Основна структурна одиницяживого організму - клітина, що є диференційованою ділянкою цитоплазми, оточеною клітинною мембраною. Зважаючи на те, що клітина виконує безліч найважливіших функцій, таких, як розмноження, харчування, рух, оболонка повинна бути пластичною і щільною.
Історія відкриття та дослідження клітинної мембрани
У 1925 році Гренделем і Гордер був поставлений успішний експеримент з виявлення «тіней» еритроцитів, або порожніх оболонок. Незважаючи на кілька допущених грубих помилок, вченими було зроблено відкриття ліпідного бісла. Їхні праці продовжили Даніеллі, Доусон у 1935 році, Робертсон у 1960 році. Внаслідок багаторічної роботи та накопичення аргументів у 1972 році Сінгер та Ніколсон створили рідинно-мозаїчну модель будови мембрани. Подальші досліди та дослідження підтвердили праці вчених.
Значення
Що ж є клітинна мембрана? Це слово стало використовуватися понад сто років тому, у перекладі з латинського воно означає плівка, шкірка. Так позначають кордон клітини, що є природним бар'єром між внутрішнім вмістом та зовнішнім середовищем. Будова клітинної мембрани передбачає напівпроникність, завдяки якій волога та поживні речовини та продукти розпаду вільно можуть проходити крізь неї. Цю оболонку можна назвати основною структурною складовою організації клітини.
Розглянемо основні функції клітинної мембрани
1. Поділяє внутрішній вміст клітини та компоненти зовнішнього середовища.
2. Сприяє підтримці постійного хімічного складу клітини.
3. Регулює правильний обмін речовин.
4. Забезпечує взаємозв'язок між клітинами.
5. Розпізнає сигнали.
6. Функція захисту.
"Плазмова оболонка"
Зовнішня клітинна мембрана, звана також плазмовою, є ультрамікроскопічною плівкою, товщина якої становить від п'яти до семи наноміліметрів. Вона складається з переважно білкових сполук, фосфолідів, води. Плівка є еластичною, легко вбирає воду, а також швидко відновлює свою цілісність після пошкоджень.
Відрізняється універсальною будовою. Ця мембрана займає прикордонне становище, бере участь у процесі виборчої проникності, виведення продуктів розпаду, синтезує їх. Взаємозв'язок із «сусідами» та надійний захист внутрішнього вмісту від ушкодження робить його важливою складовою у такому питанні, як будова клітини. Клітинна мембрана тварин організмів іноді виявляється покритою найтоншим шаром - глікокаліксом, до складу якого входять білки та полісахариди. Рослинні клітини зовні від мембрани захищені клітинною стінкою, яка виконує функції опори та підтримки форми. Основний компонент її складу – це клітковина (целюлоза) – полісахарид, не розчинний у воді.
Таким чином, зовнішня клітинна мембрана виконує функцію відновлення, захисту та взаємодії з іншими клітинами.
Будова клітинної мембрани
Товщина цієї рухомої оболонки варіюється в межах від шести до десяти наноміліметрів. Клітинна мембрана клітини має особливий склад, основою якого є ліпідний бислой. Гідрофобні хвости, інертні до води, розміщені з внутрішньої сторони, тоді як гідрофільні головки, що взаємодіють із водою, звернені назовні. Кожен ліпід являє собою фосфоліпід, який є результатом взаємодії таких речовин, як гліцерин та сфінгозин. Ліпідний каркас тісно оточують білки, які розташовані непорушним шаром. Деякі їх занурені в ліпідний шар, інші проходять крізь нього. Внаслідок цього утворюються проникні для води ділянки. Функції, що виконуються цими білками, різні. Деякі їх є ферментами, інші - транспортними білками, які переносять різні речовини із довкілля на цитоплазму і назад.
Клітинна мембрана наскрізь пронизана і тісно пов'язана інтегральними білками, і з переферичними зв'язок менш міцна. Ці білки виконують важливу функцію, яка полягає у підтримці структури мембрани, отриманні та перетворенні сигналів з навколишнього середовища, транспорті речовин, каталізації реакцій, що відбуваються на мембранах.
склад
Основу клітинної мембрани є бімолекулярний шар. Завдяки його безперервності клітина має бар'єрну та механічну властивості. На різних етапах життєдіяльності цей бислой може порушитися. Внаслідок цього утворюються структурні дефекти наскрізних гідрофільних пір. У такому разі можуть змінюватися абсолютно всі функції такої складової, як клітинна мембрана. Ядро може постраждати від зовнішніх впливів.
Властивості
Клітинна мембрана клітини має цікаві особливості. Завдяки плинності ця оболонка не є жорсткою структурою, а основна частина білків та ліпідів, що входять до її складу, вільно переміщається на площині мембрани.
Загалом клітинна мембрана асиметрична, тому склад білкових та ліпідних шарів відрізняється. Плазматичні мамбрани у тваринних клітинах зі свого зовнішнього боку мають глікопротеїновий шар, який виконує рецепторні та сигнальні функції, а також відіграє велику роль у процесі об'єднання клітин у тканину. Клітинна мембрана є полярною, тобто на зовнішній стороні заряд позитивний, а з внутрішньої сторони - негативний. Крім всього перерахованого, оболонка клітини має вибіркову проникливість.
Це означає, що крім води в клітину пропускається тільки певна група молекул і іонів речовин, що розчинилися. Концентрація такої речовини, як натрій, у більшості клітин значно нижча, ніж у зовнішньому середовищі. Для іонів калію характерне інше співвідношення: їх кількість у клітині набагато вища, ніж у навколишньому середовищі. У зв'язку з цим іони натрію властиво прагнення проникнути в клітинну оболонку, а іони калію прагнуть звільнитися назовні. За цих обставин мембрана активізує особливу систему, яка виконує «насосну» роль, вирівнюючи концентрацію речовин: іони натрію відкачуються на поверхню клітини, а іони калію накачуються всередину. Ця особливість входить у найважливіші функції клітинної мембрани.
Подібне прагнення іонів натрію та калію переміститися всередину з поверхні відіграє велику роль у питанні транспортування цукру та амінокислот у клітину. У процесі активного видалення іонів натрію з клітини мембрана створює умови нових надходжень глюкози і амінокислот всередину. Навпаки, у процесі перенесення іонів калію всередину клітини поповнюється кількість "транспортувальників" продуктів розпаду зсередини клітини у зовнішнє середовище.
Як відбувається харчування клітини через клітинну мембрану?
Багато клітин поглинають речовини за допомогою таких процесів, як фагоцитоз і піноцитоз. При першому варіанті гнучкою зовнішньою мембраною створюється невелике заглиблення, в якому виявляється захоплююча частка. Потім діаметр поглиблення стає більшим, поки оточена частка не потрапить у клітинну цитоплазму. За допомогою фагоцитозу підживлюються деякі найпростіші, наприклад, амеби, а також кров'яні тільця – лейкоцити та фагоцити. Аналогічним чином клітини поглинають рідину, яка містить корисні речовини. Таке явище називається піноцитоз.
Зовнішня мембрана тісно пов'язана з ендоплазматичною мережею клітини.
У багатьох типів основних складових тканини на поверхні мембрани розташовані виступи, складки, мікроворсинки. Рослинні клітини зовні цієї оболонки покриті ще однією, товстою та чітко помітною в мікроскоп. Клітковина, з якої вони складаються, допомагає формувати опору тканин рослинного походження, наприклад, деревину. Клітини тварин також мають низку зовнішніх структур, які знаходяться поверх клітинної мембрани. Вони мають виключно захисний характер, приклад тому - хітин, що міститься в покривних клітинах комах.
Крім клітинної існує внутрішньоклітинна мембрана. Її функція полягає у поділі клітини на кілька спеціалізованих замкнутих відсіків - компартментів або органел, де має підтримуватися певне середовище.
Таким чином, неможливо переоцінити роль такої складової основної одиниці живого організму як клітинна мембрана. Будова та функції передбачають значне розширення загальної площі поверхні клітини, покращення обмінних процесів. До складу цієї молекулярної структури входять білки та ліпіди. Відокремлюючи клітину від довкілля, мембрана забезпечує її цілісність. З її допомогою міжклітинні зв'язки підтримуються досить міцному рівні, утворюючи тканини. У зв'язку з цим можна дійти невтішного висновку, що з найважливіших ролей у клітині грає клітинна мембрана. Будова та функції, що виконуються нею, радикально відрізняються у різних клітинах, залежно від їх призначення. За допомогою цих особливостей досягається різноманітність фізіологічної активності клітинних оболонок та його ролей існування клітин і тканин.
Короткий опис:
Сазонов В.Ф. 1_1 Будова клітинної мембрани [Електронний ресурс] // Кінезіолог, 2009-2018: [сайт]. Дата поновлення: 06.02.2018..__.201_). _Описано будову та функціонування клітинної мембрани (синоніми: плазмалема, плазмолема, біомембрана, клітинна оболонка, зовнішня клітинна оболонка, мембрана клітини, цитоплазматична мембрана). Ці початкові відомості необхідні як цитології, так розуміння процесів нервової діяльності: нервового порушення, гальмування, роботи синапсів і сенсорних рецепторів.
Клітинна мембрана (плазм алема чи плазм олема)
Визначення поняття
Клітинна мембрана (синоніми: плазмалема, плазмолема, цитоплазматична мембрана, біомембрана) - це потрійна ліпопротеїнова (тобто "жиро-білкова") оболонка, що відокремлює клітину від навколишнього середовища і здійснює керований обмін і зв'язок між клітиною та навколишнім середовищем.
Головне в цьому визначенні - не те, що мембрана відокремлює клітину від середовища, а саме те, що вона з'єднує клітини з навколишнім середовищем. Мембрана – це активна структура клітини, вона постійно працює.
Біологічна мембрана - це ультратонка бімолекулярна плівка фосфоліпідів, інкрустована білками та полісахаридами. Ця клітинна структура є основою бар'єрних, механічних і матричних властивостей живого організму (Антонов В.Ф., 1996).
Образне уявлення про мембрану
Мені клітинна мембрана представляється у вигляді гратчастого паркану з безліччю дверей у ньому, що оточує якусь територію. Будь-яка дрібна живність може через цей паркан вільно переміщатися туди й назад. Але більші відвідувачі можуть входити тільки через двері, та й то не всякі. У різних відвідувачів ключі тільки від своїх дверей і через чужі двері вони проходити не можуть. Так ось через цей паркан постійно йдуть потоки відвідувачів туди й назад, тому що головна функція мембрани-огорож подвійна: відокремлювати територію від навколишнього простору і в той же час з'єднувати її з навколишнім простором. Для цього і існує в паркані безліч отворів та дверей. !
Властивості мембрани
1. Проникність.
2. Напівпроникність (часткова проникність).
3. Виборча (синонім: селективна) проникність.
4. Активна проникність (синонім: активний транспорт).
5. Керована проникність.
Як бачимо, основна властивість мембрани - це її проникність по відношенню до різних речовин.
6. Фагоцитоц та піноцитоз.
7. Екзоцитоз.
8. Наявність електричних та хімічних потенціалів, точніше різниці потенціалів між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани. Образно можна сказати, що "мембрана перетворює клітину на "електричну батарейку" за допомогою управління іонними потоками". Подробиці: .
9. Зміни електричного та хімічного потенціалу.
10. Подразливість. Спеціальні молекулярні рецептори, що знаходяться на мембрані, можуть з'єднуватися з сигнальними (керуючими) речовинами, внаслідок чого може змінюватися стан мембрани та всієї клітини. Молекулярні рецептори запускають біо хімічні реакціїу відповідь на поєднання з ними лігандів (керівників). Важливо, що сигнальна речовина впливає на рецептор зовні, а зміни продовжуються всередині клітини. Виходить, що мембрана передала інформацію з довкілля у внутрішнє середовище клітини.
11. Каталітична ферментативна активність. Ферменти можуть бути вбудовані в мембрану або пов'язані з її поверхнею (як усередині, так і зовні клітини), і вони здійснюють свою ферментативну діяльність.
12. Зміна форми поверхні та її площі. Це дозволяє мембрані утворювати вирости назовні або, навпаки, вп'ячування всередину клітини.
13. Здатність утворювати контакти коїться з іншими клітинними мембранами.
14. Адгезія – здатність прилипати до твердих поверхонь.
Короткий перелік властивостей мембрани
- Проникність.
- Ендоцитоз, екзоцитоз, трансцитоз.
- Потенціали.
- Подразливість.
- Ферментна активність.
- Контакти.
- Адгезія.
Функції мембрани
1. Неповна ізоляція внутрішнього вмісту від довкілля.
2. Головне у роботі клітинної мембрани - це обмін різними речовинами між клітиною та міжклітинним середовищем. Цьому служить така властивість мембрани як проникність. Крім того, мембрана регулює цей обмін за рахунок того, що регулює свою проникність.
3. Ще одна важлива функція мембрани – створення різниці хімічних та електричних потенціалів між її внутрішньою та зовнішньою сторонами. За рахунок цього всередині клітина має негативний електричний потенціал - .
4. Через мембрану здійснюється також інформаційний обмін між клітиною та навколишнім її середовищем. Спеціальні молекулярні рецептори, розташовані на мембрані, можуть зв'язуватися з керуючими речовинами (гормонами, медіаторами, модуляторами) і запускати в клітині біохімічні реакції, що призводять до різних змін у роботі клітини або її структурах.
Відео:Будова мембрани клітини
Відеолекція:Детально про будову мембрани та транспорт
Будова мембрани
Клітинна мембрана має універсальне тришарове будову. Її серединний жировий шар суцільний, а верхній і нижній білкові шари покривають його у вигляді мозаїки з окремих білкових ділянок. Жировий шар є основою, що забезпечує відокремлення клітини від навколишнього середовища, що ізолює її від навколишнього середовища. Сам по собі він дуже погано пропускає водорозчинні речовини, але легко пропускає жиророзчинні. Тому проникність мембрани для водорозчинних речовин (наприклад, іонів) доводиться забезпечувати спеціальними білковими структурами - і .
Нижче представлені мікрофотографії реальних клітинних мембран контактуючих клітин, отримані за допомогою електронного мікроскопа, а також схематичний малюнок, що показує тришаровість мембрани та мозаїчність її білкових шарів. Щоб збільшити зображення, натисніть на нього.
Окреме зображення внутрішнього ліпідного (жирового) шару клітинної мембрани, пронизаного вбудованими інтегральними білками. Верхній та нижній білкові шари видалені, щоб не заважати розгляду ліпідного подвійного шару
Рисунок вище: Неповне схематичне зображення клітинної мембрани (клітинної оболонки), наведене у Вікіпедії.
Врахуйте, що зовнішній і внутрішній білкові шари тут з мембрани зняті, щоб нам краще було видно центральний подвійний жировий ліпідний шар. У реальній клітинній мембрані зверху і знизу жировою плівочкою (дрібні кульки на малюнку) плавають великі білкові "острова", і мембрана виходить більш товстою, тришаровою: білок-жир-білок . Тож вона насправді схожа на сендвіч із двох білкових " шматків хліба " з жирним шаром " олії " посередині, тобто. має тришарову будову, а не двошарову.
На цьому малюнку маленькі блакитні та білі кульки відповідають гідрофільним (змочуваним) «головкам» ліпідів, а приєднані до них «ниточки» - гідрофобним (несмачуваним) «хвостам». З білків показані лише інтегральні наскрізні мембранні білки (червоні глобули та жовті спіралі). Жовті овальні точки всередині мембрани - це молекули холестеролу. Глікокалікс - це як би вуглеводний ("цукровий") "пушок" на мембрані, утворений довгими вуглеводно-білковими молекулами, що стирчать з неї.
Жива - це маленький «білково-жировий мішечок», заповнений напіврідким желеподібним вмістом, пронизаним плівками і трубочками.
Стінки цього мішечка утворені подвійною жировою (ліпідною) плівочкою, обліпленою зсередини та зовні білками – клітинною мембраною. Тому кажуть, що мембрана має тришарова будова : білки-жири-білки. Усередині клітини є безліч подібних жирових мембран, які ділять її внутрішній простір на відсіки. Такими ж мембранами оточені клітинні органели: ядро, мітохондрії, хлоропласти. Так що мембрана – це універсальна молекулярна структура, властива всім клітинам та всім живим організмам.
Зліва - вже не реальна, а штучна модель шматочка біологічної мембрани: це миттєвий знімок жирового фосфоліпідного бислоя (тобто подвійного шару) в процесі його молекулярно-динамічного моделювання. Показано розрахунковий осередок моделі - 96 молекул ФГ ( фосфатидил холина) та 2304 молекули води, всього 20544 атомів.
Праворуч - наочна модель одиночної молекули того самого ліпіду, з яких таки збирається мембранний ліпідний бислой. Вгорі у нього гідрофільна (водолюбна) голівка, а знизу - два гідрофобних (бояться води) хвостика. У цього ліпіду є проста назва: 1-стероїл-2-докозагексаєноіл-Sn-гліцеро-3-фосфатидилхолін (18:0/22:6(n-3)cis ФГ), але вам немає потреби його запам'ятовувати, якщо ви тільки не плануєте довести свого викладача до непритомності глибиною своїх знань.
Можна дати і більш точне наукове визначення клітини:
– це обмежена активною мембраною, упорядкована, структурована неоднорідна система біополімерів, що беруть участь у єдиній сукупності обмінних, енергетичних та інформаційних процесів, а також здійснюють підтримку та відтворення всієї системи загалом.
Усередині клітина також пронизана мембранами, а між мембранами знаходиться не вода, а в'язкий гель/золь щільності, що змінюється. Тому взаємодіючі молекули в клітині не плавають вільно, як у пробірці з водним розчином, а переважно сидять (іммобілізовані) на полімерних структурах цитоскелета або внутрішньоклітинних мембранах. І хімічні реакції тому проходять усередині клітини майже як у твердому тілі, а чи не в рідині. Зовнішня мембрана, що оточує клітину, також обліплена ферментами та молекулярними рецепторами, що робить її дуже активною частиною клітини.
Клітинна мембрана (плазмалема, плазмолема) - це активна оболонка, що відокремлює клітину від навколишнього середовища і зв'язує її з навколишнім середовищем. © Сазонов В.Ф., 2016.
З цього визначення мембрани випливає, що вона не просто обмежує клітину, а активно працює, пов'язуючи її з навколишнім середовищем.
Жир, з якого складаються мембрани, – особливий, тому його молекули прийнято називати не просто жиром, а «ліпідами», «фосфоліпідами», «сфінголіпідами». Мембранна плівочка є подвійною, тобто вона складається з двох плівочок, що злиплися один з одним. Тому в підручниках пишуть, що основа клітинної мембрани складається з двох ліпідних шарів (або " бішару", тобто подвійного шару). У кожного окремо взятого ліпідного шару одна сторона може змочуватися водою, а інша - не може.
Мембрана бактерій
Оболонка прокаріотичної клітини грамнегативних бактерій складається з кількох шарів, показаних нижче.
Шари оболонки грамнегативних бактерій:
1. Внутрішня тришарова цитоплазматична мембрана, яка стикається з цитоплазмою.
2. Клітинна стінка, що складається з муреїну.
3. Зовнішня тришарова цитоплазматична мембрана, яка має таку систему ліпідів з білковими комплексами, як і внутрішня мембрана.
Спілкування грамнегативних бактеріальних клітин із зовнішнім світом через таку складну триступеневу структуру не дає їм переваги у виживанні за суворих умов порівняно з грампозитивними бактеріями, що мають менш потужну оболонку. Вони так само погано переносять високі температури, підвищену кислотністьта перепади тиску.
Відеолекція:Плазматична мембрана. Є.В. Шеваль, к.б.н.
Відеолекція:Мембрана як клітинна межа. А. Іляскін
Важливість іонних каналів мембрани
Легко зрозуміти, що через мембранну жирову плівку можуть проникати у клітину лише жиророзчинні речовини. Це жири, спирти, гази.Наприклад, в еритроцитах прямо через мембрану легко проходять всередину та назовні кисень та вуглекислий газ. А ось вода та водорозчинні речовини (наприклад, іони) просто так через мембрану не можуть пройти всередину будь-якої клітини. Це означає, що їм потрібні спеціальні отвори. Але якщо просто зробити отвір у жировій плівці, воно відразу затягнеться назад. Що ж робити? Вихід у природі було знайдено: треба зробити спеціальні білкові транспортні структури та протягнути їх крізь мембрану. Саме так і виходять канали для пропускання нерозчинних у жирі речовин – іонні канали мембрани клітини.
Отже, для надання своїй мембрані додаткових властивостей проникності для полярних молекул (іонів і води) клітина синтезує в цитоплазмі спеціальні білки, які потім вбудовуються в мембрану. Вони бувають двох типів: білки-транспортери (наприклад, транспортні АТФази) та білки-каналоформери (Утворювачі каналів). Ці білки вбудовуються в подвійний жировий шар мембрани і формують транспортні структури у вигляді транспортерів або у вигляді іонних каналів. Через ці транспортні структури тепер можуть проходити різні водорозчинні речовини, які інакше проходити крізь жирову мембранну плівку не можуть.
Взагалі вбудовані в мембрану білки ще називаються інтегральними, Саме тому що вони як би включаються до складу мембрани і пронизують її наскрізь. Інші білки, не інтегральні, утворюють хіба що острови, «плаваючі» поверхнею мембрани: або з її зовнішньої поверхні, або з внутрішньої. Адже всім відомо, що жир є гарним мастилом і ковзати по ньому виходить легко!
Висновки
1. В цілому, мембрана виходить тришаровою:
1) зовнішній шар з білкових «острівів»,
2) жирове двошарове «море» (ліпідний бислой), тобто. подвійна ліпідна плівка,
3) внутрішній шар із білкових «острівів».
Але є ще пухкий зовнішній шар - глікоколікс, який утворюють глікопротеїни, що стирчать з мембрани. Вони є молекулярними рецепторами, з якими зв'язуються сигнальні речовини, що управляють.
2. У мембрану вбудовані спеціальні білкові структури, що забезпечують її протиціння для іонів або інших речовин. Не слід забувати, що в деяких місцях жирове море пронизане інтегральними білками наскрізь. І саме інтегральні білки утворюють спеціальні транспортні структури клітинної мембрани (див. розділ 1_2 Транспортні механізми мембрани). Через них речовини потрапляють усередину клітини, а також виводяться із клітини назовні.
3. З будь-якої сторони мембрани (зовнішньої та внутрішньої), а також усередині мембрани можуть розташовуватися білки-ферменти, які впливають і на стан самої мембрани і життя всієї клітини.
Так що мембрана клітини - це активна мінлива структура, яка активно працює на користь усієї клітини і пов'язує її з навколишнім світом, а не просто є "захисною оболонкою". Це найважливіше, що треба знати про клітинну мембрану.
У медицині мембранні білки найчастіше використовуються як “мішені” для лікарських засобів. Як такі мішені виступають рецептори, іонні канали, ферменти, транспортні системи. Останнім часом крім мембрани мішенню для лікарських речовинстають також гени, заховані у клітинному ядрі.
Відео:Введення у біофізику клітинної мембрани: Структура мембран 1 (Владимиров Ю.А.)
Відео:Історія, будова та функції клітинної мембрани: Структура мембран 2 (Володимиров Ю.А.)
© 2010-2018 Сазонов В.Ф., © 2010-2016 kineziolog.bodhy.
13. Біологічні мембрани клітини. Їх властивості, будова та функції.
Плазматична мембрана , або плазмалема,- Найбільш постійна, основна, універсальна всім клітин мембрана. Вона є найтоншою (близько 10 нм) плівкою, що покриває всю клітину. Плазмалемма складається з молекул білків та фосфоліпідів (рис. 1.6).
Молекули фосфоліпідів розташовані у два ряди - гідрофобними кінцями всередину, гідрофільними головками до внутрішнього та зовнішнього водного середовища. В окремих місцях бислой (подвійний шар) фосфоліпідів наскрізь пронизаний білковими молекулами (інтегральні білки). Усередині таких білкових молекул є канали - пори, якими проходять водорозчинні речовини. Інші білкові молекулипронизують бислой ліпідів наполовину з одного або з іншого боку (напівінтегральні білки). На поверхні мембран еукаріотів є периферичні білки. Молекули ліпідів та білків утримуються завдяки гідрофільно-гідрофобним взаємодіям.
Властивості та функції мембран.Усі клітинні мембрани є рухомі текучі структури, оскільки молекули ліпідів і білків не пов'язані між собою ковалентними зв'язками і здатні досить швидко переміщатися в площині мембрани. Завдяки цьому мембрани можуть змінювати свою конфігурацію, тобто мають плинність.
Мембрани – структури дуже динамічні. Вони швидко відновлюються після пошкодження, а також розтягуються та стискаються при клітинних рухах.
Мембрани різних типів клітин істотно відрізняються як за хімічного складу, і за відносним вмістом у яких білків, глікопротеїнів, ліпідів, отже, і характером наявних у яких рецепторів. Кожен тип клітин тому характеризується індивідуальністю, яка визначається переважно глікопротеїни.Розгалужені ланцюги глікопротеїнів, що виступають з клітинної мембрани, беруть участь у розпізнавання факторівдовкілля, і навіть у взаємному впізнанні споріднених клітин. Наприклад, яйцеклітина і сперматозоїд впізнають один одного по глікопротеїнів клітинної поверхні, які підходять один до одного як окремі елементи цільної структури. Таке взаємне впізнавання – необхідний етап, що передує заплідненню.
Подібне явище спостерігається в процесі диференціювання тканин. В цьому випадку подібні за будовою клітини за допомогою ділянок плазмалеми, що розпізнають, правильно орієнтуються відносно один одного, забезпечуючи тим самим їх зчеплення і утворення тканин. З розпізнаванням пов'язана і регуляція транспортумолекул та іонів через мембрану, а також імунологічну відповідь, в якій глікопротеїни відіграють роль антигенів. Цукру, таким чином, можуть функціонувати як інформаційні молекули (подібно до білків і нуклеїнових кислот). У мембранах містяться специфічні рецептори, переносники електронів, перетворювачі енергії, ферментні білки. Білки беруть участь у забезпеченні транспорту певних молекул всередину клітини або з неї, здійснюють структурний зв'язок цитоскелета з клітинними мембранами або служать як рецептори для отримання і перетворення хімічних сигналів з навколишнього середовища.
Найважливішою властивістю мембрани є також виборча проникність.Це означає, що молекули та іони проходять через неї з різною швидкістю, і чим більший розмір молекул, тим менша швидкість проходження їх через мембрану. Ця властивість визначає плазматичну мембрану як осмотичний бар'єрМаксимальну проникаючу здатність має вода і розчинені в ній гази; значно повільніше проходять крізь мембрану іони. Дифузія води через мембрану називається осмосом.
Існує кілька механізмів транспортування речовин через мембрану.
Дифузія-проникнення речовин через мембрану по градієнту концентрації (з області, де їхня концентрація вище, в область, де їхня концентрація нижче). Дифузний транспорт речовин (води, іонів) здійснюється за участю білків мембрани, в яких є молекулярні пори або за участю ліпідної фази (для жиророзчинних речовин).
При полегшеній дифузіїспеціальні мембранні білки-переносники вибірково зв'язуються з тим чи іншим іоном або молекулою і переносять їх через мембрану за градієнтом концентрації.
Активний транспортпов'язаний із витратами енергії та служить для перенесення речовин проти їх градієнта концентрації. Вінздійснюється спеціальними білками-переносниками, що утворюють так звані іонні насосиНайбільш вивченим є Na - / К - насос в клітинах тварин, що активно викачують іони Na + назовні, поглинаючи при цьому іони К -. Завдяки цьому в клітині підтримується більша концентрація К - і менша Na + в порівнянні з навколишнім середовищем. На цей процес витрачається енергія АТФ.
В результаті активного транспорту за допомогою мембранного насоса в клітині відбувається також регулювання концентрації Mg 2- і Са 2+ .
У процесі активного транспорту іонів у клітину через цитоплазматичну мембрану проникають різні цукру, нуклеотиди, амінокислоти.
Макромолекули білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпопротеїдні комплекси та ін крізь клітинні мембрани не проходять, на відміну від іонів та мономерів. Транспорт макромолекул, їх комплексів та частинок всередину клітини відбувається зовсім іншим шляхом – за допомогою ендоцитозу. При ендоці-тозе (...- всередину) певний ділянку плазмалеми захоплює і як би обволікає позаклітинний матеріал, укладаючи його в мембранну вакуолю, що виникла внаслідок втягування мембрани. Надалі така вакуоль з'єднується з лізосомою, ферменти якої розщеплюють макромолекули до мономерів.
Процес, зворотний до ендоцитозу, - екзоцитоз (екзоцитоз)- назовні). Завдяки йому клітина виводить внутрішньоклітинні продукти або неперетравлені залишки, укладені у вакуолі або пу-
зірки. Пухирець підходить до цитоплазматичної мембрани, зливається з нею, а його вміст виділяється в навколишнє середовище. Гак виводяться травні ферменти, гормони, геміцел-люлоза та ін.
Таким чином, біологічні мембрани як основні структурні елементи клітини служать не просто фізичними межами, а є динамічними функціональними поверхнями. На мембранах органел здійснюються численні біохімічні процеси, такі як активне поглинання речовин, перетворення енергії, синтез АТФ та ін.
Функції біологічних мембраннаступні:
Відмежовують вміст клітини від зовнішнього середовища та вміст органел від цитоплазми.
Забезпечують транспорт речовин у клітину та з неї, з цитоплазми до органел і навпаки.
Виконують роль рецепторів (отримання та перетворення сит-налів з навколишнього середовища, впізнавання речовин клітин і т. д.).
Є каталізаторами (забезпечення примембранних хімічних процесів).
Беруть участь у перетворенні енергії.
Зовні клітина покрита плазматичною мембраною (або зовнішньою клітинною мембраною) завтовшки близько 6-10нм.
Клітинна мембрана це щільні плівки з білків та ліпідів (в основному фосфоліпідів). Молекули ліпідів розташовані впорядковано - перпендикулярно до поверхні, у два шари, так, що їх частини, що інтенсивно взаємодіють з водою (гідрофільні), спрямовані назовні, а частини, інертні до води (гідрофобні) - всередину.
Молекули білка розташовані несплошним шаром лежить на поверхні ліпідного каркаса з обох його сторін. Частина їх занурена в ліпідний шар, а деякі проходять через нього наскрізь, утворюючи ділянки, що проникають для води. Ці білки виконують різні функції - одні з них є ферментами, інші - транспортними білками, що беруть участь у перенесенні деяких речовин з навколишнього середовища до цитоплазми та у зворотному напрямку.
Основні функції клітинної мембрани
Однією з основних властивостей біологічних мембран є вибіркова проникність (напівпроникність)- одні речовини проходять через них важко, інші легко і навіть у бік більшої концентрації Так, для більшості клітин концентрація іонів Na всередині значно нижча, ніж у навколишньому середовищі. Для іонів K характерне зворотне співвідношення: їхня концентрація всередині клітини вища, ніж зовні. Тому іони Na завжди прагнуть проникнути у клітину, а іони K – вийти назовні. Вирівнюванню концентрацій цих іонів перешкоджає присутність у мембрані особливої системи, що відіграє роль насоса, який відкачує іони Na з клітини і одночасно накачує іони K всередину.
Прагнення іонів Na до переміщення зовні всередину використовується для транспортування цукрів та амінокислот усередину клітини. При активному видаленні іонів Na із клітини створюються умови для надходження глюкози та амінокислот усередину її.
У багатьох клітин поглинання речовин відбувається також шляхом фагоцитозу та піноцитозу. При фагоцитозгнучка зовнішня мембрана утворює невелике поглиблення, куди потрапляє частинка, що захоплюється. Це поглиблення збільшується, і оточена ділянкою зовнішньої мембрани частка занурюється в цитоплазму клітини. Явище фагоцитозу властиве амебам та деяким іншим найпростішим, а також лейкоцитам (фагоцитам). Аналогічно відбувається і поглинання клітинами рідин, що містять необхідні клітини речовини. Це явище було названо піноцитозом.
Зовнішні мембрани різних клітин суттєво відрізняються як за хімічним складом своїх білків та ліпідів, так і за їх відносним змістом. Саме ці особливості визначають різноманітність у фізіологічній активності мембран різних клітин та їх роль, у життєдіяльності клітин та тканин.
Із зовнішньою мембраною пов'язана ендоплазматична мережа клітини. З допомогою зовнішніх мембран здійснюються різні типи міжклітинних контактів, тобто. зв'язок між окремими клітинами.
Для багатьох типів клітин характерна наявність на їхній поверхні великої кількості виступів, складок, мікроворсинок. Вони сприяють як значному збільшенню площі поверхні клітин та покращенню обміну речовин, так і більш міцним зв'язкам окремих клітин один з одним.
У рослинних клітин зовні клітинної мембрани є товсті, добре помітні в оптичний мікроскоп оболонки, що складаються з клітковини (целюлози). Вони утворюють міцну опору рослинним тканинам (деревина).
Деякі клітини тваринного походження теж мають низку зовнішніх структур, що знаходяться поверх клітинної мембрани та мають захисний характер. Прикладом може бути хітин покривних клітин комах.
Функції клітинної мембрани (коротко)
| Функція | Опис |
|---|---|
| Захисний бар'єр | Відокремлює внутрішні органели клітини від зовнішнього середовища |
| Регулююча | Здійснює регуляцію обміну речовин між внутрішнім вмістом клітини та зовнішнім середовищем. |
| Розмежуюча (компартменталізація) | Поділ внутрішнього простору клітини на незалежні блоки (компартменти) |
| Енергетична | - накопичення та трансформація енергії; - світлові реакції фотосинтезу у хлоропластах; - Всмоктування та секреція. |
| Рецепторна (інформаційна) | Бере участь у формуванні збудження та його проведення. |
| Двигуна | Здійснює рух клітини чи її частин. |
Ні для кого не секрет, що всі живі істоти на нашій планеті складаються з їх клітин, цих незліченних органічної матерії. Клітини ж у свою чергу оточені спеціальною захисною оболонкою – мембраною, що грає дуже важливу роль у життєдіяльності клітини, причому функції клітинної мембрани не обмежуються лише захистом клітини, а є складним механізмом, що бере участь у розмноженні, харчуванні, регенерації клітини.
Що таке клітинна мембрана
Саме слово «мембрана» з латині перекладається як «плівка», хоча мембрана є не просто свого роду плівкою, в яку обгорнута клітина, а сукупність двох плівок, з'єднаних між собою і з різними властивостями. Насправді клітинна мембрана це тришарова ліпопротеїнова (жиро-білкова) оболонка, що відокремлює кожну клітину від сусідніх клітин та навколишнього середовища, і здійснює керований обмін між клітинами та навколишнім середовищем, так звучить академічне визначення того, що являє собою клітинна мембрана.
Значення мембрани просто величезне, адже вона не просто відокремлює одну клітину від іншої, а й забезпечує взаємодію клітини як з іншими клітинами, так і навколишнім середовищем.
Історія дослідження клітинної мембрани
Важливий внесок у дослідження клітинної мембрани було зроблено двома німецькими вченими Гортером та Гренделем у далекому 1925 році. Саме тоді їм вдалося провести складний біологічний експеримент над червоними кров'яними тільцями – еритроцитами, в ході яких вчені отримали так звані «тіні», порожні оболонки еритроцитів, які склали в одну стопку та виміряли площу поверхні, а також вирахували кількість ліпідів у них. На підставі отриманої кількості ліпідів вчені прийшли до висновку, що їх вистачає на подвійний шар клітинної мембрани.
В 1935 ще одна пара дослідників клітинної мембрани, цього разу американці Даніель і Доусон після цілої серії довгих експериментів встановили вміст білка в клітинній мембрані. Інакше ніяк не можна було пояснити, чому мембрана має такий високий показник поверхневого натягу. Вчені дотепно представили модель клітинної мембрани у вигляді сендвіча, в якому роль хліба грають однорідні ліпідо-білкові шари, а між ними замість олії – порожнеча.
У 1950 році з появою електронного теорію Даніеля та Доусона вдалося підтвердити вже практичними спостереженнями – на мікрофотографіях клітинної мембрани були чітко видно шари з ліпідних та білкових головок і також порожній простір між ними.
У 1960 році американський біолог Дж. Робертсон розробив теорію про тришарову будову клітинних мембран, яка довгий час вважалася єдиною вірною, але з подальшим розвитком науки стали з'являтися сумніви в її непогрішності. Так, наприклад, з погляду клітин було б складно і трудомістко транспортувати необхідні корисні речовини через весь «сендвіч»
І лише в 1972 році американські біологи С. Сінгер і Г. Ніколсон змогли пояснити нестикування теорії Робертсона за допомогою нової рідинно-мозаїчної моделі клітинної мембрани. Зокрема вони встановили, що клітинна мембрана не однорідна за своїм складом, більше того – асиметрична і наповнена рідиною. До того ж клітини перебувають у постійному русі. А горезвісні білки, які входять до складу клітинної мембрани мають різні будови та функції.
Властивості та функції клітинної мембрани
Тепер давайте розберемо, які функції виконує клітинна мембрана:
Бар'єрна функція клітинної мембрани – мембрана як справжнісінький прикордонник, стоїть на варті кордонів клітини, затримуючи, не пропускаючи шкідливі або просто невідповідні молекули
Транспортна функція клітинної мембрани – мембрана не лише прикордонником біля воріт клітини, а й своєрідним митним пропускним пунктом, крізь неї постійно проходить обмін корисними речовинами коїться з іншими клітинами і довкіллям.
Матрична функція – саме клітинна мембрана визначає розташування одне одного, регулює взаємодію між ними.
Механічна функція відповідає за обмеження однієї клітини від іншої і паралельно за правильно з'єднання клітин один з одним, за формування їх в однорідну тканину.
Захисна функція клітинної мембрани є основою побудови захисного щита клітини. У природі прикладом цієї функції може бути тверда деревина, щільна шкірка, захисний панцир, все це завдяки захисній функції мембрани.
Ферментативна функція – ще одна важлива функція, яку здійснюють деякі білки клітини. Наприклад, завдяки цій функції в епітелії кишечника відбувається синтез травних ферментів.
Крім того через клітинну мембрану здійснюється клітинний обмін, який може проходити трьома різними реакціями:
- Фагоцитоз - це клітинний обмін, при якому вбудовані в мембрану клітини-фагоцити захоплюють та перетравлюють різні поживні речовини.
- Піноцитоз - це процес захоплення мембраною клітини, що стикаються з нею молекули рідини. Для цього на поверхні мембрани утворюються спеціальні вусики, які ніби оточують краплю рідини, утворюючи бульбашку, яка згодом «ковтається» мембраною.
- Екзоцитоз – це зворотний процес, коли клітина через мембрану виділяє секреторну функціональну рідину на поверхню.
Будова клітинної мембрани
У клітинній мембрані є ліпіди трьох класів:
- фосфоліпіди (є комбінацією жирів і ),
- гліколіпіди (є комбінацією жирів і вуглеводів),
- холестерол.
Фосфоліпіди і гліколіпіди у свою чергу складаються з гідрофільної головки, в яку відходять два довгі гідрофобні хвостики. Холестерол займає простір між цими хвостиками, не даючи їм згинатися, все це в деяких випадках робить мембрану певних клітин дуже жорсткою. Крім цього молекули холестеролу впорядковують структуру клітинної мембрани.
Але як би там не було, а найважливішою частиною будови клітинної мембрани є білок, точніше різні білки, що грають різні важливі ролі. Незважаючи на різноманітність білків, що містяться в мембрані, є щось, що їх об'єднує – навколо всіх білків мембрани розташовані аннулярні ліпіди. Анулярні ліпіди – це особливі структуровані жири, які є своєрідною захисною оболонкою для білків, без якої вони просто не працювали.
Структура клітинної мембрани має три шари: основу клітинної мембрани становить однорідний рідкий шар біліпіду. Білки ж покривають його з обох боків на кшталт мозаїки. Саме білки крім описаних вище функцій також грають роль своєрідних каналів, якими крізь мембрану проходять речовини, нездатні проникнути через рідкий шар мембрани. До таких відносяться, наприклад, іони калію та натрію, для їх проникнення через мембрану природою передбачені спеціальні іонні канали клітинних мембран. Іншими словами білки забезпечують проникність клітинних мембран.
Якщо дивитися на клітинну мембрану через мікроскоп, ми побачимо шар ліпідів, утворений маленькими кулястими молекулами яким плавають немов морем білки. Тепер ви знаєте які речовини входять до складу клітинної мембрани.
Клітинна мембрана, відео
І на завершення освітнє відео про клітинну мембрану.
Ця стаття доступна на англійській мові – .