Сред Могат да се разграничат основните функции на клетъчната мембрана: бариерна, транспортна, ензимна и рецепторна. Клетъчната (биологична) мембрана (известна още като плазмалема, плазмена или цитоплазмена мембрана) защитава съдържанието на клетката или нейните органели от околната среда, осигурява селективна пропускливост за вещества, върху нея се намират ензими, както и молекули, които могат да „хващат ” различни химични и физични сигнали.
Тази функционалност се осигурява от специалната структура на клетъчната мембрана.
В еволюцията на живота на Земята клетката може да се образува по принцип само след появата на мембрана, която разделя и стабилизира вътрешното съдържание и го предпазва от разпадане.
По отношение на поддържането на хомеостазата (саморегулиране на относителното постоянство на вътрешната среда) бариерната функция на клетъчната мембрана е тясно свързана с транспорта.
Малките молекули са в състояние да преминат през плазмалемата без никакви „помощници“, по градиент на концентрация, т.е. от зона с висока концентрация на дадено вещество към област с ниска концентрация. Такъв е случаят например с газовете, участващи в дишането. Кислородът и въглеродният диоксид дифундират през клетъчната мембрана в посоката, където концентрацията им в момента е по-ниска.
Тъй като мембраната е предимно хидрофобна (поради липидния двоен слой), полярните (хидрофилни) молекули, дори и малките, често не могат да проникнат през нея. Следователно редица мембранни протеини действат като носители на такива молекули, като се свързват с тях и ги транспортират през плазмалемата.
Интегралните (проникващи през мембраната) протеини често работят на принципа на отваряне и затваряне на канали. Когато някоя молекула се приближи до такъв протеин, тя се комбинира с него и каналът се отваря. Това или друго вещество преминава през протеиновия канал, след което неговата конформация се променя и каналът се затваря за това вещество, но може да се отвори, за да позволи преминаването на друго. Натриево-калиевата помпа работи на този принцип, като изпомпва калиеви йони в клетката и изпомпва натриеви йони от нея.
Ензимна функция на клетъчната мембранав по-голяма степен се реализира върху мембраните на клетъчните органели. Повечето протеини, синтезирани в клетката, изпълняват ензимна функция. „Седнали“ върху мембраната в определен ред, те организират конвейер, когато реакционният продукт, катализиран от един ензимен протеин, преминава към следващия. Този „конвейер“ се стабилизира от повърхностните протеини на плазмалемата.
Въпреки универсалността на структурата на всички биологични мембрани (те са изградени по един принцип, те са почти еднакви във всички организми и в различни мембранни клетъчни структури), техният химичен състав все още може да се различава. Има по-течни и по-твърди, някои имат повече определени протеини, други по-малко. Освен това различните страни (вътрешна и външна) на една и съща мембрана също се различават.
Мембраната, която заобикаля клетката (цитоплазмената), има от външната си страна много въглехидратни вериги, прикрепени към липиди или протеини (което води до образуването на гликолипиди и гликопротеини). Много от тези въглехидрати служат рецепторна функция, податливи на определени хормони, откриване на промени във физическите и химичните показатели в околната среда.
Ако, например, един хормон се свърже с неговия клетъчен рецептор, тогава въглехидратната част на рецепторната молекула променя структурата си, последвана от промяна в структурата на свързаната протеинова част, която прониква през мембраната. На следващия етап в клетката се стартират или спират различни биохимични реакции, т.е. нейният метаболизъм се променя и започва клетъчният отговор на "стимула".
В допълнение към изброените четири функции на клетъчната мембрана се разграничават и други: матрица, енергия, маркиране, образуване на междуклетъчни контакти и др. Те обаче могат да се разглеждат като „подфункции“ на вече разгледаните.
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. По време на екзоцитозата 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 химията на клетката и подпомагат транспортирането на молекули през мембраната.
Мембранни липиди
Фосфолипидите са основният компонент на плазмените мембрани. Те образуват липиден двоен слой, в който хидрофилните (привлечени от вода) области на главата спонтанно се организират, за да обърнат към водния цитозол и извънклетъчната течност, докато хидрофобните (отблъскващи водата) области на опашката 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 опаковането на фосфолипидите твърде плътно заедно. 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, използвайки хормони, невротрансмитери и други сигнални молекули. Транспортните протеини, като глобуларните протеини, транспортират молекули през клетъчните мембрани чрез улеснена дифузия. Гликопротеините имат въглехидратна верига, свързана с тях. Те са вградени в клетъчната мембрана, помагайки за обмена и транспорта на молекули.
Органелни мембрани
Някои клетъчни органели също са заобиколени от защитни мембрани. ядро,
9.5.1. Една от основните функции на мембраните е участието в преноса на вещества. Този процес се постига чрез три основни механизма: проста дифузия, улеснена дифузия и активен транспорт (Фигура 9.10). Запомнете най-важните характеристики на тези механизми и примери за транспортираните вещества във всеки случай.
Фигура 9.10.Механизми на транспорт на молекули през мембраната
Проста дифузия- пренос на вещества през мембраната без участието на специални механизми. Транспортът се извършва по градиент на концентрация без консумация на енергия. Чрез проста дифузия се пренасят малки биомолекули - H2O, CO2, O2, урея, хидрофобни нискомолекулни вещества. Скоростта на простата дифузия е пропорционална на концентрационния градиент.
Улеснена дифузия- пренос на вещества през мембраната с помощта на протеинови канали или специални протеини-носители. Провежда се по концентрационен градиент без консумация на енергия. Пренасят се монозахариди, аминокиселини, нуклеотиди, глицерол и някои йони. Характерна е кинетиката на насищане - при определена (насищаща) концентрация на транспортираното вещество в преноса участват всички молекули на носителя и транспортната скорост достига максимална стойност.
Активен транспорт- също изисква участието на специални транспортни протеини, но транспортът се извършва срещу градиент на концентрация и следователно изисква разход на енергия. Чрез този механизъм Na+, K+, Ca2+, Mg2+ йони се транспортират през клетъчната мембрана, а протоните се транспортират през митохондриалната мембрана. Активният транспорт на вещества се характеризира с кинетика на насищане.
9.5.2. Пример за транспортна система, която осъществява активен транспорт на йони е Na+,K+-аденозин трифосфатаза (Na+,K+-ATPase или Na+,K+-помпа). Този протеин се намира дълбоко в плазмената мембрана и е способен да катализира реакцията на хидролиза на АТФ. Енергията, освободена по време на хидролизата на 1 молекула АТФ, се използва за прехвърляне на 3 Na+ йона от клетката към извънклетъчното пространство и 2 K+ йона в обратна посока (Фигура 9.11). В резултат на действието на Na+,K+-ATPase се създава концентрационна разлика между клетъчния цитозол и извънклетъчната течност. Тъй като преносът на йони не е еквивалентен, възниква разлика в електрическия потенциал. По този начин възниква електрохимичен потенциал, който се състои от енергията на разликата в електрическите потенциали Δφ и енергията на разликата в концентрациите на веществата ΔC от двете страни на мембраната.
Фигура 9.11.Диаграма на помпата Na+, K+.
9.5.3. Транспорт на частици и съединения с високо молекулно тегло през мембрани
Наред с транспортирането на органични вещества и йони, извършвани от носители, в клетката има много специален механизъм, предназначен да абсорбира високомолекулни съединения в клетката и да отстранява високомолекулни съединения от нея чрез промяна на формата на биомембраната. Този механизъм се нарича везикуларен транспорт.
Фигура 9.12.Видове везикуларен транспорт: 1 - ендоцитоза; 2 - екзоцитоза.
По време на преноса на макромолекули се получава последователно образуване и сливане на заобиколени от мембрана везикули (везикули). Въз основа на посоката на транспортиране и естеството на транспортираните вещества се разграничават следните видове везикуларен транспорт:
Ендоцитоза(Фигура 9.12, 1) - пренос на вещества в клетката. В зависимост от размера на получените везикули се разграничават:
а) пиноцитоза — абсорбция на течни и разтворени макромолекули (протеини, полизахариди, нуклеинови киселини) с помощта на малки мехурчета (150 nm в диаметър);
б) фагоцитоза — абсорбция на големи частици, като микроорганизми или клетъчни остатъци. В този случай се образуват големи везикули, наречени фагозоми, с диаметър над 250 nm.
Пиноцитозата е характерна за повечето еукариотни клетки, докато големите частици се абсорбират от специализирани клетки - левкоцити и макрофаги. На първия етап от ендоцитозата веществата или частиците се адсорбират на повърхността на мембраната; този процес протича без консумация на енергия. На следващия етап мембраната с адсорбираното вещество се задълбочава в цитоплазмата; получените локални инвагинации на плазмената мембрана се отделят от клетъчната повърхност, образувайки везикули, които след това мигрират в клетката. Този процес е свързан чрез система от микрофиламенти и е енергийно зависим. Везикулите и фагозомите, които влизат в клетката, могат да се слеят с лизозомите. Ензимите, съдържащи се в лизозомите, разграждат веществата, съдържащи се във везикулите и фагозомите, до продукти с ниско молекулно тегло (аминокиселини, монозахариди, нуклеотиди), които се транспортират в цитозола, където могат да бъдат използвани от клетката.
Екзоцитоза(Фигура 9.12, 2) - прехвърляне на частици и големи съединения от клетката. Този процес, подобно на ендоцитозата, протича с усвояването на енергия. Основните видове екзоцитоза са:
а) секреция - отстраняване от клетката на водоразтворимите съединения, които се използват или засягат други клетки на тялото. То може да се осъществява както от неспециализирани клетки, така и от клетки на жлезите с вътрешна секреция, лигавицата на стомашно-чревния тракт, пригодена за секреция на произвежданите от тях вещества (хормони, невротрансмитери, проензими) в зависимост от специфичните нужди на организма.
Секретираните протеини се синтезират върху рибозоми, свързани с мембраните на грапавия ендоплазмен ретикулум. След това тези протеини се транспортират до апарата на Голджи, където се модифицират, концентрират, сортират и след това се пакетират във везикули, които се освобождават в цитозола и впоследствие се сливат с плазмената мембрана, така че съдържанието на везикулите да е извън клетката.
За разлика от макромолекулите, малките секретирани частици, като протони, се транспортират извън клетката чрез механизми на улеснена дифузия и активен транспорт.
б) екскреция - отстраняване от клетката на вещества, които не могат да бъдат използвани (например по време на еритропоеза, отстраняване от ретикулоцитите на мрежестото вещество, което е агрегирани остатъци от органели). Механизмът на екскреция изглежда е, че екскретираните частици първоначално се улавят в цитоплазмена везикула, която след това се слива с плазмената мембрана.
Не е тайна, че всички живи същества на нашата планета са изградени от клетки, тези безброй "" органични вещества. Клетките от своя страна са обградени от специална защитна обвивка - мембрана, която играе много важна роля в живота на клетката, като функциите на клетъчната мембрана не се ограничават само до защита на клетката, а представляват комплекс механизъм, участващ в размножаването, храненето и регенерацията на клетката.
Какво е клетъчна мембрана
Самата дума „мембрана“ се превежда от латински като „филм“, въпреки че мембраната не е просто вид филм, в който е обвита клетка, а комбинация от два филма, свързани един с друг и имащи различни свойства. Всъщност клетъчната мембрана е трислойна липопротеинова (мастно-протеинова) мембрана, която отделя всяка клетка от съседните клетки и околната среда и осъществява контролиран обмен между клетките и околната среда, това е академичната дефиниция за това какво е клетъчна мембрана е.
Значението на мембраната е просто огромно, защото тя не само отделя една клетка от друга, но също така осигурява взаимодействието на клетката както с други клетки, така и с околната среда.
История на изследването на клетъчните мембрани
Важен принос в изследването на клетъчната мембрана направиха двама немски учени Гортер и Грендел през 1925 г. Тогава те успяха да проведат сложен биологичен експеримент върху червените кръвни клетки - еритроцити, по време на който учените получиха така наречените "сенки", празни черупки от еритроцити, които подредиха в един куп и измериха повърхността, а също изчисли количеството липиди в тях. Въз основа на количеството получени липиди учените стигат до извода, че те са достатъчни, за да покрият двойния слой на клетъчната мембрана.
През 1935 г. друга двойка изследователи на клетъчната мембрана, този път американците Даниел и Доусън, след серия от дълги експерименти, установиха съдържанието на протеин в клетъчната мембрана. Нямаше друг начин да се обясни защо мембраната има толкова високо повърхностно напрежение. Учените хитро са представили модел на клетъчна мембрана под формата на сандвич, в който ролята на хляб играят хомогенни липидно-протеинови слоеве, а между тях вместо масло има празнота.
През 1950 г., с навлизането на електрониката, теорията на Даниел и Доусън се потвърждава от практически наблюдения - на микроснимки на клетъчната мембрана ясно се виждат слоеве от липидни и протеинови глави, както и празното пространство между тях.
През 1960 г. американският биолог Дж. Робъртсън разработи теория за трислойната структура на клетъчните мембрани, която дълго време се смяташе за единствената вярна, но с по-нататъшното развитие на науката започнаха да възникват съмнения относно нейната непогрешимост. Така например от гледна точка би било трудно и трудоемко за клетките да транспортират необходимите хранителни вещества през целия „сандвич“
И едва през 1972 г. американските биолози С. Сингър и Г. Никълсън успяха да обяснят несъответствията в теорията на Робъртсън, използвайки нов флуидно-мозаечен модел на клетъчната мембрана. По-специално, те установиха, че клетъчната мембрана не е хомогенна по своя състав, освен това е асиметрична и пълна с течност. Освен това клетките са в постоянно движение. А прословутите протеини, които са част от клетъчната мембрана, имат различни структури и функции.
Свойства и функции на клетъчната мембрана
Сега нека да разгледаме какви функции изпълнява клетъчната мембрана:
Бариерната функция на клетъчната мембрана е мембраната като истинска гранична охрана, която стои на стража над границите на клетката, забавяйки и не позволявайки на вредните или просто неподходящи молекули да преминат.
Транспортна функция на клетъчната мембрана - мембраната е не само гранична охрана на вратата на клетката, но и своеобразен митнически пункт; чрез нея непрекъснато се обменят полезни вещества с други клетки и околната среда.
Матрична функция - това е клетъчната мембрана, която определя местоположението една спрямо друга и регулира взаимодействието между тях.
Механична функция - отговаря за ограничаването на една клетка от друга и успоредно с това за правилното свързване на клетките една с друга, за оформянето им в хомогенна тъкан.
Защитната функция на клетъчната мембрана е в основата на изграждането на защитния щит на клетката. В природата пример за тази функция може да бъде твърда дървесина, плътна кора, защитна обвивка, всичко това се дължи на защитната функция на мембраната.
Ензимната функция е друга важна функция, изпълнявана от определени протеини в клетката. Например, благодарение на тази функция, синтезът на храносмилателни ензими се извършва в чревния епител.
Също така, в допълнение към всичко това, клетъчният обмен се осъществява през клетъчната мембрана, което може да се осъществи в три различни реакции:
- Фагоцитозата е клетъчен обмен, при който вградените в мембраната фагоцитни клетки улавят и усвояват различни хранителни вещества.
- Пиноцитозата е процес на улавяне от клетъчната мембрана на течни молекули в контакт с нея. За да направите това, на повърхността на мембраната се образуват специални пипала, които сякаш обграждат капка течност, образувайки мехур, който впоследствие се „поглъща“ от мембраната.
- Екзоцитозата е обратен процес, когато клетката освобождава секреторна функционална течност на повърхността през мембраната.
Структура на клетъчната мембрана
Има три класа липиди в клетъчната мембрана:
- фосфолипиди (които са комбинация от мазнини и фосфор),
- гликолипиди (комбинация от мазнини и въглехидрати),
- холестерол
Фосфолипидите и гликолипидите от своя страна се състоят от хидрофилна глава, в която се простират две дълги хидрофобни опашки. Холестеролът заема пространството между тези опашки, предотвратявайки ги от огъване; всичко това в някои случаи прави мембраната на някои клетки много твърда. В допълнение към всичко това молекулите на холестерола организират структурата на клетъчната мембрана.
Но както и да е, най-важната част от структурата на клетъчната мембрана е протеинът или по-скоро различни протеини, които играят различни важни роли. Въпреки разнообразието от протеини, съдържащи се в мембраната, има нещо, което ги обединява - пръстеновидните липиди са разположени около всички мембранни протеини. Ануларните липиди са специални структурирани мазнини, които служат като вид защитна обвивка за протеини, без които те просто не биха работили.
Структурата на клетъчната мембрана има три слоя: основата на клетъчната мембрана е хомогенен течен билипиден слой. Белтъците го покриват от двете страни като мозайка. Именно протеините, в допълнение към описаните по-горе функции, също играят ролята на своеобразни канали, през които веществата, които не могат да проникнат през течния слой на мембраната, преминават през мембраната. Те включват, например, калиеви и натриеви йони; за тяхното проникване през мембраната природата осигурява специални йонни канали в клетъчните мембрани. С други думи, протеините осигуряват пропускливостта на клетъчните мембрани.
Ако погледнем клетъчната мембрана през микроскоп, ще видим слой липиди, образуван от малки сферични молекули, върху които протеините плуват като в морето. Сега знаете какви вещества изграждат клетъчната мембрана.
Видео за клетъчна мембрана
И накрая, едно образователно видео за клетъчната мембрана.