La fonction principale de la membrane. Membrane cellulaire : sa structure et ses fonctions

Sur la base de ses caractéristiques fonctionnelles, la membrane cellulaire peut être divisée en 9 fonctions qu’elle remplit.
Fonctions de la membrane cellulaire :
1. Transports. Transporte les substances de cellule en cellule ;
2. Barrière. A une perméabilité sélective, assure le métabolisme nécessaire ;
3. Récepteur. Certaines protéines présentes dans la membrane sont des récepteurs ;
4. Mécanique. Assure l'autonomie de la cellule et de ses structures mécaniques ;
5. Matrice. Fournit une interaction et une orientation optimales des protéines matricielles ;
6. Énergie. Les membranes contiennent des systèmes de transfert d'énergie lors de la respiration cellulaire dans les mitochondries ;
7. Enzymatique. Les protéines membranaires sont parfois des enzymes. Par exemple, les membranes cellulaires intestinales ;
8. Marquage. La membrane contient des antigènes (glycoprotéines) qui permettent l'identification des cellules ;
9. Génération. Réalise la génération et la conduction des biopotentiels.

Vous pouvez voir à quoi ressemble une membrane cellulaire en utilisant l'exemple de la structure d'une cellule animale ou végétale.

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La figure montre la structure de la membrane cellulaire.
Les composants de la membrane cellulaire comprennent diverses protéines membranaires cellulaires (globulaires, périphériques, de surface), ainsi que des lipides membranaires cellulaires (glycolipide, phospholipide). La structure de la membrane cellulaire contient également des glucides, du cholestérol, des glycoprotéines et des protéines en hélice alpha.

Composition de la membrane cellulaire

La composition principale de la membrane cellulaire comprend :
1. Protéines - responsables de diverses propriétés de la membrane ;
2. Trois types de lipides (phospholipides, glycolipides et cholestérol) responsables de la rigidité membranaire.
Protéines de la membrane cellulaire :
1. Protéine globulaire ;
2. Protéine de surface ;
3. Protéine périphérique.

Le but principal de la membrane cellulaire

Le but principal de la membrane cellulaire :
1. Réguler les échanges entre la cellule et l’environnement ;
2. Séparez le contenu de toute cellule de l'environnement extérieur, garantissant ainsi son intégrité ;
3. Les membranes intracellulaires divisent la cellule en compartiments fermés spécialisés - des organites ou des compartiments dans lesquels certaines conditions environnementales sont maintenues.

Structure de la membrane cellulaire

La structure de la membrane cellulaire est une solution bidimensionnelle de protéines intégrales globulaires dissoutes dans une matrice phospholipidique liquide. Ce modèle de structure membranaire a été proposé par deux scientifiques Nicholson et Singer en 1972. Ainsi, la base des membranes est une couche lipidique bimoléculaire, avec un agencement ordonné de molécules, comme vous pouvez le voir.

L'extérieur de la cellule est recouvert d'une membrane plasmique (ou membrane cellulaire externe) d'environ 6 à 10 nm d'épaisseur.

La membrane cellulaire est un film dense de protéines et de lipides (principalement des phospholipides). Les molécules lipidiques sont disposées de manière ordonnée - perpendiculairement à la surface, en deux couches, de sorte que leurs parties qui interagissent intensément avec l'eau (hydrophiles) soient dirigées vers l'extérieur et que leurs parties inertes vis-à-vis de l'eau (hydrophobes) soient dirigées vers l'intérieur.

Les molécules de protéines sont situées dans une couche non continue à la surface de la structure lipidique des deux côtés. Certains d’entre eux plongent dans la couche lipidique, d’autres la traversent, formant des zones perméables à l’eau. Ces protéines remplissent diverses fonctions - certaines d'entre elles sont des enzymes, d'autres sont des protéines de transport impliquées dans le transfert de certaines substances de l'environnement vers le cytoplasme et dans le sens opposé.

Fonctions de base de la membrane cellulaire

L'une des principales propriétés des membranes biologiques est la perméabilité sélective (semi-perméabilité)- certaines substances les traversent difficilement, d'autres facilement et même vers des concentrations plus élevées Ainsi, pour la plupart des cellules, la concentration en ions Na à l'intérieur est nettement inférieure à celle de l'environnement. La relation inverse est typique pour les ions K : leur concentration à l'intérieur de la cellule est plus élevée qu'à l'extérieur. Par conséquent, les ions Na ont toujours tendance à pénétrer dans la cellule et les ions K ont toujours tendance à en sortir. L'égalisation des concentrations de ces ions est empêchée par la présence dans la membrane d'un système spécial qui joue le rôle d'une pompe, qui pompe les ions Na hors de la cellule et pompe simultanément les ions K à l'intérieur.

La tendance des ions Na à se déplacer de l’extérieur vers l’intérieur est utilisée pour transporter les sucres et les acides aminés dans la cellule. Avec l'élimination active des ions Na de la cellule, des conditions sont créées pour l'entrée de glucose et d'acides aminés dans celle-ci.

Dans de nombreuses cellules, les substances sont également absorbées par phagocytose et pinocytose. À phagocytose la membrane externe flexible forme une petite dépression dans laquelle tombe la particule capturée. Cet évidement s'agrandit et, entourée d'une section de la membrane externe, la particule est immergée dans le cytoplasme de la cellule. Le phénomène de phagocytose est caractéristique des amibes et de certains autres protozoaires, ainsi que des leucocytes (phagocytes). Les cellules absorbent de la même manière les liquides contenant les substances nécessaires à la cellule. Ce phénomène a été appelé pinocytose.

Les membranes externes des différentes cellules diffèrent considérablement tant par la composition chimique de leurs protéines et lipides que par leur contenu relatif. Ce sont ces caractéristiques qui déterminent la diversité de l'activité physiologique des membranes de diverses cellules et leur rôle dans la vie des cellules et des tissus.

Le réticulum endoplasmique de la cellule est relié à la membrane externe. A l'aide des membranes externes, différents types de contacts intercellulaires sont réalisés, c'est-à-dire communication entre les cellules individuelles.

De nombreux types de cellules se caractérisent par la présence à leur surface d'un grand nombre de saillies, de plis et de microvillosités. Ils contribuent à la fois à une augmentation significative de la surface cellulaire et à une amélioration du métabolisme, ainsi qu’à des connexions plus fortes entre les cellules individuelles entre elles.

Les cellules végétales ont des membranes épaisses à l'extérieur de la membrane cellulaire, clairement visibles au microscope optique, constituées de fibres (cellulose). Ils créent un support solide pour les tissus végétaux (bois).

Certaines cellules animales possèdent également un certain nombre de structures externes situées au-dessus de la membrane cellulaire et ont un caractère protecteur. Un exemple est la chitine des cellules tégumentaires des insectes.

Fonctions de la membrane cellulaire (brièvement)

La membrane cellulaire est appelée plasmalemme ou membrane plasmique. Les principales fonctions de la membrane cellulaire sont le maintien de l’intégrité de la cellule et l’interconnexion avec l’environnement extérieur.

Structure

Les membranes cellulaires sont constituées de structures lipoprotéiques (graisse-protéine) et ont une épaisseur de 10 nm. Les parois membranaires sont formées de trois classes de lipides :

• phospholipides - les composés du phosphore et des graisses ;
• glycolipides - les composés de lipides et de glucides ;
• cholestérol (cholestérol) - alcool gras.

Ces substances forment une structure mosaïque liquide composée de trois couches. Les phospholipides forment les deux couches externes. Ils ont une tête hydrophile à partir de laquelle s'étendent deux queues hydrophobes. Les queues sont tournées à l’intérieur de la structure, formant une couche interne. Lorsque le cholestérol est incorporé dans les queues phospholipidiques, la membrane devient rigide.

Riz. 1. Structure membranaire.

Entre les phospholipides se trouvent des glycolipides qui remplissent une fonction de récepteur et deux types de protéines :

• périphérique (externe, superficiel) - situé à la surface des lipides, sans pénétrer profondément dans la membrane ;
• intégral - incorporés à différents niveaux, peuvent pénétrer dans la totalité de la membrane, uniquement dans la couche lipidique interne ou externe ;

Toutes les protéines diffèrent par leur structure et remplissent des fonctions différentes. Par exemple, les composés protéiques globulaires ont une structure hydrophobe-hydrophile et remplissent une fonction de transport.

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Riz. 2. Types de protéines membranaires.

Le plasmalemme est une structure fluide, car les lipides ne sont pas interconnectés, mais sont simplement disposés en rangées denses. Grâce à cette propriété, la membrane peut changer de configuration, être mobile et élastique, mais aussi transporter des substances.

Fonctions

Quelles fonctions remplit la membrane cellulaire ?

• barrière - sépare le contenu de la cellule du milieu extérieur ;
• transport - régule le métabolisme ;
• enzymatique - réalise des réactions enzymatiques ;
• récepteur - reconnaît les stimuli externes.

La fonction la plus importante est le transport des substances au cours du métabolisme. Des substances liquides et solides pénètrent constamment dans la cellule depuis l'environnement extérieur. Des produits métaboliques sortent. Toutes les substances traversent la membrane cellulaire. Le transport s'effectue de plusieurs manières, décrites dans le tableau.

Riz. 3. Endocytose et exocytose.

Le transport actif des molécules de substance (pompe sodium-potassium) s'effectue à l'aide de structures protéiques intégrées à la membrane et nécessite de l'énergie sous forme d'ATP.

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Membrane cellulaire externe (plasmalemme, cytolemme, membrane plasmique) des cellules animales recouvert à l'extérieur (c'est-à-dire du côté non en contact avec le cytoplasme) d'une couche de chaînes d'oligosaccharides liées de manière covalente aux protéines membranaires (glycoprotéines) et, dans une moindre mesure, aux lipides (glycolipides). Ce revêtement membranaire glucidique est appelé glycocalice. Le but du glycocalice n’est pas encore très clair ; on suppose que cette structure participe aux processus de reconnaissance intercellulaire.

Dans les cellules végétales Au-dessus de la membrane cellulaire externe se trouve une couche de cellulose dense avec des pores à travers lesquels la communication entre les cellules voisines s'effectue via des ponts cytoplasmiques.

Dans les cellules champignons au-dessus du plasmalemme - une couche dense chitine.

U bactéries – mureina.

Propriétés des membranes biologiques

1. Capacité d'auto-assemblage après des influences destructrices. Cette propriété est déterminée par les propriétés physicochimiques des molécules de phospholipides, qui dans une solution aqueuse se réunissent de telle sorte que les extrémités hydrophiles des molécules se déploient vers l'extérieur et les extrémités hydrophobes vers l'intérieur. Les protéines peuvent être intégrées dans des couches phospholipidiques prêtes à l'emploi. La capacité à s’auto-assembler est importante au niveau cellulaire.

2. Semi-perméable(sélectivité dans la transmission des ions et des molécules). Assure le maintien de la constance de la composition ionique et moléculaire dans la cellule.

3. Fluidité membranaire. Les membranes ne sont pas des structures rigides ; elles fluctuent constamment en raison des mouvements de rotation et de vibration des molécules lipidiques et protéiques. Cela garantit un taux plus élevé de processus enzymatiques et autres processus chimiques dans les membranes.

4. Les fragments de membrane n'ont pas d'extrémités libres, alors qu'ils se referment en bulles.

Fonctions de la membrane cellulaire externe (plasmalemme)

Les principales fonctions du plasmalemme sont les suivantes : 1) barrière, 2) récepteur, 3) échange, 4) transport.

1. Fonction barrière. Cela s'exprime par le fait que le plasmalemme limite le contenu de la cellule, la séparant de l'environnement extérieur, et que les membranes intracellulaires divisent le cytoplasme en cellules de réaction distinctes. compartiments.

2. Fonction récepteur. L'une des fonctions les plus importantes du plasmalemme est d'assurer la communication (connexion) de la cellule avec l'environnement extérieur via l'appareil récepteur présent dans les membranes, qui est de nature protéique ou glycoprotéique. La fonction principale des formations réceptrices du plasmalemme est la reconnaissance des signaux externes, grâce auxquels les cellules sont correctement orientées et forment des tissus au cours du processus de différenciation. La fonction du récepteur est associée à l'activité de divers systèmes de régulation, ainsi qu'à la formation d'une réponse immunitaire.

Fonction d'échange déterminé par la teneur en protéines enzymatiques des membranes biologiques, qui sont des catalyseurs biologiques. Leur activité varie en fonction du pH de l'environnement, de la température, de la pression et de la concentration du substrat et de l'enzyme elle-même. Les enzymes déterminent l'intensité des réactions clés métabolisme, ainsi que leur direction.

Fonction de transport des membranes. La membrane permet la pénétration sélective de divers produits chimiques dans la cellule et hors de la cellule dans l'environnement. Le transport de substances est nécessaire pour maintenir le pH approprié et la concentration ionique appropriée dans la cellule, ce qui garantit l'efficacité des enzymes cellulaires. Le transport fournit des nutriments qui servent de source d’énergie ainsi que de matière pour la formation de divers composants cellulaires. L'élimination des déchets toxiques de la cellule, la sécrétion de diverses substances utiles et la création de gradients ioniques nécessaires à l'activité nerveuse et musculaire en dépendent. Des modifications du taux de transfert de substances peuvent entraîner des perturbations des processus bioénergétiques, eau-sel. métabolisme, excitabilité et autres processus.

La correction de ces changements est à la base de l'action de nombreux médicaments.

Il existe deux manières principales pour les substances d'entrer dans la cellule et d'en sortir dans l'environnement externe ;

transports passifs,

transports actifs. Transports passifs

Les deux gradients constituent ensemble le gradient électrochimique. Le transport passif de substances peut s'effectuer de deux manières : par diffusion simple et par diffusion facilitée.

En diffusion simple les ions sel et l'eau peuvent pénétrer par des canaux sélectifs. Ces canaux sont formés par certaines protéines transmembranaires qui forment des voies de transport de bout en bout ouvertes en permanence ou pour une courte période. Diverses molécules de taille et de charge correspondant aux canaux pénètrent par des canaux sélectifs.

Il existe un autre moyen de diffusion simple: il s'agit de la diffusion de substances à travers la bicouche lipidique, à travers laquelle passent facilement les substances liposolubles et l'eau. La bicouche lipidique est imperméable aux molécules chargées (ions), et en même temps, les petites molécules non chargées peuvent diffuser librement, et plus la molécule est petite, plus elle est transportée rapidement. Le taux de diffusion assez élevé de l'eau à travers la bicouche lipidique s'explique précisément par la petite taille de ses molécules et l'absence de charge.

Avec diffusion facilitée Le transport de substances implique des protéines - des transporteurs qui fonctionnent selon le principe du « ping-pong ». La protéine existe dans deux états conformationnels : à l’état « pong », les sites de liaison de la substance transportée sont ouverts à l’extérieur de la bicouche, et à l’état « ping », les mêmes sites sont ouverts de l’autre côté. Ce processus est réversible. De quel côté le site de liaison d'une substance sera ouvert à un moment donné dépend du gradient de concentration de cette substance.

De cette façon, les sucres et les acides aminés traversent la membrane.

Avec une diffusion facilitée, le taux de transport des substances augmente considérablement par rapport à une simple diffusion.

Outre les protéines porteuses, certains antibiotiques participent à la diffusion facilitée, par exemple la gramicidine et la valinomycine.

Parce qu'ils assurent le transport des ions, ils sont appelés ionophores.

Transport actif de substances dans la cellule. Ce type de transport coûte toujours de l'énergie. La source d'énergie nécessaire au transport actif est l'ATP. Une particularité de ce type de transport est qu'il s'effectue de deux manières :

en utilisant des enzymes appelées ATPases ;

transport sous emballage membranaire (endocytose).

DANS La membrane cellulaire externe contient des protéines enzymatiques telles que les ATPases, dont la fonction est d'assurer le transport actif ions contre un gradient de concentration. Puisqu’ils assurent le transport des ions, ce processus est appelé pompe à ions.

Il existe quatre principaux systèmes de transport d’ions connus dans les cellules animales. Trois d'entre eux assurent le transfert à travers les membranes biologiques : Na+ et K+, Ca+, H+, et le quatrième - le transfert de protons lors du fonctionnement de la chaîne respiratoire mitochondriale.

Un exemple de mécanisme de transport d'ions actif est pompe sodium-potassium dans les cellules animales. Il maintient une concentration constante d'ions sodium et potassium dans la cellule, qui diffère de la concentration de ces substances dans l'environnement : normalement, il y a moins d'ions sodium dans la cellule que dans l'environnement, et plus d'ions potassium.

En conséquence, selon les lois de la simple diffusion, le potassium a tendance à quitter la cellule et le sodium se diffuse dans la cellule. Contrairement à la simple diffusion, la pompe sodium-potassium pompe constamment le sodium hors de la cellule et introduit du potassium : pour trois molécules de sodium libérées, deux molécules de potassium sont introduites dans la cellule.

Ce transport des ions sodium-potassium est assuré par l'ATPase dépendante, une enzyme localisée dans la membrane de telle sorte qu'elle pénètre dans toute son épaisseur. Le sodium et l'ATP pénètrent dans cette enzyme par l'intérieur de la membrane, et le potassium par l'extérieur.

Le transfert de sodium et de potassium à travers la membrane se produit à la suite de changements conformationnels que subit l'ATPase sodium-potassium dépendante, qui est activée lorsque la concentration de sodium à l'intérieur de la cellule ou de potassium dans l'environnement augmente.

Pour fournir de l’énergie à cette pompe, l’hydrolyse de l’ATP est nécessaire. Ce processus est assuré par la même enzyme, l'ATPase sodium-potassium dépendante. De plus, plus d'un tiers de l'ATP consommé par une cellule animale au repos est consacré au fonctionnement de la pompe sodium-potassium.

La violation du bon fonctionnement de la pompe sodium-potassium entraîne diverses maladies graves.

L'efficacité de cette pompe dépasse 50 %, ce qui n'est pas atteint par les machines les plus avancées créées par l'homme.

De nombreux systèmes de transport actif sont alimentés par l’énergie stockée dans des gradients ioniques plutôt que par l’hydrolyse directe de l’ATP. Tous fonctionnent comme des systèmes de cotransport (favorisant le transport de composés de faible poids moléculaire). Par exemple, le transport actif de certains sucres et acides aminés dans les cellules animales est déterminé par un gradient d’ions sodium, et plus le gradient d’ions sodium est élevé, plus le taux d’absorption du glucose est élevé. Et inversement, si la concentration de sodium dans l’espace intercellulaire diminue sensiblement, le transport du glucose s’arrête. Dans ce cas, le sodium doit rejoindre la protéine de transport du glucose sodium-dépendante, qui possède deux sites de liaison : un pour le glucose, l'autre pour le sodium. Les ions sodium pénétrant dans la cellule facilitent l'introduction de la protéine porteuse dans la cellule avec le glucose. Les ions sodium qui pénètrent dans la cellule avec le glucose sont pompés par l'ATPase sodium-potassium dépendante, qui, en maintenant un gradient de concentration en sodium, contrôle indirectement le transport du glucose.

Transport de substances dans des emballages à membrane. Les grosses molécules de biopolymères ne peuvent pratiquement pas pénétrer à travers le plasmalemme par aucun des mécanismes de transport de substances décrits ci-dessus dans la cellule. Ils sont capturés par la cellule et absorbés dans un emballage membranaire, appelé endocytose. Cette dernière est formellement divisée en phagocytose et pinocytose. L’absorption des particules par la cellule est phagocytose, et liquide - pinocytose. Au cours de l'endocytose, les étapes suivantes sont observées :

réception de la substance absorbée grâce aux récepteurs de la membrane cellulaire;

invagination de la membrane avec formation d'une bulle (vésicule) ;

séparation de la vésicule endocytaire de la membrane avec consommation d’énergie – formation de phagosomes et restauration de l'intégrité de la membrane ;

Fusion du phagosome avec le lysosome et formation phagolysosomes (vacuole digestive) au cours duquel se produit la digestion des particules absorbées ;

élimination du matériel non digéré dans le phagolysosome de la cellule ( exocytose).

Dans le monde animal endocytose est une méthode de nutrition caractéristique pour de nombreux organismes unicellulaires (par exemple, chez les amibes), et parmi les organismes multicellulaires, ce type de digestion des particules alimentaires se retrouve dans les cellules endodermiques des coelentérés. Quant aux mammifères et aux humains, ils possèdent un système cellulaire réticulo-histio-endothélial doté de la capacité d’endocytose. Les exemples incluent les leucocytes sanguins et les cellules de Kupffer hépatiques. Ces derniers tapissent les capillaires dits sinusoïdaux du foie et captent diverses particules étrangères en suspension dans le sang. Exocytose- Il s'agit également d'une méthode permettant d'éliminer de la cellule d'un organisme multicellulaire le substrat qu'elle sécrète, nécessaire au fonctionnement d'autres cellules, tissus et organes.

La membrane est une structure ultrafine qui forme la surface des organites et de la cellule dans son ensemble. Toutes les membranes ont une structure similaire et sont reliées en un seul système.

Composition chimique

Les membranes cellulaires sont chimiquement homogènes et sont constituées de protéines et de lipides de différents groupes :

• les phospholipides ;
• les galactolipides ;
• sulfolipides.

Ils contiennent également des acides nucléiques, des polysaccharides et d'autres substances.

Propriétés physiques

À des températures normales, les membranes sont dans un état cristallin liquide et fluctuent constamment. Leur viscosité est proche de celle de l'huile végétale.

La membrane est récupérable, durable, élastique et poreuse. L'épaisseur de la membrane est de 7 à 14 nm.

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La membrane est imperméable aux grosses molécules. Les petites molécules et les ions peuvent traverser les pores et la membrane elle-même sous l'influence des différences de concentration sur les différents côtés de la membrane, ainsi qu'avec l'aide de protéines de transport.

Modèle

Généralement, la structure des membranes est décrite à l’aide d’un modèle de mosaïque fluide. La membrane a une charpente - deux rangées de molécules lipidiques, étroitement adjacentes les unes aux autres, comme des briques.

Riz. 1. Membrane biologique de type sandwich.

Des deux côtés, la surface des lipides est recouverte de protéines. Le motif en mosaïque est formé de molécules de protéines inégalement réparties à la surface de la membrane.

Selon le degré d'immersion dans la couche bilipidique, les molécules de protéines sont divisées en trois groupes :

• transmembranaire;
• submergé;
• superficiel.

Les protéines fournissent la propriété principale de la membrane : sa perméabilité sélective à diverses substances.

Types de membranes

Toutes les membranes cellulaires selon leur localisation peuvent être divisées en les types suivants :

• externe;
• nucléaire;
• membranes organites.

La membrane cytoplasmique externe, ou plasmolemme, constitue la limite de la cellule. En connexion avec les éléments du cytosquelette, il conserve sa forme et sa taille.

Riz. 2. Cytosquelette.

La membrane nucléaire, ou caryolemme, est la limite du contenu nucléaire. Il est constitué de deux membranes très similaires à la membrane extérieure. La membrane externe du noyau est reliée aux membranes du réticulum endoplasmique (RE) et, par les pores, à la membrane interne.

Les membranes ER pénètrent dans tout le cytoplasme, formant des surfaces sur lesquelles s'effectue la synthèse de diverses substances, notamment des protéines membranaires.

Membranes organites

La plupart des organites ont une structure membranaire.

Les murs sont construits à partir d'une seule membrane :

• Complexe de Golgi ;
• vacuoles;
• lysosomes

Les plastes et les mitochondries sont constitués de deux couches de membranes. Leur membrane externe est lisse et la membrane interne forme de nombreux plis.

Les caractéristiques des membranes photosynthétiques des chloroplastes sont des molécules de chlorophylle intégrées.

Les cellules animales ont une couche de glucides à la surface de leur membrane externe appelée glycocalyx.

Riz. 3. Glycocalyx.

Le glycocalice est le plus développé dans les cellules de l'épithélium intestinal, où il crée les conditions de digestion et protège le plasmalemme.

Tableau "Structure de la membrane cellulaire"

Qu'avons-nous appris ?

Nous avons examiné la structure et les fonctions de la membrane cellulaire. La membrane est une barrière sélective (sélective) de la cellule, du noyau et des organites. La structure de la membrane cellulaire est décrite par le modèle de mosaïque fluide. Selon ce modèle, les molécules de protéines sont intégrées dans la bicouche de lipides visqueux.

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