Membrana celulară este structura plană din care este construită celula. Este prezent în toate organismele. Proprietățile sale unice asigură activitatea vitală a celulelor.

Tipuri de membrane

Există trei tipuri de membrane celulare:

• în aer liber;
• nuclear;
• membrane organele.

Membrana citoplasmatică exterioară creează limitele celulei. Nu trebuie confundat cu peretele celular sau membrana găsită în plante, ciuperci și bacterii.

Diferența dintre peretele celular și membrana celulară este într-o grosime mult mai mare și predominanța funcției de protecție asupra schimbului. Membrana este situată sub peretele celular.

Membrana nucleară separă conținutul nucleului de citoplasmă.

TOP 4 articolecare citesc împreună cu asta

Printre organelele celulare se numără cele a căror formă este formată din una sau două membrane:

• mitocondriile;
• plastide;
• vacuole;
• complexul Golgi;
• lizozomi;
• reticulul endoplasmatic (RE).

Structura membranei

Conform conceptelor moderne, structura membranei celulare este descrisă folosind un model de mozaic fluid. Baza membranei este stratul lipidic - două niveluri de molecule lipidice formând un plan. Moleculele de proteine ​​sunt situate pe ambele părți ale stratului bilipid. Unele proteine ​​sunt scufundate în stratul bilipid, unele trec prin el.

Orez. 1. Membrana celulara.

Celulele animale au un complex de carbohidrați pe suprafața membranei. La studierea celulei la microscop, s-a observat că membrana este în mișcare constantă și este eterogenă ca structură.

Membrana este un mozaic atât în ​​sens morfologic, cât și în sens funcțional, deoarece diferitele sale părți conțin substanțe diferite și au proprietăți fiziologice diferite.

Proprietăți și funcții

Orice structură de frontieră îndeplinește funcții de protecție și de schimb. Acest lucru se aplică tuturor tipurilor de membrane.

Implementarea acestor funcții este facilitată de proprietăți precum:

• plastic;
• capacitate mare de recuperare;
• semipermeabilitate.

Proprietatea semi-permeabilității constă în faptul că unele substanțe nu sunt trecute prin membrană, în timp ce altele sunt trecute liber. Astfel se realizează funcția de control a membranei.

De asemenea, membrana exterioară asigură comunicarea între celule datorită numeroaselor excrescențe și eliberării unui adeziv care umple spațiul intercelular.

Transportul substanțelor prin membrană

Substanțele trec prin membrana exterioară în următoarele moduri:

• prin pori cu ajutorul enzimelor;
• prin membrană direct;
• pinocitoză;
• fagocitoză.

Primele două moduri transportă ionii și moleculele mici. Moleculele mari intră în celulă prin pinocitoză (în stare lichidă) și fagocitoză (în formă solidă).

Orez. 2. Schema pino- și fagocitozei.

Membrana înfășoară particulele alimentare și o închide în vacuola digestivă.

Apa și ionii trec în celulă fără consum de energie, prin transport pasiv. Moleculele mari se deplasează prin transport activ, cu cheltuirea resurselor energetice.

transport intracelular

De la 30% la 50% din volumul celular este ocupat de reticulul endoplasmatic. Acesta este un fel de sistem de cavități și canale care conectează toate părțile celulei și asigură un transport intracelular ordonat de substanțe.

Orez. 3. Desen EPS.

Astfel, o masă semnificativă de membrane celulare este concentrată în EPS.

Ce am învățat?

Am aflat ce este o membrană celulară în biologie. Este structura pe care sunt construite toate celulele vii. Semnificația sa în celulă constă în: delimitarea spațiului de organele, a nucleului și a celulei în ansamblu, asigurarea intrării selective a substanțelor în celulă și nucleu. Membrana conține molecule de lipide și proteine.

Test cu subiecte

Raport de evaluare

Rata medie: 4.7. Evaluări totale primite: 485.

Membrană biologică universală format dintr-un strat dublu de molecule de fosfolipide cu o grosime totală de 6 microni. În acest caz, cozile hidrofobe ale moleculelor de fosfolipide sunt întoarse spre interior, unele către altele, iar capetele hidrofile polare sunt întoarse în exteriorul membranei, spre apă. Lipidele oferă principalele proprietăți fizico-chimice ale membranelor, în special, ale acestora fluiditate la temperatura corpului. Proteinele sunt încorporate în acest strat dublu lipidic.

Ele sunt subdivizate în integrală(penetrează întregul strat dublu lipidic), semi-integral(penetrează până la jumătate din stratul dublu lipidic) sau suprafața (situată pe suprafața interioară sau exterioară a stratului dublu lipidic).

În același timp, moleculele de proteine ​​sunt dispuse mozaic în stratul dublu lipidic și pot „înota” în „marea lipidică” precum aisbergurile, datorită fluidității membranelor. În funcție de funcția lor, aceste proteine ​​pot fi structural(menținerea unei anumite structuri a membranei), receptor(pentru a forma receptori pentru substanțele biologic active), transport(efectuează transportul de substanţe prin membrană) şi enzimatic(cataliza anumite reactii chimice). Acesta este în prezent cel mai recunoscut model mozaic fluid Membrana biologică a fost propusă în 1972 de Singer și Nikolson.

Membranele îndeplinesc o funcție de delimitare în celulă. Ele împart celula în compartimente, compartimente în care procesele și reacțiile chimice pot decurge independent unele de altele. De exemplu, enzimele hidrolitice agresive ale lizozomilor, care sunt capabile să descompună majoritatea moleculelor organice, sunt separate de restul citoplasmei printr-o membrană. În cazul distrugerii acestuia, au loc autodigestia și moartea celulelor.

Având un plan structural comun, diferitele membrane celulare biologice diferă prin compoziția chimică, organizarea și proprietățile lor, în funcție de funcțiile structurilor pe care le formează.

Membrana plasmatica, structura, functiile.

Citolema este membrana biologică care înconjoară exteriorul celulei. Aceasta este cea mai groasă (10 nm) și cea mai complexă membrană celulară organizată. Are la bază o membrană biologică universală, acoperită la exterior glicocalixși din interior, din partea citoplasmei, strat submembranar(Fig.2-1B). Glicocalix(3-4 nm grosime) este reprezentată de secțiunile exterioare, carbohidrate, ale proteinelor complexe - glicoproteine ​​și glicolipide care alcătuiesc membrana. Aceste lanțuri de carbohidrați joacă rolul de receptori care asigură faptul că celula recunoaște celulele vecine și substanța intercelulară și interacționează cu acestea. Acest strat include, de asemenea, proteine ​​de suprafață și semi-integrale, ale căror locuri funcționale sunt situate în zona supramembranară (de exemplu, imunoglobuline). Glicocalixul conține receptori de histocompatibilitate, receptori pentru mulți hormoni și neurotransmițători.

Submembrană, strat cortical format din microtubuli, microfibrile și microfilamente contractile, care fac parte din citoscheletul celulei. Stratul submembranar menține forma celulei, îi creează elasticitatea și asigură modificări ale suprafeței celulei. Din acest motiv, celula participă la endo- și exocitoză, secreție și mișcare.

Citolema împlinește o multime de funcții:

1) delimitare (citolema separă, delimitează celula de mediu și asigură legătura acesteia cu mediul extern);

2) recunoașterea de către această celulă a altor celule și atașarea la acestea;

3) recunoașterea de către celulă a substanței intercelulare și atașarea la elementele acesteia (fibre, membrana bazală);

4) transportul de substanțe și particule în și din citoplasmă;

5) interacțiunea cu moleculele semnal (hormoni, mediatori, citokine) datorită prezenței unor receptori specifici pentru acestea pe suprafața sa;

1. asigură deplasarea celulară (formarea pseudopodiilor) datorită conexiunii citolemei cu elementele contractile ale citoscheletului.

Citolema conține numeroase receptori, prin care substanțe biologic active ( liganzi, molecule semnal, primi mesageri: hormoni, mediatori, factori de crestere) actioneaza asupra celulei. Receptorii sunt senzori macromoleculari determinați genetic (proteine, glico- și lipoproteine) încorporați în citolemă sau localizați în interiorul celulei și specializați în perceperea unor semnale specifice de natură chimică sau fizică. Substanțele biologic active, atunci când interacționează cu receptorul, provoacă o cascadă de modificări biochimice în celulă, transformându-se în același timp într-un răspuns fiziologic specific (modificarea funcției celulare).

Toți receptorii au un plan structural comun și sunt formați din trei părți: 1) supramembrană, care interacționează cu o substanță (ligand); 2) intramembranar, care efectuează transferul de semnal și 3) intracelular, cufundat în citoplasmă.

Tipuri de contacte intercelulare.

Citolema este, de asemenea, implicată în formarea de structuri speciale - conexiuni intercelulare, contacte, care asigură o interacțiune strânsă între celulele adiacente. Distinge simpluși complex conexiuni intercelulare. LA simpluÎn joncțiunile intercelulare, citolemele celulelor se apropie unele de altele la o distanță de 15-20 nm și moleculele glicocalixului lor interacționează între ele (Fig. 2-3). Uneori, proeminența citolemei unei celule intră în depresiunea celulei vecine, formând conexiuni zimțate și asemănătoare degetelor (conexiuni „ca o lacăt”).

Complex conexiunile intercelulare sunt de mai multe tipuri: blocare, fixareși comunicare(Fig. 2-3). La blocare compușii includ contact strâns sau zona de blocare. În același timp, proteinele integrale ale glicocalixului celulelor învecinate formează un fel de rețea de plasă de-a lungul perimetrului celulelor epiteliale învecinate în părțile lor apicale. Din acest motiv, golurile intercelulare sunt blocate, delimitate de mediul extern (Fig. 2-3).

Orez. 2-3. Diverse tipuri de conexiuni intercelulare.

1. Conexiune simplă.
2. Conexiune strânsă.
3. Banda adezivă.
4. Desmosom.
5. Hemidesmozom.
6. Conexiune cu fante (comunicare).
7. Microvilozități.

(După Yu. I. Afanasiev, N. A. Yurina).

La legarea, compușii de ancorare includ adeziv centurași desmozomi. Banda adezivă situat în jurul părților apicale ale celulelor unui epiteliu cu un singur strat. În această zonă, glicoproteinele glicocalice integrale ale celulelor învecinate interacționează între ele, iar proteinele submembranare, inclusiv mănunchiuri de microfilamente de actină, se apropie de ele din citoplasmă. Desmozomi (plasturi de aderență)– structuri pereche cu dimensiunea de aproximativ 0,5 µm. În ele, glicoproteinele citolemei celulelor învecinate interacționează strâns, iar din partea celulelor din aceste zone, mănunchiuri de filamente intermediare ale citoscheletului celular sunt țesute în citolemă (Fig. 2-3).

La conexiuni de comunicare referi joncțiuni gap (nexus) și sinapse. Legături au o dimensiune de 0,5-3 microni. În ele, citolemele celulelor învecinate converg până la 2-3 nm și au numeroase canale ionice. Prin intermediul acestora, ionii pot trece de la o celulă la alta, transmitând excitația, de exemplu, între celulele miocardice. sinapsele caracteristice tesutului nervos si se gasesc intre celulele nervoase, precum si intre celulele nervoase si efectoare (musculare, glandulare). Au o despicatură sinaptică, unde, atunci când un impuls nervos trece din partea presinaptică a sinapsei, este eliberat un neurotransmițător care transmite un impuls nervos către o altă celulă (pentru mai multe detalii, vezi capitolul „Țesut nervos”).

membrana celulara

Imaginea unei membrane celulare. Bilele mici albastre și albe corespund „capetelor” hidrofobe ale fosfolipidelor, iar liniile atașate acestora corespund „cozilor” hidrofile. Figura prezintă doar proteinele membranare integrale (globule roșii și elice galbene). Puncte ovale galbene în interiorul membranei - molecule de colesterol Lanțuri galben-verzui de margele pe exteriorul membranei - lanțuri de oligozaharide care formează glicocalixul

Membrana biologică include, de asemenea, diverse proteine: integrale (pătrund prin membrana), semi-integrale (cufundate la un capăt în stratul lipidic exterior sau interior), de suprafață (situată pe exteriorul sau adiacent părților interioare ale membranei). Unele proteine ​​sunt punctele de contact ale membranei celulare cu citoscheletul din interiorul celulei și cu peretele celular (dacă există) în exterior. Unele dintre proteinele integrale funcționează ca canale ionice, diferiți transportatori și receptori.

Funcții

• bariera – asigura un metabolism reglat, selectiv, pasiv si activ cu mediul. De exemplu, membrana peroxizomală protejează citoplasma de peroxizii periculoși pentru celulă. Permeabilitatea selectivă înseamnă că permeabilitatea unei membrane la diferiți atomi sau molecule depinde de dimensiunea, sarcina electrică și proprietățile chimice ale acestora. Permeabilitatea selectivă asigură separarea celulelor și compartimentelor celulare de mediu și le aprovizionează cu substanțele necesare.
• transport - prin membrana are loc un transport de substante in celula si in afara celulei. Transportul prin membrane asigură: livrarea nutrienților, îndepărtarea produșilor finali ai metabolismului, secreția diferitelor substanțe, crearea gradienților ionici, menținerea optimului și a concentrației ionilor în celulă, care sunt necesari pentru funcționare. a enzimelor celulare.
  Particule care din anumite motive nu pot traversa stratul dublu fosfolipidic (de exemplu, din cauza proprietăților hidrofile, deoarece membrana este hidrofobă în interior și nu permite trecerea substanțelor hidrofile sau din cauza dimensiunii lor mari), dar necesare celulei , poate pătrunde în membrană prin proteine ​​transportoare speciale (transportatori) și proteine ​​canale sau prin endocitoză.
  În transportul pasiv, substanțele traversează stratul dublu lipidic fără a consuma energie de-a lungul gradientului de concentrație prin difuzie. O variantă a acestui mecanism este difuzia facilitată, în care o moleculă specifică ajută o substanță să treacă prin membrană. Această moleculă poate avea un canal care permite trecerea unui singur tip de substanță.
  Transportul activ necesită energie, deoarece are loc împotriva unui gradient de concentrație. Există proteine ​​speciale de pompă pe membrană, inclusiv ATPaza, care pompează activ ionii de potasiu (K +) în celulă și pompează ionii de sodiu (Na +) din ea.
• matrice - asigură o anumită poziție relativă și orientare a proteinelor membranare, interacțiunea optimă a acestora.
• mecanic - asigură autonomia celulei, structurile ei intracelulare, precum și legătura cu alte celule (în țesuturi). Pereții celulari joacă un rol important în asigurarea funcției mecanice, iar la animale - substanță intercelulară.
• energie - în timpul fotosintezei în cloroplaste și a respirației celulare în mitocondrii, în membranele lor funcționează sisteme de transfer de energie, la care participă și proteinele;
• receptor – unele proteine ​​situate în membrană sunt receptori (molecule cu care celula percepe anumite semnale).
  De exemplu, hormonii care circulă în sânge acționează doar asupra celulelor țintă care au receptori corespunzători acestor hormoni. Neurotransmițătorii (substanțe chimice care conduc impulsurile nervoase) se leagă, de asemenea, de proteine ​​specifice receptorului de pe celulele țintă.
• enzimatice - proteinele membranare sunt adesea enzime. De exemplu, membranele plasmatice ale celulelor epiteliale intestinale conțin enzime digestive.
• implementarea generarii si conducerii biopotentialelor.
  Cu ajutorul membranei, în celulă se menține o concentrație constantă de ioni: concentrația ionului K + în interiorul celulei este mult mai mare decât în ​​exterior, iar concentrația Na + este mult mai mică, ceea ce este foarte important, deoarece aceasta menține diferența de potențial de-a lungul membranei și generează un impuls nervos.
• marcarea celulelor – pe membrană există antigene care acționează ca markeri – „etichete” care permit identificarea celulei. Acestea sunt glicoproteine ​​(adică proteine ​​cu lanțuri laterale ramificate de oligozaharide atașate) care joacă rolul de „antene”. Datorită multitudinii de configurații ale lanțului lateral, este posibil să se facă un marker specific pentru fiecare tip de celulă. Cu ajutorul markerilor, celulele pot recunoaște alte celule și pot acționa împreună cu acestea, de exemplu, atunci când formează organe și țesuturi. De asemenea, permite sistemului imunitar să recunoască antigenele străine.

Structura și compoziția biomembranelor

Membranele sunt compuse din trei clase de lipide: fosfolipide, glicolipide și colesterol. Fosfolipidele și glicolipidele (lipide cu carbohidrați atașați la ele) constau din două „cozi” lungi de hidrocarburi hidrofobe care sunt asociate cu un „cap” hidrofil încărcat. Colesterolul rigidizează membrana ocupând spațiul liber dintre cozile lipidelor hidrofobe și împiedicând îndoirea acestora. Prin urmare, membranele cu un conținut scăzut de colesterol sunt mai flexibile, în timp ce cele cu un conținut ridicat de colesterol sunt mai rigide și mai casante. Colesterolul servește, de asemenea, ca un „oprior” care împiedică mișcarea moleculelor polare din și în celulă. O parte importantă a membranei este alcătuită din proteine ​​care o pătrund și sunt responsabile pentru diferite proprietăți ale membranelor. Compoziția și orientarea lor în diferite membrane diferă.

Membranele celulare sunt adesea asimetrice, adică straturile diferă în ceea ce privește compoziția lipidelor, tranziția unei molecule individuale de la un strat la altul (așa-numitul flip-flop) este dificil.

Organele membranare

Acestea sunt secțiuni închise unice sau interconectate ale citoplasmei, separate de hialoplasmă prin membrane. Organelele cu o singură membrană includ reticulul endoplasmatic, aparatul Golgi, lizozomii, vacuolele, peroxizomii; la două membrane - nucleu, mitocondrii, plastide. Structura membranelor diferitelor organite diferă în compoziția lipidelor și a proteinelor membranare.

Permeabilitate selectivă

Membranele celulare au permeabilitate selectivă: glucoza, aminoacizii, acizii grași, glicerolul și ionii difuzează lent prin ele, iar membranele în sine reglează activ acest proces într-o anumită măsură - unele substanțe trec, în timp ce altele nu. Există patru mecanisme principale de intrare a substanțelor în celulă sau îndepărtarea lor din celulă în exterior: difuzia, osmoza, transportul activ și exo- sau endocitoza. Primele două procese sunt de natură pasivă, adică nu necesită energie; ultimele două sunt procese active asociate cu consumul de energie.

Permeabilitatea selectivă a membranei în timpul transportului pasiv se datorează unor canale speciale - proteine ​​integrale. Ele pătrund prin membrana prin și prin, formând un fel de trecere. Elementele K, Na și Cl au propriile lor canale. În ceea ce privește gradientul de concentrație, moleculele acestor elemente se deplasează în interior și în afara celulei. Când sunt iritate, canalele ionice de sodiu se deschid și există un aflux puternic de ioni de sodiu în celulă. Acest lucru are ca rezultat un dezechilibru în potențialul membranei. După aceea, potențialul membranei este restabilit. Canalele de potasiu sunt întotdeauna deschise, prin care ionii de potasiu intră încet în celulă.

Vezi si

Literatură

• Antonov V. F., Smirnova E. N., Shevchenko E. V. Membrane lipidice în timpul tranzițiilor de fază. - M .: Nauka, 1994.
• Gennis R. Biomembrane. Structura și funcțiile moleculare: traducere din engleză. = Biomembrane. Structura și funcția moleculară (de Robert B. Gennis). - editia I. - M .: Mir, 1997. - ISBN 5-03-002419-0
• Ivanov V. G., Berestovsky T. N. bistratul lipidic al membranelor biologice. - M .: Nauka, 1982.
• Rubin A.B. Biofizică, manual în 2 vol. - Ediția a 3-a, revizuită și extinsă. - M .: Moscow University Press, 2004. - ISBN 5-211-06109-8
• Bruce Alberts și colab.

Toate organismele vii de pe Pământ sunt formate din celule, iar fiecare celulă este înconjurată de o înveliș protector - o membrană. Cu toate acestea, funcțiile membranei nu se limitează la protejarea organelelor și separarea unei celule de alta. Membrana celulară este un mecanism complex care este direct implicat în reproducere, regenerare, nutriție, respirație și multe alte funcții celulare importante.

Termenul „membrană celulară” este folosit de aproximativ o sută de ani. Cuvântul „membrană” în traducere din latină înseamnă „film”. Dar în cazul unei membrane celulare, mai corect ar fi să vorbim despre o combinație de două filme interconectate într-un anumit fel, în plus, fețele diferite ale acestor filme au proprietăți diferite.

Membrana celulară (citolemă, plasmalemă) este o înveliș de lipoproteină (grăsime-proteină) cu trei straturi care separă fiecare celulă de celulele vecine și de mediu și realizează un schimb controlat între celule și mediu.

De o importanță decisivă în această definiție nu este faptul că membrana celulară separă o celulă de alta, ci că asigură interacțiunea acesteia cu alte celule și cu mediul. Membrana este o structură a celulei foarte activă, care funcționează constant, căreia îi sunt atribuite multe funcții de către natură. Din articolul nostru, veți afla totul despre compoziția, structura, proprietățile și funcțiile membranei celulare, precum și pericolul reprezentat pentru sănătatea umană de tulburările de funcționare a membranelor celulare.

Istoria cercetării membranei celulare

În 1925, doi oameni de știință germani, Gorter și Grendel, au reușit să efectueze un experiment complex pe globule roșii umane, eritrocite. Folosind șocul osmotic, cercetătorii au obținut așa-numitele „umbre” - cochilii goale de globule roșii, apoi le-au pus într-o grămadă și au măsurat suprafața. Următorul pas a fost să se calculeze cantitatea de lipide din membrana celulară. Cu ajutorul acetonei, oamenii de știință au izolat lipidele din „umbre” și au stabilit că acestea sunt doar suficiente pentru un strat dublu continuu.

Cu toate acestea, în timpul experimentului, s-au făcut două erori grave:

Utilizarea acetonei nu permite izolarea tuturor lipidelor din membrane;

Suprafața „umbrelor” a fost calculată în funcție de greutatea uscată, care este, de asemenea, incorectă.

Deoarece prima eroare a dat un minus în calcule, iar a doua a dat un plus, rezultatul general s-a dovedit a fi surprinzător de precis, iar oamenii de știință germani au adus cea mai importantă descoperire în lumea științifică - stratul dublu lipidic al membranei celulare.

În 1935, o altă pereche de cercetători, Danielly și Dawson, după lungi experimente pe filme bilipidice, au ajuns la concluzia că proteinele sunt prezente în membranele celulare. Nu exista altă modalitate de a explica de ce aceste filme au o tensiune superficială atât de mare. Oamenii de știință au prezentat în atenția publicului un model schematic al unei membrane celulare, asemănător unui sandviș, în care rolul feliilor de pâine este jucat de straturi omogene lipido-proteice, iar între ele în loc de ulei se află golul.

În 1950, folosind primul microscop electronic, teoria Danielly-Dawson a fost parțial confirmată - două straturi formate din capete de lipide și proteine ​​erau clar vizibile pe micrografiile membranei celulare, iar între ele exista un spațiu transparent plin doar cu cozi de lipide. si proteine.

În 1960, ghidat de aceste date, microbiologul american J. Robertson a dezvoltat o teorie despre structura în trei straturi a membranelor celulare, care multă vreme a fost considerată singura adevărată. Cu toate acestea, pe măsură ce știința s-a dezvoltat, s-au născut din ce în ce mai multe îndoieli cu privire la omogenitatea acestor straturi. Din punctul de vedere al termodinamicii, o astfel de structură este extrem de nefavorabilă - ar fi foarte dificil pentru celule să transporte substanțe în și afară prin întregul „sandviș”. În plus, s-a dovedit că membranele celulare ale diferitelor țesuturi au grosimi și metode de atașare diferite, ceea ce se datorează diferitelor funcții ale organelor.

În 1972, microbiologii S.D. Cantareata si G.L. Nicholson a reușit să explice toate inconsecvențele teoriei lui Robertson cu ajutorul unui nou model fluid-mozaic al membranei celulare. Oamenii de știință au descoperit că membrana este eterogenă, asimetrică, plină de lichid, iar celulele sale sunt în mișcare constantă. Și proteinele care o compun au o structură și un scop diferit, în plus, ele sunt situate diferit față de stratul bilipid al membranei.

Membranele celulare conțin trei tipuri de proteine:

Periferic - atașat la suprafața filmului;

semi-integral- pătrunde parțial în stratul bilipid;

Integral - pătrunde complet în membrană.

Proteinele periferice sunt asociate cu capetele lipidelor membranare prin interacțiune electrostatică și nu formează niciodată un strat continuu, așa cum se credea anterior. Și proteinele semi-integrale și integrale servesc la transportul oxigenului și a nutrienților în celulă, precum și la eliminarea degradarii. produse din acesta și multe altele pentru câteva caracteristici importante, despre care veți afla mai târziu.

Membrana celulară îndeplinește următoarele funcții:

Bariera - permeabilitatea membranei pentru diferite tipuri de molecule nu este aceeași.Pentru a ocoli membrana celulară, molecula trebuie să aibă o anumită dimensiune, proprietăți chimice și sarcină electrică. Moleculele dăunătoare sau neadecvate, datorită funcției de barieră a membranei celulare, pur și simplu nu pot pătrunde în celulă. De exemplu, cu ajutorul reacției peroxidului, membrana protejează citoplasma de peroxizii care sunt periculoși pentru aceasta;

Transport - un schimb pasiv, activ, reglat și selectiv trece prin membrană. Metabolismul pasiv este potrivit pentru substanțele și gazele solubile în grăsimi constând din molecule foarte mici. Astfel de substanțe pătrund în și din celulă fără consum de energie, liber, prin difuzie. Funcția de transport activ a membranei celulare este activată atunci când este necesar, dar substanțele dificil de transportat trebuie transportate în interiorul sau în afara celulei. De exemplu, cei cu o dimensiune moleculară mare sau care nu pot traversa stratul bilipid din cauza hidrofobicității. Apoi încep să funcționeze pompele de proteine, inclusiv ATPaza, care este responsabilă pentru absorbția ionilor de potasiu în celulă și ejecția ionilor de sodiu din aceasta. Transportul reglat este esențial pentru funcțiile de secreție și fermentație, cum ar fi atunci când celulele produc și secretă hormoni sau suc gastric. Toate aceste substanțe părăsesc celulele prin canale speciale și într-un volum dat. Iar funcția de transport selectiv este asociată cu proteinele foarte integrale care pătrund în membrană și servesc drept canal pentru intrarea și ieșirea unor tipuri de molecule strict definite;

Matrice - membrana celulară determină și fixează localizarea organelelor unele față de altele (nucleu, mitocondrii, cloroplaste) și reglează interacțiunea dintre ele;

Mecanic - asigură restrângerea unei celule de alta, și, în același timp, conectarea corectă a celulelor într-un țesut omogen și rezistența organelor la deformare;

Protectoare - atât la plante, cât și la animale, membrana celulară servește drept bază pentru construirea unui cadru de protecție. Un exemplu este lemnul tare, coaja densă, spinii înțepător. În lumea animală, există și multe exemple ale funcției protectoare a membranelor celulare - carapace țestoasă, carapace chitinoasă, copite și coarne;

Energie - procesele de fotosinteză și respirație celulară ar fi imposibile fără participarea proteinelor membranei celulare, deoarece celulele schimbă energie cu ajutorul canalelor de proteine;

Receptor – proteinele încorporate în membrana celulară pot avea o altă funcție importantă. Acestea servesc ca receptori prin care celula primește un semnal de la hormoni și neurotransmițători. Și acest lucru, la rândul său, este necesar pentru conducerea impulsurilor nervoase și pentru cursul normal al proceselor hormonale;

Enzimatică - o altă funcție importantă inerentă unor proteine ​​ale membranelor celulare. De exemplu, în epiteliul intestinal, enzimele digestive sunt sintetizate cu ajutorul unor astfel de proteine;

Biopotenţial- concentrația ionilor de potasiu în interiorul celulei este mult mai mare decât în ​​exterior, iar concentrația ionilor de sodiu, dimpotrivă, este mai mare în exterior decât în ​​interior. Așa se explică diferența de potențial: în interiorul celulei sarcina este negativă, în exterior este pozitivă, ceea ce contribuie la mișcarea substanțelor în celulă și în afară în oricare dintre cele trei tipuri de metabolism - fagocitoză, pinocitoză și exocitoză;

Marcare - pe suprafața membranelor celulare există așa-numitele „etichete” - antigene formate din glicoproteine ​​(proteine ​​cu lanțuri laterale de oligozaharide ramificate atașate acestora). Deoarece lanțurile laterale pot avea o mare varietate de configurații, fiecare tip de celulă primește propria etichetă unică, care permite altor celule din organism să le recunoască „din vedere” și să răspundă corect la ele. De aceea, de exemplu, celulele imune umane, macrofagele, recunosc cu ușurință un străin care a intrat în organism (infecție, virus) și încearcă să-l distrugă. Același lucru se întâmplă cu celulele bolnave, mutante și vechi - eticheta de pe membrana lor celulară se schimbă și organismul scăpa de ele.

Schimbul celular are loc prin membrane și poate fi realizat prin trei tipuri principale de reacții:

Fagocitoza este un proces celular în care celulele fagocitare înglobate în membrană captează și digeră particule solide de nutrienți. În corpul uman, fagocitoza este efectuată de membranele a două tipuri de celule: granulocite (leucocite granulare) și macrofage (celule ucigașe ale sistemului imunitar);

Pinocitoza este procesul de captare a moleculelor lichide care vin în contact cu acesta de către suprafața membranei celulare. Pentru alimentația prin tipul de pinocitoză, celula crește excrescențe subțiri pufoase sub formă de antene pe membrana sa, care, parcă, înconjoară o picătură de lichid și se obține un balon. În primul rând, această veziculă iese deasupra suprafeței membranei, apoi este „înghițită” - se ascunde în interiorul celulei, iar pereții ei se îmbină cu suprafața interioară a membranei celulare. Pinocitoza apare în aproape toate celulele vii;

Exocitoza este un proces invers în care în interiorul celulei se formează vezicule cu un fluid funcțional secretor (enzimă, hormon) și trebuie să fie eliminate cumva din celulă în mediu. Pentru a face acest lucru, bula se contopește mai întâi cu suprafața interioară a membranei celulare, apoi se umflă spre exterior, izbucnește, expulzează conținutul și se contopește din nou cu suprafața membranei, de data aceasta din exterior. Exocitoza are loc, de exemplu, în celulele epiteliului intestinal și a cortexului suprarenal.

Membranele celulare conțin trei clase de lipide:

fosfolipide;

Glicolipide;

Colesterolul.

Fosfolipidele (o combinație de grăsimi și fosfor) și glicolipidele (o combinație de grăsimi și carbohidrați), la rândul lor, constau dintr-un cap hidrofil, din care se extind două cozi hidrofobe lungi. Dar colesterolul ocupă uneori spațiul dintre aceste două cozi și nu le permite să se îndoaie, ceea ce face ca membranele unor celule să fie rigide. În plus, moleculele de colesterol eficientizează structura membranelor celulare și împiedică tranziția moleculelor polare de la o celulă la alta.

Dar cea mai importantă componentă, așa cum se poate observa din secțiunea anterioară despre funcțiile membranelor celulare, sunt proteinele. Compoziția, scopul și localizarea lor sunt foarte diverse, dar există ceva în comun care le unește pe toate: lipidele inelare sunt întotdeauna situate în jurul proteinelor membranelor celulare. Acestea sunt grăsimi speciale care sunt clar structurate, stabile, au mai mulți acizi grași saturati în compoziția lor și sunt eliberate din membrane împreună cu proteinele „sponsorizate”. Acesta este un fel de înveliș personal de protecție pentru proteine, fără de care pur și simplu nu ar funcționa.

Structura membranei celulare este în trei straturi. Un strat bilipid lichid relativ omogen se află în mijloc, iar proteinele îl acoperă pe ambele părți cu un fel de mozaic, pătrunzând parțial în grosime. Adică, ar fi greșit să credem că straturile proteice exterioare ale membranelor celulare sunt continue. Proteinele, pe lângă funcțiile lor complexe, sunt necesare în membrană pentru a trece în interiorul celulelor și a transporta din ele acele substanțe care nu sunt capabile să pătrundă în stratul de grăsime. De exemplu, ionii de potasiu și sodiu. Pentru ei, sunt furnizate structuri speciale de proteine ​​- canale ionice, despre care vom discuta mai detaliat mai jos.

Dacă te uiți la membrana celulară printr-un microscop, poți vedea un strat de lipide format din cele mai mici molecule sferice, de-a lungul căruia plutesc, ca și marea, celule proteice mari de diferite forme. Exact aceleași membrane împart spațiul intern al fiecărei celule în compartimente în care sunt amplasate confortabil nucleul, cloroplastele și mitocondriile. Dacă nu ar exista „încăperi” separate în interiorul celulei, organelele s-ar lipi împreună și nu și-ar putea îndeplini corect funcțiile.

O celulă este un ansamblu de organite structurate și delimitate de membrane, care este implicată într-un complex de procese energetice, metabolice, informaționale și reproductive care asigură activitatea vitală a organismului.

După cum se poate observa din această definiție, membrana este cea mai importantă componentă funcțională a oricărei celule. Semnificația sa este la fel de mare ca cea a nucleului, mitocondriilor și a altor organite celulare. Iar proprietățile unice ale membranei se datorează structurii sale: constă din două filme lipite împreună într-un mod special. Moleculele de fosfolipide din membrană sunt situate cu capetele hidrofile spre exterior și cozile hidrofobe spre interior. Prin urmare, o parte a filmului este umezită de apă, în timp ce cealaltă nu este. Așadar, aceste filme sunt conectate între ele cu părțile care nu sunt umectabile spre interior, formând un strat bilipid înconjurat de molecule de proteine. Aceasta este structura „sandwich” a membranei celulare.

Canalele ionice ale membranelor celulare

Să luăm în considerare mai detaliat principiul de funcționare al canalelor ionice. Pentru ce sunt necesare? Faptul este că numai substanțele solubile în grăsimi pot pătrunde liber prin membrana lipidică - acestea sunt în sine gaze, alcooli și grăsimi. Deci, de exemplu, în celulele roșii din sânge există un schimb constant de oxigen și dioxid de carbon, iar pentru aceasta corpul nostru nu trebuie să recurgă la niciun truc suplimentar. Dar ce se întâmplă atunci când devine necesară transportarea soluțiilor apoase, cum ar fi sărurile de sodiu și potasiu, prin membrana celulară?

Ar fi imposibil să deschidem calea pentru astfel de substanțe în stratul bilipid, deoarece găurile s-ar strânge imediat și s-ar lipi înapoi, așa este structura oricărui țesut adipos. Dar natura, ca întotdeauna, a găsit o cale de ieșire din situație și a creat structuri speciale de transport de proteine.

Există două tipuri de proteine ​​conductoare:

Transportoarele sunt pompe semi-integrale de proteine;

Canaloformatorii sunt proteine ​​integrale.

Proteinele de primul tip sunt parțial scufundate în stratul bilipid al membranei celulare și privesc cu capul, iar în prezența substanței dorite, încep să se comporte ca o pompă: atrag o moleculă și o sug în celulă. Și proteinele de al doilea tip, integrale, au o formă alungită și sunt situate perpendicular pe stratul bilipid al membranei celulare, pătrunzând în el prin și prin. Prin ele, ca prin tuneluri, substanțele care nu pot trece prin grăsime se deplasează în și din celulă. Prin canalele ionice, ionii de potasiu pătrund în celulă și se acumulează în ea, în timp ce ionii de sodiu, dimpotrivă, sunt scoși la exterior. Exista o diferenta de potentiale electrice, atat de necesara pentru buna functionare a tuturor celulelor corpului nostru.

Cele mai importante concluzii despre structura și funcțiile membranelor celulare

Teoria pare întotdeauna interesantă și promițătoare dacă poate fi aplicată util în practică. Descoperirea structurii și funcțiilor membranelor celulare ale corpului uman a permis oamenilor de știință să facă o adevărată descoperire în știință în general, și în medicină în special. Nu întâmplător ne-am ocupat atât de detaliat asupra canalelor ionice, pentru că aici se află răspunsul la una dintre cele mai importante întrebări ale timpului nostru: de ce oamenii se îmbolnăvesc din ce în ce mai mult de oncologie?

Cancerul provoacă aproximativ 17 milioane de vieți în întreaga lume în fiecare an și este a patra cauză principală a tuturor deceselor. Potrivit OMS, incidența cancerului crește constant, iar până la sfârșitul anului 2020 ar putea ajunge la 25 de milioane pe an.

Ce explică adevărata epidemie de cancer și ce legătură are funcția membranelor celulare cu aceasta? Veți spune: motivul este în condițiile proaste de mediu, malnutriția, obiceiurile proaste și ereditatea severă. Și, desigur, vei avea dreptate, dar dacă vorbim despre problemă mai detaliat, atunci motivul este acidificarea corpului uman. Factorii negativi enumerați mai sus duc la perturbarea membranelor celulare, inhibă respirația și nutriția.

Acolo unde ar trebui să existe un plus, se formează un minus, iar celula nu poate funcționa normal. Dar celulele canceroase nu au nevoie nici de oxigen, nici de un mediu alcalin - sunt capabile să utilizeze un tip de nutriție anaerobă. Prin urmare, în condiții de înfometare de oxigen și niveluri ale pH-ului în afara scară, celulele sănătoase suferă mutații, dorind să se adapteze la mediu și devin celule canceroase. Acesta este modul în care o persoană face cancer. Pentru a evita acest lucru, trebuie doar să bei suficientă apă curată zilnic și să renunți la agenții cancerigeni din alimente. Dar, de regulă, oamenii sunt conștienți de produsele dăunătoare și de nevoia de apă de înaltă calitate și nu fac nimic - speră că problemele le vor ocoli.

Cunoscând caracteristicile structurii și funcțiilor membranelor celulare ale diferitelor celule, medicii pot folosi aceste informații pentru a oferi efecte terapeutice țintite asupra organismului. Multe medicamente moderne, care intră în corpul nostru, caută „ținta” potrivită, care poate fi canale ionice, enzime, receptori și biomarkeri ai membranelor celulare. Această metodă de tratament vă permite să obțineți rezultate mai bune cu efecte secundare minime.

Antibioticele de ultimă generație, atunci când sunt eliberate în sânge, nu ucid toate celulele la rând, ci caută exact celulele agentului patogen, concentrându-se pe markerii din membranele celulare ale acestuia. Cele mai noi medicamente anti-migrenă, triptanii, nu fac decât să strâng vasele inflamate ale creierului, fără a avea aproape niciun efect asupra inimii și a sistemului circulator periferic. Și recunosc vasele necesare tocmai după proteinele membranelor lor celulare. Există multe astfel de exemple, așa că putem spune cu încredere că cunoștințele despre structura și funcțiile membranelor celulare stau la baza dezvoltării științei medicale moderne și salvează milioane de vieți în fiecare an.

Educaţie: Institutul Medical din Moscova. I. M. Sechenov, specialitatea - „Medicina” în 1991, în 1993 „Boli profesionale”, în 1996 „Terapie”.

9.5.1. Una dintre funcțiile principale ale membranelor este participarea la transportul de substanțe. Acest proces este asigurat de trei mecanisme principale: difuzie simplă, difuzie facilitată și transport activ (Figura 9.10). Amintiți-vă cele mai importante caracteristici ale acestor mecanisme și exemple de substanțe transportate în fiecare caz.

Figura 9.10. Mecanisme de transport al moleculelor prin membrană

difuzie simplă- transferul de substanțe prin membrană fără participarea unor mecanisme speciale. Transportul are loc de-a lungul unui gradient de concentrație fără consum de energie. Biomoleculele mici - H2O, CO2, O2, uree, substanțe hidrofobe cu greutate moleculară mică sunt transportate prin difuzie simplă. Viteza difuziei simple este proporțională cu gradientul de concentrație.

Difuzare facilitată- transferul de substante prin membrana folosind canale proteice sau proteine ​​transportoare speciale. Se efectuează de-a lungul gradientului de concentrație fără consum de energie. Sunt transportate monozaharide, aminoacizi, nucleotide, glicerol, unii ioni. Cinetica de saturație este caracteristică - la o anumită concentrație (saturatoare) a substanței transferate, toate moleculele purtătoare iau parte la transfer, iar viteza de transport atinge valoarea limită.

transport activ- necesită, de asemenea, participarea unor proteine ​​purtătoare speciale, dar transferul are loc împotriva unui gradient de concentrație și, prin urmare, necesită energie. Cu ajutorul acestui mecanism, ionii Na+, K+, Ca2+, Mg2+ sunt transportați prin membrana celulară, iar protonii prin membrana mitocondrială. Transportul activ al substanțelor se caracterizează prin cinetică de saturație.

9.5.2. Un exemplu de sistem de transport care efectuează transport activ de ioni este Na+,K+ -adenozin trifosfataza (Na+,K+ -ATPaza sau Na+,K+ -pompa). Această proteină este situată în grosimea membranei plasmatice și este capabilă să catalizeze reacția de hidroliză a ATP. Energia eliberată în timpul hidrolizei a 1 moleculă de ATP este utilizată pentru a transfera 3 ioni Na + din celulă în spațiul extracelular și 2 ioni K + în direcția opusă (Figura 9.11). Ca urmare a acțiunii Na + , K + -ATPazei, se creează o diferență de concentrație între citosolul celulei și fluidul extracelular. Deoarece transportul ionilor este neechivalent, apare o diferență de potențiale electrice. Astfel, apare un potențial electrochimic, care este suma energiei diferenței de potențiale electrice Δφ și a energiei diferenței de concentrații ale substanțelor ΔС pe ambele părți ale membranei.

Figura 9.11. Schema pompei Na+, K+.

9.5.3. Transfer prin membrane de particule și compuși macromoleculari

Odată cu transportul substanțelor organice și al ionilor efectuat de purtători, există în celulă un mecanism cu totul special conceput pentru a absorbi și elimina compușii macromoleculari din celulă prin schimbarea formei biomembranei. Un astfel de mecanism se numește transport vezicular.

Figura 9.12. Tipuri de transport vezicular: 1 - endocitoza; 2 - exocitoză.

În timpul transferului de macromolecule, are loc formarea secvențială și fuziunea veziculelor (veziculelor) înconjurate de o membrană. După direcția de transport și natura substanțelor transferate, se disting următoarele tipuri de transport vezicular:

Endocitoza(Figura 9.12, 1) - transferul de substanțe în celulă. În funcție de dimensiunea veziculelor rezultate, există:

A) pinocitoza - absorbtia macromoleculelor lichide si dizolvate (proteine, polizaharide, acizi nucleici) folosind bule mici (150 nm in diametru);

b) fagocitoză — absorbția particulelor mari, cum ar fi microorganismele sau resturile celulare. În acest caz, se formează vezicule mari, numite fagozomi cu un diametru mai mare de 250 nm.

Pinocitoza este caracteristică majorității celulelor eucariote, în timp ce particulele mari sunt absorbite de celulele specializate - leucocite și macrofage. În prima etapă a endocitozei, substanțele sau particulele sunt adsorbite pe suprafața membranei; acest proces are loc fără consum de energie. În etapa următoare, membrana cu substanța adsorbită se adâncește în citoplasmă; invaginările locale rezultate ale membranei plasmatice sunt împletite de la suprafața celulei, formând vezicule, care apoi migrează în celulă. Acest proces este conectat printr-un sistem de microfilamente și este dependent de energie. Veziculele și fagozomii care intră în celulă pot fuziona cu lizozomii. Enzimele conținute în lizozomi descompun substanțele conținute în vezicule și fagozomi în produse cu greutate moleculară mică (aminoacizi, monozaharide, nucleotide), care sunt transportate în citosol, unde pot fi utilizate de către celulă.

exocitoză(Figura 9.12, 2) - transferul de particule și compuși mari din celulă. Acest proces, ca și endocitoza, continuă cu absorbția de energie. Principalele tipuri de exocitoză sunt:

A) secreţie - îndepărtarea din celulă a compușilor solubili în apă care sunt utilizați sau afectează alte celule ale corpului. Poate fi efectuată atât de celule nespecializate, cât și de celulele glandelor endocrine, mucoasa tractului gastrointestinal, adaptate pentru secreția substanțelor pe care le produc (hormoni, neurotransmițători, proenzime), în funcție de nevoile specifice ale organismului. .

Proteinele secretate sunt sintetizate pe ribozomi asociați cu membranele reticulului endoplasmatic rugos. Aceste proteine ​​sunt apoi transportate în aparatul Golgi, unde sunt modificate, concentrate, sortate și apoi împachetate în vezicule, care sunt scindate în citosol și ulterior fuzionează cu membrana plasmatică, astfel încât conținutul veziculelor să fie în afara celulei.

Spre deosebire de macromolecule, particulele mici secretate, cum ar fi protonii, sunt transportate din celulă utilizând difuzie facilitată și mecanisme de transport activ.

b) excreţie - îndepărtarea din celulă a substanțelor care nu pot fi utilizate (de exemplu, îndepărtarea unei substanțe reticulare din reticulocite în timpul eritropoiezei, care este o rămășiță agregată de organite). Mecanismul de excreție, aparent, constă în faptul că la început particulele eliberate se află în vezicula citoplasmatică, care apoi se contopește cu membrana plasmatică.