Molekylær struktur av cellemembranen. Strukturen og funksjonene til biologiske membraner

Naturen har skapt mange organismer og celler, men til tross for dette har strukturen og mest av funksjonene til biologiske membraner er de samme, noe som lar oss vurdere strukturen deres og studere dem nøkkelegenskaper uten tilknytning til en bestemt type celler.

Hva er en membran?

Membraner er et beskyttende element som er en integrert del av cellen til enhver levende organisme.

Strukturelle og funksjonell enhet av alle levende organismer på planeten er en celle. Dens vitale aktivitet er uløselig knyttet til miljøet som den utveksler energi, informasjon, materie med. Så den ernæringsmessige energien som er nødvendig for cellens funksjon kommer utenfra og brukes på implementeringen av dens forskjellige funksjoner.

Strukturen til den enkleste strukturelle enheten til en levende organisme: organellmembran, forskjellige inneslutninger. Den er omgitt av en membran, inne i hvilken kjernen og alle organeller er plassert. Disse er mitokondrier, lysosomer, ribosomer, endoplasmatisk retikulum. Hver strukturelt element har sin egen membran.

Rolle i cellens liv

Den biologiske membranen spiller en kulminerende rolle i strukturen og funksjonen til et elementært levende system. Bare et bur omringet beskyttende skall kan med rette kalles en organisme. En prosess som metabolisme utføres også på grunn av tilstedeværelsen av en membran. Hvis dens strukturelle integritet krenkes, fører dette til en endring funksjonell tilstand organisme som helhet.

Cellemembran og dens funksjoner

Det skiller cytoplasmaet til cellen fra det ytre miljøet eller fra membranen. Cellemembranen sikrer riktig ytelse av spesifikke funksjoner, spesifikasjonene til intercellulære kontakter og immunmanifestasjoner, og støtter transmembranforskjellen i elektrisk potensial. Den inneholder reseptorer som kan oppfatte kjemiske signaler - hormoner, mediatorer og andre biologisk aktive komponenter. Disse reseptorene gir den en annen evne - å endre den metabolske aktiviteten til cellen.

Membranfunksjoner:

1. Aktiv overføring av stoffer.

2. Passiv overføring av stoffer:

2.1. Diffusjon er enkel.

2.2. transport gjennom porene.

2.3. Transport utført ved diffusjon av en bærer sammen med en membransubstans eller ved å formidle et stoff langs molekylkjeden til en bærer.

3. Overføring av ikke-elektrolytter på grunn av enkel og tilrettelagt diffusjon.

Strukturen til cellemembranen

Komponentene i cellemembranen er lipider og proteiner.

Lipider: fosfolipider, fosfatidyletanolamin, sfingomyelin, fosfatidylinositol og fosfatidylserin, glykolipider. Andelen lipider er 40-90%.

Proteiner: perifere, integrale (glykoproteiner), spektrin, aktin, cytoskjelett.

Det viktigste strukturelle elementet er et dobbelt lag av fosfolipidmolekyler.

Takmembran: definisjon og typologi

Litt statistikk. Innenfor territoriet til Den russiske føderasjonen membran som takmateriale har blitt brukt for ikke så lenge siden. Egenvekt membrantak fra totalt antall myke taktak er bare 1,5 %. Mer bred bruk i Russland mottok bituminøse og mastikktak. Men i Vest-Europa Membrantak står for 87 %. Forskjellen er til å ta og føle på.

Som regel er membranen som hovedmateriale i takoverlappingen ideell for flate tak. For de med stor skjevhet er det mindre egnet.

Volumene av produksjon og salg av membrantak i hjemmemarkedet har en positiv veksttrend. Hvorfor? Årsakene er mer enn klare:

Levetiden er ca 60 år. Tenk deg, bare garantiperioden for bruk, som er satt av produsenten, når 20 år.
Enkel installasjon. Til sammenligning: montering av et bituminøst tak tar 1,5 ganger mer tid enn montering av et membrangulv.
Enkel vedlikehold og reparasjonsarbeid.

Tykkelsen på takmembraner kan være 0,8-2 mm, og gjennomsnittsvekten på en kvadratmeter er 1,3 kg.

Egenskaper til takbelegg:

elastisitet;
styrke;
motstand mot ultrafiolette stråler og andre aggressive medier;
frostbestandighet;
brannmotstand.

Det finnes tre typer takbelegg. Hovedklassifiseringsfunksjonen er typen polymermateriale som utgjør bunnen av lerretet. Så takbelegg er:

som tilhører gruppen EPDM, laget på grunnlag av polymerisert etylen-propylen-dien-monomer, med andre ord, Fordeler: høy styrke, elastisitet, vannbestandighet, miljøvennlighet, lav pris. Ulemper: selvklebende teknologi for sammenføyning av lerreter ved hjelp av en spesiell tape, skjøter med lav styrke. Bruksområde: brukes som vanntettingsmateriale for tunneltak, vannkilder, avfallslagre, kunstige og naturlige reservoarer, etc.
PVC membraner. Dette er skjell, i produksjonen av hvilke polyvinylklorid brukes som hovedmateriale. Fordeler: UV-motstand, brannmotstand, omfattende fargespekter av membranplater. Ulemper: lav motstand mot bituminøse materialer, oljer, løsemidler; slippes ut i atmosfæren skadelige stoffer; fargen på lerretet blekner over tid.
TPO. Laget av termoplastiske olefiner. De kan være forsterket og ikke-forsterket. De første er utstyrt med polyesternett eller glassfiberduk. Fordeler: miljøvennlighet, holdbarhet, høy elastisitet, temperaturbestandighet (både ved høy og kl. lave temperaturer), sveisede skjøter av sømmene på lerretene. Ulemper: høy priskategori, mangel på produsenter på hjemmemarkedet.

Profilert membran: egenskaper, funksjoner og fordeler

Profilerte membraner er en innovasjon i byggemarkedet. En slik membran brukes som vanntettingsmateriale.

Materialet som brukes i produksjonen er polyetylen. Sistnevnte er av to typer: polyetylen høytrykk(PVD) og lavtrykkspolyetylen (HDPE).

Tekniske spesifikasjoner PVD og HDPE membraner

Indeks
Strekkfasthet (MPa)
Strekkforlengelse (%)
Tetthet (kg / m3)
Trykkstyrke (MPa)
Slagfasthet (hakk) (KJ/kvm)
Bøyemodul (MPa)
Hardhet (MPa)
Driftstemperatur (˚С)	-60 til +80	-60 til +80
Daglig hastighet for vannabsorpsjon (%)

Den profilerte membranen laget av høytrykkspolyetylen har en spesiell overflate - hule kviser. Høyden på disse formasjonene kan variere fra 7 til 20 mm. Den indre overflaten av membranen er glatt. Dette muliggjør problemfri bøyning av byggematerialer.

En endring i formen til individuelle seksjoner av membranen er utelukket, siden trykket er jevnt fordelt over hele området på grunn av tilstedeværelsen av alle de samme fremspringene. Geomembran kan brukes som ventilasjonsisolasjon. I dette tilfellet sikres fri varmeveksling inne i bygningen.

Fordeler med profilerte membraner:

økt styrke;
Varme motstand;
stabilitet av kjemisk og biologisk påvirkning;
lang levetid (mer enn 50 år);
enkel installasjon og vedlikehold;
rimelig pris.

Profilerte membraner er av tre typer:

med et enkelt lag;
med tolags lerret = geotekstil + dreneringsmembran;
med trelags lerret = glatt underlag + geotekstil + dreneringsmembran.

En enkeltlags profilert membran brukes til å beskytte hovedvanntetting, installasjon og demontering av betongforberedelse av vegger med høy luftfuktighet. En to-lags beskyttende brukes under utstyr En tre-lags en brukes på jord som egner seg til frostheving og dyp jord.

Bruksområder for dreneringsmembraner

Den profilerte membranen finner sin anvendelse på følgende områder:

Grunnleggende vanntetting av fundament. Gir pålitelig beskyttelse mot ødeleggende påvirkning av grunnvann, planterotsystemer, jordsenkning og mekanisk skade.
Grunnmursdrenering. Nøytraliserer virkningen av grunnvann, nedbør ved å overføre dem til dreneringssystemer.
Horisontal type - beskyttelse mot deformasjon på grunn av strukturelle egenskaper.
En analog av betongforberedelse. Den brukes i tilfelle konstruksjonsarbeid på bygging av bygninger i sonen med lavt grunnvann, i tilfeller der horisontal vanntetting brukes for å beskytte mot kapillær fuktighet. Funksjonene til den profilerte membranen inkluderer også ugjennomtrengelighet av sementbelegg i jorda.
Ventilasjon av veggflater med høy luftfuktighet. Kan monteres både innendørs og utendørs utenfor lokaler. I det første tilfellet aktiveres den luftsirkulasjon, og den andre gir optimal fuktighet og temperatur.
Brukt omvendt tak.

Super diffusjonsmembran

Superdiffusjonsmembranen er et materiale av en ny generasjon, hvis hovedformål er å beskytte elementene i takkonstruksjonen mot vindfenomener, nedbør og damp.

Produksjonen av beskyttende materiale er basert på bruk av nonwovens, tette fibre Høy kvalitet. På hjemmemarkedet er en trelags og firelags membran populær. Tilbakemeldinger fra eksperter og forbrukere bekrefter at jo flere lag som ligger til grunn for designet, jo sterkere er det. beskyttende funksjoner, og dermed høyere energieffektivitet for rommet som helhet.

Avhengig av typen tak, funksjonene i designet, klimatiske forhold, anbefaler produsenter å gi preferanse til en eller annen type diffusjonsmembraner. Så de eksisterer for skråtak av komplekse og enkle strukturer, for skråtak med minimum helning, for brettede tak, etc.

Superdiffusjonsmembranen legges direkte på det varmeisolerende laget, gulv fra platene. Det er ikke behov for ventilasjonsåpning. Materialet er festet med spesielle braketter eller stålspiker. Kantene på diffusjonsplatene kobles sammen Arbeid kan utføres selv under ekstreme forhold: i kraftige vindkast vind osv.

I tillegg kan det aktuelle belegget brukes som midlertidig takbelegg.

PVC-membraner: essens og formål

PVC-membraner er et takmateriale laget av polyvinylklorid og har elastiske egenskaper. Et slikt moderne takmateriale erstattet fullstendig bituminøse rulleanaloger, som har en betydelig ulempe - behovet for systematisk vedlikehold og reparasjon. I dag gjør de karakteristiske egenskapene til PVC-membraner det mulig å bruke dem når du utfører reparasjonsarbeid på gamle tak. flat type. De brukes også ved montering av nye tak.

Et tak laget av slikt materiale er enkelt å bruke, og installasjonen er mulig på alle typer overflater, når som helst på året og under alle værforhold. PVC-membran har følgende egenskaper:

styrke;
stabilitet ved eksponering for UV-stråler, ulike typer nedbør, punkt- og overflatebelastninger.

Det er takket være deres unike egenskaper PVC-membraner vil tjene deg trofast i mange år. Bruksperioden for et slikt tak er lik driftsperioden for selve bygningen, mens rullede takmaterialer trenger regelmessige reparasjoner, og i noen tilfeller til og med demontering og installasjon av et nytt gulv.

Mellom seg er PVC-membranplater forbundet med varmpustsveising, hvis temperatur er i området 400-600 grader Celsius. Denne forbindelsen er fullstendig forseglet.

Fordeler med PVC-membraner

Fordelene deres er åpenbare:

fleksibiliteten til taksystemet, som er mest i samsvar med byggeprosjektet;
slitesterk, lufttett forbindelsessøm mellom membranplatene;
perfekt toleranse for klimaendringer, værforhold, temperatur, fuktighet;
økt dampgjennomtrengelighet, noe som bidrar til fordampning av fuktighet akkumulert i undertaksrommet;
mange fargealternativer;
brannslokkingsegenskaper;
muligheten til å beholde de opprinnelige egenskapene i en lang periode og utseende;
PVC-membran er et absolutt miljøvennlig materiale, som bekreftes av de relevante sertifikatene;
installasjonsprosessen er mekanisert, så det vil ikke ta mye tid;
driftsregler tillater installasjon av ulike arkitektoniske tillegg direkte på toppen av selve PVC-membrantaket;
enkeltlags styling vil spare deg penger;
enkel vedlikehold og reparasjon.

Membranstoff

Membranstoff har vært kjent for tekstilindustrien i lang tid. Sko og klær er laget av dette materialet: for voksne og barn. Membran - grunnlaget for membranstoff, presentert i form av en tynn polymerfilm og har slike egenskaper som vannmotstand og damppermeabilitet. For produksjon dette materialet denne filmen er dekket med ytre og indre beskyttende lag. Strukturen deres bestemmes av selve membranen. Dette gjøres for å redde alle nyttige egenskaper selv om den er skadet. Membranklær blir med andre ord ikke våte når de utsettes for nedbør i form av snø eller regn, men passerer samtidig perfekt damp fra kroppen til det ytre miljøet. Denne gjennomstrømningen lar huden puste.

Med tanke på alt det ovennevnte, kan vi konkludere med at ideelle vinterklær er laget av et slikt stoff. Membranen, som er i bunnen av stoffet, kan være:

med porer;
uten porer;
kombinert.

Teflon er inkludert i sammensetningen av membraner med mange mikroporer. Dimensjonene til slike porer når ikke engang dimensjonene til en vanndråpe, men er større enn et vannmolekyl, noe som indikerer vannmotstand og evne til å fjerne svette.

Membraner som ikke har porer er vanligvis laget av polyuretan. Deres indre lag konsentrerer alle svette-fettsekresjoner fra menneskekroppen og skyver dem ut.

Strukturen til den kombinerte membranen innebærer tilstedeværelsen av to lag: porøs og glatt. Dette stoffet har høy kvalitetsegenskaper og vil vare i mange år.

Takket være disse fordelene er klær og sko laget av membranstoffer og designet for å brukes i vintersesongen slitesterke, men lette og beskytter perfekt mot frost, fuktighet og støv. De er rett og slett uunnværlige for mange aktive arter vinterrekreasjon, fjellklatring.

utendørs cellemembran(plasmalemma, cytolemma, plasmamembran) av dyreceller dekket på utsiden (dvs. på siden som ikke er i kontakt med cytoplasma) med et lag av oligosakkaridkjeder kovalent festet til membranproteiner (glykoproteiner) og i mindre grad til lipider (glykolipider). Dette karbohydratbelegget av membranen kalles glykokalyx. Hensikten med glykokalyxen er ennå ikke veldig klar; det er en antagelse om at denne strukturen tar del i prosessene for intercellulær gjenkjennelse.

I planteceller på toppen av den ytre cellemembranen er et tett celluloselag med porer som kommunikasjon utføres mellom naboceller gjennom cytoplasmatiske broer.

Celler sopp på toppen av plasmalemmaet - et tett lag kitin.

På bakterie – mureina.

Egenskaper til biologiske membraner

1. Evne til selvmontering etter ødeleggende påvirkninger. Denne egenskapen bestemmes av de fysisk-kjemiske egenskapene til fosfolipidmolekyler, som i vandig løsning settes sammen slik at de hydrofile endene av molekylene vender utover, og de hydrofobe endene vender innover. Proteiner kan inkorporeres i ferdiglagde fosfolipidlag. Evnen til å montere selv er avgjørende på cellenivå.

2. Semi-permeabilitet(selektivitet i overføring av ioner og molekyler). Sikrer opprettholdelse av konstansen til den ioniske og molekylære sammensetningen i cellen.

3. Membranfluiditet. Membraner er ikke stive strukturer; de svinger konstant på grunn av rotasjons- og oscillerende bevegelser av lipid- og proteinmolekyler. Dette gir en høy strømningshastighet av enzymatiske og andre kjemiske prosesser i membraner.

4. Fragmenter av membraner har ikke frie ender, da de er lukket i bobler.

Funksjoner av den ytre cellemembranen (plasmalemma)

Hovedfunksjonene til plasmalemmaet er som følger: 1) barriere, 2) reseptor, 3) utveksling, 4) transport.

1. barrierefunksjon. Det kommer til uttrykk i det faktum at plasmalemmaet begrenser innholdet i cellen, skiller det fra det ytre miljøet, og intracellulære membraner deler cytoplasmaet i separate reaksjonære rom.

2. reseptor funksjon. En av essensielle funksjoner plasmalemma er å sikre kommunikasjon (forbindelse) av cellen med eksternt miljø gjennom reseptorapparatet som er tilstede i membranene, som har en protein- eller glykoproteinnatur. Hovedfunksjonen til reseptorformasjonene til plasmalemmaet er gjenkjennelsen av eksterne signaler, på grunn av hvilke cellene er riktig orientert og danner vev i prosessen med differensiering. Aktiviteten til ulike reguleringssystemer, så vel som dannelsen av en immunrespons, er assosiert med reseptorfunksjonen.

bytte funksjon bestemmes av innholdet av enzymproteiner i biologiske membraner, som er biologiske katalysatorer. Deres aktivitet varierer avhengig av pH i mediet, temperatur, trykk, konsentrasjonen av både substratet og selve enzymet. Enzymer bestemmer intensiteten av nøkkelreaksjoner metabolisme, samt orientering.

Transportfunksjon til membraner. Membranen gir selektiv penetrasjon inn i cellen og fra cellen inn i miljøet av ulike kjemikalier. Transport av stoffer er nødvendig for å opprettholde riktig pH i cellen, den riktige ioniske konsentrasjonen, som sikrer effektiviteten til cellulære enzymer. Transport leverer næringsstoffer som tjener som energikilde, samt materiale for dannelse av ulike cellulære komponenter. Det bestemmer fjerning av giftig avfall fra cellen, sekresjon av ulike nyttige stoffer og dannelse av ioniske gradienter som er nødvendige for nerve- og muskelaktivitet.Endringer i overføringshastigheten av stoffer kan føre til forstyrrelser i bioenergetiske prosesser, vann-saltmetabolisme , eksitabilitet og andre prosesser. Korrigering av disse endringene ligger til grunn for virkningen av mange medikamenter.

Det er to hovedmåter som stoffer kommer inn i cellen og ut av cellen til det ytre miljøet;

passiv transport,

aktiv transport.

Passiv transport går langs gradienten av kjemisk eller elektrokjemisk konsentrasjon uten forbruk av ATP-energi. Hvis molekylet til det transporterte stoffet ikke har noen ladning, bestemmes retningen for passiv transport bare av forskjellen i konsentrasjonen av dette stoffet på begge sider av membranen (kjemisk konsentrasjonsgradient). Hvis molekylet er ladet, påvirkes transporten av både den kjemiske konsentrasjonsgradienten og den elektriske gradienten (membranpotensial).

Begge gradientene utgjør til sammen en elektrokjemisk gradient. Passiv transport av stoffer kan utføres på to måter: enkel diffusjon og tilrettelagt diffusjon.

Med enkel diffusjon saltioner og vann kan trenge gjennom de selektive kanalene. Disse kanalene er dannet av noen transmembrane proteiner som danner ende-til-ende transportveier som er åpne permanent eller bare i kort tid. Gjennom de selektive kanalene trenger ulike molekyler inn, som har størrelsen og ladningen som tilsvarer kanalene.

Det er en annen måte for enkel diffusjon - dette er diffusjon av stoffer gjennom lipid-dobbeltlaget, som fettløselige stoffer og vann lett passerer gjennom. Lipid-dobbeltlaget er ugjennomtrengelig for ladede molekyler (ioner), og samtidig kan uladede små molekyler fritt diffundere, og jo mindre molekylet er, jo raskere transporteres det. Den ganske høye hastigheten på vanndiffusjon gjennom lipid-dobbeltlaget skyldes nettopp den lille størrelsen på molekylene og fraværet av en ladning.

Med tilrettelagt diffusjon proteiner er involvert i transport av stoffer - bærere som fungerer etter prinsippet om "ping-pong". I dette tilfellet eksisterer proteinet i to konformasjonstilstander: i "pong"-tilstanden er bindingsstedene til det transporterte stoffet åpne på utsiden av dobbeltlaget, og i "ping"-tilstanden åpner de samme stedene på den andre side. Denne prosessen er reversibel. Fra hvilken side bindingsstedet til et stoff vil være åpent på et gitt tidspunkt avhenger av konsentrasjonsgradienten til dette stoffet.

På denne måten passerer sukkerarter og aminosyrer gjennom membranen.

Med tilrettelagt diffusjon øker transporthastigheten av stoffer betydelig sammenlignet med enkel diffusjon.

I tillegg til bærerproteiner er noen antibiotika, som gramicidin og valinomycin, involvert i forenklet diffusjon.

Fordi de gir ionetransport, kalles de ionoforer.

Aktiv transport av stoffer i cellen. Denne typen transport kommer alltid med kostnadene for energi. Energikilden som trengs for aktiv transport er ATP. Et karakteristisk trekk ved denne typen transport er at den utføres på to måter:

ved hjelp av enzymer kalt ATPaser;

transport i membranemballasje (endocytose).

PÅ den ytre cellemembranen inneholder enzymproteiner som ATPaser, hvis funksjon er å sørge for aktiv transport ioner mot en konsentrasjonsgradient. Siden de sørger for transport av ioner, kalles denne prosessen en ionepumpe.

Det er fire hoved ionetransportsystemer i dyrecellen. Tre av dem gir overføring gjennom biologiske membraner: Na + og K +, Ca +, H +, og den fjerde - overføring av protoner under operasjonen av mitokondriell respirasjonskjede.

Et eksempel på en aktiv ionetransportmekanisme er natrium-kalium pumpe i dyreceller. Det opprettholder en konstant konsentrasjon av natrium- og kaliumioner i cellen, som er forskjellig fra konsentrasjonen av disse stoffene i miljøet: normalt er det mindre natriumioner i cellen enn i miljøet, og mer kalium.

Som et resultat, i henhold til lovene for enkel diffusjon, har kalium en tendens til å forlate cellen, og natrium diffunderer inn i cellen. I motsetning til enkel diffusjon, pumper natrium-kalium-pumpen konstant ut natrium fra cellen og injiserer kalium: for tre molekyler natrium som kastes ut, er det to molekyler kalium introdusert i cellen.

Denne transporten av natrium-kaliumioner leveres av det ATP-avhengige enzymet, som er lokalisert i membranen på en slik måte at det trenger gjennom hele tykkelsen, C. innsiden membraner, natrium og ATP kommer inn i dette enzymet, og kalium fra utsiden.

Overføringen av natrium og kalium over membranen skjer som et resultat av konformasjonsendringer som den natrium-kaliumavhengige ATPase gjennomgår, som aktiveres når konsentrasjonen av natrium inne i cellen eller kalium i miljøet øker.

ATP-hydrolyse er nødvendig for å drive denne pumpen. Denne prosessen leveres av det samme enzymet natrium-kalium-avhengige ATP-ase. Samtidig brukes mer enn en tredjedel av ATP som forbrukes av dyrecellen i hvile på arbeidet med natrium-kaliumpumpen.

Brudd på riktig funksjon av natrium-kaliumpumpen fører til forskjellige alvorlige sykdommer.

Effektiviteten til denne pumpen overstiger 50 %, noe som ikke oppnås av de mest avanserte maskinene laget av mennesker.

Mange aktive transportsystemer drives av energi lagret i ioniske gradienter i stedet for av direkte hydrolyse av ATP. Alle fungerer som kotransportsystemer (som letter transporten av lavmolekylære forbindelser). For eksempel bestemmes den aktive transporten av visse sukkerarter og aminosyrer inn i dyreceller av natriumionegradienten, og jo høyere natriumiongradienten er, desto større er glukoseabsorpsjonshastigheten. Omvendt, hvis konsentrasjonen av natrium i det intercellulære rommet synker markant, stopper glukosetransporten. I dette tilfellet må natrium slutte seg til det natriumavhengige glukosebærerproteinet, som har to bindingssteder: ett for glukose, det andre for natrium. Natriumioner som trenger inn i cellen bidrar til introduksjonen av bærerproteinet i cellen sammen med glukose. Natriumioner som har kommet inn i cellen sammen med glukose, pumpes ut igjen av den natrium-kalium-avhengige ATPase, som opprettholder natriumkonsentrasjonsgradienten, indirekte kontrollerer glukosetransport.

Transport av stoffer i membranemballasje. Store molekyler av biopolymerer kan praktisk talt ikke trenge gjennom plasmalemmaet av noen av de ovenfor beskrevne mekanismene for transport av stoffer inn i cellen. De fanges opp av cellen og absorberes i membranpakken, som kalles endocytose. Sistnevnte er formelt delt inn i fagocytose og pinocytose. Fangsten av faste partikler av cellen er fagocytose, og væske - pinocytose. Under endocytose observeres følgende stadier:

mottak av det absorberte stoffet på grunn av reseptorer i cellemembranen;

invaginasjon av membranen med dannelse av en boble (vesikler);

separasjon av den endocytiske vesikkelen fra membranen med energiforbruk - fagosomdannelse og restaurering av membranintegritet;

Fusjon av fagosom med lysosom og dannelse fagolysosomer (fordøyelsesvakuole) hvor fordøyelsen av absorberte partikler skjer;

fjerning av ufordøyd materiale i fagolysosomet fra cellen ( eksocytose).

I dyreriket endocytose er en karakteristisk måte å mate mange encellede organismer på (for eksempel i amøber), og blant flercellede organismer finnes denne typen fordøyelse av matpartikler i endodermale celler i coelenterater. Når det gjelder pattedyr og mennesker, har de et retikulo-histio-endotelsystem av celler med evne til endocytose. Eksempler er blodleukocytter og lever Kupffer-celler. Sistnevnte linje de såkalte sinusformede kapillærene i leveren og fanger opp forskjellige fremmede partikler suspendert i blodet. Eksocytose- dette er også en måte å fjerne fra cellen til en flercellet organisme substratet som skilles ut av den, som er nødvendig for funksjonen til andre celler, vev og organer.

Cellemembranen har nok kompleks struktur som kan sees med et elektronmikroskop. Grovt sett består den av et dobbelt lag med lipider (fett), der ulike peptider (proteiner) inngår forskjellige steder. Den totale tykkelsen på membranen er ca. 5-10 nm.

Den generelle planen for cellemembranstrukturen er universell for hele den levende verden. Imidlertid inneholder dyremembraner inneslutninger av kolesterol, som bestemmer stivheten. Forskjellen mellom membranene til forskjellige riker av organismer gjelder hovedsakelig supramembranformasjonene (lagene). Så i planter og sopp over membranen (på utsiden) er det en cellevegg. I planter består den hovedsakelig av cellulose, og i sopp - av stoffet kitin. Hos dyr kalles epimembranlaget glykokalyx.

Et annet navn for cellemembranen er cytoplasmatisk membran eller plasmamembran.

En dypere studie av strukturen til cellemembranen avslører mange av dens funksjoner knyttet til funksjonene som utføres.

Lipiddobbeltlaget består hovedsakelig av fosfolipider. Dette er fett, der den ene enden inneholder en rest fosforsyre, som har hydrofile egenskaper (dvs. tiltrekker seg vannmolekyler). Den andre enden av fosfolipidet er en kjede av fettsyrer som har hydrofobe egenskaper (danner ikke hydrogenbindinger med vann).

Fosfolipidmolekyler i cellemembranen stiller opp i to rader slik at deres hydrofobe "ender" er på innsiden og de hydrofile "hodene" er på utsiden. Det viser seg en ganske sterk struktur som beskytter innholdet i cellen mot det ytre miljøet.

Proteininneslutninger i cellemembranen er ujevnt fordelt, i tillegg er de mobile (siden fosfolipider i dobbeltlaget har lateral mobilitet). Siden 70-tallet av XX-tallet begynte folk å snakke om væske-mosaikk struktur av cellemembranen.

Avhengig av hvordan proteinet er en del av membranen, finnes det tre typer proteiner: integrerte, semi-integrerte og perifere. Integrerte proteiner passerer gjennom hele tykkelsen av membranen, og endene deres stikker ut på begge sider av den. De utfører hovedsakelig en transportfunksjon. I semi-integrerte proteiner er den ene enden plassert i tykkelsen av membranen, og den andre går ut (fra utsiden eller innsiden) siden. De utfører enzym- og reseptorfunksjoner. Perifere proteiner er plassert på ytre eller indre overflate membraner.

De strukturelle egenskapene til cellemembranen indikerer at det er hovedkomponenten i overflatekomplekset til cellen, men ikke den eneste. Dens andre komponenter er supramembranlaget og submembranlaget.

Glykokalyxen (supramembranlaget av dyr) dannes av oligosakkarider og polysakkarider, samt perifere proteiner og utstikkende deler av integrerte proteiner. Komponentene i glykokalyxen utfører en reseptorfunksjon.

I tillegg til glykokalyxen har dyreceller også andre supramembranformasjoner: slim, kitin, perilemma (lik en membran).

Overmembrandannelsen i planter og sopp er celleveggen.

Submembranlaget til cellen er overflatecytoplasmaet (hyaloplasma) med det støttende-kontraktile systemet til cellen inkludert i det, hvis fibriller samhandler med proteinene som utgjør cellemembranen. Ulike signaler overføres gjennom slike forbindelser av molekyler.

Celle— selvregulerende strukturell og funksjonell enhet av vev og organer. Den cellulære teorien om strukturen til organer og vev ble utviklet av Schleiden og Schwann i 1839. Senere, ved hjelp av elektronmikroskopi og ultrasentrifugering var det mulig å belyse strukturen til alle hovedorganellene til dyre- og planteceller (fig. 1).

Ris. 1. Skjema av strukturen til cellen til dyreorganismer

Hoveddelene av cellen er cytoplasmaet og kjernen. Hver celle er omgitt av en veldig tynn membran som begrenser innholdet.

Cellemembranen kalles plasmamembran og er preget av selektiv permeabilitet. Denne egenskapen tillater essensielle næringsstoffer og kjemiske elementer komme inn i cellen, og overflødige produkter kommer ut av den. Plasmamembranen består av to lag med lipidmolekyler med inkludering av spesifikke proteiner i den. De viktigste membranlipidene er fosfolipider. De inneholder fosfor, et polart hode og to ikke-polare langkjedede fettsyrehaler. Membranlipider inkluderer kolesterol og kolesterolestere. I samsvar med den flytende mosaikkmodellen av strukturen, inneholder membraner inneslutninger av protein- og lipidmolekyler som kan blandes i forhold til dobbeltlaget. For hver type membran, evt dyrecelle karakterisert ved sin relativt konstante lipidsammensetning.

Membranproteiner er delt inn i to typer i henhold til deres struktur: integrert og perifert. Perifere proteiner kan fjernes fra membranen uten å ødelegge den. Det er fire typer membranproteiner: transportproteiner, enzymer, reseptorer og strukturelle proteiner. Noen membranproteiner har enzymatisk aktivitet, andre binder visse stoffer og fremmer deres overføring til cellen. Proteiner gir flere veier for bevegelse av stoffer over membraner: de danner store porer som består av flere proteinunderenheter som tillater vannmolekyler og ioner å bevege seg mellom cellene; danne ionekanaler spesialisert for bevegelse av visse typer ioner over membranen under visse forhold. Strukturelle proteiner assosiert med det indre lipidlaget og gir cytoskjelettet til cellen. Cytoskjelettet gir mekanisk styrke cellemembran. I ulike membraner utgjør proteiner 20 til 80 % av massen. Membranproteiner kan bevege seg fritt i sideplanet.

Karbohydrater er også tilstede i membranen, som kovalent kan binde seg til lipider eller proteiner. Det finnes tre typer membrankarbohydrater: glykolipider (gangliosider), glykoproteiner og proteoglykaner. De fleste membranlipider finnes i flytende tilstand og ha en viss flyt, dvs. evnen til å flytte fra ett område til et annet. På yttersiden av membranen er det reseptorsteder som binder ulike hormoner. Andre spesifikke deler av membranen kan > ikke gjenkjenne og binde noen proteiner fremmed for disse cellene og ulike biologisk aktive forbindelser.

Det indre rommet av cellen er fylt med cytoplasma, der de fleste enzymkatalyserte reaksjoner av cellulær metabolisme finner sted. Cytoplasmaet består av to lag: det indre, kalt endoplasma, og det perifere, ektoplasmaet, som har høy viskositet og er blottet for granulat. Cytoplasmaet inneholder alle komponentene i en celle eller organell. De viktigste av celleorganellene er endoplasmatisk retikulum, ribosomer, mitokondrier, Golgi-apparatet, lysosomer, mikrofilamenter og mikrotubuli, peroksisomer.

Endoplasmatisk retikulum er et system av sammenkoblede kanaler og hulrom som penetrerer hele cytoplasmaet. Det gir transport av stoffer fra miljø og inne i cellene. Det endoplasmatiske retikulumet fungerer også som et depot for intracellulære Ca 2+ -ioner og fungerer som hovedstedet for lipidsyntese i cellen.

Ribosomer - mikroskopiske sfæriske partikler med en diameter på 10-25 nm. Ribosomer er fritt plassert i cytoplasmaet eller festet til den ytre overflaten av membranene til det endoplasmatiske retikulumet og kjernemembranen. De samhandler med informasjons- og transport-RNA, og proteinsyntese utføres i dem. De syntetiserer proteiner som kommer inn i sisternene eller Golgi-apparatet og frigjøres deretter utenfor. Ribosomer som er frie i cytoplasmaet syntetiserer protein for bruk av cellen selv, og ribosomer assosiert med det endoplasmatiske retikulum produserer protein som skilles ut fra cellen. Ulike funksjonelle proteiner syntetiseres i ribosomer: bærerproteiner, enzymer, reseptorer, cytoskjelettproteiner.

Golgi-apparatet dannet av et system av tubuli, sisterner og vesikler. Den er assosiert med det endoplasmatiske retikulum, og de biologisk aktive stoffene som har kommet inn her lagres i komprimert form i sekretoriske vesikler. Sistnevnte skilles konstant fra Golgi-apparatet, transporteres til cellemembranen og smelter sammen med den, og stoffene i vesiklene fjernes fra cellen i prosessen med eksocytose.

Lysosomer - partikler omgitt av en membran med en størrelse på 0,25-0,8 mikron. De inneholder en rekke enzymer som er involvert i nedbrytningen av proteiner, polysakkarider, fett, nukleinsyrer, bakterier og celler.

Peroksisomer laget av glatt endoplasmatisk retikulum, ligner lysosomer og inneholder enzymer som katalyserer nedbrytningen av hydrogenperoksid, som spaltes under påvirkning av peroksidaser og katalase.

Mitokondrier inneholder ytre og indre membraner og er cellens "energistasjon". Mitokondrier er runde eller langstrakte strukturer med dobbel membran. Den indre membranen danner folder som stikker ut i mitokondriene - cristae. ATP syntetiseres i dem, substratene til Krebs-syklusen oksideres, og mange biokjemiske reaksjoner utføres. Dannet i mitokondrier ATP-molekyler diffundere inn i alle deler av cellen. Mitokondrier inneholder en liten mengde DNA, RNA, ribosomer, og med deres deltakelse skjer fornyelse og syntese av nye mitokondrier.

Mikrofilamenter er tynne proteinfilamenter, bestående av myosin og aktin, og danner cellens kontraktile apparat. Mikrofilamenter er involvert i dannelsen av folder eller fremspring av cellemembranen, samt i bevegelsen av ulike strukturer inne i celler.

mikrotubuli danner grunnlaget for cytoskjelettet og gir dets styrke. Cytoskjelettet gir cellene et karakteristisk utseende og form, fungerer som et sted for feste av intracellulære organeller og ulike kropper. PÅ nerveceller bunter av mikrotubuli er involvert i transporten av stoffer fra cellekroppen til endene av aksonene. Med deres deltakelse utføres funksjonen til den mitotiske spindelen under celledeling. De spiller rollen som motoriske elementer i villi og flagella i eukaryoter.

Cellekjernen er cellens hovedstruktur, er involvert i overføring av arvelige egenskaper og i syntese av proteiner. Kjernen er omgitt av en kjernemembran som inneholder mange kjernefysiske porer gjennom hvilke ulike stoffer utveksles mellom kjernen og cytoplasmaet. Inne i den er kjernen. Den viktige rollen til nukleolen i syntesen av ribosomalt RNA og histonproteiner er etablert. Resten av kjernen inneholder kromatin, bestående av DNA, RNA og en rekke spesifikke proteiner.

Funksjoner av cellemembranen

Cellemembraner spiller en viktig rolle i reguleringen av intracellulær og intercellulær metabolisme. De er selektive. Deres spesifikke struktur gjør det mulig å tilby barriere-, transport- og reguleringsfunksjoner.

barrierefunksjon Det manifesterer seg ved å begrense penetrasjonen av forbindelser oppløst i vann gjennom membranen. Membranen er ugjennomtrengelig for store proteinmolekyler og organiske anioner.

Regulerende funksjon membran er reguleringen av intracellulær metabolisme som respons på kjemiske, biologiske og mekaniske påvirkninger. Ulike påvirkninger oppfattes av spesielle membranreseptorer med en påfølgende endring i aktiviteten til enzymer.

transportfunksjon gjennom biologiske membraner kan utføres passivt (diffusjon, filtrering, osmose) eller ved hjelp av aktiv transport.

Diffusjon - bevegelsen av en gass eller oppløst stoff langs en konsentrasjon og elektrokjemisk gradient. Diffusjonshastigheten avhenger av permeabiliteten til cellemembranen, samt konsentrasjonsgradienten for uladede partikler, elektriske og konsentrasjonsgradienter for ladede partikler. enkel diffusjon skjer gjennom lipid-dobbeltlaget eller gjennom kanaler. Ladede partikler beveger seg langs den elektrokjemiske gradienten, mens uladede partikler følger den kjemiske gradienten. For eksempel trenger oksygen, steroidhormoner, urea, alkohol etc. gjennom lipidlaget i membranen ved enkel diffusjon. Ulike ioner og partikler beveger seg gjennom kanalene. Ionekanaler dannes av proteiner og er delt inn i gatede og ukontrollerte kanaler. Avhengig av selektiviteten er det ioneselektive tau som lar bare ett ion passere, og kanaler som ikke har selektivitet. Kanaler har en munn og et selektivt filter, og kontrollerte kanaler har en portmekanisme.

Tilrettelagt diffusjon - en prosess der stoffer transporteres over en membran av spesielle membranbærerproteiner. På denne måten kommer aminosyrer og monosukker inn i cellen. Denne transportmåten er veldig rask.

Osmose - bevegelse av vann over en membran fra en løsning med et lavere osmotisk trykk til en løsning med et høyere osmotisk trykk.

Aktiv transport - overføring av stoffer mot en konsentrasjonsgradient ved bruk av transport ATPaser (ionepumper). Denne overføringen skjer med energiforbruk.

Na + /K + -, Ca 2+ - og H + pumper er studert i større grad. Pumper er plassert på cellemembraner.

En type aktiv transport er endocytose og eksocytose. Større stoffer (proteiner, polysakkarider, nukleinsyrer) som ikke kan bæres på tvers av kanaler. Denne transporten er mer vanlig i epitelcellene i tarmen, nyretubuli og vaskulært endotel.

På Ved endocytose danner cellemembraner invaginasjoner inn i cellen, som ved snøring blir til vesikler. Under eksocytose overføres vesikler med innhold til cellemembranen og smelter sammen med den, og innholdet i vesiklene slippes ut i det ekstracellulære miljøet.

Strukturen og funksjonene til cellemembranen

Å forstå prosessene som sikrer eksistensen elektriske potensialer i levende celler må du først og fremst forstå strukturen til cellemembranen og dens egenskaper.

For tiden nyter den største anerkjennelsen væske-mosaikkmodellen av membranen, foreslått av S. Singer og G. Nicholson i 1972. Grunnlaget for membranen er et dobbeltlag av fosfolipider (dobbeltlag), de hydrofobe fragmentene av molekylet hvorav er nedsenket i tykkelsen av membranen, og de polare hydrofile gruppene er orientert utover, de. inn i det omkringliggende vannmiljøet (fig. 2).

Membranproteiner er lokalisert på membranoverflaten eller kan være innebygd på forskjellige dyp i den hydrofobe sonen. Noen proteiner trenger gjennom og gjennom membranen, og ulike hydrofile grupper av samme protein finnes på begge sider av cellemembranen. Proteiner som finnes i plasmamembranen spiller en veldig viktig rolle: de er involvert i dannelsen av ionekanaler, spiller rollen som membranpumper og bærere ulike stoffer, og kan også utføre en reseptorfunksjon.

Hovedfunksjonene til cellemembranen: barriere, transport, regulatorisk, katalytisk.

Barrierefunksjonen er å begrense diffusjonen av vannløselige forbindelser gjennom membranen, noe som er nødvendig for å beskytte cellene mot fremmede, giftige stoffer og for å opprettholde et relativt konstant innhold av ulike stoffer inne i cellene. Så cellemembranen kan bremse diffusjonen av forskjellige stoffer med 100 000-10 000 000 ganger.

Ris. 2. Tredimensjonalt skjema av væske-mosaikkmodellen av Singer-Nicolson-membranen

Globulære integrerte proteiner innebygd i et lipid-dobbeltlag er vist. Noen proteiner er ionekanaler, andre (glykoproteiner) inneholder oligosakkaridsidekjeder involvert i cellegjenkjenning av hverandre og i det intercellulære vevet. Kolesterolmolekyler er tett ved siden av fosfolipidhodene og fikserer de tilstøtende områdene av "halene". De indre områdene av halene til fosfolipidmolekylet er ikke begrenset i deres bevegelse og er ansvarlige for fluiditeten til membranen (Bretscher, 1985)

Det er kanaler i membranen som ioner trenger gjennom. Kanaler er potensialavhengige og potensielle uavhengige. Potensial-gatede kanaleråpen når potensialforskjellen endres, og potensialuavhengig(hormonregulert) åpen når reseptorene samhandler med stoffer. Kanaler kan åpnes eller lukkes takket være porter. To typer porter er innebygd i membranen: aktivering(i dybden av kanalen) og inaktivering(på overflaten av kanalen). Porten kan være i en av tre tilstander:

åpen tilstand (begge typer porter er åpne);
lukket tilstand (aktiveringsport lukket);
inaktiveringstilstand (inaktiveringsportene er lukket).

Et annet karakteristisk trekk ved membraner er evnen til selektivt å overføre uorganiske ioner, næringsstoffer og ulike metabolske produkter. Det er systemer for passiv og aktiv overføring (transport) av stoffer. Passiv transport utføres gjennom ionekanaler med eller uten hjelp av bærerproteiner, og dens drivkraft er forskjellen i de elektrokjemiske potensialene til ioner mellom det intra- og ekstracellulære rommet. Selektiviteten til ionekanaler bestemmes av dens geometriske parametere og kjemisk natur grupper langs veggene i kanalen og munnen.

For tiden er kanaler med selektiv permeabilitet for Na + , K + , Ca 2+ ioner og også for vann (de såkalte aquaporinene) de mest studerte. Diameteren til ionekanaler, ifølge forskjellige studier, er 0,5-0,7 nm. Gjennomstrømningen til kanalene kan endres; 10 7 - 10 8 ioner per sekund kan passere gjennom en ionekanal.

Aktiv transport skjer med forbruk av energi og utføres av de såkalte ionepumpene. Ionpumper er molekylære proteinstrukturer innebygd i membranen og utfører overføringen av ioner mot et høyere elektrokjemisk potensial.

Driften av pumpene utføres på grunn av energien til ATP-hydrolyse. For tiden Na + / K + - ATPase, Ca 2+ - ATPase, H + - ATPase, H + / K + - ATPase, Mg 2+ - ATPase, som sikrer bevegelse av Na +, K +, Ca 2+ ioner henholdsvis H+, Mg2+ isolert eller konjugert (Na+ og K+; H+ og K+). Den molekylære mekanismen for aktiv transport er ikke fullstendig klarlagt.

Blant Hovedfunksjonene til cellemembranen kan skilles ut som barriere, transport, enzym og reseptor. Celle (biologiske) membran (aka plasmalemma, plasmatisk eller cytoplasmatisk membran) beskytter innholdet i cellen eller dens organeller fra miljøet, gir selektiv permeabilitet for stoffer, enzymer er plassert på den, samt molekyler som kan "fange" forskjellige kjemiske og fysiske signaler.

Denne funksjonaliteten er gitt av den spesielle strukturen til cellemembranen.

I utviklingen av livet på jorden kunne en celle generelt bare dannes etter at det dukket opp en membran som separerte og stabiliserte det indre innholdet, og forhindret det i å gå i oppløsning.

Når det gjelder å opprettholde homeostase (selvregulering av den relative konstanten Internt miljø) barrierefunksjonen til cellemembranen er nært knyttet til transporten.

Små molekyler er i stand til å passere gjennom plasmalemmaet uten noen "hjelpere", langs konsentrasjonsgradienten, dvs. fra området med høy konsentrasjon gitt stoff til et område med lav konsentrasjon. Dette er for eksempel tilfellet for gassene som er involvert i respirasjon. Oksygen og karbondioksid diffunderer gjennom cellemembranen i retningen der konsentrasjonen for øyeblikket er lavere.

Siden membranen for det meste er hydrofob (på grunn av det doble lipidlaget), kan polare (hydrofile) molekyler, selv små, ofte ikke trenge gjennom den. Derfor fungerer en rekke membranproteiner som bærere av slike molekyler, binder seg til dem og transporterer dem gjennom plasmalemmaet.

Integrerte (membran-penetrerende) proteiner opererer ofte etter prinsippet om å åpne og lukke kanaler. Når et molekyl nærmer seg et slikt protein, kobles det til det, og kanalen åpner seg. Dette stoffet eller et annet går gjennom proteinkanalen, hvoretter konformasjonen endres, og kanalen lukkes for dette stoffet, men kan åpne for passasje av en annen. Det fungerer etter dette prinsippet natrium-kalium pumpe pumpe kaliumioner inn i cellen og pumpe natriumioner ut av den.

Enzymatisk funksjon av cellemembranen i større grad implementert på membranene til celleorganeller. De fleste av proteinene som syntetiseres i cellen utfører en enzymatisk funksjon. Når de setter seg ned på membranen i en bestemt rekkefølge, organiserer de en transportør når reaksjonsproduktet katalysert av ett enzymprotein går over til det neste. En slik "pipeline" stabiliserer overflateproteinene i plasmalemmaet.

Til tross for universaliteten til strukturen til alle biologiske membraner (bygget etter et enkelt prinsipp, nesten det samme i alle organismer og i forskjellige membraner cellestrukturer), dem kjemisk oppbygning det kan imidlertid variere. Det er mer flytende og mer faste, noen har mer sikre proteiner, andre mindre. I tillegg er de forskjellige forskjellige sider(indre og ytre) av samme membran.

Membranen som omgir cellen (cytoplasmatisk) på utsiden har mange karbohydratkjeder knyttet til lipider eller proteiner (som et resultat dannes glykolipider og glykoproteiner). Mange av disse karbohydratene reseptor funksjon, som er mottakelig for visse hormoner, fanger opp endringer i fysiske og kjemiske indikatorer i miljøet.

Hvis for eksempel et hormon binder seg til sin cellulære reseptor, så endrer karbohydratdelen av reseptormolekylet sin struktur, etterfulgt av en endring i strukturen til den assosierte proteindelen som trenger inn i membranen. På neste trinn startes eller stoppes forskjellige biokjemiske reaksjoner i cellen, dvs. metabolismen endres, og den cellulære responsen på "irritanten" begynner.

I tillegg til de oppførte fire funksjonene til cellemembranen, skilles andre ut: matrise, energi, markering, dannelse av intercellulære kontakter, etc. De kan imidlertid betraktes som "underfunksjoner" av de som allerede er vurdert.