Celična membrana je ultratanek film na površini celice ali celične organele, sestavljen iz bimolekularne plasti lipidov z vgrajenimi beljakovinami in polisaharidi.

Funkcije membrane:

• · Pregrada – zagotavlja urejeno, selektivno, pasivno in aktivno presnovo z okoljem. Na primer, peroksisomska membrana ščiti citoplazmo pred peroksidi, ki so nevarni za celico. Selektivna prepustnost pomeni, da je prepustnost membrane za različne atome ali molekule odvisna od njihove velikosti, električni naboj in kemične lastnosti. Selektivna prepustnost zagotavlja ločitev celice in celičnih predelkov od okolja in jih oskrbuje s potrebnimi snovmi.
• · Transport – skozi membrano poteka transport snovi v celico in iz celice. Prevoz skozi membrane zagotavlja: dostavo hranil, odstranjevanje končnih produktov presnove, izločanje različne snovi, ustvarjanje ionskih gradientov, vzdrževanje optimalnega pH v celici in koncentracije ionov, ki so potrebni za delo celičnih encimov. Delci, ki iz nekega razloga ne morejo prečkati fosfolipidnega dvosloja (na primer zaradi hidrofilnih lastnosti, saj je membrana v notranjosti hidrofobna in ne dopušča prehajanja hidrofilnih snovi, ali zaradi njihove velike velikosti), vendar so potrebni za celico , lahko prodrejo v membrano preko posebnih nosilnih proteinov (transporterjev) in kanalnih proteinov ali z endocitozo. Pri pasivnem transportu snovi prečkajo lipidni dvosloj brez porabe energije vzdolž koncentracijskega gradienta z difuzijo. Različica tega mehanizma je olajšana difuzija, pri kateri posebna molekula pomaga snovi, da preide skozi membrano. Ta molekula ima lahko kanal, ki omogoča prehod samo ene vrste snovi. Aktivni transport zahteva energijo, saj poteka proti koncentracijskemu gradientu. Na membrani so posebne črpalne beljakovine, vključno z ATPazo, ki aktivno črpa kalijeve ione (K +) v celico in iz nje črpa natrijeve ione (Na +).
• · matriks - zagotavlja določen relativni položaj in orientacijo membranskih proteinov, njihovo optimalno interakcijo.
• Mehanski - zagotavlja avtonomijo celice, njenih znotrajceličnih struktur, pa tudi povezavo z drugimi celicami (v tkivih). Celične stene igrajo pomembno vlogo pri zagotavljanju mehanske funkcije, pri živalih pa medcelične snovi.
• energija - pri fotosintezi v kloroplastih in celičnem dihanju v mitohondrijih v njihovih membranah delujejo sistemi za prenos energije, pri katerih sodelujejo tudi proteini;
• Receptor – nekatere beljakovine, ki se nahajajo v membrani, so receptorji (molekule, s katerimi celica zazna določene signale). Na primer, hormoni, ki krožijo v krvi, delujejo samo na ciljne celice, ki imajo receptorje, ki ustrezajo tem hormonom. nevrotransmiterji ( kemične snovi, ki zagotavljajo prevodnost živčnih impulzov) se vežejo tudi na specifične receptorske proteine ​​ciljnih celic.
• Encimski - membranski proteini so pogosto encimi. Na primer, plazemske membrane črevesnih epitelijskih celic vsebujejo prebavne encime.
• · Izvajanje generiranja in prevajanja biopotencialov. S pomočjo membrane se v celici vzdržuje konstantna koncentracija ionov: koncentracija iona K + v celici je veliko višja kot zunaj, koncentracija Na + pa veliko nižja, kar je zelo pomembno, saj to ohranja potencialno razliko čez membrano in ustvarja živčni impulz.
• Označevanje celice – na membrani so antigeni, ki delujejo kot markerji – »oznake«, ki omogočajo identifikacijo celice. To so glikoproteini (torej proteini z razvejanimi stranskimi verigami oligosaharidov), ki igrajo vlogo »antene«. Zaradi neštetih konfiguracij stranske verige je mogoče izdelati poseben marker za vsako vrsto celice. S pomočjo markerjev lahko celice prepoznajo druge celice in delujejo v skladu z njimi, na primer pri oblikovanju organov in tkiv. To tudi omogoča imunski sistem prepoznati tuje antigene.

Nekatere beljakovinske molekule prosto difundirajo v ravnini lipidne plasti; v normalnem stanju deli beljakovinskih molekul, ki se pojavijo na nasprotnih straneh celične membrane, ne spremenijo svojega položaja.

Specifična morfologija celičnih membran določa njihovo električne lastnosti, med katerimi sta najpomembnejši kapacitivnost in prevodnost.

Kapacitivnostne lastnosti določa predvsem fosfolipidni dvosloj, ki je neprepusten za hidratizirane ione in hkrati dovolj tanek (približno 5 nm), da zagotavlja učinkovito ločevanje in kopičenje nabojev ter elektrostatično interakcijo kationov in anionov. Poleg tega so kapacitivne lastnosti celičnih membran eden od razlogov, ki določajo časovne značilnosti električnih procesov, ki se pojavljajo na celičnih membranah.

Prevodnost (g) je recipročna vrednost električni upor in enako razmerju vrednosti celotnega transmembranskega toka za dani ion in vrednosti, ki je povzročila njegovo transmembransko potencialno razliko.

Skozi fosfolipidni dvosloj lahko difundirajo različne snovi, stopnja prepustnosti (P), torej sposobnost celične membrane, da te snovi prepušča, pa je odvisna od razlike v koncentracijah difuzijske snovi na obeh straneh membrane, njene topnosti. lipidov in lastnosti celične membrane. Hitrost difuzije nabitih ionov v konstantnem polju v membrani je določena z mobilnostjo ionov, debelino membrane in porazdelitvijo ionov v membrani. Pri neelektrolitih prepustnost membrane ne vpliva na njeno prevodnost, saj neelektroliti ne nosijo nabojev, torej ne morejo prenašati električnega toka.

Prevodnost membrane je merilo njene ionske prepustnosti. Povečanje prevodnosti kaže na povečanje števila ionov, ki prehajajo skozi membrano.

Pomembna lastnost bioloških membran je pretočnost. Vse celične membrane so mobilne tekoče strukture: večina lipidnih in beljakovinskih molekul, ki jih sestavljajo, se lahko dovolj hitro premika v ravnini membrane.

Nikomur ni skrivnost, da so vsa živa bitja na našem planetu sestavljena iz svojih celic, teh neštetih "" organskih snovi. Celice pa so obdane s posebno zaščitno lupino – membrano, ki igra zelo pomembno vlogo v življenju celice, funkcije celične membrane pa niso omejene na zaščito celice, temveč predstavljajo zapleten mehanizem sodeluje pri razmnoževanju, prehrani, regeneraciji celic.

Kaj je celična membrana

Sama beseda "membrana" je iz latinščine prevedena kot "film", čeprav membrana ni le nekakšen film, v katerega je zavita celica, temveč kombinacija dveh filmov, ki sta med seboj povezana in imata različne lastnosti. Dejansko je celična membrana troslojna lipoproteinska (maščobno-beljakovinska) lupina, ki ločuje vsako celico od sosednjih celic in okolja ter izvaja nadzorovano izmenjavo med celicami in okoljem, to je akademska definicija, kaj je celica. membrana je.

Vrednost membrane je preprosto ogromna, saj ne ločuje le ene celice od druge, ampak zagotavlja tudi interakcijo celice, tako z drugimi celicami kot z okoljem.

Zgodovina raziskav celičnih membran

Pomemben prispevek k preučevanju celične membrane sta leta 1925 dala nemška znanstvenika Gorter in Grendel. Takrat jim je uspelo izvesti zapleten biološki poskus na rdečih krvnih celicah - eritrocitih, med katerim so znanstveniki prejeli tako imenovane "sence", prazne lupine eritrocitov, ki so jih zložili v en kup in izmerili površino, in tudi izračunali količino lipidov v njih. Na podlagi količine pridobljenih lipidov so znanstveniki prišli do zaključka, da le ti zadostujejo za dvojno plast celične membrane.

Leta 1935 je še en par raziskovalcev celičnih membran, tokrat Američana Daniel in Dawson, po vrsti dolgih poskusov določil vsebnost beljakovin v celični membrani. Sicer je bilo nemogoče razložiti, zakaj ima membrana tako visoko površinsko napetost. Znanstveniki so spretno predstavili model celične membrane v obliki sendviča, pri katerem vlogo kruha igrajo homogene lipidno-beljakovinske plasti, med njimi pa je namesto masla praznina.

Leta 1950, s prihodom elektronske teorije Daniela in Dawsona, je bilo že mogoče potrditi praktična opažanja - na mikrofotografijah celične membrane so bile jasno vidne plasti lipidnih in beljakovinskih glav ter tudi prazen prostor med njimi.

Leta 1960 je ameriški biolog J. Robertson razvil teorijo o troslojni strukturi celičnih membran, ki je dolgo časa veljala za edino resnično, a z nadaljnjim razvojem znanosti so se začeli pojavljati dvomi o njeni nezmotljivosti. Tako bi bilo na primer z vidika celic težko in naporno prenašati potrebne koristne snovi skozi celoten "sendvič"

In šele leta 1972 sta ameriška biologa S. Singer in G. Nicholson lahko s pomočjo novega fluidno-mozaičnega modela celične membrane razložila nedoslednosti Robertsonove teorije. Zlasti so ugotovili, da celična membrana ni homogena po sestavi, poleg tega je asimetrična in napolnjena s tekočino. Poleg tega so celice v stalnem gibanju. In zloglasne beljakovine, ki sestavljajo celično membrano, imajo različne strukture in funkcije.

Lastnosti in funkcije celične membrane

Zdaj pa poglejmo, katere funkcije opravlja celična membrana:

Pregradna funkcija celične membrane - membrana kot pravi mejni stražar varuje meje celice, zamuja, ne prepušča škodljivih ali preprosto neprimernih molekul.

Transportna funkcija celične membrane - membrana ni le mejna straža na vratih celice, ampak tudi nekakšna carinska kontrolna točka, izmenjava nenehno poteka skozi njo koristne snovi z drugimi celicami in okoljem.

Funkcija matriksa - celična membrana določa lokacijo med seboj, uravnava interakcijo med njimi.

Mehanska funkcija - je odgovorna za omejevanje ene celice od druge in vzporedno za pravilno povezavo celic med seboj, za njihovo tvorbo v homogeno tkivo.

Zaščitna funkcija celične membrane je osnova za izgradnjo zaščitnega ščita celice. V naravi lahko to funkcijo ponazorimo s trdim lesom, gosto lupino, zaščitno lupino, vse zaradi zaščitne funkcije membrane.

Encimska funkcija je še ena pomembna funkcija, ki jo opravljajo nekateri celični proteini. Na primer, zaradi te funkcije pride do sinteze prebavnih encimov v črevesnem epiteliju.

Poleg tega se skozi celično membrano izvaja celična presnova, ki lahko poteka v treh različnih reakcijah:

• Fagocitoza je celična izmenjava, pri kateri fagocitne celice, vgrajene v membrano, zajamejo in prebavijo različne hranila.
• Pinocitoza - je proces zajemanja s celično membrano molekul tekočine v stiku z njo. Da bi to naredili, se na površini membrane oblikujejo posebne vitice, za katere se zdi, da obdajajo kapljico tekočine in tvorijo mehurček, ki ga nato membrana "pogoltne".
• Eksocitoza je obratni proces ko celica izloča funkcionalno sekretorno tekočino skozi membrano na površino.

Struktura celične membrane

V celični membrani obstajajo trije razredi lipidov:

• fosfolipidi (so kombinacija maščob in fosforja),
• glikolipidi (kombinacija maščob in ogljikovih hidratov),
• holesterol.

Fosfolipidi in glikolipidi pa so sestavljeni iz hidrofilne glave, v katero segata dva dolga hidrofobna repa. Holesterol pa zaseda prostor med temi repi in jim preprečuje upogibanje, vse to v nekaterih primerih naredi membrano določenih celic zelo togo. Poleg vsega tega molekule holesterola uravnavajo strukturo celične membrane.

Kakorkoli že, najpomembnejši del strukture celične membrane so beljakovine, oziroma različne beljakovine, ki igrajo različne pomembne vloge. Kljub raznolikosti beljakovin, ki jih vsebuje membrana, obstaja nekaj, kar jih združuje - obročasti lipidi se nahajajo okoli vseh membranskih beljakovin. Obročasti lipidi so posebno strukturirane maščobe, ki služijo kot nekakšna zaščitna lupina za beljakovine, brez katerih preprosto ne bi delovale.

Struktura celične membrane ima tri plasti: osnova celične membrane je homogena tekoča lipidna plast. Beljakovine ga prekrivajo na obeh straneh kot mozaik. Prav beljakovine poleg zgoraj opisanih funkcij igrajo tudi vlogo posebnih kanalov, skozi katere skozi membrano prehajajo snovi, ki ne morejo prodreti v tekočo plast membrane. Sem spadajo na primer kalijevi in ​​natrijevi ioni, za njihov prodor skozi membrano narava zagotavlja posebne ionske kanale celičnih membran. Z drugimi besedami, beljakovine zagotavljajo prepustnost celičnih membran.

Če celično membrano pogledamo skozi mikroskop, bomo videli plast lipidov, ki jo tvorijo majhne sferične molekule, na katerih beljakovine plavajo kot na morju. Zdaj veste, katere snovi so del celične membrane.

Celična membrana, video

In za konec še izobraževalni video o celični membrani.

9.5.1. Ena od glavnih funkcij membran je sodelovanje pri transportu snovi. Ta proces zagotavljajo trije glavni mehanizmi: preprosta difuzija, olajšana difuzija in aktivni transport (slika 9.10). Zapomni si Ključne funkcije teh mehanizmov in primere transportiranih snovi v vsakem primeru.

Slika 9.10. Mehanizmi transporta molekul čez membrano

preprosta difuzija- transport snovi skozi membrano brez sodelovanja posebne ureditve. Prenos poteka po koncentracijskem gradientu brez porabe energije. Majhne biomolekule - H2O, CO2, O2, sečnina, hidrofobne snovi z nizko molekulsko maso se prenašajo s preprosto difuzijo. Hitrost preproste difuzije je sorazmerna z gradientom koncentracije.

Olajšana difuzija- transport snovi skozi membrano s pomočjo proteinskih kanalov ali posebnih nosilnih proteinov. Izvaja se vzdolž koncentracijskega gradienta brez porabe energije. Prenašajo se monosaharidi, aminokisline, nukleotidi, glicerol, nekateri ioni. Značilna je kinetika nasičenosti - pri določeni (nasičeni) koncentraciji prenesene snovi pri prenosu sodelujejo vse nosilne molekule in transportna hitrost doseže mejno vrednost.

aktivni promet- zahteva tudi sodelovanje posebnih nosilnih proteinov, vendar prenos poteka proti koncentracijskemu gradientu in zato zahteva energijo. S pomočjo tega mehanizma se ioni Na+, K+, Ca2+, Mg2+ transportirajo skozi celično membrano, protoni pa skozi mitohondrijsko membrano. Za aktivni transport snovi je značilna kinetika nasičenosti.

9.5.2. Primer transportnega sistema, ki izvaja aktivni transport ionov, je Na+,K+ -adenozin trifosfataza (Na+,K+ -ATPaza ali Na+,K+ -črpalka). Ta protein se nahaja v debelini plazemske membrane in je sposoben katalizirati reakcijo hidrolize ATP. Energija, ki se sprosti pri hidrolizi 1 molekule ATP, se porabi za prenos 3 Na + ionov iz celice v zunajcelični prostor in 2 K + ionov v nasprotni smeri (slika 9.11). Zaradi delovanja Na + , K + -ATPaze nastane razlika v koncentraciji med citosolom celice in zunajcelično tekočino. Ker transport ionov ni enakovreden, nastane razlika električni potenciali. Tako nastane elektrokemični potencial, ki je vsota energije razlike električnih potencialov Δφ in energije razlike v koncentracijah snovi ΔС na obeh straneh membrane.

Slika 9.11. Shema Na+, K+ -črpalke.

9.5.3. Prenos delcev in makromolekularnih spojin skozi membrane

Poleg transporta organskih snovi in ​​ionov, ki ga izvajajo nosilci, je v celici zelo poseben mehanizem, ki je zasnovan tako, da absorbira in odstrani makromolekularne spojine iz celice s spreminjanjem oblike biomembrane. Tak mehanizem se imenuje vezikularni transport.

Slika 9.12. Vrste vezikularnega transporta: 1 - endocitoza; 2 - eksocitoza.

Med prenosom makromolekul pride do zaporedne tvorbe in zlivanja veziklov (vezikel), obdanih z membrano. Glede na smer transporta in naravo prenesenih snovi ločimo naslednje vrste vezikularnega transporta:

Endocitoza(Slika 9.12, 1) - prenos snovi v celico. Glede na velikost nastalih veziklov so:

a) pinocitoza - absorpcija tekočih in raztopljenih makromolekul (beljakovine, polisaharidi, nukleinske kisline) z uporabo majhnih mehurčkov (150 nm v premeru);

b) fagocitoza — absorpcija velikih delcev, kot so mikroorganizmi ali celični ostanki. V tem primeru nastanejo veliki vezikli, imenovani fagosomi s premerom več kot 250 nm.

Pinocitoza je značilna za večino evkariontskih celic, medtem ko velike delce absorbirajo specializirane celice - levkociti in makrofagi. Na prvi stopnji endocitoze se snovi ali delci adsorbirajo na površino membrane, ta proces poteka brez porabe energije. Na naslednji stopnji se membrana z adsorbirano snovjo poglobi v citoplazmo; nastale lokalne invaginacije plazemske membrane se odlepijo s celične površine in tvorijo vezikle, ki nato migrirajo v celico. Ta proces je povezan s sistemom mikrofilamentov in je energijsko odvisen. Mehurčki in fagosomi, ki vstopijo v celico, se lahko združijo z lizosomi. Encimi, ki jih vsebujejo lizosomi, razgradijo snovi, ki jih vsebujejo vezikli in fagosomi, do produktov z nizko molekulsko maso (aminokisline, monosaharidi, nukleotidi), ki se transportirajo v citosol, kjer jih lahko uporabi celica.

Eksocitoza(Slika 9.12, 2) - prenos delcev in velikih spojin iz celice. Ta proces, tako kot endocitoza, poteka z absorpcijo energije. Glavne vrste eksocitoze so:

a) izločanje - odstranitev iz celice vodotopnih spojin, ki se uporabljajo ali vplivajo na druge celice telesa. Izvajajo ga lahko tako nespecializirane celice kot celice endokrinih žlez, sluznice prebavila, prilagojene za izločanje snovi, ki jih proizvajajo (hormoni, nevrotransmiterji, proencimi) glede na specifične potrebe telesa.

Izločeni proteini se sintetizirajo na ribosomih, povezanih z membranami grobega endoplazmatskega retikuluma. Te beljakovine se nato transportirajo v Golgijev aparat, kjer se modificirajo, koncentrirajo, razvrstijo in nato pakirajo v vezikle, ki se razcepijo v citosol in se nato zlijejo s plazemsko membrano, tako da je vsebina mehurčkov zunaj celice.

Za razliko od makromolekul se majhni izločeni delci, kot so protoni, prevažajo iz celice s pomočjo olajšane difuzije in aktivnih transportnih mehanizmov.

b) izločanje - odstranitev iz celice snovi, ki jih ni mogoče uporabiti (na primer odstranitev retikularne snovi iz retikulocitov med eritropoezo, ki je agregirani ostanek organelov). Mehanizem izločanja je očitno sestavljen iz dejstva, da so izločeni delci najprej v citoplazemskem mehurčku, ki se nato zlije s plazemsko membrano.

Veliko večino organizmov, ki živijo na Zemlji, sestavljajo celice, ki so si po svoji kemični sestavi, zgradbi in vitalni aktivnosti v veliki meri podobni. V vsaki celici poteka presnova in pretvorba energije. Delitev celic je osnova procesov rasti in razmnoževanja organizmov. Tako je celica enota strukture, razvoja in razmnoževanja organizmov.

Celica lahko obstaja le kot celovit sistem, nedeljiv na dele. Celotno celovitost zagotavljajo biološke membrane. Celica je element sistema višjega ranga - organizma. Deli in organeli celice, sestavljeni iz kompleksnih molekul, so popolni sistemi nižji čin.

Celica - odprt sistem povezana z okoljem s presnovo in energijo. To je funkcionalni sistem, v katerem vsaka molekula opravlja določene funkcije. Celica ima stabilnost, sposobnost samoregulacije in samoreprodukcije.

Celica je samoupravni sistem. Nadzorni genetski sistem celice predstavljajo kompleksne makromolekule - nukleinska kislina(DNK in RNA).

V letih 1838-1839. Nemška biologa M. Schleiden in T. Schwann sta povzela znanje o celici in oblikovala glavno stališče celične teorije, katere bistvo je, da so vsi organizmi, tako rastlinski kot živalski, sestavljeni iz celic.

Leta 1859 je R. Virchow opisal proces celične delitve in oblikoval eno najpomembnejših določb celične teorije: "Vsaka celica prihaja iz druge celice." Nove celice nastanejo kot posledica delitve matične celice in ne iz necelične snovi, kot se je prej mislilo.

Odkritje jajčec sesalcev s strani ruskega znanstvenika K. Baerja leta 1826 je pripeljalo do zaključka, da je celica osnova razvoja večceličnih organizmov.

Sodobna celična teorija vključuje naslednje določbe:

1) celica je enota zgradbe in razvoja vseh organizmov;

2) celice organizmov iz različnih kraljestev prostoživečih živali so si po strukturi, kemični sestavi, presnovi in ​​glavnih manifestacijah vitalne aktivnosti podobne;

3) nove celice nastanejo kot posledica delitve matične celice;

4) v večceličnem organizmu celice tvorijo tkiva;

5) Organi so sestavljeni iz tkiv.

Z uvodom v biologijo sodobne biološke, fizikalne in kemične metode raziskave so omogočile preučevanje strukture in delovanja različnih komponent celice. Ena od metod za preučevanje celic je mikroskopija. Sodobni svetlobni mikroskop poveča predmete 3000-krat in vam omogoča, da vidite največje organele celice, opazujete gibanje citoplazme in delitev celice.

Izumljen v 40. letih. 20. stoletje Elektronski mikroskop omogoča več deset in sto tisočkrat. V elektronskem mikroskopu se namesto svetlobe uporablja tok elektronov, namesto leč pa elektromagnetna polja. Zato elektronski mikroskop daje jasno sliko pri veliko večjih povečavah. S pomočjo takšnega mikroskopa je bilo mogoče preučevati strukturo celičnih organelov.

Z metodo proučujemo strukturo in sestavo celičnih organelov centrifugiranje. Zdrobljena tkiva z uničenimi celičnimi membranami damo v epruvete in vrtimo v centrifugi z veliko hitrostjo. Metoda temelji na dejstvu, da imajo različne celične organele različne mase in gostote. Bolj goste organele odlagamo v epruveto pri nizkih hitrostih centrifugiranja, manj goste - pri visokih. Te plasti se preučujejo ločeno.

za široko uporabo metoda celične in tkivne kulture, ki je sestavljen iz tega, da lahko iz ene ali več celic na posebnem hranilnem mediju dobite skupino istovrstnih živalskih ali rastlinskih celic in celo vzgojite celo rastlino. S to metodo lahko dobite odgovor na vprašanje, kako se iz ene celice oblikujejo različna tkiva in organi telesa.

Glavna določila celične teorije sta prva oblikovala M. Schleiden in T. Schwann. Celica je enota zgradbe, življenja, razmnoževanja in razvoja vseh živih organizmov. Za preučevanje celic se uporabljajo metode mikroskopije, centrifugiranja, celične in tkivne kulture itd.

Celice gliv, rastlin in živali imajo veliko skupnega ne le v kemični sestavi, ampak tudi v strukturi. Ko celico pregledamo pod mikroskopom, so v njej vidne različne strukture - organele. Vsaka organela opravlja določene funkcije. V celici so trije glavni deli: plazemska membrana, jedro in citoplazma (slika 1).

plazemska membrana loči celico in njeno vsebino od okolja. Na sliki 2 lahko vidite: membrano tvorita dve plasti lipidov, beljakovinske molekule pa prodrejo v debelino membrane.

Glavna funkcija plazemske membrane transport. Zagotavlja oskrbo celice s hranili in odstranjevanje presnovnih produktov iz nje.

Pomembna lastnost membrane je selektivna prepustnost, ali polprepustnost, omogoča celici interakcijo z okoljem: le določene snovi vstopijo in zapustijo vanj. Majhne molekule vode in nekaterih drugih snovi vstopajo v celico z difuzijo, deloma skozi pore v membrani.

Sladkorji, organske kisline, soli so raztopljeni v citoplazmi, celičnem soku vakuol rastlinskih celic. Poleg tega je njihova koncentracija v celici veliko višja kot v okolje. Večja kot je koncentracija teh snovi v celici, bolj absorbira vodo. Znano je, da celica nenehno porablja vodo, zaradi česar se koncentracija celičnega soka poveča in voda ponovno vstopi v celico.

Vstop večjih molekul (glukoze, aminokislin) v celico zagotavljajo transportni proteini membrane, ki jih v povezavi z molekulami transportiranih snovi prenašajo skozi membrano. V ta proces sodelujejo encimi, ki razgrajujejo ATP.

Slika 1. Splošna shema strukture evkariontske celice.
(klikni na sliko za povečavo slike)

Slika 2. Struktura plazemske membrane.
1 - prebadajoče veverice, 2 - potopljene veverice, 3 - zunanje veverice

Slika 3. Shema pinocitoze in fagocitoze.

Še večje molekule beljakovin in polisaharidov vstopijo v celico s fagocitozo (iz grč. phagos- požiranje in kitos- posoda, celica) in kapljice tekočine - s pinocitozo (iz grč. pinot- pijačo in kitos) (slika 3).

Živalske celice so za razliko od rastlinskih obdane z mehkim in prožnim »krznenim plaščem«, ki ga tvorijo predvsem molekule polisaharidov, ki z vezavo na nekatere membranske beljakovine in lipide obdajajo celico od zunaj. Sestava polisaharidov je specifična za različna tkiva, zaradi česar se celice med seboj »prepoznavajo« in povezujejo.

Rastlinske celice nimajo takšnega "krznenega plašča". Nad plazemsko membrano imajo membrano, napolnjeno s porami. celične stene sestavljena pretežno iz celuloze. Niti citoplazme se raztezajo od celice do celice skozi pore in povezujejo celice med seboj. Tako se izvede povezava med celicami in dosežena celovitost telesa.

Celična membrana pri rastlinah igra vlogo močnega okostja in ščiti celico pred poškodbami.

Večina bakterij in vseh gliv ima celično membrano, drugačna je le njena kemična sestava. V glivah je sestavljen iz hitinu podobne snovi.

Celice gliv, rastlin in živali imajo podobno zgradbo. V celici so trije glavni deli: jedro, citoplazma in plazemska membrana. Plazemska membrana je sestavljena iz lipidov in beljakovin. Zagotavlja vstop snovi v celico in njihovo sproščanje iz celice. V celicah rastlin, gliv in večine bakterij je nad plazemsko membrano celična membrana. Opravlja zaščitno funkcijo in igra vlogo okostja. Pri rastlinah je celična stena sestavljena iz celuloze, pri glivah pa iz hitinu podobne snovi. Živalske celice so prekrite s polisaharidi, ki zagotavljajo stik med celicami istega tkiva.

Ali veste, da je glavnina celice citoplazma. Sestavljen je iz vode, aminokislin, beljakovin, ogljikovih hidratov, ATP, ionov neorganskih snovi. Citoplazma vsebuje jedro in organele celice. V njem se snovi premikajo iz enega dela celice v drugega. Citoplazma zagotavlja interakcijo vseh organelov. Tu potekajo kemične reakcije.

Celotna citoplazma je prežeta s tankimi beljakovinskimi mikrotubulami, ki tvorijo celični citoskelet zaradi česar ohranja svojo trajno obliko. Celični citoskelet je fleksibilen, saj lahko mikrotubule spreminjajo svoj položaj, se premikajo z enega konca in skrajšajo z drugega. V celico vstopajo različne snovi. Kaj se jim zgodi v kletki?

V lizosomih - majhnih zaobljenih membranskih mehurčkih (glej sliko 1) se molekule kompleksnih organskih snovi s pomočjo hidrolitičnih encimov razgradijo na enostavnejše molekule. Beljakovine se na primer razgradijo na aminokisline, polisaharidi v monosaharide, maščobe v glicerol in maščobne kisline. Za to funkcijo se lizosome pogosto imenujejo "prebavne postaje" celice.

Če je membrana lizosomov uničena, lahko encimi, ki jih vsebujejo, prebavijo samo celico. Zato se včasih lizosome imenujejo "orodja za ubijanje celice".

Encimatska oksidacija majhnih molekul aminokislin, monosaharidov, ki nastanejo v lizosomih, maščobne kisline in alkoholi do ogljikovega dioksida in vode se začnejo v citoplazmi in končajo v drugih organelah - mitohondrije. Mitohondriji so paličasti, nitasti ali sferični organeli, od citoplazme razmejeni z dvema membranama (slika 4). Zunanja membrana je gladka, notranja pa tvori gube - kriste ki povečajo njegovo površino. Encimi, ki sodelujejo pri reakcijah oksidacije organskih snovi ogljikov dioksid in vodo. V tem primeru se sprosti energija, ki jo celica shrani v molekule ATP. Zato se mitohondrije imenujejo "elektrarne" celice.

V celici se organske snovi ne samo oksidirajo, ampak tudi sintetizirajo. Sinteza lipidov in ogljikovih hidratov se izvaja na endoplazmatskem retikulumu - EPS (slika 5), ​​beljakovin pa - na ribosomih. Kaj je EPS? To je sistem tubulov in cistern, katerih stene tvori membrana. Prežemajo celotno citoplazmo. Skozi kanale ER se snovi premikajo v različne dele celice.

Obstaja gladek in grob EPS. Ogljikovi hidrati in lipidi se sintetizirajo na površini gladkega EPS s sodelovanjem encimov. Hrapavost EPS dajejo majhna zaobljena telesa, ki se nahajajo na njem - ribosomi(glej sliko 1), ki sodelujejo pri sintezi beljakovin.

Sinteza organskih snovi poteka v plastidi najdemo le v rastlinskih celicah.

riž. 4. Shema zgradbe mitohondrijev.
1.- zunanja membrana; 2.- notranja membrana; 3.- gube notranje membrane - kriste.

riž. 5. Shema strukture grobega EPS.

riž. 6. Shema zgradbe kloroplasta.
1.- zunanja membrana; 2.- notranja membrana; 3.- notranja vsebina kloroplasta; 4. - gube notranje membrane, zbrane v "skladovnice" in tvorijo grano.

V brezbarvnih plastidih - levkoplasti(iz grščine. leukos- bela in plastos- ustvarjen) škrob se kopiči. Gomolji krompirja so zelo bogati z levkoplasti. Rumena, oranžna, rdeča barva se daje plodu in cvetju kromoplasti(iz grščine. krom- barva in plastos). Sintetizirajo pigmente, ki sodelujejo pri fotosintezi, - karotenoidi. V življenju rastlin je pomen kloroplasti(iz grščine. kloros- zelenkasto in plastos) - zeleni plastidi. Na sliki 6 lahko vidite, da so kloroplasti prekriti z dvema membranama: zunanjo in notranjo. Notranja membrana tvori gube; med gubami so mehurčki, zloženi v kupe - zrna. Zrna vsebujejo molekule klorofila, ki sodelujejo pri fotosintezi. Vsak kloroplast vsebuje približno 50 zrnc, razporejenih v šahovnici. Ta razporeditev zagotavlja maksimalno osvetlitev vsakega zrna.

V citoplazmi se lahko kopičijo beljakovine, lipidi, ogljikovi hidrati v obliki zrn, kristalov, kapljic. Te vključitev- rezerva hranil, ki jih celica porabi po potrebi.

V rastlinskih celicah se del rezervnih hranil, pa tudi produkti razpadanja, kopičijo v celičnem soku vakuol (glej sliko 1). Lahko predstavljajo do 90 % volumna rastlinske celice. Živalske celice imajo začasne vakuole, ki ne zasedajo več kot 5 % njihove prostornine.

riž. 7. Shema zgradbe Golgijevega kompleksa.

Na sliki 7 vidite sistem votlin, obdanih z membrano. tole golgijev kompleks, ki v celici opravlja različne funkcije: sodeluje pri kopičenju in transportu snovi, njihovem odstranjevanju iz celice, tvorbi lizosomov, celične membrane. V votlino Golgijevega kompleksa na primer vstopijo molekule celuloze, ki se s pomočjo mehurčkov premaknejo na površino celice in se vključijo v celično membrano.

Večina celic se razmnožuje z delitvijo. Ta proces vključuje celični center. Sestavljen je iz dveh centriolov, obdanih z gosto citoplazmo (glej sliko 1). Na začetku delitve se centriole razhajajo proti polom celice. Od njih se razhajajo proteinski filamenti, ki so povezani s kromosomi in zagotavljajo njihovo enakomerno porazdelitev med dvema hčerinskima celicama.

Vsi organeli celice so med seboj tesno povezani. Na primer, beljakovinske molekule se sintetizirajo v ribosomih, ki se prenašajo po kanalih ER do različni deli celice, beljakovine pa se uničijo v lizosomih. Na novo sintetizirane molekule se uporabljajo za izgradnjo celičnih struktur ali se kopičijo v citoplazmi in vakuolah kot rezervna hranila.

Celica je napolnjena s citoplazmo. Citoplazma vsebuje jedro in različne organele: lizosome, mitohondrije, plastide, vakuole, ER, celični center, Golgijev kompleks. Razlikujejo se po svoji strukturi in funkcijah. Vsi organeli citoplazme medsebojno delujejo, kar zagotavlja normalno delovanje celice.

Tabela 1. STRUKTURA CELICE

Najpomembnejša vloga pri vitalni dejavnosti in delitvi celic gliv, rastlin in živali pripada jedru in kromosomom, ki se nahajajo v njem. Večina celic teh organizmov ima eno jedro, obstajajo pa tudi večjedrne celice, kot so mišične celice. Jedro se nahaja v citoplazmi in ima okroglo ali ovalno obliko. Pokrit je z lupino, sestavljeno iz dveh membran. Jedrska membrana ima pore, skozi katere poteka izmenjava snovi med jedrom in citoplazmo. Jedro je napolnjeno z jedrskim sokom, ki vsebuje nukleole in kromosome.

Nukleoli so »delavnice za proizvodnjo« ribosomov, ki nastanejo iz ribosomske RNK, ki nastane v jedru, in beljakovin, sintetiziranih v citoplazmi.

Glavna funkcija jedra - shranjevanje in prenos dednih informacij - je povezana z kromosomov. Vsaka vrsta organizma ima svoj nabor kromosomov: določeno število, obliko in velikost.

Imenujejo se vse telesne celice razen spolnih celic somatsko(iz grščine. som- telo). Celice organizma iste vrste vsebujejo enak niz kromosomov. Na primer, pri ljudeh vsaka celica telesa vsebuje 46 kromosomov, pri sadni mušici Drosophila - 8 kromosomov.

Somatske celice imajo običajno dvojni niz kromosomov. Se imenuje diploidni in označen z 2 n. Torej ima oseba 23 parov kromosomov, to je 2 n= 46. Spolne celice vsebujejo polovico manj kromosomov. Ali je samski oz haploidni, komplet. Oseba 1 n = 23.

Vsi kromosomi v somatskih celicah so za razliko od kromosomov v zarodnih celicah parni. Kromosomi, ki sestavljajo en par, so med seboj enaki. Parni kromosomi se imenujejo homologno. Kromosomi, ki pripadajo različni pari in se razlikujejo po obliki in velikosti, imenovani nehomologna(slika 8).

Pri nekaterih vrstah je lahko število kromosomov enako. Na primer v rdeči detelji in grahu 2 n= 14. Njihovi kromosomi pa se razlikujejo po obliki, velikosti, nukleotidni sestavi molekul DNK.

riž. 8. Nabor kromosomov v celicah Drosophila.

riž. 9. Struktura kromosoma.

Za razumevanje vloge kromosomov pri prenosu dednih informacij se je treba seznaniti z njihovo zgradbo in kemično sestavo.

Kromosomi celice, ki se ne deli, so videti kot dolge tanke niti. Vsak kromosom pred celično delitvijo je sestavljen iz dveh enakih niti - kromatide, ki sta povezana med zožitvenimi plavutmi - (slika 9).

Kromosomi so sestavljeni iz DNK in beljakovin. Ker se nukleotidna sestava DNK razlikuje med različni tipi, je sestava kromosomov za vsako vrsto edinstvena.

Vsaka celica, razen bakterije, ima jedro, ki vsebuje nukleole in kromosome. Za vsako vrsto je značilen določen nabor kromosomov: število, oblika in velikost. V somatskih celicah večine organizmov je nabor kromosomov diploiden, v spolnih celicah pa haploiden. Parni kromosomi se imenujejo homologni. Kromosomi so sestavljeni iz DNK in beljakovin. Molekule DNK zagotavljajo shranjevanje in prenos dednih informacij od celice do celice in od organizma do organizma.

Po obdelavi teh tem bi morali biti sposobni:

1. Povejte, v katerih primerih je treba uporabiti svetlobni mikroskop (struktura), transmisijski elektronski mikroskop.
2. Opiši zgradbo celične membrane in razloži razmerje med zgradbo membrane in njeno sposobnostjo izmenjave snovi med celico in okoljem.
3. Opredelite procese: difuzija, olajšana difuzija, aktivni transport, endocitoza, eksocitoza in osmoza. Opozorite na razlike med temi procesi.
4. Poimenujte funkcije struktur in navedite, v katerih celicah (rastlinskih, živalskih ali prokariontskih) se nahajajo: jedro, jedrska membrana, nukleoplazma, kromosomi, plazemska membrana, ribosom, mitohondrij, celična stena, kloroplast, vakuola, lizosom, gladki endoplazmatski retikulum (agranularno) in hrapavo (granularno), celično središče, golgijev aparat, cilij, biček, mezosom, pili ali fimbrije.
5. Navedite vsaj tri znake, po katerih lahko ločimo rastlinsko celico od živalske.
6. Navedite glavne razlike med prokariontskimi in evkariontskimi celicami.

Ivanova T.V., Kalinova G.S., Myagkova A.N. "Splošna biologija". Moskva, "Razsvetljenje", 2000

• Tema 1. "Plazemska membrana." §1, §8 str. 5;20
• Tema 2. "Kletka." §8-10 str. 20-30
• Tema 3. "Prokariontska celica. Virusi." §11 str. 31-34

Celične membrane

Osnova strukturne organizacije celice je membranski princip strukture, to je, da je celica v glavnem zgrajena iz membran. Vse biološke membrane imajo skupno strukturne značilnosti in lastnosti.

Trenutno je tekočinsko-mozaični model strukture membrane splošno sprejet.

Osnova membrane je lipidni dvoslojni sloj, ki se tvori predvsem fosfolipidi. Lipidi v povprečju ≈40% kemična sestava membrane. V dvosloju so repi molekul v membrani obrnjeni drug proti drugemu, polarne glave pa navzven, zato je površina membrane hidrofilna. Lipidi določajo osnovne lastnosti membran.

Poleg lipidov membrana vsebuje beljakovine (v povprečju ≈60%). Določajo večino specifičnih funkcij membrane. Beljakovinske molekule ne tvorijo neprekinjene plasti (slika 280). Glede na lokalizacijo v membrani so:

© periferne beljakovine- beljakovine, ki se nahajajo na zunanji oz notranja površina lipidni dvosloj;

© polintegralne beljakovine- beljakovine, potopljene v lipidni dvosloj na različnih globinah;

© integralni, oz transmembranski proteini - beljakovine, ki prodirajo skozi membrano, medtem ko so v stiku z zunanjim in notranjim okoljem celice.

Membranski proteini lahko opravljajo različne funkcije:

© transport določenih molekul;

© kataliza reakcij, ki se pojavljajo na membranah;

© ohranjanje strukture membran;

© sprejemanje in pretvarjanje signalov iz okolja.

Membrana lahko vsebuje od 2 do 10 % ogljikovih hidratov. Ogljikovo hidratno komponento membran običajno predstavljajo oligosaharidne ali polisaharidne verige, povezane z beljakovinskimi molekulami (glikoproteini) ali lipidi (glikolipidi). Ogljikovi hidrati se nahajajo predvsem v zunanja površina membrane. Funkcije ogljikovih hidratov celične membrane niso v celoti razjasnjene, vendar lahko rečemo, da zagotavljajo funkcije membranskih receptorjev.

V živalskih celicah glikoproteini tvorijo epimembranski kompleks - glikokaliks, ki ima debelino nekaj deset nanometrov. V njem poteka zunajcelična prebava, locirani so številni celični receptorji in z njegovo pomočjo se očitno pojavi celična adhezija.

Molekule beljakovin in lipidov so mobilne, sposobne se premikati , predvsem v ravnini membrane. Membrane so asimetrične , to pomeni, da je lipidna in beljakovinska sestava zunanje in notranje površine membrane različna.

Debelina plazemske membrane je v povprečju 7,5 nm.

Ena od glavnih funkcij membrane je transport, ki zagotavlja izmenjavo snovi med celico in zunanjim okoljem. Membrane imajo lastnost selektivne prepustnosti, to je, da so dobro prepustne za nekatere snovi ali molekule in slabo prepustne (ali popolnoma neprepustne) za druge. Prepustnost membrane za različne snovi odvisno od lastnosti njihovih molekul (polarnost, velikost itd.) in od značilnosti membran (notranji del lipidne plasti je hidrofoben).

Obstajajo različni mehanizmi za transport snovi čez membrano (slika 281). Glede na potrebo po porabi energije za transport snovi obstajajo:

© pasivni transport- prevoz snovi brez porabe energije;

© aktivni promet- promet, ki uporablja energijo.

Pasivni transport temelji na razliki v koncentracijah in nabojih. Pri pasivnem transportu se snovi vedno premikajo iz območja z višjo koncentracijo v območje z nižjo koncentracijo, torej vzdolž koncentracijskega gradienta. Če je molekula nabita, potem na njen transport vpliva električni gradient. Zato pogosto govorimo o elektrokemičnem gradientu, ki združuje oba gradienta skupaj. Hitrost transporta je odvisna od velikosti naklona.

Obstajajo trije glavni pasivni transportni mehanizmi:

© preprosta difuzija- transport snovi neposredno skozi lipidni dvosloj. Skozi njo zlahka prehajajo plini, nepolarne ali majhne nenaelektrene polarne molekule. Manjša kot je molekula in bolj kot je topna v maščobi, hitreje bo prečkala membrano. Zanimivo je, da voda kljub temu, da je relativno netopna v maščobah, zelo hitro prežema lipidni dvosloj. To je zato, ker je njegova molekula majhna in električno nevtralna. Difuzija vode skozi membrane se imenuje osmoza.

© Olajšana difuzija- transport snovi s pomočjo special

transportne beljakovine, od katerih je vsak odgovoren za transport določenih molekul ali skupin sorodnih molekul. Vzajemno delujejo z molekulo prenesene snovi in ​​jo na nek način premikajo skozi membrano. Tako se v celico transportirajo sladkorji, aminokisline, nukleotidi in številne druge polarne molekule.

Potreba po aktivnem transportu se pojavi, ko je potrebno zagotoviti prenos molekul čez membrano proti elektrokemičnemu gradientu. Ta transport izvajajo nosilne beljakovine, katerih aktivnost zahteva porabo energije. Vir energije so molekule ATP.

Eden najbolj raziskanih aktivnih transportnih sistemov je natrijevo-kalijeva črpalka. Koncentracija K znotraj celice je veliko višja kot zunaj nje, Na pa obratno. Zato K pasivno difundira iz celice skozi vodne pore membrane, Na pa v celico. Hkrati je za normalno delovanje celice pomembno vzdrževanje določenega razmerja ionov K in Na v citoplazmi in v zunanjem okolju. To je mogoče, ker membrana zaradi prisotnosti (Na + K) črpalke aktivno črpa Na iz celice in K v celico. Delovanje (Na + K) črpalke porabi skoraj tretjino celotne energije, potrebne za življenjsko dobo celice.

Črpalka je poseben transmembranski membranski protein, ki je sposoben konformacijskih sprememb, zaradi česar lahko nase veže tako K kot Na ione. Cikel delovanja črpalke (Na + K) je sestavljen iz več faz (slika 282):

© iz notranjosti membrane vstopijo v beljakovino črpalke ioni Na in molekula ATP, od zunaj pa ioni K;

© Ioni Na se združujejo z beljakovinsko molekulo in beljakovina pridobi ATPazno aktivnost, to pomeni, da pridobi sposobnost, da povzroči hidrolizo ATP, ki jo spremlja sproščanje energije, ki požene črpalko;

© fosfat, ki se sprosti med hidrolizo ATP, se veže na beljakovino, to pomeni, da je protein fosforiliran;

© fosforilacija povzroči konformacijske spremembe v beljakovini, ta ne more zadržati ionov Na - ti se sprostijo in gredo izven celice;

© nova konformacija proteina je taka, da je nanj mogoče pritrditi K ione;

© dodatek K ionov povzroči defosforilacijo proteina, zaradi česar ponovno spremeni svojo konformacijo;

© sprememba konformacije beljakovin vodi do sproščanja K ionov znotraj celice;

© Zdaj je beljakovina spet pripravljena, da nase pritrdi ione Na.

V enem ciklu delovanja črpalka iz celice izčrpa 3 ione Na in izčrpa ione 2 K. Ta razlika v številu prenesenih ionov je posledica dejstva, da je prepustnost membrane za ione K višja kot za Na. ioni. V skladu s tem K pasivno difundira iz celice hitreje kot Na v celico.

© pinocitoza - proces zajemanja in absorpcije kapljic tekočine s snovmi, ki so v njej raztopljene.

Eksocitoza- proces odstranjevanja različnih snovi iz celice. Med eksocitozo se membrana mehurčka (ali vakuole), ko je v stiku z zunanjo citoplazemsko membrano, zlije z njo. Vsebina mehurčka se odstrani izven zareze, njegova membrana pa je vključena v sestavo zunanje citoplazemske membrane.