Struktura błony komórkowej. Jakie funkcje pełni zewnętrzna błona komórkowa? Struktura zewnętrznej błony komórkowej

Błona komórkowa - struktura molekularna składająca się z lipidów i białek. Jego główne właściwości i funkcje:

• oddzielenie zawartości dowolnej komórki od środowiska zewnętrznego, zapewnienie jej integralności;
• kontrola i ustanowienie wymiany między środowiskiem a komórką;
• błony wewnątrzkomórkowe dzielą komórkę na specjalne przedziały: organelle lub przedziały.

Słowo „membrana” po łacinie oznacza „film”. Jeśli mówimy o błonie komórkowej, to jest to połączenie dwóch filmów, które mają różne właściwości.

Błona biologiczna obejmuje trzy rodzaje białek:

1. Peryferyjne – zlokalizowane na powierzchni folii;
2. Integralne – całkowicie przenikają przez membranę;
3. Półintegralny - jeden koniec wnika w warstwę bilipidową.

Jakie funkcje pełni błona komórkowa?

1. Ściana komórkowa to trwała błona komórkowa zlokalizowana na zewnątrz błony cytoplazmatycznej. Pełni funkcje ochronne, transportowe i strukturalne. Występuje w wielu roślinach, bakteriach, grzybach i archeonach.

2. Pełni funkcję barierową, czyli selektywny, regulowany, aktywny i pasywny metabolizm ze środowiskiem zewnętrznym.

3. Potrafi przekazywać i przechowywać informacje, a także bierze udział w procesie reprodukcji.

4. Pełni funkcję transportową, która może transportować substancje do i z komórki przez błonę.

5. Błona komórkowa ma przewodnictwo jednokierunkowe. Dzięki temu cząsteczki wody mogą bezzwłocznie przejść przez błonę komórkową, a cząsteczki innych substancji wnikają selektywnie.

6. Za pomocą błony komórkowej pozyskiwana jest woda, tlen i składniki odżywcze, a przez nią usuwane są produkty metabolizmu komórkowego.

7. Przeprowadza metabolizm komórkowy przez błony i potrafi go przeprowadzać za pomocą 3 głównych typów reakcji: pinocytozy, fagocytozy, egzocytozy.

8. Błona zapewnia specyfikę kontaktów międzykomórkowych.

9. Błona zawiera liczne receptory zdolne do odbierania sygnałów chemicznych - mediatory, hormony i wiele innych substancji biologicznie czynnych. Ma więc moc zmiany aktywności metabolicznej komórki.

10. Podstawowe właściwości i funkcje błony komórkowej:

• Matryca
• Bariera
• Transport
• Energia
• Mechaniczny
• Enzymatyczny
• Chwytnik
• Ochronny
• Cechowanie
• Biopotencjał

Jaką funkcję pełni błona plazmatyczna w komórce?

1. Ogranicza zawartość komórki;
2. Wykonuje wejście substancji do komórki;
3. Zapewnia usunięcie szeregu substancji z komórki.

Struktura błony komórkowej

Błony komórkowe obejmują lipidy 3 klas:

• Glikolipidy;
• Fosfolipidy;
• Cholesterol.

Zasadniczo błona komórkowa składa się z białek i lipidów i ma grubość nie większą niż 11 nm. Od 40 do 90% wszystkich lipidów stanowią fosfolipidy. Należy również zwrócić uwagę na glikolipidy, które są jednym z głównych składników błony.

Struktura błony komórkowej jest trójwarstwowa. W środku znajduje się jednorodna płynna warstwa bilipidowa, którą z obu stron pokrywają białka (jak mozaika), częściowo wnikając w jej grubość. Białka są również niezbędne, aby błona mogła przepuszczać specjalne substancje do i z komórek, które nie mogą przeniknąć przez warstwę tłuszczu. Na przykład jony sodu i potasu.

• To jest interesujące -

Struktura komórki - wideo

Cytoplazma- obowiązkowa część komórki, zamknięta między błoną plazmatyczną a jądrem; dzieli się na hialoplazmę (główną substancję cytoplazmy), organelle (stałe składniki cytoplazmy) i inkluzje (tymczasowe składniki cytoplazmy). Skład chemiczny cytoplazmy: podstawą jest woda (60-90% całkowitej masy cytoplazmy), różne związki organiczne i nieorganiczne. Cytoplazma ma odczyn zasadowy. Charakterystyczną cechą cytoplazmy komórki eukariotycznej jest ciągły ruch ( cykloza). Wykrywa się go przede wszystkim poprzez ruch organelli komórkowych, takich jak chloroplasty. Jeśli ruch cytoplazmy ustanie, komórka umiera, ponieważ tylko będąc w ciągłym ruchu może wykonywać swoje funkcje.

Hialoplazma ( cytozol) jest bezbarwnym, śluzowatym, gęstym i przezroczystym roztworem koloidalnym. To w nim zachodzą wszystkie procesy metaboliczne, zapewnia wzajemne połączenie jądra i wszystkich organelli. W zależności od przewagi części płynnej lub dużych cząsteczek w hialoplazmie wyróżnia się dwie formy hialoplazmy: sol- więcej płynnej hialoplazmy i żel- grubsza hialoplazma. Możliwe są między nimi wzajemne przejścia: żel zamienia się w zol i odwrotnie.

Funkcje cytoplazmy:

1. połączenie wszystkich elementów ogniwa w jeden system,
2. środowisko dla przebiegu wielu procesów biochemicznych i fizjologicznych,
3. środowisko dla istnienia i funkcjonowania organelli.

Błony komórkowe

Błony komórkowe ograniczyć komórki eukariotyczne. W każdej błonie komórkowej można wyróżnić co najmniej dwie warstwy. Warstwa wewnętrzna przylega do cytoplazmy i jest reprezentowana przez błona plazmatyczna(synonimy - plazmalemma, błona komórkowa, błona cytoplazmatyczna), nad którą tworzy się zewnętrzna warstwa. W komórce zwierzęcej jest cienki i nazywa się glikokaliks(tworzony przez glikoproteiny, glikolipidy, lipoproteiny), w komórce roślinnej - gruby, tzw. Ściana komórkowa(utworzony przez celulozę).

Wszystkie błony biologiczne mają wspólne cechy strukturalne i właściwości. Obecnie jest to powszechnie akceptowane Model płynnej mozaiki struktury membrany. Podstawą błony jest dwuwarstwa lipidowa zbudowana głównie z fosfolipidów. Fosfolipidy to trójglicerydy, w których jedna reszta kwasu tłuszczowego jest zastąpiona resztą kwasu fosforowego; Część cząsteczki zawierająca resztę kwasu fosforowego nazywa się głową hydrofilową, a sekcje zawierające reszty kwasu tłuszczowego nazywa się ogonami hydrofobowymi. W błonie fosfolipidy są ułożone w ściśle uporządkowany sposób: hydrofobowe ogony cząsteczek zwrócone są do siebie, a hydrofilowe głowy zwrócone są na zewnątrz, w stronę wody.

Oprócz lipidów błona zawiera białka (średnio ≈ 60%). Determinują większość specyficznych funkcji błony (transport niektórych cząsteczek, kataliza reakcji, odbieranie i przetwarzanie sygnałów z otoczenia itp.). Są: 1) białka obwodowe(znajduje się na zewnętrznej lub wewnętrznej powierzchni dwuwarstwy lipidowej), 2) białka półintegralne(zanurzony w dwuwarstwie lipidowej na różną głębokość), 3) białka integralne, czyli transbłonowe(przebij membranę, stykając się zarówno z zewnętrznym, jak i wewnętrznym środowiskiem komórki). Białka integralne są w niektórych przypadkach nazywane białkami tworzącymi kanały lub białkami kanałowymi, ponieważ można je uznać za kanały hydrofilowe, przez które cząsteczki polarne przedostają się do komórki (składnik lipidowy błony nie przepuszcza ich).

A - hydrofilowa głowa fosfolipidowa; B - hydrofobowe ogony fosfolipidowe; 1 - hydrofobowe regiony białek E i F; 2 — regiony hydrofilowe białka F; 3 - rozgałęziony łańcuch oligosacharydowy przyłączony do lipidu w cząsteczce glikolipidu (glikolipidy są mniej powszechne niż glikoproteiny); 4 - rozgałęziony łańcuch oligosacharydowy przyłączony do białka w cząsteczce glikoproteiny; 5 - kanał hydrofilowy (pełni funkcję poru, przez który mogą przechodzić jony i niektóre cząsteczki polarne).

Błona może zawierać węglowodany (do 10%). Składnik węglowodanowy błon jest reprezentowany przez łańcuchy oligosacharydowe lub polisacharydowe związane z cząsteczkami białek (glikoproteiny) lub lipidami (glikolipidy). Węglowodany znajdują się głównie na zewnętrznej powierzchni błony. Węglowodany pełnią funkcje receptorowe błony. W komórkach zwierzęcych glikoproteiny tworzą kompleks ponadbłonowy, glikokaliks, o grubości kilkudziesięciu nanometrów. Zawiera wiele receptorów komórkowych i przy jego pomocy następuje adhezja komórek.

Cząsteczki białek, węglowodanów i lipidów są mobilne, zdolne do poruszania się w płaszczyźnie błony. Grubość błony plazmatycznej wynosi około 7,5 nm.

Funkcje membran

Membrany pełnią następujące funkcje:

1. oddzielenie zawartości komórkowej od środowiska zewnętrznego,
2. regulacja metabolizmu pomiędzy komórką a środowiskiem,
3. podział komórki na przedziały („przedziały”),
4. miejsce lokalizacji „przenośników enzymatycznych”,
5. zapewnienie komunikacji między komórkami w tkankach organizmów wielokomórkowych (adhezja),
6. rozpoznawanie sygnału.

Najważniejsze właściwość membrany— selektywna przepuszczalność, tj. membrany są wysoce przepuszczalne dla niektórych substancji lub cząsteczek i słabo przepuszczalne (lub całkowicie nieprzepuszczalne) dla innych. Ta właściwość leży u podstaw funkcji regulacyjnej błon, zapewniając wymianę substancji pomiędzy komórką a środowiskiem zewnętrznym. Nazywa się proces przenikania substancji przez błonę komórkową transport substancji. Są: 1) transport pasywny- proces przepuszczania substancji bez zużycia energii; 2) transport aktywny- proces przejścia substancji zachodzący przy wydatku energii.

Na transport pasywny substancje przemieszczają się z obszaru o większym stężeniu do obszaru o niższym, tj. wzdłuż gradientu stężeń. W każdym roztworze znajdują się cząsteczki rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej. Proces przemieszczania się cząsteczek substancji rozpuszczonej nazywa się dyfuzją, a ruch cząsteczek rozpuszczalnika nazywa się osmozą. Jeśli cząsteczka jest naładowana, na jej transport wpływa również gradient elektryczny. Dlatego ludzie często mówią o gradiencie elektrochemicznym, łącząc oba gradienty razem. Prędkość transportu zależy od wielkości nachylenia.

Można wyróżnić następujące rodzaje transportu biernego: 1) prosta dyfuzja— transport substancji bezpośrednio przez dwuwarstwę lipidową (tlen, dwutlenek węgla); 2) dyfuzja przez kanały membranowe— transport przez białka tworzące kanały (Na +, K +, Ca 2+, Cl -); 3) ułatwiona dyfuzja- transport substancji za pomocą specjalnych białek transportowych, z których każde jest odpowiedzialne za ruch określonych cząsteczek lub grup powiązanych cząsteczek (glukozy, aminokwasów, nukleotydów); 4) osmoza— transport cząsteczek wody (we wszystkich układach biologicznych rozpuszczalnikiem jest woda).

Konieczność transport aktywny zachodzi, gdy konieczne jest zapewnienie transportu cząsteczek przez membranę wbrew gradientowi elektrochemicznemu. Transport ten odbywa się za pomocą specjalnych białek nośnikowych, których działanie wymaga nakładu energii. Źródłem energii są cząsteczki ATP. Do transportu aktywnego zalicza się: 1) pompę Na+/K+ (pompa sodowo-potasowa), 2) endocytozę, 3) egzocytozę.

Działanie pompy Na+/K+. Do normalnego funkcjonowania komórka musi utrzymywać określony stosunek jonów K+ i Na+ w cytoplazmie i środowisku zewnętrznym. Stężenie K+ wewnątrz komórki powinno być znacznie wyższe niż na zewnątrz, a Na+ – odwrotnie. Należy zauważyć, że Na + i K + mogą swobodnie dyfundować przez pory membrany. Pompa Na+/K+ przeciwdziała wyrównywaniu stężeń tych jonów i aktywnie pompuje Na+ z ogniwa oraz K+ do ogniwa. Pompa Na+/K+ jest białkiem transbłonowym zdolnym do zmian konformacyjnych, w wyniku czego może przyłączać zarówno K+, jak i Na+. Cykl pompy Na+/K+ można podzielić na następujące fazy: 1) dodanie Na+ z wnętrza błony, 2) fosforylacja białka pompy, 3) uwolnienie Na+ w przestrzeni zewnątrzkomórkowej, 4) dodanie K+ z zewnątrz błony, 5) defosforylacja białka pompującego, 6) uwolnienie K+ w przestrzeni wewnątrzkomórkowej. Prawie jedna trzecia całej energii potrzebnej do funkcjonowania komórki zużywana jest na pracę pompy sodowo-potasowej. W jednym cyklu pracy pompa wypompowuje 3Na+ z ogniwa i pompuje 2K+.

Endocytoza- proces wchłaniania dużych cząstek i makrocząsteczek przez komórkę. Istnieją dwa rodzaje endocytozy: 1) fagocytoza- wychwytywanie i absorpcja dużych cząstek (komórek, części komórek, makrocząsteczek) oraz 2) pinocytoza— wychwytywanie i absorpcja materiału ciekłego (roztwór, roztwór koloidalny, zawiesina). Zjawisko fagocytozy odkrył I.I. Mechnikova w 1882 r. Podczas endocytozy błona plazmatyczna tworzy wgłębienie, jej krawędzie łączą się, a struktury oddzielone od cytoplazmy pojedynczą błoną są wplecione w cytoplazmę. Wiele pierwotniaków i niektóre leukocyty są zdolne do fagocytozy. Pinocytozę obserwuje się w komórkach nabłonka jelit i śródbłonku naczyń włosowatych.

Egzocytoza- proces odwrotny do endocytozy: usuwanie różnych substancji z komórki. Podczas egzocytozy błona pęcherzyka łączy się z zewnętrzną błoną cytoplazmatyczną, zawartość pęcherzyka jest usuwana na zewnątrz komórki, a jego błona wchodzi w skład zewnętrznej błony cytoplazmatycznej. W ten sposób usuwane są hormony z komórek gruczołów dokrewnych, a u pierwotniaków niestrawione resztki pokarmu.

Iść do wykłady nr 5"Teoria komórki. Rodzaje organizacji komórkowych”

Iść do wykłady nr 7„Komórka eukariotyczna: budowa i funkcje organelli”

pola tekstowe

pola tekstowe

strzałka_w górę

Komórki są oddzielone od środowiska wewnętrznego organizmu błoną komórkową lub komórkową.

Membrana zapewnia:

1) Selektywne przenikanie do i z komórki cząsteczek i jonów niezbędnych do pełnienia określonych funkcji komórkowych;
2) Selektywny transport jonów przez błonę, utrzymując przezbłonową różnicę potencjałów elektrycznych;
3) Specyfika kontaktów międzykomórkowych.

Dzięki obecności w błonie licznych receptorów odbierających sygnały chemiczne – hormonów, mediatorów i innych substancji biologicznie czynnych, jest w stanie zmieniać aktywność metaboliczną komórki. Błony zapewniają swoistość objawów immunologicznych ze względu na obecność na nich antygenów - struktur powodujących powstawanie przeciwciał, które mogą specyficznie wiązać się z tymi antygenami.
Jądro i organelle komórki są również oddzielone od cytoplazmy błonami, które uniemożliwiają swobodny przepływ wody i rozpuszczonych w niej substancji z cytoplazmy do nich i odwrotnie. Stwarza to warunki do rozdzielenia procesów biochemicznych zachodzących w różnych przedziałach wewnątrz komórki.

Struktura błony komórkowej

pola tekstowe

pola tekstowe

strzałka_w górę

Błona komórkowa jest strukturą elastyczną o grubości od 7 do 11 nm (ryc. 1.1). Składa się głównie z lipidów i białek. Od 40 do 90% wszystkich lipidów stanowią fosfolipidy - fosfatydylocholina, fosfatydyloetanoloamina, fosfatydyloseryna, sfingomielina i fosfatydyloinozytol. Ważnym składnikiem błony są glikolipidy, reprezentowane przez cerebrozydy, sulfatydy, gangliozydy i cholesterol.

Ryż. 1.1 Organizacja membrany.

Podstawowa budowa błony komórkowej jest podwójną warstwą cząsteczek fosfolipidów. W wyniku oddziaływań hydrofobowych łańcuchy węglowodanowe cząsteczek lipidów są utrzymywane blisko siebie w stanie wydłużonym. Grupy cząsteczek fosfolipidów obu warstw oddziałują z cząsteczkami białka zanurzonymi w błonie lipidowej. Dzięki temu, że większość składników lipidowych dwuwarstwy znajduje się w stanie ciekłym, błona jest ruchliwa i wykonuje ruchy falowe. Jego sekcje, a także białka zanurzone w dwuwarstwie lipidowej, są mieszane z jednej części do drugiej. Mobilność (płynność) błon komórkowych ułatwia procesy transportu substancji przez błonę.

Białka błon komórkowych reprezentowane są głównie przez glikoproteiny. Tam są:

białka integralne, przenikając przez całą grubość membrany i
białka obwodowe, przyczepiony wyłącznie do powierzchni membrany, głównie do jej wewnętrznej części.

Białka obwodowe prawie wszystkie działają jako enzymy (acetylocholinoesteraza, fosfatazy kwasowe i jedwabne itp.). Ale niektóre enzymy są również reprezentowane przez białka integralne - ATPazę.

Białka integralne zapewniają selektywną wymianę jonów poprzez kanały błonowe pomiędzy płynem zewnątrzkomórkowym i wewnątrzkomórkowym, a także działają jako białka transportujące duże cząsteczki.

Receptory błonowe i antygeny mogą być reprezentowane zarówno przez białka integralne, jak i obwodowe.

Białka przylegające do błony od strony cytoplazmatycznej dzieli się na: cytoszkielet komórkowy . Mogą przyłączać się do białek błonowych.

Więc, pasmo białkowe 3 (numer prążka podczas elektroforezy białek) błon erytrocytów łączy się w zespół z innymi cząsteczkami cytoszkieletu - spektryną poprzez białko ankyrynę o niskiej masie cząsteczkowej (ryc. 1.2).

Ryż. 1.2 Schemat rozmieszczenia białek w cytoszkielecie przybłonowym erytrocytów.
1 - spektryna; 2 - ankiryna; 3 - białko pasma 3; 4 - pasmo białka 4,1; 5 - białko pasmowe 4,9; 6 - oligomer aktyny; 7 - białko 6; 8 - gpikoforyna A; 9 - membrana.

Spektryna jest głównym białkiem cytoszkieletu tworzącym dwuwymiarową sieć, do której przyłączona jest aktyna.

Aktyna tworzy mikrofilamenty, które są aparatem kurczliwym cytoszkieletu.

Cytoszkielet pozwala komórce wykazywać właściwości elastyczno-elastyczne i zapewnia dodatkową wytrzymałość membrany.

Większość białek integralnych to glikoproteiny. Ich część węglowodanowa wystaje z błony komórkowej na zewnątrz. Wiele glikoprotein ma duży ładunek ujemny ze względu na znaczną zawartość kwasu sialowego (na przykład cząsteczkę glikoforyny). Zapewnia to powierzchniom większości ogniw ładunek ujemny, pomagając odpychać inne ujemnie naładowane obiekty. Węglowodanowe występy glikoprotein są nośnikami antygenów grupowych krwi, innych determinant antygenowych komórki i działają jako receptory wiążące hormony. Glikoproteiny tworzą cząsteczki adhezyjne, które powodują, że komórki łączą się ze sobą, tj. bliskie kontakty międzykomórkowe.

Cechy metabolizmu w błonie

pola tekstowe

pola tekstowe

strzałka_w górę

Składniki błon podlegają wielu przemianom metabolicznym pod wpływem enzymów znajdujących się na ich błonie lub w jej obrębie. Należą do nich enzymy oksydacyjne, które odgrywają ważną rolę w modyfikacji hydrofobowych elementów błon – cholesterolu itp. W błonach, gdy aktywowane są enzymy – fosfolipazy – z kwasu arachidonowego powstają związki biologicznie czynne – prostaglandyny i ich pochodne. W wyniku aktywacji metabolizmu fosfolipidów w błonie powstają tromboksany i leukotrieny, które mają silny wpływ na adhezję płytek krwi, proces zapalny itp.

W membranie zachodzą w sposób ciągły procesy odnowy jej składników . Zatem czas życia białek błonowych waha się od 2 do 5 dni. Istnieją jednak w komórce mechanizmy zapewniające dostarczanie nowo syntetyzowanych cząsteczek białka do receptorów błonowych, co ułatwia wbudowanie białka w błonę. „Rozpoznanie” tego receptora przez nowo zsyntetyzowane białko ułatwia utworzenie peptydu sygnałowego, który pomaga znaleźć receptor na błonie.

Lipidy błonowe charakteryzują się także znacznym tempem wymiany, co wymaga dużych ilości kwasów tłuszczowych do syntezy tych składników błony.
Na specyfikę składu lipidowego błon komórkowych wpływają zmiany w środowisku człowieka i charakter jego diety.

Na przykład wzrost zawartości w diecie kwasów tłuszczowych z wiązaniami nienasyconymi zwiększa stan ciekły lipidów w błonach komórkowych różnych tkanek, prowadząc do korzystnej zmiany stosunku fosfolipidów do sfingomielin i lipidów do białek dla funkcji błony komórkowej.

Przeciwnie, nadmiar cholesterolu w błonach zwiększa mikrolepkość ich dwuwarstwy cząsteczek fosfolipidów, zmniejszając szybkość dyfuzji niektórych substancji przez błony komórkowe.

Pokarm wzbogacony witaminami A, E, C, P poprawia metabolizm lipidów w błonach erytrocytów i zmniejsza mikrolepkość błon. Zwiększa to odkształcalność czerwonych krwinek i ułatwia ich funkcję transportową (rozdział 6).

Niedobór kwasów tłuszczowych i cholesterolu w żywności zaburza skład lipidów i funkcje błon komórkowych.

Na przykład niedobór tłuszczu zaburza funkcje błony neutrofili, co hamuje ich zdolność do poruszania się i fagocytozę (aktywne wychwytywanie i wchłanianie mikroskopijnych obcych żywych obiektów i cząstek stałych przez organizmy jednokomórkowe lub niektóre komórki).

W regulacji składu lipidowego błon i ich przepuszczalności, regulacji proliferacji komórek ważną rolę odgrywają reaktywne formy tlenu powstające w komórce w związku z normalnie zachodzącymi reakcjami metabolicznymi (utlenianie mikrosomalne itp.).

Wytworzone reaktywne formy tlenu- rodnik ponadtlenkowy (O 2), nadtlenek wodoru (H 2 O 2) itp. są substancjami niezwykle reaktywnymi. Ich głównym substratem w reakcjach utleniania wolnorodnikowego są nienasycone kwasy tłuszczowe wchodzące w skład fosfolipidów błon komórkowych (tzw. reakcje peroksydacji lipidów). Nasilenie tych reakcji może spowodować uszkodzenie błony komórkowej, jej bariery, funkcji receptorowych i metabolicznych, modyfikację cząsteczek kwasów nukleinowych i białek, co prowadzi do mutacji i inaktywacji enzymów.

W warunkach fizjologicznych nasilenie peroksydacji lipidów regulowane jest przez układ antyoksydacyjny komórek, reprezentowany przez enzymy inaktywujące reaktywne formy tlenu – dysmutazę ponadtlenkową, katalazę, peroksydazę oraz substancje o działaniu przeciwutleniającym – tokoferol (witamina E), ubichinon itp. A wyraźny efekt ochronny na błony komórkowe (efekt cytoprotekcyjny) z różnymi szkodliwymi skutkami dla organizmu, prostaglandyny E i J2 mają „gasiące” aktywację utleniania wolnych rodników. Prostaglandyny chronią błonę śluzową żołądka i hepatocyty przed uszkodzeniami chemicznymi, neurony, komórki neuroglejowe, kardiomiocyty – przed uszkodzeniami niedotlenienia, mięśnie szkieletowe – podczas wzmożonego wysiłku fizycznego. Prostaglandyny, wiążąc się ze specyficznymi receptorami na błonach komórkowych, stabilizują dwuwarstwę tej ostatniej i ograniczają utratę fosfolipidów przez błony.

Funkcje receptorów błonowych

pola tekstowe

pola tekstowe

strzałka_w górę

Sygnał chemiczny lub mechaniczny jest najpierw odbierany przez receptory błony komórkowej. Konsekwencją tego jest chemiczna modyfikacja białek błonowych, prowadząca do aktywacji „wtórnych przekaźników”, które zapewniają szybką propagację sygnału w komórce do jej genomu, enzymów, elementów kurczliwych itp.

Transbłonową transmisję sygnału w komórce można schematycznie przedstawić w następujący sposób:

1) Receptor wzbudzony odebranym sygnałem aktywuje białka γ błony komórkowej. Dzieje się tak, gdy wiążą trifosforan guanozyny (GTP).

2) Z kolei oddziaływanie kompleksu GTP-γ-białko aktywuje enzym – prekursor przekaźników wtórnych, zlokalizowany po wewnętrznej stronie błony.

Prekursorem jednego drugiego przekaźnika, cAMP, utworzonego z ATP, jest enzym cyklaza adenylanowa;
Prekursorem innych przekaźników wtórnych – trifosforanu inozytolu i diacyloglicerolu, powstałych z błonowego fosfatydyloinozytolu-4,5-difosforanu, jest enzym fosfolipaza C. Ponadto trifosforan inozytolu mobilizuje w komórce innego wtórnego przekaźnika – jony wapnia, które biorą udział w prawie wszystkie procesy regulacyjne w komórce. Przykładowo powstający trifosforan inozytolu powoduje uwolnienie wapnia z siateczki śródplazmatycznej i wzrost jego stężenia w cytoplazmie, włączając w ten sposób różne formy odpowiedzi komórkowej. Za pomocą trifosforanu inozytolu i diacyloglicerolu funkcja mięśni gładkich i komórek B trzustki jest regulowana przez acetylocholinę, przedni płat przysadki mózgowej przez czynnik uwalniający tyreogropinę, odpowiedź limfocytów na antygen itp.
W niektórych komórkach rolę drugiego przekaźnika pełni cGMP powstający z GTP przy pomocy enzymu cyklazy guanylowej. Służy na przykład jako drugi przekaźnik hormonu natriuretycznego w mięśniach gładkich ścian naczyń krwionośnych. cAMP służy jako wtórny przekaźnik dla wielu hormonów – adrenaliny, erytropoetyny itp. (Rozdział 3).

Wszystkie żywe organizmy, w zależności od budowy komórki, dzielą się na trzy grupy (patrz ryc. 1):

1. Prokarioty (niejądrowe)

2. Eukarionty (jądrowe)

3. Wirusy (niekomórkowe)

Ryż. 1. Organizmy żywe

Na tej lekcji zaczniemy badać strukturę komórek organizmów eukariotycznych, do których należą rośliny, grzyby i zwierzęta. Ich komórki są największe i bardziej złożone pod względem struktury w porównaniu do komórek prokariotów.

Jak wiadomo, komórki są zdolne do niezależnej aktywności. Potrafią wymieniać materię i energię z otoczeniem, a także rosnąć i rozmnażać się, dlatego wewnętrzna struktura komórki jest bardzo złożona i zależy przede wszystkim od funkcji, jaką komórka pełni w organizmie wielokomórkowym.

Zasady budowy wszystkich komórek są takie same. W każdej komórce eukariotycznej można wyróżnić następujące główne części (patrz ryc. 2):

1. Zewnętrzna błona oddzielająca zawartość komórki od środowiska zewnętrznego.

2. Cytoplazma z organellami.

Ryż. 2. Główne części komórki eukariotycznej

Termin „membrana” został zaproponowany około sto lat temu w odniesieniu do granic komórki, ale wraz z rozwojem mikroskopii elektronowej stało się jasne, że błona komórkowa jest częścią elementów strukturalnych komórki.

W 1959 roku J.D. Robertson sformułował hipotezę dotyczącą budowy błony elementarnej, zgodnie z którą błony komórkowe zwierząt i roślin zbudowane są według tego samego typu.

W 1972 roku zaproponowali to Singer i Nicholson, co jest obecnie powszechnie akceptowane. Według tego modelu podstawą każdej membrany jest dwuwarstwa fosfolipidów.

Fosfolipidy (związki zawierające grupę fosforanową) mają cząsteczki składające się z polarnej głowy i dwóch niepolarnych ogonów (patrz ryc. 3).

Ryż. 3. Fosfolipidy

W dwuwarstwie fosfolipidowej hydrofobowe reszty kwasów tłuszczowych są skierowane do wewnątrz, a hydrofilowe główki, w tym reszta kwasu fosforowego, są skierowane na zewnątrz (patrz ryc. 4).

Ryż. 4. Dwuwarstwa fosfolipidowa

Dwuwarstwa fosfolipidowa jest przedstawiana jako struktura dynamiczna, lipidy mogą się poruszać, zmieniając swoje położenie.

Podwójna warstwa lipidów pełni funkcję barierową błony, zapobiegając rozprzestrzenianiu się zawartości komórki i przedostawaniu się substancji toksycznych do wnętrza komórki.

Obecność błony granicznej między komórką a środowiskiem była znana na długo przed pojawieniem się mikroskopu elektronowego. Fizykochemicy zaprzeczali istnieniu błony plazmatycznej i wierzyli, że istnieje połączenie między żywą zawartością koloidalną a środowiskiem, ale Pfeffer (niemiecki botanik i fizjolog roślin) potwierdził jego istnienie w 1890 roku.

Na początku ubiegłego wieku Overton (brytyjski fizjolog i biolog) odkrył, że szybkość przenikania wielu substancji do czerwonych krwinek jest wprost proporcjonalna do ich rozpuszczalności w lipidach. W związku z tym naukowiec zasugerował, że błona zawiera dużą ilość lipidów i substancji, które się w niej rozpuszczają, przechodzą przez nią i trafiają na drugą stronę membrany.

W 1925 roku Gorter i Grendel (amerykańscy biolodzy) wyizolowali lipidy z błony komórkowej czerwonych krwinek. Rozprowadzili powstałe lipidy na powierzchni wody o grubości jednej cząsteczki. Okazało się, że powierzchnia zajmowana przez warstwę lipidową jest dwukrotnie większa od powierzchni samej czerwonej krwinki. Dlatego naukowcy ci doszli do wniosku, że błona komórkowa składa się nie z jednej, ale z dwóch warstw lipidów.

Dawson i Danielli (angielscy biolodzy) w 1935 roku zasugerowali, że w błonach komórkowych dwucząsteczkowa warstwa lipidów jest umieszczona pomiędzy dwiema warstwami cząsteczek białka (patrz ryc. 5).

Ryż. 5. Model membranowy zaproponowany przez Dawsona i Danielli

Wraz z pojawieniem się mikroskopu elektronowego otworzyła się możliwość zapoznania się ze strukturą membrany, a następnie odkryto, że błony komórek zwierzęcych i roślinnych wyglądają jak struktura trójwarstwowa (patrz ryc. 6).

Ryż. 6. Błona komórkowa pod mikroskopem

W 1959 roku biolog J.D. Robertson, łącząc dostępne wówczas dane, wysunął hipotezę dotyczącą budowy „błony elementarnej”, w której postulował budowę wspólną dla wszystkich błon biologicznych.

Postulaty Robertsona dotyczące budowy „błony elementarnej”

1. Wszystkie membrany mają grubość około 7,5 nm.

2. W mikroskopie elektronowym wszystkie wydają się trójwarstwowe.

3. Trójwarstwowy wygląd membrany wynika z dokładnego ułożenia białek i lipidów polarnych, jakie przewidywał model Dawsona i Danielliego – centralna dwuwarstwa lipidowa jest umieszczona pomiędzy dwiema warstwami białka.

Ta hipoteza dotycząca budowy „błony elementarnej” ulegała różnym zmianom i w 1972 roku została wysunięta Model membrany z płynną mozaiką(patrz ryc. 7), co jest obecnie powszechnie akceptowane.

Ryż. 7. Model membrany z płynną mozaiką

Cząsteczki białek zanurzone są w dwuwarstwie lipidowej błony, tworząc ruchomą mozaikę. Ze względu na lokalizację w błonie oraz sposób oddziaływania z dwuwarstwą lipidową białka można podzielić na:

- powierzchowne (lub obwodowe) białka błonowe związane z hydrofilową powierzchnią dwuwarstwy lipidowej;

- integralna (membrana) białka osadzone w obszarze hydrofobowym dwuwarstwy.

Białka integralne różnią się stopniem osadzenia w obszarze hydrofobowym dwuwarstwy. Można je całkowicie zanurzyć ( całka) lub częściowo zanurzony ( półintegralny), a także może przenikać przez membranę przez ( transbłonowy).

Białka błonowe można podzielić na dwie grupy ze względu na ich funkcję:

- strukturalny białka. Wchodzą w skład błon komórkowych i uczestniczą w utrzymaniu ich struktury.

- dynamiczny białka. Znajdują się na membranach i biorą udział w procesach na nich zachodzących.

Istnieją trzy klasy białek dynamicznych.

1. Chwytnik. Za pomocą tych białek komórka odczuwa różne wpływy na swojej powierzchni. Oznacza to, że specyficznie wiążą związki takie jak hormony, neuroprzekaźniki i toksyny na zewnątrz błony, co służy jako sygnał do zmiany różnych procesów wewnątrz komórki lub samej błony.

2. Transport. Białka te transportują pewne substancje przez błonę, a także tworzą kanały, przez które różne jony są transportowane do i z komórki.

3. Enzymatyczny. Są to białka enzymatyczne, które znajdują się w błonie i biorą udział w różnych procesach chemicznych.

Transport substancji przez membranę

Dwuwarstwy lipidowe są w dużej mierze nieprzepuszczalne dla wielu substancji, dlatego do transportu substancji przez błonę potrzebna jest duża ilość energii, a także wymagane jest tworzenie różnych struktur.

Istnieją dwa rodzaje transportu: pasywny i aktywny.

Transport pasywny

Transport pasywny polega na przenoszeniu cząsteczek zgodnie z gradientem stężeń. Oznacza to, że zależy to jedynie od różnicy stężenia przenoszonej substancji po przeciwnych stronach membrany i odbywa się bez wydatku energetycznego.

Istnieją dwa rodzaje transportu pasywnego:

- prosta dyfuzja(patrz ryc. 8), co zachodzi bez udziału białka błonowego. Mechanizm dyfuzji prostej polega na transbłonowym przenoszeniu gazów (tlenu i dwutlenku węgla), wody i niektórych prostych jonów organicznych. Prosta dyfuzja ma niski współczynnik.

Ryż. 8. Prosta dyfuzja

- ułatwiona dyfuzja(patrz ryc. 9) różni się od prostego tym, że zachodzi przy udziale białek nośnikowych. Proces ten jest specyficzny i zachodzi z większą szybkością niż zwykła dyfuzja.

Ryż. 9. Ułatwiona dyfuzja

Znane są dwa typy białek transportujących błonę: białka nośnikowe (translokazy) i białka tworzące kanały. Białka transportowe wiążą określone substancje i transportują je przez błonę zgodnie z gradientem stężeń, dzięki czemu proces ten, podobnie jak przy prostej dyfuzji, nie wymaga wydatku energii ATP.

Cząsteczki jedzenia nie mogą przejść przez błonę, dostają się do komórki na drodze endocytozy (patrz ryc. 10). Podczas endocytozy błona plazmatyczna tworzy wgłębienia i wypustki oraz wychwytuje stałe cząstki pokarmu. Wokół bolusa pokarmowego tworzy się wakuola (lub pęcherzyk), która następnie oddziela się od błony komórkowej, a cząstki stałe w wakuoli trafiają do wnętrza komórki.

Ryż. 10. Endocytoza

Istnieją dwa rodzaje endocytozy.

1. Fagocytoza- absorpcja cząstek stałych. Nazywa się wyspecjalizowane komórki przeprowadzające fagocytozę fagocyty.

2. Pinocytoza- absorpcja materiału ciekłego (roztwór, roztwór koloidalny, zawiesina).

Egzocytoza(patrz ryc. 11) jest procesem odwrotnym do endocytozy. Substancje syntetyzowane w komórce, takie jak hormony, pakowane są w pęcherzyki błonowe, które pasują do błony komórkowej, są w niej osadzane, a zawartość pęcherzyka jest uwalniana z komórki. W ten sam sposób komórka może pozbyć się zbędnych produktów przemiany materii.

Ryż. 11. Egzocytoza

Transport aktywny

W przeciwieństwie do dyfuzji ułatwionej, transport aktywny polega na przemieszczaniu się substancji wbrew gradientowi stężeń. W tym przypadku substancje przemieszczają się z obszaru o niższym stężeniu do obszaru o wyższym stężeniu. Ponieważ ruch ten zachodzi w kierunku przeciwnym do normalnej dyfuzji, komórka musi zużywać w tym procesie energię.

Spośród przykładów transportu aktywnego najlepiej zbadaną jest tzw. pompa sodowo-potasowa. Pompa ta wypompowuje jony sodu z komórki i pompuje jony potasu do komórki, wykorzystując energię ATP.

1. Strukturalny (błona komórkowa oddziela komórkę od środowiska).

2. Transport (substancje transportowane są przez błonę komórkową, a błona komórkowa jest filtrem wysoce selektywnym).

3. Receptor (receptory zlokalizowane na powierzchni błony odbierają wpływy zewnętrzne i przekazują tę informację do wnętrza komórki, pozwalając jej szybko reagować na zmiany w otoczeniu).

Oprócz powyższego membrana pełni także funkcje metaboliczne i przekształcające energię.

Funkcja metaboliczna

Błony biologiczne bezpośrednio lub pośrednio uczestniczą w procesach przemian metabolicznych substancji w komórce, ponieważ większość enzymów jest związana z błonami.

Środowisko lipidowe enzymów w błonie stwarza określone warunki ich funkcjonowania, nakłada ograniczenia na aktywność białek błonowych, a tym samym wpływa regulująco na procesy metaboliczne.

Funkcja konwersji energii

Najważniejszą funkcją wielu biomembran jest konwersja jednej formy energii w inną.

Błony przetwarzające energię obejmują błony wewnętrzne mitochondriów i tylakoidy chloroplastów (patrz ryc. 12).

Ryż. 12. Mitochondria i chloroplasty

Bibliografia

1. Kamensky A.A., Kriksunov E.A., Pasechnik V.V. Biologia ogólna klasy 10-11 Drop, 2005.
2. Biologia. klasa 10. Biologia ogólna. Poziom podstawowy / P.V. Iżewski, O.A. Kornilova, T.E. Loschilina i inni - wyd. 2, poprawione. - Ventana-Graf, 2010. - 224 s.
3. Belyaev D.K. Biologia w klasie 10-11. Biologia ogólna. Podstawowy poziom. - wyd. 11, stereotyp. - M.: Edukacja, 2012. - 304 s.
4. Agafonova I.B., Zakharova E.T., Sivoglazov V.I. Biologia w klasie 10-11. Biologia ogólna. Podstawowy poziom. - wyd. 6, dod. - Drop, 2010. - 384 s.

1. Ayzdorov.ru ().
2. Youtube.com().
3. Doctor-v.ru ().
4. Zwierzęta-świat.ru ().

Praca domowa

1. Jaka jest budowa błony komórkowej?
2. Dzięki jakim właściwościom lipidy mogą tworzyć błony?
3. Dzięki jakim funkcjom białka mogą brać udział w transporcie substancji przez błonę?
4. Wymień funkcje błony komórkowej.
5. Jak zachodzi transport bierny przez błonę?
6. Jak zachodzi transport aktywny przez błonę?
7. Jaka jest funkcja pompy sodowo-potasowej?
8. Co to jest fagocytoza, pinocytoza?

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.