Серед основних функцій клітинної мембрани можна виділити бар'єрну, транспортну, ферментативну та рецепторну. Клітинна (біологічна) мембрана (вона ж плазмалема, плазматична або цитоплазматична мембрана) захищає вміст клітини або її органоїдів від навколишнього середовища, забезпечує вибіркову проникність для речовин, на ній розташовуються ферменти, а також молекули, здатні «уловлювати» різні хімічні та фізичні сигнали.
Така функціональність забезпечується особливою будовою клітинної мембрани.
В еволюції життя на Землі клітина взагалі могла утворитися лише після появи мембрани, яка відокремила та стабілізувала внутрішній вміст, що не дало йому розпастись.
У плані підтримки гомеостазу (саморегуляції відносної сталості внутрішнього середовища) бар'єрна функція клітинної мембрани тісно пов'язана з транспортною.
Малі молекули здатні проходити крізь плазмалемму без будь-яких «помічників», за градієнтом концентрації, тобто з області з високою концентрацією даної речовини в область з низькою концентрацією. Так, наприклад, справа для газів, що беруть участь у диханні. Кисень та вуглекислий газ дифундують через клітинну мембрану в тому напрямку, де їх концентрація в даний момент менша.
Оскільки мембрана в основній своїй частині гідрофобна (через подвійний ліпідний шар), то полярні (гідрофільні) молекули, навіть малих розмірів, часто не можуть крізь неї проникнути. Тому ряд мембранних білків виконує функцію переносників таких молекул, зв'язуючись із нею і переносячи через плазмалемму.
Інтегральні (пронизують мембрану наскрізь) білки часто працюють за принципом каналів, що відкриваються і закриваються. Коли якась молекула підходить до такого білка, він з'єднується з нею, і канал відкривається. Ця речовина або інша проходить через білковий канал, після чого його конформація змінюється, і канал закривається для цієї речовини, але може відкритися для пропускання іншої. За таким принципом працює натрій-калієвий насос, що закачує в клітину іони калію і викачує з неї іони натрію.
Ферментативна функція клітинної мембранибільшою мірою реалізована на мембранах органоїдів клітини. Більшість білків, що синтезуються в клітині, виконують ферментативну функцію. "Всідаючи" на мембрану в певному порядку, вони організують конвеєр, коли продукт реакції, що каталізується одним білком-ферментом, переходить до наступного. Такий «конвеєр» стабілізують поверхневі білки плазмалеми.
Незважаючи на універсальність будови всіх біологічних мембран (побудовані за єдиним принципом, майже однакові у всіх організмів і в різних мембранних клітинних структур), їх хімічний склад все ж таки може відрізнятися. Бувають рідкіші і твердіші, на одних більше певних білків, на інших менше. Крім того, відрізняються і різні сторони (внутрішня та зовнішня) однієї і тієї ж мембрани.
У мембрани, що оточує клітину (цитоплазматичної) на зовнішній стороні розташовується безліч вуглеводних ланцюгів, прикріплених до ліпідів або білків (у результаті утворюються гліколіпіди та глікопротеїни). Багато таких вуглеводів виконують рецепторну функцію, будучи сприйнятливими до певних гормонів, уловлюючи зміни фізичних та хімічних показників у навколишньому середовищі.
Якщо, наприклад, гормон з'єднується зі своїм клітинним рецептором, то вуглеводна частина молекули-рецептора змінює свою будову, за нею змінює будову і пов'язана з нею білкова частина, що пронизує мембрану. На наступному етапі в клітині запускаються або зупиняються різні біохімічні реакції, тобто змінюється метаболізм, починається клітинна відповідь на «подразник».
Крім перелічених чотирьох функцій клітинної мембрани виділяють й інші: матричну, енергетичну, маркувальну, формування міжклітинних контактів та ін. Однак їх можна розглянути як «підфункції» вже розглянутих.
Клітинна мембрана (плазматична мембрана) є тонкою напівпроникною оболонкою, яка оточує клітини.
Функція та роль клітинної мембрани
Її функція полягає в тому, щоб захистити цілісність внутрішньої частини, впускаючи необхідні речовини в клітину, і не дозволяючи проникати іншим.
Він також служить основою прихильності до одних організмів і до інших. Таким чином, плазматична мембрана забезпечує форму клітини. Ще одна функція мембрани полягає в регулюванні зростання клітин через баланс та .
При ендоцитозі ліпіди та білки видаляються з клітинної мембрани у міру засвоєння речовин. При екзоцитозі везикули, що містять ліпіди та білки, зливаються з клітинною мембраною, збільшуючи розмір клітин. і грибкові клітини мають плазматичні мембрани. Внутрішні , наприклад, також поміщені у захисні мембрани.
Структура клітинної мембрани
Плазматична мембрана в основному складається із суміші білків та ліпідів. Залежно від розташування та ролі мембрани в організмі, ліпіди можуть становити від 20 до 80 відсотків мембрани, а решта припадає на білки. У той час як ліпіди допомагають надати мембрані гнучкість, білки контролюють та підтримують хімічний склад клітини, а також допомагають у перенесенні молекул крізь мембрану.
Ліпіди мембран
Фосфоліпіди є основним компонентом плазматичних мембран. Вони утворюють ліпідний бислой, в якому гідрофільні (притягнуті до води) ділянки "голови" спонтанно організуються, щоб протистояти водному цитозолю та позаклітинної рідини, тоді як гідрофобні (відштовхувані водою) ділянки "хвоста" звернені від цитозолю та позаклітинної рідини. Ліпідний бішар є напівпроникним, дозволяючи лише деяким молекулам дифундувати через мембрану.
Холестерин є ще одним ліпідним компонентом мембран тваринних клітин. Молекули холестерину вибірково дисперговані між мембранними фосфоліпідами. Це допомагає зберегти жорсткість клітинних мембран, запобігаючи занадто щільному розташування фосфоліпідів. Холестерин відсутній у мембранах рослинних клітин.
Гліколіпіди розташовані із зовнішньої поверхні клітинних мембран і з'єднуються з ними вуглеводним ланцюгом. Вони допомагають клітині розпізнавати інші клітини організму.
Білки мембран
Клітинна мембрана містить два типи асоційованих білків. Білки периферичної мембрани є зовнішніми та пов'язані з нею шляхом взаємодії з іншими білками. Інтегральні мембранні білки вводяться в мембрану і більшість проходить крізь неї. Частини цих трансмембранних білків розташовані по обидві сторони.
Білки плазматичної мембрани мають низку різних функцій. Структурні білки забезпечують підтримку та форму клітин. Білки рецептора мембрани допомагають клітинам контактувати зі своїм зовнішнім середовищем за допомогою гормонів, нейротрансмітерів та інших сигнальних молекул. Транспортні білки, такі як глобулярні білки, переносять молекули через клітинні мембрани за допомогою полегшеної дифузії. Глікопротеїни мають прикріплений до них вуглеводний ланцюг. Вони вбудовані в клітинну мембрану, допомагаючи в обміні та перенесенні молекул.
Мембрани органел
Деякі клітинні органели також оточені захисними мембранами. Ядро,
9.5.1. Одна з головних функцій мембран – участь у перенесенні речовин. Цей процес забезпечується за допомогою трьох основних механізмів: простою дифузією, полегшеною дифузією та активним транспортом (рисунок 9.10). Запам'ятайте найважливіші особливості цих механізмів та приклади транспортованих речовин у кожному випадку.
Малюнок 9.10.Механізми транспорту молекул через мембрану
Проста дифузія- перенесення речовин через мембрану без спеціальних механізмів. Транспорт відбувається за градієнтом концентрації без витрати енергії. Шляхом простої дифузії транспортуються малі біомолекули - Н2 Про, СО2, О2, сечовина, гідрофобні низькомолекулярні речовини. Швидкість простої дифузії пропорційна градієнту концентрації.
Полегшена дифузія- перенесення речовин через мембрану за допомогою білкових каналів чи спеціальних білків-переносників. Здійснюється за градієнтом концентрації без витрати енергії. Транспортуються моносахариди, амінокислоти, нуклеотиди, гліцерол, деякі іони. Характерна кінетика насичення - при певній (насичувальної) концентрації речовини, що переноситься, в переносі беруть участь всі молекули переносника і швидкість транспорту досягає граничної величини.
Активний транспорт- також вимагає участі спеціальних білків-переносників, але перенесення відбувається проти концентрації градієнта і тому вимагає витрати енергії. За допомогою цього механізму через клітинну мембрану транспортуються іони Na+, K+, Ca2+, Mg2+, через мітохондріальну – протони. Для активного транспорту речовин характерна кінетика насичення.
9.5.2. Прикладом транспортної системи, що здійснює активний транспорт іонів, є Na+, K+-аденозинтрифосфатаза (Na+, K+-АТФаза або Na+, K+-насос). Цей білок знаходиться в товщі плазматичної мембрани та здатний каталізувати реакцію гідролізу АТФ. Енергія, що виділяється при гідролізі 1 молекули АТФ, використовується для перенесення 3 іонів Na+ з клітини у позаклітинний простір та 2 іонів К+ у зворотному напрямку (рисунок 9.11). Внаслідок дії Na+,K+-АТФази створюється різниця концентрацій між цитозолем клітини та позаклітинною рідиною. Оскільки перенесення іонів нееквівалентний, виникає різниця електричних потенціалів. Таким чином, виникає електрохімічний потенціал, який складається з енергії різниці електричних потенціалів Δφ та енергії різниці концентрацій речовин ΔС по обидва боки мембрани.
Малюнок 9.11.Схема Na+, K+-насоса.
9.5.3. Перенесення через мембрани частинок та високомолекулярних сполук
Поряд із транспортом органічних речовин та іонів, здійснюваним переносниками, в клітині існує зовсім особливий механізм, призначений для поглинання клітиною та виведення з неї високомолекулярних сполук за допомогою зміни форми біомембрани. Такий механізм називають везикулярним транспортом.
Малюнок 9.12.Типи везикулярного транспорту: 1 – ендоцитоз; 2 – екзоцитоз.
При перенесенні макромолекул відбувається послідовне утворення та злиття оточених мембраною бульбашок (везикул). У напрямку транспорту та характеру переносимих речовин розрізняють такі типи везикулярного транспорту:
Ендоцитоз(рисунок 9.12, 1) - перенесення речовин у клітину. Залежно від розміру везикул, що утворюються, розрізняють:
а) піноцитоз - поглинання рідини та розчинених макромолекул (білків, полісахаридів, нуклеїнових кислот) за допомогою невеликих бульбашок (150 нм у діаметрі);
б) фагоцитоз - Поглинання великих частинок, таких як мікроорганізми або уламки клітин. І тут утворюються великі бульбашки, звані фагосомами діаметром понад 250 нм.
Піноцитоз характерний більшості еукаріотичних клітин, тоді як великі частинки поглинаються спеціалізованими клітинами - лейкоцитами і макрофагами. На першій стадії ендоцитозу речовини або частки адсорбуються на поверхні мембрани, цей процес відбувається без енергії. На наступній стадії мембрана з адсорбованою речовиною заглиблюється у цитоплазму; Локальні вп'ячування плазматичної мембрани, що утворилися, відшнуровуються від поверхні клітини, утворюючи бульбашки, які потім мігрують всередину клітини. Цей процес пов'язаний системою мікрофіламентів та є енергозалежним. Бульбашки і фагосоми, що надійшли в клітину, можуть зливатися з лізосомами. Ферменти, що містяться в лізосомах, розщеплюють речовини, що містяться в бульбашках і фагосомах до низькомолекулярних продуктів (амінокислот, моносахаридів, нуклеотидів), які транспортуються в цитозоль, де вони можуть бути використані клітиною.
Екзоцитоз(Рисунок 9.12, 2) - перенесення частинок і великих сполук з клітини. Цей процес, як і ендоцитоз, протікає із поглинанням енергії. Основними різновидами екзоцитозу є:
а) секреція - виведення з клітин водорозчинних сполук, які використовуються або впливають на інші клітини організму. Може здійснюватися як неспеціалізованими клітинами, так і клітинами ендокринних залоз, слизової оболонки шлунково-кишкового тракту, пристосованими для секреції вироблених ними речовин (гормонів, нейромедіаторів, проферментів) залежно від певних потреб організму.
Секретовані білки синтезуються на рибосомах, пов'язаних з мембранами шорсткого ендоплазматичного ретикулуму. Потім ці білки транспортуються до апарату Гольджі, де вони модифікуються, концентруються, сортуються, потім упаковуються в бульбашки, які відщеплюються в цитозоль і надалі зливаються з плазматичною мембраною, так що вміст бульбашок виявляється поза клітиною.
На відміну від макромолекул, частинки малих розмірів, що секретуються, наприклад, протони, транспортуються з клітини за допомогою механізмів полегшеної дифузії та активного транспорту.
б) екскреція - видалення з клітин речовин, які не можуть бути використані (наприклад, видалення в ході еритропоезу з ретикулоцитів сітчастої субстанції, що являє собою агреговані залишки органел). Механізм екскреції, мабуть, полягає в тому, що спочатку частинки, що виділяються, виявляються в цитоплазматичному бульбашці, який потім зливається з плазматичною мембраною.
Ні для кого не секрет, що всі живі істоти на нашій планеті складаються з їх клітин, цих незліченних органічної матерії. Клітини ж у свою чергу оточені спеціальною захисною оболонкою – мембраною, що грає дуже важливу роль у життєдіяльності клітини, причому функції клітинної мембрани не обмежуються лише захистом клітини, а є складним механізмом, що бере участь у розмноженні, харчуванні, регенерації клітини.
Що таке клітинна мембрана
Саме слово «мембрана» з латині перекладається як «плівка», хоча мембрана є не просто свого роду плівкою, в яку обгорнута клітина, а сукупність двох плівок, з'єднаних між собою і з різними властивостями. Насправді клітинна мембрана це тришарова ліпопротеїнова (жиро-білкова) оболонка, що відокремлює кожну клітину від сусідніх клітин та навколишнього середовища, і здійснює керований обмін між клітинами та навколишнім середовищем, так звучить академічне визначення того, що являє собою клітинна мембрана.
Значення мембрани просто величезне, адже вона не просто відокремлює одну клітину від іншої, а й забезпечує взаємодію клітини як з іншими клітинами, так і навколишнім середовищем.
Історія дослідження клітинної мембрани
Важливий внесок у дослідження клітинної мембрани було зроблено двома німецькими вченими Гортером та Гренделем у далекому 1925 році. Саме тоді їм вдалося провести складний біологічний експеримент над червоними кров'яними тільцями – еритроцитами, в ході яких вчені отримали так звані «тіні», порожні оболонки еритроцитів, які склали в одну стопку та виміряли площу поверхні, а також обчислили кількість ліпідів у них. На підставі отриманої кількості ліпідів вчені прийшли до висновку, що їх вистачає на подвійний шар клітинної мембрани.
В 1935 ще одна пара дослідників клітинної мембрани, цього разу американці Даніель і Доусон після цілої серії довгих експериментів встановили вміст білка в клітинній мембрані. Інакше ніяк не можна було пояснити, чому мембрана має такий високий показник поверхневого натягу. Вчені дотепно представили модель клітинної мембрани у вигляді сендвіча, в якому роль хліба грають однорідні ліпідо-білкові шари, а між ними замість олії – порожнеча.
У 1950 році з появою електронного теорію Даніеля та Доусона вдалося підтвердити вже практичними спостереженнями – на мікрофотографіях клітинної мембрани були чітко видно шари з ліпідних та білкових головок і також порожній простір між ними.
У 1960 році американський біолог Дж. Робертсон розробив теорію про тришарову будову клітинних мембран, яка довгий час вважалася єдиною вірною, але з подальшим розвитком науки стали з'являтися сумніви в її непогрішності. Так, наприклад, з погляду клітин було б складно і трудомістко транспортувати необхідні корисні речовини через весь «сендвіч»
І лише в 1972 році американські біологи С. Сінгер і Г. Ніколсон змогли пояснити нестикування теорії Робертсона за допомогою нової рідинно-мозаїчної моделі клітинної мембрани. Зокрема вони встановили, що клітинна мембрана не однорідна за своїм складом, більше того – асиметрична і наповнена рідиною. До того ж клітини перебувають у постійному русі. А горезвісні білки, які входять до складу клітинної мембрани мають різні будови та функції.
Властивості та функції клітинної мембрани
Тепер давайте розберемо, які функції виконує клітинна мембрана:
Бар'єрна функція клітинної мембрани — мембрана як справжнісінький прикордонник, стоїть на варті кордонів клітини, затримуючи, не пропускаючи шкідливі або просто невідповідні молекули
Транспортна функція клітинної мембрани – мембрана не лише прикордонником біля воріт клітини, а й своєрідним митним пропускним пунктом, крізь неї постійно проходить обмін корисними речовинами коїться з іншими клітинами і довкіллям.
Матрична функція – саме клітинна мембрана визначає розташування одне одного, регулює взаємодію між ними.
Механічна функція відповідає за обмеження однієї клітини від іншої і паралельно за правильно з'єднання клітин один з одним, за формування їх в однорідну тканину.
Захисна функція клітинної мембрани є основою побудови захисного щита клітини. У природі прикладом цієї функції може бути тверда деревина, щільна шкірка, захисний панцир, все це завдяки захисній функції мембрани.
Ферментативна функція – ще одна важлива функція, яку здійснюють деякі білки клітини. Наприклад, завдяки цій функції в епітелії кишечника відбувається синтез травних ферментів.
Крім того через клітинну мембрану здійснюється клітинний обмін, який може проходити трьома різними реакціями:
- Фагоцитоз - це клітинний обмін, при якому вбудовані в мембрану клітини-фагоцити захоплюють та перетравлюють різні поживні речовини.
- Піноцитоз - це процес захоплення мембраною клітини, що стикаються з нею молекули рідини. Для цього на поверхні мембрани утворюються спеціальні вусики, які ніби оточують краплю рідини, утворюючи бульбашку, яка згодом «ковтається» мембраною.
- Екзоцитоз – це зворотний процес, коли клітина через мембрану виділяє секреторну функціональну рідину на поверхню.
Будова клітинної мембрани
У клітинній мембрані є ліпіди трьох класів:
- фосфоліпіди (є комбінацією жирів і фосфору),
- гліколіпіди (є комбінацією жирів і вуглеводів),
- холестерол.
Фосфоліпіди і гліколіпіди у свою чергу складаються з гідрофільної головки, в яку відходять два довгі гідрофобні хвостики. Холестерол займає простір між цими хвостиками, не даючи їм згинатися, все це в деяких випадках робить мембрану певних клітин дуже жорсткою. Крім цього молекули холестеролу впорядковують структуру клітинної мембрани.
Але як би там не було, а найважливішою частиною будови клітинної мембрани є білок, точніше різні білки, що грають різні важливі ролі. Незважаючи на різноманітність білків, що містяться в мембрані, є щось, що їх об'єднує – навколо всіх білків мембрани розташовані аннулярні ліпіди. Анулярні ліпіди – це особливі структуровані жири, які є своєрідною захисною оболонкою для білків, без якої вони просто не працювали.
Структура клітинної мембрани має три шари: основу клітинної мембрани становить однорідний рідкий шар біліпіду. Білки ж покривають його з обох боків на кшталт мозаїки. Саме білки крім описаних вище функцій також грають роль своєрідних каналів, якими крізь мембрану проходять речовини, нездатні проникнути через рідкий шар мембрани. До таких відносяться, наприклад, іони калію та натрію, для їх проникнення через мембрану природою передбачені спеціальні іонні канали клітинних мембран. Іншими словами білки забезпечують проникність клітинних мембран.
Якщо дивитися на клітинну мембрану через мікроскоп, ми побачимо шар ліпідів, утворений маленькими кулястими молекулами яким плавають немов морем білки. Тепер ви знаєте які речовини входять до складу клітинної мембрани.
Клітинна мембрана, відео
І на завершення освітнє відео про клітинну мембрану.