Glavna funkcija membrane. Celična membrana: njena struktura in funkcije

Glede na funkcionalne značilnosti lahko celično membrano razdelimo na 9 funkcij, ki jih opravlja.
Funkcije celične membrane:
1. Prevoz. Prenaša snovi iz celice v celico;
2. Pregrada. Ima selektivno prepustnost, zagotavlja potrebno presnovo;
3. Receptor. Nekatere beljakovine v membrani so receptorji;
4. Mehansko. Zagotavlja avtonomijo celice in njenih mehanskih struktur;
5. Matrica. Zagotavlja optimalno interakcijo in orientacijo matričnih proteinov;
6. Energija. Membrane vsebujejo sisteme za prenos energije med celičnim dihanjem v mitohondrijih;
7. Encimsko. Membranski proteini so včasih encimi. Na primer membrane črevesnih celic;
8. Označevanje. Membrana vsebuje antigene (glikoproteine), ki omogočajo identifikacijo celic;
9. Ustvarjanje. Izvaja generiranje in prevajanje biopotencialov.

Kako izgleda celična membrana, si lahko ogledate na primeru zgradbe živalske ali rastlinske celice.

Slika prikazuje strukturo celične membrane.
Sestavine celične membrane so različni proteini celične membrane (globularni, periferni, površinski), pa tudi lipidi celične membrane (glikolipid, fosfolipid). Tudi v strukturi celične membrane so ogljikovi hidrati, holesterol, glikoprotein in beljakovina alfa spirala.

Sestava celične membrane

Glavna sestava celične membrane vključuje:
1. Beljakovine - odgovorne za različne lastnosti membrane;
2. Tri vrste lipidov (fosfolipidi, glikolipidi in holesterol), ki so odgovorni za togost membrane.
Beljakovine celične membrane:
1. Globularni protein;
2. Površinski protein;
3. Periferni protein.

Glavni namen celične membrane

Glavni namen celične membrane:
1. Uravnavajo izmenjavo med celico in okoljem;
2. Ločiti vsebino katerekoli celice od zunanjega okolja in s tem zagotoviti njeno celovitost;
3. Znotrajcelične membrane delijo celico na specializirane zaprte predelke - organele ali predelke, v katerih se vzdržujejo določeni okoljski pogoji.

Struktura celične membrane

Struktura celične membrane je dvodimenzionalna raztopina globularnih integralnih proteinov, raztopljenih v tekočem fosfolipidnem matriksu. Ta model strukture membrane sta predlagala dva znanstvenika Nicholson in Singer leta 1972. Tako je osnova membran bimolekularna lipidna plast z urejeno razporeditvijo molekul, kot ste lahko videli v.

Zunanjost celice je prekrita s plazemsko membrano (ali zunanjo celično membrano) debeline približno 6-10 nm.

Celična membrana je gosta plast beljakovin in lipidov (predvsem fosfolipidov). Molekule lipidov so razporejene urejeno - pravokotno na površino, v dveh plasteh, tako da so njihovi deli, ki intenzivno interagirajo z vodo (hidrofilni), obrnjeni navzven, njihovi deli, inertni na vodo (hidrofobni), pa navznoter.

Proteinske molekule se nahajajo v neprekinjenem sloju na površini lipidnega ogrodja na obeh straneh. Nekateri od njih so potopljeni v lipidno plast, nekateri pa prehajajo skozenj in tvorijo območja, prepustna za vodo. Ti proteini opravljajo različne funkcije - nekateri so encimi, drugi so transportni proteini, ki sodelujejo pri prenosu določenih snovi iz okolja v citoplazmo in v obratni smeri.

Osnovne funkcije celične membrane

Ena glavnih lastnosti bioloških membran je selektivna prepustnost (polprepustnost)- nekatere snovi prehajajo skozi njih s težavo, druge z lahkoto in celo proti višjim koncentracijam. Tako je pri večini celic koncentracija Na ionov v notranjosti bistveno nižja kot v okolju. Za ione K je značilno nasprotno razmerje: njihova koncentracija v celici je večja kot zunaj. Zato ioni Na vedno težijo k prodoru v celico, ioni K pa k izstopu. Izenačitev koncentracij teh ionov preprečuje prisotnost v membrani posebnega sistema, ki igra vlogo črpalke, ki črpa ione Na iz celice in hkrati črpa ione K v celico.

Težnja Na ionov, da se premikajo od zunaj navznoter, se uporablja za transport sladkorjev in aminokislin v celico. Z aktivnim odstranjevanjem Na ionov iz celice se ustvarijo pogoji za vstop glukoze in aminokislin vanjo.

V mnogih celicah se snovi absorbirajo tudi s fagocitozo in pinocitozo. pri fagocitoza prožna zunanja membrana tvori majhno vdolbino, v katero pade ujeti delec. Ta vdolbina se poveča in delec, obdan z odsekom zunanje membrane, je potopljen v citoplazmo celice. Pojav fagocitoze je značilen za amebe in nekatere druge praživali, pa tudi za levkocite (fagocite). Celice na podoben način absorbirajo tekočine, ki vsebujejo za celico potrebne snovi. Ta pojav je bil imenovan pinocitoza.

Zunanje membrane različnih celic se bistveno razlikujejo tako po kemični sestavi njihovih beljakovin in lipidov kot po njihovi relativni vsebnosti. Te značilnosti določajo raznolikost fiziološke aktivnosti membran različnih celic in njihovo vlogo v življenju celic in tkiv.

Endoplazmatski retikulum celice je povezan z zunanjo membrano. S pomočjo zunanjih membran se izvajajo različne vrste medceličnih stikov, tj. komunikacija med posameznimi celicami.

Za številne vrste celic je značilna prisotnost na njihovi površini velikega števila izboklin, gub in mikrovilov. Prispevajo tako k občutnemu povečanju celične površine in izboljšani presnovi kot tudi k močnejšim povezavam med posameznimi celicami in drugimi.

Rastlinske celice imajo na zunanji strani celične membrane debele membrane, dobro vidne pod optičnim mikroskopom, sestavljene iz vlaken (celuloze). Ustvarjajo močno oporo za rastlinska tkiva (les).

Nekatere živalske celice imajo tudi številne zunanje strukture, ki se nahajajo na vrhu celične membrane in so zaščitne narave. Primer je hitin ovojnih celic žuželk.

Funkcije celične membrane (na kratko)

Celična membrana se imenuje plazmalema ali plazemska membrana. Glavni funkciji celične membrane sta ohranjanje celovitosti celice in povezovanje z zunanjim okoljem.

Struktura

Celične membrane so sestavljene iz lipoproteinskih (maščobno-beljakovinskih) struktur in imajo debelino 10 nm. Stene membrane tvorijo trije razredi lipidov:

• fosfolipidi - spojine fosforja in maščob;
• glikolipidi - spojine lipidov in ogljikovih hidratov;
• holesterol (holesterol) - maščobni alkohol.

Te snovi tvorijo tekočo mozaično strukturo, sestavljeno iz treh plasti. Fosfolipidi tvorijo dve zunanji plasti. Imajo hidrofilno glavo, iz katere segata dva hidrofobna repka. Repi so obrnjeni znotraj strukture in tvorijo notranjo plast. Ko se holesterol vključi v fosfolipidne repe, postane membrana toga.

riž. 1. Zgradba membrane.

Med fosfolipide so vgrajeni glikolipidi, ki opravljajo receptorsko funkcijo, in dve vrsti beljakovin:

• periferni (zunanji, površinski) - nahaja se na površini lipidov, ne da bi prodrl globoko v membrano;
• integral - vgrajen na različnih ravneh, lahko prodre skozi celotno membrano, le notranjo ali zunanjo lipidno plast;

Vse beljakovine se razlikujejo po strukturi in opravljajo različne funkcije. Na primer, globularne beljakovinske spojine imajo hidrofobno-hidrofilno strukturo in opravljajo transportno funkcijo.

TOP 4 člankiki berejo skupaj s tem

riž. 2. Vrste membranskih proteinov.

Plazmalema je tekoča struktura, saj lipidi med seboj niso povezani, ampak so preprosto razporejeni v goste vrste. Zahvaljujoč tej lastnosti lahko membrana spreminja konfiguracijo, je mobilna in elastična ter prenaša snovi.

Funkcije

Katere funkcije opravlja celična membrana?

• pregrada - ločuje vsebino celice od zunanjega okolja;
• transport - uravnava metabolizem;
• encimski - izvaja encimske reakcije;
• receptor - prepoznava zunanje dražljaje.

Najpomembnejša funkcija je transport snovi med presnovo. Tekoče in trdne snovi nenehno vstopajo v celico iz zunanjega okolja. Presnovni produkti izstopijo. Vse snovi prehajajo skozi celično membrano. Transport poteka na več načinov, ki so opisani v tabeli.

riž. 3. Endocitoza in eksocitoza.

Aktivni transport molekul snovi (natrijeva-kalijeva črpalka) se izvaja s pomočjo beljakovinskih struktur, vgrajenih v membrano, in zahteva energijo v obliki ATP.

Povprečna ocena: 4.7. Skupaj prejetih ocen: 289.

Zunanja celična membrana (plazmalema, citolema, plazemska membrana) živalskih celic na zunanji strani (tj. na strani, ki ni v stiku s citoplazmo) prekrita s plastjo oligosaharidnih verig, ki so kovalentno vezane na membranske proteine ​​(glikoproteine) in v manjši meri na lipide (glikolipide). Ta ogljikohidratna membranska prevleka se imenuje glikokaliks. Namen glikokaliksa še ni zelo jasen; obstaja domneva, da ta struktura sodeluje v procesih medceličnega prepoznavanja.

V rastlinskih celicah Na vrhu zunanje celične membrane je gosta celulozna plast z porami, skozi katere poteka komunikacija med sosednjimi celicami prek citoplazemskih mostov.

V celicah gobe na vrhu plazmaleme - gosta plast hitin.

U bakterije – mureina.

Lastnosti bioloških membran

1. Sposobnost samosestavljanja po uničujočih vplivih. Ta lastnost je določena s fizikalno-kemijskimi lastnostmi fosfolipidnih molekul, ki se v vodni raztopini združijo tako, da se hidrofilni konci molekul razvijejo navzven, hidrofobni pa navznoter. Beljakovine lahko vgradimo v že pripravljene fosfolipidne plasti. Sposobnost samosestavljanja je pomembna na celični ravni.

2. Polprepustna(selektivnost pri prenosu ionov in molekul). Zagotavlja vzdrževanje konstantnosti ionske in molekularne sestave v celici.

3. Pretočnost membrane. Membrane niso toge strukture, temveč nenehno nihajo zaradi rotacijskih in vibracijskih gibanj lipidnih in beljakovinskih molekul. To zagotavlja večjo stopnjo encimskih in drugih kemičnih procesov v membranah.

4. Fragmenti membrane nimajo prostih koncev, ko se zaprejo v mehurčke.

Funkcije zunanje celične membrane (plazmaleme)

Glavne funkcije plazmaleme so naslednje: 1) pregrada, 2) receptor, 3) izmenjava, 4) transport.

1. Pregradna funkcija. Izraža se v dejstvu, da plazemska membrana omejuje vsebino celice in jo ločuje od zunanjega okolja, znotrajcelične membrane pa delijo citoplazmo na ločene reakcijske celice. predelki.

2. Funkcija receptorja. Ena najpomembnejših funkcij plazmaleme je zagotavljanje komunikacije (povezave) celice z zunanjim okoljem preko receptorskega aparata, prisotnega v membranah, ki je proteinske ali glikoproteinske narave. Glavna funkcija receptorskih tvorb plazmaleme je prepoznavanje zunanjih signalov, zaradi česar so celice pravilno usmerjene in tvorijo tkiva med procesom diferenciacije. Funkcija receptorja je povezana z delovanjem različnih regulativnih sistemov, pa tudi z nastankom imunskega odziva.

Funkcija menjave določa vsebnost encimskih proteinov v bioloških membranah, ki so biološki katalizatorji. Njihova aktivnost je odvisna od pH okolja, temperature, tlaka in koncentracije tako substrata kot samega encima. Encimi določajo intenzivnost ključnih reakcij presnovo, prav tako njihovo smer.

Transportna funkcija membran. Membrana omogoča selektivno prodiranje različnih kemikalij v celico in iz celice v okolje. Transport snovi je nujen za vzdrževanje ustreznega pH in ustrezne koncentracije ionov v celici, kar zagotavlja učinkovitost celičnih encimov. Prevoz dobavlja hranila, ki služijo kot vir energije, pa tudi material za tvorbo različnih celičnih komponent. Od tega je odvisno odstranjevanje toksičnih odpadkov iz celice, izločanje različnih koristnih snovi in ​​ustvarjanje ionskih gradientov, potrebnih za živčno in mišično aktivnost metabolizem, razdražljivost in drugi procesi. Korekcija teh sprememb je osnova delovanja številnih zdravil.

Obstajata dva glavna načina vstopa snovi v celico in izstopa iz celice v zunanje okolje;

pasivni transport,

aktivni prevoz.

Pasivni transport sledi kemičnemu ali elektrokemičnemu koncentracijskemu gradientu brez porabe energije ATP. Če molekula transportirane snovi nima naboja, potem smer pasivnega transporta določa le razlika v koncentraciji te snovi na obeh straneh membrane (kemični koncentracijski gradient). Če je molekula nabita, potem na njen transport vplivata tako kemijski koncentracijski gradient kot električni gradient (membranski potencial).

Oba gradienta skupaj sestavljata elektrokemijski gradient. Pasivni transport snovi lahko poteka na dva načina: z enostavno difuzijo in olajšano difuzijo.

S preprosto difuzijo solni ioni in voda lahko prodrejo skozi selektivne kanale. Te kanale tvorijo določeni transmembranski proteini, ki tvorijo transportne poti od konca do konca, ki so odprte trajno ali le za kratek čas. Različne molekule velikosti in naboja, ki ustrezajo kanalom, prodrejo skozi selektivne kanale.

Obstaja še en način preproste difuzije - to je difuzija snovi skozi lipidni dvosloj, skozi katerega zlahka prehajajo v maščobi topne snovi in ​​voda. Lipidni dvosloj je neprepusten za nabite molekule (ione), hkrati pa lahko nenabite majhne molekule prosto difundirajo in manjša kot je molekula, hitreje se transportira. Precej visoka stopnja difuzije vode skozi lipidni dvosloj je natančno razložena z majhnostjo njenih molekul in pomanjkanjem naboja.

Z olajšano difuzijo Prenos snovi vključuje beljakovine - prenašalce, ki delujejo po principu "ping-ponga". Protein obstaja v dveh konformacijskih stanjih: v stanju »pong« so vezavna mesta za transportirano snov odprta na zunanji strani dvosloja, v stanju »ping« pa so ista mesta odprta na drugi strani. Ta proces je reverzibilen. S katere strani bo vezavno mesto snovi v danem trenutku odprto, je odvisno od koncentracijskega gradienta te snovi.

Na ta način sladkorji in aminokisline prehajajo skozi membrano.

Pri olajšani difuziji se hitrost transporta snovi bistveno poveča v primerjavi s preprosto difuzijo.

Poleg nosilnih proteinov so nekateri antibiotiki vključeni v olajšano difuzijo, na primer gramicidin in valinomicin.

Ker zagotavljajo transport ionov, se imenujejo ionoforji.

Aktivni transport snovi v celici. Ta vrsta prevoza vedno stane energijo. Vir energije, potrebne za aktivni transport, je ATP. Značilnost te vrste prevoza je, da se izvaja na dva načina:

z uporabo encimov, imenovanih ATPaze;

transport v membranski embalaži (endocitoza).

IN Zunanja celična membrana vsebuje encimske proteine, kot so ATPaze, katerih funkcija je zagotavljanje aktivnega transporta ionov proti koncentracijskemu gradientu. Ker zagotavljajo transport ionov, se ta proces imenuje ionska črpalka.

V živalskih celicah so znani štirje glavni ionski transportni sistemi. Trije od njih zagotavljajo prenos skozi biološke membrane: Na + in K +, Ca +, H + in četrti - prenos protonov med delovanjem mitohondrijske dihalne verige.

Primer aktivnega transportnega mehanizma ionov je natrijeva-kalijeva črpalka v živalskih celicah. V celici vzdržuje stalno koncentracijo natrijevih in kalijevih ionov, ki se razlikuje od koncentracije teh snovi v okolju: običajno je v celici manj natrijevih ionov kot v okolju, kalijevih pa več.

Kot rezultat, v skladu z zakoni enostavne difuzije, kalij teži zapustiti celico, natrij pa difundira v celico. V nasprotju s preprosto difuzijo natrijevo-kalijeva črpalka nenehno črpa natrij iz celice in vnaša kalij: na vsake tri sproščene molekule natrija prideta v celico dve molekuli kalija.

Ta transport natrijevih in kalijevih ionov zagotavlja odvisna ATP-aza, encim, ki je lokaliziran v membrani tako, da prodre v njeno celotno debelino. Natrij in ATP vstopata v ta encim z notranje strani membrane, kalij pa z zunanje strani.

Prenos natrija in kalija skozi membrano nastane kot posledica konformacijskih sprememb, ki jim je podvržena od natrija in kalija odvisna ATPaza, ki se aktivira, ko se poveča koncentracija natrija v celici ali kalija v okolju.

Za dobavo energije tej črpalki je potrebna hidroliza ATP. Ta proces zagotavlja isti encim, natrij-kalij odvisna ATPaza. Poleg tega se več kot ena tretjina ATP, ki ga porabi živalska celica v mirovanju, porabi za delovanje natrijevo-kalijeve črpalke.

Kršitev pravilnega delovanja natrijevo-kalijeve črpalke vodi do različnih resnih bolezni.

Učinkovitost te črpalke presega 50%, kar ne dosežejo najnaprednejši stroji, ki jih je ustvaril človek.

Številni aktivni transportni sistemi se napajajo z energijo, shranjeno v ionskih gradientih, namesto z neposredno hidrolizo ATP. Vsi delujejo kot sotransportni sistemi (spodbujajo transport spojin z nizko molekulsko maso). Na primer, aktivni transport nekaterih sladkorjev in aminokislin v živalske celice je določen z gradientom natrijevih ionov in višji kot je gradient natrijevih ionov, večja je stopnja absorpcije glukoze. In obratno, če se koncentracija natrija v medceličnem prostoru izrazito zmanjša, se transport glukoze ustavi. V tem primeru se mora natrij pridružiti od natrija odvisnemu transportnemu proteinu glukoze, ki ima dve vezavni mesti: eno za glukozo, drugo za natrij. Natrijevi ioni, ki prodrejo v celico, olajšajo vnos nosilnega proteina v celico skupaj z glukozo. Natrijeve ione, ki vstopajo v celico skupaj z glukozo, črpa nazaj ATP-aza, odvisna od natrija in kalija, ki z vzdrževanjem koncentracijskega gradienta natrija posredno nadzoruje transport glukoze.

Transport snovi v membranski embalaži. Velike molekule biopolimerov praktično ne morejo prodreti skozi plazmalemo z nobenim od zgoraj opisanih mehanizmov transporta snovi v celico. Celica jih ujame in absorbira v membransko embalažo, ki se imenuje endocitoza. Slednjo formalno delimo na fagocitozo in pinocitozo. Vnos trdnih delcev v celico je fagocitoza in tekočina - pinocitoza. Med endocitozo opazimo naslednje faze:

sprejem absorbirane snovi zaradi receptorjev v celični membrani;

invaginacija membrane s tvorbo mehurčka (vezikule);

ločitev endocitnega vezikla od membrane s porabo energije – nastanek fagosomov in obnovitev celovitosti membrane;

Zlitje fagosoma z lizosomom in nastanek fagolizosomi (prebavna vakuola), v katerem pride do prebave absorbiranih delcev;

odstranitev neprebavljenega materiala v fagolizosomu iz celice ( eksocitoza).

V živalskem svetu endocitoza je značilen način prehranjevanja številnih enoceličnih organizmov (na primer ameb), med večceličnimi organizmi pa se ta vrsta prebave delcev hrane nahaja v endodermalnih celicah koelenteratov. Kar zadeva sesalce in ljudi, imajo retikulo-histio-endotelijski sistem celic s sposobnostjo endocitoze. Primeri vključujejo krvne levkocite in jetrne Kupfferjeve celice. Slednje poravnajo tako imenovane sinusoidne kapilare jeter in zajamejo različne tujke, suspendirane v krvi. Eksocitoza- To je tudi način odstranjevanja iz celice večceličnega organizma substrata, ki ga ta izloča in je potreben za delovanje drugih celic, tkiv in organov.

Membrana je ultrafina struktura, ki tvori površine organelov in celice kot celote. Vse membrane imajo podobno strukturo in so povezane v en sistem.

Kemična sestava

Celične membrane so kemično homogene in so sestavljene iz beljakovin in lipidov različnih skupin:

• fosfolipidi;
• galaktolipidi;
• sulfolipidi.

Vsebujejo tudi nukleinske kisline, polisaharide in druge snovi.

Fizične lastnosti

Pri normalnih temperaturah so membrane v tekočem kristalnem stanju in nenehno nihajo. Njihova viskoznost je blizu rastlinskega olja.

Membrana je obnovljiva, trpežna, elastična in porozna. Debelina membrane je 7 - 14 nm.

TOP 4 člankiki berejo skupaj s tem

Membrana je neprepustna za velike molekule. Majhne molekule in ioni lahko prehajajo skozi pore in samo membrano pod vplivom koncentracijskih razlik na različnih straneh membrane, pa tudi s pomočjo transportnih proteinov.

Model

Običajno je struktura membran opisana z modelom tekočega mozaika. Membrana ima ogrodje - dve vrsti lipidnih molekul, ki se tesno prilegajo druga drugi, kot opeke.

riž. 1. Biološka membrana tipa sendvič.

Na obeh straneh je površina lipidov prekrita z beljakovinami. Mozaični vzorec tvorijo beljakovinske molekule, ki so neenakomerno razporejene po površini membrane.

Glede na stopnjo potopitve v bilipidno plast so beljakovinske molekule razdeljene na tri skupine:

• transmembranski;
• potopljeno;
• površno.

Beljakovine zagotavljajo glavno lastnost membrane - njeno selektivno prepustnost za različne snovi.

Vrste membran

Vse celične membrane glede na lokalizacijo lahko razdelimo na naslednje vrste:

• zunanji;
• jedrska;
• membrane organelov.

Zunanja citoplazemska membrana ali plazmolema je meja celice. Povezuje se z elementi citoskeleta, ohranja svojo obliko in velikost.

riž. 2. Citoskelet.

Jedrska membrana ali kariolema je meja jedrske vsebine. Zgrajena je iz dveh membran, zelo podobnih zunanji. Zunanja membrana jedra je povezana z membranami endoplazmatskega retikuluma (ER) in skozi pore z notranjo membrano.

Membrane ER prodrejo skozi celotno citoplazmo in tvorijo površine, na katerih poteka sinteza različnih snovi, vključno z membranskimi proteini.

Membrane organelov

Večina organelov ima membransko strukturo.

Stene so zgrajene iz ene membrane:

• kompleks Golgi;
• vakuole;
• lizosomi

Plastidi in mitohondriji so zgrajeni iz dveh plasti membran. Njihova zunanja membrana je gladka, notranja pa tvori veliko gub.

Značilnosti fotosintetskih membran kloroplastov so vgrajene molekule klorofila.

Živalske celice imajo na površini svoje zunanje membrane plast ogljikovih hidratov, imenovano glikokaliks.

riž. 3. Glikokaliks.

Glikokaliks je najbolj razvit v celicah črevesnega epitelija, kjer ustvarja pogoje za prebavo in ščiti plazmalemo.

Tabela "Zgradba celične membrane"

Kaj smo se naučili?

Ogledali smo si zgradbo in delovanje celične membrane. Membrana je selektivna (selektivna) pregrada celice, jedra in organelov. Struktura celične membrane je opisana z modelom tekočega mozaika. Po tem modelu so beljakovinske molekule vgrajene v dvosloj viskoznih lipidov.

Test na temo

Ocena poročila

Povprečna ocena: 4.5. Skupaj prejetih ocen: 270.