Какви функции изпълнява за кратко външната клетъчна мембрана? Какви функции изпълнява външната клетъчна мембрана? Структурата на външната клетъчна мембрана

Клетъчната мембрананаричана още плазмена (или цитоплазмена) мембрана и плазмалема. Тази структура не само разделя вътрешното съдържание на клетката от външна среда, но влиза и в състава на повечето клетъчни органели и ядрото, като от своя страна ги отделя от хиалоплазмата (цитозола) - вискозно-течната част на цитоплазмата. Да се ​​съгласим да се обадим цитоплазмена мембранатази, която отделя съдържанието на клетката от външната среда. Останалите термини означават всички мембрани.

Структурата на клетъчната (биологична) мембрана се основава на двоен слой липиди (мазнини). Образуването на такъв слой е свързано с характеристиките на техните молекули. Липидите не се разтварят във вода, а кондензират в нея по свой начин. Една част от една липидна молекула е полярна глава (тя е привлечена от вода, т.е. хидрофилна), а другата е двойка дълги неполярни опашки (тази част от молекулата се отблъсква от водата, т.е. хидрофобна). Тази структура на молекулите ги кара да „скрият“ опашките си от водата и да обърнат полярните си глави към водата.

В резултат на това се образува липиден двоен слой, в който неполярните опашки са навътре (една срещу друга), а полярните глави са навън (към външната среда и цитоплазмата). Повърхността на такава мембрана е хидрофилна, но вътре е хидрофобна.

В клетъчните мембрани сред липидите преобладават фосфолипидите (принадлежат към комплексните липиди). Главите им съдържат остатък от фосфорна киселина. В допълнение към фосфолипидите има гликолипиди (липиди + въглехидрати) и холестерол (свързан със стеролите). Последният придава твърдост на мембраната, като се намира в нейната дебелина между опашките на останалите липиди (холестеролът е напълно хидрофобен).

Поради електростатично взаимодействие, някои протеинови молекули се прикрепват към заредените липидни глави, които се превръщат в повърхностни мембранни протеини. Други протеини взаимодействат с неполярни опашки, частично са заровени в двойния слой или проникват през него.

По този начин клетъчната мембрана се състои от двуслой от липиди, повърхностни (периферни), вградени (полуинтегрални) и проникващи (интегрални) протеини. В допълнение, някои протеини и липиди от външната страна на мембраната са свързани с въглехидратни вериги.

Това флуиден мозаечен модел на мембранна структурае представена през 70-те години на ХХ век. Преди това беше приет сандвич модел на структура, според който липидният двоен слой е разположен вътре, а отвътре и отвън мембраната е покрита с непрекъснати слоеве повърхностни протеини. Натрупването на експериментални данни обаче опроверга тази хипотеза.

Дебелината на мембраните в различните клетки е около 8 nm. Мембраните (дори различните страни на една и съща) се различават в проценти различни видовелипиди, протеини, ензимна активност и др. Някои мембрани са по-течни и по-пропускливи, други са по-плътни.

Почивки клетъчната мембраналесно се сливат поради физикохимичните характеристики на липидния двоен слой. В равнината на мембраната липидите и протеините (освен ако не са закотвени от цитоскелета) се движат.

Функции на клетъчната мембрана

Повечето протеини, потопени в клетъчната мембрана, изпълняват ензимна функция (те са ензими). Често (особено в мембраните на клетъчните органели) ензимите са разположени в определена последователност, така че реакционните продукти, катализирани от един ензим, преминават към втория, след това към третия и т.н. Образува се конвейер, който стабилизира повърхностните протеини, тъй като те не позволяват на ензимите да плават по липидния двоен слой.

Клетъчната мембрана изпълнява ограничителна (бариерна) функция от околната среда и същевременно транспортни функции. Можем да кажем, че това е най-важното му предназначение. Цитоплазмената мембрана, притежаваща сила и селективна пропускливост, поддържа постоянството на вътрешния състав на клетката (нейната хомеостаза и цялост).

В този случай се осъществява транспортирането на вещества различни начини. Транспортът по концентрационен градиент включва движението на вещества от област с по-висока концентрация към област с по-ниска (дифузия). Например газовете (CO 2 , O 2 ) дифундират.

Има и транспорт срещу концентрационен градиент, но с консумация на енергия.

Транспортът може да бъде пасивен и улеснен (когато се подпомага от някакъв превозвач). За мастноразтворимите вещества е възможна пасивна дифузия през клетъчната мембрана.

Има специални протеини, които правят мембраните пропускливи за захари и други водоразтворими вещества. Такива носители се свързват с транспортираните молекули и ги издърпват през мембраната. Ето как глюкозата се транспортира вътре в червените кръвни клетки.

Threading протеините се комбинират, за да образуват пори за движението на определени вещества през мембраната. Такива носители не се движат, а образуват канал в мембраната и работят подобно на ензимите, свързвайки определено вещество. Трансферът възниква поради промяна в конформацията на протеина, което води до образуването на канали в мембраната. Пример е натриево-калиевата помпа.

Транспортната функция на еукариотната клетъчна мембрана също се осъществява чрез ендоцитоза (и екзоцитоза).Благодарение на тези механизми в клетката (и извън нея) влизат големи молекули биополимери, дори цели клетки. Ендо- и екзоцитозата не са характерни за всички еукариотни клетки (прокариотите изобщо я нямат). Така ендоцитоза се наблюдава при протозои и низши безгръбначни; при бозайниците левкоцитите и макрофагите абсорбират вредни вещества и бактерии, т.е. ендоцитозата изпълнява защитна функция за тялото.

Ендоцитозата се разделя на фагоцитоза(цитоплазмата обгръща големи частици) и пиноцитоза(улавяне на капчици течност с разтворени в нея вещества). Механизмът на тези процеси е приблизително еднакъв. Абсорбираните вещества на повърхността на клетките са заобиколени от мембрана. Образува се везикула (фагоцитна или пиноцитна), която след това се премества в клетката.

Екзоцитозата е отстраняването на вещества от клетката (хормони, полизахариди, протеини, мазнини и др.) от цитоплазмената мембрана. Тези вещества се съдържат в мембранни везикули, които пасват на клетъчната мембрана. И двете мембрани се сливат и съдържанието се появява извън клетката.

Цитоплазмената мембрана изпълнява рецепторна функция.За да направи това върху нея навънса разположени структури, които могат да разпознаят химичен или физически стимул. Някои от протеините, които проникват в плазмалемата, са свързани отвън с полизахаридни вериги (образуващи гликопротеини). Това са специфични молекулярни рецептори, които улавят хормоните. Когато определен хормон се свърже с неговия рецептор, той променя структурата си. Това от своя страна задейства механизма на клетъчния отговор. В този случай каналите могат да се отворят и някои вещества могат да започнат да влизат или излизат от клетката.

Рецепторната функция на клетъчните мембрани е добре проучена въз основа на действието на хормона инсулин. Когато инсулинът се свърже със своя гликопротеинов рецептор, каталитичната вътреклетъчна част на този протеин (ензимът аденилат циклаза) се активира. Ензимът синтезира цикличен АМФ от АТФ. Вече активира или потиска различни ензими на клетъчния метаболизъм.

Рецепторната функция на цитоплазмената мембрана включва и разпознаване на съседни клетки от същия тип. Такива клетки са прикрепени една към друга чрез различни междуклетъчни контакти.

В тъканите, с помощта на междуклетъчни контакти, клетките могат да обменят информация помежду си, като използват специално синтезирани нискомолекулни вещества. Един пример за такова взаимодействие е контактното инхибиране, когато клетките спират да растат след получаване на информация, че свободното пространство е заето.

Междуклетъчните контакти могат да бъдат прости (мембраните на различни клетки са съседни една на друга), заключващи (инвагинации на мембраната на една клетка в друга), десмозоми (когато мембраните са свързани чрез снопове от напречни влакна, които проникват в цитоплазмата). В допълнение, има вариант на междуклетъчни контакти, дължащи се на медиатори (посредници) - синапси. При тях сигналът се предава не само химически, но и електрически. Синапсите предават сигнали между нервните клетки, както и от нервните към мускулните клетки.

клетка- саморегулираща се структурна и функционална единица от тъкани и органи. Клетъчната теория за структурата на органите и тъканите е разработена от Шлейден и Шван през 1839 г. Впоследствие с помощта на електронна микроскопия и ултрацентрофугиране беше възможно да се изясни структурата на всички основни органели на животински и растителни клетки (фиг. 1).

Ориз. 1. Схема на структурата на животинска клетка

Основните части на клетката са цитоплазмата и ядрото. Всяка клетка е заобиколена от много тънка мембрана, която ограничава нейното съдържание.

Клетъчната мембрана се нарича плазмената мембранаи се характеризира със селективна пропускливост. Това свойство позволява основни хранителни вещества и химически елементипроникват в клетката, а излишните продукти я напускат. Плазмената мембрана се състои от два слоя липидни молекули, съдържащи специфични протеини. Основните мембранни липиди са фосфолипидите. Те съдържат фосфор, полярна глава и две неполярни опашки от дълговерижни мастни киселини. Мембранните липиди включват холестерол и холестерил естери. В съответствие с модела на течна мозайка на структурата, мембраните съдържат включвания на протеинови и липидни молекули, които могат да се смесват спрямо двойния слой. За всеки тип мембрана всяка животинска клеткахарактеризиращ се със своя относително постоянен липиден състав.

Според структурата си мембранните протеини се разделят на два вида: интегрални и периферни. Периферните протеини могат да бъдат отстранени от мембраната, без да я разрушават. Има четири вида мембранни протеини: транспортни протеини, ензими, рецептори и структурни протеини. Някои мембранни протеини имат ензимна активност, други свързват определени вещества и улесняват транспортирането им в клетката. Протеините осигуряват няколко пътя за движение на веществата през мембраните: те образуват големи пори, състоящи се от няколко протеинови субединици, които позволяват на водните молекули и йони да се движат между клетките; образуват йонни канали, специализирани за движението на определени видове йони през мембраната при определени условия. Структурните протеини са свързани с вътрешния липиден слой и осигуряват цитоскелета на клетката. Цитоскелетът осигурява механична здравина на клетъчната мембрана. В различни мембрани протеините представляват от 20 до 80% от масата. Мембранните протеини могат да се движат свободно в страничната равнина.

Мембраната също така съдържа въглехидрати, които могат да бъдат ковалентно свързани с липиди или протеини. Има три вида мембранни въглехидрати: гликолипиди (ганглиозиди), гликопротеини и протеогликани. Повечето мембранни липиди са в течно състояние и имат определена течливост, т.е. способността за преминаване от една област в друга. От външната страна на мембраната има рецепторни места, които свързват различни хормони. Други специфични области на мембраната не могат да разпознават и свързват определени протеини и различни биологично активни съединения, които са чужди за тези клетки.

Вътрешното пространство на клетката е изпълнено с цитоплазма, в която протичат повечето ензимно-катализирани реакции на клетъчния метаболизъм. Цитоплазмата се състои от два слоя: вътрешният, наречен ендоплазма, и периферният, ектоплазма, който има висок вискозитет и е лишен от гранули. Цитоплазмата съдържа всички компоненти на клетка или органела. Най-важните от клетъчните органели са ендоплазмения ретикулум, рибозоми, митохондрии, апарат на Голджи, лизозоми, микрофиламенти и микротубули, пероксизоми.

Ендоплазмения ретикулуме система от взаимосвързани канали и кухини, които проникват в цялата цитоплазма. Осигурява транспортирането на вещества от околната среда и вътре в клетките. Ендоплазменият ретикулум също така служи като депо за вътреклетъчни Ca 2+ йони и служи като основно място на липидния синтез в клетката.

Рибозоми -микроскопични сферични частици с диаметър 10-25 nm. Рибозомите са свободно разположени в цитоплазмата или са прикрепени към външната повърхност на мембраните на ендоплазмения ретикулум и ядрената мембрана. Те взаимодействат с информационната и транспортната РНК и в тях се осъществява протеинов синтез. Те синтезират протеини, които влизат в цистерните или в апарата на Голджи и след това се освобождават навън. Рибозомите, свободно разположени в цитоплазмата, синтезират протеин за използване от самата клетка, а рибозомите, свързани с ендоплазмения ретикулум, произвеждат протеин, който се екскретира от клетката. Рибозомите синтезират различни функционални протеини: протеини-носители, ензими, рецептори, цитоскелетни протеини.

апарат на Голджиобразувани от система от тубули, цистерни и везикули. Той е свързан с ендоплазмения ретикулум, а биологично активните вещества, които влизат тук, се съхраняват в уплътнена форма в секреторни везикули. Последните непрекъснато се отделят от апарата на Голджи, транспортират се до клетъчната мембрана и се сливат с нея, а съдържащите се във везикулите вещества се отстраняват от клетката чрез процеса на екзоцитоза.

лизозоми -заобиколени от мембрана частици с размери 0,25-0,8 микрона. Те съдържат множество ензими, участващи в разграждането на протеини, полизахариди, мазнини, нуклеинови киселини, бактерии и клетки.

Пероксизомиобразувани от гладък ендоплазмен ретикулум, приличат на лизозоми и съдържат ензими, които катализират разграждането на водороден пероксид, който се разгражда под въздействието на пероксидази и каталаза.

Митохондриитесъдържат външни и вътрешни мембрани и са „енергийната станция“ на клетката. Митохондриите са кръгли или продълговати структури с двойна мембрана. Вътрешната мембрана образува гънки, изпъкнали в митохондриите - кристи. В тях протича синтез на АТФ, окисляване на субстрати от цикъла на Кребс и много биохимични реакции. Молекулите на АТФ, произведени в митохондриите, дифундират до всички части на клетката. Митохондриите съдържат малко количество ДНК, РНК и рибозоми и с тяхно участие се извършва обновяване и синтез на нови митохондрии.

МикрофиламентиТе са тънки протеинови нишки, състоящи се от миозин и актин и образуват съкратителния апарат на клетката. Микрофиламентите участват в образуването на гънки или издатини на клетъчната мембрана, както и в движението на различни структури в клетките.

Микротубулиформират основата на цитоскелета и осигуряват неговата здравина. Цитоскелетът дава на клетките техните характеристики външен види форма, служи като място за прикрепване на вътреклетъчни органели и различни тела. IN нервни клеткиснопове от микротубули участват в транспортирането на вещества от клетъчното тяло до краищата на аксоните. С тяхно участие функционира митотичното вретено по време на клетъчното делене. Те играят ролята на двигателни елементи във власинките и флагелите при еукариотите.

Ядрое основната структура на клетката, участва в предаването на наследствени характеристики и в синтеза на протеини. Ядрото е заобиколено от ядрена мембрана, съдържаща много ядрени пори, през които се обменят различни вещества между ядрото и цитоплазмата. Вътре в него има ядро. Установена е важната роля на нуклеола в синтеза на рибозомна РНК и хистонови протеини. Останалите части на ядрото съдържат хроматин, състоящ се от ДНК, РНК и редица специфични протеини.

Функции на клетъчната мембрана

Клетъчните мембрани играят решаваща роля в регулирането на вътреклетъчния и междуклетъчния метаболизъм. Имат селективна пропускливост. Тяхната специфична структура им позволява да изпълняват бариерни, транспортни и регулаторни функции.

Бариерна функциясе изразява в ограничаване на проникването на разтворени във вода съединения през мембраната. Мембраната е непропусклива за големи протеинови молекули и органични аниони.

Регулаторна функциямембраните е да регулират вътреклетъчния метаболизъм в отговор на химични, биологични и механични влияния. Различни влияния се възприемат от специални мембранни рецептори с последваща промяна в ензимната активност.

Транспортна функциячрез биологични мембрани може да се извърши пасивно (дифузия, филтрация, осмоза) или чрез активен транспорт.

дифузия -движение на газ или разтворимо вещество по концентрационен и електрохимичен градиент. Скоростта на дифузия зависи от пропускливостта на клетъчната мембрана, както и от концентрационния градиент за незаредените частици и електрическия и концентрационния градиент за заредените частици. Проста дифузияпротича през липидния двоен слой или през канали. Заредените частици се движат според електрохимичен градиент, а незаредените частици се движат според химичен градиент. Например кислород, стероидни хормони, урея, алкохол и др. проникват през липидния слой на мембраната чрез проста дифузия. През каналите се движат различни йони и частици. Йонните канали се образуват от протеини и се разделят на затворени и незатворени канали. В зависимост от селективността се разграничават йон-селективни кабели, които пропускат само един йон, и канали, които нямат селективност. Каналите имат отвор и селективен филтър, а контролираните канали имат шибърен механизъм.

Улеснена дифузия -процес, при който веществата се транспортират през мембрана с помощта на специални мембранни транспортни протеини. По този начин аминокиселините и монозахаридите проникват в клетката. Този вид транспорт става много бързо.

осмоза -движение на водата през мембраната от разтвор с по-ниско към разтвор с по-високо осмотично налягане.

Активен транспорт -транспортиране на вещества срещу концентрационен градиент с помощта на транспортни АТФази (йонни помпи). Този трансфер става с изразходването на енергия.

Na + /K + -, Ca 2+ - и H + -помпи са изследвани в по-голяма степен. Помпите са разположени върху клетъчните мембрани.

Вид активен транспорт е ендоцитозаИ екзоцитоза.С помощта на тези механизми по-големите вещества (протеини, полизахариди, нуклеинова киселина), които не могат да бъдат транспортирани по канали. Този транспорт е по-често срещан в чревните епителни клетки, бъбречните тубули и съдовия ендотел.

ПриПри ендоцитозата клетъчните мембрани образуват инвагинации в клетката, които при освобождаване се превръщат във везикули. По време на екзоцитозата везикулите със съдържанието им се прехвърлят към клетъчната мембрана и се сливат с нея, а съдържанието на везикулите се освобождава в извънклетъчната среда.

Устройство и функции на клетъчната мембрана

За да разберете процесите, които осигуряват съществуването на електрически потенциали в живите клетки, първо трябва да разберете структурата на клетъчната мембрана и нейните свойства.

Понастоящем най-широко приет е моделът на течна мозайка на мембраната, предложен от S. Singer и G. Nicholson през 1972 г. Мембраната се основава на двоен слой от фосфолипиди (двуслоен), хидрофобните фрагменти на молекулата на които са потопени в дебелината на мембраната, а полярните хидрофилни групи са ориентирани навън, т.е. в околността водна среда(фиг. 2).

Мембранните протеини са локализирани на повърхността на мембраната или могат да бъдат вградени на различна дълбочина в хидрофобната зона. Някои протеини обхващат мембраната и различни хидрофилни групи от един и същ протеин се намират от двете страни на клетъчната мембрана. Протеините, намиращи се в плазмената мембрана, играят много важна роля: те участват в образуването на йонни канали, играят ролята на мембранни помпи и транспортьори на различни вещества, а също така могат да изпълняват рецепторна функция.

Основните функции на клетъчната мембрана: бариерна, транспортна, регулаторна, каталитична.

Бариерната функция е да ограничи дифузията през мембраната на водоразтворими съединения, което е необходимо за защита на клетките от чужди, токсични веществаи поддържане на относително постоянно съдържание на различни вещества вътре в клетките. Така клетъчната мембрана може да забави дифузията на различни вещества 100 000-10 000 000 пъти.

Ориз. 2. Триизмерна диаграма на течно-мозаечния модел на мембраната на Сингър-Никълсън

Изобразените са глобуларни интегрални протеини, вградени в липиден двоен слой. Някои протеини са йонни канали, други (гликопротеини) съдържат олигозахаридни странични вериги, които участват в разпознаването на клетките помежду си и в междуклетъчната тъкан. Молекулите на холестерола са в непосредствена близост до фосфолипидните глави и фиксират съседните участъци на „опашките“. Вътрешните участъци на опашките на фосфолипидната молекула не са ограничени в движението си и са отговорни за течливостта на мембраната (Bretscher, 1985)

Мембраната съдържа канали, през които проникват йони. Каналите могат да бъдат зависими от напрежението или потенциално независими. Канали, зависими от напрежениетоотворен, когато потенциалната разлика се промени, и потенциално независим(хормонално регулирани) се отварят, когато рецепторите взаимодействат с веществата. Каналите могат да се отварят или затварят благодарение на портите. Два вида порти са вградени в мембраната: активиране(дълбоко в канала) и инактивиране(на повърхността на канала). Портата може да бъде в едно от трите състояния:

• отворено състояние (и двата вида порти са отворени);
• затворено състояние (затворен порт за активиране);
• състояние на инактивиране (порта за инактивиране затворена).

Друга характерна черта на мембраните е способността селективно да транспортират неорганични йони, хранителни вещества и различни метаболитни продукти. Има системи за пасивен и активен пренос (транспорт) на вещества. Пасивентранспортът се осъществява чрез йонни канали със или без помощта на протеини-носители и неговите движеща силае разликата в електрохимичните потенциали на йони между вътре- и извънклетъчното пространство. Селективността на йонните канали се определя от неговите геометрични параметри и химическата природа на групите, покриващи стените на канала и неговото устие.

В момента най-добре проучените канали са тези, които са селективно пропускливи за Na +, K +, Ca 2+ йони, а също и за вода (така наречените аквапорини). Приблизителен диаметър на йонния канал различни изследвания, е 0,5-0,7 nm. Честотна лентаканалите могат да варират; 10 7 - 10 8 йона в секунда могат да преминат през един йонен канал.

Активентранспортирането става с разход на енергия и се осъществява от така наречените йонни помпи. Йонните помпи са молекулярни протеинови структури, вградени в мембрана, които транспортират йони към по-висок електрохимичен потенциал.

Помпите работят, използвайки енергията на хидролизата на АТФ. В момента Na+/K+ - ATP-аза, Ca 2+ - ATP-аза, H + - ATP-аза, H + /K + - ATP-аза, Mg 2+ - ATP-аза, които осигуряват движението съответно на Na +, K +, Ca 2+ йони , са добре проучени, H+, Mg 2+ изолирани или конюгирани (Na+ и K+; H+ и K+). Молекулярният механизъм на активния транспорт не е напълно разбран.

Клонът на биологията, наречен цитология, изучава структурата на организмите, както и растенията, животните и хората. Учените са установили, че съдържанието на клетката, което се намира вътре в нея, е изградено доста сложно. Той е заобиколен от така наречения повърхностен апарат, който включва външната клетъчна мембрана, надмембранни структури: гликокаликс, а също и микрофиламенти, пеликули и микротубули, които образуват неговия субмембранен комплекс.

В тази статия ще проучим структурата и функциите на външната клетъчна мембрана, която е част от повърхностния апарат на различни видове клетки.

Какви функции изпълнява външната клетъчна мембрана?

Както беше описано по-рано, външната мембрана е част от повърхностния апарат на всяка клетка, който успешно разделя вътрешното й съдържание и предпазва клетъчните органели от неблагоприятни условия на околната среда. Друга функция е да осигури обмен на вещества между клетъчното съдържание и тъканната течност, така че външната клетъчна мембрана транспортира молекули и йони, влизащи в цитоплазмата, и също така помага за отстраняването на отпадъците и излишъка токсични веществаот клетката.

Структура на клетъчната мембрана

Мембрани или плазмени мембрани различни видовеклетките са много различни една от друга. Главно по химичната им структура, както и от относителното съдържание на липиди, гликопротеини, протеини и съответно естеството на разположените в тях рецептори. Външният, който се определя предимно от индивидуалния състав на гликопротеините, участва в разпознаването на стимулите от околната среда и в реакциите на самата клетка към техните действия. Някои видове вируси могат да взаимодействат с протеини и гликолипиди на клетъчните мембрани, в резултат на което проникват в клетката. Херпесните и грипните вируси могат да се използват за изграждане на тяхната защитна обвивка.

А вирусите и бактериите, така наречените бактериофаги, се прикрепят към клетъчната мембрана и я разтварят на мястото на контакт с помощта на специален ензим. След това вирусна ДНК молекула преминава в получената дупка.

Характеристики на структурата на плазмената мембрана на еукариотите

Нека припомним, че външната клетъчна мембрана изпълнява функцията на транспорт, т.е. пренасяне на вещества в и извън нея във външната среда. За извършване на такъв процес е необходима специална структура. Всъщност плазмалемата е постоянна, универсална система от повърхностен апарат. Това е тънък (2-10 Nm), но доста плътен многослоен филм, който покрива цялата клетка. Неговата структура е изследвана през 1972 г. от учени като Д. Сингър и Г. Никълсън и те също създават течно-мозаечен модел на клетъчната мембрана.

Основните химични съединения, които го образуват, са подредени молекули на протеини и определени фосфолипиди, които са вградени в течна липидна среда и приличат на мозайка. По този начин клетъчната мембрана се състои от два слоя липиди, чиито неполярни хидрофобни „опашки“ са разположени вътре в мембраната, а полярните хидрофилни глави са обърнати към клетъчната цитоплазма и междуклетъчната течност.

Липидният слой е проникнат от големи протеинови молекули, които образуват хидрофилни пори. Именно чрез тях те се транспортират водни разтвориглюкоза и минерални соли. Някои протеинови молекули са разположени както отвън, така и от вътрешна повърхностплазмалеми. Така на външната клетъчна мембрана в клетките на всички организми с ядра има въглехидратни молекули, свързани чрез ковалентни връзки с гликолипиди и гликопротеини. Съдържанието на въглехидрати в клетъчните мембрани варира от 2 до 10%.

Структурата на плазмалемата на прокариотните организми

Външната клетъчна мембрана при прокариотите изпълнява подобни функции на плазмените мембрани на клетките на ядрените организми, а именно: възприемане и предаване на информация, идваща от външната среда, транспорт на йони и разтвори в и извън клетката, защита на цитоплазмата от чужди реагенти отвън. Може да образува мезозоми - структури, които възникват, когато плазмената мембрана се инвагинира в клетката. Те могат да съдържат ензими, участващи в метаболитни реакции на прокариоти, например репликация на ДНК и протеинов синтез.

Мезозомите също съдържат редокс ензими, а фотосинтезите съдържат бактериохлорофил (в бактериите) и фикобилин (в цианобактериите).

Ролята на външните мембрани в междуклетъчните контакти

Продължавайки да отговаряме на въпроса какви функции изпълнява външната клетъчна мембрана, нека се спрем на нейната роля. В растителните клетки в стените на външната клетъчна мембрана се образуват пори, които преминават в целулозния слой. Чрез тях цитоплазмата на клетката може да излезе навън; такива тънки канали се наричат ​​плазмодесми.

Благодарение на тях връзката между съседните растителни клетки е много силна. В човешките и животинските клетки контактните точки между съседните клетъчни мембрани се наричат ​​десмозоми. Те са характерни за ендотелните и епителните клетки и се срещат и в кардиомиоцитите.

Помощни образувания на плазмалемата

Разбирането на това как растителните клетки се различават от животинските клетки се подпомага от изучаването на структурните характеристики на техните плазмени мембрани, които зависят от функциите на външната клетъчна мембрана. Над него в животинските клетки има слой гликокаликс. Образува се от полизахаридни молекули, свързани с протеини и липиди на външната клетъчна мембрана. Благодарение на гликокаликса възниква адхезия (слепване) между клетките, което води до образуването на тъкани, следователно участва в сигналната функция на плазмалемата - разпознаване на стимули от околната среда.

Как се осъществява пасивният транспорт на определени вещества през клетъчните мембрани?

Както бе споменато по-рано, външната клетъчна мембрана участва в процеса на транспортиране на вещества между клетката и външната среда. Има два вида транспорт през плазмалемата: пасивен (дифузия) и активен транспорт. Първият включва дифузия, улеснена дифузия и осмоза. Движението на веществата по концентрационен градиент зависи преди всичко от масата и размера на молекулите, преминаващи през клетъчната мембрана. Например, малки неполярни молекули лесно се разтварят в средния липиден слой на плазмалемата, преминават през него и попадат в цитоплазмата.

Големи молекули органична материяпроникват в цитоплазмата с помощта на специални протеини-носители. Те имат видова специфичност и при свързване с частица или йон ги пренасят пасивно през мембраната по концентрационен градиент без разход на енергия (пасивен транспорт). Този процес е в основата на такова свойство на плазмалемата като селективна пропускливост. По време на процеса енергията на АТФ молекулите не се използва и клетката я спестява за други метаболитни реакции.

Активен транспорт на химични съединения през плазмалемата

Тъй като външната клетъчна мембрана осигурява преноса на молекули и йони от външната среда в клетката и обратно, става възможно да се отстранят продуктите на дисимилация, които са токсини, навън, т.е. в междуклетъчната течност. възниква срещу градиент на концентрация и изисква използването на енергия под формата на ATP молекули. Той също така включва протеини носители, наречени АТФази, които също са ензими.

Пример за такъв транспорт е натриево-калиевата помпа (натриевите йони се движат от цитоплазмата във външната среда, а калиевите йони се изпомпват в цитоплазмата). На това са способни епителните клетки на червата и бъбреците. Разновидности на този метод на прехвърляне са процесите на пиноцитоза и фагоцитоза. По този начин, след като проучи какви функции изпълнява външната клетъчна мембрана, може да се установи, че хетеротрофните протисти, както и клетките на висшите животински организми, например левкоцитите, са способни на процесите на пино- и фагоцитоза.

Биоелектрични процеси в клетъчните мембрани

Установено е, че има потенциална разлика между външната повърхност на плазмената мембрана (тя е положително заредена) и стенния слой на цитоплазмата, който е отрицателно зареден. Нарича се потенциал на покой и е присъщ на всички живи клетки. А нервната тъкан не само има потенциал за покой, но и е способна да провежда слаби биотокове, което се нарича процес на възбуждане. Външните мембрани на нервните клетки-неврони, получаващи дразнене от рецепторите, започват да променят зарядите: натриевите йони масово навлизат в клетката и повърхността на плазмалемата става електроотрицателна. И париеталният слой на цитоплазмата, поради излишък от катиони, получава положителен заряд. Това обяснява защо външната клетъчна мембрана на неврона се презарежда, което предизвиква провеждането на нервните импулси, които са в основата на процеса на възбуждане.

Не е тайна, че всички живи същества на нашата планета са изградени от клетки, тези безброй "" органични вещества. Клетките от своя страна са обградени от специална защитна обвивка - мембрана, която играе много важна роля в живота на клетката, като функциите на клетъчната мембрана не се ограничават само до защита на клетката, а представляват комплекс механизъм, участващ в размножаването, храненето и регенерацията на клетката.

Какво е клетъчна мембрана

Самата дума „мембрана“ се превежда от латински като „филм“, въпреки че мембраната не е просто вид филм, в който е обвита клетка, а комбинация от два филма, свързани един с друг и имащи различни свойства. Всъщност клетъчната мембрана е трислойна липопротеинова (мастно-протеинова) мембрана, която отделя всяка клетка от съседните клетки и околната среда и осъществява контролиран обмен между клетките и околната среда, това е академичната дефиниция за това какво е клетъчна мембрана е.

Значението на мембраната е просто огромно, защото тя не само отделя една клетка от друга, но също така осигурява взаимодействието на клетката както с други клетки, така и с околната среда.

История на изследването на клетъчните мембрани

Важен принос в изследването на клетъчната мембрана направиха двама немски учени Гортер и Грендел през 1925 г. Тогава те успяха да проведат сложен биологичен експеримент върху червените кръвни клетки - еритроцити, по време на който учените получиха така наречените "сенки", празни черупки от еритроцити, които подредиха в една купчина и измериха повърхността, а също и изчислиха количеството липиди в тях. Въз основа на количеството получени липиди учените стигнаха до извода, че те се съдържат именно в двойния слой на клетъчната мембрана.

През 1935 г. друга двойка изследователи на клетъчната мембрана, този път американците Даниел и Доусън, след серия от дълги експерименти, установиха съдържанието на протеин в клетъчната мембрана. Нямаше друг начин да се обясни защо мембраната има толкова високо повърхностно напрежение. Учените хитро са представили модел на клетъчна мембрана под формата на сандвич, в който ролята на хляб играят хомогенни липидно-протеинови слоеве, а между тях вместо масло има празнота.

През 1950 г. с появата електронна теорияДаниел и Доусън успяха да потвърдят това с практически наблюдения - на микроснимки на клетъчната мембрана ясно се виждаха слоеве от липидни и протеинови глави, както и празното пространство между тях.

През 1960 г. американският биолог Дж. Робъртсън развива теория за трислойната структура на клетъчните мембрани, която за дълго времесе смяташе за единствения верен, но с по-нататъчно развитиенаука започнаха да възникват съмнения относно неговата непогрешимост. Така например от гледна точка би било трудно и трудоемко за клетките да транспортират необходимите хранителни вещества през целия „сандвич“

И едва през 1972 г. американските биолози С. Сингър и Г. Никълсън успяха да обяснят несъответствията в теорията на Робъртсън, използвайки нов флуидно-мозаечен модел на клетъчната мембрана. По-специално, те установиха, че клетъчната мембрана не е хомогенна по своя състав, освен това е асиметрична и пълна с течност. Освен това клетките са в постоянно движение. А прословутите протеини, които са част от клетъчната мембрана, имат различни структури и функции.

Свойства и функции на клетъчната мембрана

Сега нека да разгледаме какви функции изпълнява клетъчната мембрана:

Бариерната функция на клетъчната мембрана е мембраната като истинска гранична охрана, която стои на стража над границите на клетката, забавяйки и не позволявайки на вредните или просто неподходящи молекули да преминат.

Транспортна функция на клетъчната мембрана - мембраната е не само гранична охрана на вратата на клетката, но и вид митнически контролно-пропускателен пункт; полезни вещества непрекъснато се обменят с други клетки и околната среда през нея.

Матрична функция - това е клетъчната мембрана, която определя местоположението една спрямо друга и регулира взаимодействието между тях.

Механична функция - отговаря за ограничаването на една клетка от друга и в същото време за правилното свързване на клетките една с друга, за оформянето им в хомогенна тъкан.

Защитната функция на клетъчната мембрана е в основата на изграждането на защитния щит на клетката. В природата пример за тази функция би бил твърда дървесина, плътна кора, защитна обвивка, всичко благодарение на защитна функциямембрани.

Ензимната функция е друга важна функция, изпълнявана от определени протеини в клетката. Например, благодарение на тази функция, синтезът на храносмилателни ензими се извършва в чревния епител.

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

• Фагоцитозата е клетъчен обмен, при който фагоцитните клетки, вградени в мембраната, улавят и усвояват различни хранителни вещества.
• Пиноцитозата е процес на улавяне от клетъчната мембрана на течни молекули в контакт с нея. За да направите това, на повърхността на мембраната се образуват специални пипала, които сякаш обграждат капка течност, образувайки мехур, който впоследствие се „поглъща“ от мембраната.
• Екзоцитозата е обратен процес, когато клетката освобождава секреторна функционална течност на повърхността през мембраната.

Структура на клетъчната мембрана

Има три класа липиди в клетъчната мембрана:

• фосфолипиди (които са комбинация от мазнини и фосфор),
• гликолипиди (комбинация от мазнини и въглехидрати),
• холестерол

Фосфолипидите и гликолипидите от своя страна се състоят от хидрофилна глава, в която се простират две дълги хидрофобни опашки. Холестеролът заема пространството между тези опашки, предотвратявайки ги от огъване; всичко това в някои случаи прави мембраната на определени клетки много твърда. В допълнение към всичко това молекулите на холестерола организират структурата на клетъчната мембрана.

Но както и да е, важна частСтруктурата на клетъчната мембрана е протеин или по-скоро различни протеини, които играят различни важни роли. Въпреки разнообразието от протеини, съдържащи се в мембраната, има нещо, което ги обединява - пръстеновидните липиди са разположени около всички мембранни протеини. Ануларните липиди са специални структурирани мазнини, които служат като вид защитна обвивка за протеини, без които те просто не биха работили.

Структурата на клетъчната мембрана има три слоя: основата на клетъчната мембрана е хомогенен течен билипиден слой. Белтъците го покриват от двете страни като мозайка. Именно протеините, в допълнение към описаните по-горе функции, също играят ролята на своеобразни канали, през които веществата, които не могат да проникнат през течния слой на мембраната, преминават през мембраната. Те включват например калиеви и натриеви йони, за проникването им през мембраната природата осигурява специални йонни канали в клетъчните мембрани. С други думи, протеините осигуряват пропускливостта на клетъчните мембрани.

Ако погледнем клетъчната мембрана през микроскоп, ще видим слой липиди, образуван от малки сферични молекули, върху които протеините плуват като в морето. Сега знаете какви вещества изграждат клетъчната мембрана.

Видео за клетъчна мембрана

И накрая едно образователно видео за клетъчната мембрана.

Основната структурна единица на живия организъм е клетката, която е диференцирана част от цитоплазмата, заобиколена от клетъчна мембрана. Поради факта, че клетката изпълнява много важни функции, като възпроизводство, хранене, движение, мембраната трябва да бъде пластична и плътна.

История на откриването и изследването на клетъчната мембрана

През 1925 г. Грендел и Гордър провеждат успешен експеримент за идентифициране на „сенките“ на червените кръвни клетки или празни мембрани. Въпреки няколко сериозни грешки, учените откриха липидния двоен слой. Тяхната работа е продължена от Даниели, Доусън през 1935 г. и Робъртсън през 1960 г. В резултат на дългогодишна работа и натрупване на аргументи през 1972 г. Сингър и Никълсън създават флуидно-мозаечен модел на структурата на мембраната. По-нататъшни експерименти и проучвания потвърдиха работата на учените.

Смисъл

Какво е клетъчна мембрана? Тази дума започва да се използва преди повече от сто години, в превод от латински означава „филм“, „кожа“. Така се обозначава клетъчната граница, която е естествена бариера между вътрешното съдържание и външната среда. Структурата на клетъчната мембрана предполага полупропускливост, поради което влагата и хранителните вещества и продуктите на разпадане могат свободно да преминават през нея. Тази обвивка може да се нарече основният структурен компонент на клетъчната организация.

Нека разгледаме основните функции на клетъчната мембрана

1. Разделя вътрешното съдържание на клетката и компонентите на външната среда.

2. Спомага за поддържането на постоянен химичен състав на клетката.

3. Регулира правилния метаболизъм.

4. Осигурява комуникация между клетките.

5. Разпознава сигнали.

6. Защитна функция.

"плазмена обвивка"

Външната клетъчна мембрана, наричана още плазмена мембрана, е ултрамикроскопичен филм, чиято дебелина варира от пет до седем наномилиметра. Състои се главно от протеинови съединения, фосфолиди и вода. Фолиото е еластично, лесно абсорбира вода и бързо възстановява целостта си след повреда.

Има универсална структура. Тази мембрана заема гранична позиция, участва в процеса на селективна пропускливост, отстраняване на продуктите на гниене и ги синтезира. Връзката със своите „съседи“ и надеждната защита на вътрешното съдържание от увреждане го прави важен компонент в такъв въпрос като структурата на клетката. Клетъчната мембрана на животинските организми понякога е покрита с тънък слой - гликокаликс, който включва протеини и полизахариди. Растителните клетки извън мембраната са защитени от клетъчна стена, която служи като опора и поддържа формата. Основен компонент в състава му са фибри (целулоза) - полизахарид, който е неразтворим във вода.

По този начин външната клетъчна мембрана има функцията на възстановяване, защита и взаимодействие с други клетки.

Структура на клетъчната мембрана

Дебелината на тази подвижна обвивка варира от шест до десет наномилиметра. Клетъчната мембрана на клетката има специален състав, чиято основа е липиден двуслой. Хидрофобните опашки, инертни към водата, са разположени отвътре, докато хидрофилните глави, взаимодействащи с водата, са обърнати навън. Всеки липид е фосфолипид, който е резултат от взаимодействието на вещества като глицерол и сфингозин. Липидната рамка е тясно заобиколена от протеини, които са подредени в непрекъснат слой. Част от тях са потопени в липидния слой, останалите преминават през него. В резултат на това се образуват зони, пропускливи за вода. Функциите, изпълнявани от тези протеини, са различни. Някои от тях са ензими, останалите са транспортни протеини, които пренасят различни веществаот външната среда към цитоплазмата и обратно.

Клетъчната мембрана е проникната и тясно свързана с интегрални протеини, а връзката с периферните е по-слаба. Тези протеини изпълняват важна функция, която е да поддържат структурата на мембраната, да приемат и преобразуват сигнали от околната среда, да транспортират вещества и да катализират реакциите, протичащи върху мембраните.

Съединение

Основата на клетъчната мембрана е бимолекулен слой. Благодарение на своята непрекъснатост, клетката има бариерни и механични свойства. На различни етапи от живота този двуслой може да бъде нарушен. В резултат на това се образуват структурни дефекти на хидрофилни пори. В този случай абсолютно всички функции на такъв компонент като клетъчната мембрана могат да се променят. Ядрото може да страда от външни влияния.

Имоти

Клетъчната мембрана на клетката има интересни функции. Поради своята течливост тази мембрана не е твърда структура и по-голямата част от протеините и липидите, които я изграждат, се движат свободно по равнината на мембраната.

Като цяло клетъчната мембрана е асиметрична, така че съставът на протеиновия и липидния слой се различава. Плазмените мембрани в животинските клетки от външната си страна имат гликопротеинов слой, който изпълнява рецепторни и сигнални функции, а също така играе голяма роляпо време на процеса на комбиниране на клетки в тъкан. Клетъчната мембрана е полярна, тоест зарядът отвън е положителен, а зарядът отвътре е отрицателен. В допълнение към всичко по-горе, клетъчната мембрана има селективно прозрение.

Това означава, че освен вода, в клетката се допускат само определена група молекули и йони от разтворени вещества. Концентрацията на вещество като натрий в повечето клетки е много по-ниска, отколкото във външната среда. Калиевите йони имат различно съотношение: тяхното количество в клетката е много по-високо, отколкото в заобикаляща среда. В тази връзка натриевите йони са склонни да проникнат през клетъчната мембрана, а калиевите йони са склонни да се освобождават навън. При тези обстоятелства мембраната активира специална система, която играе „изпомпваща“ роля, изравнявайки концентрацията на веществата: натриевите йони се изпомпват към повърхността на клетката, а калиевите йони се изпомпват вътре. Тази функцияе включена в най-важните функции на клетъчната мембрана.

Тази тенденция на натриевите и калиевите йони да се движат навътре от повърхността играе голяма роля в транспортирането на захар и аминокиселини в клетката. В процеса на активно отстраняване на натриевите йони от клетката, мембраната създава условия за нови постъпления на глюкоза и аминокиселини вътре. Напротив, в процеса на прехвърляне на калиеви йони в клетката, броят на „преносителите“ на разпадните продукти от вътрешността на клетката към външната среда се попълва.

Как става клетъчното хранене през клетъчната мембрана?

Много клетки поемат вещества чрез процеси като фагоцитоза и пиноцитоза. При първия вариант гъвкава външна мембрана създава малка вдлъбнатина, в която се озовава уловената частица. След това диаметърът на вдлъбнатината става по-голям, докато затворената частица навлезе в клетъчната цитоплазма. Чрез фагоцитозата се хранят някои протозои, като амебите, както и кръвни клетки - левкоцити и фагоцити. По същия начин клетките абсорбират течност, която съдържа необходимите хранителни вещества. Това явление се нарича пиноцитоза.

Външната мембрана е тясно свързана с ендоплазмения ретикулум на клетката.

Много видове основни тъканни компоненти имат издатини, гънки и микровласинки на повърхността на мембраната. Растителните клетки от външната страна на тази черупка са покрити с друга, дебела и ясно видима под микроскоп. Влакното, от което са направени, помага за формирането на опора за растителни тъкани, като например дърво. Животинските клетки също имат редица външни структури, които се намират върху клетъчната мембрана. Те имат изключително защитен характер, пример за това е хитинът, съдържащ се в покривните клетки на насекомите.

В допълнение към клетъчната мембрана има вътреклетъчна мембрана. Неговата функция е да разделя клетката на няколко специализирани затворени отделения – отделения или органели, където трябва да се поддържа определена среда.

По този начин е невъзможно да се надценява ролята на такъв компонент на основната единица на живия организъм като клетъчната мембрана. Структурата и функциите предполагат значително разширение цялата зонаклетъчна повърхност, подобряване на метаболитните процеси. Тази молекулярна структура се състои от протеини и липиди. Отделяйки клетката от външната среда, мембраната осигурява нейната цялост. С негова помощ междуклетъчните връзки се поддържат на доста силно ниво, образувайки тъкани. В тази връзка можем да заключим, че клетъчната мембрана играе една от най-важните роли в клетката. Устройството и изпълняваните от него функции коренно се различават в различните клетки в зависимост от предназначението им. Чрез тези характеристики се постига разнообразие от физиологични дейности на клетъчните мембрани и тяхната роля в съществуването на клетките и тъканите.