Функции, значение и структура на плазмената мембрана. Клетка и клетъчна мембрана

Всички живи организми, в зависимост от структурата на клетката, се разделят на три групи (виж фиг. 1):

1. Прокариоти (без ядрени)

2. Еукариоти (ядрени)

3. Вируси (неклетъчни)

Ориз. 1. Живи организми

В този урок ще започнем да изучаваме структурата на клетките на еукариотните организми, които включват растения, гъби и животни. Техните клетки са най-големите и по-сложни в сравнение с прокариотните клетки.

Както знаете, клетките са способни на независима дейност. Те могат да обменят материя и енергия с околната среда, както и да растат и да се размножават, така че вътрешната структура на клетката е много сложна и зависи преди всичко от функцията, която клетката изпълнява в многоклетъчния организъм.

Принципите на изграждане на всички клетки са еднакви. Във всяка еукариотна клетка могат да се разграничат следните основни части (виж фиг. 2):

1. Външната мембрана, която отделя съдържанието на клетката от външната среда.

2. Цитоплазма с органели.

Ориз. 2. Основните части на еукариотната клетка

Терминът "мембрана" е предложен преди около сто години за обозначаване на границите на клетката, но с развитието на електронната микроскопия става ясно, че клетъчната мембрана е част от структурните елементи на клетката.

През 1959 г. Дж. Д. Робъртсън формулира хипотезата за елементарната мембрана, според която клетъчните мембрани на животните и растенията са изградени по един и същи тип.

През 1972 г. е предложен от Сингър и Никълсън, който в момента е общоприет. Според този модел основата на всяка мембрана е двоен слой от фосфолипиди.

При фосфолипидите (съединения, съдържащи фосфатна група) молекулите се състоят от полярна глава и две неполярни опашки (виж Фиг. 3).

Ориз. 3. Фосфолипид

Във фосфолипидния двоен слой хидрофобните остатъци от мастни киселини са обърнати навътре, докато хидрофилните глави, включително остатък от фосфорна киселина, са обърнати навън (виж Фиг. 4).

Ориз. 4. Фосфолипиден двуслой

Фосфолипидният двоен слой е представен като динамична структура, липидите могат да се движат, променяйки позицията си.

Двойният слой липиди осигурява бариерната функция на мембраната, предотвратявайки разпространението на съдържанието на клетката и предотвратява навлизането на токсични вещества в клетката.

Наличието на гранична мембрана между клетката и околната среда е известно много преди появата на електронния микроскоп. Физикохимиците отричат ​​съществуването на плазмената мембрана и вярват, че има интерфейс между живото колоидно съдържание и околната среда, но Пфефер (немски ботаник и физиолог на растенията) през 1890 г. потвърждава нейното съществуване.

В началото на миналия век Овъртън (британски физиолог и биолог) открива, че скоростта на проникване на много вещества в еритроцитите е правопропорционална на тяхната липидна разтворимост. В тази връзка ученият предполага, че мембраната съдържа голямо количество липиди и вещества, които се разтварят в нея, преминават през нея и се оказват от другата страна на мембраната.

През 1925 г. Гортър и Грендел (американски биолози) изолират липиди от клетъчната мембрана на еритроцитите. Получените липиди се разпределят по повърхността на водата с дебелина една молекула. Оказа се, че повърхността, заета от липидния слой, е два пъти по-голяма от площта на самия еритроцит. Следователно тези учени заключиха, че клетъчната мембрана се състои не от един, а от два слоя липиди.

Доусън и Даниели (английски биолози) през 1935 г. предполагат, че в клетъчните мембрани бимолекулният липиден слой е затворен между два слоя протеинови молекули (виж фиг. 5).

Ориз. 5. Мембранен модел, предложен от Dawson и Danielli

С появата на електронния микроскоп стана възможно да се запознаем със структурата на мембраната и тогава беше установено, че мембраните на животинските и растителните клетки изглеждат като трислойна структура (виж фиг. 6).

Ориз. 6. Клетъчна мембрана под микроскоп

През 1959 г. биологът Дж. Д. Робъртсън, комбинирайки наличните по това време данни, излага хипотеза за структурата на "елементарната мембрана", в която постулира структура, обща за всички биологични мембрани.

Постулатите на Робъртсън за структурата на "елементарната мембрана"

1. Всички мембрани са с дебелина около 7,5 nm.

2. В електронен микроскоп всички те изглеждат трислойни.

3. Трислойният изглед на мембраната е резултат от точното подреждане на протеини и полярни липиди, което е предвидено от модела на Доусън и Даниели - централния липиден бислой е затворен между два слоя протеин.

Тази хипотеза за структурата на "елементарната мембрана" е претърпяла различни промени и през 1972 г. е представена от флуиден мозаечен модел на мембраната(виж Фиг. 7), което вече е общоприето.

Ориз. 7. Флуиден мозаечен модел на мембраната

Протеиновите молекули са потопени в липидния двоен слой на мембраната, те образуват подвижна мозайка. Според местоположението им в мембраната и начина, по който взаимодействат с липидния двоен слой, протеините могат да бъдат разделени на:

- повърхностен (или периферен)мембранни протеини, свързани с хидрофилната повърхност на липидния двоен слой;

- интегрална (мембрана)протеини, вградени в хидрофобната област на двойния слой.

Интегралните протеини се различават по степента на тяхното потапяне в хидрофобната област на двуслоя. Те могат да бъдат напълно потопени интегрална) или частично потопени ( полуинтегрален), и може също да проникне през мембраната през ( трансмембранен).

Мембранните протеини могат да бъдат разделени на две групи според техните функции:

- структуренпротеини. Те са част от клетъчните мембрани и участват в поддържането на тяхната структура.

- динамиченпротеини. Те се намират върху мембраните и участват в протичащите върху нея процеси.

Има три класа динамични протеини.

1. Рецептор. С помощта на тези протеини клетката възприема различни влияния върху повърхността си. Тоест те специфично свързват съединения като хормони, невротрансмитери, токсини от външната страна на мембраната, което служи като сигнал за промяна на различни процеси вътре в клетката или самата мембрана.

2. транспорт. Тези протеини транспортират определени вещества през мембраната, те също така образуват канали, през които различни йони се транспортират в и извън клетката.

3. Ензимна. Това са ензимни протеини, които се намират в мембраната и участват в различни химични процеси.

Пренос на вещества през мембраната

Липидните двойни слоеве са до голяма степен непроницаеми за много вещества, така че е необходимо голямо количество енергия за транспортиране на вещества през мембраната, както и образуването на различни структури.

Има два вида транспорт: пасивен и активен.

Пасивен транспорт

Пасивният транспорт е движението на молекулите по концентрационен градиент. Това означава, че се определя само от разликата в концентрацията на прехвърленото вещество от противоположните страни на мембраната и се извършва без разход на енергия.

Има два вида пасивен транспорт:

- проста дифузия(виж фиг. 8), което се случва без участието на мембранния протеин. Механизмът на простата дифузия е трансмембранният пренос на газове (кислород и въглероден диоксид), вода и някои прости органични йони. Простата дифузия е бавна.

Ориз. 8. Проста дифузия

- улеснена дифузия(виж фиг. 9) се различава от простия по това, че се осъществява с участието на протеини-носители. Този процес е специфичен и протича с по-висока скорост от простата дифузия.

Ориз. 9. Улеснена дифузия

Известни са два вида мембранни транспортни протеини: протеини-носители (транслокази) и протеини, образуващи канали. Транспортните протеини свързват специфични вещества и ги пренасят през мембраната по техния концентрационен градиент и следователно този процес, както при простата дифузия, не изисква разход на енергия от АТФ.

Хранителните частици не могат да преминат през мембраната, те влизат в клетката чрез ендоцитоза (виж фиг. 10). По време на ендоцитозата плазмената мембрана образува инвагинации и израстъци, улавя твърда частица храна. Около хранителния болус се образува вакуола (или везикула), която след това се отделя от плазмената мембрана и твърдата частица във вакуолата е вътре в клетката.

Ориз. 10. Ендоцитоза

Има два вида ендоцитоза.

1. Фагоцитоза- абсорбция на твърди частици. Нар. специализирани клетки, извършващи фагоцитоза фагоцити.

2. пиноцитоза- абсорбция на течен материал (разтвор, колоиден разтвор, суспензии).

Екзоцитоза(виж фиг. 11) - процес, обратен на ендоцитозата. Веществата, синтезирани в клетката, като хормони, се опаковат в мембранни везикули, които пасват на клетъчната мембрана, вграждат се в нея и съдържанието на везикулата се изхвърля от клетката. По същия начин клетката може да се освободи от ненужните метаболитни продукти.

Ориз. 11. Екзоцитоза

активен транспорт

За разлика от улеснената дифузия, активният транспорт е движението на вещества срещу градиент на концентрация. В този случай веществата се движат от зона с по-ниска концентрация към област с по-висока концентрация. Тъй като такова движение се извършва в посока, обратна на нормалната дифузия, клетката трябва да изразходва енергия в този процес.

Сред примерите за активен транспорт най-добре е проучена така наречената натриево-калиева помпа. Тази помпа изпомпва натриеви йони от клетката и изпомпва калиеви йони в клетката, използвайки енергията на АТФ.

1. Структурен (клетъчната мембрана отделя клетката от околната среда).

2. Транспорт (веществата се транспортират през клетъчната мембрана, а клетъчната мембрана е високоселективен филтър).

3. Рецептор (рецепторите, разположени на повърхността на мембраната, възприемат външни влияния, предават тази информация в клетката, което й позволява бързо да реагира на промените в околната среда).

Освен изброените по-горе, мембраната изпълнява и метаболитна и енергопреобразуваща функция.

метаболитна функция

Биологичните мембрани участват пряко или косвено в процесите на метаболитни трансформации на веществата в клетката, тъй като повечето ензими са свързани с мембраните.

Липидната среда на ензимите в мембраната създава определени условия за тяхното функциониране, налага ограничения върху активността на мембранните протеини и по този начин има регулаторен ефект върху метаболитните процеси.

Функция за преобразуване на енергия

Най-важната функция на много биомембрани е трансформирането на една форма на енергия в друга.

Енергопреобразуващите мембрани включват вътрешни мембрани на митохондриите, тилакоиди на хлоропласти (виж фиг. 12).

Ориз. 12. Митохондрии и хлоропласти

Библиография

  1. Каменски А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Обща биология 10-11 клас Дропа, 2005г.
  2. Биология. 10 клас. Обща биология. Основно ниво / П.В. Ижевски, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилин и др. - 2-ро изд., преработено. – Вентана-Граф, 2010. – 224стр.
  3. Беляев Д.К. Биология 10-11 клас. Обща биология. Базово ниво на. - 11-то изд., стереотип. - М.: Образование, 2012. - 304 с.
  4. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 клас. Обща биология. Базово ниво на. - 6-то изд., доп. - Дропла, 2010. - 384 с.
  1. Ayzdorov.ru ().
  2. Youtube.com().
  3. Doctor-v.ru ().
  4. Animals-world.ru ().

Домашна работа

  1. Каква е структурата на клетъчната мембрана?
  2. Какви са свойствата на липидите да образуват мембрани?
  3. Благодарение на какви функции протеините могат да участват в транспорта на вещества през мембраната?
  4. Избройте функциите на плазмената мембрана.
  5. Как се осъществява пасивният транспорт през мембраната?
  6. Как протича активният транспорт през мембраната?
  7. Каква е функцията на натриево-калиевата помпа?
  8. Какво е фагоцитоза, пиноцитоза?

Външна клетъчна мембрана (плазмалема, цитолемма, плазмена мембрана) на животински клеткипокрити отвън (т.е. от страната, която не е в контакт с цитоплазмата) със слой от олигозахаридни вериги, ковалентно прикрепени към мембранни протеини (гликопротеини) и в по-малка степен към липиди (гликолипиди). Това въглехидратно покритие на мембраната се нарича гликокаликс.Целта на гликокаликса все още не е много ясна; има предположение, че тази структура участва в процесите на междуклетъчно разпознаване.

В растителните клеткина върха на външната клетъчна мембрана е плътен целулозен слой с пори, през които се осъществява комуникация между съседни клетки чрез цитоплазмени мостове.

клетки гъбина върха на плазмалемата - плътен слой хитин.

При бактерии – муреина.

Свойства на биологичните мембрани

1. Възможност за самосглобяванеслед разрушителни въздействия. Това свойство се определя от физикохимичните характеристики на фосфолипидните молекули, които във воден разтвор се събират така, че хидрофилните краища на молекулите се обръщат навън, а хидрофобните краища навътре. Протеините могат да бъдат включени в готови фосфолипидни слоеве. Способността за самосглобяване е от съществено значение на клетъчно ниво.

2. Полупропускливост(селективност при предаване на йони и молекули). Осигурява поддържането на постоянството на йонния и молекулярния състав в клетката.

3. Течливост на мембраната. Мембраните не са твърди структури; те постоянно се колебаят поради ротационните и осцилаторните движения на липидните и протеиновите молекули. Това осигурява висока скорост на ензимни и други химични процеси в мембраните.

4. Фрагменти от мембрани нямат свободни краища, тъй като са затворени в мехурчета.

Функции на външната клетъчна мембрана (плазмалема)

Основните функции на плазмалемата са следните: 1) бариера, 2) рецептор, 3) обмен, 4) транспорт.

1. бариерна функция.Изразява се във факта, че плазмалемата ограничава съдържанието на клетката, отделяйки я от външната среда, а вътреклетъчните мембрани разделят цитоплазмата на отделни реакционни отделения.

2. рецепторна функция.Една от най-важните функции на плазмалемата е да осигури комуникация (връзка) на клетката с външната среда чрез рецепторния апарат, присъстващ в мембраните, който има протеинова или гликопротеинова природа. Основната функция на рецепторните образувания на плазмалемата е разпознаването на външни сигнали, поради което клетките са правилно ориентирани и образуват тъкани в процеса на диференциация. Дейността на различни регулаторни системи, както и формирането на имунен отговор, са свързани с рецепторната функция.

    обменна функциясе определя от съдържанието на ензимни протеини в биологичните мембрани, които са биологични катализатори. Тяхната активност варира в зависимост от pH на средата, температурата, налягането, концентрацията както на субстрата, така и на самия ензим. Ензимите определят интензивността на ключовите реакции метаболизма, както иориентация.

    Транспортна функция на мембраните.Мембраната осигурява селективно проникване в клетката и от клетката в околната среда на различни химикали. Транспортът на веществата е необходим за поддържане на подходящо рН в клетката, правилната йонна концентрация, което осигурява ефективността на клетъчните ензими. Транспортът доставя хранителни вещества, които служат като източник на енергия, както и материал за образуването на различни клетъчни компоненти. Той определя отстраняването на токсичните отпадъци от клетката, секрецията на различни полезни вещества и създаването на йонни градиенти, необходими за нервната и мускулната дейност.Промените в скоростта на пренос на веществата могат да доведат до нарушения в биоенергийните процеси, водно-солевия метаболизъм , възбудимост и други процеси. Коригирането на тези промени е в основата на действието на много лекарства.

Има два основни начина, по които веществата влизат в клетката и излизат от клетката във външната среда;

    пасивен транспорт,

    активен транспорт.

Пасивен транспортвърви по градиента на химична или електрохимична концентрация без разход на ATP енергия. Ако молекулата на транспортираното вещество няма заряд, тогава посоката на пасивния транспорт се определя само от разликата в концентрацията на това вещество от двете страни на мембраната (химичен концентрационен градиент). Ако молекулата е заредена, тогава нейният транспорт се влияе както от градиента на химичната концентрация, така и от електрическия градиент (мембранен потенциал).

И двата градиента заедно съставляват електрохимичен градиент. Пасивният транспорт на вещества може да се извърши по два начина: проста дифузия и улеснена дифузия.

С проста дифузиясолните йони и водата могат да проникнат през селективните канали. Тези канали се образуват от някои трансмембранни протеини, които образуват транспортни пътища от край до край, които са отворени постоянно или само за кратко време. През селективните канали проникват различни молекули с размер и заряд, съответстващи на каналите.

Има и друг начин за проста дифузия - това е дифузията на веществата през липидния бислой, през който лесно преминават мастноразтворимите вещества и водата. Липидният двоен слой е непроницаем за заредени молекули (йони), като в същото време незаредените малки молекули могат свободно да дифундират и колкото по-малка е молекулата, толкова по-бързо се транспортира. Доста високата скорост на дифузия на водата през липидния бислой се дължи именно на малкия размер на неговите молекули и липсата на заряд.

С улеснена дифузиябелтъците участват в транспорта на вещества – носители, които работят на принципа на „пинг-понг”. В този случай протеинът съществува в две конформационни състояния: в състояние "pong" местата на свързване на транспортираното вещество са отворени от външната страна на двойния слой, а в състояние "ping" същите места се отварят от другата страна страна. Този процес е обратим. От коя страна мястото на свързване на дадено вещество ще бъде отворено в даден момент зависи от градиента на концентрация на това вещество.

По този начин захарите и аминокиселините преминават през мембраната.

При улеснена дифузия скоростта на транспортиране на вещества се увеличава значително в сравнение с простата дифузия.

В допълнение към протеините носители, някои антибиотици, като грамицидин и валиномицин, участват в улеснената дифузия.

Тъй като осигуряват транспорт на йони, те се наричат йонофори.

Активен транспорт на вещества в клетката.Този вид транспорт винаги е свързан с разходите за енергия. Източникът на енергия, необходима за активния транспорт, е АТФ. Характерна особеност на този вид транспорт е, че се осъществява по два начина:

    с помощта на ензими, наречени АТФази;

    транспорт в мембранна опаковка (ендоцитоза).

AT външната клетъчна мембрана съдържа ензимни протеини като АТФази,чиято функция е да осигурява активен транспорт йони срещу концентрационен градиент.Тъй като те осигуряват транспорта на йони, този процес се нарича йонна помпа.

В животинската клетка има четири основни системи за транспортиране на йони. Три от тях осигуряват пренос през биологични мембрани Na ​​+ и K +, Ca +, H +, а четвъртият - пренос на протони по време на работата на митохондриалната дихателна верига.

Пример за механизъм за активен йонен транспорт е натриево-калиева помпа в животински клетки.Той поддържа постоянна концентрация на натриеви и калиеви йони в клетката, която се различава от концентрацията на тези вещества в околната среда: обикновено в клетката има по-малко натриеви йони, отколкото в околната среда, и повече калий.

В резултат на това, според законите на простата дифузия, калият се стреми да напусне клетката, а натрият дифундира в клетката. За разлика от обикновената дифузия, натриево-калиевата помпа непрекъснато изпомпва натрий от клетката и инжектира калий: за три изхвърлени молекули натрий има две молекули калий, въведени в клетката.

Този транспорт на натриево-калиеви йони се осигурява от АТФ-зависимия ензим, който е локализиран в мембраната по такъв начин, че прониква в цялата й дебелина.Натрият и АТФ влизат в този ензим от вътрешната страна на мембраната, а калият от навън.

Преносът на натрий и калий през мембраната възниква в резултат на конформационни промени, на които претърпява зависимата от натрий-калий АТФ-аза, която се активира, когато концентрацията на натрий вътре в клетката или на калий в околната среда се увеличи.

За захранването на тази помпа е необходима хидролиза на АТФ. Този процес се осигурява от същия ензим натрий-калий-зависима АТФ-аза. В същото време повече от една трета от АТФ, консумиран от животинската клетка в покой, се изразходва за работата на натриево-калиевата помпа.

Нарушаването на правилното функциониране на натриево-калиевата помпа води до различни сериозни заболявания.

Ефективността на тази помпа надхвърля 50%, което не се постига от най-модерните машини, създадени от човека.

Много активни транспортни системи се задвижват от енергия, съхранявана в йонни градиенти, а не от директна хидролиза на АТФ. Всички те работят като котранспортни системи (улесняващи транспорта на съединения с ниско молекулно тегло). Например, активният транспорт на някои захари и аминокиселини в животинските клетки се определя от градиента на натриевите йони и колкото по-висок е градиентът на натриевите йони, толкова по-голяма е скоростта на усвояване на глюкозата. Обратно, ако концентрацията на натрий в междуклетъчното пространство намалее значително, транспортът на глюкоза спира. В този случай натрият трябва да се присъедини към натриево-зависимия глюкозен носител протеин, който има две свързващи места: едното за глюкозата, другото за натрия. Натриевите йони, проникващи в клетката, допринасят за въвеждането на протеина носител в клетката заедно с глюкозата. Натриевите йони, които са влезли в клетката заедно с глюкозата, се изпомпват обратно от натрий-калий-зависимата АТФ-аза, която чрез поддържане на градиента на концентрация на натрий индиректно контролира транспорта на глюкозата.

Транспортиране на вещества в мембранни опаковки.Големите молекули на биополимерите практически не могат да проникнат през плазмалемата чрез нито един от описаните по-горе механизми за транспортиране на вещества в клетката. Те се улавят от клетката и се абсорбират в мембранния пакет, който се нарича ендоцитоза. Последният формално се разделя на фагоцитоза и пиноцитоза. Улавянето на твърдите частици от клетката е фагоцитозаи течност - пиноцитоза. По време на ендоцитозата се наблюдават следните етапи:

    приемане на абсорбираното вещество поради рецептори в клетъчната мембрана;

    инвагинация на мембраната с образуване на балон (везикули);

    отделяне на ендоцитната везикула от мембраната с разход на енергия - образуване на фагозомии възстановяване на целостта на мембраната;

Сливане на фагозома с лизозома и образуване фаголизозоми (храносмилателна вакуола), в които се извършва смилането на абсорбираните частици;

    отстраняване на неразградения материал във фаголизозомата от клетката ( екзоцитоза).

В животинското царство ендоцитозае характерен начин за хранене на много едноклетъчни организми (например при амебите), а сред многоклетъчните организми този тип смилане на хранителни частици се среща в ендодермалните клетки в целентерните. Що се отнася до бозайниците и хората, те имат ретикуло-хистио-ендотелна система от клетки със способност за ендоцитоза. Примери за това са кръвните левкоцити и чернодробните Купферови клетки. Последните покриват така наречените синусоидални капиляри на черния дроб и улавят различни чужди частици, суспендирани в кръвта. Екзоцитоза- това също е начин за отстраняване от клетката на многоклетъчния организъм на секретирания от него субстрат, който е необходим за функционирането на други клетки, тъкани и органи.

Има дебелина 8-12 nm, така че е невъзможно да се изследва със светлинен микроскоп. Структурата на мембраната се изследва с помощта на електронен микроскоп.

Плазмената мембрана се образува от два слоя липиди - липиден слой или двуслой. Всяка молекула се състои от хидрофилна глава и хидрофобна опашка, а в биологичните мембрани липидите са разположени с глави навън, опашки навътре.

Множество протеинови молекули са потопени в билипидния слой. Някои от тях са на повърхността на мембраната (външна или вътрешна), други проникват през мембраната.

Функции на плазмената мембрана

Мембраната предпазва съдържанието на клетката от увреждане, поддържа формата на клетката, селективно пропуска необходимите вещества в клетката и премахва метаболитните продукти, а също така осигурява комуникация между клетките.

Бариерната, ограничителна функция на мембраната осигурява двоен слой липиди. Не позволява съдържанието на клетката да се разпространява, смесва с околната среда или междуклетъчната течност и предотвратява проникването на опасни вещества в клетката.

Редица от най-важните функции на цитоплазмената мембрана се осъществяват благодарение на протеините, потопени в нея. С помощта на рецепторни протеини той може да възприема различни раздразнения на повърхността си. Транспортните протеини образуват най-тънките канали, през които калиеви, калциеви и други йони с малък диаметър преминават в и извън клетката. Протеини - осигуряват жизнените процеси в себе си.

Големи хранителни частици, които не могат да преминат през тънки мембранни канали, навлизат в клетката чрез фагоцитоза или пиноцитоза. Общото наименование на тези процеси е ендоцитоза.

Как възниква ендоцитозата - проникването на големи хранителни частици в клетката

Хранителната частица влиза в контакт с външната мембрана на клетката и на това място се образува инвагинация. След това частицата, заобиколена от мембрана, навлиза в клетката, образува се храносмилателна и храносмилателните ензими проникват в образуваната везикула.

Белите кръвни клетки, които могат да улавят и усвояват чужди бактерии, се наричат ​​фагоцити.

В случай на пиноцитоза, инвагинацията на мембраната не улавя твърди частици, а капчици течност с разтворени в нея вещества. Този механизъм е един от основните пътища за проникване на вещества в клетката.

Растителните клетки, покрити върху мембраната с твърд слой клетъчна стена, не са способни на фагоцитоза.

Обратният процес на ендоцитоза е екзоцитоза. Синтезираните вещества (например хормони) се опаковат в мембранни везикули, приближават се, вграждат се в нея и съдържанието на везикулата се изхвърля от клетката. Така клетката може да се освободи и от ненужните метаболитни продукти.

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

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

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

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

История на изследването на клетъчните мембрани

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

По време на експеримента обаче бяха допуснати две груби грешки:

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

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

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

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

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

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

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

Клетъчните мембрани съдържат три вида протеини:

    Периферен - прикрепен към повърхността на филма;

    полуинтегрален- частично проникват в билипидния слой;

    Интегрални - напълно проникват в мембраната.

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


Клетъчната мембрана изпълнява следните функции:

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

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

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

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

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

    Енергия - процесите на фотосинтеза и клетъчно дишане биха били невъзможни без участието на протеини на клетъчната мембрана, тъй като именно с помощта на протеинови канали клетките обменят енергия;

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

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

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

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

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

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

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

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

Клетъчните мембрани съдържат три класа липиди:

    фосфолипиди;

    гликолипиди;

    Холестерол.

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

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

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

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

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

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

Йонни канали на клетъчните мембрани

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

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

Има два вида проводими протеини:

    Транспортерите са полуинтегрални протеинови помпи;

    Каналоформерите са интегрални протеини.

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

Най-важните изводи за структурата и функциите на клетъчните мембрани

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

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

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

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

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

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


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

За никого не е тайна, че всички живи същества на нашата планета са съставени от техните клетки, тези безброй "" органични вещества. Клетките, от своя страна, са заобиколени от специална защитна мембрана - мембрана, която играе много важна роля в живота на клетката, а функциите на клетъчната мембрана не се ограничават до защита на клетката, а представляват най-сложния включен механизъм в клетъчното възпроизвеждане, хранене и регенерация.

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 клетката, а комбинация от два филма, свързани помежду си и имащи различни свойства. Всъщност клетъчната мембрана е трислойна липопротеинова (мастно-протеинова) обвивка, която отделя всяка клетка от съседните клетки и околната среда и осъществява контролиран обмен между клетките и околната среда, това е академичната дефиниция за това какво е клетка мембраната е.

Стойността на мембраната е просто огромна, 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 успяха да проведат сложен биологичен експеримент върху червени кръвни клетки - еритроцити, по време на който учените получиха така наречените "сенки", празни черупки от еритроцити, които бяха сгънати в една купчина и измериха повърхността, а също изчисли количеството липиди в тях. Въз основа на полученото количество липиди учените стигат до извода, че те са достатъчни точно за 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, определят съдържанието на протеин в клетъчната мембрана. В противен случай беше невъзможно да се обясни защо мембраната има толкова високо повърхностно напрежение. Учените хитро представиха модел на клетъчната мембрана под формата на сандвич, в който ролята на хляб се играе от хомогенни липидно-протеинови слоеве, а между тях вместо масло има празнота.

През 1950 г., с появата на електронната теория на Даниел и Доусън, вече е възможно да се потвърдят практическите наблюдения - на микроснимки на клетъчната мембрана ясно се виждат слоеве от липидни и протеинови глави, както и празно пространство между тях.

През 1960 г. американският биолог Дж. Робъртсън създава теория за трислойната структура на клетъчните мембрани, която дълго време се счита за единствената вярна, но с по-нататъшното развитие на науката започват да се появяват съмнения в нейната непогрешимост. Така например от гледна точка на клетките би било трудно и трудоемко да се транспортират необходимите полезни вещества през целия „сандвич“

И едва през 1972 г. американските биолози С. Сингър и Г. Никълсън успяха да обяснят несъответствията на теорията на Робъртсън с помощта на нов течно-мозаичен модел на клетъчната мембрана. По-специално те установиха, че клетъчната мембрана не е хомогенна по състав, освен това е асиметрична и пълна с течност. Освен това клетките са в постоянно движение. А прословутите протеини, които изграждат 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 - мембраната, като истинска гранична охрана, стои на стража над границите на клетката, забавяйки, не пропускайки вредни или просто неподходящи молекули

Транспортната функция на клетъчната мембрана - мембраната е не само гранична охрана на портите на клетката, но и вид митнически контролно-пропускателен пункт, през който постоянно преминава обменът на полезни вещества с други клетки и околната среда.

Матрична функция - това е клетъчната мембрана, която определя местоположението една спрямо друга, 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 образуването им в хомогенна тъкан.

Защитната функция на клетъчната мембрана е в основата на изграждането на защитен щит на клетката. В природата тази функция може да бъде илюстрирана с твърда дървесина, плътна кожа, защитна обвивка, всичко това се дължи на защитната функция на мембраната.

Ензимната функция е друга важна функция, изпълнявана от някои клетъчни протеини. Например, поради тази функция, синтезът на храносмилателни ензими се извършва в чревния епител.

Също така, в допълнение към всичко това, клетъчният метаболизъм се осъществява през клетъчната мембрана, което може да се осъществи чрез три различни реакции:

  • Фагоцитозата е клетъчен обмен, при който фагоцитните клетки, вградени в мембраната, улавят и усвояват различни хранителни вещества.
  • Пиноцитоза - е процесът на улавяне от клетъчната мембрана на молекулите на течността 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.
  • Екзоцитоза - е обратният процес, когато клетката освобождава секреторна функционална течност през мембраната на повърхността.

Структурата на клетъчната мембрана

Има три класа липиди в клетъчната мембрана:

  • фосфолипиди (те 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, от друга страна, заема пространството между тези опашки, предотвратявайки ги от огъване, всичко това в някои случаи прави мембраната на определени клетки много твърда. В допълнение към всичко това молекулите на холестерола регулират 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 липиден слой. Белтъците го покриват от двете страни като мозайка. Именно протеините, в допълнение към описаните по-горе функции, играят и ролята на своеобразни канали, през които през мембраната преминават вещества, които не могат да проникнат през течния слой на мембраната. Те включват например калиеви и натриеви йони, за тяхното проникване през мембраната природата осигурява специални йонни канали на 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 белтъците плуват като в морето. Сега знаете какви вещества са част от клетъчната мембрана.

Клетъчна мембрана, видео

И накрая едно образователно видео за клетъчната мембрана.