Wśród Można wyróżnić główne funkcje błony komórkowej: barierową, transportową, enzymatyczną i receptorową. Błona komórkowa (biologiczna) (znana również jako plazmalemma, plazma lub błona cytoplazmatyczna) chroni zawartość komórki lub jej organelli przed środowiskiem, zapewnia selektywną przepuszczalność substancji, znajdują się na niej enzymy, a także cząsteczki mogące „wyłapywać” „różne sygnały chemiczne i fizyczne.
Funkcjonalność tę zapewnia specjalna budowa błony komórkowej.
W ewolucji życia na Ziemi komórka mogła na ogół powstać dopiero po pojawieniu się błony, która oddzielała i stabilizowała wewnętrzną zawartość oraz zapobiegała jej rozpadowi.
W zakresie utrzymania homeostazy (samoregulacja względnej stałości środowiska wewnętrznego) funkcja barierowa błony komórkowej jest ściśle związana z transportem.
Małe cząsteczki są w stanie przejść przez plazmalemat bez żadnych „pomocników”, zgodnie z gradientem stężeń, czyli z obszaru o wysokim stężeniu danej substancji do obszaru o niskim stężeniu. Dzieje się tak na przykład w przypadku gazów biorących udział w oddychaniu. Tlen i dwutlenek węgla dyfundują przez błonę komórkową w kierunku, w którym ich stężenie jest obecnie niższe.
Ponieważ membrana jest w większości hydrofobowa (ze względu na podwójną warstwę lipidową), cząsteczki polarne (hydrofilowe), nawet te małe, często nie mogą przez nią przeniknąć. Dlatego wiele białek błonowych pełni rolę nośników takich cząsteczek, wiążąc się z nimi i transportując je przez plazmalemmę.
Białka integralne (przenikające przez błonę) często działają na zasadzie otwierania i zamykania kanałów. Kiedy jakakolwiek cząsteczka zbliża się do takiego białka, wiąże się z nim i kanał się otwiera. Ta lub inna substancja przechodzi przez kanał białkowy, po czym zmienia się jej konformacja, a kanał zamyka się na tę substancję, ale może się otworzyć, aby umożliwić przejście innej. Na tej zasadzie działa pompa sodowo-potasowa, pompując jony potasu do komórki i wypompowując z niej jony sodu.
Enzymatyczna funkcja błony komórkowej w większym stopniu realizowany na błonach organelli komórkowych. Większość białek syntetyzowanych w komórce pełni funkcję enzymatyczną. „Siedząc” na membranie w określonej kolejności, organizują przenośnik, gdy produkt reakcji katalizowany przez jedno białko enzymatyczne przechodzi do następnego. Ten „przenośnik” jest stabilizowany przez białka powierzchniowe plazmalemy.
Pomimo uniwersalności budowy wszystkich błon biologicznych (zbudowane są według jednej zasady, są niemal identyczne u wszystkich organizmów i w różnych strukturach komórek błonowych), ich skład chemiczny może się jeszcze różnić. Są bardziej płynne i bardziej stałe, niektóre mają więcej pewnych białek, inne mniej. Ponadto różne strony (wewnętrzna i zewnętrzna) tej samej membrany również się różnią.
Błona otaczająca komórkę (cytoplazmatyczna) od zewnątrz posiada wiele łańcuchów węglowodanowych przyłączonych do lipidów lub białek (w wyniku czego powstają glikolipidy i glikoproteiny). Wiele z tych węglowodanów służy funkcja receptora, będąc podatnym na niektóre hormony, wykrywając zmiany wskaźników fizycznych i chemicznych w środowisku.
Jeżeli np. hormon łączy się ze swoim receptorem komórkowym, wówczas część węglowodanowa cząsteczki receptora zmienia swoją strukturę, po czym następuje zmiana w strukturze powiązanej z nią części białkowej, która przenika przez błonę. W kolejnym etapie w komórce uruchamiane lub zawieszane są różne reakcje biochemiczne, czyli zmienia się jej metabolizm i rozpoczyna się odpowiedź komórkowa na „bodziec”.
Oprócz wymienionych czterech funkcji błony komórkowej wyróżnia się także inne: macierz, energię, znakowanie, tworzenie kontaktów międzykomórkowych itp. Można je jednak uznać za „podfunkcje” już rozważonych.
Błona komórkowa (błona plazmatyczna) to cienka, półprzepuszczalna membrana otaczająca komórki.
Funkcja i rola błony komórkowej
Jego funkcją jest ochrona integralności wnętrza poprzez wpuszczenie niektórych niezbędnych substancji do komórki i uniemożliwienie przedostania się innych.
Służy również jako podstawa przywiązania do niektórych organizmów i do innych. Zatem błona plazmatyczna zapewnia również kształt komórki. Inną funkcją membrany jest regulacja wzrostu komórek poprzez równowagę i.
W endocytozie lipidy i białka są usuwane z błony komórkowej w miarę wchłaniania substancji. Podczas egzocytozy pęcherzyki zawierające lipidy i białka łączą się z błoną komórkową, zwiększając rozmiar komórki. , a komórki grzybów mają błony plazmatyczne. Na przykład te wewnętrzne są również osłonięte membranami ochronnymi.
Struktura błony komórkowej
Błona plazmatyczna składa się głównie z mieszaniny białek i lipidów. W zależności od lokalizacji i roli błony w organizmie lipidy mogą stanowić od 20 do 80 procent błony, a pozostałą część stanowią białka. Podczas gdy lipidy zapewniają elastyczność błony, białka kontrolują i utrzymują chemię komórki oraz pomagają w transporcie cząsteczek przez błonę.
Lipidy błonowe
Fosfolipidy są głównym składnikiem błon plazmatycznych. Tworzą dwuwarstwę lipidową, w której hydrofilowe (przyciągane przez wodę) obszary głowy spontanicznie organizują się w stronę wodnego cytozolu i płynu pozakomórkowego, podczas gdy hydrofobowe (odpychane przez wodę) obszary ogona są zwrócone w stronę przeciwną do cytozolu i płynu pozakomórkowego. Dwuwarstwa lipidowa jest półprzepuszczalna, co pozwala tylko niektórym cząsteczkom na dyfuzję przez błonę.
Cholesterol jest kolejnym lipidowym składnikiem błon komórkowych zwierząt. Cząsteczki cholesterolu są selektywnie rozproszone pomiędzy fosfolipidami błonowymi. Pomaga to utrzymać sztywność błon komórkowych, zapobiegając nadmiernemu zagęszczeniu fosfolipidów. Cholesterolu nie ma w błonach komórek roślinnych.
Glikolipidy znajdują się na zewnętrznej powierzchni błon komórkowych i są z nimi połączone łańcuchem węglowodanowym. Pomagają komórce rozpoznawać inne komórki w organizmie.
Białka błonowe
Błona komórkowa zawiera dwa rodzaje powiązanych białek. Białka błony obwodowej są zewnętrzne i są z nią powiązane poprzez interakcję z innymi białkami. Integralne białka błonowe są wprowadzane do błony i większość przechodzi przez nią. Części tych białek transbłonowych znajdują się po obu jego stronach.
Białka błony komórkowej pełnią wiele różnych funkcji. Białka strukturalne zapewniają wsparcie i kształt komórkom. Białka receptorów błonowych pomagają komórkom komunikować się ze środowiskiem zewnętrznym za pomocą hormonów, neuroprzekaźników i innych cząsteczek sygnalizacyjnych. Białka transportowe, takie jak białka globularne, transportują cząsteczki przez błony komórkowe poprzez ułatwioną dyfuzję. Glikoproteiny mają przyłączony łańcuch węglowodanowy. Są osadzone w błonie komórkowej, pomagając w wymianie i transporcie cząsteczek.
Błony organelli
Niektóre organelle komórkowe są również otoczone błonami ochronnymi. Rdzeń,
9.5.1. Jedną z głównych funkcji błon jest udział w przenoszeniu substancji. Proces ten odbywa się poprzez trzy główne mechanizmy: dyfuzję prostą, dyfuzję ułatwioną i transport aktywny (rysunek 9.10). Przypomnij sobie najważniejsze cechy tych mechanizmów i przykłady transportowanych substancji w każdym przypadku.
Rysunek 9.10. Mechanizmy transportu cząsteczek przez błonę
Prosta dyfuzja- transfer substancji przez membranę bez udziału specjalnych mechanizmów. Transport odbywa się wzdłuż gradientu stężeń bez zużycia energii. Poprzez prostą dyfuzję transportowane są małe biomolekuły - H2O, CO2, O2, mocznik, hydrofobowe substancje niskocząsteczkowe. Szybkość prostej dyfuzji jest proporcjonalna do gradientu stężeń.
Ułatwiona dyfuzja- transfer substancji przez błonę za pomocą kanałów białkowych lub specjalnych białek nośnikowych. Przeprowadza się je wzdłuż gradientu stężeń bez zużycia energii. Transportowane są monosacharydy, aminokwasy, nukleotydy, glicerol i niektóre jony. Charakterystyczna jest kinetyka nasycenia – przy pewnym (nasycającym) stężeniu transportowanej substancji w transporcie biorą udział wszystkie cząsteczki nośnika i prędkość transportu osiąga wartość maksymalną.
Transport aktywny- wymaga również udziału specjalnych białek transportowych, jednak transport odbywa się wbrew gradientowi stężeń i dlatego wymaga wydatku energetycznego. Dzięki temu mechanizmowi jony Na+, K+, Ca2+, Mg2+ są transportowane przez błonę komórkową, a protony przez błonę mitochondrialną. Aktywny transport substancji charakteryzuje się kinetyką nasycenia.
9.5.2. Przykładem układu transportowego realizującego aktywny transport jonów jest Na+,K+-adenozynotrifosfataza (Na+,K+-ATPaza lub Na+,K+-pompa). Białko to znajduje się głęboko w błonie komórkowej i jest zdolne do katalizowania reakcji hydrolizy ATP. Energia uwolniona podczas hydrolizy 1 cząsteczki ATP wykorzystywana jest do przeniesienia 3 jonów Na+ z komórki do przestrzeni zewnątrzkomórkowej i 2 jonów K+ w przeciwnym kierunku (rysunek 9.11). W wyniku działania Na+,K+-ATPazy powstaje różnica stężeń pomiędzy cytozolem komórkowym a płynem zewnątrzkomórkowym. Ponieważ transfer jonów nie jest równoważny, występuje różnica potencjałów elektrycznych. W ten sposób powstaje potencjał elektrochemiczny, na który składa się energia różnicy potencjałów elektrycznych Δφ oraz energia różnicy stężeń substancji ΔC po obu stronach membrany.
Rysunek 9.11. Schemat pompy Na+, K+.
9.5.3. Transport cząstek i związków o dużej masie cząsteczkowej przez membrany
Wraz z transportem substancji organicznych i jonów realizowanym przez nośniki, w komórce istnieje bardzo specyficzny mechanizm, którego zadaniem jest wchłanianie do wnętrza komórki związków wielkocząsteczkowych i usuwanie z niej związków wielkocząsteczkowych poprzez zmianę kształtu biomembrany. Mechanizm ten nazywa się transport pęcherzykowy.
Rysunek 9.12. Rodzaje transportu pęcherzykowego: 1 - endocytoza; 2 - egzocytoza.
Podczas przenoszenia makrocząsteczek następuje sekwencyjne tworzenie i fuzja pęcherzyków (pęcherzyków) otoczonych błoną. Ze względu na kierunek transportu i charakter transportowanych substancji wyróżnia się następujące rodzaje transportu pęcherzykowego:
Endocytoza(Rysunek 9.12, 1) - transfer substancji do komórki. W zależności od wielkości powstałych pęcherzyków wyróżnia się:
A) pinocytoza — absorpcja makrocząsteczek płynnych i rozpuszczonych (białek, polisacharydów, kwasów nukleinowych) przy użyciu małych pęcherzyków (o średnicy 150 nm);
B) fagocytoza — absorpcja dużych cząstek, takich jak mikroorganizmy lub resztki komórek. W tym przypadku tworzą się duże pęcherzyki zwane fagosomami o średnicy większej niż 250 nm.
Pinocytoza jest charakterystyczna dla większości komórek eukariotycznych, natomiast duże cząsteczki są absorbowane przez wyspecjalizowane komórki - leukocyty i makrofagi. W pierwszym etapie endocytozy substancje lub cząstki adsorbowane są na powierzchni błony, proces ten zachodzi bez zużycia energii. W kolejnym etapie błona z zaadsorbowaną substancją zagłębia się w cytoplazmę; powstałe w ten sposób lokalne wgłębienia błony komórkowej oddzielają się od powierzchni komórki, tworząc pęcherzyki, które następnie migrują do komórki. Proces ten jest połączony systemem mikrofilamentów i jest zależny od energii. Pęcherzyki i fagosomy, które dostają się do komórki, mogą łączyć się z lizosomami. Enzymy zawarte w lizosomach rozkładają substancje zawarte w pęcherzykach i fagosomach na produkty o niskiej masie cząsteczkowej (aminokwasy, monosacharydy, nukleotydy), które transportowane są do cytozolu, gdzie mogą zostać wykorzystane przez komórkę.
Egzocytoza(Rysunek 9.12, 2) - transfer cząstek i dużych związków z komórki. Proces ten, podobnie jak endocytoza, zachodzi wraz z absorpcją energii. Główne rodzaje egzocytozy to:
A) wydzielanie - usunięcie z komórki związków rozpuszczalnych w wodzie, które są wykorzystywane lub wpływają na inne komórki organizmu. Może być ona przeprowadzana zarówno przez niewyspecjalizowane komórki, jak i komórki gruczołów dokrewnych, błony śluzowej przewodu pokarmowego, przystosowane do wydzielania przez nie wytwarzanych substancji (hormonów, neuroprzekaźników, proenzymów) w zależności od specyficznych potrzeb organizmu.
Wydzielane białka są syntetyzowane na rybosomach związanych z błonami szorstkiej siateczki śródplazmatycznej. Białka te są następnie transportowane do aparatu Golgiego, gdzie są modyfikowane, zagęszczane, sortowane, a następnie pakowane w pęcherzyki, które uwalniane są do cytozolu, a następnie łączą się z błoną komórkową, tak że zawartość pęcherzyków znajduje się na zewnątrz komórki.
W przeciwieństwie do makrocząsteczek, małe wydzielane cząstki, takie jak protony, są transportowane z komórki za pomocą mechanizmów ułatwionej dyfuzji i transportu aktywnego.
B) wydalanie - usunięcie z komórki substancji, których nie można wykorzystać (np. podczas erytropoezy, usunięcie z retikulocytów substancji siatkowej, czyli zagregowanych pozostałości organelli). Wydaje się, że mechanizm wydalania polega na tym, że wydalone cząstki są początkowo uwięzione w pęcherzyku cytoplazmatycznym, który następnie łączy się z błoną plazmatyczną.
Nie jest tajemnicą, że wszystkie żywe istoty na naszej planecie składają się z komórek, tej niezliczonej „” materii organicznej. Komórki z kolei otoczone są specjalną powłoką ochronną – błoną, która odgrywa bardzo ważną rolę w życiu komórki, a funkcje błony komórkowej nie ograniczają się tylko do ochrony komórki, ale stanowią złożony mechanizm biorący udział w reprodukcji, odżywianiu i regeneracji komórki.
Co to jest błona komórkowa
Samo słowo „membrana” jest tłumaczone z łaciny jako „folia”, chociaż membrana to nie tylko rodzaj folii, w którą owinięta jest komórka, ale połączenie dwóch folii połączonych ze sobą i mających różne właściwości. W rzeczywistości błona komórkowa jest trójwarstwową membraną lipoproteinową (białko tłuszczowe), która oddziela każdą komórkę od sąsiednich komórek i środowiska i przeprowadza kontrolowaną wymianę między komórkami a środowiskiem. Jest to akademicka definicja tego, czym jest błona komórkowa Jest.
Znaczenie membrany jest po prostu ogromne, ponieważ nie tylko oddziela jedną komórkę od drugiej, ale także zapewnia interakcję komórki zarówno z innymi komórkami, jak i środowiskiem.
Historia badań błon komórkowych
Ważny wkład w badania błony komórkowej wnieśli dwaj niemieccy naukowcy Gorter i Grendel już w 1925 roku. Właśnie wtedy udało im się przeprowadzić złożony eksperyment biologiczny na czerwonych krwinkach – erytrocytach, podczas którego naukowcy uzyskali tzw. „cienie”, puste otoczki erytrocytów, które ułożyli w jeden stos i zmierzyli pole powierzchni, a także obliczono ilość zawartych w nich lipidów. Na podstawie ilości uzyskanych lipidów naukowcy doszli do wniosku, że znajdują się one dokładnie w podwójnej warstwie błony komórkowej.
W 1935 roku kolejna para badaczy błon komórkowych, tym razem Amerykanie Daniel i Dawson, po serii długich eksperymentów ustaliła zawartość białka w błonie komórkowej. Nie było innego sposobu wyjaśnienia, dlaczego membrana miała tak wysokie napięcie powierzchniowe. Naukowcy sprytnie zaprezentowali model błony komórkowej w formie kanapki, w której rolę chleba pełnią jednorodne warstwy lipidowo-białkowe, a pomiędzy nimi zamiast oleju znajduje się pustka.
W 1950 roku, wraz z pojawieniem się elektroniki, teoria Daniela i Dawsona została potwierdzona praktycznymi obserwacjami - na mikrofotografiach błony komórkowej wyraźnie widoczne były warstwy głów lipidowych i białkowych, a także pusta przestrzeń między nimi.
W 1960 roku amerykański biolog J. Robertson opracował teorię o trójwarstwowej budowie błon komórkowych, która przez długi czas była uważana za jedyną prawdziwą, jednak wraz z dalszym rozwojem nauki zaczęły pojawiać się wątpliwości co do jej nieomylności. Z punktu widzenia więc np. trudnego i pracochłonnego dla komórek byłoby przetransportowanie niezbędnych składników odżywczych przez całą „kanapkę”
Dopiero w 1972 roku amerykańscy biolodzy S. Singer i G. Nicholson byli w stanie wyjaśnić niespójności w teorii Robertsona, korzystając z nowego modelu błony komórkowej w formie płynnej mozaiki. W szczególności odkryli, że błona komórkowa nie jest jednorodna pod względem składu, ponadto jest asymetryczna i wypełniona cieczą. Ponadto komórki są w ciągłym ruchu. A słynne białka wchodzące w skład błony komórkowej mają różne struktury i funkcje.
Właściwości i funkcje błony komórkowej
Przyjrzyjmy się teraz, jakie funkcje pełni błona komórkowa:
Funkcją barierową błony komórkowej jest membrana pełniąca rolę prawdziwego strażnika granicznego, stojącego na straży granic komórki, opóźniającego i nie przepuszczającego szkodliwych lub po prostu niewłaściwych cząsteczek.
Funkcja transportowa błony komórkowej - błona pełni nie tylko funkcję straży granicznej na bramie celi, ale także swego rodzaju punkt kontroli celnej, za jej pośrednictwem następuje ciągła wymiana przydatnych substancji z innymi komórkami i środowiskiem.
Funkcja matrycy - to błona komórkowa określa położenie względem siebie i reguluje interakcję między nimi.
Funkcja mechaniczna - odpowiada za oddzielenie jednej komórki od drugiej i jednocześnie za prawidłowe łączenie komórek ze sobą, za uformowanie ich w jednorodną tkankę.
Funkcja ochronna błony komórkowej jest podstawą budowy tarczy ochronnej komórki. W naturze przykładem takiej funkcji może być twarde drewno, gęsta skórka, powłoka ochronna, a wszystko to za sprawą ochronnej funkcji membrany.
Funkcja enzymatyczna to kolejna ważna funkcja pełniona przez niektóre białka w komórce. Na przykład dzięki tej funkcji synteza enzymów trawiennych zachodzi w nabłonku jelitowym.
Oprócz tego przez błonę komórkową zachodzi wymiana komórkowa, która może zachodzić w trzech różnych reakcjach:
- Fagocytoza to wymiana komórkowa, podczas której osadzone w błonie komórki fagocytów wychwytują i trawią różne składniki odżywcze.
- Pinocytoza to proces wychwytywania przez błonę komórkową cząsteczek cieczy stykających się z nią. W tym celu na powierzchni membrany tworzą się specjalne wąsy, które zdają się otaczać kroplę płynu, tworząc pęcherzyk, który następnie jest „połykany” przez membranę.
- Egzocytoza jest procesem odwrotnym, gdy komórka uwalnia wydzielniczy płyn funkcjonalny na powierzchnię przez błonę.
Struktura błony komórkowej
W błonie komórkowej występują trzy klasy lipidów:
- fosfolipidy (będące połączeniem tłuszczów i fosforu),
- glikolipidy (połączenie tłuszczów i węglowodanów),
- cholesterolu
Z kolei fosfolipidy i glikolipidy składają się z hydrofilowej głowy, do której wystają dwa długie hydrofobowe ogony. Cholesterol zajmuje przestrzeń pomiędzy tymi ogonkami, zapobiegając ich zginaniu, co w niektórych przypadkach powoduje, że błona niektórych komórek jest bardzo sztywna. Oprócz tego cząsteczki cholesterolu organizują strukturę błony komórkowej.
Tak czy inaczej, najważniejszą częścią struktury błony komórkowej jest białko, a raczej różne białka, które odgrywają różne ważne role. Pomimo różnorodności białek zawartych w błonie, jest coś, co je łączy – wokół wszystkich białek błonowych rozmieszczone są lipidy pierścieniowe. Lipidy pierścieniowe to specjalne tłuszcze strukturyzowane, które służą jako rodzaj powłoki ochronnej dla białek, bez których po prostu nie działałyby.
Struktura błony komórkowej składa się z trzech warstw: podstawą błony komórkowej jest jednorodna ciekła warstwa bilipidowa. Białka pokrywają go z obu stron niczym mozaika. To właśnie białka, oprócz opisanych powyżej funkcji, pełnią także rolę swoistych kanałów, którymi przedostają się przez membranę substancje nie mogące przedostać się przez ciekłą warstwę membrany. Należą do nich na przykład jony potasu i sodu, dla ich przenikania przez błonę natura zapewnia specjalne kanały jonowe w błonach komórkowych. Innymi słowy, białka zapewniają przepuszczalność błon komórkowych.
Jeśli spojrzymy na błonę komórkową przez mikroskop, zobaczymy warstwę lipidów utworzoną przez małe kuliste cząsteczki, po których białka pływają jak po morzu. Teraz wiesz, jakie substancje tworzą błonę komórkową.
Film o błonie komórkowej
I na koniec film edukacyjny o błonie komórkowej.