La función principal de la membrana. Membrana celular: su estructura y funciones.

Según sus características funcionales, la membrana celular se puede dividir en 9 funciones que realiza.
Funciones de la membrana celular:
1. Transporte. Transporta sustancias de una célula a otra;
2. Barrera. Tiene permeabilidad selectiva, asegura el metabolismo necesario;
3. Receptor. Algunas proteínas que se encuentran en la membrana son receptores;
4. Mecánico. Asegura la autonomía de la célula y de sus estructuras mecánicas;
5. Matriz. Asegura una interacción y orientación óptimas de las proteínas de la matriz;
6. Energía. Las membranas contienen sistemas de transferencia de energía durante la respiración celular en las mitocondrias;
7. Enzimático. Las proteínas de membrana a veces son enzimas. Por ejemplo, membranas celulares intestinales;
8. Marcado. La membrana contiene antígenos (glicoproteínas) que permiten la identificación celular;
9. Generando. Realiza la generación y conducción de biopotenciales.

Puedes ver cómo se ve una membrana celular usando el ejemplo de la estructura de una célula animal o vegetal.

La figura muestra la estructura de la membrana celular.
Los componentes de la membrana celular incluyen varias proteínas de la membrana celular (globulares, periféricas, de superficie), así como lípidos de la membrana celular (glicolípidos, fosfolípidos). También en la estructura de la membrana celular se encuentran carbohidratos, colesterol, glicoproteínas y proteínas alfa hélice.

Composición de la membrana celular

La composición principal de la membrana celular incluye:
1. Proteínas: responsables de diversas propiedades de la membrana;
2. Tres tipos de lípidos (fosfolípidos, glicolípidos y colesterol) responsables de la rigidez de las membranas.
Proteínas de la membrana celular:
1. Proteína globular;
2. Proteína de superficie;
3. Proteína periférica.

El objetivo principal de la membrana celular.

El objetivo principal de la membrana celular:
1. Regular el intercambio entre la célula y el medio ambiente;
2. Separar el contenido de cualquier celda del entorno externo, asegurando así su integridad;
3. Las membranas intracelulares dividen la célula en compartimentos cerrados especializados: orgánulos o compartimentos en los que se mantienen determinadas condiciones ambientales.

Estructura de la membrana celular

La estructura de la membrana celular es una solución bidimensional de proteínas integrales globulares disueltas en una matriz fosfolípida líquida. Este modelo de estructura de membrana fue propuesto por dos científicos Nicholson y Singer en 1972. Así, la base de las membranas es una capa lipídica bimolecular, con una disposición ordenada de moléculas, como se puede ver en.

El exterior de la célula está cubierto por una membrana plasmática (o membrana celular externa) de unos 6 a 10 nm de espesor.

La membrana celular es una película densa de proteínas y lípidos (principalmente fosfolípidos). Las moléculas de lípidos están dispuestas de manera ordenada: perpendicular a la superficie, en dos capas, de modo que sus partes que interactúan intensamente con el agua (hidrófilas) se dirigen hacia afuera y sus partes inertes al agua (hidrófobas) hacia adentro.

Las moléculas de proteínas se encuentran en una capa discontinua en la superficie de la estructura lipídica a ambos lados. Algunos de ellos se sumergen en la capa lipídica y otros la atraviesan formando zonas permeables al agua. Estas proteínas realizan varias funciones: algunas son enzimas, otras son proteínas de transporte involucradas en la transferencia de ciertas sustancias desde el medio ambiente al citoplasma y en la dirección opuesta.

Funciones básicas de la membrana celular.

Una de las principales propiedades de las membranas biológicas es la permeabilidad selectiva (semipermeabilidad)- algunas sustancias las atraviesan con dificultad, otras con facilidad e incluso en concentraciones más altas. Así, para la mayoría de las células, la concentración de iones Na en su interior es significativamente menor que en el medio ambiente. La relación opuesta es típica de los iones K: su concentración dentro de la célula es mayor que en el exterior. Por lo tanto, los iones Na siempre tienden a penetrar en la célula y los iones K siempre tienden a salir. La igualación de las concentraciones de estos iones se evita mediante la presencia en la membrana de un sistema especial que desempeña el papel de una bomba, que bombea iones Na fuera de la célula y simultáneamente bombea iones K al interior.

La tendencia de los iones Na a moverse del exterior al interior se utiliza para transportar azúcares y aminoácidos al interior de la célula. Con la eliminación activa de iones Na de la célula, se crean las condiciones para la entrada de glucosa y aminoácidos en ella.

En muchas células, las sustancias también se absorben mediante fagocitosis y pinocitosis. En fagocitosis la membrana exterior flexible forma una pequeña depresión en la que cae la partícula capturada. Este receso aumenta y, rodeada por una sección de la membrana externa, la partícula se sumerge en el citoplasma de la célula. El fenómeno de la fagocitosis es característico de las amebas y algunos otros protozoos, así como de los leucocitos (fagocitos). Las células absorben líquidos que contienen sustancias necesarias para la célula de forma similar. Este fenómeno fue llamado pinocitosis.

Las membranas externas de diferentes células difieren significativamente tanto en la composición química de sus proteínas y lípidos como en su contenido relativo. Son estas características las que determinan la diversidad en la actividad fisiológica de las membranas de varias células y su papel en la vida de las células y tejidos.

El retículo endoplásmico de la célula está conectado a la membrana externa. Con la ayuda de las membranas externas, se llevan a cabo varios tipos de contactos intercelulares, es decir, comunicación entre células individuales.

Muchos tipos de células se caracterizan por la presencia en su superficie de una gran cantidad de protuberancias, pliegues y microvellosidades. Contribuyen tanto a un aumento significativo de la superficie celular como a un mejor metabolismo, así como a conexiones más fuertes entre las células individuales entre sí.

Las células vegetales tienen membranas gruesas en el exterior de la membrana celular, claramente visibles al microscopio óptico, que consisten en fibra (celulosa). Crean un fuerte soporte para los tejidos vegetales (madera).

Algunas células animales también tienen una serie de estructuras externas ubicadas en la parte superior de la membrana celular y tienen una naturaleza protectora. Un ejemplo es la quitina de las células tegumentarias de los insectos.

Funciones de la membrana celular (brevemente)

La membrana celular se llama plasmalema o membrana plasmática. Las principales funciones de la membrana celular son mantener la integridad de la célula e interconectarse con el entorno externo.

Estructura

Las membranas celulares están formadas por estructuras de lipoproteínas (proteínas grasas) y tienen un espesor de 10 nm. Las paredes de la membrana están formadas por tres clases de lípidos:

• fosfolípidos - compuestos de fósforo y grasas;
• glicolípidos - compuestos de lípidos y carbohidratos;
• colesterol (colesterol) - alcohol graso.

Estas sustancias forman una estructura de mosaico líquido que consta de tres capas. Los fosfolípidos forman las dos capas exteriores. Tienen una cabeza hidrofílica de la que se extienden dos colas hidrofóbicas. Las colas se giran dentro de la estructura, formando una capa interior. Cuando el colesterol se incorpora a las colas de los fosfolípidos, la membrana se vuelve rígida.

Arroz. 1. Estructura de la membrana.

Entre los fosfolípidos se construyen glicolípidos que realizan una función receptora y dos tipos de proteínas:

• periférico (externo, superficial): ubicado en la superficie lipídica, sin penetrar profundamente en la membrana;
• integral - incrustados en diferentes niveles, pueden penetrar toda la membrana, solo la capa lipídica interna o externa;

Todas las proteínas se diferencian en su estructura y realizan diferentes funciones. Por ejemplo, los compuestos proteicos globulares tienen una estructura hidrófoba-hidrófila y realizan una función de transporte.

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Arroz. 2. Tipos de proteínas de membrana.

El plasmalema es una estructura fluida, porque los lípidos no están interconectados, sino que simplemente están dispuestos en densas filas. Gracias a esta propiedad, la membrana puede cambiar de configuración, ser móvil y elástica, y también transportar sustancias.

Funciones

¿Qué funciones realiza la membrana celular?

• barrera - separa el contenido de la célula del entorno externo;
• transporte - regula el metabolismo;
• enzimático - lleva a cabo reacciones enzimáticas;
• receptor - reconoce estímulos externos.

La función más importante es el transporte de sustancias durante el metabolismo. Las sustancias líquidas y sólidas ingresan constantemente a la célula desde el entorno externo. Salen productos metabólicos. Todas las sustancias atraviesan la membrana celular. El transporte se produce de varias formas, que se describen en la tabla.

Arroz. 3. Endocitosis y exocitosis.

El transporte activo de moléculas de sustancias (bomba de sodio-potasio) se lleva a cabo mediante estructuras proteicas integradas en la membrana y requiere energía en forma de ATP.

Puntuación media: 4.7. Calificaciones totales recibidas: 289.

Membrana celular externa (plasmalema, citolema, membrana plasmática) de células animales. cubierto en el exterior (es decir, en el lado que no está en contacto con el citoplasma) con una capa de cadenas de oligosacáridos unidas covalentemente a proteínas de membrana (glicoproteínas) y, en menor medida, a lípidos (glicolípidos). Este recubrimiento de membrana de carbohidratos se llama glicocalix. El propósito del glicocálix aún no está muy claro; Se supone que esta estructura participa en los procesos de reconocimiento intercelular.

En células vegetales En la parte superior de la membrana celular externa hay una densa capa de celulosa con poros, a través de la cual se produce la comunicación entre las células vecinas a través de puentes citoplasmáticos.

en las celdas hongos encima del plasmalema: una capa densa quitina.

Ud. bacterias – mureina.

Propiedades de las membranas biológicas.

1. Capacidad de autoensamblaje después de influencias destructivas. Esta propiedad está determinada por las propiedades fisicoquímicas de las moléculas de fosfolípidos, que en una solución acuosa se juntan de modo que los extremos hidrófilos de las moléculas se despliegan hacia afuera y los hidrófobos hacia adentro. Las proteínas se pueden incorporar en capas de fosfolípidos ya preparadas. La capacidad de autoensamblarse es importante a nivel celular.

2. Semipermeable(selectividad en la transmisión de iones y moléculas). Asegura el mantenimiento de la constancia de la composición iónica y molecular en la célula.

3. Fluidez de la membrana. Las membranas no son estructuras rígidas; fluctúan constantemente debido a los movimientos de rotación y vibración de las moléculas de lípidos y proteínas. Esto asegura una mayor tasa de procesos enzimáticos y otros procesos químicos en las membranas.

4. Los fragmentos de membrana no tienen extremos libres., mientras se cierran formando burbujas.

Funciones de la membrana celular externa (plasmalema)

Las principales funciones del plasmalema son las siguientes: 1) barrera, 2) receptor, 3) intercambio, 4) transporte.

1. Función de barrera. Se expresa en el hecho de que la membrana plasmática limita el contenido de la célula, separándola del entorno externo, y las membranas intracelulares dividen el citoplasma en células reactivas separadas. compartimentos.

2. Función receptora. Una de las funciones más importantes del plasmalema es asegurar la comunicación (conexión) de la célula con el medio externo a través del aparato receptor presente en las membranas, que es de naturaleza proteica o glicoproteica. La función principal de las formaciones receptoras del plasmalema es el reconocimiento de señales externas, gracias a las cuales las células se orientan correctamente y forman tejidos durante el proceso de diferenciación. La función del receptor está asociada con la actividad de varios sistemas reguladores, así como con la formación de una respuesta inmune.

Función de intercambio determinado por el contenido de proteínas enzimáticas en las membranas biológicas, que son catalizadores biológicos. Su actividad varía dependiendo del pH del ambiente, la temperatura, la presión y la concentración tanto del sustrato como de la propia enzima. Las enzimas determinan la intensidad de las reacciones clave. metabolismo, así como su dirección.

Función de transporte de membranas. La membrana permite la penetración selectiva de diversas sustancias químicas dentro de la célula y fuera de la célula al medio ambiente. El transporte de sustancias es necesario para mantener el pH adecuado y la concentración iónica adecuada en la célula, lo que garantiza la eficacia de las enzimas celulares. El transporte suministra nutrientes que sirven como fuente de energía y material para la formación de diversos componentes celulares. De ello dependen la eliminación de desechos tóxicos de la célula, la secreción de diversas sustancias útiles y la creación de gradientes de iones necesarios para la actividad nerviosa y muscular. Los cambios en la velocidad de transferencia de sustancias pueden provocar alteraciones en los procesos bioenergéticos, agua-sal. metabolismo, excitabilidad y otros procesos. La corrección de estos cambios es la base de la acción de muchos medicamentos.

Hay dos formas principales para que las sustancias entren y salgan de la célula al ambiente externo;

transporte pasivo,

transporte activo.

Transporte pasivo Sigue un gradiente de concentración químico o electroquímico sin gasto de energía ATP. Si la molécula de la sustancia transportada no tiene carga, entonces la dirección del transporte pasivo está determinada únicamente por la diferencia en la concentración de esta sustancia en ambos lados de la membrana (gradiente de concentración química). Si la molécula está cargada, su transporte se ve afectado tanto por el gradiente de concentración química como por el gradiente eléctrico (potencial de membrana).

Ambos gradientes juntos constituyen el gradiente electroquímico. El transporte pasivo de sustancias se puede realizar de dos formas: difusión simple y difusión facilitada.

Con difusión simple Los iones de sal y el agua pueden penetrar a través de canales selectivos. Estos canales están formados por ciertas proteínas transmembrana que forman vías de transporte de un extremo a otro que están abiertas permanentemente o solo por un corto tiempo. Varias moléculas del tamaño y carga correspondientes a los canales penetran a través de canales selectivos.

Existe otra forma de difusión simple: la difusión de sustancias a través de la bicapa lipídica, a través de la cual pasan fácilmente las sustancias liposolubles y el agua. La bicapa lipídica es impermeable a las moléculas cargadas (iones) y, al mismo tiempo, las moléculas pequeñas sin carga pueden difundirse libremente y cuanto más pequeña es la molécula, más rápido se transporta. La tasa bastante alta de difusión del agua a través de la bicapa lipídica se explica precisamente por el pequeño tamaño de sus moléculas y la falta de carga.

Con difusión facilitada El transporte de sustancias implica proteínas, transportadores que funcionan según el principio de "ping-pong". La proteína existe en dos estados conformacionales: en el estado "pong", los sitios de unión para la sustancia transportada están abiertos en el exterior de la bicapa, y en el estado "ping", los mismos sitios están abiertos en el otro lado. Este proceso es reversible. De qué lado estará abierto el sitio de unión de una sustancia en un momento dado depende del gradiente de concentración de esta sustancia.

De esta forma, los azúcares y aminoácidos atraviesan la membrana.

Con la difusión facilitada, la velocidad de transporte de sustancias aumenta significativamente en comparación con la difusión simple.

Además de las proteínas portadoras, algunos antibióticos participan en la difusión facilitada, por ejemplo, la gramicidina y la valinomicina.

Debido a que proporcionan transporte de iones, se llaman ionóforos.

Transporte activo de sustancias en la célula. Este tipo de transporte siempre cuesta energía. La fuente de energía necesaria para el transporte activo es el ATP. Un rasgo característico de este tipo de transporte es que se realiza de dos formas:

usando enzimas llamadas ATPasas;

Transporte en embalaje de membrana (endocitosis).

EN La membrana celular externa contiene proteínas enzimáticas como ATPasas, cuya función es proporcionar transporte activo iones contra un gradiente de concentración. Dado que proporcionan transporte de iones, este proceso se denomina bomba de iones.

Hay cuatro sistemas principales de transporte de iones conocidos en las células animales. Tres de ellos proporcionan transferencia a través de membranas biológicas: Na + y K +, Ca +, H +, y el cuarto, transferencia de protones durante el funcionamiento de la cadena respiratoria mitocondrial.

Un ejemplo de un mecanismo de transporte de iones activo es Bomba de sodio-potasio en células animales. Mantiene una concentración constante de iones de sodio y potasio en la célula, que difiere de la concentración de estas sustancias en el medio ambiente: normalmente, hay menos iones de sodio en la célula que en el medio ambiente y más iones de potasio.

Como resultado, de acuerdo con las leyes de la difusión simple, el potasio tiende a salir de la célula y el sodio se difunde hacia el interior de la célula. A diferencia de la difusión simple, la bomba de sodio-potasio bombea constantemente sodio fuera de la célula e introduce potasio: por cada tres moléculas de sodio liberadas, se introducen dos moléculas de potasio en la célula.

Este transporte de iones sodio-potasio está garantizado por la ATPasa dependiente, una enzima localizada en la membrana de tal manera que penetra en todo su espesor. El sodio y el ATP ingresan a esta enzima desde el interior de la membrana y el potasio desde el exterior.

La transferencia de sodio y potasio a través de la membrana se produce como resultado de cambios conformacionales que sufre la ATPasa dependiente de sodio-potasio, que se activa cuando aumenta la concentración de sodio en el interior de la célula o de potasio en el ambiente.

Para suministrar energía a esta bomba es necesaria la hidrólisis del ATP. Este proceso está garantizado por la misma enzima, la ATPasa dependiente de sodio-potasio. Además, más de un tercio del ATP consumido por una célula animal en reposo se gasta en el funcionamiento de la bomba de sodio-potasio.

La violación del correcto funcionamiento de la bomba de sodio y potasio provoca diversas enfermedades graves.

La eficiencia de esta bomba supera el 50%, lo que no se logra con las máquinas más avanzadas creadas por el hombre.

Muchos sistemas de transporte activo funcionan con energía almacenada en gradientes iónicos en lugar de mediante hidrólisis directa de ATP. Todos ellos funcionan como sistemas de cotransporte (favoreciendo el transporte de compuestos de bajo peso molecular). Por ejemplo, el transporte activo de algunos azúcares y aminoácidos al interior de las células animales está determinado por un gradiente de iones de sodio, y cuanto mayor sea el gradiente de iones de sodio, mayor será la tasa de absorción de glucosa. Y, a la inversa, si la concentración de sodio en el espacio intercelular disminuye notablemente, se detiene el transporte de glucosa. En este caso, el sodio debe unirse a la proteína transportadora de glucosa dependiente de sodio, que tiene dos sitios de unión: uno para la glucosa y otro para el sodio. Los iones de sodio que penetran en la célula facilitan la introducción de la proteína transportadora en la célula junto con la glucosa. Los iones de sodio que ingresan a la célula junto con la glucosa son bombeados de regreso por la ATPasa dependiente de sodio-potasio que, al mantener un gradiente de concentración de sodio, controla indirectamente el transporte de glucosa.

Transporte de sustancias en envases de membrana. Las moléculas grandes de biopolímeros prácticamente no pueden penetrar a través del plasmalema mediante ninguno de los mecanismos de transporte de sustancias descritos anteriormente al interior de la célula. Son capturados por la célula y absorbidos en una envoltura de membrana, que se llama endocitosis. Este último se divide formalmente en fagocitosis y pinocitosis. La absorción de partículas por la célula es fagocitosis, y líquido - pinocitosis. Durante la endocitosis, se observan las siguientes etapas:

recepción de la sustancia absorbida a través de receptores en la membrana celular;

invaginación de la membrana con formación de una burbuja (vesícula);

separación de la vesícula endocítica de la membrana con consumo de energía – formación de fagosomas y restauración de la integridad de la membrana;

Fusión del fagosoma con el lisosoma y formación. fagolisosomas (vacuola digestiva) en el que se produce la digestión de las partículas absorbidas;

eliminación del material no digerido en el fagolisosoma de la célula ( exocitosis).

en el mundo animal endocitosis es un método de nutrición característico de muchos organismos unicelulares (por ejemplo, amebas), y entre los organismos multicelulares, este tipo de digestión de partículas de alimentos se encuentra en las células endodérmicas de los celentéreos. En cuanto a los mamíferos y los humanos, tienen un sistema de células retículo-histio-endotelial con capacidad de endocitosis. Los ejemplos incluyen leucocitos sanguíneos y células de Kupffer hepáticas. Estos últimos recubren los llamados capilares sinusoidales del hígado y capturan diversas partículas extrañas suspendidas en la sangre. Exocitosis- Este es también un método para eliminar de la célula de un organismo multicelular el sustrato secretado por ella, que es necesario para el funcionamiento de otras células, tejidos y órganos.

La membrana es una estructura ultrafina que forma las superficies de los orgánulos y de la célula en su conjunto. Todas las membranas tienen una estructura similar y están conectadas en un solo sistema.

Composición química

Las membranas celulares son químicamente homogéneas y están formadas por proteínas y lípidos de varios grupos:

• fosfolípidos;
• galactolípidos;
• sulfolípidos.

También contienen ácidos nucleicos, polisacáridos y otras sustancias.

Propiedades físicas

A temperaturas normales, las membranas se encuentran en un estado cristalino líquido y fluctúan constantemente. Su viscosidad es cercana a la del aceite vegetal.

La membrana es recuperable, duradera, elástica y porosa. El espesor de la membrana es de 7 a 14 nm.

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La membrana es impermeable a moléculas grandes. Pequeñas moléculas e iones pueden atravesar los poros y la propia membrana bajo la influencia de diferencias de concentración en diferentes lados de la membrana, así como con la ayuda de proteínas de transporte.

Modelo

Normalmente, la estructura de las membranas se describe mediante un modelo de mosaico fluido. La membrana tiene una estructura: dos filas de moléculas de lípidos, muy adyacentes entre sí, como ladrillos.

Arroz. 1. Membrana biológica tipo sándwich.

En ambos lados, la superficie de los lípidos está cubierta de proteínas. El patrón de mosaico está formado por moléculas de proteínas distribuidas de manera desigual en la superficie de la membrana.

Según el grado de inmersión en la capa bilípida, las moléculas de proteínas se dividen en tres grupos:

• transmembrana;
• sumergido;
• superficial.

Las proteínas proporcionan la propiedad principal de la membrana: su permeabilidad selectiva a diversas sustancias.

Tipos de membrana

Todas las membranas celulares según su localización se pueden dividir en los siguientes tipos:

• externo;
• nuclear;
• membranas de organelos.

La membrana citoplasmática externa, o plasmolema, es el límite de la célula. Al conectarse con los elementos del citoesqueleto, mantiene su forma y tamaño.

Arroz. 2. Citoesqueleto.

La membrana nuclear, o cariolema, es el límite del contenido nuclear. Está construido con dos membranas, muy similar a la exterior. La membrana externa del núcleo está conectada a las membranas del retículo endoplásmico (RE) y, a través de poros, a la membrana interna.

Las membranas del RE penetran en todo el citoplasma, formando superficies en las que se produce la síntesis de diversas sustancias, incluidas las proteínas de membrana.

Membranas de organelo

La mayoría de los orgánulos tienen una estructura de membrana.

Las paredes están construidas a partir de una membrana:

• Complejo de Golgi;
• vacuolas;
• lisosomas

Los plastidios y las mitocondrias están formados por dos capas de membranas. Su membrana exterior es lisa y la interior forma muchos pliegues.

Las características de las membranas fotosintéticas de los cloroplastos son las moléculas de clorofila incorporadas.

Las células animales tienen una capa de carbohidratos en la superficie de su membrana externa llamada glicocálix.

Arroz. 3. Glicocálix.

El glicocálix está más desarrollado en las células del epitelio intestinal, donde crea las condiciones para la digestión y protege el plasmalema.

Tabla "Estructura de la membrana celular"

¿Qué hemos aprendido?

Observamos la estructura y funciones de la membrana celular. La membrana es una barrera selectiva (selectiva) de la célula, el núcleo y los orgánulos. La estructura de la membrana celular se describe mediante el modelo de mosaico fluido. Según este modelo, las moléculas de proteínas están integradas en la bicapa de lípidos viscosos.

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