Une membrane cellulaire est un film ultramince à la surface d'une cellule ou d'un organite cellulaire, constitué d'une couche lipidique bimoléculaire avec des protéines et des polysaccharides intégrés.

Fonctions membranaires :

• · Barrière - fournit un métabolisme régulé, sélectif, passif et actif avec l'environnement. Par exemple, la membrane des peroxysomes protège le cytoplasme des peroxydes nocifs pour la cellule. La perméabilité sélective signifie que la perméabilité de la membrane à différents atomes ou molécules dépend de leur taille, charge électrique et propriétés chimiques... La perméabilité sélective assure la séparation de la cellule et des compartiments cellulaires de l'environnement et leur fournit les substances nécessaires.
• · Transport - les substances sont transportées à travers la membrane vers et hors de la cellule. Le transport à travers les membranes fournit : l'apport de nutriments, l'élimination des produits métaboliques finaux, la sécrétion diverses substances, création de gradients ioniques, maintien d'un pH et d'une concentration d'ions optimaux dans la cellule, nécessaires au travail des enzymes cellulaires. Particules qui, pour une raison quelconque, sont incapables de traverser la bicouche phospholipidique (par exemple, en raison de propriétés hydrophiles, car la membrane à l'intérieur est hydrophobe et ne laisse pas passer les substances hydrophiles, ou en raison de leur grande taille), mais nécessaires à la cellule , peut pénétrer à travers la membrane à travers des protéines porteuses spéciales (transporteurs) et des protéines de canal ou par endocytose. Avec le transport passif, les substances traversent la bicouche lipidique sans consommation d'énergie le long du gradient de concentration par diffusion. Une variante de ce mécanisme est la diffusion facilitée, dans laquelle une molécule spécifique aide une substance à traverser la membrane. Cette molécule peut avoir un canal qui ne laisse passer qu'un seul type de substance. Le transport actif nécessite une consommation d'énergie, car il se produit à contre-courant du gradient de concentration. Il existe des protéines de pompe spéciales sur la membrane, y compris l'ATPase, qui pompe activement les ions potassium (K +) dans la cellule et en pompe les ions sodium (Na +).
• Matrix - fournit un certain arrangement mutuel et une orientation des protéines membranaires, leur interaction optimale.
• Mécanique - assure l'autonomie de la cellule, ses structures intracellulaires, ainsi que la connexion avec d'autres cellules (dans les tissus). Les parois cellulaires jouent un rôle important en assurant la fonction mécanique, et chez les animaux, la substance intercellulaire.
• Énergie - lors de la photosynthèse dans les chloroplastes et de la respiration cellulaire dans les mitochondries, des systèmes de transfert d'énergie opèrent dans leurs membranes, dans lesquelles des protéines sont également impliquées ;
• Récepteur - certaines protéines de la membrane sont des récepteurs (molécules à travers lesquelles la cellule perçoit certains signaux). Par exemple, les hormones circulant dans le sang n'agissent que sur les cellules cibles qui possèdent des récepteurs correspondant à ces hormones. Neurotransmetteurs ( substances chimiques, assurant la conduction de l'influx nerveux) se lient également aux protéines réceptrices spéciales des cellules cibles.
• Enzymatique - les protéines membranaires sont souvent des enzymes. Par exemple, les membranes plasmiques des cellules épithéliales intestinales contiennent des enzymes digestives.
• · Mise en œuvre de la génération et réalisation de biopotentiels. A l'aide de la membrane, une concentration constante d'ions est maintenue dans la cellule : la concentration de l'ion K + à l'intérieur de la cellule est beaucoup plus élevée qu'à l'extérieur, et la concentration de Na + est beaucoup plus faible, ce qui est très important, car cela assure le maintien de la différence de potentiel sur la membrane et la génération d'une impulsion nerveuse.
• · Marquage cellulaire - il y a des antigènes sur la membrane qui agissent comme des marqueurs - des "étiquettes" qui vous permettent d'identifier la cellule. Ce sont des glycoprotéines (c'est-à-dire des protéines auxquelles sont attachées des chaînes latérales oligosaccharidiques ramifiées) qui jouent le rôle d'"antennes". En raison de la myriade de configurations de chaînes latérales, il est possible de fabriquer un marqueur spécifique pour chaque type de cellule. À l'aide de marqueurs, les cellules peuvent reconnaître d'autres cellules et agir de concert avec elles, par exemple lors de la formation d'organes et de tissus. Cela permet également le système immunitaire reconnaître les antigènes étrangers.

Certaines molécules protéiques diffusent librement dans le plan de la couche lipidique ; à l'état normal, des parties de molécules protéiques émergeant des côtés opposés de la membrane cellulaire ne changent pas de position.

La morphologie particulière des membranes cellulaires détermine leur Caractéristiques électriques, parmi lesquelles les plus importantes sont la capacité et la conductivité.

Les propriétés capacitives sont principalement déterminées par la bicouche phospholipidique, qui est imperméable aux ions hydratés et en même temps suffisamment mince (environ 5 nm) pour assurer une séparation et une accumulation efficaces de charges, ainsi qu'une interaction électrostatique des cations et des anions. De plus, les propriétés capacitives des membranes cellulaires sont l'une des raisons qui déterminent les caractéristiques temporelles des processus électriques se produisant sur les membranes cellulaires.

La conductivité (g) est l'inverse de résistance électrique et égal au rapport de la valeur du courant transmembranaire total pour un ion donné à la valeur qui a causé sa différence de potentiel transmembranaire.

Diverses substances peuvent diffuser à travers la bicouche phospholipidique, et le degré de perméabilité (P), c'est-à-dire la capacité de la membrane cellulaire à laisser passer ces substances, dépend de la différence de concentration de la substance diffusante des deux côtés de la membrane, sa solubilité dans les lipides et les propriétés de la membrane cellulaire. Le taux de diffusion des ions chargés dans un champ constant dans la membrane est déterminé par la mobilité des ions, l'épaisseur de la membrane et la distribution des ions dans la membrane. Pour les non-électrolytes, la perméabilité de la membrane n'affecte pas sa conductivité, car les non-électrolytes ne portent pas de charges, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent pas transporter de courant électrique.

La conductivité d'une membrane est une mesure de sa perméabilité ionique. Une augmentation de la conductivité indique une augmentation du nombre d'ions traversant la membrane.

Une propriété importante des membranes biologiques est la fluidité. Toutes les membranes cellulaires sont des structures fluides mobiles : la plupart de leurs molécules lipidiques et protéiques constitutives sont capables de se déplacer assez rapidement dans le plan membranaire.

Ce n'est un secret pour personne que tous les êtres vivants sur notre planète sont constitués de cellules, ces innombrables "" matières organiques. Les cellules, à leur tour, sont entourées d'une membrane protectrice spéciale - une membrane qui joue un rôle très important dans la vie de la cellule, et les fonctions de la membrane cellulaire ne se limitent pas seulement à la protection de la cellule, mais sont le mécanisme le plus complexe impliqués dans la reproduction, la nutrition, la régénération cellulaire.

Qu'est-ce qu'une membrane cellulaire

Le mot "membrane" lui-même est traduit du latin par "film", bien que la membrane ne soit pas simplement une sorte de film, dans lequel la cellule est enveloppée, mais un ensemble de deux films connectés l'un à l'autre et ayant des propriétés différentes. En fait, la membrane cellulaire est une membrane lipoprotéique à trois couches (graisse-protéine) qui sépare chaque cellule des cellules voisines et de l'environnement, et effectue des échanges contrôlés entre les cellules et l'environnement, c'est la définition académique de ce qu'est une membrane cellulaire est.

L'importance de la membrane est tout simplement énorme, car non seulement elle sépare une cellule d'une autre, mais assure également l'interaction de la cellule, à la fois avec les autres cellules et avec l'environnement.

Histoire de la recherche sur les membranes cellulaires

Une contribution importante à l'étude de la membrane cellulaire a été apportée par deux scientifiques allemands Gorter et Grendel en 1925. C'est alors qu'ils ont réussi à mener une expérience biologique complexe sur les globules rouges - les érythrocytes, au cours de laquelle les scientifiques ont reçu les soi-disant "ombres", des coquilles vides de globules rouges, qui ont été pliées en un seul tas et ont mesuré la surface, et a également calculé la quantité de lipides en eux. Sur la base de la quantité de lipides reçue, les scientifiques sont arrivés à la conclusion que nous les attrapions simplement sur la double couche de la membrane cellulaire.

En 1935, un autre binôme de chercheurs sur la membrane cellulaire, cette fois les Américains Daniel et Dawson, après une série de longues expériences, établit la teneur en protéines de la membrane cellulaire. Il n'y avait pas d'autre moyen d'expliquer pourquoi la membrane a une tension superficielle si élevée. Les scientifiques ont ingénieusement présenté un modèle de membrane cellulaire sous la forme d'un sandwich, dans lequel des couches homogènes de lipides et de protéines jouent le rôle de pain, et entre elles, au lieu de beurre, il y a un vide.

En 1950, avec l'avènement de la théorie électronique de Daniel et Dawson, il était déjà possible de confirmer par des observations pratiques - sur les micrographies de la membrane cellulaire, des couches de têtes lipidiques et protéiques ainsi que l'espace vide entre elles étaient clairement visibles.

En 1960, le biologiste américain J. Robertson a développé la théorie de la structure à trois couches des membranes cellulaires, qui a longtemps été considérée comme la seule correcte, mais avec le développement ultérieur de la science, des doutes sur son infaillibilité ont commencé à apparaître. Ainsi, par exemple, du point de vue des cellules, il serait difficile et laborieux de transporter les nutriments nécessaires à travers tout le "sandwich"

Et ce n'est qu'en 1972 que les biologistes américains S. Singer et G. Nicholson ont pu expliquer les incohérences de la théorie de Robertson à l'aide d'un nouveau modèle en mosaïque liquide de la membrane cellulaire. En particulier, ils ont constaté que la membrane cellulaire n'est pas uniforme en composition, de plus, elle est asymétrique et remplie de liquide. De plus, les cellules sont en mouvement constant. Et les fameuses protéines qui composent la membrane cellulaire ont des structures et des fonctions différentes.

Propriétés et fonctions de la membrane cellulaire

Voyons maintenant quelles fonctions remplit la membrane cellulaire :

Fonction barrière de la membrane cellulaire - la membrane, comme un véritable garde-frontière, monte la garde sur les limites de la cellule, retenant, ne laissant pas entrer les molécules nocives ou simplement inappropriées

La fonction de transport de la membrane cellulaire - la membrane n'est pas seulement un garde-frontière à la porte de la cellule, mais aussi une sorte de poste de contrôle douanier, à travers elle échange constamment substances utiles avec d'autres cellules et l'environnement.

Fonction matricielle - c'est la membrane cellulaire qui détermine l'emplacement les unes par rapport aux autres, régule l'interaction entre elles.

Fonction mécanique - est responsable de la limitation d'une cellule à l'autre et, en parallèle, de la connexion correcte des cellules entre elles, de leur formation en un tissu homogène.

La fonction protectrice de la membrane cellulaire est la base de la construction d'un bouclier cellulaire protecteur. Dans la nature, des exemples de cette fonction peuvent être du bois dur, une peau dense, une carapace protectrice, tous dus à la fonction protectrice de la membrane.

La fonction enzymatique est une autre fonction importante réalisée par certaines protéines dans la cellule. Par exemple, grâce à cette fonction, des enzymes digestives sont synthétisées dans l'épithélium intestinal.

De plus, en plus de tout cela, l'échange cellulaire s'effectue à travers la membrane cellulaire, ce qui peut avoir lieu dans trois réactions différentes :

• La phagocytose est un échange cellulaire au cours duquel les cellules phagocytaires intégrées à la membrane capturent et digèrent divers nutriments.
• La pinocytose - est le processus de capture par la membrane cellulaire, des molécules fluides en contact avec elle. Pour cela, des vrilles spéciales sont formées à la surface de la membrane, qui semblent entourer une goutte de liquide, formant une bulle, qui est ensuite "avalée" par la membrane.
• Exocytose - est processus inverse lorsque la cellule à travers la membrane sécrète un fluide fonctionnel sécrétoire à la surface.

Structure de la membrane cellulaire

Il existe trois classes de lipides dans la membrane cellulaire :

• les phospholipides (qui sont une combinaison de graisses et de phosphore),
• les glycolipides (sont une combinaison de graisses et de glucides),
• cholestérol.

Les phospholipides et les glycolipides, à leur tour, consistent en une tête hydrophile, dans laquelle s'étendent deux longues queues hydrophobes. Le cholestérol occupe l'espace entre ces queues, les empêchant de se plier, tout cela rend dans certains cas la membrane de certaines cellules très rigide. En plus de tout cela, les molécules de cholestérol ordonnent la structure de la membrane cellulaire.

Mais quoi qu'il en soit, la partie la plus importante de la structure de la membrane cellulaire est la protéine, ou plutôt différentes protéines qui jouent différents rôles importants. Malgré la variété des protéines contenues dans la membrane, il y a quelque chose qui les unit - les lipides annulaires sont situés autour de toutes les protéines de la membrane. Les lipides annulaires sont des graisses structurées spéciales qui servent en quelque sorte de coque protectrice pour les protéines, sans lesquelles elles ne fonctionneraient tout simplement pas.

La structure de la membrane cellulaire comporte trois couches : la base de la membrane cellulaire est une couche liquide homogène de bilipide. Des écureuils le recouvrent des deux côtés comme une mosaïque. Ce sont les protéines, en plus des fonctions décrites ci-dessus, jouent également le rôle d'une sorte de canaux à travers lesquels des substances incapables de pénétrer dans la couche liquide de la membrane passent à travers la membrane. Ceux-ci incluent, par exemple, les ions potassium et sodium, pour leur pénétration à travers la membrane, la nature prévoit des canaux ioniques spéciaux des membranes cellulaires. En d'autres termes, les protéines assurent la perméabilité des membranes cellulaires.

Si nous regardons la membrane cellulaire au microscope, nous verrons une couche de lipides formée de petites molécules sphériques sur lesquelles des protéines flottent comme dans la mer. Vous savez maintenant quelles substances font partie de la membrane cellulaire.

Membrane cellulaire, vidéo

Et enfin, une vidéo éducative sur la membrane cellulaire.

9.5.1. L'une des fonctions principales des membranes est de participer au transfert de substances. Ce processus est facilité par trois mécanismes principaux : la diffusion simple, la diffusion facilitée et le transport actif (Figure 9.10). Rappelles toi caractéristiques essentielles ces mécanismes et des exemples de substances transportées dans chaque cas.

Graphique 9.10. Mécanismes de transport des molécules à travers la membrane

Diffusion simple- transfert de substances à travers la membrane sans participation mécanismes spéciaux... Le transport s'effectue selon un gradient de concentration sans consommation d'énergie. Par simple diffusion, de petites biomolécules sont transportées - Н2О, СО2, О2, urée, substances hydrophobes de faible poids moléculaire. Le taux de diffusion simple est proportionnel au gradient de concentration.

Diffusion facilitée- transfert de substances à travers la membrane à l'aide de canaux protéiques ou de protéines porteuses spéciales. Elle est réalisée le long du gradient de concentration sans consommation d'énergie. Les monosaccharides, les acides aminés, les nucléotides, le glycérol et certains ions sont transportés. La cinétique de saturation est caractéristique - à une certaine concentration (saturante) de la substance transférée, toutes les molécules porteuses participent au transfert et la vitesse de transport atteint une valeur limite.

Transport actif- nécessite également la participation de protéines porteuses spéciales, mais le transfert se produit contre le gradient de concentration et nécessite donc de l'énergie. À l'aide de ce mécanisme, les ions de Na +, K +, Ca2 +, Mg2 + sont transportés à travers la membrane cellulaire et les protons sont transportés à travers la membrane mitochondriale. Les cinétiques de saturation sont caractéristiques du transport actif des substances.

9.5.2. Un exemple de système de transport qui transporte activement des ions est Na +, K + -adénosine triphosphatase (Na +, K + -ATPase ou Na +, K + -pompe). Cette protéine est située dans l'épaisseur de la membrane plasmique et est capable de catalyser la réaction d'hydrolyse de l'ATP. L'énergie libérée lors de l'hydrolyse de 1 molécule d'ATP est utilisée pour transférer 3 ions Na + de la cellule vers l'espace extracellulaire et 2 ions K + dans le sens opposé (Figure 9.11). Sous l'action de la Na +, K + -ATPase, une différence de concentration se crée entre le cytosol cellulaire et le liquide extracellulaire. Comme le transfert d'ions n'est pas équivalent, une différence apparaît potentiels électriques... Ainsi, un potentiel électrochimique apparaît, qui se compose de l'énergie de la différence de potentiels électriques et de l'énergie de la différence des concentrations de substances des deux côtés de la membrane.

Figure 9.11. Na +, K + -circuit de pompe.

9.5.3. Transport de particules et de composés de haut poids moléculaire à travers les membranes

Parallèlement au transport de substances organiques et d'ions, effectué par des porteurs, il existe un mécanisme tout à fait spécial dans la cellule, conçu pour l'absorption par la cellule et l'élimination des composés de haut poids moléculaire en modifiant la forme de la biomembrane. Ce mécanisme est appelé par transport vésiculaire.

Graphique 9.12. Types de transport vésiculaire : 1 - endocytose ; 2 - exocytose.

Au cours du transfert de macromolécules, la formation et la fusion séquentielles de vésicules entourées de membranes (vésicules) se produisent. Selon le sens de transport et la nature des matières transportées, on distingue les types de transport vésiculaire suivants :

Endocytose(Figure 9.12, 1) - transfert de substances dans la cellule. Selon la taille des vésicules résultantes, il y a :

une) pinocytose - absorption de macromolécules liquides et dissoutes (protéines, polysaccharides, acides nucléiques) à l'aide de petites bulles (150 nm de diamètre) ;

b) phagocytose - l'absorption de grosses particules telles que des micro-organismes ou des débris cellulaires. Dans ce cas, de grosses bulles se forment, appelées phagosomes, d'un diamètre supérieur à 250 nm.

La pinocytose est caractéristique de la plupart des cellules eucaryotes, tandis que les grosses particules sont absorbées par des cellules spécialisées - leucocytes et macrophages. Au premier stade de l'endocytose, des substances ou des particules sont adsorbées à la surface de la membrane, ce processus se déroule sans consommation d'énergie. Au stade suivant, la membrane avec la substance adsorbée s'approfondit dans le cytoplasme; les invaginations locales formées de la membrane plasmique se détachent de la surface cellulaire, formant des bulles, qui migrent ensuite dans la cellule. Ce procédé est associé à un système de microfilaments et est volatil. Les vésicules et les phagosomes qui pénètrent dans la cellule peuvent fusionner avec les lysosomes. Les enzymes contenues dans les lysosomes décomposent les substances contenues dans les vésicules et les phagosomes en produits de faible poids moléculaire (acides aminés, monosaccharides, nucléotides), qui sont transportés vers le cytosol, où ils peuvent être utilisés par la cellule.

Exocytose(Figure 9.12, 2) - transfert de particules et de gros composés de la cellule. Ce processus, comme l'endocytose, a lieu avec l'absorption d'énergie. Les principaux types d'exocytose sont :

une) sécrétion - élimination de la cellule des composés hydrosolubles qui sont utilisés ou affectent d'autres cellules du corps. Elle peut être réalisée aussi bien par des cellules non spécialisées que par des cellules des glandes endocrines, des muqueuses tube digestif adapté pour la sécrétion de substances produites par ceux-ci (hormones, neurotransmetteurs, proenzymes), en fonction des besoins spécifiques de l'organisme.

Les protéines sécrétées sont synthétisées sur les ribosomes associés aux membranes du réticulum endoplasmique rugueux. Ensuite, ces protéines sont transportées vers l'appareil de Golgi, où elles sont modifiées, concentrées, triées, puis emballées dans des vésicules, qui sont clivées dans le cytosol puis fusionnées avec la membrane plasmique, de sorte que le contenu des vésicules se trouve à l'extérieur de la cellule. .

Contrairement aux macromolécules, les particules sécrétées de petite taille, par exemple les protons, sont transportées à partir de la cellule en utilisant les mécanismes de diffusion facilitée et de transport actif.

b) excrétion - élimination des substances de la cellule qui ne peuvent pas être utilisées (par exemple, élimination au cours de l'érythropoïèse des réticulocytes de la substance réticulocytaire, qui est des restes agrégés d'organites). Le mécanisme d'excrétion consiste apparemment dans le fait qu'au début, les particules sécrétées se retrouvent dans la vésicule cytoplasmique, qui fusionne ensuite avec la membrane plasmique.

L'écrasante majorité des organismes vivant sur Terre se compose de cellules, à bien des égards similaires dans leur composition chimique, leur structure et leur activité vitale. Chaque cellule est métabolisée et l'énergie est convertie. La division cellulaire est à la base de la croissance et de la reproduction des organismes. Ainsi, la cellule est une unité de structure, de développement et de reproduction des organismes.

Une cellule ne peut exister que comme un système intégral, indivisible en parties. L'intégrité de la cellule est assurée par des membranes biologiques. Une cellule est un élément d'un système de rang supérieur - un organisme. Les parties et les organites d'une cellule, constitués de molécules complexes, sont systèmes holistiques rang inférieur.

Cellule - système ouvert liés à l'environnement, au métabolisme et à l'énergie. C'est un système fonctionnel dans lequel chaque molécule remplit des fonctions spécifiques. La cellule est résistante, autorégulatrice et autoreproductrice.

La cellule est un système autonome. Le système génétique de contrôle de la cellule est représenté par des macromolécules complexes - acides nucléiques(ADN et ARN).

En 1838-1839. Les biologistes allemands M. Schleiden et T. Schwann ont généralisé les connaissances sur la cellule et formulé la proposition de base de la théorie cellulaire, dont l'essence est que tous les organismes, végétaux et animaux, sont constitués de cellules.

En 1859, R. Virkhov décrit le processus de division cellulaire et formule l'une des dispositions les plus importantes de la théorie cellulaire : « Chaque cellule vient d'une autre cellule. De nouvelles cellules sont formées à la suite de la division de la cellule mère, et non à partir de matière non cellulaire, comme on le pensait auparavant.

La découverte d'œufs de mammifères par le scientifique russe K. Baer en 1826 a conduit à la conclusion que la cellule est à la base du développement d'organismes multicellulaires.

La théorie cellulaire moderne comprend les dispositions suivantes :

1) une cellule est une unité de structure et de développement de tous les organismes ;

2) les cellules d'organismes de différents règnes de la nature vivante ont une structure, une composition chimique, un métabolisme, les principales manifestations de la vie similaires;

3) de nouvelles cellules sont formées à la suite de la division de la cellule mère;

4) dans un organisme multicellulaire, les cellules forment des tissus ;

5) les organes sont constitués de tissus.

Avec une introduction à la biologie des techniques biologiques, physiques et méthodes chimiques la recherche a permis d'étudier la structure et le fonctionnement de divers composants de la cellule. Une des méthodes pour étudier une cellule est microscopie... Un microscope optique moderne grossit les objets 3000 fois et vous permet de voir les plus gros organites cellulaires, d'observer le mouvement du cytoplasme et la division cellulaire.

Inventé dans les années 40. XXe siècle un microscope électronique donne une augmentation de dizaines et de centaines de milliers de fois. Un microscope électronique utilise un flux d'électrons au lieu de lumière, et au lieu de lentilles - Champs électromagnétiques... Par conséquent, le microscope électronique donne une image claire à des grossissements beaucoup plus élevés. A l'aide d'un tel microscope, il a été possible d'étudier la structure des organites cellulaires.

La structure et la composition des organites cellulaires sont étudiées à l'aide de la méthode centrifugation... Des tissus déchiquetés avec des membranes cellulaires détruites sont placés dans des tubes à essai et mis en rotation dans une centrifugeuse à grande vitesse. La méthode est basée sur le fait que différents organoïdes cellulaires ont une masse et une densité différentes. Des organites plus denses sont déposés dans un tube à essai à de faibles vitesses de centrifugation, moins denses - à des vitesses élevées. Ces couches sont étudiées séparément.

Largement utilisé méthode de culture cellulaire et tissulaire, qui consiste dans le fait qu'à partir d'une ou plusieurs cellules sur un milieu nutritif spécial, vous pouvez obtenir un groupe du même type de cellules animales ou végétales et même faire pousser une plante entière. En utilisant cette méthode, on peut obtenir une réponse à la question de savoir comment divers tissus et organes du corps sont formés à partir d'une cellule.

Les principales dispositions de la théorie cellulaire ont été formulées pour la première fois par M. Schleiden et T. Schwann. Une cellule est une unité de structure, d'activité vitale, de reproduction et de développement de tous les organismes vivants. Pour étudier les cellules, des méthodes de microscopie, de centrifugation, de culture cellulaire et tissulaire, etc. sont utilisées.

Les cellules des champignons, des plantes et des animaux ont beaucoup en commun, non seulement dans leur composition chimique, mais aussi dans leur structure. Lors de l'examen d'une cellule au microscope, diverses structures y sont visibles - organites... Chaque organoïde remplit des fonctions spécifiques. Il y a trois parties principales dans la cellule : la membrane plasmique, le noyau et le cytoplasme (Fig. 1).

Membrane plasma sépare la cellule et son contenu de l'environnement. Sur la figure 2, vous pouvez voir : la membrane est formée de deux couches de lipides, et des molécules de protéines imprègnent l'épaisseur de la membrane.

La fonction principale de la membrane plasmique transport... Il assure l'apport de nutriments à la cellule et l'élimination des produits métaboliques de celle-ci.

Une propriété importante de la membrane est perméabilité sélective, ou semi-perméabilité, permet à la cellule d'interagir avec l'environnement : seules certaines substances y pénètrent et en sont retirées. De petites molécules d'eau et d'autres substances pénètrent dans la cellule par diffusion, en partie à travers les pores de la membrane.

Dans le cytoplasme, la sève cellulaire des vacuoles des cellules végétales, les sucres, les acides organiques et les sels sont dissous. De plus, leur concentration dans la cellule est beaucoup plus élevée que dans environnement... Plus la concentration de ces substances dans la cellule est élevée, plus elle absorbe d'eau. On sait que l'eau est constamment consommée par la cellule, ce qui fait que la concentration de sève cellulaire augmente et que l'eau pénètre à nouveau dans la cellule.

L'entrée de molécules plus grosses (glucose, acides aminés) dans la cellule est assurée par les protéines de transport de la membrane qui, en se combinant avec les molécules des substances transportées, les transportent à travers la membrane. Ce processus implique des enzymes qui décomposent l'ATP.

Figure 1. Schéma généralisé de la structure d'une cellule eucaryote.
(pour agrandir l'image, cliquez sur l'image)

Figure 2. La structure de la membrane plasmique.
1 - protéines perçantes, 2 - protéines immergées, 3 - protéines externes

Figure 3. Schéma de la pinocytose et de la phagocytose.

Des molécules encore plus grosses de protéines et de polysaccharides pénètrent dans la cellule par phagocytose (du grec. phagos- dévorer et kitos- vaisseau, cellule) et gouttes liquides - par pinocytose (du grec. pinot- je bois et kitos) (Figure 3).

Les cellules animales, contrairement aux cellules végétales, sont entourées d'un "manteau" souple et flexible formé principalement de molécules de polysaccharides, qui, en se fixant sur certaines protéines et lipides de la membrane, entourent la cellule à l'extérieur. La composition des polysaccharides est spécifique à différents tissus, grâce à laquelle les cellules se « reconnaissent » et se connectent les unes aux autres.

Les cellules végétales n'ont pas un tel "manteau". Ils ont une surface perméable au-dessus de la membrane plasmique membrane cellulaire constitué principalement de cellulose. À travers les pores, les fils du cytoplasme s'étendent de cellule en cellule, reliant les cellules les unes aux autres. C'est ainsi que s'effectue la connexion entre les cellules et l'intégrité de l'organisme.

La membrane cellulaire des plantes joue le rôle d'un squelette solide et protège la cellule des dommages.

La plupart des bactéries et tous les champignons ont une membrane cellulaire, seule sa composition chimique est différente. Chez les champignons, il s'agit d'une substance semblable à la chitine.

Les cellules des champignons, des plantes et des animaux ont une structure similaire. Il y a trois parties principales dans la cellule : le noyau, le cytoplasme et la membrane plasmique. La membrane plasmique est composée de lipides et de protéines. Il assure l'entrée des substances dans la cellule et leur libération hors de la cellule. Dans les cellules des plantes, des champignons et de la plupart des bactéries, il existe une membrane cellulaire au-dessus de la membrane plasmique. Il remplit une fonction protectrice et joue le rôle d'un squelette. Chez les plantes, la membrane cellulaire est constituée de cellulose et chez les champignons, d'une substance semblable à la chitine. Les cellules animales sont recouvertes de polysaccharides, qui assurent des contacts entre les cellules du même tissu.

Vous savez que la partie principale de la cellule est cytoplasme... Il contient de l'eau, des acides aminés, des protéines, des glucides, de l'ATP, des ions de substances inorganiques. Le noyau cellulaire et les organites sont situés dans le cytoplasme. Dans celui-ci, les substances se déplacent d'une partie de la cellule à une autre. Le cytoplasme assure l'interaction de tous les organites. C'est là que se produisent les réactions chimiques.

L'ensemble du cytoplasme est imprégné de microtubules protéiques minces qui forment cytosquelette cellulaire, grâce à quoi il conserve une forme constante. Le cytosquelette d'une cellule est flexible, car les microtubules sont capables de changer de position, de se déplacer d'un bout à l'autre et de se raccourcir. Diverses substances pénètrent dans la cellule. Que leur arrive-t-il dans la cage ?

Dans les lysosomes - de petites vésicules membranaires arrondies (voir Fig. 1), les molécules de substances organiques complexes à l'aide d'enzymes hydrolytiques sont divisées en molécules plus simples. Par exemple, les protéines sont décomposées en acides aminés, les polysaccharides en monosaccharides, les graisses en glycine et en acides gras. Pour cette fonction, les lysosomes sont souvent appelés « stations digestives » de la cellule.

Si la membrane des lysosomes est détruite, les enzymes qu'ils contiennent peuvent digérer la cellule elle-même. Par conséquent, les lysosomes sont parfois appelés « instruments de destruction de cellules ».

Oxydation enzymatique de petites molécules d'acides aminés, monosaccharides, formées dans les lysosomes, Les acides gras et les alcools en gaz acide carbonique et en eau commencent dans le cytoplasme et se terminent dans d'autres organites - mitochondries... Les mitochondries sont des organites en bâtonnets, filamenteux ou sphériques, délimités du cytoplasme par deux membranes (Fig. 4). La membrane externe est lisse et la membrane interne forme des plis - crista qui augmentent sa surface. Enzymes participant aux réactions d'oxydation des substances organiques en gaz carbonique et de l'eau. Dans ce cas, de l'énergie est libérée, qui est stockée par la cellule dans les molécules d'ATP. Par conséquent, les mitochondries sont appelées les « centrales électriques » de la cellule.

Dans la cellule, les substances organiques sont non seulement oxydées, mais également synthétisées. La synthèse des lipides et des glucides s'effectue sur le réticulum endoplasmique - EPS (Fig. 5), et des protéines - sur les ribosomes. Qu'est-ce que l'EPS ? C'est un système de tubules et de citernes dont les parois sont formées par une membrane. Ils imprègnent tout le cytoplasme. Les substances se déplacent le long des canaux EPS vers différentes parties de la cellule.

Il y a un EPS lisse et rugueux. À la surface de l'EPS lisse, avec la participation d'enzymes, des glucides et des lipides sont synthétisés. La rugosité du PSE est donnée par de petits corps arrondis situés dessus - ribosomes(voir Fig. 1), qui sont impliqués dans la synthèse des protéines.

La synthèse de substances organiques se produit également dans plastes que l'on ne trouve que dans les cellules végétales.

Riz. 4. Schéma de la structure des mitochondries.
1.- membrane externe; 2.- membrane interne; 3.- plis de la membrane interne - crêtes.

Riz. 5. Schéma de la structure d'un EPS brut.

Riz. 6. Schéma de la structure du chloroplaste.
1.- membrane externe; 2.- membrane interne; 3.- le contenu interne du chloroplaste ; 4.- replis de la membrane interne, rassemblés en "piles" et formant des granules.

Dans les plastes incolores - leucoplastes(du grec. leucos- blanc et plastos- créé) l'amidon s'accumule. Les tubercules de pomme de terre sont très riches en leucoplastes. La couleur jaune, orange, rouge des fruits et des fleurs est donnée chromoplastes(du grec. chrome- couleur et plastos). Ils synthétisent des pigments impliqués dans la photosynthèse - caroténoïdes... Dans la vie végétale, l'importance de chloroplastes(du grec. chloros- verdâtre et plastos) - plastes verts. Sur la figure 6, vous pouvez voir que les chloroplastes sont recouverts de deux membranes : externe et interne. La membrane interne forme des plis ; il y a des bulles entre les plis, empilées - céréales... Les grains contiennent des molécules de chlorophylle impliquées dans la photosynthèse. Chaque chloroplaste contient environ 50 grains, échelonnés. Cette disposition assure un éclairage maximal de chaque face.

Dans le cytoplasme, les protéines, les lipides, les glucides peuvent s'accumuler sous forme de grains, cristaux, gouttelettes. Ces inclusions- épargner les nutriments qui sont consommés par la cellule en fonction des besoins.

Dans les cellules végétales, une partie des nutriments de réserve, ainsi que des produits de décomposition, s'accumulent dans la sève cellulaire des vacuoles (voir Fig. 1). Ils peuvent représenter jusqu'à 90 % du volume des cellules végétales. Les cellules animales ont des vacuoles temporaires qui n'occupent pas plus de 5% de leur volume.

Riz. 7. Schéma de la structure du complexe de Golgi.

Sur la figure 7, vous voyez un système de cavités entourées d'une membrane. ce Complexe de Golgi, qui remplit diverses fonctions dans la cellule : il participe à l'accumulation et au transport des substances, à leur élimination hors de la cellule, à la formation des lysosomes, à la membrane cellulaire. Par exemple, des molécules de cellulose pénètrent dans la cavité du complexe de Golgi qui, à l'aide de bulles, se déplacent vers la surface cellulaire et s'incorporent à la membrane cellulaire.

La plupart des cellules se multiplient en se divisant. Ce processus implique centre cellulaire... Il se compose de deux centrioles entourés d'un cytoplasme dense (voir Fig. 1). Au début de la division, les centrioles divergent vers les pôles de la cellule. Des filaments de protéines en divergent, qui se connectent aux chromosomes et assurent leur répartition uniforme entre deux cellules filles.

Tous les organites cellulaires sont étroitement liés les uns aux autres. Par exemple, les molécules de protéines sont synthétisées dans les ribosomes ; elles sont transportées à travers les canaux EPS vers Différents composants les cellules et les protéines sont détruites dans les lysosomes. Les molécules nouvellement synthétisées sont utilisées pour construire des structures cellulaires ou s'accumulent dans le cytoplasme et les vacuoles en tant que nutriments de réserve.

La cellule est remplie de cytoplasme. Le cytoplasme contient le noyau et divers organites : lysosomes, mitochondries, plastes, vacuoles, EPS, centre cellulaire, complexe de Golgi. Ils diffèrent par leur structure et leur fonction. Tous les organites du cytoplasme interagissent les uns avec les autres, assurant le fonctionnement normal de la cellule.

Tableau 1. STRUCTURE DE LA CELLULE

Le rôle le plus important dans la vie et la division des cellules des champignons, des plantes et des animaux appartient au noyau et aux chromosomes qu'il contient. La plupart des cellules de ces organismes ont un noyau, mais il existe également des cellules multinucléées, par exemple des cellules musculaires. Le noyau est situé dans le cytoplasme et a une forme ronde ou ovale. Il est recouvert d'une coquille constituée de deux membranes. La membrane nucléaire a des pores à travers lesquels s'effectue l'échange de substances entre le noyau et le cytoplasme. Le noyau est rempli de sève nucléaire, dans laquelle se trouvent les nucléoles et les chromosomes.

Nucléoles sont des « ateliers de production » de ribosomes, qui sont formés à partir d'ARN ribosomique formé dans le noyau et de protéines synthétisées dans le cytoplasme.

La fonction principale du noyau - stockage et transmission d'informations héréditaires - est associée à chromosomes... Chaque type d'organisme a son propre ensemble de chromosomes : un certain nombre, forme et taille.

Toutes les cellules du corps, à l'exception des cellules reproductrices, sont appelées somatique(du grec. Poisson-chat- corps). Les cellules d'un organisme de la même espèce contiennent le même ensemble de chromosomes. Par exemple, chez l'homme, chaque cellule du corps contient 46 chromosomes, tandis que la mouche des fruits Drosophila a 8 chromosomes.

Les cellules somatiques ont généralement un double jeu de chromosomes. On l'appelle diploïde et noté 2 m... Ainsi, une personne a 23 paires de chromosomes, c'est-à-dire 2 m= 46. Les cellules germinales contiennent la moitié du nombre de chromosomes. Est-ce célibataire, ou haploïde, trousse. Chez l'homme 1 m = 23.

Tous les chromosomes des cellules somatiques, contrairement aux chromosomes des cellules germinales, sont appariés. Les chromosomes qui composent une paire sont identiques les uns aux autres. Les chromosomes appariés sont appelés homologue... Les chromosomes qui appartiennent à couples différents et diffèrent par leur forme et leur taille, appelées non homologue(fig. 8).

Chez certaines espèces, le nombre de chromosomes peut être le même. Par exemple, le trèfle rouge et les pois de semence ont 2 m= 14. Cependant, leurs chromosomes diffèrent par la forme, la taille, la composition nucléotidique des molécules d'ADN.

Riz. 8. Un ensemble de chromosomes dans des cellules de drosophile.

Riz. 9. La structure du chromosome.

Pour comprendre le rôle des chromosomes dans la transmission de l'information héréditaire, il est nécessaire de se familiariser avec leur structure et leur composition chimique.

Les chromosomes d'une cellule qui ne se divisent pas ressemblent à de longs filaments minces. Chaque chromosome avant la division cellulaire se compose de deux brins identiques - chromatides, qui sont connectés entre les nervures de la constriction - (Fig. 9).

Les chromosomes sont constitués d'ADN et de protéines. Étant donné que la composition en nucléotides de l'ADN diffère en différents types, la composition des chromosomes est unique pour chaque espèce.

Chaque cellule, à l'exception de la cellule bactérienne, possède un noyau qui contient des nucléoles et des chromosomes. Chaque espèce est caractérisée par un certain ensemble de chromosomes : nombre, forme et taille. Dans les cellules somatiques de la plupart des organismes, l'ensemble des chromosomes est diploïde, dans les cellules reproductrices, il est haploïde. Les chromosomes appariés sont appelés homologues. Les chromosomes sont constitués d'ADN et de protéines. Les molécules d'ADN assurent le stockage et la transmission des informations héréditaires de cellule à cellule et d'organisme à organisme.

Après avoir travaillé sur ces sujets, vous devriez être capable de :

1. Décrivez dans quels cas un microscope optique (structure), un microscope électronique à transmission doit être utilisé.
2. Décrire la structure de la membrane cellulaire et expliquer la relation entre la structure de la membrane et sa capacité à échanger des substances entre la cellule et l'environnement.
3. Définir les processus : diffusion, diffusion facilitée, transport actif, endocytose, exocytose et osmose. Soulignez les différences entre ces processus.
4. Nommez les fonctions des structures et indiquez dans quelles cellules (végétales, animales ou procaryotes) elles se situent : noyau, membrane nucléaire, nucléoplasme, chromosomes, membrane plasmique, ribosome, mitochondries, paroi cellulaire, chloroplaste, vacuole, lysosome, réticulum endoplasmique lisse ( agranulaire) et rugueux (granulaire), centre cellulaire, appareil de Golgi, cil, flagelle, mésosome, pili ou fimbria.
5. Nommez au moins trois signes par lesquels vous pouvez distinguer une cellule végétale d'un animal.
6. Énumérez les principales différences entre les cellules procaryotes et eucaryotes.

Ivanova T.V., Kalinova G.S., Myagkova A.N. "Biologie générale". Moscou, "Éducation", 2000

• Sujet 1. "Membrane plasmique." §1, §8 p.5, 20
• Sujet 2. "Cellule". §8-10 pages 20-30
• Sujet 3. "Cellule procaryote. Virus." §11 p. 31-34

Membranes cellulaires

L'organisation structurelle de la cellule est basée sur le principe de structure membranaire, c'est-à-dire que la cellule est principalement constituée de membranes. Toutes les membranes biologiques ont un caractéristiques structurelles et propriétés.

Actuellement, le modèle liquide-mosaïque généralement accepté de la structure de la membrane.

La membrane est basée sur une bicouche lipidique formée principalement phospholipides... Lipides en moyenne ≈40% composition chimique membranes. Dans la bicouche, les queues des molécules de la membrane se font face et les têtes polaires sont tournées vers l'extérieur, de sorte que la surface de la membrane est hydrophile. Les lipides déterminent les propriétés fondamentales des membranes.

En plus des lipides, la membrane contient des protéines (en moyenne ≈ 60 %). Ils déterminent la plupart des fonctions spécifiques de la membrane. Les molécules de protéines ne forment pas une couche continue (Fig. 280). Selon la localisation dans la membrane, il existe :

© protéines périphériques- des protéines situées à l'extérieur ou surface intérieure bicouche lipidique;

© protéines semi-intégrales- des protéines immergées dans la bicouche lipidique à différentes profondeurs ;

© intégral, ou protéines transmembranaires - protéines qui pénètrent de part en part la membrane, en contact avec l'environnement externe et interne de la cellule.

Les protéines membranaires peuvent remplir diverses fonctions :

© transport de certaines molécules ;

© catalyse des réactions se produisant sur les membranes ;

© entretien de la structure membranaire;

© recevoir et convertir les signaux de l'environnement.

La membrane peut contenir de 2 à 10 % de glucides. Le composant glucidique des membranes est généralement représenté par des chaînes d'oligosaccharides ou de polysaccharides associées à des molécules de protéines (glycoprotéines) ou de lipides (glycolipides). Fondamentalement, les glucides sont situés sur surface extérieure membranes. Les fonctions des glucides de la membrane cellulaire ne sont pas entièrement comprises, mais on peut dire qu'ils assurent des fonctions de récepteur de la membrane.

Dans les cellules animales, les glycoprotéines forment un complexe supramembranaire - glycocalyx avec une épaisseur de plusieurs dizaines de nanomètres. La digestion extracellulaire s'y déroule, de nombreux récepteurs cellulaires sont localisés, avec son aide, apparemment, l'adhésion cellulaire se produit.

Les molécules de protéines et de lipides sont mobiles, capables de se déplacer , principalement dans le plan de la membrane. Les membranes sont asymétriques , c'est-à-dire que la composition lipidique et protéique des surfaces externe et interne de la membrane est différente.

L'épaisseur de la membrane plasmique est de 7,5 nm en moyenne.

L'une des fonctions principales de la membrane est le transport, qui assure l'échange de substances entre la cellule et l'environnement extérieur. Les membranes ont la propriété de perméabilité sélective, c'est-à-dire qu'elles sont bien perméables à certaines substances ou molécules et faiblement perméables (ou totalement imperméables) à d'autres. Perméabilité des membranes pour différentes substances dépend des propriétés de leurs molécules (polarité, taille, etc.), et des caractéristiques des membranes (la partie interne de la couche lipidique est hydrophobe).

Il existe divers mécanismes pour le transport des substances à travers la membrane (Fig. 281). En fonction du besoin d'utiliser de l'énergie pour le transport des substances, il existe :

© transport passif- transport de substances sans consommation d'énergie ;

© transport actif- les transports avec consommation d'énergie.

Le transport passif est basé sur la différence de concentrations et de charges. Avec le transport passif, les substances se déplacent toujours d'une zone avec une concentration plus élevée vers une zone avec une plus faible, c'est-à-dire le long du gradient de concentration. Si la molécule est chargée, le gradient électrique affecte également son transport. Par conséquent, on parle souvent de gradient électrochimique, combinant les deux gradients ensemble. La vitesse de transport dépend de l'amplitude du gradient.

Il existe trois principaux mécanismes de transport passif :

© Diffusion simple- transport de substances directement à travers la bicouche lipidique. Les gaz, les molécules non polaires ou les petites molécules polaires non chargées le traversent facilement. Plus la molécule est petite et plus elle est liposoluble, plus elle pénètre rapidement dans la membrane. Fait intéressant, l'eau, bien que relativement insoluble dans les graisses, pénètre très rapidement dans la bicouche lipidique. C'est parce que sa molécule est petite et électriquement neutre. La diffusion de l'eau à travers les membranes est appelée osmose.

© Diffusion facilitée- transport de substances à l'aide de

protéines de transport, dont chacune est responsable du transport de molécules spécifiques ou de groupes de molécules apparentées. Ils interagissent avec la molécule de la substance transportée et la déplacent en quelque sorte à travers la membrane. Ainsi, les sucres, les acides aminés, les nucléotides et de nombreuses autres molécules polaires sont transportés dans la cellule.

Le besoin de transport actif survient lorsqu'il est nécessaire d'assurer le transfert de molécules à travers la membrane contre un gradient électrochimique. Ce transport est assuré par des protéines porteuses dont l'activité nécessite une dépense d'énergie. Les molécules d'ATP servent de source d'énergie.

L'un des systèmes de transport actif les plus étudiés est la pompe sodium-potassium. La concentration de K à l'intérieur de la cellule est beaucoup plus élevée qu'à l'extérieur, tandis que Na est le contraire. Par conséquent, K diffuse passivement de la cellule à travers les pores d'eau de la membrane et Na - dans la cellule. Dans le même temps, pour le fonctionnement normal de la cellule, il est important de maintenir un certain rapport d'ions K et Na dans le cytoplasme et dans l'environnement extérieur. Ceci est possible parce que la membrane, en raison de la présence de la pompe (Na + K), pompe activement Na de la cellule et K dans la cellule. Le fonctionnement de la pompe (Na + K) consomme près d'un tiers de toute l'énergie nécessaire à l'activité vitale de la cellule.

La pompe est une protéine membranaire transmembranaire spéciale capable de changements de conformation, grâce à laquelle elle peut s'attacher à la fois aux ions K et aux ions Na. Le cycle de fonctionnement de la pompe (Na + K) se compose de plusieurs phases (fig. 282) :

© de l'intérieur de la membrane, des ions Na et une molécule d'ATP pénètrent dans la protéine pompe, et de l'extérieur, des ions K ;

© Les ions Na se combinent avec une molécule de protéine, et la protéine acquiert une activité ATP-ase, c'est-à-dire qu'elle acquiert la capacité de provoquer l'hydrolyse de l'ATP, accompagnée de la libération d'énergie qui entraîne la pompe ;

© le phosphate libéré lors de l'hydrolyse de l'ATP est attaché à la protéine, c'est-à-dire que la protéine est phosphorylée ;

© la phosphorylation provoque des changements de conformation de la protéine, il s'avère qu'elle est incapable de retenir les ions Na - ils sont libérés et sortent de la cellule ;

© la nouvelle conformation de la protéine est telle qu'il est possible d'y attacher des ions K ;

© la fixation des ions K provoque une déphosphorylation de la protéine, ce qui entraîne une nouvelle modification de sa conformation ;

© modification de la conformation des protéines conduit à la libération d'ions K à l'intérieur de la cellule ;

© Maintenant, la protéine est prête à attacher des ions Na à elle-même.

Dans un cycle de fonctionnement, la pompe pompe 3 ions Na de la cellule et pompe 2 ions K. Une telle différence dans la quantité d'ions transportés est due au fait que la perméabilité de la membrane pour les ions K est plus élevée que pour les ions Na. . En conséquence, K diffuse passivement plus rapidement de la cellule que Na dans la cellule.

© pinocytose - le processus de capture et d'absorption de gouttelettes liquides contenant des substances dissoutes.

Exocytose- le processus d'élimination de diverses substances de la cellule. Lors de l'exocytose, la membrane de la vésicule (ou vacuole), en contact avec la membrane cytoplasmique externe, se confond avec elle. Le contenu de la vésicule est retiré à l'extérieur de l'encoche et sa membrane est incluse dans la membrane cytoplasmique externe.