30.09.2019

Kako se zovu rupe u ćelijskoj membrani? Membrane: njihova struktura i funkcioniranje

Svi živi organizmi, u zavisnosti od strukture ćelije, podeljeni su u tri grupe (vidi sliku 1):

1. Prokarioti (nenuklearni)

2. Eukarioti (nuklearni)

3. Virusi (nećelijski)

Rice. 1. Živi organizmi

U ovoj lekciji počet ćemo proučavati strukturu stanica eukariotskih organizama, koji uključuju biljke, gljive i životinje. Njihove ćelije su najveće i složenije u odnosu na prokariotske ćelije.

Kao što znate, ćelije su sposobne za samostalnu aktivnost. Mogu da razmenjuju materiju i energiju sa okolinom, kao i da rastu i razmnožavaju se, pa je unutrašnja struktura ćelije veoma složena i prvenstveno zavisi od funkcije koju ćelija obavlja u višećelijskom organizmu.

Principi izgradnje svih ćelija su isti. U svakoj eukariotskoj ćeliji mogu se razlikovati sljedeći glavni dijelovi (vidi sliku 2):

1. Spoljna membrana koja odvaja sadržaj ćelije od spoljašnje sredine.

2. Citoplazma sa organelama.

Rice. 2. Glavni dijelovi eukariotske ćelije

Termin "membrana" predložen je prije stotinjak godina za označavanje granica ćelije, ali razvojem elektronske mikroskopije postalo je jasno da je ćelijska membrana dio strukturnih elemenata ćelije.

J. D. Robertson je 1959. godine formulirao hipotezu o elementarnoj membrani, prema kojoj su stanične membrane životinja i biljaka građene prema istom tipu.

Godine 1972. predložili su ga Singer i Nicholson, što je danas opšteprihvaćeno. Prema ovom modelu, osnova svake membrane je dvostruki sloj fosfolipida.

U fosfolipidima (jedinjenjima koja sadrže fosfatnu grupu), molekuli se sastoje od polarne glave i dva nepolarna repa (vidi sliku 3).

Rice. 3. Fosfolipidi

U fosfolipidnom dvosloju, ostaci hidrofobne masne kiseline okrenuti su prema unutra, dok su hidrofilne glave, uključujući i ostatak fosforne kiseline, okrenute prema van (vidi sliku 4).

Rice. 4. Fosfolipidni dvosloj

Fosfolipidni dvosloj je predstavljen kao dinamička struktura, lipidi se mogu kretati, mijenjajući svoj položaj.

Dvostruki sloj lipida obezbjeđuje zaštitnu funkciju membrane, sprečavajući širenje sadržaja ćelije i sprečava ulazak toksičnih supstanci u ćeliju.

Prisustvo granične membrane između ćelije i okoline bilo je poznato mnogo prije pojave elektronskog mikroskopa. Fizički hemičari su poricali postojanje plazma membrane i vjerovali da postoji međusklop između živog koloidnog sadržaja i okoline, ali je Pfefer (njemački botaničar i biljni fiziolog) 1890. godine potvrdio njeno postojanje.

Početkom prošlog stoljeća Overton (britanski fiziolog i biolog) otkrio je da je brzina prodiranja mnogih supstanci u eritrocite direktno proporcionalna njihovoj rastvorljivosti u lipidima. S tim u vezi, naučnik je sugerirao da membrana sadrži veliku količinu lipida i supstanci, koje se otapaju u njoj, prolaze kroz nju i nalaze se na drugoj strani membrane.

Godine 1925. Gorter i Grendel (američki biolozi) izolovali su lipide iz ćelijske membrane eritrocita. Dobijeni lipidi su raspoređeni po površini vode u debljini od jednog molekula. Ispostavilo se da je površina koju zauzima lipidni sloj dvostruko veća od površine samog eritrocita. Stoga su ovi naučnici zaključili da se ćelijska membrana sastoji ne od jednog, već od dva sloja lipida.

Dawson i Danielli (engleski biolozi) su 1935. godine sugerirali da je u ćelijskim membranama bimolekularni lipidni sloj zatvoren između dva sloja proteinskih molekula (vidi sliku 5).

Rice. 5. Model membrane koji su predložili Dawson i Danielli

Pojavom elektronskog mikroskopa postalo je moguće upoznati se sa strukturom membrane, a zatim se pokazalo da membrane životinjskih i biljnih ćelija izgledaju kao troslojna struktura (vidi sliku 6).

Rice. 6. Ćelijska membrana pod mikroskopom

Godine 1959. biolog J. D. Robertson je, kombinujući podatke dostupne u to vrijeme, iznio hipotezu o strukturi "elementarne membrane", u kojoj je pretpostavio strukturu zajedničku za sve biološke membrane.

Robertsonovi postulati o strukturi "elementarne membrane"

1. Sve membrane su debljine oko 7,5 nm.

2. U elektronskom mikroskopu, svi izgledaju kao troslojni.

3. Troslojni pogled na membranu rezultat je upravo rasporeda proteina i polarnih lipida, koji je dao model Dawson i Danielli - centralni lipidni dvosloj je zatvoren između dva sloja proteina.

Ova hipoteza o strukturi "elementarne membrane" pretrpjela je razne promjene, a 1972. fluidni mozaični model membrane(vidi sliku 7), što je sada opšte prihvaćeno.

Rice. 7. Fluidni mozaični model membrane

Proteinski molekuli su uronjeni u lipidni dvosloj membrane, formiraju pokretni mozaik. Prema njihovoj lokaciji u membrani i načinu interakcije s lipidnim dvoslojem, proteini se mogu podijeliti na:

- površinski (ili periferni) membranski proteini povezani sa hidrofilnom površinom lipidnog dvosloja;

- integralni (membrana) proteini ugrađeni u hidrofobnu regiju dvosloja.

Integralni proteini se razlikuju po stepenu uronjenja u hidrofobnu oblast dvosloja. Mogu se potpuno potopiti integralni) ili djelomično potopljen ( poluintegralni), a također može prodrijeti kroz membranu kroz ( transmembranski).

Membranski proteini se mogu podijeliti u dvije grupe prema njihovoj funkciji:

- strukturalni proteini. Oni su dio ćelijskih membrana i uključeni su u održavanje njihove strukture.

- dinamičan proteini. Oni se nalaze na membrani i učestvuju u procesima koji se na njima odvijaju.

Postoje tri klase dinamičkih proteina.

1. Receptor. Uz pomoć ovih proteina, stanica percipira različite utjecaje na svojoj površini. Odnosno, oni specifično vezuju spojeve kao što su hormoni, neurotransmiteri, toksini na vanjskoj strani membrane, što služi kao signal za promjenu različitih procesa unutar ćelije ili same membrane.

2. Transport. Ovi proteini transportuju određene supstance kroz membranu, oni takođe formiraju kanale kroz koje se razni joni transportuju u i iz ćelije.

3. Enzimski. To su enzimski proteini koji se nalaze u membrani i uključeni su u različite hemijske procese.

Transport tvari kroz membranu

Lipidni dvoslojevi su u velikoj mjeri nepropusni za mnoge tvari, pa je za transport tvari kroz membranu potrebna velika količina energije, a potrebno je i stvaranje različitih struktura.

Postoje dvije vrste transporta: pasivni i aktivni.

Pasivni transport

Pasivni transport je kretanje molekula duž gradijenta koncentracije. Odnosno, određuje se samo razlikom u koncentraciji prenesene tvari na suprotnim stranama membrane i provodi se bez utroška energije.

Postoje dvije vrste pasivnog transporta:

- jednostavna difuzija(vidi sliku 8), što se dešava bez učešća membranskog proteina. Mehanizam jednostavne difuzije je transmembranski prijenos plinova (kiseonika i ugljen-dioksida), vode i nekih jednostavnih organskih jona. Jednostavna difuzija je spora.

Rice. 8. Jednostavna difuzija

- olakšanu difuziju(vidi sliku 9) razlikuje se od jednostavnog po tome što se odvija uz učešće proteina nosača. Ovaj proces je specifičan i odvija se višom brzinom od jednostavne difuzije.

Rice. 9. Olakšana difuzija

Poznata su dva tipa membranskih transportnih proteina: proteini nosači (translokaze) i proteini koji formiraju kanale. Transportni proteini vezuju specifične supstance i nose ih preko membrane duž njihovog koncentracijskog gradijenta, pa stoga ovaj proces, kao kod jednostavne difuzije, ne zahteva trošenje ATP energije.

Čestice hrane ne mogu proći kroz membranu, one ulaze u ćeliju endocitozom (vidi sliku 10). Tokom endocitoze, plazma membrana formira invaginacije i izrasline, hvata čvrstu česticu hrane. Oko bolusa hrane se formira vakuola (ili vezikula), koja se zatim odvaja od plazma membrane, a čvrsta čestica u vakuoli je unutar ćelije.

Rice. 10. Endocitoza

Postoje dvije vrste endocitoze.

1. Fagocitoza- apsorpcija čvrstih čestica. Zovu se specijalizirane stanice koje vrše fagocitozu fagociti.

2. pinocitoza- apsorpcija tečnog materijala (rastvor, koloidni rastvor, suspenzije).

Egzocitoza(vidi sliku 11) - proces obrnut od endocitoze. Supstance koje se sintetiziraju u ćeliji, kao što su hormoni, pakuju se u membranske vezikule koje odgovaraju ćelijskoj membrani, ugrađuju se u nju, a sadržaj vezikule se izbacuje iz ćelije. Na isti način, stanica se može riješiti nepotrebnih metaboličkih proizvoda.

Rice. 11. Egzocitoza

aktivni transport

Za razliku od olakšane difuzije, aktivni transport je kretanje tvari protiv gradijenta koncentracije. U tom slučaju tvari se kreću iz područja s nižom koncentracijom u područje s višom koncentracijom. Budući da se takvo kretanje događa u smjeru suprotnom od normalne difuzije, stanica mora trošiti energiju u tom procesu.

Među primjerima aktivnog transporta najbolje je proučena takozvana natrijum-kalijumska pumpa. Ova pumpa pumpa ione natrijuma iz ćelije i pumpa jone kalijuma u ćeliju koristeći energiju ATP.

1. Strukturni (ćelijska membrana odvaja ćeliju od okoline).

2. Transport (supstance se transportuju kroz ćelijsku membranu, a ćelijska membrana je visoko selektivan filter).

3. Receptor (receptori koji se nalaze na površini membrane percipiraju spoljašnje uticaje, prenose ovu informaciju u ćeliju, omogućavajući joj da brzo reaguje na promene životne sredine).

Osim gore navedenih, membrana također obavlja metaboličku funkciju i funkciju pretvaranja energije.

metabolička funkcija

Biološke membrane su direktno ili indirektno uključene u procese metaboličkih transformacija supstanci u ćeliji, budući da je većina enzima povezana sa membranama.

Lipidno okruženje enzima u membrani stvara određene uslove za njihovo funkcionisanje, nameće ograničenja na aktivnost membranskih proteina i samim tim ima regulatorni efekat na metaboličke procese.

Funkcija konverzije energije

Najvažnija funkcija mnogih biomembrana je transformacija jednog oblika energije u drugi.

Membrane koje pretvaraju energiju uključuju unutrašnje membrane mitohondrija, tilakoide hloroplasta (vidi sliku 12).

Rice. 12. Mitohondrije i hloroplast

Bibliografija

  1. Kamensky A.A., Kriksunov E.A., Pasechnik V.V. Opća biologija 10-11 razred Drfa, 2005.
  2. Biologija. 10. razred. Opća biologija. Osnovni nivo / P.V. Izhevsky, O.A. Kornilova, T.E. Loshchilin i drugi - 2. izd., revidirano. - Ventana-Graf, 2010. - 224 str.
  3. Belyaev D.K. Biologija 10-11 razred. Opća biologija. Osnovni nivo. - 11. izd., stereotip. - M.: Obrazovanje, 2012. - 304 str.
  4. Agafonova I.B., Zakharova E.T., Sivoglazov V.I. Biologija 10-11 razred. Opća biologija. Osnovni nivo. - 6. izd., dop. - Drfa, 2010. - 384 str.
  1. Ayzdorov.ru ().
  2. Youtube.com().
  3. Doctor-v.ru ().
  4. Animals-world.ru ().

Zadaća

  1. Koja je struktura ćelijske membrane?
  2. Koja su svojstva lipida da formiraju membrane?
  3. Zbog kojih funkcija proteini mogu sudjelovati u transportu tvari kroz membranu?
  4. Navedite funkcije plazma membrane.
  5. Kako dolazi do pasivnog transporta kroz membranu?
  6. Kako se aktivni transport odvija kroz membranu?
  7. Koja je funkcija natrijum-kalijum pumpe?
  8. Šta je fagocitoza, pinocitoza?
Stanične membrane.

Ćelijska membrana odvaja sadržaj bilo koje ćelije od vanjskog okruženja, osiguravajući njen integritet; reguliše razmjenu između ćelije i okoline; intracelularne membrane dijele ćeliju u specijalizirane zatvorene odjeljke - odjeljke ili organele, u kojima se održavaju određeni uvjeti okoline.

Struktura.

Stanična membrana je dvostruki sloj (dvosloj) molekula klase lipida (masti), od kojih su većina takozvani složeni lipidi - fosfolipidi. Molekuli lipida imaju hidrofilni („glava“) i hidrofobni („rep“) dio. Tokom formiranja membrana, hidrofobni dijelovi molekula se okreću prema unutra, dok se hidrofilni dijelovi okreću prema van. Membrane su vrlo slične strukture u različitim organizmima. Debljina membrane je 7-8 nm. (10-9 metara)

hidrofilnost- sposobnost tvari da se navlaži vodom.
hidrofobnost- nemogućnost tvari da se navlaži vodom.

Biološka membrana također uključuje različite proteine:
- integralni (prodiranje kroz membranu)
- poluintegralni (uronjeni na jednom kraju u vanjski ili unutrašnji lipidni sloj)
- površinski (nalazi se na vanjskoj ili uz unutrašnje strane membrane).
Neki proteini su tačke kontakta stanične membrane sa citoskeletom unutar ćelije i ćelijskim zidom (ako postoji) izvan.

citoskelet- ćelijska skela unutar ćelije.

Funkcije.

1) Barijera- obezbeđuje regulisan, selektivan, pasivan i aktivan metabolizam sa okolinom.

2) Transport- supstance se transportuju kroz membranu u i iz ćelije matriks - obezbeđuje određeni relativni položaj i orijentaciju proteina membrane, njihovu optimalnu interakciju.

3) Mehanički- osigurava autonomiju ćelije, njenih unutarćelijskih struktura, kao i povezanost sa drugim ćelijama (u tkivima).Međućelijska supstanca ima važnu ulogu u obezbeđivanju mehaničke funkcije.

4) Receptor- neki proteini u membrani su receptori (molekuli pomoću kojih ćelija percipira određene signale).

Na primjer, hormoni koji cirkuliraju u krvi djeluju samo na ciljne stanice koje imaju receptore koji odgovaraju tim hormonima. Neurotransmiteri (hemikalije koje provode nervne impulse) se također vezuju za specifične receptorske proteine ​​na ciljnim stanicama.

Hormoni- biološki aktivne signalne hemikalije.

5) Enzimski Membranski proteini su često enzimi. Na primjer, plazma membrane epitelnih stanica crijeva sadrže probavne enzime.

6) Implementacija generisanja i provođenja biopotencijala.
Uz pomoć membrane u ćeliji se održava konstantna koncentracija jona: koncentracija jona K+ unutar ćelije je mnogo veća nego izvan nje, a koncentracija Na+ je mnogo niža, što je veoma važno, jer ovo održava razliku potencijala kroz membranu i stvara nervni impuls.

nervnog impulsa – talas ekscitacije koji se prenosi duž nervnog vlakna.

7) Označavanje ćelija- na membrani se nalaze antigeni koji deluju kao markeri - "oznake" koje vam omogućavaju da identifikujete ćeliju. To su glikoproteini (odnosno proteini sa razgranatim bočnim lancima oligosaharida koji su vezani za njih) koji igraju ulogu "antene". Zbog mnoštva konfiguracija bočnih lanaca, moguće je napraviti poseban marker za svaki tip ćelije. Uz pomoć markera, ćelije mogu prepoznati druge ćelije i djelovati u skladu s njima, na primjer, prilikom formiranja organa i tkiva. Takođe omogućava imunološkom sistemu da prepozna strane antigene.

karakteristike propusnosti.

Stanične membrane imaju selektivnu propusnost: polako prodiru kroz njih na različite načine:

  • Glukoza je glavni izvor energije.
  • Aminokiseline su gradivni blokovi koji čine sve proteine ​​u tijelu.
  • Masne kiseline - strukturne, energetske i druge funkcije.
  • Glicerol – čini da tijelo zadržava vodu i smanjuje proizvodnju urina.
  • Joni su enzimi za reakcije.
Štoviše, same membrane u određenoj mjeri aktivno reguliraju ovaj proces - neke tvari prolaze, dok druge ne. Postoje četiri glavna mehanizma za ulazak supstanci u ćeliju ili njihovo uklanjanje iz ćelije van:

Mehanizmi pasivne propusnosti:

1) Difuzija.

Varijanta ovog mehanizma je olakšana difuzija, u kojoj određeni molekul pomaže tvari da prođe kroz membranu. Ovaj molekul može imati kanal koji omogućava prolaz samo jednoj vrsti tvari.

difuzija- proces međusobnog prodiranja molekula jedne supstance između molekula druge.

Osmoza– proces jednosmjerne difuzije kroz polupropusnu membranu molekula rastvarača prema višoj koncentraciji otopljene tvari.

Membrana koja okružuje normalnu krvnu ćeliju propusna je samo za molekule vode, kisik, neke od nutrijenata otopljenih u krvi i stanične otpadne produkte.

Aktivni mehanizmi propusnosti:

1) Aktivni transport.

aktivni transport– prijenos tvari iz područja niske koncentracije u područje visoke koncentracije.

Aktivni transport zahtijeva energiju, jer se kreće iz područja niske koncentracije u područje visoke koncentracije. Na membrani se nalaze posebni pumpni proteini koji aktivno pumpaju ione kalija (K+) u ćeliju i pumpaju ione natrijuma (Na+) iz nje, ATP služi kao energija.

ATP– univerzalni izvor energije za sve biohemijske procese. .(više kasnije)

2) Endocitoza.

Čestice koje iz nekog razloga nisu u stanju da prođu staničnu membranu, ali su neophodne ćeliji, mogu endocitozom prodreti kroz membranu.

Endocitoza– proces preuzimanja spoljašnjeg materijala od strane ćelije.

Selektivna permeabilnost membrane tokom pasivnog transporta je zbog posebnih kanala - integralnih proteina. Oni prodiru kroz membranu kroz i kroz, formirajući neku vrstu prolaza. Elementi K, Na i Cl imaju svoje kanale. S obzirom na gradijent koncentracije, molekuli ovih elemenata kreću se u ćeliju i iz nje. Kada su iritirani, natrijum jonski kanali se otvaraju i dolazi do oštrog priliva natrijumovih jona u ćeliju. To dovodi do neravnoteže membranskog potencijala. Nakon toga se obnavlja membranski potencijal. Kalijumski kanali su uvek otvoreni, kroz koje joni kalijuma polako ulaze u ćeliju.

Struktura membrane

Propustljivost

aktivni transport

Osmoza

Endocitoza

Proučavanje strukture organizama, kao i biljaka, životinja i ljudi, je grana biologije koja se zove citologija. Naučnici su otkrili da je sadržaj ćelije, koji se nalazi u njoj, prilično složen. Okružen je takozvanim površinskim aparatom koji uključuje vanjsku ćelijsku membranu, supramembranske strukture: glikokaliks i mikrofilamente, pelikule i mikrotubule koje čine njegov submembranski kompleks.

U ovom članku proučavat ćemo strukturu i funkcije vanjske stanične membrane, koja je dio površinskog aparata različitih tipova stanica.

Koje su funkcije vanjske ćelijske membrane?

Kao što je ranije opisano, vanjska membrana je dio površinskog aparata svake ćelije, koji uspješno odvaja njen unutrašnji sadržaj i štiti ćelijske organele od nepovoljnih uvjeta okoline. Druga funkcija je osigurati razmjenu supstanci između sadržaja ćelije i tkivne tekućine, stoga vanjska ćelijska membrana prenosi molekule i ione koji ulaze u citoplazmu, a također pomaže u uklanjanju toksina i viška toksičnih tvari iz stanice.

Struktura ćelijske membrane

Membrane, ili plazmaleme, različitih tipova ćelija veoma se razlikuju jedna od druge. Uglavnom, hemijska struktura, kao i relativni sadržaj lipida, glikoproteina, proteina u njima i, shodno tome, priroda receptora u njima. Eksterni koji je determinisan prvenstveno individualnim sastavom glikoproteina, učestvuje u prepoznavanju podražaja iz sredine i u reakcijama same ćelije na njihovo delovanje. Neke vrste virusa mogu stupiti u interakciju s proteinima i glikolipidima staničnih membrana, uslijed čega prodiru u ćeliju. Virusi herpesa i gripe mogu koristiti za izgradnju svoje zaštitne ljuske.

A virusi i bakterije, takozvani bakteriofagi, vezuju se za staničnu membranu i otapaju je na mjestu dodira uz pomoć posebnog enzima. Tada molekul virusne DNK prolazi u nastalu rupu.

Značajke strukture plazma membrane eukariota

Podsjetimo da vanjska ćelijska membrana obavlja funkciju transporta, odnosno prijenosa tvari u i iz nje u vanjsko okruženje. Za izvođenje takvog procesa potrebna je posebna struktura. Zaista, plazmalema je konstantan, univerzalni sistem površinskog aparata za sve. Ovo je tanak (2-10 Nm), ali prilično gust višeslojni film koji prekriva cijelu ćeliju. Njegovu strukturu su 1972. godine proučavali naučnici kao što su D. Singer i G. Nicholson, a kreirali su i fluidno-mozaični model ćelijske membrane.

Glavna hemijska jedinjenja koja ga formiraju su uređeni molekuli proteina i određenih fosfolipida, koji su umešani u tečno lipidno okruženje i podsećaju na mozaik. Dakle, ćelijska membrana se sastoji od dva sloja lipida, čiji su nepolarni hidrofobni "repovi" unutar membrane, a polarne hidrofilne glave okrenute su prema citoplazmi ćelije i intersticijskoj tekućini.

U sloj lipida prodiru veliki proteinski molekuli koji formiraju hidrofilne pore. Kroz njih se transportuju vodene otopine glukoze i mineralnih soli. Neki proteinski molekuli nalaze se i na vanjskoj i na unutrašnjoj površini plazmaleme. Tako se na vanjskoj ćelijskoj membrani u stanicama svih organizama s jezgrom nalaze molekule ugljikohidrata vezane kovalentnim vezama s glikolipidima i glikoproteinima. Sadržaj ugljikohidrata u ćelijskim membranama kreće se od 2 do 10%.

Struktura plazmaleme prokariotskih organizama

Vanjska ćelijska membrana kod prokariota obavlja slične funkcije kao i plazma membrane ćelija nuklearnih organizama, a to su: percepcija i prijenos informacija koje dolaze iz vanjskog okruženja, transport jona i otopina u i iz stanice, te zaštita citoplazmu od stranih reagensa izvana. Može formirati mezozome - strukture koje nastaju kada plazmalema strši u ćeliju. Mogu sadržavati enzime uključene u metaboličke reakcije prokariota, na primjer, u replikaciji DNK, sintezi proteina.

Mezozomi također sadrže redoks enzime, dok fotosintetici sadrže bakteriohlorofil (u bakterijama) i fikobilin (u cijanobakterijama).

Uloga vanjskih membrana u međućelijskim kontaktima

U nastavku odgovora na pitanje koje funkcije obavlja vanjska ćelijska membrana, zadržimo se na njenoj ulozi u biljnim ćelijama.U biljnim ćelijama na zidovima vanjske ćelijske membrane nastaju pore koje prelaze u sloj celuloze. Preko njih je moguć izlazak citoplazme ćelije prema van; takvi tanki kanali nazivaju se plazmodesmati.

Zahvaljujući njima, veza između susjednih biljnih ćelija je vrlo jaka. U ljudskim i životinjskim stanicama mjesta kontakta između susjednih ćelijskih membrana nazivaju se dezmozomi. Karakteristični su za endotelne i epitelne ćelije, a nalaze se i u kardiomiocitima.

Pomoćne formacije plazmaleme

Da bi se razumjelo po čemu se biljne stanice razlikuju od životinjskih, pomaže proučavanje strukturnih karakteristika njihovih plazma membrana, koje zavise od funkcija koje vanjska stanična membrana obavlja. Iznad njega u životinjskim ćelijama nalazi se sloj glikokaliksa. Formiran je od molekula polisaharida povezanih s proteinima i lipidima vanjske stanične membrane. Zahvaljujući glikokaliksu dolazi do adhezije (sljepljivanja) između stanica, što dovodi do stvaranja tkiva, pa sudjeluje u signalnoj funkciji plazmaleme - prepoznavanju podražaja iz okoline.

Kako se odvija pasivni transport određenih supstanci kroz ćelijske membrane

Kao što je ranije spomenuto, vanjska ćelijska membrana je uključena u proces transporta tvari između ćelije i vanjskog okruženja. Postoje dvije vrste transporta kroz plazmalemu: pasivni (difuzijski) i aktivni transport. Prvi uključuje difuziju, olakšanu difuziju i osmozu. Kretanje tvari duž gradijenta koncentracije ovisi prvenstveno o masi i veličini molekula koji prolaze kroz ćelijsku membranu. Na primjer, male nepolarne molekule lako se otapaju u srednjem lipidnom sloju plazmaleme, kreću se kroz njega i završavaju u citoplazmi.

Velike molekule organskih tvari prodiru u citoplazmu uz pomoć posebnih proteina nosača. Oni su specifični za vrstu i, kada su kombinovani sa česticom ili jonom, pasivno ih prenose kroz membranu duž gradijenta koncentracije bez trošenja energije (pasivni transport). Ovaj proces leži u osnovi takvog svojstva plazmaleme kao što je selektivna permeabilnost. Pri tome se energija molekula ATP-a ne koristi, a ćelija je čuva za druge metaboličke reakcije.

Aktivan transport hemijskih jedinjenja kroz plazmalemu

Budući da vanjska ćelijska membrana osigurava prijenos molekula i jona iz vanjskog okruženja u ćeliju i natrag, postaje moguće izbaciti produkte disimilacije, a to su toksini, prema van, odnosno u međućelijsku tekućinu. javlja se protiv gradijenta koncentracije i zahtijeva korištenje energije u obliku ATP molekula. Takođe uključuje proteine ​​nosače zvane ATPaze, koji su takođe enzimi.

Primer takvog transporta je natrijum-kalijum pumpa (joni natrijuma prelaze iz citoplazme u spoljašnju sredinu, a kalijevi ioni se pumpaju u citoplazmu). Za to su sposobne epitelne ćelije crijeva i bubrega. Raznovrsnosti ovog načina prenosa su procesi pinocitoze i fagocitoze. Dakle, proučavajući koje funkcije obavlja vanjska stanična membrana, može se ustanoviti da su heterotrofni protisti, kao i stanice viših životinjskih organizama, na primjer, leukociti, sposobne za pino- i fagocitozu.

Bioelektrični procesi u ćelijskim membranama

Utvrđeno je da postoji razlika potencijala između vanjske površine plazmaleme (ona je pozitivno nabijena) i parijetalnog sloja citoplazme koji je negativno nabijen. Zvao se potencijal mirovanja, a svojstven je svim živim ćelijama. A nervno tkivo ima ne samo potencijal mirovanja, već je sposobno i za provođenje slabih biostruja, što se naziva procesom ekscitacije. Vanjske membrane nervnih stanica-neurona, primajući iritaciju od receptora, počinju mijenjati naboje: joni natrija masovno ulaze u ćeliju i površina plazmaleme postaje elektronegativna. A parijetalni sloj citoplazme, zbog viška kationa, prima pozitivan naboj. Ovo objašnjava zašto se vanjska ćelijska membrana neurona puni, što uzrokuje provođenje nervnih impulsa koji su u osnovi procesa ekscitacije.

stanične membrane

Slika ćelijske membrane. Male plave i bijele kuglice odgovaraju hidrofobnim "glavama" fosfolipida, a linije vezane za njih odgovaraju hidrofilnim "repovima". Na slici su prikazani samo integralni membranski proteini (crvene globule i žute spirale). Žute ovalne tačke unutar membrane - molekule holesterola Žuto-zeleni lanci kuglica na vanjskoj strani membrane - oligosaharidni lanci koji formiraju glikokaliks

Biološka membrana također uključuje različite proteine: integralne (prodiru kroz membranu), poluintegralne (uronjene na jednom kraju u vanjski ili unutrašnji lipidni sloj), površinske (nalaze se na vanjskoj ili uz unutrašnje strane membrane). Neki proteini su tačke kontakta stanične membrane sa citoskeletom unutar ćelije i ćelijskim zidom (ako postoji) izvan. Neki od integralnih proteina funkcionišu kao jonski kanali, različiti transporteri i receptori.

Funkcije

  • barijera - obezbeđuje regulisan, selektivan, pasivan i aktivan metabolizam sa okolinom. Na primjer, peroksizomska membrana štiti citoplazmu od peroksida opasnih za ćeliju. Selektivna permeabilnost znači da propusnost membrane za različite atome ili molekule ovisi o njihovoj veličini, električnom naboju i kemijskim svojstvima. Selektivna permeabilnost osigurava odvajanje ćelije i ćelijskih odjeljaka iz okoline i opskrbu ih potrebnim tvarima.
  • transport - kroz membranu dolazi do transporta supstanci u ćeliju i van ćelije. Transport kroz membrane obezbeđuje: dopremanje hranljivih materija, uklanjanje krajnjih produkata metabolizma, lučenje različitih supstanci, stvaranje ionskih gradijenta, održavanje optimalne i koncentracije jona u ćeliji, neophodnih za funkcionisanje. ćelijskih enzima.
    Čestice koje iz nekog razloga ne mogu proći kroz fosfolipidni dvosloj (na primjer, zbog hidrofilnih svojstava, jer je membrana iznutra hidrofobna i ne propušta hidrofilne tvari, ili zbog njihove velike veličine), ali su neophodne za ćeliju , mogu prodrijeti kroz membranu putem posebnih proteina nosača (transportera) i kanalnih proteina ili endocitozom.
    U pasivnom transportu, supstance prelaze lipidni dvosloj bez utroška energije duž gradijenta koncentracije difuzijom. Varijanta ovog mehanizma je olakšana difuzija, u kojoj određeni molekul pomaže tvari da prođe kroz membranu. Ovaj molekul može imati kanal koji omogućava prolaz samo jednoj vrsti tvari.
    Aktivni transport zahtijeva energiju, jer se odvija protiv gradijenta koncentracije. Na membrani se nalaze posebni pumpni proteini, uključujući ATPazu, koja aktivno pumpa ione kalija (K+) u ćeliju i pumpa ione natrijuma (Na+) iz nje.
  • matriks - obezbeđuje određenu relativnu poziciju i orijentaciju membranskih proteina, njihovu optimalnu interakciju.
  • mehanički - osigurava autonomiju ćelije, njenih unutarćelijskih struktura, kao i povezanost sa drugim ćelijama (u tkivima). Ćelijski zidovi igraju važnu ulogu u obezbeđivanju mehaničke funkcije, a kod životinja - međućelijske supstance.
  • energija - tokom fotosinteze u hloroplastima i ćelijskog disanja u mitohondrijima, u njihovim membranama funkcionišu sistemi prenosa energije u kojima učestvuju i proteini;
  • receptor – neki proteini koji se nalaze u membrani su receptori (molekuli pomoću kojih ćelija percipira određene signale).
    Na primjer, hormoni koji kruže krvlju djeluju samo na ciljne stanice koje imaju receptore koji odgovaraju ovim hormonima. Neurotransmiteri (hemikalije koje provode nervne impulse) se također vezuju za specifične receptorske proteine ​​na ciljnim stanicama.
  • enzimski - membranski proteini su često enzimi. Na primjer, plazma membrane epitelnih stanica crijeva sadrže probavne enzime.
  • implementacija stvaranja i provođenja biopotencijala.
    Uz pomoć membrane u ćeliji se održava konstantna koncentracija jona: koncentracija jona K+ unutar ćelije je mnogo veća nego izvan nje, a koncentracija Na+ je mnogo niža, što je veoma važno, jer ovo održava razliku potencijala kroz membranu i stvara nervni impuls.
  • označavanje ćelija – na membrani se nalaze antigeni koji deluju kao markeri – „oznake“ koje omogućavaju identifikaciju ćelije. To su glikoproteini (odnosno proteini sa razgranatim bočnim lancima oligosaharida koji su vezani za njih) koji igraju ulogu "antene". Zbog mnoštva konfiguracija bočnih lanaca, moguće je napraviti poseban marker za svaki tip ćelije. Uz pomoć markera, ćelije mogu prepoznati druge ćelije i djelovati u skladu s njima, na primjer, prilikom formiranja organa i tkiva. Takođe omogućava imunološkom sistemu da prepozna strane antigene.

Struktura i sastav biomembrana

Membrane se sastoje od tri klase lipida: fosfolipida, glikolipida i holesterola. Fosfolipidi i glikolipidi (lipidi sa vezanim ugljikohidratima) sastoje se od dva duga hidrofobna ugljikovodična "repa" koja su povezana s nabijenom hidrofilnom "glavom". Kolesterol učvršćuje membranu tako što zauzima slobodan prostor između hidrofobnih lipidnih repova i sprječava njihovo savijanje. Zbog toga su membrane sa niskim sadržajem holesterola fleksibilnije, dok su membrane sa visokim sadržajem holesterola čvršće i lomljive. Holesterol također služi kao "čep" koji sprječava kretanje polarnih molekula iz i u ćeliju. Važan dio membrane čine proteini koji prodiru u nju i odgovorni su za različita svojstva membrane. Njihov sastav i orijentacija u različitim membranama se razlikuju.

Stanične membrane su često asimetrične, odnosno slojevi se razlikuju po sastavu lipida, prijelazu pojedinog molekula iz jednog sloja u drugi (tzv. japanke) je teško.

Membranske organele

To su zatvoreni pojedinačni ili međusobno povezani dijelovi citoplazme, odvojeni od hijaloplazme membranama. Jednomembranske organele uključuju endoplazmatski retikulum, Golgijev aparat, lizozome, vakuole, peroksizome; do dvomembranske - jezgra, mitohondrije, plastidi. Struktura membrana različitih organela razlikuje se u sastavu lipida i membranskih proteina.

Selektivna propusnost

Stanične membrane imaju selektivnu propusnost: glukoza, aminokiseline, masne kiseline, glicerol i ioni polako difundiraju kroz njih, a same membrane u određenoj mjeri aktivno reguliraju ovaj proces – neke tvari prolaze, a druge ne. Postoje četiri glavna mehanizma za ulazak supstanci u ćeliju ili njihovo uklanjanje iz ćelije van: difuzija, osmoza, aktivni transport i egzo- ili endocitoza. Prva dva procesa su pasivne prirode, odnosno ne zahtijevaju energiju; posljednja dva su aktivni procesi povezani s potrošnjom energije.

Selektivna permeabilnost membrane tokom pasivnog transporta je zbog posebnih kanala - integralnih proteina. Oni prodiru kroz membranu kroz i kroz, formirajući neku vrstu prolaza. Elementi K, Na i Cl imaju svoje kanale. S obzirom na gradijent koncentracije, molekuli ovih elemenata kreću se u ćeliju i iz nje. Kada su iritirani, natrijum jonski kanali se otvaraju i dolazi do oštrog priliva natrijumovih jona u ćeliju. To dovodi do neravnoteže membranskog potencijala. Nakon toga se obnavlja membranski potencijal. Kalijumski kanali su uvek otvoreni, kroz koje joni kalijuma polako ulaze u ćeliju.

vidi takođe

Književnost

  • Antonov V. F., Smirnova E. N., Shevchenko E. V. Lipidne membrane tokom faznih prelaza. - M.: Nauka, 1994.
  • Gennis R. Biomembrane. Molekularna struktura i funkcije: prijevod s engleskog. = Biomembrane. Molekularna struktura i funkcija (Robert B. Gennis). - 1. izdanje. - M.: Mir, 1997. - ISBN 5-03-002419-0
  • Ivanov V. G., Berestovski T. N. lipidni dvosloj bioloških membrana. - M.: Nauka, 1982.
  • Rubin A. B. Biofizika, udžbenik u 2 toma. - 3. izdanje, revidirano i prošireno. - M.: Moscow University Press, 2004. -

Vanjska ćelijska membrana (plazmalema, citolema, plazma membrana) životinjskih stanica prekriven izvana (tj. na strani koja nije u kontaktu s citoplazmom) slojem oligosaharidnih lanaca kovalentno vezanih za membranske proteine ​​(glikoproteine) i, u manjoj mjeri, za lipide (glikolipide). Ova ugljikohidratna prevlaka membrane naziva se glikokaliks. Svrha glikokaliksa još nije sasvim jasna; postoji pretpostavka da ova struktura učestvuje u procesima međućelijskog prepoznavanja.

U biljnim ćelijama na vrhu vanjske stanične membrane nalazi se gusti sloj celuloze s porama kroz koje se komunikacija između susjednih stanica odvija preko citoplazmatskih mostova.

Ćelije pečurke na vrhu plazmaleme - gust sloj hitin.

At bakterije – mureina.

Osobine bioloških membrana

1. Sposobnost samosastavljanja nakon destruktivnih uticaja. Ovo svojstvo je određeno fizičko-hemijskim karakteristikama molekula fosfolipida, koji se u vodenoj otopini spajaju tako da se hidrofilni krajevi molekula okreću prema van, a hidrofobni prema unutra. Proteini se mogu ugraditi u gotove fosfolipidne slojeve. Sposobnost samosastavljanja je neophodna na ćelijskom nivou.

2. Polupropusnost(selektivnost u prenošenju jona i molekula). Osigurava održavanje postojanosti jonskog i molekularnog sastava u ćeliji.

3. Fluidnost membrane. Membrane nisu krute strukture; one stalno fluktuiraju zbog rotacijskih i oscilatornih kretanja molekula lipida i proteina. Ovo osigurava visoku stopu enzimskih i drugih hemijskih procesa u membranama.

4. Fragmenti membrana nemaju slobodne krajeve, jer su zatvoreni u mehuriće.

Funkcije vanjske ćelijske membrane (plazmalema)

Glavne funkcije plazmaleme su sledeće: 1) barijera, 2) receptor, 3) razmena, 4) transport.

1. barijerna funkcija. Izražava se u činjenici da plazmalema ograničava sadržaj ćelije, odvajajući je od spoljašnje sredine, a intracelularne membrane dele citoplazmu u zasebne reakcionarne. pretinci.

2. funkciju receptora. Jedna od najvažnijih funkcija plazmaleme je da obezbedi komunikaciju (vezu) ćelije sa spoljašnjom sredinom preko receptorskog aparata koji se nalazi u membranama, koji ima proteinsku ili glikoproteinsku prirodu. Glavna funkcija receptorskih formacija plazmaleme je prepoznavanje vanjskih signala, zbog kojih su stanice ispravno orijentirane i formiraju tkiva u procesu diferencijacije. Aktivnost različitih regulatornih sistema, kao i formiranje imunološkog odgovora, povezana je sa funkcijom receptora.

    funkcija razmene određuje se sadržajem proteina enzima u biološkim membranama, koje su biološki katalizatori. Njihova aktivnost varira u zavisnosti od pH sredine, temperature, pritiska, koncentracije i supstrata i samog enzima. Enzimi određuju intenzitet ključnih reakcija metabolizam, kao i orijentacija.

    Transportna funkcija membrana. Membrana omogućava selektivno prodiranje u ćeliju i iz ćelije u okolinu različitih hemikalija. Transport supstanci je neophodan za održavanje odgovarajućeg pH u ćeliji, odgovarajuće koncentracije jona, što obezbeđuje efikasnost ćelijskih enzima. Transport opskrbljuje hranjivim tvarima koje služe kao izvor energije, kao i materijal za formiranje različitih ćelijskih komponenti. Utvrđuje uklanjanje toksičnog otpada iz ćelije, lučenje različitih korisnih supstanci i stvaranje ionskih gradijenata neophodnih za nervnu i mišićnu aktivnost.Promjene u brzini prijenosa tvari mogu dovesti do poremećaja u bioenergetskim procesima, metabolizmu vode i soli. , razdražljivost i drugi procesi. Korekcija ovih promjena je u osnovi djelovanja mnogih lijekova.

Postoje dva glavna načina na koje supstance ulaze u ćeliju i izlaze iz ćelije u spoljašnju sredinu;

    pasivni transport,

    aktivni transport.

Pasivni transport ide duž gradijenta hemijske ili elektrohemijske koncentracije bez trošenja ATP energije. Ako molekula transportirane tvari nema naboj, tada je smjer pasivnog transporta određen samo razlikom koncentracije ove tvari na obje strane membrane (hemijski koncentracijski gradijent). Ako je molekul nabijen, tada na njegov transport utječu i gradijent kemijske koncentracije i električni gradijent (membranski potencijal).

Oba gradijenta zajedno čine elektrohemijski gradijent. Pasivni transport tvari može se odvijati na dva načina: jednostavnom difuzijom i olakšanom difuzijom.

Sa jednostavnom difuzijom joni soli i voda mogu prodrijeti kroz selektivne kanale. Ove kanale formiraju neki transmembranski proteini koji formiraju transportne puteve od kraja do kraja koji su otvoreni trajno ili samo na kratko. Kroz selektivne kanale prodiru različiti molekuli koji imaju veličinu i naboj koji odgovaraju kanalima.

Postoji još jedan način jednostavne difuzije - to je difuzija tvari kroz lipidni dvosloj, kroz koji lako prolaze tvari topljive u mastima i voda. Lipidni dvosloj je nepropustan za nabijene molekule (jone), a u isto vrijeme nenabijene male molekule mogu slobodno difundirati, a što je molekul manji, to se brže transportuje. Prilično visoka brzina difuzije vode kroz lipidni dvosloj je upravo zbog male veličine njegovih molekula i odsustva naboja.

Sa olakšanom difuzijom proteini su uključeni u transport supstanci - nosača koji rade po principu "ping-ponga". U ovom slučaju, protein postoji u dva konformaciona stanja: u "pong" stanju, mjesta vezivanja transportirane tvari su otvorena na vanjskoj strani dvosloja, au "ping" stanju, ista mjesta se otvaraju na drugom strana. Ovaj proces je reverzibilan. S koje strane će mjesto vezivanja neke supstance biti otvoreno u datom trenutku zavisi od gradijenta koncentracije ove supstance.

Na taj način šećeri i aminokiseline prolaze kroz membranu.

Sa olakšanom difuzijom, brzina transporta supstanci se značajno povećava u poređenju sa jednostavnom difuzijom.

Pored proteina nosača, neki antibiotici, kao što su gramicidin i valinomicin, su uključeni u olakšanu difuziju.

Budući da obezbeđuju transport jona, nazivaju se jonofori.

Aktivan transport supstanci u ćeliji. Ova vrsta transporta uvijek dolazi sa troškovima energije. Izvor energije potrebne za aktivni transport je ATP. Karakteristična karakteristika ove vrste transporta je da se obavlja na dva načina:

    uz pomoć enzima zvanih ATPaze;

    transport u membranskom pakovanju (endocitoza).

V vanjska ćelijska membrana sadrži enzimske proteine ​​kao što su ATPaze,čija je funkcija obezbjeđivanje aktivnog transporta joni protiv gradijenta koncentracije. Pošto obezbeđuju transport jona, ovaj proces se naziva jonska pumpa.

Postoje četiri glavna sistema za transport jona u životinjskoj ćeliji. Tri od njih obezbeđuju prenos kroz biološke membrane Na+ i K+, Ca+, H+, a četvrta - prenos protona tokom rada mitohondrijalnog respiratornog lanca.

Primjer mehanizma aktivnog transporta jona je natrijum-kalijum pumpa u životinjskim ćelijama. Održava stalnu koncentraciju jona natrijuma i kalija u ćeliji, što se razlikuje od koncentracije ovih supstanci u okolini: normalno je u ćeliji manje jona natrijuma nego u okolini, a više kalija.

Kao rezultat toga, prema zakonima jednostavne difuzije, kalij ima tendenciju da napusti ćeliju, a natrijum difunduje u ćeliju. Za razliku od jednostavne difuzije, natrijum-kalijum pumpa neprestano ispumpava natrijum iz ćelije i ubrizgava kalijum: za tri izbačena molekula natrijuma, u ćeliju se unose dva molekula kalijuma.

Ovaj transport natrijum-kalijum jona obezbeđuje enzim zavisan od ATP-a, koji je lokalizovan u membrani tako da prodire u celu njenu debljinu.Natrijum i ATP ulaze u ovaj enzim iz unutrašnjosti membrane, a kalijum iz membrane. vani.

Prijenos natrijuma i kalija preko membrane nastaje kao rezultat konformacijskih promjena kojima prolazi natrijum-kalijum zavisna ATPaza, koja se aktivira kada se koncentracija natrijuma unutar ćelije ili kalijuma u okolini poveća.

Za napajanje ove pumpe potrebna je ATP hidroliza. Ovaj proces osigurava isti enzim natrijum-kalijum zavisna ATP-aza. Istovremeno, više od jedne trećine ATP-a koji potroši životinjska stanica u mirovanju troši se na rad natrijum-kalijum pumpe.

Kršenje pravilnog rada natrijum-kalijum pumpe dovodi do raznih teških bolesti.

Efikasnost ove pumpe prelazi 50%, što ne postižu najnaprednije mašine koje je stvorio čovek.

Mnogi aktivni transportni sistemi pokreću se energijom pohranjenom u jonskim gradijentima, a ne direktnom hidrolizom ATP-a. Svi oni rade kao kotransportni sistemi (olakšavajući transport jedinjenja male molekularne težine). Na primjer, aktivni transport određenih šećera i aminokiselina u životinjske stanice određen je gradijentom natrijum jona, a što je veći gradijent natrijum jona, to je veća brzina apsorpcije glukoze. Suprotno tome, ako se koncentracija natrijuma u međućelijskom prostoru značajno smanji, transport glukoze prestaje. U ovom slučaju, natrijum se mora pridružiti proteinu nosaču glukoze ovisnom o natriju, koji ima dva mjesta vezivanja: jedno za glukozu, drugo za natrijum. Ioni natrija koji prodiru u ćeliju doprinose uvođenju proteina nosača u ćeliju zajedno s glukozom. Joni natrijuma koji su ušli u ćeliju zajedno s glukozom, ispumpavaju se natrag pomoću ATPaze ovisne o natrijumu i kaliju, koja, održavajući gradijent koncentracije natrijuma, indirektno kontrolira transport glukoze.

Transport tvari u membranskoj ambalaži. Veliki molekuli biopolimera praktično ne mogu prodrijeti kroz plazmalemu bilo kojim od gore opisanih mehanizama transporta tvari u ćeliju. Ćelija ih hvata i apsorbuje u membranski paket, koji se tzv endocitoza. Potonji se formalno dijeli na fagocitozu i pinocitozu. Zahvatanje čvrstih čestica od strane ćelije je fagocitoza i tečni - pinocitoza. Tokom endocitoze primećuju se sledeće faze:

    prijem apsorbirane supstance zbog receptora u ćelijskoj membrani;

    invaginacija membrane sa stvaranjem mjehurića (vezikula);

    odvajanje endocitne vezikule od membrane uz utrošak energije - formiranje fagosoma i obnavljanje integriteta membrane;

Fuzija fagosoma sa lizozomom i formiranje fagolizozomi (digestivna vakuola) u kojem dolazi do varenja apsorbiranih čestica;

    uklanjanje neprobavljenog materijala u fagolizozomu iz ćelije ( egzocitoza).

U životinjskom svijetu endocitoza je karakterističan način ishrane mnogih jednoćelijskih organizama (na primjer, u amebama), a među višećelijskim organizmima ova vrsta probave čestica hrane nalazi se u endodermalnim stanicama kod koelenterata. Što se tiče sisara i ljudi, oni imaju retikulo-histio-endotelni sistem ćelija sa sposobnošću endocitoze. Primjeri su leukociti u krvi i Kupfferove ćelije jetre. Potonji oblažu takozvane sinusoidne kapilare jetre i hvataju različite strane čestice suspendirane u krvi. Egzocitoza- ovo je i način uklanjanja iz ćelije višećelijskog organizma supstrata koji on luči, a koji je neophodan za rad drugih ćelija, tkiva i organa.

1 0 0
Ako pronađete grešku, odaberite dio teksta i pritisnite Ctrl+Enter.