Листната клетка на баобаб е заобиколена от мембрана. Структурата на клетъчната мембрана. Функции на клетъчната или плазмената мембрана

Универсална биологична мембранаобразуван от двоен слой от фосфолипидни молекули с обща дебелина 6 микрона. В този случай хидрофобните опашки на фосфолипидните молекули са обърнати навътре, една към друга, а полярните хидрофилни глави са обърнати навън от мембраната, към водата. Липидите осигуряват основните физико- Химични свойствамембрани, по-специално течливостпри телесна температура. Протеините са вградени в този липиден двоен слой.

Те се подразделят на интегрална(проникват през целия липиден двуслой), полуинтегрален(проникват до половината от липидния двоен слой), или повърхностни (разположени върху вътрешната или външната повърхност на липидния двоен слой).

В същото време протеиновите молекули са разположени в липидния бислой мозаечно и могат да „плуват“ в „липидното море“ като айсберги, поради флуидността на мембраните. Според функцията си тези протеини могат да бъдат структурен(поддържат определена структура на мембраната), рецептор(за образуване на рецептори за биологично активни вещества), транспорт(извършват транспортирането на вещества през мембраната) и ензимен(катализират определени химични реакции). В момента това е най-признатото течен мозаечен моделБиологичната мембрана е предложена през 1972 г. от Сингър и Николсън.

Мембраните изпълняват ограничителна функция в клетката. Те разделят клетката на отделения, отделения, в които процесите и химичните реакции могат да протичат независимо един от друг. Например, агресивните хидролитични ензими на лизозомите, които са способни да разграждат повечето органични молекули, са отделени от останалата част от цитоплазмата с мембрана. В случай на разрушаването му настъпва самосмилане и клетъчна смърт.

Имайки общ структурен план, различните биологични клетъчни мембрани се различават по своя химичен състав, организация и свойства в зависимост от функциите на структурите, които образуват.

Плазмена мембрана, структура, функции.

Цитолемата е биологичната мембрана, която обгражда външната страна на клетката. Това е най-дебелата (10 nm) и сложно организирана клетъчна мембрана. Основава се на универсална биологична мембрана, покрита отвън гликокаликс, и отвътре, от страната на цитоплазмата, подмембранен слой(Фиг.2-1В). Гликокаликс(3-4 nm дебелина) е представена от външните, въглехидратни участъци от сложни протеини - гликопротеини и гликолипиди, които изграждат мембраната. Тези въглехидратни вериги играят ролята на рецептори, които гарантират, че клетката разпознава съседните клетки и междуклетъчното вещество и взаимодейства с тях. Този слой включва също повърхностни и полуинтегрални протеини, функционалните места на които са разположени в надмембранната зона (например имуноглобулини). Гликокаликсът съдържа рецептори за хистосъвместимост, рецептори за много хормони и невротрансмитери.

Подмембрана, кортикален слойобразувани от микротубули, микрофибрили и контрактилни микрофиламенти, които са част от цитоскелета на клетката. Подмембранният слой поддържа формата на клетката, създава нейната еластичност и осигурява промени в клетъчната повърхност. Благодарение на това клетката участва в ендо- и екзоцитоза, секреция и движение.

Cytolemma изпълнява Много функции:

1) ограничаване (цитолемата отделя, ограничава клетката от околен святи осигурява връзката му с външната среда);

2) разпознаване от тази клетка на други клетки и прикрепване към тях;

3) разпознаване от клетката на междуклетъчното вещество и прикрепване към неговите елементи (влакна, базална мембрана);

4) транспорт на вещества и частици в и извън цитоплазмата;

5) взаимодействие със сигнални молекули (хормони, медиатори, цитокини) поради наличието на специфични рецептори за тях на повърхността му;

1. осигурява движение на клетките (образуване на псевдоподии) поради връзката на цитолемата с контрактилните елементи на цитоскелета.

Цитолемата съдържа множество рецептори, чрез които биологично активни вещества ( лиганди, сигнални молекули, първи пратеници: хормони, медиатори, растежни фактори) действат върху клетката. Рецепторите са генетично определени макромолекулни сензори (протеини, гликопротеини и липопротеини), вградени в цитолемата или разположени вътре в клетката и специализирани във възприемането на специфични сигнали от химическо или физическо естество. Биологично активните вещества, когато взаимодействат с рецептора, предизвикват каскада от биохимични промени в клетката, като същевременно се трансформират в специфичен физиологичен отговор (промяна в клетъчната функция).

Всички рецептори имат общ структурен план и се състоят от три части: 1) надмембрана, която взаимодейства с вещество (лиганд); 2) вътремембранен, осъществяващ пренос на сигнал и 3) вътреклетъчен, потопен в цитоплазмата.

Видове междуклетъчни контакти.

Цитолемата също участва в образуването на специални структури - междуклетъчни връзки, контакти, които осигуряват тясно взаимодействие между съседни клетки. Разграничете простои комплексмеждуклетъчни връзки. AT простоВ междуклетъчните връзки цитолемите на клетките се приближават една към друга на разстояние 15-20 nm и молекулите на техния гликокаликс взаимодействат помежду си (фиг. 2-3). Понякога издатината на цитолемата на една клетка навлиза във вдлъбнатината на съседната клетка, образувайки назъбени и пръстовидни връзки (връзки "като ключалка").

КомплексМеждуклетъчните връзки са няколко вида: заключване, закопчаванеи комуникация(фиг. 2-3). Да се заключванесъединения включват тесен контактили блокираща зона. В същото време интегралните протеини на гликокаликса на съседните клетки образуват вид мрежеста мрежа по периметъра на съседните епителни клетки в техните апикални части. Поради това междуклетъчните празнини са заключени, ограничени от външната среда (фиг. 2-3).

Ориз. 2-3. Различни видове междуклетъчни връзки.

1. Проста връзка.
2. Тясна връзка.
3. Залепваща лента.
4. Десмозома.
5. Хемидесмозома.
6. Слотова (комуникационна) връзка.
7. микровили.

(Според Ю. И. Афанасиев, Н. А. Юрина).

Да се свързване, анкерните съединения включват лепило колани десмозоми. Залепваща лентаразположени около апикалните части на клетките на еднослоен епител. В тази зона интегралните гликокаликсни гликопротеини на съседни клетки взаимодействат помежду си и субмембранните протеини, включително снопове от актинови микрофиламенти, се приближават към тях от цитоплазмата. Десмозоми (лепенки)– сдвоени структури с размер около 0,5 µm. В тях гликопротеините на цитолемата на съседните клетки са тясно взаимодействащи, а от страна на клетките в тези области в цитолемата са вплетени снопове от междинни нишки на клетъчния цитоскелет (фиг. 2-3).

Да се комуникационни връзкисе отнасят междинни връзки (нексуси) и синапси. Nexusesимат размер 0,5-3 микрона. В тях цитолемите на съседни клетки се събират до 2-3 nm и имат множество йонни канали. Чрез тях йоните могат да преминават от една клетка в друга, предавайки възбуждане, например, между клетките на миокарда. синапсихарактерни за нервната тъкан и възникват между нервни клетки, както и между нервните и ефекторните клетки (мускулни, жлезисти). Те имат синаптична цепнатина, където при преминаване на нервен импулс от пресинаптичната част на синапса се освобождава невротрансмитер, който предава нервен импулс на друга клетка (за повече подробности вижте глава "Нервна тъкан").

Клетъчната мембрана (плазмената мембрана) е тънка, полупропусклива мембрана, която обгражда клетките.

Функция и роля на клетъчната мембрана

Неговата функция е да защитава целостта на вътрешността, като пропуска някои основни вещества в клетката и предотвратява навлизането на други.

Той също така служи като основа за привързване към едни организми и към други. По този начин плазмената мембрана осигурява и формата на клетката. Друга функция на мембраната е да регулира клетъчния растеж чрез баланс и.

При ендоцитозата липидите и протеините се отстраняват от клетъчната мембрана, докато веществата се абсорбират. При екзоцитоза везикулите, съдържащи липиди и протеини, се сливат с клетъчната мембрана, увеличавайки размера на клетката. , а гъбичните клетки имат плазмени мембрани. Вътрешните, например, също са затворени в защитни мембрани.

Структура на клетъчната мембрана

Плазмената мембрана се състои главно от смес от протеини и липиди. В зависимост от местоположението и ролята на мембраната в тялото, липидите могат да съставляват 20 до 80 процента от мембраната, а останалата част са протеини. Докато липидите помагат за гъвкавостта на мембраната, протеините контролират и поддържат химичен съставклетки и също така помагат при транспортирането на молекули през мембраната.

Мембранни липиди

Фосфолипидите са основният компонент на плазмените мембрани. Те образуват липиден двоен слой, в който хидрофилните (привлечени от водата) "главни" области спонтанно се организират, за да устоят на водния цитозол и извънклетъчната течност, докато хидрофобните (водоотблъскващи) "опашни" области са обърнати настрани от цитозола и извънклетъчната течност. Липидният двоен слой е полупропусклив, което позволява само на някои молекули да дифундират през мембраната.

Холестеролът е друг липиден компонент на мембраните на животинските клетки. Молекулите на холестерола се диспергират селективно между мембранните фосфолипиди. Това спомага за поддържането на твърдостта на клетъчните мембрани, като предотвратява твърде плътното опаковане на фосфолипидите. Холестеролът отсъства в мембраните на растителните клетки.

Гликолипидите са разположени на външната повърхност на клетъчните мембрани и са свързани с тях чрез въглехидратна верига. Те помагат на клетката да разпознае други клетки в тялото.

Мембранни протеини

Клетъчната мембрана съдържа два вида свързани протеини. Протеините на периферната мембрана са външни и се свързват с нея чрез взаимодействие с други протеини. Интегралните мембранни протеини се въвеждат в мембраната и повечето преминават през нея. Части от тези трансмембранни протеини са разположени от двете му страни.

Протеините на плазмената мембрана имат редица различни функции. Структурните протеини осигуряват опора и форма на клетките. Мембранните рецепторни протеини помагат на клетките да комуникират с тяхната външна среда чрез използването на хормони, невротрансмитери и други сигнални молекули. Транспортните протеини, като глобуларните протеини, пренасят молекули през клетъчните мембрани чрез улеснена дифузия. Гликопротеините имат въглехидратна верига, свързана с тях. Те са вградени в клетъчната мембрана, подпомагайки обмена и транспорта на молекули.

клетъчната мембрана

Изображение на клетъчна мембрана. Малки сини и бели топчета съответстват на хидрофобните "глави" на фосфолипидите, а линиите, прикрепени към тях, съответстват на хидрофилните "опашки". Фигурата показва само интегрални мембранни протеини (червени глобули и жълти спирали). Жълти овални точки вътре в мембраната - холестеролови молекули Жълто-зелени вериги от мъниста от външната страна на мембраната - олигозахаридни вериги, които образуват гликокаликса

Биологичната мембрана също включва различни протеини: интегрални (проникващи през мембраната), полуинтегрални (потопени в единия си край във външния или вътрешния липиден слой), повърхностни (разположени от външната или съседна на вътрешната страна на мембраната). Някои протеини са точките на контакт на клетъчната мембрана с цитоскелета вътре в клетката и клетъчната стена (ако има такава) отвън. Някои от интегралните протеини функционират като йонни канали, различни транспортери и рецептори.

Функции

• бариера - осигурява регулиран, селективен, пасивен и активен метаболизъм с околната среда. Например пероксизомната мембрана предпазва цитоплазмата от пероксиди, опасни за клетката. Селективната пропускливост означава, че пропускливостта на мембраната за различни атоми или молекули зависи от техния размер, електрически заряд и химични свойства. Селективната пропускливост осигурява отделянето на клетката и клетъчните отделения от околната среда и ги снабдява с необходимите вещества.
• транспорт - през мембраната се осъществява транспорт на вещества в клетката и извън клетката. Транспортът през мембраните осигурява: доставката на хранителни вещества, отстраняването на крайните продукти на метаболизма, секрецията на различни вещества, създаването на йонни градиенти, поддържането на оптимална концентрация на йони в клетката, които са необходими за функционирането на клетъчни ензими.
  Частици, които по някаква причина не могат да преминат през фосфолипидния двоен слой (например поради хидрофилни свойства, тъй като мембраната вътре е хидрофобна и не позволява на хидрофилните вещества да преминат през нея, или поради големи размери), но необходими за клетката, могат да проникнат през мембраната чрез специални протеини-носители (транспортери) и канални протеини или чрез ендоцитоза.
  При пасивния транспорт веществата преминават през липидния двоен слой без разход на енергия по концентрационния градиент чрез дифузия. Вариант на този механизъм е улеснена дифузия, при която специфична молекула помага на веществото да премине през мембраната. Тази молекула може да има канал, който пропуска само един вид вещество.
  Активният транспорт изисква енергия, тъй като се извършва срещу градиент на концентрация. На мембраната има специални помпени протеини, включително АТФаза, която активно изпомпва калиеви йони (K +) в клетката и изпомпва натриеви йони (Na +) от нея.
• матрица - осигурява определена относителна позиция и ориентация на мембранните протеини, тяхното оптимално взаимодействие.
• механичен - осигурява автономността на клетката, нейните вътреклетъчни структури, както и връзката с други клетки (в тъканите). Клетъчните стени играят важна роля за осигуряване на механична функция, а при животните - междуклетъчно вещество.
• енергия - по време на фотосинтезата в хлоропластите и клетъчното дишане в митохондриите в техните мембрани работят системи за пренос на енергия, в които участват и протеини;
• рецептор - някои протеини, разположени в мембраната, са рецептори (молекули, с които клетката възприема определени сигнали).
  Например, хормоните, циркулиращи в кръвта, действат само върху целевите клетки, които имат рецептори, съответстващи на тези хормони. Невротрансмитери ( химически вещества, които осигуряват провеждането на нервните импулси) също се свързват със специфични рецепторни протеини на прицелните клетки.
• ензимни - мембранните протеини често са ензими. Например, плазмените мембрани на чревните епителни клетки съдържат храносмилателни ензими.
• осъществяване на генериране и провеждане на биопотенциали.
  С помощта на мембраната се поддържа постоянна концентрация на йони в клетката: концентрацията на K + йон вътре в клетката е много по-висока, отколкото извън нея, а концентрацията на Na + е много по-ниска, което е много важно, т.к. това поддържа потенциалната разлика през мембраната и генерира нервен импулс.
• клетъчно маркиране - върху мембраната има антигени, които действат като маркери - "етикети", които позволяват клетката да бъде идентифицирана. Това са гликопротеини (т.е. протеини с прикрепени към тях разклонени олигозахаридни странични вериги), които играят ролята на "антени". Благодарение на безбройните конфигурации на страничната верига е възможно да се направи специфичен маркер за всеки тип клетка. С помощта на маркери клетките могат да разпознават други клетки и да действат съвместно с тях, например при образуване на органи и тъкани. Освен това позволява на имунната система да разпознава чужди антигени.

Структура и състав на биомембраните

Мембраните са съставени от три класа липиди: фосфолипиди, гликолипиди и холестерол. Фосфолипидите и гликолипидите (липиди с прикрепени към тях въглехидрати) се състоят от две дълги хидрофобни въглеводородни „опашки“, които са свързани със заредена хидрофилна „глава“. Холестеролът втвърдява мембраната, като заема свободното пространство между хидрофобните липидни опашки и ги предпазва от огъване. Следователно мембраните с ниско съдържание на холестерол са по-гъвкави, докато тези с високо съдържание на холестерол са по-твърди и чупливи. Холестеролът също така служи като „запушалка“, която предотвратява движението на полярните молекули от и в клетката. Важна част от мембраната се състои от протеини, проникващи в нея и отговорни за различни свойства на мембраните. Техният състав и ориентация в различните мембрани се различават.

Клетъчни мембраничесто асиметрични, т.е. слоевете се различават по липидния състав, преходът на отделна молекула от един слой към друг (т.нар. джапанка) трудно е.

Мембранни органели

Това са затворени единични или свързани помежду си участъци от цитоплазмата, отделени от хиалоплазмата чрез мембрани. Едномембранните органели включват ендоплазмен ретикулум, апарат на Голджи, лизозоми, вакуоли, пероксизоми; към двумембранни - ядро, митохондрии, пластиди. Структурата на мембраните на различни органели се различава в състава на липидите и мембранните протеини.

Селективна пропускливост

Клетъчните мембрани имат селективна пропускливост: през тях бавно дифундират глюкоза, аминокиселини, мастни киселини, глицерол и йони, а самите мембрани до известна степен активно регулират този процес - някои вещества преминават, а други не. Има четири основни механизма за навлизане на вещества в клетката или тяхното отстраняване от клетката навън: дифузия, осмоза, активен транспорт и екзо- или ендоцитоза. Първите два процеса са пасивни по природа, тоест не изискват енергия; последните два са активни процеси, свързани с потреблението на енергия.

Селективната пропускливост на мембраната при пасивен транспорт се дължи на специални канали - интегрални протеини. Те проникват в мембраната през и през, образувайки един вид проход. Елементите K, Na и Cl имат свои собствени канали. По отношение на концентрационния градиент, молекулите на тези елементи се движат навътре и извън клетката. При дразнене натриевите йонни канали се отварят и има рязък приток на натриеви йони в клетката. Това води до дисбаланс на мембранния потенциал. Тогава мембранен потенциалсе възстановява. Калиевите канали са винаги отворени, през които калиевите йони бавно навлизат в клетката.

Вижте също

Литература

• Антонов В. Ф., Смирнова Е. Н., Шевченко Е. В.Липидни мембрани по време на фазови преходи. - М .: Наука, 1994.
• Дженис Р.Биомембрани. Молекулярна структура и функции: превод от английски. = Биомембрани. Молекулярна структура и функция (от Robert B. Gennis). - 1-во издание. - М .: Мир, 1997. - ISBN 5-03-002419-0
• Иванов В. Г., Берестовски Т. Н.липиден двуслой на биологични мембрани. - М .: Наука, 1982.
• Рубин А. Б.Биофизика, учебник в 2 т. - 3-то издание, преработено и допълнено. - М .: Московско университетско издание, 2004. - ISBN 5-211-06109-8
• Брус Албъртс и др.

Всички живи организми на Земята са изградени от клетки, като всяка клетка е обградена от защитна обвивка - мембрана. Функциите на мембраната обаче не се ограничават до защита на органелите и отделяне на една клетка от друга. Клетъчната мембрана е сложен механизъм, който участва пряко в размножаването, регенерацията, храненето, дишането и много други важни клетъчни функции.

Терминът "клетъчна мембрана" се използва от около сто години. Думата "мембрана" в превод от латински означава "филм". Но в случай на клетъчна мембрана би било по-правилно да се говори за комбинация от два филма, свързани помежду си по определен начин, освен това различните страни на тези филми имат различни свойства.

Клетъчната мембрана (цитолема, плазмалема) е трислойна липопротеинова (мастно-протеинова) обвивка, която отделя всяка клетка от съседните клетки и околната среда и осъществява контролиран обмен между клетките и околната среда.

От решаващо значение в тази дефиниция е не че клетъчната мембрана отделя една клетка от друга, а че осигурява взаимодействието й с други клетки и околната среда. Мембраната е много активна, постоянно работеща структура на клетката, на която природата възлага много функции. От нашата статия ще научите всичко за състава, структурата, свойствата и функциите на клетъчната мембрана, както и опасността за човешкото здраве от нарушения във функционирането на клетъчните мембрани.

История на изследването на клетъчните мембрани

През 1925 г. двама немски учени, Гортер и Грендел, успяха да проведат сложен експеримент върху човешки червени кръвни клетки, еритроцити. Използвайки осмотичен шок, изследователите получиха така наречените "сенки" - празни черупки от червени кръвни клетки, след което ги поставиха на една купчина и измериха повърхността. Следващата стъпка беше да се изчисли количеството липиди в клетъчната мембрана. С помощта на ацетон учените изолирали липидите от „сенките“ и установили, че са достатъчни точно за двоен непрекъснат слой.

По време на експеримента обаче бяха допуснати две груби грешки:

Използването на ацетон не позволява да се изолират всички липиди от мембраните;

Повърхността на "сенките" е изчислена по сухо тегло, което също е неправилно.

Тъй като първата грешка даде минус в изчисленията, а втората даде плюс, общият резултат се оказа изненадващо точен и немските учени донесоха най-важното откритие на научния свят - липидния двуслой на клетъчната мембрана.

През 1935 г. друга двойка изследователи, Даниели и Доусън, след дълги експерименти върху билипидни филми, стигнаха до заключението, че протеините присъстват в клетъчните мембрани. Нямаше друг начин да се обясни защо тези филми имат толкова високо повърхностно напрежение. Учените представиха на обществеността схематичен модел на клетъчна мембрана, подобна на сандвич, където ролята на филийки хляб играят хомогенни липидно-протеинови слоеве, а между тях вместо масло има празнота.

През 1950 г. с помощта на първия електронен микроскоп теорията на Даниели-Доусън е частично потвърдена - микроснимките на клетъчната мембрана ясно показват два слоя, състоящи се от липидни и протеинови глави, а между тях прозрачно пространство, изпълнено само с опашки от липиди и протеини.

През 1960 г., ръководен от тези данни, американският микробиолог Дж. Робъртсън разработи теория за трислойната структура на клетъчните мембрани, която дълго време се смяташе за единствената вярна. С развитието на науката обаче се раждат все повече съмнения относно хомогенността на тези слоеве. От гледна точка на термодинамиката, такава структура е изключително неблагоприятна - за клетките би било много трудно да транспортират вещества навътре и навън през целия "сандвич". Освен това е доказано, че клетъчните мембрани на различните тъкани имат различна дебелина и начин на закрепване, което се дължи на различни функции на органите.

През 1972 г. микробиолозите S.D. Сингър и Г.Л. Никълсън успява да обясни всички несъответствия на теорията на Робъртсън с помощта на нов, течно-мозаичен модел на клетъчната мембрана. Учените са установили, че мембраната е разнородна, асиметрична, пълна с течност и клетките й са в постоянно движение. А протеините, които го съставят, имат различна структура и цел, освен това са разположени по различен начин спрямо билипидния слой на мембраната.

Клетъчните мембрани съдържат три вида протеини:

Периферен - прикрепен към повърхността на филма;

полуинтегрален- частично проникват в билипидния слой;

Интегрални - напълно проникват в мембраната.

Периферните протеини са свързани с главите на мембранните липиди чрез електростатично взаимодействие и те никога не образуват непрекъснат слой, както се смяташе преди.А полуинтегралните и интегралните протеини служат за транспортиране на кислород и хранителни вещества в клетката, както и за отстраняване на гниене продукти от него и още за няколко важни функции, за които ще научите по-късно.

Клетъчната мембрана изпълнява следните функции:

Бариера - пропускливостта на мембраната за различните видове молекули не е еднаква.За да се заобиколи клетъчната мембрана, молекулата трябва да има определен размер, химични свойства и електрически заряд. Вредни или неподходящи молекули, поради бариерната функция на клетъчната мембрана, просто не могат да влязат в клетката. Например, с помощта на пероксидната реакция, мембраната предпазва цитоплазмата от пероксиди, които са опасни за нея;

Транспорт - през мембраната преминава пасивен, активен, регулиран и селективен обмен. Пасивният метаболизъм е подходящ за мастноразтворими вещества и газове, състоящи се от много малки молекули. Такива вещества проникват в и извън клетката без разход на енергия, свободно, чрез дифузия. Активната транспортна функция на клетъчната мембрана се активира, когато е необходимо, но трудни за транспортиране вещества трябва да бъдат пренесени в или извън клетката. Например, тези с голям молекулен размер или неспособни да преминат билипидния слой поради хидрофобност. След това започват да работят протеиновите помпи, включително АТФ-аза, която е отговорна за абсорбцията на калиеви йони в клетката и изхвърлянето на натриеви йони от нея. Регулираният транспорт е от съществено значение за функциите на секреция и ферментация, като например когато клетките произвеждат и отделят хормони или стомашен сок. Всички тези вещества напускат клетките по специални канали и в определен обем. А селективната транспортна функция е свързана със самите интегрални протеини, които проникват през мембраната и служат като канал за влизане и излизане на строго определени типове молекули;

Матрица - клетъчната мембрана определя и фиксира местоположението на органелите един спрямо друг (ядро, митохондрии, хлоропласти) и регулира взаимодействието между тях;

Механичен - осигурява ограничаването на една клетка от друга и в същото време правилното свързване на клетките в хомогенна тъкан и устойчивостта на органите към деформация;

Защитна - както при растенията, така и при животните клетъчната мембрана служи като основа за изграждане на защитна рамка. Пример за това е твърда дървесина, гъста кора, бодливи тръни. В животинския свят също има много примери за защитната функция на клетъчните мембрани - коруба на костенурка, хитинова черупка, копита и рога;

Енергия - процесите на фотосинтеза и клетъчно дишанеби било невъзможно без участието на протеини на клетъчната мембрана, тъй като именно с помощта на протеинови канали клетките обменят енергия;

Рецептор - протеините, вградени в клетъчната мембрана, могат да имат друга важна функция. Те служат като рецептори, чрез които клетката получава сигнал от хормони и невротрансмитери. А това от своя страна е необходимо за провеждането на нервните импулси и нормалното протичане на хормоналните процеси;

Ензимна - друга важна функция, присъща на някои протеини на клетъчните мембрани. Например в чревния епител с помощта на такива протеини се синтезират храносмилателни ензими;

Биопотенциал- концентрацията на калиеви йони вътре в клетката е много по-висока, отколкото навън, а концентрацията на натриеви йони, напротив, е по-голяма отвън, отколкото вътре. Това обяснява потенциалната разлика: вътре в клетката зарядът е отрицателен, извън него е положителен, което допринася за движението на веществата в клетката и навън при всеки от трите вида метаболизъм - фагоцитоза, пиноцитоза и екзоцитоза;

Маркиране - на повърхността на клетъчните мембрани има така наречените "етикети" - антигени, състоящи се от гликопротеини (протеини с разклонени олигозахаридни странични вериги, прикрепени към тях). Тъй като страничните вериги могат да имат голямо разнообразие от конфигурации, всеки тип клетка получава свой собствен уникален етикет, който позволява на други клетки в тялото да ги разпознават „по зрение“ и да реагират правилно на тях. Ето защо, например, човешките имунни клетки, макрофагите, лесно разпознават попаднал в тялото чужд (инфекция, вирус) и се опитват да го унищожат. Същото се случва и с болните, мутирали и стари клетки - етикетът на клетъчната им мембрана се променя и тялото се отървава от тях.

Клетъчният обмен се осъществява през мембраните и може да се извърши чрез три основни типа реакции:

Фагоцитозата е клетъчен процес, при който фагоцитните клетки, вградени в мембраната, улавят и усвояват твърди частици от хранителни вещества. В човешкото тяло фагоцитозата се осъществява от мембрани на два вида клетки: гранулоцити (гранулирани левкоцити) и макрофаги (имунни клетки убийци);

Пиноцитозата е процес на улавяне на течни молекули, които влизат в контакт с нея от повърхността на клетъчната мембрана. За хранене по вида на пиноцитозата клетката отглежда тънки пухкави израстъци под формата на антени върху нейната мембрана, които сякаш обграждат капка течност и се получава балон. Първо, тази везикула изпъква над повърхността на мембраната и след това се „поглъща“ - скрива се вътре в клетката и стените й се сливат с вътрешната повърхност на клетъчната мембрана. Пиноцитозата се среща в почти всички живи клетки;

Екзоцитозата е обратен процес, при който вътре в клетката се образуват везикули със секреторна функционална течност (ензим, хормон) и тя трябва по някакъв начин да бъде отстранена от клетката в околната среда. За да направите това, мехурчето първо се слива с вътрешната повърхност на клетъчната мембрана, след това се издува навън, избухва, изхвърля съдържанието и отново се слива с повърхността на мембраната, този път отвън. Екзоцитозата се извършва например в клетките на чревния епител и надбъбречната кора.

Клетъчните мембрани съдържат три класа липиди:

фосфолипиди;

гликолипиди;

Холестерол.

Фосфолипидите (комбинация от мазнини и фосфор) и гликолипидите (комбинация от мазнини и въглехидрати) от своя страна се състоят от хидрофилна глава, от която се простират две дълги хидрофобни опашки. Но холестеролът понякога заема пространството между тези две опашки и не им позволява да се огънат, което прави мембраните на някои клетки твърди. В допълнение, молекулите на холестерола рационализират структурата на клетъчните мембрани и предотвратяват прехода на полярни молекули от една клетка в друга.

Но най-важният компонент, както може да се види от предишния раздел за функциите на клетъчните мембрани, са протеините. Техният състав, предназначение и местоположение са много разнообразни, но има нещо общо, което ги обединява: пръстеновидните липиди винаги са разположени около протеините на клетъчните мембрани. Това са специални мазнини, които са ясно структурирани, стабилни, имат повече наситени мастни киселини в състава си и се освобождават от мембраните заедно със "спонсорирани" протеини. Това е един вид лична защитна обвивка за протеините, без която те просто не биха работили.

Структурата на клетъчната мембрана е трислойна. Сравнително хомогенен течен билипиден слой лежи в средата, а протеините го покриват от двете страни с вид мозайка, частично проникваща в дебелината. Тоест, би било погрешно да се мисли, че външните протеинови слоеве на клетъчните мембрани са непрекъснати. Протеините, в допълнение към техните сложни функции, са необходими в мембраната, за да преминат вътре в клетките и да транспортират от тях онези вещества, които не могат да проникнат през мастния слой. Например калиеви и натриеви йони. За тях са предвидени специални протеинови структури - йонни канали, които ще разгледаме по-подробно по-долу.

Ако погледнете клетъчната мембрана през микроскоп, можете да видите слой от липиди, образуван от най-малките сферични молекули, по които, като морето, плуват големи протеинови клетки с различни форми. Точно същите мембрани разделят вътрешното пространство на всяка клетка на отделения, в които удобно са разположени ядрото, хлоропластите и митохондриите. Ако в клетката няма отделни „стаи“, органелите биха се слепили и няма да могат да изпълняват функциите си правилно.

Клетката е набор от органели, структурирани и ограничени от мембрани, които участват в комплекс от енергийни, метаболитни, информационни и репродуктивни процеси, които осигуряват жизнената дейност на организма.

Както може да се види от това определение, мембраната е най-важният функционален компонент на всяка клетка. Значението му е толкова голямо, колкото и това на ядрото, митохондриите и другите клетъчни органели. НО уникални свойствамембраните се определят от нейната структура: тя се състои от два филма, залепени заедно по специален начин. Молекулите на фосфолипидите в мембраната са разположени с хидрофилни глави навън и хидрофобни опашки навътре. Следователно едната страна на филма е намокрена от вода, а другата не. И така, тези филми са свързани един с друг с ненамокрящи се страни навътре, образувайки билипиден слой, заобиколен от протеинови молекули. Това е самата "сандвич" структура на клетъчната мембрана.

Йонни канали на клетъчните мембрани

Нека разгледаме по-подробно принципа на работа на йонните канали. За какво са нужни? Факт е, че само мастноразтворимите вещества могат свободно да проникнат през липидната мембрана - това са газове, алкохоли и самите мазнини. Така например в червените кръвни клетки има постоянен обмен на кислород и въглероден двуокис, като за това тялото ни не трябва да прибягва до допълнителни трикове. Но какво да кажем, когато стане необходимо да се транспортират водни разтвори, като натриеви и калиеви соли, през клетъчната мембрана?

Би било невъзможно да се проправи път за такива вещества в билипидния слой, тъй като дупките веднага ще се стегнат и ще се слепят обратно, такава е структурата на всяка мастна тъкан. Но природата, както винаги, намери изход от ситуацията и създаде специални протеинови транспортни структури.

Има два вида проводими протеини:

Транспортерите са полуинтегрални протеинови помпи;

Каналоформерите са интегрални протеини.

Протеините от първия тип са частично потопени в билипидния слой на клетъчната мембрана и гледат навън с главите си и в присъствието на желаното вещество започват да се държат като помпа: те привличат молекулата и я засмукват в клетка. А протеините от втория тип, интегрални, имат удължена форма и са разположени перпендикулярно на билипидния слой на клетъчната мембрана, прониквайки в него през и през. През тях, като през тунели, веществата, които не могат да преминат през мазнините, се придвижват към и извън клетката. Именно чрез йонни канали калиевите йони проникват в клетката и се натрупват в нея, докато натриевите йони, напротив, се извеждат навън. Има разлика в електрическите потенциали, така необходима за правилното функциониране на всички клетки на нашето тяло.

Най-важните изводи за структурата и функциите на клетъчните мембрани

Теорията винаги изглежда интересна и обещаваща, ако може да бъде полезно приложена на практика. Откриване на структурата и функциите на клетъчните мембрани човешкото тялопозволи на учените да направят истински пробив в науката като цяло и в медицината в частност. Неслучайно се спряхме толкова подробно на йонните канали, защото именно тук се крие отговорът на един от най-важните въпроси на нашето време: защо хората все повече се разболяват от онкология?

Ракът отнема около 17 милиона живота по света всяка година и е четвъртата водеща причина за всички смъртни случаи. Според СЗО заболеваемостта от рак непрекъснато нараства и до края на 2020 г. може да достигне 25 милиона годишно.

Какво обяснява истинската епидемия от рак и какво общо има функцията на клетъчните мембрани с нея? Ще кажете: причината е в лошите екологични условия, недохранването, лошите навици и тежката наследственост. И, разбира се, ще бъдете прави, но ако говорим за проблема по-подробно, тогава причината е подкисляването на човешкото тяло. Изброените по-горе негативни фактори водят до разрушаване на клетъчните мембрани, възпрепятстват дишането и храненето.

Там, където трябва да има плюс, се образува минус и клетката не може да функционира нормално. Но раковите клетки не се нуждаят нито от кислород, нито от алкална среда - те могат да използват анаеробен тип хранене. Ето защо, в условия на кислороден глад и нива на рН извън мащаба, здравите клетки мутират, искайки да се адаптират към околната среда, и се превръщат в ракови клетки. Така човек се разболява от рак. За да избегнете това, просто трябва да пиете достатъчно чиста вода всеки ден и да се откажете от канцерогените в храната. Но, като правило, хората са добре запознати с вредни продуктии нуждата от качествена вода, и не правят нищо - надяват се, че бедата ще ги заобиколи.

Познавайки характеристиките на структурата и функциите на клетъчните мембрани на различни клетки, лекарите могат да използват тази информация, за да осигурят целенасочени, целенасочени терапевтични ефекти върху тялото. Много съвременни лекарства, попадайки в тялото ни, търсят правилната „мишена“, която може да бъде йонни канали, ензими, рецептори и биомаркери на клетъчните мембрани. Този метод на лечение ви позволява да постигнете по-добри резултати с минимални странични ефекти.

Антибиотиците от последно поколение, когато се пуснат в кръвта, не убиват всички клетки подред, а търсят точно клетките на патогена, като се фокусират върху маркерите в клетъчните му мембрани. Най-новите лекарства против мигрена, триптаните, само свиват възпалените съдове на мозъка, без почти никакъв ефект върху сърцето и периферната кръвоносна система. И те разпознават необходимите съдове именно по протеините на клетъчните си мембрани. Има много такива примери, така че можем да кажем с увереност, че знанията за структурата и функциите на клетъчните мембрани са в основата на развитието на съвременните медицинска наукаи спасява милиони животи всяка година.

образование:Московски медицински институт. I. M. Sechenov, специалност - "Медицина" през 1991 г., през 1993 г. "Професионални болести", през 1996 г. "Терапия".

клетъчната мембрананаричана още плазмена (или цитоплазмена) мембрана и плазмалема. Тази структура не само отделя вътрешното съдържание на клетката от външната среда, но и влиза в състава на повечето клетъчни органели и ядрото, като от своя страна ги отделя от хиалоплазмата (цитозола) - вискозно-течната част на цитоплазмата. Да се ​​съгласим да се обадим цитоплазмена мембранатакъв, който отделя съдържанието на клетката от външната среда. Останалите термини се отнасят за всички мембрани.

Структурата на клетъчната мембрана

Основата на структурата на клетъчната (биологична) мембрана е двоен слой липиди (мазнини). Образуването на такъв слой е свързано с особеностите на техните молекули. Липидите не се разтварят във вода, а кондензират в нея по свой начин. Една част от една липидна молекула е полярна глава (тя се привлича от вода, т.е. хидрофилна), а другата е чифт дълги неполярни опашки (тази част от молекулата се отблъсква от водата, т.е. хидрофобна) . Тази структура на молекулите ги кара да "крият" опашките си от водата и да обърнат полярните си глави към водата.

В резултат на това се образува липиден бислой, в който неполярните опашки са вътре (една срещу друга), а полярните глави са обърнати навън (към външната среда и цитоплазмата). Повърхността на такава мембрана е хидрофилна, но вътре е хидрофобна.

В клетъчните мембрани фосфолипидите преобладават сред липидите (те са сложни липиди). Главите им съдържат остатък от фосфорна киселина. В допълнение към фосфолипидите има гликолипиди (липиди + въглехидрати) и холестерол (принадлежи към стеролите). Последният придава твърдост на мембраната, като се намира в нейната дебелина между опашките на останалите липиди (холестеролът е напълно хидрофобен).

Поради електростатично взаимодействие определени протеинови молекули се прикрепват към заредените глави на липидите, които се превръщат в повърхностни мембранни протеини. Други протеини взаимодействат с неполярни опашки, частично потъват в двойния слой или го проникват през и през него.

По този начин клетъчната мембрана се състои от двуслой от липиди, повърхностни (периферни), потопени (полуинтегрални) и проникващи (интегрални) протеини. В допълнение, някои протеини и липиди от външната страна на мембраната са свързани с въглехидратни вериги.

то флуиден мозаечен модел на структурата на мембранатае представена през 70-те години на ХХ век. Преди това беше приет сандвич модел на структурата, според който липидният двуслой е разположен вътре, а отвътре и отвън мембраната е покрита с непрекъснати слоеве повърхностни протеини. Натрупването на експериментални данни обаче опроверга тази хипотеза.

Дебелината на мембраните в различните клетки е около 8 nm. Мембраните (дори различните страни на една) се различават една от друга в проценти различни видовелипиди, протеини, ензимна активност и др. Някои мембрани са по-течни и по-пропускливи, други са по-плътни.

Разкъсванията в клетъчната мембрана лесно се сливат поради физикохимичните характеристики на липидния двоен слой. В равнината на мембраната липидите и протеините (освен ако не са фиксирани от цитоскелета) се движат.

Функции на клетъчната мембрана

Повечето от протеините, потопени в клетъчната мембрана, изпълняват ензимна функция (те са ензими). Често (особено в мембраните на клетъчните органели) ензимите са подредени в определена последователност, така че реакционните продукти, катализирани от един ензим, преминават към втория, след това към третия и т.н. Образува се конвейер, който стабилизира повърхностните протеини, тъй като те не позволяват на ензимите да плуват по липидния двоен слой.

Клетъчната мембрана изпълнява ограничителна (бариерна) функция от околната среда и същевременно транспортна функция. Може да се каже, че това е най-важното му предназначение. Цитоплазмената мембрана, притежаваща сила и селективна пропускливост, поддържа постоянството на вътрешния състав на клетката (нейната хомеостаза и цялост).

В този случай се осъществява транспортирането на вещества различни начини. Транспортът по концентрационен градиент включва движението на вещества от област с по-висока концентрация към област с по-ниска (дифузия). Така например газовете дифундират (CO 2, O 2).

Има и транспорт срещу концентрационния градиент, но с разход на енергия.

Транспортът е пасивен и лек (когато някой превозвач му помага). За мастноразтворимите вещества е възможна пасивна дифузия през клетъчната мембрана.

Има специални протеини, които правят мембраните пропускливи за захари и други водоразтворими вещества. Тези носители се свързват с транспортираните молекули и ги влачат през мембраната. По този начин глюкозата се транспортира в червените кръвни клетки.

Обхващащите протеини, когато се комбинират, могат да образуват пори за движението на определени вещества през мембраната. Такива носители не се движат, а образуват канал в мембраната и работят подобно на ензимите, свързвайки определено вещество. Трансферът се извършва поради промяна в конформацията на протеина, поради което се образуват канали в мембраната. Пример е натриево-калиевата помпа.

Транспортната функция на еукариотната клетъчна мембрана също се осъществява чрез ендоцитоза (и екзоцитоза).Чрез тези механизми големи молекули биополимери, дори цели клетки, влизат в клетката (и излизат от нея). Ендо- и екзоцитозата не са характерни за всички еукариотни клетки (прокариотите изобщо я нямат). Така че ендоцитоза се наблюдава при протозои и низши безгръбначни; при бозайниците левкоцитите и макрофагите абсорбират вредни вещества и бактерии, т.е. ендоцитозата изпълнява защитна функция за тялото.

Ендоцитозата се разделя на фагоцитоза(цитоплазмата обгръща големи частици) и пиноцитоза(улавяне на течни капчици с разтворени в тях вещества). Механизмът на тези процеси е приблизително еднакъв. Абсорбираните вещества на клетъчната повърхност са заобиколени от мембрана. Образува се везикула (фагоцитна или пиноцитна), която след това се премества в клетката.

Екзоцитозата е отстраняването на вещества от клетката чрез цитоплазмената мембрана (хормони, полизахариди, протеини, мазнини и др.). Тези вещества са затворени в мембранни везикули, които пасват на клетъчната мембрана. Двете мембрани се сливат и съдържанието е извън клетката.

Цитоплазмената мембрана изпълнява рецепторна функция.За да направите това, от външната му страна има структури, които могат да разпознаят химичен или физически стимул. Някои от протеините, проникващи в плазмалемата, са свързани отвън с полизахаридни вериги (образуващи гликопротеини). Това са специфични молекулярни рецептори, които улавят хормоните. Когато определен хормон се свърже с неговия рецептор, той променя структурата си. Това от своя страна задейства механизма на клетъчния отговор. В същото време каналите могат да се отворят и някои вещества могат да започнат да навлизат в клетката или да бъдат отстранени от нея.

Рецепторната функция на клетъчните мембрани е добре проучена въз основа на действието на хормона инсулин. Когато инсулинът се свърже със своя гликопротеинов рецептор, каталитичната вътреклетъчна част на този протеин (ензимът аденилат циклаза) се активира. Ензимът синтезира цикличен АМФ от АТФ. Вече активира или инхибира различни ензими на клетъчния метаболизъм.

Рецепторната функция на цитоплазмената мембрана включва и разпознаването на съседни клетки от същия тип. Такива клетки са прикрепени една към друга чрез различни междуклетъчни контакти.

В тъканите, с помощта на междуклетъчни контакти, клетките могат да обменят информация помежду си, като използват специално синтезирани нискомолекулни вещества. Един пример за такова взаимодействие е контактното инхибиране, когато клетките спират да растат след получаване на информация, че свободното пространство е заето.

Междуклетъчните контакти са прости (мембраните на различни клетки са съседни една на друга), заключване (инвагинация на мембраната на една клетка в друга), десмозоми (когато мембраните са свързани чрез снопове от напречни влакна, проникващи в цитоплазмата). В допълнение, има вариант на междуклетъчни контакти, дължащи се на медиатори (посредници) - синапси. При тях сигналът се предава не само химически, но и електрически. Синапсите предават сигнали между нервните клетки, както и от нерв към мускул.