Glavne ćelijske membrane i njihove funkcije. Svojstva i funkcije stanične membrane

biološke membrane.
Termin "membrana" (lat. membrana - koža, film) počeo se koristiti prije više od 100 godina za označavanje granice ćelije, služeći, s jedne strane, kao barijera između sadržaja ćelije i vanjskog okruženja. , a s druge, kao polupropusna pregrada kroz koju može proći voda i neke tvari. Međutim, funkcije membrane nisu iscrpljene, budući da biološke membrane čine osnovu strukturne organizacije ćelije.
Struktura membrane. Prema ovom modelu, glavna membrana je lipidni dvosloj, u kojem su hidrofobni repovi molekula okrenuti prema unutra, a hidrofilne glave prema van. Lipidi su predstavljeni fosfolipidima - derivatima glicerola ili sfingozina. Proteini su vezani za lipidni sloj. Integralni (transmembranski) proteini prodiru kroz membranu i čvrsto su povezani s njom; periferne ne prodiru i manje su čvrsto povezane s membranom. Funkcije membranskih proteina: održavanje strukture membrane, primanje i pretvaranje signala iz okoline. okoliš, transport određenih tvari, kataliza reakcija koje se odvijaju na membranama. debljina membrane je od 6 do 10 nm.

Svojstva membrane:
1. Fluidnost. Membrana nije kruta struktura; većina njenih proteina i lipida može se kretati u ravnini membrane.
2. Asimetrija. Sastav vanjskog i unutrašnjeg sloja i proteina i lipida je različit. Osim toga, plazma membrane životinjskih stanica imaju spolja sloj glikoproteina (glikokaliks koji obavlja signalne i receptorske funkcije, a važan je i za ujedinjavanje stanica u tkiva)
3. Polaritet. Spoljašnja strana membrane nosi pozitivan naboj, dok unutrašnja nosi negativan naboj.
4. Selektivna propusnost. Membrane živih ćelija prolaze, pored vode, samo određene molekule i jone rastvorenih supstanci.(Upotreba termina "polupropusnost" u odnosu na ćelijske membrane nije sasvim tačna, jer ovaj koncept implicira da membrana propušta samo rastvarač molekule, zadržavajući sve molekule i ione otopljene tvari.)

Vanjska ćelijska membrana (plazmalema) je ultramikroskopski film debljine 7,5 nm, koji se sastoji od proteina, fosfolipida i vode. Elastična folija, dobro navlažena vodom i brzo obnavlja integritet nakon oštećenja. Ima univerzalnu strukturu, tipičnu za sve biološke membrane. Granični položaj ove membrane, njeno učešće u procesima selektivne permeabilnosti, pinocitoze, fagocitoze, izlučivanja produkata izlučivanja i sinteze, u sprezi sa susednim ćelijama i štiteći ćeliju od oštećenja, čini njenu ulogu izuzetno važnom. Životinjske ćelije izvan membrane ponekad su prekrivene tankim slojem koji se sastoji od polisaharida i proteina - glikokaliksa. Biljne ćelije izvan ćelijske membrane imaju jak ćelijski zid koji stvara spoljašnji oslonac i održava oblik ćelije. Sastoji se od vlakana (celuloze), polisaharida netopivog u vodi.

Nikome nije tajna da su sva živa bića na našoj planeti sastavljena od svojih ćelija, ovih bezbrojnih "" organskih materija. Ćelije su pak okružene posebnom zaštitnom membranom – membranom koja igra veoma važnu ulogu u životu ćelije, a funkcije ćelijske membrane nisu ograničene samo na zaštitu ćelije, već predstavljaju najsloženiji mehanizam koji je uključen. u ćelijskoj reprodukciji, ishrani i regeneraciji.

Šta je ćelijska membrana

Sama riječ “membrana” s latinskog je prevedena kao “film”, iako membrana nije samo vrsta filma u koji je umotana ćelija, već kombinacija dva filma koja su međusobno povezana i imaju različita svojstva. U stvari, ćelijska membrana je troslojna lipoproteinska (masno-proteinska) ljuska koja odvaja svaku ćeliju od susjednih ćelija i okoline, i vrši kontroliranu razmjenu između stanica i okoline, ovo je akademska definicija onoga što je stanica membrana je.

Vrijednost membrane je jednostavno ogromna, jer ne samo da odvaja jednu ćeliju od druge, već i osigurava interakciju ćelije, kako sa drugim ćelijama, tako i sa okolinom.

Istorija istraživanja ćelijskih membrana

Važan doprinos proučavanju ćelijske membrane dala su dva njemačka naučnika Gorter i Grendel još 1925. godine. Tada su uspjeli provesti složen biološki eksperiment na crvenim krvnim zrncima - eritrocitima, tokom kojeg su naučnici dobili takozvane "sjene", prazne ljuske eritrocita, koje su presavijene u jednu gomilu i izmjerile površinu, a također i izračunali količinu lipida u njima. Na osnovu dobijene količine lipida, naučnici su došli do zaključka da su oni dovoljni za dvostruki sloj ćelijske membrane.

Godine 1935. drugi par istraživača ćelijskih membrana, ovaj put Amerikanci Daniel i Dawson, nakon niza dugih eksperimenata, odredili su sadržaj proteina u ćelijskoj membrani. Inače, bilo je nemoguće objasniti zašto membrana ima tako visoku površinsku napetost. Naučnici su pametno predstavili model stanične membrane u obliku sendviča, u kojem ulogu kruha imaju homogeni lipidno-proteinski slojevi, a između njih umjesto putera je praznina.

Godine 1950., s pojavom elektronske teorije Daniela i Dawsona, već je bilo moguće potvrditi praktična zapažanja - na mikrosnimcima ćelijske membrane jasno su se vidjeli slojevi lipidnih i proteinskih glava, kao i prazan prostor između njih.

Američki biolog J. Robertson je 1960. godine razvio teoriju o troslojnoj strukturi ćelijskih membrana, koja se dugo vremena smatrala jedinom istinitom, ali su se daljim razvojem nauke počele javljati sumnje u njenu nepogrešivost. Tako bi, na primjer, sa stanovišta stanica, bilo bi teško i naporno transportirati potrebne korisne tvari kroz cijeli "sendvič"

I tek 1972. godine američki biolozi S. Singer i G. Nicholson uspjeli su da objasne nedosljednosti Robertsonove teorije uz pomoć novog fluidno-mozaičnog modela ćelijske membrane. Konkretno, otkrili su da stanična membrana nije homogena po sastavu, štoviše, asimetrična je i ispunjena tekućinom. Osim toga, ćelije su u stalnom pokretu. I ozloglašeni proteini koji čine staničnu membranu imaju različite strukture i funkcije.

Svojstva i funkcije stanične membrane

Pogledajmo sada koje funkcije obavlja ćelijska membrana:

Barijerna funkcija ćelijske membrane - membrana, kao pravi graničar, čuva granice ćelije, odgađajući, ne propuštajući štetne ili jednostavno neodgovarajuće molekule

Transportna funkcija ćelijske membrane - membrana nije samo granična straža na vratima ćelije, već i svojevrsni carinski punkt, kroz koji neprestano prolazi razmjena korisnih tvari sa drugim stanicama i okolinom.

Funkcija matriksa - to je stanična membrana koja određuje lokaciju u odnosu jedna na drugu, regulira interakciju između njih.

Mehanička funkcija - odgovorna je za ograničavanje jedne ćelije od druge i paralelno za ispravnu povezanost stanica jedna s drugom, za njihovo formiranje u homogeno tkivo.

Zaštitna funkcija ćelijske membrane je osnova za izgradnju zaštitnog štita ćelije. U prirodi, ova funkcija može biti ilustracija tvrdog drveta, guste kore, zaštitne ljuske, a sve zbog zaštitne funkcije membrane.

Enzimska funkcija je još jedna važna funkcija koju obavljaju neki ćelijski proteini. Na primjer, zbog ove funkcije dolazi do sinteze probavnih enzima u crijevnom epitelu.

Također, pored svega toga, kroz ćelijsku membranu se odvija i ćelijski metabolizam koji se može odvijati kroz tri različite reakcije:

• Fagocitoza je ćelijska izmjena u kojoj fagocitne stanice ugrađene u membranu hvataju i probavljaju različite hranjive tvari.
• Pinocitoza - je proces hvatanja ćelijskom membranom molekula tečnosti u kontaktu sa njom. Da bi se to postiglo, na površini membrane se formiraju posebne vitice koje kao da okružuju kap tečnosti, formirajući mjehur, koji membrana naknadno "proguta".
• Egzocitoza - je obrnuti proces, kada ćelija oslobađa sekretornu funkcionalnu tečnost kroz membranu na površinu.

Struktura ćelijske membrane

Postoje tri klase lipida u ćelijskoj membrani:

• fosfolipidi (oni su kombinacija masti i fosfora),
• glikolipidi (kombinacija masti i ugljikohidrata),
• holesterol.

Fosfolipidi i glikolipidi se pak sastoje od hidrofilne glave u koju se protežu dva duga hidrofobna repa. Holesterol, s druge strane, zauzima prostor između ovih repova, sprečavajući ih da se savijaju, a sve to u nekim slučajevima čini membranu pojedinih ćelija vrlo krutom. Uz sve to, molekule holesterola regulišu strukturu ćelijske membrane.

Ali kako god bilo, najvažniji dio strukture stanične membrane su proteini, odnosno različiti proteini koji igraju različite važne uloge. Unatoč raznolikosti proteina sadržanih u membrani, postoji nešto što ih ujedinjuje - prstenasti lipidi nalaze se oko svih proteina membrane. Prstenasti lipidi su posebno strukturirane masti koje služe kao svojevrsna zaštitna ljuska za proteine, bez kojih oni jednostavno ne bi funkcionirali.

Struktura ćelijske membrane ima tri sloja: osnova ćelijske membrane je homogeni tečni lipidni sloj. Proteini ga prekrivaju s obje strane poput mozaika. Upravo proteini, pored gore opisanih funkcija, igraju i ulogu posebnih kanala kroz koje prolaze tvari kroz membranu koje ne mogu prodrijeti u tekući sloj membrane. To uključuje, na primjer, ione kalija i natrija; za njihov prodor kroz membranu, priroda daje posebne ionske kanale staničnih membrana. Drugim riječima, proteini osiguravaju propusnost ćelijskih membrana.

Ako staničnu membranu pogledamo kroz mikroskop, vidjet ćemo sloj lipida formiran od malih sfernih molekula na kojima proteini plutaju kao na moru. Sada znate koje su tvari dio ćelijske membrane.

Ćelijska membrana, video

I za kraj, edukativni video o ćelijskoj membrani.

Cell- ovo nije samo tekućina, enzimi i druge tvari, već i visoko organizirane strukture koje se nazivaju intracelularne organele. Organele za ćeliju nisu ništa manje važne od njenih hemijskih komponenti. Dakle, u nedostatku organela kao što su mitohondrije, zaliha energije ekstrahovane iz hranljivih materija će se odmah smanjiti za 95%.

Većina organela u ćeliji je pokrivena membrane sastoji se prvenstveno od lipida i proteina. Postoje membrane ćelija, endoplazmatski retikulum, mitohondrije, lizozomi, Golgijev aparat.

Lipidi su netopivi u vodi, pa stvaraju barijeru u ćeliji koja sprječava kretanje vode i tvari topljivih u vodi iz jednog odjeljka u drugi. Proteinske molekule, međutim, čine membranu propusnom za različite tvari kroz specijalizirane strukture zvane pore. Mnogi drugi membranski proteini su enzimi koji katalizuju brojne kemijske reakcije, o kojima će biti riječi u narednim poglavljima.

Ćelijska (ili plazma) membrana je tanka, fleksibilna i elastična struktura debljine od samo 7,5-10 nm. Sastoji se uglavnom od proteina i lipida. Približan omjer njegovih komponenti je sljedeći: proteini - 55%, fosfolipidi - 25%, holesterol - 13%, ostali lipidi - 4%, ugljikohidrati - 3%.

lipidnog sloja ćelijske membrane sprečava prodiranje vode. Osnova membrane je lipidni dvosloj - tanak lipidni film koji se sastoji od dva monosloja i potpuno prekriva ćeliju. Kroz membranu su proteini u obliku velikih globula.

Šematski prikaz ćelijske membrane, koji odražava njene glavne elemente
- fosfolipidni dvosloj i veliki broj proteinskih molekula koji strše iznad površine membrane.
Lanci ugljikohidrata su vezani za proteine ​​na vanjskoj površini
i na dodatne proteinske molekule unutar ćelije (ovo nije prikazano na slici).

lipidni dvosloj sastoji se uglavnom od molekula fosfolipida. Jedan kraj takve molekule je hidrofilan, tj. rastvorljiv u vodi (na njemu se nalazi fosfatna grupa), drugi je hidrofoban, tj. rastvorljiv samo u mastima (sadrži masnu kiselinu).

Zbog činjenice da je hidrofobni dio molekule fosfolipida odbija vodu, ali ga privlače slični dijelovi istih molekula, fosfolipidi imaju prirodno svojstvo da se vežu jedni za druge u debljini membrane, kao što je prikazano na sl. 2-3. Hidrofilni dio sa fosfatnom grupom čini dvije površine membrane: vanjsku, koja je u kontaktu sa ekstracelularnom tekućinom, i unutrašnju, koja je u kontaktu sa intracelularnom tekućinom.

Srednji lipidni sloj nepropusna za jone i vodene rastvore glukoze i uree. Supstance rastvorljive u mastima, uključujući kiseonik, ugljični dioksid, alkohol, naprotiv, lako prodiru u ovo područje membrane.

molekule holesterol, koji je deo membrane, takođe su prirodni lipidi, jer njihova steroidna grupa ima visoku rastvorljivost u mastima. Čini se da su ovi molekuli otopljeni u lipidnom dvosloju. Njihova glavna svrha je regulacija propusnosti (ili nepropusnosti) membrana za vodotopive komponente tjelesnih tekućina. Osim toga, holesterol je glavni regulator viskoznosti membrane.

Proteini ćelijske membrane. Na slici su globularne čestice vidljive u lipidnom dvosloju - to su membranski proteini, od kojih su većina glikoproteini. Postoje dvije vrste membranskih proteina: (1) integralni, koji prodiru kroz membranu; (2) periferne, koje strše samo iznad jedne površine ne dosežući drugu.

Mnogi integralni proteini formiraju kanale (ili pore) kroz koje voda i tvari rastvorljive u vodi, posebno joni, mogu difundirati u intra- i ekstracelularnu tekućinu. Zbog selektivnosti kanala, neke tvari bolje difundiraju od drugih.

Ostali integralni proteini funkcionišu kao proteini nosači, vršeći transport supstanci za koje je lipidni dvosloj nepropustan. Ponekad proteini nosači djeluju u smjeru suprotnom od difuzije, takav transport se naziva aktivnim. Neki integralni proteini su enzimi.

Integralni membranski proteini mogu služiti i kao receptori za supstance rastvorljive u vodi, uključujući peptidne hormone, jer je membrana za njih nepropusna. Interakcija receptorskog proteina s određenim ligandom dovodi do konformacijskih promjena u proteinskom molekulu, što zauzvrat stimulira enzimsku aktivnost intracelularnog segmenta proteinske molekule ili prijenos signala iz receptora u ćeliju pomoću drugog glasnika. Dakle, integralni proteini ugrađeni u ćelijsku membranu uključuju je u proces prenošenja informacija o vanjskom okruženju u ćeliju.

Molekuli proteina periferne membranečesto povezan sa integralnim proteinima. Većina perifernih proteina su enzimi ili imaju ulogu dispečera za transport tvari kroz pore membrane.

Svi živi organizmi na Zemlji sastoje se od ćelija, a svaka ćelija je okružena zaštitnom ljuskom – membranom. Međutim, funkcije membrane nisu ograničene na zaštitu organela i odvajanje jedne ćelije od druge. Stanična membrana je složen mehanizam koji je direktno uključen u reprodukciju, regeneraciju, ishranu, disanje i mnoge druge važne ćelijske funkcije.

Termin "ćelijska membrana" koristi se oko stotinu godina. Riječ "membrana" u prijevodu s latinskog znači "film". Ali u slučaju stanične membrane, ispravnije bi bilo govoriti o kombinaciji dva filma međusobno povezana na određeni način, štoviše, različite strane ovih filmova imaju različita svojstva.

Ćelijska membrana (citolema, plazmalema) je troslojna lipoproteinska (masno-proteinska) ljuska koja odvaja svaku ćeliju od susjednih ćelija i okoline, te vrši kontroliranu razmjenu između stanica i okoline.

Od odlučujućeg značaja u ovoj definiciji nije to što ćelijska membrana odvaja jednu ćeliju od druge, već to što obezbeđuje njenu interakciju sa drugim ćelijama i okolinom. Membrana je vrlo aktivna, stalno radna struktura ćelije, kojoj je priroda dodijelila mnoge funkcije. Iz našeg članka saznat ćete sve o sastavu, strukturi, svojstvima i funkcijama stanične membrane, kao i opasnosti po zdravlje ljudi zbog poremećaja u radu ćelijskih membrana.

Istorija istraživanja ćelijskih membrana

Godine 1925. dva njemačka naučnika, Gorter i Grendel, uspjeli su provesti složen eksperiment na ljudskim crvenim krvnim zrncima, eritrocitima. Koristeći osmotski šok, istraživači su dobili takozvane "sjene" - prazne ljuske crvenih krvnih zrnaca, zatim ih stavili u jednu hrpu i izmjerili površinu. Sljedeći korak je bio izračunavanje količine lipida u ćelijskoj membrani. Uz pomoć acetona, naučnici su izolovali lipide iz "senki" i utvrdili da su dovoljni za dupli kontinuirani sloj.

Međutim, tokom eksperimenta su napravljene dvije velike greške:

Upotreba acetona ne dozvoljava da se svi lipidi izoluju iz membrana;

Površina "sjene" izračunata je prema suhoj težini, što je također netačno.

Budući da je prva greška dala minus u proračunima, a druga plus, ukupan rezultat se pokazao iznenađujuće tačnim, a njemački naučnici su znanstvenom svijetu donijeli najvažnije otkriće - lipidni dvosloj ćelijske membrane.

Godine 1935. drugi par istraživača, Danielly i Dawson, nakon dugih eksperimenata na bilipidnim filmovima, došao je do zaključka da su proteini prisutni u ćelijskim membranama. Nije bilo drugog načina da se objasni zašto ovi filmovi imaju tako visoku površinsku napetost. Naučnici su javnosti predstavili šematski model stanične membrane, nalik sendviču, gdje ulogu kriške kruha imaju homogeni lipidno-proteinski slojevi, a između njih umjesto ulja je praznina.

Godine 1950., uz pomoć prvog elektronskog mikroskopa, Danielly-Dawsonova teorija je djelomično potvrđena - mikrofotografije ćelijske membrane jasno su pokazale dva sloja koja se sastoje od lipidnih i proteinskih glava, a između njih prozirni prostor ispunjen samo repovima lipida i proteini.

Američki mikrobiolog J. Robertson je 1960. godine, vođen ovim podacima, razvio teoriju o troslojnoj strukturi ćelijskih membrana, koja se dugo vremena smatrala jedinom istinitom. Međutim, kako se nauka razvijala, rađale su se sve više sumnji u homogenost ovih slojeva. Sa stanovišta termodinamike, takva struktura je izuzetno nepovoljna - ćelijama bi bilo vrlo teško da transportuju supstance unutra i van kroz čitav „sendvič“. Osim toga, dokazano je da ćelijske membrane različitih tkiva imaju različitu debljinu i način vezivanja, što je posljedica različitih funkcija organa.

Godine 1972. mikrobiolozi S.D. Singer i G.L. Nikolson je uspeo da objasni sve nedoslednosti Robertsonove teorije uz pomoć novog, fluidno-mozaičnog modela ćelijske membrane. Naučnici su otkrili da je membrana heterogena, asimetrična, ispunjena tečnošću, a njene ćelije su u stalnom pokretu. A proteini koji ga čine imaju drugačiju strukturu i svrhu, osim toga, različito se nalaze u odnosu na bilipidni sloj membrane.

Ćelijske membrane sadrže tri vrste proteina:

Periferni - pričvršćeni za površinu filma;

poluintegralni- djelomično prodiru u bilipidni sloj;

Integralni - potpuno prodiru kroz membranu.

Periferni proteini su elektrostatičkom interakcijom povezani sa glavama membranskih lipida i nikada ne formiraju kontinuirani sloj, kako se ranije vjerovalo.A poluintegralni i integralni proteini služe za transport kisika i hranjivih tvari u ćeliju, kao i za uklanjanje propadanja. proizvode iz njega i više za nekoliko važnih karakteristika, o kojima ćete saznati kasnije.

Stanična membrana obavlja sljedeće funkcije:

Barijera – propusnost membrane za različite vrste molekula nije ista.Da bi zaobišla ćelijsku membranu, molekul mora imati određenu veličinu, hemijska svojstva i električni naboj. Štetne ili neodgovarajuće molekule, zbog barijerne funkcije stanične membrane, jednostavno ne mogu ući u ćeliju. Na primjer, uz pomoć peroksidne reakcije, membrana štiti citoplazmu od peroksida koji su za nju opasni;

Transport - kroz membranu prolazi pasivna, aktivna, regulirana i selektivna razmjena. Pasivni metabolizam je pogodan za supstance rastvorljive u mastima i gasove koji se sastoje od veoma malih molekula. Takve supstance prodiru u ćeliju i van nje bez trošenja energije, slobodno, difuzijom. Aktivna transportna funkcija stanične membrane aktivira se kada je to potrebno, ali teško prenosive tvari moraju se unijeti u ćeliju ili van nje. Na primjer, oni s velikom molekulskom veličinom ili nesposobni proći kroz bilipidni sloj zbog hidrofobnosti. Tada počinju da rade proteinske pumpe, uključujući ATPazu, koja je odgovorna za apsorpciju jona kalijuma u ćeliju i izbacivanje jona natrijuma iz nje. Regulisani transport je neophodan za funkcije sekrecije i fermentacije, kao što je kada ćelije proizvode i luče hormone ili želudačni sok. Sve ove supstance napuštaju ćelije posebnim kanalima iu određenoj zapremini. A selektivna transportna funkcija je povezana sa samim integralnim proteinima koji prodiru kroz membranu i služe kao kanal za ulazak i izlazak strogo definisanih tipova molekula;

Matriks - stanična membrana određuje i fiksira lokaciju organela jedna u odnosu na drugu (nukleus, mitohondrije, kloroplasti) i regulira interakciju između njih;

Mehanički - osigurava ograničenje jedne ćelije od druge, a istovremeno i ispravan spoj ćelija u homogeno tkivo i otpornost organa na deformacije;

Zaštitna - i kod biljaka i kod životinja, ćelijska membrana služi kao osnova za izgradnju zaštitnog okvira. Primjer je tvrdo drvo, gusta kora, bodljikavo trnje. U životinjskom svijetu također postoje mnogi primjeri zaštitne funkcije staničnih membrana - oklop kornjače, hitinski oklop, kopita i rogovi;

Energija – procesi fotosinteze i ćelijskog disanja bili bi nemogući bez sudjelovanja proteina stanične membrane, jer uz pomoć proteinskih kanala stanice razmjenjuju energiju;

Receptor – proteini ugrađeni u ćelijsku membranu mogu imati još jednu važnu funkciju. Oni služe kao receptori preko kojih ćelija prima signal od hormona i neurotransmitera. A to je zauzvrat neophodno za provođenje nervnih impulsa i normalan tok hormonalnih procesa;

Enzimska - još jedna važna funkcija svojstvena nekim proteinima staničnih membrana. Na primjer, u crijevnom epitelu, probavni enzimi se sintetiziraju uz pomoć takvih proteina;

Biopotencijal- koncentracija kalijevih jona unutar ćelije je mnogo veća nego izvan nje, a koncentracija natrijevih jona je, naprotiv, veća izvana nego unutra. Ovo objašnjava potencijalnu razliku: unutar ćelije naelektrisanje je negativno, izvana pozitivno, što doprinosi kretanju supstanci u ćeliju i van u bilo kojoj od tri vrste metabolizma - fagocitoza, pinocitoza i egzocitoza;

Označavanje - na površini ćelijskih membrana nalaze se takozvane "oznake" - antigeni koji se sastoje od glikoproteina (proteini s razgranatim oligosaharidnim bočnim lancima vezanim za njih). Budući da bočni lanci mogu imati ogromnu raznolikost konfiguracija, svaka vrsta ćelija dobija svoju jedinstvenu oznaku koja omogućava drugim ćelijama u telu da ih prepoznaju „vidom“ i da na njih pravilno reaguju. Zato, na primjer, ljudske imunološke stanice, makrofagi, lako prepoznaju stranca koji je ušao u tijelo (infekcija, virus) i pokušavaju ga uništiti. Ista stvar se dešava i sa bolesnim, mutiranim i starim ćelijama - menja se etiketa na njihovoj ćelijskoj membrani i telo ih se oslobađa.

Ćelijska razmjena odvija se kroz membrane i može se provesti kroz tri glavne vrste reakcija:

Fagocitoza je stanični proces u kojem fagocitne stanice ugrađene u membranu hvataju i probavljaju čvrste čestice hranjivih tvari. U ljudskom tijelu, fagocitozu provode membrane dvije vrste ćelija: granulocita (granularni leukociti) i makrofaga (ćelije ubice imunog sistema);

Pinocitoza je proces hvatanja molekula tekućine koji dolaze u kontakt s njom površinom ćelijske membrane. Za prehranu po tipu pinocitoze, stanica na svojoj membrani izrasta tanke pahuljaste izrasline u obliku antena koje, takoreći, okružuju kap tekućine i dobiva se mjehur. Prvo, ova vezikula strši iznad površine membrane, a zatim se "proguta" - skriva se unutar ćelije, a njeni zidovi se spajaju sa unutrašnjom površinom ćelijske membrane. Pinocitoza se javlja u skoro svim živim ćelijama;

Egzocitoza je obrnuti proces u kome se unutar ćelije formiraju vezikule sa sekretornom funkcionalnom tečnošću (enzim, hormon) i ona se mora nekako ukloniti iz ćelije u okolinu. Da bi se to postiglo, mjehur se prvo spaja sa unutrašnjom površinom ćelijske membrane, zatim izboči prema van, puca, izbacuje sadržaj i ponovo se spaja s površinom membrane, ovaj put izvana. Egzocitoza se odvija, na primjer, u stanicama crijevnog epitela i korteksa nadbubrežne žlijezde.

Ćelijske membrane sadrže tri klase lipida:

Fosfolipidi;

Glikolipidi;

Holesterol.

Fosfolipidi (kombinacija masti i fosfora) i glikolipidi (kombinacija masti i ugljikohidrata), zauzvrat, sastoje se od hidrofilne glave, iz koje se protežu dva duga hidrofobna repa. Ali holesterol ponekad zauzima prostor između ova dva repa i ne dozvoljava im da se savijaju, što čini membrane nekih ćelija krutima. Osim toga, molekuli kolesterola pojednostavljuju strukturu ćelijskih membrana i sprječavaju prijelaz polarnih molekula iz jedne ćelije u drugu.

Ali najvažnija komponenta, kao što se može vidjeti iz prethodnog odjeljka o funkcijama ćelijskih membrana, su proteini. Njihov sastav, namjena i lokacija su vrlo raznoliki, ali postoji nešto zajedničko što ih sve ujedinjuje: prstenasti lipidi uvijek se nalaze oko proteina staničnih membrana. To su posebne masti koje su jasno strukturirane, stabilne, imaju više zasićenih masnih kiselina u svom sastavu i oslobađaju se iz membrana zajedno sa "sponzoriranim" proteinima. Ovo je neka vrsta lične zaštitne ljuske za proteine, bez koje oni jednostavno ne bi funkcionirali.

Struktura ćelijske membrane je troslojna. U sredini leži relativno homogen tečni bilipidni sloj, a proteini ga s obje strane prekrivaju svojevrsnim mozaikom, djelomično prodirući u debljinu. Odnosno, bilo bi pogrešno misliti da su vanjski proteinski slojevi ćelijskih membrana kontinuirani. Proteini su, pored svoje složene funkcije, potrebni u membrani kako bi prošli unutar ćelija i transportovali iz njih one supstance koje nisu u stanju da prodru u masni sloj. Na primjer, joni kalija i natrija. Za njih su predviđene posebne proteinske strukture - jonski kanali, o kojima ćemo detaljnije govoriti u nastavku.

Ako staničnu membranu pogledate kroz mikroskop, možete vidjeti sloj lipida formiran od najsitnijih sfernih molekula, duž kojih, poput mora, plutaju velike proteinske stanice raznih oblika. Potpuno iste membrane dijele unutrašnji prostor svake ćelije u odjeljke u kojima su jezgra, hloroplasti i mitohondriji udobno smješteni. Ako unutar ćelije nema odvojenih „prostorija“, organele bi se zalijepile i ne bi mogle pravilno obavljati svoje funkcije.

Ćelija je skup organela strukturiranih i omeđenih membranama, koji su uključeni u kompleks energetskih, metaboličkih, informacijskih i reproduktivnih procesa koji osiguravaju vitalnu aktivnost organizma.

Kao što se vidi iz ove definicije, membrana je najvažnija funkcionalna komponenta svake ćelije. Njegov značaj je jednako velik kao i jezgra, mitohondrije i druge ćelijske organele. A jedinstvena svojstva membrane su zbog njene strukture: sastoji se od dva filma spojena na poseban način. Molekuli fosfolipida u membrani nalaze se sa hidrofilnim glavama prema van, a hidrofobnim repovima prema unutra. Dakle, jedna strana filma je navlažena vodom, dok druga nije. Dakle, ovi filmovi su međusobno povezani nemočivim stranama prema unutra, formirajući bilipidni sloj okružen proteinskim molekulima. Ovo je sama „sendvič“ struktura ćelijske membrane.

Jonski kanali ćelijskih membrana

Razmotrimo detaljnije princip rada jonskih kanala. Za šta su oni potrebni? Činjenica je da samo tvari topljive u mastima mogu slobodno prodrijeti kroz lipidnu membranu - to su sami plinovi, alkoholi i masti. Tako, na primjer, u crvenim krvnim zrncima postoji stalna izmjena kisika i ugljičnog dioksida, a za to naše tijelo ne mora pribjegavati dodatnim trikovima. Ali šta kada je potrebno transportovati vodene rastvore, kao što su soli natrijuma i kalija, kroz ćelijsku membranu?

Nemoguće bi bilo prokrčiti put takvim supstancama u bilipidnom sloju, jer bi se rupe odmah stezale i sljepile, takva je struktura svakog masnog tkiva. Ali priroda je, kao i uvijek, pronašla izlaz iz situacije i stvorila posebne strukture za transport proteina.

Postoje dvije vrste provodnih proteina:

Transporteri su poluintegralne proteinske pumpe;

Kanaloformeri su integralni proteini.

Proteini prvog tipa su djelimično uronjeni u bilipidni sloj ćelijske membrane, gledaju glavom i u prisustvu željene supstance počinju da se ponašaju kao pumpa: privlače molekul i usisavaju ga u ćelija. A proteini drugog tipa, integralni, imaju izduženi oblik i nalaze se okomito na bilipidni sloj ćelijske membrane, prodirući kroz njega. Kroz njih, kao kroz tunele, tvari koje ne mogu proći kroz masnoću ulaze i izlaze iz ćelije. Kroz ionske kanale ioni kalija prodiru u ćeliju i akumuliraju se u njoj, dok se joni natrija, naprotiv, iznose van. Postoji razlika u električnim potencijalima, toliko neophodnim za pravilno funkcionisanje svih ćelija našeg tela.

Najvažniji zaključci o strukturi i funkcijama staničnih membrana

Teorija uvijek izgleda zanimljivo i obećavajuće ako se može korisno primijeniti u praksi. Otkriće strukture i funkcija ćelijskih membrana ljudskog tijela omogućilo je naučnicima da naprave pravi iskorak u nauci općenito, a posebno u medicini. Nije slučajno što smo se tako detaljno zadržali na jonskim kanalima, jer upravo tu leži odgovor na jedno od najvažnijih pitanja našeg vremena: zašto ljudi sve češće obolijevaju od onkologije?

Rak odnese oko 17 miliona života širom svijeta svake godine i četvrti je vodeći uzrok svih smrti. Prema WHO-u, incidencija raka je u stalnom porastu, a do kraja 2020. mogla bi dostići 25 miliona godišnje.

Šta objašnjava pravu epidemiju raka i kakve veze s tim ima funkcija ćelijskih membrana? Reći ćete: razlog je u lošim ekološkim uslovima, pothranjenosti, lošim navikama i teškom naslijeđu. I, naravno, bit ćete u pravu, ali ako o problemu govorimo detaljnije, onda je razlog zakiseljavanje ljudskog tijela. Gore navedeni negativni faktori dovode do narušavanja ćelijskih membrana, inhibiraju disanje i ishranu.

Tamo gdje bi trebao biti plus, formira se minus i ćelija ne može normalno funkcionirati. Ali stanicama raka nije potreban ni kisik ni alkalna sredina - one mogu koristiti anaerobni tip ishrane. Stoga, u uslovima gladovanja kiseonikom i nivoa pH van skale, zdrave ćelije mutiraju, želeći da se prilagode okruženju, i postaju ćelije raka. Ovako osoba dobije rak. Da biste to izbjegli, potrebno je samo piti dovoljno čiste vode dnevno i odreći se kancerogenih tvari u hrani. Ali, u pravilu, ljudi su svjesni štetnih proizvoda i potrebe za visokokvalitetnom vodom, a ne rade ništa - nadaju se da će ih nevolje zaobići.

Poznavajući karakteristike strukture i funkcije ćelijskih membrana različitih ćelija, liječnici mogu koristiti ove informacije za pružanje ciljanih, ciljanih terapijskih učinaka na tijelo. Mnogi moderni lijekovi, ulazeći u naš organizam, traže pravu "metu", a to mogu biti jonski kanali, enzimi, receptori i biomarkeri ćelijskih membrana. Ova metoda liječenja omogućava postizanje boljih rezultata uz minimalne nuspojave.

Antibiotici najnovije generacije, kada se puste u krv, ne ubijaju sve ćelije zaredom, već traže tačno ćelije patogena, fokusirajući se na markere u njegovim ćelijskim membranama. Najnoviji lekovi protiv migrene, triptani, samo sužavaju upaljene sudove u mozgu, a gotovo da nemaju efekta na srce i periferni cirkulatorni sistem. A potrebne žile prepoznaju upravo po proteinima ćelijskih membrana. Takvih primjera ima mnogo, pa možemo sa sigurnošću reći da je znanje o strukturi i funkcijama ćelijskih membrana u osnovi razvoja moderne medicinske nauke, te svake godine spašava milione života.

obrazovanje: Moskovski medicinski institut. I. M. Sechenov, specijalnost - "Medicina" 1991, 1993 "Profesionalne bolesti", 1996 "Terapija".

Citoplazma- obavezni dio ćelije, zatvoren između plazma membrane i jezgra; Dijeli se na hijaloplazmu (glavna tvar citoplazme), organele (stalne komponente citoplazme) i inkluzije (privremene komponente citoplazme). Hemijski sastav citoplazme: osnova je voda (60-90% ukupne mase citoplazme), razna organska i neorganska jedinjenja. Citoplazma je alkalna. Karakteristična karakteristika citoplazme eukariotske ćelije je stalno kretanje ( cikloza). Otkriva se prvenstveno kretanjem ćelijskih organela, kao što su hloroplasti. Ako se kretanje citoplazme zaustavi, stanica umire, jer samo u stalnom kretanju može obavljati svoje funkcije.

hijaloplazma ( citosol) je bezbojna, sluzava, gusta i prozirna koloidna otopina. U njemu se odvijaju svi metabolički procesi, osigurava međusobnu povezanost jezgra i svih organela. Ovisno o prevlasti tekućeg dijela ili velikih molekula u hijaloplazmi, razlikuju se dva oblika hijaloplazme: sol- tečnija hijaloplazma i gel- gušća hijaloplazma. Mogući su međusobni prijelazi između njih: gel se pretvara u sol i obrnuto.

Funkcije citoplazme:

1. integracija svih komponenti ćelije u jedinstven sistem,
2. okruženje za prolazak mnogih biohemijskih i fizioloških procesa,
3. okruženje za postojanje i funkcionisanje organela.

Ćelijski zidovi

Ćelijski zidovi ograničavaju eukariotske ćelije. U svakoj ćelijskoj membrani mogu se razlikovati najmanje dva sloja. Unutrašnji sloj je uz citoplazmu i predstavljen je sa plazma membrana(sinonimi - plazmalema, ćelijska membrana, citoplazmatska membrana), preko kojih se formira vanjski sloj. U životinjskoj ćeliji je tanak i zove se glikokaliks(koji nastaju od glikoproteina, glikolipida, lipoproteina), u biljnoj ćeliji - gusta, tzv. ćelijski zid(formiran od celuloze).

Sve biološke membrane imaju zajedničke strukturne karakteristike i svojstva. Trenutno je opšte prihvaćeno fluidni mozaični model strukture membrane. Osnova membrane je lipidni dvosloj, formiran uglavnom od fosfolipida. Fosfolipidi su trigliceridi u kojima je jedan ostatak masne kiseline zamijenjen ostatkom fosforne kiseline; dio molekule u kojem se nalazi ostatak fosforne kiseline naziva se hidrofilna glava, a dijelovi u kojima se nalaze ostaci masnih kiselina nazivaju se hidrofobni repovi. U membrani, fosfolipidi su raspoređeni na striktno uređen način: hidrofobni repovi molekula okrenuti su jedan prema drugom, a hidrofilne glave okrenute prema van, prema vodi.

Osim lipida, membrana sadrži proteine ​​(u prosjeku ≈ 60%). Oni određuju većinu specifičnih funkcija membrane (transport određenih molekula, kataliza reakcija, primanje i pretvaranje signala iz okoline, itd.). Razlikovati: 1) perifernih proteina(nalazi se na vanjskoj ili unutrašnjoj površini lipidnog dvosloja), 2) poluintegralni proteini(uronjeni u lipidni dvosloj na različite dubine), 3) integralni ili transmembranski proteini(prožimaju membranu kroz i kroz, dok su u kontaktu i sa spoljašnjim i sa unutrašnjim okruženjem ćelije). Integralni proteini se u nekim slučajevima nazivaju formiranjem kanala ili kanalom, jer se mogu smatrati hidrofilnim kanalima kroz koje polarni molekuli prolaze u ćeliju (lipidna komponenta membrane ih ne bi propuštala).

A - hidrofilna glava fosfolipida; C, hidrofobni repovi fosfolipida; 1 - hidrofobni regioni proteina E i F; 2, hidrofilne regije proteina F; 3 - razgranati oligosaharidni lanac vezan za lipid u molekulu glikolipida (glikolipidi su rjeđi od glikoproteina); 4 - razgranati oligosaharidni lanac vezan za protein u molekulu glikoproteina; 5 - hidrofilni kanal (funkcionira kao pora kroz koju mogu proći ioni i neki polarni molekuli).

Membrana može sadržavati ugljikohidrate (do 10%). Ugljikohidratnu komponentu membrana predstavljaju oligosaharidni ili polisaharidni lanci povezani s proteinskim molekulima (glikoproteini) ili lipidima (glikolipidi). U osnovi, ugljikohidrati se nalaze na vanjskoj površini membrane. Ugljikohidrati obezbjeđuju receptorske funkcije membrane. U životinjskim ćelijama, glikoproteini formiraju epimembranski kompleks, glikokaliks, debljine nekoliko desetina nanometara. U njemu se nalaze mnogi ćelijski receptori, uz njegovu pomoć dolazi do adhezije ćelija.

Molekuli proteina, ugljikohidrata i lipida su pokretni, sposobni da se kreću u ravnini membrane. Debljina plazma membrane je približno 7,5 nm.

Funkcije membrane

Membrane obavljaju sljedeće funkcije:

1. odvajanje ćelijskog sadržaja iz spoljašnje sredine,
2. regulacija metabolizma između ćelije i okoline,
3. podjela ćelije na odjeljke ("kompartmenti"),
4. lokacija "enzimskih transportera",
5. obezbeđivanje komunikacije između ćelija u tkivima višećelijskih organizama (adhezija),
6. prepoznavanje signala.

Najvažniji svojstvo membrane- selektivna propusnost, tj. membrane su visoko propusne za neke tvari ili molekule i slabo propusne (ili potpuno nepropusne) za druge. Ovo svojstvo je u osnovi regulatorne funkcije membrana, koja osigurava razmjenu tvari između ćelije i vanjskog okruženja. Proces kojim tvari prolaze kroz ćelijsku membranu naziva se transport supstanci. Razlikovati: 1) pasivni transport- proces prolaska materija bez energije; 2) aktivni transport- proces prolaska supstanci, koji ide uz trošak energije.

At pasivni transport tvari prelaze iz područja sa višom koncentracijom u područje sa nižom, tj. duž gradijenta koncentracije. U bilo kojoj otopini postoje molekuli rastvarača i otopljene tvari. Proces kretanja molekula otopljene tvari naziva se difuzija, a kretanje molekula otapala naziva se osmoza. Ako je molekul nabijen, na njegov transport utječe električni gradijent. Stoga se često govori o elektrohemijskom gradijentu, kombinujući oba gradijenta zajedno. Brzina transporta zavisi od veličine nagiba.

Mogu se razlikovati sljedeće vrste pasivnog transporta: 1) jednostavna difuzija- transport supstanci direktno kroz lipidni dvosloj (kiseonik, ugljen-dioksid); 2) difuziju kroz membranske kanale- transport kroz proteine ​​koji formiraju kanale (Na +, K+, Ca 2+, Cl -); 3) olakšanu difuziju- transport supstanci pomoću posebnih transportnih proteina, od kojih je svaki odgovoran za kretanje određenih molekula ili grupa srodnih molekula (glukoza, aminokiseline, nukleotidi); četiri) osmoza- transport molekula vode (u svim biološkim sistemima voda je rastvarač).

Need aktivni transport nastaje kada je potrebno osigurati prijenos molekula kroz membranu protiv elektrohemijskog gradijenta. Ovaj transport obavljaju posebni proteini nosači, čija aktivnost zahtijeva utrošak energije. Izvor energije su ATP molekuli. Aktivni transport uključuje: 1) Na + /K + -pumpa (natrijum-kalijum pumpa), 2) endocitozu, 3) egzocitozu.

Rad Na + /K + -pumpe. Za normalno funkcioniranje, stanica mora održavati određeni odnos K+ i Na+ jona u citoplazmi i vanjskom okruženju. Koncentracija K+ unutar ćelije bi trebala biti znatno veća nego izvan nje, a Na+ - obrnuto. Treba napomenuti da Na + i K + mogu slobodno difundirati kroz pore membrane. Na+/K+ pumpa se suprotstavlja izjednačavanju ovih koncentracija jona i aktivno pumpa Na+ iz ćelije i K+ u ćeliju. Na + /K + -pumpa je transmembranski protein sposoban za konformacijske promjene, tako da može vezati i K + i Na + . Ciklus rada Na + /K + -pumpe može se podijeliti na sljedeće faze: 1) vezivanje Na + iz unutrašnjosti membrane, 2) fosforilacija proteina pumpe, 3) oslobađanje Na + u ekstracelularnom prostor, 4) vezivanje K+ sa vanjske strane membrane, 5) defosforilacija proteina pumpe, 6) oslobađanje K+ u intracelularnom prostoru. Natrijum-kalijum pumpa troši skoro trećinu sve energije neophodne za život ćelije. Tokom jednog ciklusa rada, pumpa ispumpava 3Na+ iz ćelije i pumpa 2K+.

Endocitoza- proces apsorpcije velikih čestica i makromolekula od strane ćelije. Postoje dvije vrste endocitoze: 1) fagocitoza- hvatanje i apsorpcija velikih čestica (ćelije, dijelovi ćelije, makromolekule) i 2) pinocitoza- hvatanje i apsorpcija tečnog materijala (rastvor, koloidni rastvor, suspenzija). Fenomen fagocitoze otkrio je I.I. Mečnikov 1882. Tokom endocitoze, plazma membrana formira invaginaciju, njene ivice se spajaju, a strukture koje su odvojene od citoplazme jednom membranom su upletene u citoplazmu. Mnoge protozoe i neki leukociti sposobni su za fagocitozu. Pinocitoza se opaža u epitelnim stanicama crijeva, u endotelu krvnih kapilara.

Egzocitoza- obrnuti proces endocitoze: uklanjanje različitih supstanci iz ćelije. Tokom egzocitoze, membrana vezikula se spaja sa vanjskom citoplazmatskom membranom, sadržaj vezikule se uklanja izvan ćelije, a njena membrana je uključena u vanjsku citoplazmatsku membranu. Na taj način se hormoni izlučuju iz ćelija endokrinih žlijezda, a kod protozoa ostaje neprobavljena hrana.

Idi predavanja broj 5„Teorija ćelija. Vrste ćelijske organizacije»

Idi predavanja broj 7"Eukariotska ćelija: struktura i funkcije organela"