proteïne heeft een hydrofiele regio of regios en een of meer licht hydrofobe regios.Deze rangschikking van gebieden van het eiwit neigt ertoe het eiwit naast de fosfolipiden te oriënteren, waarbij het hydrofobe gebied van het eiwit grenst aan de staarten van de fosfolipiden en het hydrofiele gebied of gebieden van het eiwit uit het membraan steken en in contact zijn met het cytosol of extracellulaire vloeistof.

Koolhydraten zijn de derde belangrijke component van plasmamembranen. Ze worden altijd op het buitenoppervlak van cellen aangetroffen en zijn ofwel gebonden aan eiwitten (vorming van glycoproteïnen) of aan lipiden (vorming van glycolipiden). Deze koolhydraatketens kunnen bestaan uit 2–60 monosaccharide-eenheden en kunnen zowel recht als vertakt zijn. Samen met perifere eiwitten vormen koolhydraten gespecialiseerde plaatsen op het celoppervlak waardoor cellen elkaar kunnen herkennen. Deze herkenningsfunctie is erg belangrijk voor cellen, omdat het immuunsysteem hierdoor onderscheid kan maken tussen lichaamscellen (“zelf” genoemd) en lichaamsvreemde cellen of weefsels (“niet-zelf” genoemd). Vergelijkbare soorten glycoproteïnen en glycolipiden worden aangetroffen op het oppervlak van virussen en kunnen vaak veranderen, waardoor immuuncellen ze niet herkennen en aanvallen. Deze koolhydraten op het buitenoppervlak van de cel – de koolhydraatcomponenten van zowel glycoproteïnen als glycolipiden – worden gezamenlijk de glycocalyx genoemd (wat suikercoating betekent). De glycocalyx is sterk hydrofiel en trekt grote hoeveelheden water naar het oppervlak van de cel. cel. Dit helpt bij de interactie van de cel met zijn waterige omgeving en bij het vermogen van de cel om in het water opgeloste stoffen te verkrijgen.