Кратко описание:

Сазонов В.Ф. 1_1 Структура на клетъчната мембрана [Електронен ресурс] // Кинезиолог, 2009-2018: [уебсайт]. Дата на актуализация: 02/06/2018..__.201_). _Описана е структурата и функционирането на клетъчната мембрана (синоними: плазмалема, плазмалема, биомембрана, клетъчна мембрана, външна клетъчна мембрана, клетъчна мембрана, цитоплазмена мембрана). Тезипървоначална информация

необходими както за цитологията, така и за разбирането на процесите на нервната дейност: нервно възбуждане, инхибиране, функционирането на синапсите и сензорните рецептори. Клетъчна мембрана (плазма)А лема или плазмаО

лема)

Дефиниция на понятиетоКлетъчна мембрана (синоними: плазмалема, плазмалема, цитоплазмена мембрана, биомембрана) е тройна липопротеинова (т.е. "мастно-протеинова") мембрана, която отделя клетката отсреда

и осъществяване на контролиран обмен и комуникация между клетката и нейната среда. Основното в това определение не е, че мембраната отделя клетката от околната среда, а точно че тя свързва клетка с околната среда. Мембраната е активен

структурата на клетката, тя непрекъснато работи.

Биологичната мембрана е ултратънък бимолекулен филм от фосфолипиди, инкрустиран с протеини и полизахариди. Тази клетъчна структура е в основата на бариерните, механичните и матричните свойства на живия организъм (Антонов V.F., 1996).

За мен клетъчната мембрана изглежда като решетъчна ограда с много врати в нея, която огражда определена територия. Всяко малко живо същество може да се движи свободно напред-назад през тази ограда. Но по-големите посетители могат да влязат само през вратите и дори тогава не всички врати. Различните посетители имат ключове само за собствените си врати и не могат да влизат през вратите на други хора. И така, през тази ограда има непрекъснати потоци от посетители напред-назад, тъй като основната функция на мембранната ограда е двойна: да отдели територията от околното пространство и в същото време да я свърже с околното пространство. Ето защо има много дупки и врати в оградата - !

Мембранни свойства

1. Пропускливост.

2. Полупропускливост (частична пропускливост).

3. Селективна (синоним: избирателна) пропускливост.

4. Активна пропускливост (синоним: активен транспорт).

5. Контролирана пропускливост.

Както можете да видите, основното свойство на мембраната е нейната пропускливост за различни вещества.

6. Фагоцитоза и пиноцитоза.

7. Екзоцитоза.

8. Наличието на електрически и химичен потенциал, или по-скоро потенциалната разлика между вътрешната и външната страна на мембраната. Образно можем да го кажем "мембраната превръща клетката в" електрическа батерия"използване на контрол на йонния поток". подробности: .

9. Промени в електрическия и химичния потенциал.

10. Раздразнителност. Специални молекулни рецептори, разположени върху мембраната, могат да се свързват със сигнални (контролни) вещества, в резултат на което състоянието на мембраната и цялата клетка може да се промени. Молекулярните рецептори задействат био химически реакциив отговор на свързването на лиганди (контролни вещества) с тях. Важно е да се отбележи, че сигналното вещество действа на рецептора отвън, а промените продължават вътре в клетката. Оказва се, че мембраната е пренасяла информация от околната среда към вътрешната среда на клетката.

11. Каталитичен ензимна активност. Ензимите могат да бъдат вградени в мембраната или свързани с нейната повърхност (както вътре, така и извън клетката) и там те извършват своите ензимни дейности.

12. Промяна на формата на повърхността и нейната площ. Това позволява на мембраната да образува израстъци навън или, обратно, инвагинации в клетката.

13. Способност за образуване на контакти с други клетъчни мембрани.

14. Адхезия - способността за залепване към твърди повърхности.

Кратък списък на свойствата на мембраната

• Пропускливост.
• Ендоцитоза, екзоцитоза, трансцитоза.
• потенциали.
• раздразнителност.
• Ензимна активност.
• Контакти.
• Адхезия.

Функции на мембраната

1. Непълна изолация на вътрешното съдържание от външна среда.

2. Основното във функционирането на клетъчната мембрана е обмен различни вещества между клетката и междуклетъчната среда. Това се дължи на свойството пропускливост на мембраната. В допълнение, мембраната регулира този обмен, като регулира пропускливостта си.

3. Друга важна функция на мембраната е създаване на разлика в химическия и електрическия потенциал между вътрешната и външната му страна. Поради това вътрешността на клетката има отрицателен електрически потенциал - .

4. Мембраната също извършва обмен на информация между клетката и нейната среда. Специални молекулни рецептори, разположени върху мембраната, могат да се свързват с контролиращи вещества (хормони, медиатори, модулатори) и да предизвикват биохимични реакции в клетката, водещи до различни промени във функционирането на клетката или в нейните структури.

видео:Структура на клетъчната мембрана

Видео лекция:Подробности за мембранната структура и транспорт

Структура на мембраната

Клетъчната мембрана има универсален трипластов структура. Средният му мастен слой е непрекъснат, а горният и долният протеинов слой го покриват под формата на мозайка от отделни протеинови области. Мастният слой е основата, която осигурява изолацията на клетката от околната среда, изолирайки я от околната среда. Сам по себе си той пропуска водоразтворимите вещества много слабо, но лесно пропуска мастноразтворимите вещества. Следователно пропускливостта на мембраната за водоразтворими вещества (например йони) трябва да бъде осигурена от специални протеинови структури - и.

По-долу са микроснимки на реални клетъчни мембрани на контактуващи клетки, получени с помощта на електронен микроскоп, както и схематичен чертеж, показващ трислойната структура на мембраната и мозаечната природа на нейните протеинови слоеве. За да увеличите изображението, щракнете върху него.

Отделно изображение на вътрешния липиден (мастен) слой на клетъчната мембрана, пропит с интегрални вградени протеини. Горният и долният протеинов слой са отстранени, за да не пречат на гледането на липидния двоен слой

Фигура по-горе: Частично схематично представяне на клетъчна мембрана (клетъчна мембрана), дадено в Wikipedia.

Моля, имайте предвид, че външният и вътрешният протеинов слой са премахнати от мембраната тук, така че да можем да видим по-добре централния двуслой на мастните липиди. В истинска клетъчна мембрана големи протеинови „острови“ плуват над и под мастния филм (малки топки на фигурата), а мембраната се оказва по-дебела, трислойна: протеин-мазнина-протеин . Така че всъщност е като сандвич от две протеинови "парчета хляб" с мазен слой "масло" в средата, т.е. има трислойна структура, а не двуслойна.

На тази снимка малките сини и бели топчета съответстват на хидрофилните (намокрящи се) „глави“ на липидите, а „струните“, прикрепени към тях, съответстват на хидрофобните (ненамокрящи се) „опашки“. От протеините са показани само интегрални мембранни протеини от край до край (червени глобули и жълти спирали). Жълтите овални точки вътре в мембраната са холестеролни молекули Жълто-зелени вериги от перли навънмембрани - вериги от олигозахариди, които образуват гликокаликса. Гликокаликсът е вид въглехидратен („захарен“) „пух“ върху мембрана, образуван от дълги въглехидратно-протеинови молекули, стърчащи от нея.

Животът е малък "белтъчно-мастен сак", пълен с полутечно желеобразно съдържание, което е пронизано с филми и тръби.

Стените на тази торбичка са образувани от двоен мастен (липиден) филм, покрит отвътре и отвън с протеини - клетъчната мембрана. Затова казват, че мембраната има трислойна структура : протеини-мазнини-протеини. Вътре в клетката също има много подобни мастни мембрани, които я разделят вътрешно пространствокъм отделенията. Същите мембрани обграждат клетъчните органели: ядро, митохондрии, хлоропласти. Така че мембраната е универсална молекулярна структура, обща за всички клетки и всички живи организми.

Отляво вече не е истински, а изкуствен модел на парче от биологична мембрана: това е моментна снимка на двуслоен мастен фосфолипид (т.е. двоен слой) в процеса на симулация на молекулярната динамика. Показана е изчислителната клетка на модела - 96 PC молекули ( fосфатидил X olina) и 2304 водни молекули, за общо 20544 атома.

Вдясно е визуален модел на единична молекула от същия липид, от който е сглобен мембранният липиден двоен слой. В горната част има хидрофилна (водолюбива) глава, а в долната част има две хидрофобни (страхуващи се от вода) опашки. Този липид има просто име: 1-стероил-2-докозахексаеноил-Sn-глицеро-3-фосфатидилхолин (18:0/22:6(n-3)cis PC), но не е необходимо да го помните, освен ако планирате да накарате учителя си да припадне с дълбочината на вашите знания.

Може да се даде по-точно научно определение на клетка:

е подредена, структурирана хетерогенна система от биополимери, ограничена от активна мембрана, участваща в единен набор от метаболитни, енергийни и информационни процеси, а също така поддържаща и възпроизвеждаща цялата система като цяло.

Вътре клетката също е проникната от мембрани, а между мембраните няма вода, а вискозен гел/зол с променлива плътност. Следователно взаимодействащите молекули в клетката не се носят свободно, както в епруветка с воден разтвор, а предимно седят (имобилизирани) върху полимерните структури на цитоскелета или вътреклетъчните мембрани. И следователно химичните реакции протичат вътре в клетката почти като в твърдо вещество, а не в течност. Външната мембрана около клетката също е облицована с ензими и молекулярни рецептори, което я прави много активна част от клетката.

Клетъчната мембрана (плазмалема, плазмолема) е активна мембрана, която отделя клетката от околната среда и я свързва с околната среда. © Сазонов V.F., 2016.

От това определение на мембраната следва, че тя не само ограничава клетката, но активно работещ, свързвайки го с околната среда.

Мазнината, която изгражда мембраните, е специална, така че нейните молекули обикновено се наричат ​​не просто мазнини, но "липиди", "фосфолипиди", "сфинголипиди". Мембранният филм е двоен, т.е. състои се от два филма, залепени заедно. Следователно в учебниците пишат, че основата на клетъчната мембрана се състои от два липидни слоя (или " двуслоен", т.е. двоен слой). За всеки отделен липиден слой едната страна може да се намокри с вода, но другата не може. Така че тези филми се залепват един за друг именно с немокримите си страни.

Бактериална мембрана

Прокариотната клетъчна стена на грам-отрицателните бактерии се състои от няколко слоя, показани на фигурата по-долу.
Слоеве на черупката на грам-отрицателни бактерии:
1. Вътрешна трислойна цитоплазмена мембрана, която е в контакт с цитоплазмата.
2. Клетъчна стена, която се състои от муреин.
3. Външната трислойна цитоплазмена мембрана, която има същата система от липиди с протеинови комплекси като вътрешната мембрана.
Комуникацията на грам-отрицателните бактериални клетки с външния свят чрез такава сложна тристепенна структура не им дава предимство при оцеляване в тежки условия в сравнение с грам-положителните бактерии, които имат по-малко мощна мембрана. Те не го понасят толкова добре високи температури, повишена киселинности промени в налягането.

Видео лекция:Плазмена мембрана. Е.В. Cheval, Ph.D.

Видео лекция:Мембраната като клетъчна граница. А. Иляскин

Значение на мембранните йонни канали

Лесно е да се разбере, че само мастноразтворими вещества могат да проникнат в клетката през мембранния мастен филм. Това са мазнини, алкохоли, газове.Например в червените кръвни клетки кислородът и въглеродният диоксид лесно преминават навътре и навън директно през мембраната. Но водата и водоразтворимите вещества (например йони) просто не могат да преминат през мембраната в никоя клетка. Това означава, че те изискват специални отвори. Но ако просто направите дупка в мастния филм, той веднага ще се затвори обратно. какво да правя В природата е намерено решение: необходимо е да се направят специални протеинови транспортни структури и да се разтегнат през мембраната. Точно така се образуват канали за преминаване на мастнонеразтворимите вещества – йонни канали на клетъчната мембрана.

И така, за да придаде на мембраната си допълнителни свойства на пропускливост за полярни молекули (йони и вода), клетката синтезира специални протеини в цитоплазмата, които след това се интегрират в мембраната. Те се предлагат в два вида: транспортни протеини (например транспортни АТФази) и каналообразуващи протеини (строители на канали). Тези протеини са вградени в мастния двоен слой на мембраната и образуват транспортни структури под формата на транспортери или под формата на йонни канали. Различни водоразтворими вещества, които иначе не могат да преминат през мастния мембранен филм, сега могат да преминат през тези транспортни структури.

Най-общо протеините, вградени в мембраната, също се наричат интегрална, именно защото те сякаш са включени в мембраната и проникват през нея. Други протеини, които не са интегрални, образуват, така да се каже, острови, „плаващи“ на повърхността на мембраната: или на нейната външна повърхност, или вътрешно. В края на краищата всеки знае, че мазнината е добър лубрикант и е лесно да се плъзга по нея!

Изводи

1. Като цяло мембраната се оказва трислойна:

1) външен слой от протеинови „острови“,

2) мастно двуслойно „море“ (липиден двуслой), т.е. двоен липиден филм,

3) вътрешен слойот протеинови "острови".

Но има и рехав външен слой - гликокаликс, който се образува от гликопротеини, изпъкнали от мембраната. Те са молекулни рецептори, към които се свързват веществата за контрол на сигнализирането.

2. В мембраната са вградени специални протеинови структури, осигуряващи нейната пропускливост за йони или други вещества. Не трябва да забравяме, че на някои места морето от мазнини е наситено с интегрални протеини. И именно интегралните протеини образуват специални транспортни структури клетъчна мембрана (вижте раздел 1_2 Мембранни транспортни механизми). Чрез тях веществата влизат в клетката и също се извеждат от клетката навън.

3. От всяка страна на мембраната (външна и вътрешна), както и вътре в мембраната, могат да бъдат разположени ензимни протеини, които влияят както на състоянието на самата мембрана, така и на живота на цялата клетка.

Така че клетъчната мембрана е активна, променлива структура, която активно работи в интерес на цялата клетка и я свързва с външния свят, а не е просто „защитна обвивка“. Това е най-важното нещо, което трябва да знаете за клетъчната мембрана.

В медицината мембранните протеини често се използват като „мишени“ за лекарства. Такива цели включват рецептори, йонни канали, ензими и транспортни системи. IN напоследъкОсвен мембраната мишени за лекарства стават и гени, скрити в клетъчното ядро.

видео:Въведение в биофизиката на клетъчната мембрана: Мембранна структура 1 (Владимиров Ю.А.)

видео:История, структура и функции на клетъчната мембрана: Мембранна структура 2 (Владимиров Ю.А.)

© 2010-2018 Сазонов V.F., © 2010-2016 kineziolog.bodhy.

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% химически 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 местоположението в мембраната има:

© 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 са разположени главно на външната повърхност на мембраната. 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 молекула на транспортираното вещество и по някакъв начин го преместват през мембраната. По този начин в клетката се транспортират захари, аминокиселини, нуклеотиди и много други полярни молекули.

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 във външната 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 свързва с протеина, т.е. възниква фосфорилиране на протеина;

© фосфорилирането причинява 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- процес на елиминиране различни веществаот 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.

Всички живи организми, в зависимост от структурата на клетката, се разделят на три групи (виж фиг. 1):

1. Прокариоти (без ядрени)

2. Еукариоти (ядрени)

3. Вируси (неклетъчни)

ориз. 1. Живи организми

В този урок ще започнем да изучаваме структурата на клетките на еукариотните организми, които включват растения, гъби и животни. Техните клетки са най-големите и по-сложни по структура в сравнение с клетките на прокариотите.

Както е известно, клетките са способни на независима дейност. Те могат да обменят материя и енергия с околната среда, както и да растат и да се възпроизвеждат, следователно вътрешна структураклетките са много сложни и основно зависят от функцията, която клетката изпълнява в многоклетъчния организъм.

Принципите на изграждане на всички клетки са еднакви. Във всяка еукариотна клетка могат да се разграничат следните основни части (виж Фиг. 2):

1. Външната мембрана, която отделя съдържанието на клетката от външната среда.

2. Цитоплазма с органели.

ориз. 2. Основни части на еукариотната клетка

Терминът "мембрана" е предложен преди около сто години за обозначаване на границите на клетката, но с развитието на електронната микроскопия стана ясно, че клетъчната мембрана е част от структурни елементиклетки.

През 1959 г. Дж. Д. Робъртсън формулира хипотеза за структурата на елементарната мембрана, според която клетъчните мембрани на животните и растенията са изградени по един и същи тип.

През 1972 г. Сингър и Никълсън го предлагат, което днес е общоприето. Според този модел основата на всяка мембрана е двуслой от фосфолипиди.

Фосфолипидите (съединения, съдържащи фосфатна група) имат молекули, състоящи се от полярна глава и две неполярни опашки (вижте Фигура 3).

ориз. 3. Фосфолипид

Във фосфолипидния двоен слой, хидрофобни остатъци мастни киселиниобърнати навътре, а хидрофилните глави, включително остатъка от фосфорна киселина, обърнати навън (виж Фиг. 4).

ориз. 4. Фосфолипиден двуслой

Фосфолипидният двоен слой е представен като динамична структура; липидите могат да се движат, променяйки позицията си.

Двоен слой от липиди осигурява бариерната функция на мембраната, предотвратявайки разпространението на съдържанието на клетката и предотвратява навлизането на токсични вещества в клетката.

Наличието на гранична мембрана между клетката и околната среда е известно много преди появата на електронния микроскоп. Физикохимиците отрекоха съществуването на плазмената мембрана и вярваха, че има интерфейс между живото колоидно съдържание и околната среда, но Пфефер (немски ботаник и физиолог на растенията) потвърди съществуването й през 1890 г.

В началото на миналия век Овъртън (британски физиолог и биолог) открива, че скоростта на проникване на много вещества в червените кръвни клетки е правопропорционална на тяхната разтворимост в липидите. В тази връзка ученият предполага, че мембраната съдържа голямо количество липиди и вещества, които се разтварят в нея, преминават през нея и се озовават от другата страна на мембраната.

През 1925 г. Гортър и Грендел (американски биолози) изолират липиди от клетъчната мембрана на червените кръвни клетки. Те разпределят получените липиди по повърхността на водата с дебелина една молекула. Оказа се, че повърхността, заета от липидния слой, е два пъти по-голяма повече площсамият еритроцит. Следователно тези учени заключиха, че клетъчната мембрана се състои не от един, а от два слоя липиди.

Доусън и Даниели (английски биолози) през 1935 г. предполагат, че в клетъчните мембрани липидният бимолекулен слой е притиснат между два слоя протеинови молекули (виж фиг. 5).

ориз. 5. Мембранен модел, предложен от Dawson и Danielli

С появата на електронния микроскоп се отвори възможността да се запознаем със структурата на мембраната и тогава беше открито, че мембраните на животинските и растителните клетки изглеждат като трислойна структура (виж фиг. 6).

ориз. 6. Клетъчна мембрана под микроскоп

През 1959 г. биологът Дж. Д. Робъртсън, комбинирайки наличните по това време данни, излага хипотеза за структурата на „елементарната мембрана“, в която той постулира структура, обща за всички биологични мембрани.

Постулатите на Робъртсън за структурата на "елементарната мембрана"

1. Всички мембрани са с дебелина около 7,5 nm.

2. В електронен микроскоп всички те изглеждат трислойни.

3. Трислойният външен вид на мембраната е резултат точно от подреждането на протеини и полярни липиди, което е предвидено от модела на Доусън и Даниели - централният двуслоен липид е притиснат между два слоя протеин.

Тази хипотеза за структурата на "елементарната мембрана" претърпя различни промени и през 1972 г. беше представена модел на течна мозаечна мембрана(виж Фиг. 7), което вече е общоприето.

ориз. 7. Модел на течно-мозаечна мембрана

Протеиновите молекули са потопени в липидния бислой на мембраната, те образуват подвижна мозайка. Въз основа на тяхното местоположение в мембраната и метода на взаимодействие с липидния двоен слой, протеините могат да бъдат разделени на:

- повърхностен (или периферен)мембранни протеини, свързани с хидрофилната повърхност на липидния двоен слой;

- интегрална (мембрана)протеини, вградени в хидрофобната област на двойния слой.

Интегралните протеини се различават по степента, в която са вградени в хидрофобната област на двойния слой. Те могат да бъдат напълно потопени ( интегрална) или частично потопени ( полуинтегрален), и може също да проникне през мембраната през ( трансмембранен).

Мембранните протеини могат да бъдат разделени на две групи според техните функции:

- структуренпротеини. Те са част от клетъчните мембрани и участват в поддържането на тяхната структура.

- динамиченпротеини. Те са разположени върху мембрани и участват в процесите, протичащи върху нея.

Има три класа динамични протеини.

1. Рецептор. С помощта на тези протеини клетката възприема различни влияния върху повърхността си. Тоест, те специфично свързват съединения като хормони, невротрансмитери и токсини от външната страна на мембраната, което служи като сигнал за промяна на различни процеси вътре в клетката или самата мембрана.

2. транспорт. Тези протеини транспортират определени вещества през мембраната и също така образуват канали, през които различни йони се транспортират в и извън клетката.

3. Ензимен. Това са ензимни протеини, които се намират в мембраната и участват в различни химични процеси.

Пренос на вещества през мембраната

Липидните двойни слоеве са до голяма степен непроницаеми за много вещества, така че е необходимо голямо количество енергия за транспортиране на вещества през мембраната, както и образуването на различни структури.

Има два вида транспорт: пасивен и активен.

Пасивен транспорт

Пасивният транспорт е пренасянето на молекули по концентрационен градиент. Това означава, че се определя само от разликата в концентрацията на прехвърленото вещество от противоположните страни на мембраната и се извършва без разход на енергия.

Има два вида пасивен транспорт:

- проста дифузия(виж фиг. 8), което се случва без участието на мембранен протеин. Механизмът на простата дифузия осъществява трансмембранен пренос на газове (кислород и въглероден диоксид), вода и някои прости органични йони. Простата дифузия има ниска скорост.

ориз. 8. Проста дифузия

- улеснена дифузия(виж фиг. 9) се различава от простия по това, че протича с участието на протеини-носители. Този процес е специфичен и протича с по-висока скорост от простата дифузия.

ориз. 9. Улеснена дифузия

Известни са два вида мембранни транспортни протеини: протеини-носители (транслокази) и протеини, образуващи канали. Транспортните протеини свързват специфични вещества и ги транспортират през мембраната по техния концентрационен градиент и следователно този процес, както при простата дифузия, не изисква разход на енергия от АТФ.

Хранителните частици не могат да преминат през мембраната; те влизат в клетката чрез ендоцитоза (виж фиг. 10). По време на ендоцитозата плазмената мембрана образува инвагинации и издатини и улавя твърди частици храна. Около хранителния болус се образува вакуола (или везикула), която след това се отделя от плазмената мембрана и твърдата частица във вакуолата се озовава вътре в клетката.

ориз. 10. Ендоцитоза

Има два вида ендоцитоза.

1. фагоцитоза- абсорбция на твърди частици. Нар. специализирани клетки, които извършват фагоцитоза фагоцити.

2. Пиноцитоза- абсорбция течен материал(разтвор, колоиден разтвор, суспензия).

Екзоцитоза(виж фиг. 11) е процес, обратен на ендоцитозата. Веществата, синтезирани в клетката, като хормони, се пакетират в мембранни везикули, които се вписват в клетъчната мембрана, вкарват се в нея и съдържанието на везикулата се освобождава от клетката. По същия начин клетката може да се отърве от отпадъчните продукти, от които не се нуждае.

ориз. 11. Екзоцитоза

Активен транспорт

За разлика от улеснената дифузия, активният транспорт е движението на вещества срещу градиент на концентрация. В този случай веществата се движат от зона с по-ниска концентрация към област с по-висока концентрация. Тъй като това движение се извършва в посока, обратна на нормалната дифузия, клетката трябва да изразходва енергия в процеса.

Сред примерите за активен транспорт най-добре проучена е така наречената натриево-калиева помпа. Тази помпа изпомпва натриеви йони от клетката и изпомпва калиеви йони в клетката, използвайки енергията на АТФ.

1. Структурен (клетъчната мембрана отделя клетката от околната среда).

2. Транспорт (веществата се транспортират през клетъчната мембрана, а клетъчната мембрана е високоселективен филтър).

3. Рецептор (рецепторите, разположени на повърхността на мембраната, възприемат външни влияния и предават тази информация вътре в клетката, което й позволява бързо да реагира на промените в околната среда).

В допълнение към горните, мембраната изпълнява и метаболитни и енерготрансформиращи функции.

Метаболитна функция

Биологичните мембрани участват пряко или косвено в процесите на метаболитни трансформации на веществата в клетката, тъй като повечето ензими са свързани с мембраните.

Липидната среда на ензимите в мембраната създава определени условия за тяхното функциониране, налага ограничения върху активността на мембранните протеини и по този начин има регулаторен ефект върху метаболитните процеси.

Функция за преобразуване на енергия

Най-важната функция на много биомембрани е преобразуването на една форма на енергия в друга.

Енергопреобразуващите мембрани включват вътрешни мембранимитохондрии, хлоропластни тилакоиди (виж фиг. 12).

ориз. 12. Митохондрии и хлоропласти

Референции

1. Каменски А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Обща биология 10-11 клас Дропа, 2005г.
2. Биология. 10 клас. Обща биология. Основно ниво / П.В. Ижевски, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина и др. - 2-ро изд., преработено. - Вентана-Граф, 2010. - 224 с.
3. Беляев Д.К. Биология 10-11 клас. Обща биология. Основно ниво. - 11-то изд., стереотип. - М.: Образование, 2012. - 304 с.
4. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 клас. Обща биология. Основно ниво. - 6-то изд., доп. - Дропла, 2010. - 384 с.

1. Ayzdorov.ru ().
2. Youtube.com().
3. Doctor-v.ru ().
4. Animals-world.ru ().

домашна работа

1. Каква е структурата на клетъчната мембрана?
2. Благодарение на какви свойства липидите могат да образуват мембрани?
3. Благодарение на какви функции протеините могат да участват в транспорта на вещества през мембраната?
4. Избройте функциите на плазмената мембрана.
5. Как се осъществява пасивният транспорт през мембраната?
6. Как се осъществява активният транспорт през мембраната?
7. Каква е функцията на натриево-калиевата помпа?
8. Какво е фагоцитоза, пиноцитоза?

Клетъчни мембрани: тяхната структура и функции

Мембраните са изключително вискозни и в същото време пластични структури, които обграждат всички живи клетки. Функции на клетъчните мембрани:

1. Плазмената мембрана е бариера, която поддържа различния състав на извън- и вътреклетъчната среда.

2.Мембраните образуват специализирани отделения вътре в клетката, т.е. множество органели - митохондрии, лизозоми, комплекс Голджи, ендоплазмен ретикулум, ядрени мембрани.

3. Ензимите, участващи в преобразуването на енергия в процеси като окислително фосфорилиране и фотосинтеза, са локализирани в мембраните.

Структура на мембраната

През 1972 г. Сингър и Никълсън предлагат флуиден мозаечен модел на структурата на мембраната. Според този модел функциониращите мембрани са двуизмерен разтвор на глобуларни интегрални протеини, разтворени в течна фосфолипидна матрица. По този начин основата на мембраните е бимолекулен липиден слой с подредено разположение на молекулите.

В този случай хидрофилният слой се формира от полярната глава на фосфолипидите (фосфатен остатък с холин, етаноламин или серин, прикрепен към него), както и от въглехидратната част на гликолипидите. А хидрофобният слой се състои от въглеводородни радикали на мастни киселини и сфингозин, фосфолипиди и гликолипиди.

Свойства на мембраната:

1. Селективна пропускливост. Затвореният двуслой осигурява едно от основните свойства на мембраната: тя е непропусклива за повечето водоразтворими молекули, тъй като те не се разтварят в нейното хидрофобно ядро. Газове като кислород, CO 2 и азот имат способността лесно да проникват в клетките поради малкия размер на техните молекули и слабото взаимодействие с разтворителите. Молекули от липиден характер, като стероидни хормони, също лесно проникват през двойния слой.

2. Ликвидност. Липидният двоен слой има течнокристална структура, тъй като липидният слой обикновено е течен, но има области на втвърдяване, подобни на кристалните структури. Въпреки че позицията на липидните молекули е подредена, те запазват способността си да се движат. Възможни са два вида движения на фосфолипидите: салто (в научна литературанаречен „тригер“) и странична дифузия. В първия случай фосфолипидните молекули, които се противопоставят една на друга в бимолекулния слой, се обръщат (или салто) една към друга и сменят местата си в мембраната, т.е. външното става вътрешно и обратно. Такива скокове включват разход на енергия и се случват много рядко. По-често се наблюдават завъртания около оста (ротация) и странична дифузия - движение в слоя, успореден на повърхността на мембраната.

3. Асиметрия на мембраната. Повърхностите на една и съща мембрана се различават по състава на липиди, протеини и въглехидрати (напречна асиметрия). Например фосфатидилхолините преобладават във външния слой, докато фосфатидилетаноламините и фосфатидилсерините преобладават във вътрешния слой. Въглехидратните компоненти на гликопротеините и гликолипидите излизат на външната повърхност, образувайки непрекъсната структура, наречена гликокаликс. На вътрешната повърхност няма въглехидрати. Белтъците - хормонални рецептори са разположени на външната повърхност на плазмената мембрана, а ензимите, които те регулират - аденилат циклаза, фосфолипаза С - на вътрешната повърхност и др.

Мембранни протеини

Мембранните фосфолипиди действат като разтворител за мембранните протеини, създавайки микросреда, в която последните могат да функционират. Броят на различните протеини в мембраната варира от 6-8 в саркоплазмения ретикулум до повече от 100 в плазмената мембрана. Това са ензими, транспортни протеини, структурни протеини, антигени, включително антигени на основната система за хистосъвместимост, рецептори за различни молекули.

Според локализацията си в мембраната протеините се делят на интегрални (частично или напълно потопени в мембраната) и периферни (разположени на нейната повърхност). Някои интегрални протеини зашиват мембраната многократно. Например фоторецепторът на ретината и β2-адренергичният рецептор пресичат двойния слой 7 пъти.

Пренос на материя и информация през мембрани

Клетъчните мембрани не са плътно затворени прегради. Една от основните функции на мембраните е регулирането на преноса на вещества и информация. Трансмембранното движение на малки молекули се осъществява 1) чрез дифузия, пасивна или улеснена, и 2) чрез активен транспорт. Трансмембранното движение на големи молекули се осъществява 1) чрез ендоцитоза и 2) чрез екзоцитоза. Предаването на сигнала през мембраните се осъществява с помощта на рецептори, локализирани на външната повърхност на плазмената мембрана. В този случай сигналът или претърпява трансформация (например глюкагон cAMP), или се интернализира, съчетан с ендоцитоза (например LDL - LDL рецептор).

Простата дифузия е проникването на вещества в клетката по електрохимичен градиент. В този случай не са необходими разходи за енергия. Скоростта на простата дифузия се определя от 1) трансмембранния концентрационен градиент на веществото и 2) неговата разтворимост в хидрофобния слой на мембраната.

При улеснена дифузия веществата също се транспортират през мембраната по концентрационен градиент, без разход на енергия, но с помощта на специални мембранни протеини-носители. Следователно улеснената дифузия се различава от пасивната дифузия по редица параметри: 1) улеснената дифузия се характеризира с висока селективност, т.к. протеинът носител има активен център, комплементарен на транспортираното вещество; 2) скоростта на улеснена дифузия може да достигне плато, т.к броят на молекулите носители е ограничен.

Някои транспортни протеини просто пренасят вещество от едната страна на мембраната към другата. Това просто прехвърляне се нарича пасивен унипорт. Пример за унипорт е GLUT - транспортери на глюкоза, които пренасят глюкоза през клетъчните мембрани. Други протеини функционират като системи за съвместен транспорт, в които транспортирането на едно вещество зависи от едновременния или последователен транспорт на друго вещество, или в същата посока, наречено пасивен симпорт, или в обратната посока, наречено пасивен антипорт. Транслоказите на вътрешната митохондриална мембрана, по-специално ADP/ATP транслоказата, функционират чрез пасивен антипортов механизъм.

По време на активен транспорт преносът на вещество се извършва срещу градиент на концентрация и следователно е свързан с разходи за енергия. Ако преносът на лиганди през мембраната е свързан с разхода на енергия от АТФ, тогава такъв трансфер се нарича първичен активен транспорт. Пример за това са Na + K + -ATPase и Ca 2+ -ATPase, локализирани в плазмената мембрана на човешки клетки, и H +,K + -ATPase на стомашната лигавица.

Вторичен активен транспорт. Преносът на някои вещества срещу концентрационен градиент зависи от едновременния или последователен транспорт на Na + (натриеви йони) по концентрационния градиент. Освен това, ако лигандът се прехвърля в същата посока като Na +, процесът се нарича активен симпорт. Според механизма на активен симпорт, глюкозата се абсорбира от чревния лумен, където концентрацията й е ниска. Ако лигандът се прехвърля в посока, обратна на натриевите йони, тогава този процес се нарича активен антипорт. Пример за това е Na +, Ca 2+ обменникът на плазмената мембрана.

Клетъчна мембрана -молекулярна структура, която се състои от липиди и протеини. Основните му свойства и функции:

• отделяне на съдържанието на всяка клетка от външната среда, осигуряване на нейната цялост;
• контрол и установяване на обмен между околната среда и клетката;
• вътреклетъчните мембрани разделят клетката на специални отделения: органели или отделения.

Думата "мембрана" на латински означава "филм". Ако говорим за клетъчната мембрана, тогава тя е комбинация от два филма, които имат различни свойства.

Биологичната мембрана включва три вида протеини:

1. Периферни – разположени на повърхността на филма;
2. Интегрални – проникват изцяло в мембраната;
3. Полуинтегрален - единият край прониква в билипидния слой.

Какви функции изпълнява клетъчната мембрана?

1. Клетъчната стена е издръжлива клетъчна мембрана, която се намира извън цитоплазмената мембрана. Изпълнява защитни, транспортни и структурни функции. Присъства в много растения, бактерии, гъби и археи.

2. Осигурява бариерна функция, тоест селективен, регулиран, активен и пасивен метаболизъм с външната среда.

3. Способен да предава и съхранява информация, а също така участва в процеса на възпроизвеждане.

4. Изпълнява транспортна функция, която може да транспортира вещества в и извън клетката през мембраната.

5. Клетъчната мембрана има еднопосочна проводимост. Благодарение на това водните молекули могат да преминат през клетъчната мембрана без забавяне, а молекулите на други вещества проникват селективно.

6. С помощта на клетъчната мембрана, водата, кислорода и хранителни вещества, а чрез него се отстраняват продуктите от клетъчния метаболизъм.

7. Осъществява клетъчния метаболизъм чрез мембрани и може да ги извършва с помощта на 3 основни типа реакции: пиноцитоза, фагоцитоза, екзоцитоза.

8. Мембраната осигурява специфичността на междуклетъчните контакти.

9. Мембраната съдържа множество рецептори, които са способни да възприемат химични сигнали - медиатори, хормони и много други биологично активни вещества. Така че има силата да промени метаболитната активност на клетката.

10. Основни свойства и функции на клетъчната мембрана:

• Матрица
• Бариера
• транспорт
• енергия
• Механични
• Ензимен
• Рецептор
• Защитен
• Маркиране
• Биопотенциал

Каква функция изпълнява плазмената мембрана в клетката?

1. Ограничава съдържанието на клетката;
2. Осъществява навлизането на вещества в клетката;
3. Осигурява отстраняване на редица вещества от клетката.

Структура на клетъчната мембрана

Клетъчни мембрани включват липиди от 3 класа:

• гликолипиди;
• фосфолипиди;
• Холестерол.

По принцип клетъчната мембрана се състои от протеини и липиди и има дебелина не повече от 11 nm. От 40 до 90% от всички липиди са фосфолипиди. Също така е важно да се отбележат гликолипидите, които са един от основните компоненти на мембраната.

Структурата на клетъчната мембрана е трислойна. В центъра има хомогенен течен билипиден слой, а протеините го покриват от двете страни (като мозайка), частично прониквайки в дебелината. Протеините също са необходими на мембраната, за да пропускат специални вещества в и извън клетките, които не могат да проникнат през мастния слой. Например натриеви и калиеви йони.

• Това е интересно -

Клетъчен строеж - видео