Клетъчната мембрана е ултратънък филм върху повърхността на клетка или клетъчен органел, състоящ се от бимолекулен слой липиди с вградени протеини и полизахариди.

Функции на мембраната:

• · Бариера – осигурява регулиран, селективен, пасивен и активен метаболизъм с околната среда. Например пероксизомната мембрана предпазва цитоплазмата от пероксиди, които са опасни за клетката. Селективната пропускливост означава, че пропускливостта на мембраната за различни атоми или молекули зависи от техния размер, електрически заряди химични свойства. Селективната пропускливост гарантира, че клетката и клетъчните отделения са отделени от околната среда и снабдени с необходимите вещества.
• · Транспорт – транспортирането на вещества в и извън клетката става през мембраната. Транспортът през мембраните осигурява: доставка на хранителни вещества, отстраняване на крайните метаболитни продукти, секреция различни вещества, създавайки йонни градиенти, поддържайки оптимално pH и йонни концентрации в клетката, които са необходими за функционирането на клетъчните ензими. Частици, които по някаква причина не могат да преминат през фосфолипидния двоен слой (например поради хидрофилни свойства, тъй като мембраната вътре е хидрофобна и не позволява на хидрофилните вещества да преминат през нея, или поради големия им размер), но необходими за клетката , могат да проникнат през мембраната чрез специални протеини-носители (транспортери) и канални протеини или чрез ендоцитоза. При пасивния транспорт веществата преминават през липидния двоен слой, без да изразходват енергия по концентрационен градиент чрез дифузия. Вариант на този механизъм е улеснена дифузия, при която специфична молекула помага на веществото да премине през мембраната. Тази молекула може да има канал, който пропуска само един вид вещество. Активният транспорт изисква енергия, тъй като се извършва срещу градиент на концентрация. На мембраната има специални помпени протеини, включително АТФаза, която активно изпомпва калиеви йони (K +) в клетката и изпомпва натриеви йони (Na +) от нея.
• · матрица - осигурява определено взаимно положение и ориентация на мембранните протеини, тяхното оптимално взаимодействие.
• · механична – осигурява автономността на клетката, нейните вътреклетъчни структури, както и връзката с други клетки (в тъканите). Основна роля за осигуряване на механичната функция играят клетъчните стени, а при животните - междуклетъчното вещество.
• · енергия – по време на фотосинтезата в хлоропластите и клетъчното дишане в митохондриите в техните мембрани работят системи за пренос на енергия, в които участват и протеините;
• · рецептор - някои протеини, разположени в мембраната, са рецептори (молекули, с помощта на които клетката възприема определени сигнали). Например, хормоните, циркулиращи в кръвта, действат само върху целевите клетки, които имат рецептори, съответстващи на тези хормони. Невротрансмитери ( химикали, осигуряващи провеждането на нервните импулси) също се свързват със специални рецепторни протеини на целевите клетки.
• · ензимни – мембранните протеини често са ензими. Например, плазмените мембрани на чревните епителни клетки съдържат храносмилателни ензими.
• · осъществяване на генериране и провеждане на биопотенциали. С помощта на мембраната се поддържа постоянна концентрация на йони в клетката: концентрацията на K + йон вътре в клетката е много по-висока, отколкото извън нея, а концентрацията на Na + е много по-ниска, което е много важно, т.к. това осигурява поддържането на потенциалната разлика върху мембраната и генерирането на нервен импулс.
• · клетъчно маркиране - върху мембраната има антигени, които действат като маркери - “етикети”, които позволяват клетката да бъде идентифицирана. Това са гликопротеини (т.е. протеини с прикрепени към тях разклонени олигозахаридни странични вериги), които играят ролята на „антени“. Поради безбройните конфигурации на страничните вериги е възможно да се направи специфичен маркер за всеки тип клетка. С помощта на маркери клетките могат да разпознават други клетки и да действат съвместно с тях, например при образуването на органи и тъкани. Това също позволява имунната системаразпознават чужди антигени.

Някои протеинови молекули дифундират свободно в равнината на липидния слой; в нормално състояние части от протеинови молекули, излизащи от различни страни на клетъчната мембрана, не променят позицията си.

Особената морфология на клетъчните мембрани определя тяхната електрически характеристики, сред които най-важни са капацитетът и проводимостта.

Капацитивните свойства се определят главно от фосфолипидния двоен слой, който е непроницаем за хидратирани йони и в същото време достатъчно тънък (около 5 nm), за да позволи ефективно разделяне и съхранение на заряда и електростатично взаимодействие на катиони и аниони. В допълнение, капацитивните свойства на клетъчните мембрани са една от причините, които определят времевите характеристики електрически процесипротичащи върху клетъчните мембрани.

Проводимост (g) -- реципрочна електрическо съпротивлениеи равен на отношението на общия трансмембранен ток за даден йон към стойността, която определя неговата трансмембранна потенциална разлика.

Различни вещества могат да дифундират през фосфолипидния двоен слой и степента на пропускливост (P), т.е. способността на клетъчната мембрана да пропуска тези вещества, зависи от разликата в концентрациите на дифузиращото вещество от двете страни на мембраната, неговата разтворимост в липидите и свойствата на клетъчната мембрана. Скоростта на дифузия за заредени йони при условия на постоянно поле в мембраната се определя от подвижността на йоните, дебелината на мембраната и разпределението на йоните в мембраната. За неелектролитите пропускливостта на мембраната не влияе на нейната проводимост, тъй като неелектролитите не носят заряди, т.е. не могат да пренасят електрически ток.

Проводимостта на една мембрана е мярка за нейната йонна пропускливост. Увеличаването на проводимостта показва увеличаване на броя на йони, преминаващи през мембраната.

Важно свойство на биологичните мембрани е течливостта. Всички клетъчни мембрани са подвижни течни структури: повечето от съставните им липидни и протеинови молекули са способни да се движат доста бързо в равнината на мембраната

Не е тайна, че всички живи същества на нашата планета са изградени от клетки, тези безброй "" органични вещества. Клетките от своя страна са заобиколени от специална защитна обвивка - мембрана, която играе много важна роля в живота на клетката, като функциите на клетъчната мембрана не се ограничават само до защита на клетката, а представляват изключително сложен механизъм, участващи в репродукцията, храненето и регенерацията на клетките.

Какво е клетъчна мембрана

Самата дума „мембрана“ се превежда от латински като „филм“, въпреки че мембраната не е просто вид филм, в който е обвита клетката, а комбинация от два филма, свързани един с друг и притежаващи различни свойства. Всъщност клетъчната мембрана е трислойна липопротеинова (мастно-протеинова) мембрана, която отделя всяка клетка от съседните клетки и околната среда и осъществява контролиран обмен между клетките и околната среда, това е академичната дефиниция за това какво е клетъчна мембрана е.

Значението на мембраната е просто огромно, защото тя не само отделя една клетка от друга, но също така осигурява взаимодействието на клетката както с други клетки, така и с околната среда.

История на изследването на клетъчните мембрани

Важен принос в изследването на клетъчната мембрана направиха двама немски учени Гортер и Грендел през 1925 г. Тогава те успяха да проведат сложен биологичен експеримент върху червените кръвни клетки - еритроцити, по време на който учените получиха така наречените "сенки", празни черупки от еритроцити, които подредиха в един куп и измериха повърхността, а също изчисли количеството липиди в тях. Въз основа на количеството получени липиди учените стигат до извода, че те са достатъчни, за да покрият двойния слой на клетъчната мембрана.

През 1935 г. друга двойка изследователи на клетъчната мембрана, този път американците Даниел и Доусън, след серия от дълги експерименти, установиха съдържанието на протеин в клетъчната мембрана. Нямаше друг начин да се обясни защо мембраната има толкова високо повърхностно напрежение. Учените хитро са представили модел на клетъчна мембрана под формата на сандвич, в който ролята на хляб играят хомогенни липидно-протеинови слоеве, а между тях вместо масло има празнота.

През 1950 г., с навлизането на електрониката, теорията на Даниел и Доусън се потвърждава от практически наблюдения - на микроснимки на клетъчната мембрана ясно се виждат слоеве от липидни и протеинови глави, както и празното пространство между тях.

През 1960 г. американският биолог Дж. Робъртсън развива теория за трислойната структура на клетъчните мембрани, която за дълго времесе смяташе за единствената вярна, но с по-нататъшното развитие на науката започнаха да възникват съмнения относно нейната непогрешимост. Така например от гледна точка би било трудно и трудоемко за клетките да транспортират необходимите хранителни вещества през целия „сандвич“

И едва през 1972 г. американските биолози С. Сингър и Г. Никълсън успяха да обяснят несъответствията в теорията на Робъртсън, използвайки нов флуидно-мозаечен модел на клетъчната мембрана. По-специално, те установиха, че клетъчната мембрана не е хомогенна по своя състав, освен това е асиметрична и пълна с течност. Освен това клетките са в постоянно движение. А прословутите протеини, които са част от клетъчната мембрана, имат различни структури и функции.

Свойства и функции на клетъчната мембрана

Сега нека да разгледаме какви функции изпълнява клетъчната мембрана:

Бариерната функция на клетъчната мембрана е мембраната като истинска гранична охрана, която стои на стража над границите на клетката, забавяйки и не позволявайки на вредните или просто неподходящи молекули да преминат.

Транспортна функция на клетъчната мембрана - мембраната е не само гранична охрана на вратата на клетката, но и един вид митнически контролно-пропускателен пункт, който постоянно преминава през нея полезни веществас други клетки и околната среда.

Матрична функция - това е клетъчната мембрана, която определя местоположението една спрямо друга и регулира взаимодействието между тях.

Механична функция - отговаря за ограничаването на една клетка от друга и в същото време за правилното свързване на клетките една с друга, за оформянето им в хомогенна тъкан.

Защитната функция на клетъчната мембрана е в основата на изграждането на защитния щит на клетката. В природата пример за тази функция може да бъде твърда дървесина, плътна кора, защитна обвивка, всичко това се дължи на защитната функция на мембраната.

Ензимната функция е друга важна функция, изпълнявана от определени протеини в клетката. Например, благодарение на тази функция, синтезът на храносмилателни ензими се извършва в чревния епител.

Също така, в допълнение към всичко това, клетъчният обмен се осъществява през клетъчната мембрана, което може да се осъществи в три различни реакции:

• Фагоцитозата е клетъчен обмен, при който фагоцитните клетки, вградени в мембраната, улавят и усвояват различни хранителни вещества.
• Пиноцитозата е процес на улавяне от клетъчната мембрана на течни молекули в контакт с нея. За да направите това, на повърхността на мембраната се образуват специални пипала, които сякаш обграждат капка течност, образувайки мехур, който впоследствие се „поглъща“ от мембраната.
• Екзоцитозата е обратен процескогато клетка освобождава секреторна функционална течност през мембрана на повърхността.

Структура на клетъчната мембрана

Има три класа липиди в клетъчната мембрана:

• фосфолипиди (които са комбинация от мазнини и фосфор),
• гликолипиди (комбинация от мазнини и въглехидрати),
• холестерол

Фосфолипидите и гликолипидите от своя страна се състоят от хидрофилна глава, в която се простират две дълги хидрофобни опашки. Холестеролът заема пространството между тези опашки, предотвратявайки ги от огъване; всичко това в някои случаи прави мембраната на някои клетки много твърда. В допълнение към всичко това молекулите на холестерола организират структурата на клетъчната мембрана.

Но както и да е, най-важната част от структурата на клетъчната мембрана е протеинът или по-скоро различни протеини, които играят различни важни роли. Въпреки разнообразието от протеини, съдържащи се в мембраната, има нещо, което ги обединява - пръстеновидните липиди са разположени около всички мембранни протеини. Ануларните липиди са специални структурирани мазнини, които служат като вид защитна обвивка за протеини, без които те просто не биха работили.

Структурата на клетъчната мембрана има три слоя: основата на клетъчната мембрана е хомогенен течен билипиден слой. Белтъците го покриват от двете страни като мозайка. Именно протеините, в допълнение към описаните по-горе функции, също играят ролята на своеобразни канали, през които веществата, които не могат да проникнат през течния слой на мембраната, преминават през мембраната. Те включват, например, калиеви и натриеви йони; за тяхното проникване през мембраната природата осигурява специални йонни канали в клетъчните мембрани. С други думи, протеините осигуряват пропускливостта на клетъчните мембрани.

Ако погледнем клетъчната мембрана през микроскоп, ще видим слой липиди, образуван от малки сферични молекули, върху които протеините плуват като в морето. Сега знаете какви вещества изграждат клетъчната мембрана.

Видео за клетъчна мембрана

И накрая едно образователно видео за клетъчната мембрана.

9.5.1. Една от основните функции на мембраните е участието в преноса на вещества. Този процес се постига чрез три основни механизма: проста дифузия, улеснена дифузия и активен транспорт (Фигура 9.10). Помнете най-важните характеристикина тези механизми и примери за транспортираните вещества във всеки случай.

Фигура 9.10.Механизми на транспорт на молекули през мембраната

Проста дифузия- пренос на вещества през мембраната без участие специални механизми. Транспортът се извършва по градиент на концентрация без консумация на енергия. Чрез проста дифузия се пренасят малки биомолекули - H2O, CO2, O2, урея, хидрофобни нискомолекулни вещества. Скоростта на простата дифузия е пропорционална на концентрационния градиент.

Улеснена дифузия- пренос на вещества през мембраната с помощта на протеинови канали или специални протеини-носители. Провежда се по концентрационен градиент без консумация на енергия. Пренасят се монозахариди, аминокиселини, нуклеотиди, глицерол и някои йони. Характерна е кинетиката на насищане - при определена (насищаща) концентрация на транспортираното вещество в преноса участват всички молекули на носителя и транспортната скорост достига максимална стойност.

Активен транспорт- също изисква участието на специални транспортни протеини, но транспортът се извършва срещу градиент на концентрация и следователно изисква разход на енергия. Чрез този механизъм Na+, K+, Ca2+, Mg2+ йони се транспортират през клетъчната мембрана, а протоните се транспортират през митохондриалната мембрана. Активният транспорт на вещества се характеризира с кинетика на насищане.

9.5.2. Пример за транспортна система, която осъществява активен транспорт на йони е Na+,K+-аденозин трифосфатаза (Na+,K+-ATPase или Na+,K+-помпа). Този протеин се намира дълбоко в плазмената мембрана и е способен да катализира реакцията на хидролиза на АТФ. Енергията, освободена по време на хидролизата на 1 молекула АТФ, се използва за прехвърляне на 3 Na+ йона от клетката към извънклетъчното пространство и 2 K+ йона в обратна посока (Фигура 9.11). В резултат на действието на Na+,K+-ATPase се създава концентрационна разлика между клетъчния цитозол и извънклетъчната течност. Тъй като преносът на йони не е еквивалентен, възниква разлика електрически потенциали. По този начин възниква електрохимичен потенциал, който се състои от енергията на разликата в електрическите потенциали Δφ и енергията на разликата в концентрациите на веществата ΔC от двете страни на мембраната.

Фигура 9.11.Диаграма на помпата Na+, K+.

9.5.3. Транспорт на частици и съединения с високо молекулно тегло през мембрани

Наред с транспорта на органични вещества и йони, извършван от носители, в клетката има много специален механизъм, предназначен да абсорбира високомолекулни съединения в клетката и да отстранява високомолекулни съединения от нея чрез промяна на формата на биомембраната. Този механизъм се нарича везикуларен транспорт.

Фигура 9.12.Видове везикуларен транспорт: 1 - ендоцитоза; 2 - екзоцитоза.

По време на преноса на макромолекули се получава последователно образуване и сливане на заобиколени от мембрана везикули (везикули). Въз основа на посоката на транспортиране и естеството на транспортираните вещества се разграничават следните видове везикуларен транспорт:

Ендоцитоза(Фигура 9.12, 1) - пренос на вещества в клетката. В зависимост от размера на получените везикули се разграничават:

а) пиноцитоза — абсорбция на течни и разтворени макромолекули (протеини, полизахариди, нуклеинови киселини) с помощта на малки мехурчета (150 nm в диаметър);

б) фагоцитоза — абсорбиране на големи частици, като микроорганизми или клетъчни остатъци. В този случай се образуват големи везикули, наречени фагозоми с диаметър над 250 nm.

Пиноцитозата е характерна за повечето еукариотни клетки, докато големите частици се абсорбират от специализирани клетки - левкоцити и макрофаги. На първия етап от ендоцитозата веществата или частиците се адсорбират на повърхността на мембраната; този процес протича без консумация на енергия. На следващия етап мембраната с адсорбираното вещество се задълбочава в цитоплазмата; получените локални инвагинации на плазмената мембрана се отделят от клетъчната повърхност, образувайки везикули, които след това мигрират в клетката. Този процес е свързан чрез система от микрофиламенти и е енергийно зависим. Везикулите и фагозомите, които влизат в клетката, могат да се слеят с лизозомите. Ензимите, съдържащи се в лизозомите, разграждат веществата, съдържащи се във везикулите и фагозомите, до продукти с ниско молекулно тегло (аминокиселини, монозахариди, нуклеотиди), които се транспортират в цитозола, където могат да бъдат използвани от клетката.

Екзоцитоза(Фигура 9.12, 2) - прехвърляне на частици и големи съединения от клетката. Този процес, подобно на ендоцитозата, протича с усвояването на енергия. Основните видове екзоцитоза са:

а) секреция - отстраняване от клетката на водоразтворимите съединения, които се използват или засягат други клетки на тялото. Може да се извършва както от неспециализирани клетки, така и от клетки на ендокринни жлези, лигавици стомашно-чревния тракт, пригодени за секрецията на произвежданите от тях вещества (хормони, невротрансмитери, проензими) в зависимост от специфичните нужди на организма.

Секретираните протеини се синтезират върху рибозоми, свързани с мембраните на грапавия ендоплазмен ретикулум. След това тези протеини се транспортират до апарата на Голджи, където се модифицират, концентрират, сортират и след това се пакетират във везикули, които се освобождават в цитозола и впоследствие се сливат с плазмената мембрана, така че съдържанието на везикулите да е извън клетката.

За разлика от макромолекулите, малките секретирани частици, като протони, се транспортират извън клетката чрез механизми на улеснена дифузия и активен транспорт.

б) екскреция - отстраняване от клетката на вещества, които не могат да бъдат използвани (например по време на еритропоеза, отстраняване от ретикулоцитите на мрежестото вещество, което е агрегирани остатъци от органели). Механизмът на екскреция изглежда е, че екскретираните частици първоначално се улавят в цитоплазмена везикула, която след това се слива с плазмената мембрана.

По-голямата част от организмите, живеещи на Земята, се състоят от клетки, които до голяма степен са сходни по своя химичен състав, структура и жизнени функции. Метаболизмът и преобразуването на енергия се извършват във всяка клетка. Клетъчното делене е в основата на процесите на растеж и размножаване на организмите. По този начин клетката е единица на структурата, развитието и възпроизводството на организмите.

Клетката може да съществува само като цялостна система, неделима на части. Целостта на клетката се осигурява от биологични мембрани. Клетката е елемент от система от по-висок ранг - организъм. Частите и органелите на клетката, състоящи се от сложни молекули, са цялостни системипо-нисък ранг.

клетка - отворена система, свързани с околната среда, метаболизма и енергията. Това е функционална система, в която всяка молекула изпълнява специфични функции. Клетката има стабилност, способност да се саморегулира и самовъзпроизвежда.

Клетката е самоуправляваща се система. Контролиращата генетична система на клетката е представена от сложни макромолекули - нуклеинови киселини(ДНК и РНК).

През 1838-1839г Германските биолози М. Шлейден и Т. Шван обобщиха знанията за клетката и формулираха основната позиция на клетъчната теория, чиято същност е, че всички организми, както растителни, така и животински, се състоят от клетки.

През 1859 г. Р. Вирхов описва процеса на клетъчно делене и формулира една от най-важните разпоредби на клетъчната теория: „Всяка клетка идва от друга клетка“. Новите клетки се образуват в резултат на делене на майчината клетка, а не от неклетъчно вещество, както се смяташе досега.

Откриването на яйца на бозайници от руския учен К. Баер през 1826 г. доведе до заключението, че клетката е в основата на развитието на многоклетъчните организми.

Съвременната клетъчна теория включва следните разпоредби:

1) клетка - единицата на структурата и развитието на всички организми;

2) клетките на организмите от различни царства на живата природа са сходни по структура, химичен състав, метаболизъм и основни прояви на жизнената активност;

3) нови клетки се образуват в резултат на делене на майчината клетка;

4) в многоклетъчен организъм клетките образуват тъкани;

5) органите са изградени от тъкани.

С въвеждането в биологията на съвременните биологични, физически и химични методиИзследванията направиха възможно изследването на структурата и функционирането на различни клетъчни компоненти. Един от методите за изследване на клетките е микроскопия. Модерният светлинен микроскоп увеличава обектите 3000 пъти и ви позволява да видите най-големите клетъчни органели, да наблюдавате движението на цитоплазмата и клетъчното делене.

Изобретен през 40-те години. ХХ век Електронният микроскоп дава увеличение от десетки и стотици хиляди пъти. Електронният микроскоп използва поток от електрони вместо светлина, а вместо лещи - електромагнитни полета. Следователно електронният микроскоп създава ясни изображения при много по-големи увеличения. С помощта на такъв микроскоп беше възможно да се изследва структурата на клетъчните органели.

Чрез метода се изучава структурата и състава на клетъчните органели центрофугиране. Нарязани тъкани с разрушени клетъчни мембрани се поставят в епруветки и се въртят в центрофуга с висока скорост. Методът се основава на факта, че различните клетъчни органоиди имат различна маса и плътност. По-плътните органели се отлагат в епруветка при ниски скорости на центрофугиране, по-малко плътните - при високи скорости. Тези слоеве се изучават отделно.

Широко използван метод на клетъчна и тъканна култура, което се състои в това, че от една или няколко клетки върху специална хранителна среда може да се получи група от един и същ вид животински или растителни клетки и дори да се отгледа цяло растение. С помощта на този метод можете да получите отговор на въпроса как различни тъкани и органи на тялото се образуват от една клетка.

Основните принципи на клетъчната теория са формулирани за първи път от М. Шлейден и Т. Шван. Клетката е единица на структурата, жизнената дейност, размножаването и развитието на всички живи организми. За изследване на клетките се използват методи на микроскопия, центрофугиране, клетъчни и тъканни култури и др.

Клетките на гъбите, растенията и животните имат много общо не само в химичния състав, но и в структурата. При изследване на клетка под микроскоп в нея се виждат различни структури - органоиди. Всяка органела изпълнява специфични функции. В клетката има три основни части: плазмената мембрана, ядрото и цитоплазмата (Фигура 1).

Плазмена мембранаотделя клетката и нейното съдържание от околната среда. На фигура 2 виждате: мембраната е образувана от два слоя липиди, а протеиновите молекули проникват в дебелината на мембраната.

Основна функция на плазмената мембрана транспорт. Той осигурява притока на хранителни вещества в клетката и отстраняването на метаболитните продукти от нея.

Важно свойство на мембраната е селективна пропускливост, или полупропускливост, позволява на клетката да взаимодейства с околната среда: само определени вещества влизат и се отстраняват от нея. Малки молекули вода и някои други вещества проникват в клетката чрез дифузия, отчасти през порите на мембраната.

Захари, органични киселини и соли са разтворени в цитоплазмата, клетъчния сок на вакуолите на растителната клетка. Освен това тяхната концентрация в клетката е значително по-висока, отколкото в среда. Колкото по-висока е концентрацията на тези вещества в клетката, толкова повече вода тя абсорбира. Известно е, че водата непрекъснато се консумира от клетката, поради което концентрацията на клетъчния сок се увеличава и водата отново навлиза в клетката.

Влизането на по-големи молекули (глюкоза, аминокиселини) в клетката се осигурява от мембранни транспортни протеини, които, комбинирайки се с молекулите на транспортираните вещества, ги транспортират през мембраната. Този процес включва ензими, които разграждат АТФ.

Фигура 1. Обобщена диаграма на структурата на еукариотна клетка.
(за да увеличите изображението, щракнете върху снимката)

Фигура 2. Структура на плазмената мембрана.
1 - пробиващи протеини, 2 - потопени протеини, 3 - външни протеини

Фигура 3. Диаграма на пиноцитоза и фагоцитоза.

Още по-големи молекули протеини и полизахариди навлизат в клетката чрез фагоцитоза (от гръцки. фагос- поглъщане и китос- съд, клетка), и капки течност - чрез пиноцитоза (от гръцки. пино- Пия и китос) (Фигура 3).

Животинските клетки, за разлика от растителните клетки, са заобиколени от мека и гъвкава „обвивка“, образувана главно от полизахаридни молекули, които, свързвайки някои мембранни протеини и липиди, обграждат клетката отвън. Съставът на полизахаридите е специфичен за различните тъкани, поради което клетките се „разпознават“ и се свързват помежду си.

Растителните клетки нямат такова „обвивка“. Над тях има плазмена мембрана с пори. клетъчна мембрана, състояща се предимно от целулоза. През порите нишките на цитоплазмата се простират от клетка към клетка, свързвайки клетките една с друга. Така се осъществява комуникацията между клетките и се постига целостта на тялото.

Клетъчната мембрана при растенията играе ролята на здрав скелет и предпазва клетката от увреждане.

Повечето бактерии и всички гъбички имат клетъчна мембрана, само химичният й състав е различен. При гъбите се състои от вещество, подобно на хитин.

Подобна структура имат клетките на гъбите, растенията и животните. Клетката има три основни части: ядро, цитоплазма и плазмена мембрана. Плазмената мембрана се състои от липиди и протеини. Той осигурява навлизането на веществата в клетката и освобождаването им от клетката. В клетките на растенията, гъбите и повечето бактерии има клетъчна мембрана над плазмената мембрана. Той изпълнява защитна функция и играе ролята на скелет. При растенията клетъчната стена се състои от целулоза, а при гъбите е изградена от вещество, подобно на хитин. Животинските клетки са покрити с полизахариди, които осигуряват контакт между клетките на една и съща тъкан.

Знаете ли, че основната част на клетката е цитоплазма. Състои се от вода, аминокиселини, протеини, въглехидрати, АТФ и йони на неорганични вещества. Цитоплазмата съдържа ядрото и органелите на клетката. При него веществата преминават от една част на клетката в друга. Цитоплазмата осигурява взаимодействието на всички органели. Тук протичат химични реакции.

Цялата цитоплазма е проникната от тънки протеинови микротубули, които образуват клетъчен цитоскелет, благодарение на което поддържа постоянна форма. Клетъчният цитоскелет е гъвкав, тъй като микротубулите могат да променят позицията си, да се движат от единия край и да се скъсяват от другия. В клетката влизат различни вещества. Какво се случва с тях в клетката?

В лизозомите - малки кръгли мембранни везикули (виж фиг. 1) молекулите на сложните органични вещества се разграждат до по-прости молекули с помощта на хидролитични ензими. Например протеините се разграждат до аминокиселини, полизахаридите до монозахариди, мазнините до глицирин и мастни киселини. Поради тази функция лизозомите често се наричат ​​„храносмилателни станции“ на клетката.

Ако мембраната на лизозомите е разрушена, ензимите, съдържащи се в тях, могат да усвоят самата клетка. Следователно лизозомите понякога се наричат ​​„оръжия за убиване на клетки“.

Ензимно окисляване на малки молекули аминокиселини, монозахариди, образувани в лизозомите, мастни киселинии алкохоли до въглерод, киселинен газ и вода започва в цитоплазмата и завършва в други органели - митохондриите. Митохондриите са пръчковидни, нишковидни или сферични органели, отграничени от цитоплазмата с две мембрани (фиг. 4). Външната мембрана е гладка, а вътрешната образува гънки - cristas, които увеличават повърхността му. Вътрешната мембрана съдържа ензими, които участват в окислителните реакции на органичните вещества до въглероден диоксиди вода. Това освобождава енергия, която се съхранява от клетката в ATP молекули. Следователно митохондриите се наричат ​​„електростанции“ на клетката.

В клетката органичните вещества не само се окисляват, но и се синтезират. Синтезът на липиди и въглехидрати се осъществява върху ендоплазмения ретикулум - EPS (фиг. 5), а на протеини - върху рибозоми. Какво е EPS? Това е система от тубули и цистерни, чиито стени са оформени от мембрана. Те проникват в цялата цитоплазма. Веществата се движат през ER каналите до различни части на клетката.

Има гладък и грапав EPS. На повърхността на гладката ER се синтезират въглехидрати и липиди с участието на ензими. Грапавостта на ER се придава от малките кръгли тела, разположени върху него - рибозоми(виж фиг. 1), които участват в синтеза на протеини.

Синтезът на органични вещества се извършва и в пластиди, които се намират само в растителните клетки.

ориз. 4. Схема на структурата на митохондриите.
1.- външна мембрана; 2.- вътрешна мембрана; 3.- гънки на вътрешната мембрана - кристи.

ориз. 5. Схема на структурата на груб EPS.

ориз. 6. Схема на структурата на хлоропласта.
1.- външна мембрана; 2.- вътрешна мембрана; 3.- вътрешно съдържание на хлоропласта; 4.- гънки на вътрешната мембрана, събрани в "купчини" и образуващи грана.

В безцветни пластиди - левкопласти(от гръцки левкос- бяло и пластос- създадено) се натрупва нишесте. Картофените клубени са много богати на левкопласти. Жълти, оранжеви и червени цветове се дават на плодовете и цветята. хромопласти(от гръцки хром- цвят и пластос). Те синтезират пигменти, участващи във фотосинтезата - каротеноиди. В живота на растенията това е особено важно хлоропласти(от гръцки хлорос- зеленикав и пластос) - зелени пластиди. На фигура 6 виждате, че хлоропластите са покрити с две мембрани: външна и вътрешна. Вътрешната мембрана образува гънки; между гънките има мехурчета, подредени на купчини - зърна. Зърната съдържат молекули хлорофил, които участват във фотосинтезата. Всеки хлоропласт има около 50 зърна, подредени в шахматен ред. Тази подредба осигурява максимално осветяване на всяко лице.

В цитоплазмата протеините, липидите и въглехидратите могат да се натрупват под формата на зърна, кристали и капчици. Тези включване- резервни хранителни вещества, които се консумират от клетката при необходимост.

В растителните клетки някои от резервните хранителни вещества, както и продуктите на разпадане, се натрупват в клетъчния сок на вакуолите (виж фиг. 1). Те могат да представляват до 90% от обема на растителната клетка. Животинските клетки имат временни вакуоли, които заемат не повече от 5% от обема им.

ориз. 7. Схема на структурата на комплекса Голджи.

На фигура 7 виждате система от кухини, заобиколени от мембрана. това Комплекс Голджи, който изпълнява различни функции в клетката: участва в натрупването и транспортирането на вещества, отстраняването им от клетката, образуването на лизозоми и клетъчната мембрана. Например, целулозните молекули влизат в кухината на комплекса Голджи, които с помощта на везикули се придвижват до клетъчната повърхност и се включват в клетъчната мембрана.

Повечето клетки се възпроизвеждат чрез делене. Участва в този процес клетъчен център. Състои се от две центриоли, заобиколени от плътна цитоплазма (виж фиг. 1). В началото на деленето центриолите се придвижват към полюсите на клетката. От тях излизат белтъчни нишки, които се свързват с хромозомите и осигуряват равномерното им разпределение между двете дъщерни клетки.

Всички клетъчни органели са тясно свързани помежду си. Например, протеиновите молекули се синтезират в рибозомите и се транспортират през ER каналите до различни частиклетки, а в лизозомите протеините се разрушават. Новосинтезираните молекули се използват за изграждане на клетъчни структури или се натрупват в цитоплазмата и вакуолите като резервни хранителни вещества.

Клетката е изпълнена с цитоплазма. Цитоплазмата съдържа ядрото и различни органели: лизозоми, митохондрии, пластиди, вакуоли, ER, клетъчен център, комплекс на Голджи. Те се различават по своята структура и функции. Всички органели на цитоплазмата взаимодействат помежду си, осигурявайки нормалното функциониране на клетката.

Таблица 1. СТРУКТУРА НА КЛЕТКАТА

Най-важната роля в жизнената дейност и деленето на клетките на гъбите, растенията и животните принадлежи на ядрото и разположените в него хромозоми. Повечето клетки на тези организми имат едно ядро, но има и многоядрени клетки, като мускулните клетки. Ядрото се намира в цитоплазмата и има кръгла или овална форма. Покрит е с черупка, състояща се от две мембрани. Ядрената обвивка има пори, през които се извършва обмяната на вещества между ядрото и цитоплазмата. Ядрото е изпълнено с ядрен сок, в който са разположени нуклеоли и хромозоми.

Нуклеоли- това са "работилници за производство" на рибозоми, които се образуват от рибозомни РНК, образувани в ядрото и протеини, синтезирани в цитоплазмата.

Основната функция на ядрото - съхранение и предаване на наследствена информация - е свързана с хромозоми. Всеки тип организъм има свой собствен набор от хромозоми: определен брой, форма и размер.

Всички клетки на тялото, с изключение на половите клетки, се наричат соматични(от гръцки сома- тяло). Клетките на организъм от един и същи вид съдържат същия набор от хромозоми. Например при хората всяка клетка на тялото съдържа 46 хромозоми, при плодовата муха Drosophila - 8 хромозоми.

Соматичните клетки, като правило, имат двоен набор от хромозоми. Нарича се диплоидени се означава с 2 п. И така, човек има 23 чифта хромозоми, тоест 2 п= 46. Половите клетки съдържат наполовина по-малко хромозоми. Неженен ли е или хаплоиден, комплект. Лицето има 1 п = 23.

Всички хромозоми в соматичните клетки, за разлика от хромозомите в зародишните клетки, са сдвоени. Хромозомите, които образуват една двойка, са идентични една с друга. Сдвоените хромозоми се наричат хомоложни. Хромозоми, които принадлежат на различни двойкии се различават по форма и големина, т.нар нехомоложни(фиг. 8).

При някои видове броят на хромозомите може да е еднакъв. Например червената детелина и грахът имат 2 п= 14. Въпреки това, техните хромозоми се различават по форма, размер и нуклеотиден състав на ДНК молекулите.

ориз. 8. Набор от хромозоми в клетките на Drosophila.

ориз. 9. Хромозомна структура.

За да разберем ролята на хромозомите в предаването на наследствена информация, е необходимо да се запознаем с тяхната структура и химичен състав.

Хромозомите на неделящата се клетка изглеждат като дълги тънки нишки. Преди клетъчното делене всяка хромозома се състои от две еднакви вериги - хроматид, които са свързани между талията на кръста - (фиг. 9).

Хромозомите са изградени от ДНК и протеини. Тъй като нуклеотидният състав на ДНК е различен различни видове, хромозомният състав е уникален за всеки вид.

Всяка клетка, с изключение на бактериалните, има ядро, в което са разположени нуклеоли и хромозоми. Всеки вид се характеризира с определен набор от хромозоми: брой, форма и размер. В соматичните клетки на повечето организми наборът от хромозоми е диплоиден, в половите клетки е хаплоиден. Сдвоените хромозоми се наричат ​​хомоложни. Хромозомите са изградени от ДНК и протеини. ДНК молекулите осигуряват съхранението и предаването на наследствената информация от клетка на клетка и от организъм на организъм.

След като сте работили по тези теми, трябва да можете да:

1. Обяснете в какви случаи трябва да се използва светлинен микроскоп (структура) или трансмисионен електронен микроскоп.
2. Опишете структурата на клетъчната мембрана и обяснете връзката между структурата на мембраната и нейната способност да обменя вещества между клетката и околната среда.
3. Определете процесите: дифузия, улеснена дифузия, активен транспорт, ендоцитоза, екзоцитоза и осмоза. Посочете разликите между тези процеси.
4. Назовете функциите на структурите и посочете в кои клетки (растителни, животински или прокариотни) се намират: ядро, ядрена мембрана, нуклеоплазма, хромозоми, плазмена мембрана, рибозома, митохондрия, клетъчна стена, хлоропласт, вакуола, лизозома, гладък ендоплазмен ретикулум (агрануларен) и грапав (грануларен), клетъчен център, апарат на Голджи, реснички, флагелум, мезозома, пили или фимбрии.
5. Посочете поне три признака, по които растителната клетка може да се разграничи от животинската.
6. Избройте най-важните разлики между прокариотните и еукариотните клетки.

Иванова Т.В., Калинова Г.С., Мягкова А.Н. „Обща биология”. Москва, "Просвещение", 2000 г

• Тема 1. "Плазмена мембрана." §1, §8 стр. 5;20
• Тема 2. "Клетка". §8-10 стр. 20-30
• Тема 3. "Прокариотна клетка. Вируси." §11 стр. 31-34

Клетъчни мембрани

Структурната организация на клетката се основава на мембранния принцип на структурата, тоест клетката е изградена главно от мембрани. Всички биологични мембрани имат общо структурни особеностии имоти.

Понастоящем течно-мозаечният модел на структурата на мембраната е общоприет.

Мембраната се основава на липиден бислой, образуван главно фосфолипиди. Липидите представляват средно ≈40% химичен съставмембрани. В двоен слой опашките на молекулите в мембраната са обърнати една към друга, а полярните глави са обърнати навън, така че повърхността на мембраната е хидрофилна. Липидите определят основните свойства на мембраните.

В допълнение към липидите, мембраната съдържа протеини (средно ≈60%). Те определят повечето от специфичните функции на мембраната. Протеиновите молекули не образуват непрекъснат слой (фиг. 280). В зависимост от локализацията в мембраната се различават:

© периферни протеини- протеини, разположени на външната или вътрешна повърхностлипиден двоен слой;

© полуинтегрални протеини- протеини, потопени в липидния бислой на различна дълбочина;

© интегрална, или трансмембранни протеини -протеини, които проникват през мембраната, контактувайки както с външната, така и с вътрешната среда на клетката.

Мембранните протеини могат да изпълняват различни функции:

© транспорт на определени молекули;

© катализа на реакциите, протичащи върху мембраните;

© поддържане на структурата на мембраната;

© приемане и преобразуване на сигнали от околната среда.

Мембраната може да съдържа от 2 до 10% въглехидрати. Въглехидратният компонент на мембраните обикновено е представен от олигозахаридни или полизахаридни вериги, свързани с протеинови молекули (гликопротеини) или липиди (гликолипиди). Въглехидратите се намират основно върху външна повърхностмембрани. Функциите на въглехидратите в клетъчната мембрана не са напълно изяснени, но можем да кажем, че те осигуряват рецепторните функции на мембраната.

В животинските клетки гликопротеините образуват надмембранен комплекс - гликокаликс, с дебелина от няколко десетки нанометра. В него се извършва извънклетъчно храносмилане, намират се много клетъчни рецептори и очевидно с негова помощ се осъществява клетъчната адхезия.

Молекулите на протеините и липидите са подвижни и могат да се движат , предимно в равнината на мембраната. Мембраните са асиметрични , това означава, че липидният и протеиновият състав на външната и вътрешната повърхност на мембраната е различен.

Дебелината на плазмената мембрана е средно 7,5 nm.

Една от основните функции на мембраната е транспортната, осигуряваща обмена на вещества между клетката и външната среда. Мембраните имат свойството на селективна пропускливост, тоест те са добре пропускливи за някои вещества или молекули и слабо пропускливи (или напълно непроницаеми) за други. Пропускливостта на мембраната за различни веществазависи както от свойствата на техните молекули (полярност, размер и др.), така и от характеристиките на мембраните (вътрешната част на липидния слой е хидрофобна).

Съществуват различни механизми за транспортиране на веществата през мембраната (фиг. 281). В зависимост от необходимостта от използване на енергия за транспортиране на вещества има:

© пасивен транспорт- транспорт на вещества без разход на енергия;

© активен транспорт- транспорт, който консумира енергия.

Пасивният транспорт се основава на разликата в концентрациите и зарядите. При пасивния транспорт веществата винаги се движат от зона с по-висока концентрация към област с по-ниска концентрация, тоест по градиент на концентрация. Ако молекулата е заредена, тогава нейният транспорт също се влияе от електрическия градиент. Затова хората често говорят за електрохимичен градиент, комбинирайки двата градиента заедно. Скоростта на транспортиране зависи от големината на наклона.

Има три основни механизма на пасивен транспорт:

© Проста дифузия- транспорт на вещества директно през липидния бислой. През него лесно преминават газове, неполярни или малки незаредени полярни молекули. Колкото по-малка е молекулата и по-мастноразтворима е, толкова по-бързо прониква през мембраната. Интересното е, че водата, въпреки че е сравнително неразтворима в мазнини, прониква много бързо през липидния двоен слой. Това се обяснява с факта, че неговата молекула е малка и електрически неутрална. Дифузията на водата през мембраните се нарича чрез осмоза.

© Улеснена дифузия- транспорт на вещества с помощта на спец

транспортни протеини, всеки от които е отговорен за транспорта на специфични молекули или групи от свързани молекули. Те взаимодействат с молекулата на транспортираното вещество и по някакъв начин го придвижват през мембраната. По този начин захарите, аминокиселините, нуклеотидите и много други полярни молекули се транспортират в клетката.

Необходимостта от активен транспорт възниква, когато е необходимо да се осигури транспортирането на молекули през мембраната срещу електрохимичен градиент. Този транспорт се осъществява от протеини-носители, чиято дейност изисква енергия. Източникът на енергия са молекулите на АТФ.

Една от най-изследваните активни транспортни системи е натриево-калиевата помпа. Концентрацията на К вътре в клетката е много по-висока, отколкото извън нея, а на Na – обратното. Следователно K дифундира пасивно извън клетката през водните пори на мембраната, а Na в клетката. В същото време за нормалното функциониране на клетката е важно да се поддържа определено съотношение на K и Na йони в цитоплазмата и в външна среда. Това е възможно, тъй като мембраната, благодарение на наличието на (Na + K) помпа, активно изпомпва Na извън клетката и K в клетката. Работата на (Na + K) помпата изразходва почти една трета от общата енергия, необходима за живота на клетката.

Помпата е специален трансмембранен мембранен протеин, способен на конформационни промени, поради което може да прикрепя както K, така и Na йони. Работният цикъл на (Na + K) помпа се състои от няколко фази (фиг. 282):

© Na йони и ATP молекула влизат в протеина на помпата от вътрешната страна на мембраната, а K йони от външната страна;

© Na йони се комбинират с протеинова молекула и протеинът придобива АТФазна активност, т.е. придобива способността да предизвиква хидролиза на АТФ, придружена от освобождаване на енергия, която задвижва помпата;

© фосфатът, освободен по време на хидролизата на АТФ, се прикрепя към протеина, т.е. възниква фосфорилиране на протеина;

© фосфорилирането предизвиква конформационни промени в протеина, той става неспособен да задържа Na йони - те се освобождават и напускат клетката;

© новата конформация на протеина е такава, че става възможно да се прикрепят K йони към него;

© добавянето на K йони предизвиква дефосфорилиране на протеина, в резултат на което той отново променя своята конформация;

© промяната в конформацията на протеина води до освобождаване на K йони вътре в клетката;

© сега протеинът отново е готов да прикрепи Na йони към себе си.

В един цикъл на работа помпата изпомпва 3 Na йони от клетката и изпомпва 2 K йони Тази разлика в броя на прехвърлените йони се дължи на факта, че пропускливостта на мембраната за K йони е по-висока отколкото за Na. йони. Съответно K пасивно дифундира извън клетката по-бързо от Na в клетката.

© пиноцитозата е процес на улавяне и абсорбиране на капчици течност с разтворени в нея вещества.

Екзоцитоза- процесът на отстраняване на различни вещества от клетката. По време на екзоцитозата мембраната на везикула (или вакуола), при контакт с външната цитоплазмена мембрана, се слива с нея. Съдържанието на везикулата се отстранява извън дупката и нейната мембрана е включена във външната цитоплазмена мембрана.