Строение мембраны клетки кратко: Строение клеточной мембраны и ее функции в таблице

просто и понятно о ее строении и функциях

Определение

История исследования

Свойства и функции

Строение

Видео

Ни для кого не секрет, что все живые существа на нашей планете состоят их клеток, этих бесчисленных «атомов» органической материи. Клетки же в свою очередь окружены специальной защитной оболочкой – мембраной, играющей очень важную роль в жизнедеятельности клетки, причем функции клеточной мембраны не ограничиваются только лишь защитой клетки, а представляют собой сложнейший механизм, участвующий в размножении, питании, регенерации клетки.

Определение

Само слово «мембрана» с латыни переводится как «пленка», хотя мембрана представляет собой не просто своего роду пленку, в которую обернута клетка, а совокупность двух пленок, соединенных между собой и обладающих различными свойствами. На самом деле клеточная мембрана это трехслойная липопротеиновая (жиро-белковая) оболочка, отделяющая каждую клетку от соседних клеток и окружающей среды, и осуществляющая управляемый обмен между клетками и окружающей средой, так звучит академическое определение того что, представляет собой клеточная мембрана.

Значение мембраны просто огромно, ведь она не просто отделяет одну клетку от другой, но и обеспечивает взаимодействие клетки, как с другими клетками, так и окружающей средой.

История исследования

Важный вклад в исследование клеточной мембраны был сделан двумя немецкими учеными Гортером и Гренделем в далеком 1925 году. Именно тогда им удалось провести сложный биологический эксперимент над красными кровяными тельцами – эритроцитами, в ходе которых ученые получили так званые «тени», пустые оболочки эритроцитов, которые сложили в одну стопку и измерили площадь поверхности, а также вычислили количество липидов в них. На основании полученного количества липидов ученые пришли к выводу, что их как раз хватаем на двойной слой клеточной мембраны.

В 1935 году еще одна пара исследователей клеточной мембраны, на этот раз американцы Даниэль и Доусон после целой серии долгих экспериментов установили содержание белка в клеточной мембране. Иначе никак нельзя было объяснить, почему мембрана обладает таким высоким показателем поверхностного натяжения. Ученые остроумно представили модель клеточной мембраны в виде сэндвича, в котором роль хлеба играют однородные липидо-белковые слои, а между ними вместо масла – пустота.

В 1950 году с появлением электронного микроскопа теорию Даниэля и Доусона удалось подтвердить уже практическими наблюдениями – на микрофотографиях клеточной мембраны были отчетливо видны слои из липидных и белковых головок и также пустое пространство между ними.

В 1960 году американский биолог Дж. Робертсон разработал теорию о трехслойном строении клеточных мембран, которая долгое время считалась единственной верной, но с дальнейшим развитием науки, стали появляться сомнения в ее непогрешимости. Так, например, с точки зрения термодинамики клеткам было бы сложно и трудозатратно транспортировать необходимые полезные вещества через весь «сэндвич»

И только в 1972 году американские биологи С. Сингер и Г. Николсон смогли объяснить нестыковки теории Робертсона с помощью новой жидкостно-мозаичной модели клеточной мембраны. В частности они установили что клеточная мембрана не однородна по своему составу, более того – ассиметрична и наполнена жидкостью. К тому же клетки пребывают в постоянном движении. А пресловутые белки, которые входят в состав клеточной мембраны имеют разные строения и функции.

Рисунок клеточной мембраны.

Свойства и функции

Теперь давайте разберем, какие функции выполняет клеточная мембрана:

Барьерная функция клеточной мембраны – мембрана как самый настоящий пограничник, стоит на страже границ клетки, задерживая, не пропуская вредные или попросту неподходящие молекулы

Транспортная функция клеточной мембраны – мембрана является не только пограничником у ворот клетки, но и своеобразным таможенным пропускным пунктом, через нее постоянно проходит обмен полезными веществами с другими клетками и окружающей средой.

Матричная функция – именно клеточная мембрана определяет расположение органоидов клетки относительно друг друга, регулирует взаимодействие между ними.

Механическая функция – отвечает за ограничение одной клетки от другой и параллельно за правильно соединение клеток друг с другом, за формирование их в однородную ткань.

Защитная функция клеточной мембраны является основой для построения защитного щита клетки. В природе примером этой функции может быть твердая древесина, плотная кожура, защитный панцирь у черепахи, все это благодаря защитной функции мембраны.

Энергетическая функция – фотосинтез и клеточное дыхание были бы невозможны без участия белка, содержащегося в клеточной мембране. Именно через белковые каналы происходит важный клеточный энергообмен, в этом заключаются самые главные функции белка в клеточной мембране.

Рецепторная функция – и опять возвращаемся к белкам мембраны, помимо собственно энергообмена они обладают еще одной очень важной функцией – они служат рецепторами клеточной мембраны, благодаря которым клетка получает сигнал от гормонов и нейромедиаторов. Все это необходимо для нормального течения гормональных процессов и проведения нервного импульса.

Ферментативная функция – еще одна важная функция, осуществляемая некоторыми белками клетки. Например, благодаря этой функции в эпителии кишечника происходит синтез пищеварительных ферментов.

Также помимо всего этого через клеточную мембрану осуществляется клеточный обмен, который может проходить тремя разными реакциями:

• Фагоцитоз – это клеточный обмен, при котором встроенные в мембрану клетки-фагоциты захватывают и переваривают различные питательные вещества.
• Пиноцитоз – представляет собой процесс захвата мембраной клетки, соприкасающиеся с ней молекулы жидкости. Для этого на поверхности мембраны образуются специальные усики, которые как будто окружают каплю жидкости, образуя пузырек, которые впоследствии «проглатывается» мембраной.
• Экзоцитоз – представляет собой обратный процесс, когда клетка через мембрану выделяет секреторную функциональную жидкость на поверхность.

Строение

В клеточной мембране имеются липиды трех классов:

• фосфолипиды (представляются собой комбинацию жиров и фосфора),
• гликолипиды (представляют собой комбинацию жиров и углеводов),
• холестерол.

Фосфолипиды и гликолипиды в свою очередь состоят из гидрофильной головки, в которую отходят два длинных гидрофобных хвостика. Холестерол же занимает пространство между этими хвостиками, не давая им изгибаться, все это в некоторых случаях делает мембрану определенных клеток весьма жесткой. Помимо всего этого молекулы холестерола упорядочивают структуру клеточной мембраны.

Но как бы там ни было, а самой важной частью строения клеточной мембраны является белок, точнее разные белки, играющие различные важные роли. Несмотря на разнообразие белков содержащихся в мембране есть нечто, что их объединяет – вокруг всех белков мембраны расположены аннулярные липиды. Аннулярные липиды – это особые структурированные жиры, которые служат своеобразной защитной оболочкой для белков, без которой они бы попросту не работали.

Структура клеточной мембраны имеет три слоя: основу клеточной мембраны составляет однородный жидкий билипидный слой. Белки же покрывают его с обеих сторон наподобие мозаики. Именно белки помимо описанных выше функций также играют роль своеобразных каналов, по которым сквозь мембрану проходят вещества, неспособные проникнуть через жидкий слой мембраны. К таким относятся, например, ионы калия и натрия, для их проникновения через мембрану природой предусмотрены специальные ионные каналы клеточных мембран. Иными словами белки обеспечивают проницаемость клеточных мембран.

Если смотреть на клеточную мембрану через микроскоп, мы увидим слой липидов, образованный маленькими шарообразными молекулами по которому плавают словно по морю белки. Теперь вы знаете, какие вещества входят в состав клеточной мембраны.

Видео

И в завершение образовательное видео о клеточной мембране.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Cell Membrane.

Плазматическая мембрана: строение и функции | Биология. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

Тема: Микробиология

Основу структурной организации клетки составляют биологические мембраны. Плазматическая мембрана (плазмалемма) — это мембрана, окружающая цитоплазму живой клетки. Мембраны состоят из липидов и белков. Липиды (в основном фосфолипиды) образуют двойной слой, в котором гидрофобные «хвосты» молекул обращены внутрь мембраны, а гидрофильные — к её поверхностям. Молекулы белков могут располагаться на внешней и внут­ренней поверхности мембраны, могут частично погружать­ся в слой липидов или пронизывать её насквозь.

Большая часть погруженных белков мембран — ферменты. Это жид­костно-мозаичная модель строения плазматической мем­браны. Молекулы белка и липидов подвижны, что обеспе­чивает динамичность мембраны. В состав мембран входят также углеводы в виде гликолипидов и гликопротеинов (гликокаликс), располагающихся на внешней поверхности мембраны. Набор белков и углеводов на поверхности мем­браны каждой клетки специфичен и является своеобраз­ным указателем типа клеток.

Функции мембраны:

1. Разделительная. Она заключается в образовании барьера между внутренним содержимым клетки и внешней средой.
2. Обеспечение обмена веществ между цитоплазмой и внешней средой. В клетку поступают вода, ионы, неорганические и органические молекулы (транспортная функ­ция). Во внешнюю среду выводятся продукты, образован­ные в клетке (секреторная функция).
3. Транспортная. Транспорт через мембрану может проходить разными путями. Пассивный транспорт осуществляется без затрат энергии, путем простой диффузии, осмоса или облегченной диффузии с помощью белков- переносчиков. Активный транспорт — с помощью белков-переносчиков, и он требует затрат энергии (например, натрий-калиевый насос). Материал с сайта //iEssay.ru

Крупные молекулы биополимеров попадают внутрь клетки в результате эндоцитоза. Его разделяют на фагоци­тоз и пиноцитоз. Фагоцитоз — захват и поглощение клет­кой крупных частиц. Явление впервые было описано И.И. Мечниковым. Сначала вещества прилипают к плаз­матической мембране, к специфическим белкам-рецеп­торам, затем мембрана прогибается, образуя углубление.

Образуется пищеварительная вакуоль. В ней переварива­ются поступившие в клетку вещества. У человека и живот­ных к фагоцитозу способны лейкоциты. Лейкоциты по­глощают бактерии и другие твердые частицы.

Пиноцитоз — процесс захвата и поглощения капель жидкости с растворенными в ней веществами. Вещества прилипают к белкам мембраны (рецепторам), и капля рас­твора окружается мембраной, формируя вакуоль. Пиноци­тоз и фагоцитоз происходят с затратой энергии АТФ.

1. Секреторная. Секреция — выделение клеткой ве­ществ, синтезированных в клетке, во внешнюю среду. Гормоны, полисахариды, белки, жировые капли, заключа­ются в пузырьки, ограниченные мембраной, и подходят к плазмалемме. Мембраны сливаются, и содержимое пу­зырька выводится в среду, окружающую клетку.
2. Соединение клеток в ткани (за счет складчатых вы­ростов).
3. Рецепторная. В мембранах имеется большое число рецепторов — специальных белков, роль которых заключа­ется в передаче сигналов извне внутрь клетки.

На этой странице материал по темам:

• плазматическая мембрана кратко
• строение и функции плазматический мембраны
• строение биологической мембраны кратко
• плазматическая мембрана строение и функции
• клеточная мембрана строение и функции кратко

Ключ от клетки: как открыть живые ворота мембраны

Липидная мембрана клетки — основа клеточной оболочки любого живого организма — это удивительный умный «забор», через который клетка общается с организмом, питается, дышит, защищается от вторжения интервентов и чужаков, впускает нужные вещества и закрывается от нежелательных. Это целый комплекс security-мер с избирательным воздействием. Основной инструмент этой биохимической «коммуникации» — поры, опциональные отверстия в мембране. Своеобразный пропускной шлюз, который ученые активно изучают и описывают, чтобы в дальнейшем управлять им в собственных — благих, разумеется, целях.

В чем суть исследования и что сделано

Ученые впервые полностью описали процесс образования пор в липидных мембранах и осуществили компьютерное моделирование их образования и эволюции. Они создали масштабную теоретическую модель, которая объяснила несостыковки в полученных ранее экспериментальных данных других исследований и разрешила накопившиеся противоречия.

Результаты работы коллаборации ученых из НИТУ «МИСиС», Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН и Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН под руководством Олега Батищева опубликована в двух частях в журнале Scientific Reports: первая, вторая.

Липидные мембраны — это оболочки, которые отделяют клетки и их органеллы от внешней среды. Эти структуры выполняют ряд важных функций жизнедеятельности, в частности становятся барьером, который контролирует обмен веществ клетки. Возможные нарушения этого барьерного механизма давно и активно изучаются в свете разработки лекарств и терапевтических стратегий, таких, как доставка препаратов, поскольку именно мембрана в конечном счете решает и определяет, попадет ли то или иное вещество в клетку. Соответственно, алгоритм «правильного» попадания вещества через мембрану путем создания поры — это и есть ID-карта в живую клетку.

Несмотря на то, что в мире существует множество экспериментально проверенных методов создания в мембране пор, через которые препарат может проникнуть в клетку (например, антибиотик, чтобы убивать бактерии или антиопухолевый токсин, чтобы уничтожать клетки рака), до сих пор не было физической модели, которая описывает формирование, рост и устойчивость таких пор.

Как сделано

Авторы задались целью создать полную теоретическую модель, которая бы описывала все стадии эволюции поры в липидной мембране. Эта задача осложняется тем, что любые попытки представить мембрану в качестве идеальной упругой оболочки без учета особенностей внутреннего строения живого «забора» приводили лишь к упрощенному и потому очень грубому описанию этой системы. Чтобы устранить подобные проблемы, ученые начали с максимально полного теоретического описания мембраны, а затем при помощи ряда преобразований получили выражения для энергии поры, позволяющее описать состояние поры в зависимости от ее геометрических параметров.

С помощью новой компьютерной модели ученые смогли объяснить несостыковки, наблюдавшиеся во многих работах, посвящённых данной тематике. Эта модель не только объясняет сам механизм возникновения пор в мембране, с ее помощью можно заранее описать, как именно мембрана отреагирует на механическое (укол, прокол) или электромагнитное воздействие (точечное облучение полем): в некоторых случаях оно приводит к управляемому формированию поры определенных размеров, а в некоторых — к необратимому разрыву мембраны и гибели клетки. Этот вариант, разумеется, нужно исключить в случае терапии, и наоборот — можно широко использовать для непосредственного устранения зараженных клеток.

Для того чтобы окончательно убедиться в справедливости выдвинутой теории, ученые также провели компьютерное моделирование методами молекулярной динамики, в котором липидная мембрана воссоздавалась на масштабе отдельных молекул. Результаты этих исследований хорошо совпадали с предсказанием теоретической модели и имеющимися экспериментальными данными, а также позволили наглядно «увидеть», как эволюционирует (возникает, растет и расширяется) пора в виртуальной мембране.

Рассказывает соавтор статьи, научный сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» Тимур Галимзянов:

«Эта работа потребовала очень больших трудозатрат от всех участников проекта, большого объема машинного времени для расчётов методами молекулярной динамики, проведённых коллегами из лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН; долгой работы по построению моделей наблюдаемых процессов; и, главное проведения огромного массива расчетов, во многом аналитических, выполненных, в основном, Сергеем Акимовым, сотрудником ИФХЭ РАН и кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС».

Зачем сделано

Авторы надеются, что их работа станет фундаментом для будущих исследований, посвященных контролируемой доставке различных препаратов в клетку. Грубо говоря, компьютерная модель сложной органической системы — липидной мембраны — поможет подбирать оптимальные режимы воздействия на нее для успешного прохода через «шлюз» клетки в обход всех security-мер и введения внутрь нужных концентраций нужных веществ. Кроме того, новая модель, вероятно, поможет описать процессы, связанные с нарушением целостности мембран, что наблюдается в ходе многих сложных и пока не поддающихся лечению нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона, Пика, хореи Гентингтона и тд.

«Никогда раньше мы не проводили таких подробных и последовательных теоретических исследований. Их результат полностью оправдал потраченные усилия: нам впервые удалось построить полную модель процесса формирования пор в мембранах, позволяющую делать не только качественные, но и количественные предсказания».

Общее строение клетки (клеточная мембрана, цитоплазма, органеллы, ядро) | Биология. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, лекция, шпаргалка, конспект, ГДЗ, тест

Клетка — сложная целостная физио­логическая система, в которой происходят все процессы жизнедеятельнос­ти: обмен веществ и энергии, раздражимость, рост, самовоспроизведение.

Основные элементы клетки — клеточная мембрана, цитоплазма, органеллы и ядро. Клетка может жить и нормально функционировать только при наличии этих компонентов, которые тесно взаимодействуют друг с другом и с окружа­ющей средой. (рис. 10).

Клеточная мембрана (рис. 10, 11). Каждая клетка окружена мембраной (толщина которой приблизительно 10 нм), которая отделяет её от внешней среды.

Основой мембраны является двойной слой жироподобных веществ (билипидный). Толщу этого слоя липидов про­низывают молекулы белков, которые образуют в мембране функциональные отверстия (поры), через которые может происходить проникновение небольших по размеру полярных молекул в клетку или наружу. Некоторые неполярные мо­лекулы (например, органические рас­творители — спирты, эфиры, ацетон) мо­гут проникать в клетку непосредственно через билипидный слой. Большие орга­нические и неорганические молекулы обычно через мембрану не проходят. Но при необходимости клетка может актив­но поглощать или выделять их наружу, используя на это энергию.

Рис. 10. Схематическое строение клетки: 1 — клеточная мембрана; 2 — цитоплаз­ма; 3 — эндоплазматическая сетка; 4 — реснички; 5 — ядро; 6 — ядрышко; 7 — лизосома; 8 — митохондрия; 9 — цен­тросома; 10 — аппарат Гольджи

Поскольку не все молекулы свобод­но проникают через клеточную мембра­ну, говорят о её избирательной прони­цаемости, которая создаёт в клетке свой, особенный химический состав. Обеспе­чивая избирательность проникновения вовнутрь клетки питательных веществ и задерживая вредные для неё, клеточная мембрана выполняет защитную функ­цию и способствует сохранению посто­янства внутренней среды клетки.

Из-за разницы в проницаемости мем­браны к ионам Калия, Натрия, Хлора и некоторых других элементов на ней формируется электрический заряд. Величи­на его, например, в нервной клетке — всего 0,07 В. При этом внешняя поверхность клеточной мембраны заряжена положительно, а внутренняя отрицательно, что является основой для возникновения возбуждения — электрического процесса, который является первой реакцией клетки на действие раздражителя.

Рис. 11. Клеточная мембрана: 1 — двойной слой жироподобных ве­ществ; 2 — белок

На внешней поверхности мембраны прикрепляются молекулы белков-рецепто­ров, которые могут воспринимать различные раздражители (химические, механи­ческие, электрические). Воспринимая действие раздражителя, клетки изменяют свою активность: нервная генерирует электрический импульс и передаёт его, мы­шечная сокращается, а секреторная выделяет секрет. На внутренней поверхности мембраны также крепятся молекулы белков, чаще всего — белки-ферменты.

Цитоплазма — это внутреннее содержание клетки, состоящее из водянисто­го коллоидного вещества — цитозоля и включений — нерастворимых продук­тов обмена веществ клетки. Ими бывают капли жира (например, в подкожной основе) или комочки животного крахмала гликогена (в печени или скелет­ных мышцах), которые отложились в клетке впрок. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Органеллы — это постоянно действующие струк­турные компоненты клетки: митохондрии (обеспе­чивают процесс внутриклеточного дыхания — оки­сление углеводов, жиров и белков с выделением энергии), эндоплазматическая сеть с рибосомами, (принимают участие в синтезе белков), аппарат Гольджи (накапливает ферменты, гормоны), лизосомы (переваривают лишние для клетки вещества, бактерии и т. п.), центросома (играет значительную роль в делении клетки).

Ядро (рис. 10) — обязательный и самый большой компонент клетки. В нём сосредоточена основная масса наследственного материала молекулы нук­леиновых кислот, которые собраны в надмолекуляр­ные образования хромосомы. В ядрах клеток че­ловека имеется 23 пары хромосом. При этом одна хромосома в каждой паре — материнская, другая — отцовская. Ядро имеют все клетки организма чело­века, кроме зрелых эритроцитов. Как правило, в клетке есть одно ядро, преимущественно шаровид­ной формы.

На этой странице материал по темам:

• Строение клетки.клеточная мембрана.ядро конспект

• Опишите общее строение клеток

• Краткое содержание про клеточную мембрану.

• Краткое содержание о мембране клетки

• 1ggu0a7rhazzhc5yqjlkuw

Вопросы по этому материалу:

• Докажите, что клетка является целостной био­логической системой.

  

• Опишите общее строение клеток.

• Определите взаи­мосвязь строения и функции ядра клетки.

Что такое мембрана кратко. Биологическая мембрана. Рассмотрим основные функции клеточной мембраны

Понятие используется в различных жизненных сферах и науках. Причем в каждой из них оно имеет разное значение. Но, так или иначе, использование данного термина связано со значением самого слова. В переводе с латыни «мембрана» — это перепонка.

Различные интерпретации понятия

В технике и инженерии данное понятие используют, когда говорят о тонкой пленке или пластинке, закрепленной по контуру, как в микрофонах или манометрах.

В биологии под мембраной подразумевают эластичную молекулярную структуру, имеющуюся в каждой клетке и выполняющую функцию защиты от воздействий окружающей среды. Она обеспечивает целостность клетки и участвует в обменных процессах с внешним миром.

Мембрана обратного осмоса

Одним из недавних изобретений является модуль обратного осмоса, который используется для очищения воды. Данная конструкция представляет собой трубу, имеющую дно и крышку. А внутри этой трубы как раз и располагается мембрана обратного осмоса, наличие которой обеспечивает получение сверхчистой воды, освобожденной от различных бактериологических загрязнений и биологических отложений. Механизм очистки жидкости основан на сведении к минимуму мертвых пространств, в которых и могут скапливаться бактерии.

Данные модули получили широкое применение в медицине, а если быть точнее, то они снабжают приборы для гемодиализа сверхчистой водой.

Мембраны гидроаккумуляторов и расширительных баков. Их замена

Гидроаккумуляторы и расширительные баки — это приборы, которые используют для того, чтобы компенсировать (объем) внутри нагревательных устройств.

Что такое мембрана в данном случае? Этот элемент является основной составляющей устройств подобного типа. Он влияет на показатели работоспособности и надежности всей системы. По форме мембрана может различаться. Она бывает диафрагменная, шаровая и баллонная. Если у бака большой объем, то в заднюю часть элемента вставляется металлический штуцер, в котором есть отверстие для стравливания воздуха. В зависимости от сферы использования прибора подбирается материал для изготовления мембраны. Например, в расширительных баках системы отопления главным критерием служит уровень термостойкости и долговечности. В случае с холодным водоснабжением при выборе материала мембраны руководствуются критерием динамической эластичности.

К сожалению, не существует материала, который можно было бы назвать универсальным. Поэтому его правильный выбор является одним из важнейших условий длительной эксплуатации прибора и его эффективной работы. Чаще всего пластины изготавливают из натуральной каучуковой, синтетической бутиловой или этиленпропиленовой резины.

Замена мембраны осуществляется путем отсоединения гидроаккумулятора или расширительного бака от системы. Сначала отсоединяются винты, которые скрепляют фланец и корпус. В некоторых приборах имеется еще крепление в зоне ниппеля. После его устранения мембрану можно легко извлечь. Путем совершения обратных действий нужно поставить новую мембрану.

Полимерные мембраны

Понятие «полимерная мембрана» применяется в нескольких случаях. Во-первых, его используют, говоря об одном из самых современных и продвинутых с точки зрения практичности кровельных материалов. Такой тип мембран производится путем применения метода экструдирования, обеспечивающего отсутствие пустот в составе готового материала. К достоинствам полимерного изделия можно отнести абсолютную водонепроницаемость, паропроницаемость, небольшой вес, прочность, низкий уровень горючести, экологическую безопасность.

Термин «полимерная мембрана» часто используется, когда речь заходит об уже упомянутых выше пластинах обратного осмоса, а также других видах оболочек, изготовленных из органических полимеров. Это микро- и ультрафильтрационные изделия, перепонки, используемые при нанофильтрации. Преимущество полимерных мембран в данном контексте заключается в высокой технологичности и больших возможностях управления свойствами и структурой материала. При этом используются небольшие химические и технологические вариации процесса изготовления.

Клеточная мембрана. Клетки — единицы всего живого

Давно известен факт, что основной структурной единицей живого организма является клетка. Она представляет собой дифференцированный участок цитоплазмы, который окружен клеточной мембраной. В процессе эволюции, по мере расширения пределов функциональности, она приобрела пластичность и тонкость, ведь важнейшие процессы в организме происходят именно в клетках.

Клеточная мембрана — это граница клетки, представляющая собой естественный барьер между ее внутренним содержимым и окружающей средой. Основной характерной особенностью оболочки является полупроницаемость, которая обеспечивает проникновение в клетку влаги и питательных веществ и выведение из нее продуктов распада. Клеточная мембрана — это основная структурная составляющая организации клетки.

Исторические факты, связанные с открытием и исследованием клеточной мембраны

В 1925 году Грендель и Гордер успешно поставили эксперимент по выявлению «теней» эритроцитов. Именно они в процессе опытов впервые обнаружили липидный бислой. Продолжатели их работы Даниэлли, Доусон, Робертсон, Николсон в разные годы трудились над созданием жидкостно-мозаичной модели структуры мембраны. Окончательно это удалось сделать Сингшеру в 1972 году.

Основные функции клеточной мембраны

• Отделение внутреннего содержимого клетки от компоненты внешней среды.
• Способствование поддержанию постоянства химического состава внутри клетки.
• Регулирование сбалансированности обмена веществ.
• Обеспечение взаимосвязи между клетками.
• Сигнальная функция.
• Защитная функция.

Плазменная оболочка

Что такое мембрана, которую называют плазменной оболочкой? Это наружная которая по своему строению является ультрамикроскопической пленкой толщиной 5-7 наномиллиметров. В ее состав входят белковые соединения, фосфолипиды, вода. Пленка, будучи весьма эластичной, хорошо впитывает влагу, а также имеет способность со стремительной скоростью восстанавливать свою целостность.

Для плазменной мембраны характерно универсальное строение. Ее пограничное положение обуславливает участие в процессе избирательной проницаемости при выведении из клетки продуктов распада. Взаимодействуя с соседними элементами и надежно защищая содержимое от повреждения, наружная мембрана является одним из самых главных компонентов строения клетки.

Тончайший слой, который иногда покрывает клеточную мембрану живых организмов, называют гликокаликсом. Он состоит из белков и полисахаридов. А в растительных клетках мембрану сверху защищает специальная стенка, которая также выполняет опорную функцию и поддерживает форму. Она в основном состоит из клетчатки — нерастворимого полисахарида.

Таким образом, можно сделать вывод, что основными функциями наружной клеточной мембраны являются восстановление, защита и взаимодействие с соседними клетками.

Особенности строения

Что такое мембрана? Это подвижная оболочка, ширина которой составляет 6-10 наномиллиметров. Основу ее строения составляет липидный бислой и белки. Углеводы также имеются в мембране, однако на их долю приходится лишь 10% от массы мембран. Но они в обязательном порядке содержатся в гликолипидах или гликопротеинах.

Если говорить о соотношении количества белков и липидов, то оно может сильно варьироваться. Все зависит от типа ткани. Например, в миелине содержится около 20% белка, а в митохондриях — около 80%. Состав мембраны напрямую влияет на ее плотность. Чем больше содержание белка, тем выше плотность оболочки.

Многообразие функций липидов

Каждый липид по своей природе является фосфолипидом, образующимся в результате взаимодействия глицерина и сфингозина. Вокруг липидного каркаса плотно располагаются белки мембраны, однако их слой не сплошной. Некоторые из них погружены в слой липидов, а другие как бы пронизывают его. Этим и обусловлено наличие участков, проницаемых для воды.

Очевидным является тот факт, что состав липидов в различных мембранах не случайный, но четкого объяснения данному феномену пока не найдено. В любой конкретной оболочке может содержаться до ста различных типов молекул липидов. Рассмотрим факторы, которые, возможно, влияют на определение липидного состава молекулы мембраны.

• Во-первых, смесь липидов в обязательном порядке должна иметь способность к образованию стабильного бислоя, в котором могут функционировать белки.
• Во-вторых, липиды должны способствовать стабилизации сильно деформированных мембран, установлению контакта между оболочками или связыванию определенных белков.
• В-третьих, липиды — биорегуляторы.
• В-четвертых, некоторые липиды являются активными участниками реакций биосинтеза.

Белки клеточной мембраны

Белки выполняют несколько функций. Одни играют роль ферментов, а другие -транспортируют разного рода вещества из окружающей среды внутрь клетки и обратно.

Строение и функции мембраны устроены таким образом, что насквозь пронизывают ее, обеспечивая тесную связь. А вот периферические белки связаны с мембраной не слишком тесно. Их функция состоит в том, чтобы поддерживать структуру оболочки, получать и преобразовывать сигналы из внешней среды, а также служить катализаторами различных реакций.

Состав мембраны представлен, прежде всего, бимолекулярным слоем. Его непрерывность обеспечивает барьерные и механические свойства клетки. В процессе жизнедеятельности может происходить нарушение структуры бислоя, которое приводит к образованию структурных дефектов сквозных гидрофильных пор. Вслед за этим могут нарушиться все функции клеточной мембраны.

Свойства оболочки

Особенности клеточной мембраны обусловлены ее текучестью, благодаря которой она не имеет жесткой структуры. Липиды, входящие в ее состав, могут свободно перемещаться. Можно наблюдать асимметрию клеточной мембраны. Это и является причиной различия составов белкового и липидного слоев.

Доказана полярность клеточной мембраны, то есть ее внешняя сторона имеет положительный заряд, а внутренняя — отрицательный. Также следует отметить, что оболочка имеет избирательную проницательность. Она пропускает внутрь, помимо воды, только определенные группы молекул и ионов растворенных веществ.

Особенности строения клеточной мембраны у растительных и животных организмов

Наружная мембрана и эндоплазматическая сеть клетки тесно соединены. Часто поверхность оболочки покрыта еще и различными выступами, складками, микроворсинками. клетки животных организмов снаружи покрыта гликопротеиновым слоем, выполняющим рецепторную и сигнальную функции. У растительных клеток снаружи этой оболочки находится еще одна, толстая и отчетливо различимая под микроскопом. Клетчатка, из которой она состоит, участвует в формировании опоры у происхождения, например, древесины.

У клеток животных тоже имеются внешние структуры, расположенные снаружи мембраны. Они выполняют исключительно защитную функцию. В качестве примера можно привести хитин, который содержится в покровной ткани насекомых.

Кроме клеточной, имеется внутриклеточная, или внутренняя мембрана. Она делит клетку на специализированные замкнутые отсеки, которые называются органеллами. В них постоянно должна поддерживаться определенная среда.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что клеточная мембрана, характеристики которой доказывают ее важность в функционировании всего организма, имеет сложный состав и строение, зависящие от многих внутренних и внешних факторов. Повреждение этой пленки может привести к гибели клетки.

Таким образом, строение и функции мембраны зависят от сферы науки или области промышленности, в которых применяется данное понятие. В любом случае этот элемент представляет собой оболочку или перегородку, которая обладает гибкостью и закрепляется по краям.

Слово мембрана имеет ряд значений, однако в общем смысле данный термин означает тонкую гибкую перегородку, перепонку или пластинку, которая может выполнять различные функции. В этой статье расскажем, что такое мембрана с точки зрения биологии и техники.

Мембрана в биологии

Мембрана (или клеточная мембрана) — это эластичная молекулярная структура, роль которой заключается в защите клетки от окружающей среды. Клеточная мембрана обеспечивает ее целостность, а также отвечает за обменные процессы между средой и клеткой.

Мембрана клетки состоит из белков и липидов, имеет толщину порядка 7 нм. Каждый «кирпичик» мембраны отвечает за определенную функцию данного клеточного органа. Липиды в мембране представлены тремя видами — фосфолипиды, гликолипиды и холестерол.

Фосфолипиды и гликолипиды формируют гидрофобную и гидрофильную секции (гидрофобные участки направлены внутрь клетки, а гидрофильные — наружу), которые регулируют процесс обмена водой и подобных ей молекул между клеткой и окружающей средой. Холестерол придает мембране жесткость.

Белки, составляющие мембрану, могут выполнять многие функции, например, имеются белки-транспортеры, которые помогают необходимым веществам попасть в клетку.

Мембрана в технике

Предохранительная мембрана входит в состав мембранного предохранительного устройства, задача которого — обеспечить необходимый сброс парогазовой смеси при определенном давлении. Такие устройства применяются в качестве предохранителей технологического оборудования, трубопроводов и т.п.

При наличии опасных перегрузок мембрана разрывается, обеспечивая необходимую «разрядку», и сохраняет при этом целостность дорогостоящей и сложной технической системы.

Больше интересных понятий ищите в разделе .

Мембрана клетки

Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии — гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны только интегральные мембранные белки (красные глобулы и желтые спирали). Желтые овальные точки внутри мембраны — молекулы холестерола Желто-зеленые цепочки бусинок на наружной стороне мембраны — цепочки олигосахаридов , формирующие гликокаликс

Биологическая мембрана включает и различные белки : интегральные (пронизывающие мембрану насквозь), полуинтегральные (погруженные одним концом во внешний или внутренний липидный слой), поверхностные (расположенные на внешней или прилегающие к внутренней сторонам мембраны). Некоторые белки являются точками контакта клеточной мембраны с цитоскелетом внутри клетки, и клеточной стенкой (если она есть) снаружи. Некоторые из интегральных белков выполняют функцию ионных каналов, различных транспортеров и рецепторов .

Функции биомембран

• барьерная — обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой. Например, мембрана пероксисом защищает цитоплазму от опасных для клетки пероксидов . Избирательная проницаемость означает, что проницаемость мембраны для различных атомов или молекул зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств. Избирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами.

• транспортная — через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембраны обеспечивает: доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке соответствующего pH и ионной концентрации, которые нужны для работы клеточных ферментов.

Частицы, по какой-либо причине не способные пересечь фосфолипидный бислой (например, из-за гидрофильных свойств, так как мембрана внутри гидрофобна и не пропускает гидрофильные вещества, или из-за крупных размеров), но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортеры) и белки-каналы или путем эндоцитоза .

При пассивном транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии, путем диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия , при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть канал, пропускающий вещества только одного типа.

Активный транспорт требует затрат энергии, так как происходит против градиента концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза , которая активно вкачивают в клетку ионы калия (K+) и выкачивают из неё ионы натрия (Na+).

• матричная — обеспечивает определенное взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие;

• механическая — обеспечивает автономность клетки, ее внутриклеточных структур, также соединение с другими клетками (в тканях). Большую роль в обеспечение механической функции имеют клеточные стенки, а у животных — межклеточное вещество.

• энергетическая — при фотосинтезе в хлоропластах и клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки;

• рецепторная — некоторые белки, сидящие в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетке воспринимает те или иные сигналы).

Например, гормоны, циркулирующие в крови, действуют только на такие клетки-мишени, у которых есть соответствующие этим гормонам рецепторы. Нейромедиаторы (химические вещества, обеспечивающие проведение нервных импульсов) тоже связываются с особыми рецепторными белками клеток-мишеней.

• ферментативная — мембранные белки нередко являются ферментами. Например, плазматические мембраны эпителиальных клеток кишечника содержат пищеварительные ферменты.

• осуществление генерации и проведения биопотенциалов.

С помощью мембраны в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов: концентрация иона К+ внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а концентрация Na+ значительно ниже, что очень важно, так как это обеспечивает поддержание разности потенциалов на мембране и генерацию нервного импульса .

• маркировка клетки — на мембране есть антигены, действующие как маркеры — «ярлыки», позволяющие опознать клетку. Это гликопротеины (то есть белки с присоединенными к ним разветвленными олигосахаридными боковыми цепями), играющие роль «антенн». Из-за бесчисленного множества конфигурации боковых цепей возможно сделать для каждого типа клеток свой особый маркер. С помощью маркеров клетки могут распознавать другие клетки и действовать согласованно с ними, например, при формировании органов и тканей. Это же позволяет иммунной системе распознавать чужеродные антигены.

Структура и состав биомембран

Мембраны состоят из липидов трёх классов: фосфолипиды , гликолипиды и холестерол . Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним углеводами) состоят из двух длинных гидрофобных углеводородных «хвостов», которые связаны с заряженной гидрофильной «головой». Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым содержанием холестерола более гибкие, а с большим — более жёсткие и хрупкие. Также холестерол служит «стопором», препятствующим перемещению полярных молекул из клетки и в клетку. Важную часть мембраны составляют белки, пронизывающие её и отвечающие за разнообразные свойства мембран. Их состав и ориентация в разных мембранах различаются.

Клеточные мембраны часто асимметричны, то есть слои отличаются по составу липидов, переход отдельной молекулы из одного слоя в другой (так называемый флип-флоп ) затруднён.

Мембранные органеллы

Это замкнутые одиночные или связанные друг с другом участки цитоплазмы , отделённые от гиалоплазмы мембранами . К одномембранным органеллам относятся эндоплазматическая сеть , аппарат Гольджи , лизосомы , вакуоли , пероксисомы ; к двумембранным — ядро , митохондрии , пластиды . Снаружи клетка ограничена так называемой плазматической мембраной. Строение мембран различных органелл отличается по составу липидов и мембранных белков.

Избирательная проницаемость

Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: через них медленно диффундируют глюкоза , аминокислоты , жирные кислоты , глицерол и ионы , причем сами мембраны в известной мере активно регулируют этот процесс-одни вещества пропускают, а другие нет. существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или их из клеки наружу:диффузия , осмос , активный транспорт и экзо- или эндоцитоз . Два первых процесса носят пассивный характер, т.е. не требуют затрат энергии; два последних-активные процессы, связанные с потреблением энерги.

Избирательная проницаемость мембраны при пассивном транспорте обусловлена специальными каналами — интегральными белками. Они пронизывают мембрану насквозь, образовывая своего рода проход . Для элементов K, Na и Cl есть свои каналы. Относительно градиента концентрации молекулы этих элементов движутся в клетку и из неё. При раздражении каналы натриевых ионов раскрываются, и происходит резкое поступление в клетку ионов натрия. При этом происходит дисбаланс мембранного потенциала. После чего мембранный потенциал восстанавливается. Каналы калия всегда открыты, через них в клетку медленно попадают ионы калия .

Ссылки

• Bruce Alberts, et al. Molecular Biology Of The Cell . — 5th ed. — New York: Garland Science, 2007. — ISBN 0-8153-3218-1 — учебник по молекулярной биологии на англ. языке

• Рубин А.Б. Биофизика, учебник в 2 тт. . — 3-е издание, исправленное и дополненное. — Москва: издательство Московского университета, 2004. — ISBN 5-211-06109-8

• Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции: перевод с англ. = Biomembranes. Molecular structure and function (by Robert B. Gennis). — 1-е издание. — Москва: Мир, 1997. — ISBN 5-03-002419-0

• Иванов В.Г., Берестовский Т.Н. Липидный бислой биологических мембран. — Москва: Наука, 1982.

• Антонов В.Ф., Смирнова Е.Н., Шевченко Е.В. Липидные мембраны при фазовых переходах. — Москва: Наука, 1994.

См. также

• Владимиров Ю. А., Повреждение компонентов биологических мембран при патологических процессах

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Мембрана (портал)
• Мембрана клеток

Смотреть что такое «Мембрана клетки» в других словарях:

Клетки — получить на Академике рабочий купон на скидку Галерея Косметики или выгодно клетки купить с бесплатной доставкой на распродаже в Галерея Косметики

Клетки Мюллера — Клетки Мюллера глиальные клетки сетчатки глаза позвоночных. Это вторые по частоте клетки сетчатки после нейронов. Некоторые авторы считают их специализированными фибриллярными астроцитами. Впервые описаны немецким анатомом Генрихом Мюллером … Википедия

МЕМБРАНА — МЕМБРАНА, в биологии граничный слой внутри или вокруг живой КЛЕТКИ или ТКАНИ. Клеточные мембраны включают плазматическую мембрану, окружающую клетку, систему мембран внутри клетки (ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СЕТЬ) и двойную мембрану вокруг клеточного… … Научно-технический энциклопедический словарь

мембрана биологическая — Сложная высокоорганизованная надмолекулярная структура, лежащая в основе пространственной и функциональной организации любой клетки, играющая ключевую роль в ее жизнедеятельности. [РХТУ им. Д.И. Менделеева, кафедра мембранной технологии] Тематики … Справочник технического переводчика

Мембрана — * мембрана * membrane тонкая пограничная структура, расположенная на поверхности клеток и внутриклеточных частиц, а также канальцев и пузырьков в клеточном содержимом. Выполняет различные биологические функции обеспечивает проницаемость клетки… … Генетика. Энциклопедический словарь

Мембрана наружная — внешний слой клеточной стенки (см. ) грам бактерий. Основой М. н. являются липополисахаридный и липопротеидный слои, формирующие матрицу, в которой заключены специфические (матричные) белки. Молекулы 2 матричных белков (поринов) в соединении с… … Словарь микробиологии

Мембрана Бруха — Слои сетчатки RPE пигментный эпителий сетчатки OS наружный сегмент фоторецепторов IS внутренний сегмент фоторецепторов ONL внешний ядерный слой OP … Википедия

Мембрана (биология)

Мембрана клеток — У этого термина существуют и другие значения, см. Мембрана Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии гидрофобным «хвостам». На рисунке показаны… … Википедия

мембрана — (лат. membrana кожица) 1) натянутая пленка, металлическая фольга или тонкая гибкая металлическая пластинка, воспринимающая давление (колебания) воздуха и преобразующая его в механическое перемещение (напр., в анероидах, микрофонах) либо… … Словарь иностранных слов русского языка

Мембрана клеточная — (лат. мембрана кожица) биологическая «кожица», окружающая протоплазму живой клетки (см. Клетка). Участвует в регуляции обмена веществ между клеткой и окружающей её средой. У некоторых клеток клеточная мембрана единственная структура, служащая… … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов

Книги

• Мембранные белки , Творческий коллектив шоу «Дышите глубже». К мембранным белкам относятся белки, которые встроены в клеточную мембрану или мембрану клеточной органеллы или ассоциированы с таковой. Около 25 % всех белков являются мембранными. Клеточная… Купить за 49 руб аудиокнига

Снаружи клетка покрыта плазматической мембраной (или наружной клеточной мембраной) толщиной около 6-10нм.

Клеточная мембрана это плотные пленки из белков и липидов (в основном, фосфолипидов). Молекулы липидов расположены упорядоченно — перпендикулярно к поверхности, в два слоя, так, что их части, интенсивно взаимодействующие с водой (гидрофильные), направлены наружу, а части, инертные к воде (гидрофобные) — внутрь.

Молекулы белка расположены несплошным слоем на поверхности липидного каркаса с обеих его сторон. Часть их погружена в липидный слой, а некоторые проходят через него насквозь, образуя участки, проницаемые для воды. Эти белки выполняют различные функции — одни из них являются ферментами, другие — транспортными белками, участвующими в переносе некоторых веществ из окружающей среды в цитоплазму и в обратном направлении.

Основные функции клеточной мембраны

Одним из основных свойств биологических мембран является избирательная проницаемость (полупроницаемость) — одни вещества проходят через них с трудом, другие легко и даже в сторону большей концентрации Так, для большинства клеток концентрация ионов Na внутри значительно ниже, чем в окружающей среде. Для ионов K характерно обратное соотношение: их концентрация внутри клетки выше, чем снаружи. Поэтому ионы Na всегда стремятся проникнуть в клетку, а ионы K — выйти наружу. Выравниванию концентраций этих ионов препятствует присутствие в мембране особой системы, играющей роль насоса, который откачивает ионы Na из клетки и одновременно накачивает ионы K внутрь.

Стремление ионов Na к перемещению снаружи внутрь используется для транспорта сахаров и аминокислот внутрь клетки. При активном удалении ионов Na из клетки создаются условия для поступления глюкозы и аминокислот внутрь ее.

У многих клеток поглощение веществ происходит также путем фагоцитоза и пиноцитоза. При фагоцитозе гибкая наружная мембрана образует небольшое углубление, куда попадает захватываемая частица. Это углубление увеличивается, и, окруженная участком наружной мембраны, частица погружается в цитоплазму клетки. Явление фагоцитоза свойственно амебам и некоторым другим простейшим, а также лейкоцитам (фагоцитам). Аналогично происходит и поглощение клетками жидкостей, содержащих необходимые клетке вещества. Это явление было названо пиноцитозом .

Наружные мембраны различных клеток существенно отличаются как по химическому составу своих белков и липидов, так и по их относительному содержанию. Именно эти особенности определяют разнообразие в физиологической активности мембран различных клеток и их роль, в жизнедеятельности клеток и тканей.

С наружной мембраной связана эндоплазматическая сеть клетки. При помощи наружных мембран осуществляются различные типы межклеточных контактов, т.е. связь между отдельными клетками .

Для многих типов клеток характерно наличие на их поверхности большого количества выступов, складок, микроворсинок. Они способствуют как значительному увеличению площади поверхности клеток и улучшению обмена веществ, так и более прочным связям отдельных клеток друг с другом.

У растительных клеток снаружи клеточной мембраны имеются толстые, хорошо различимые в оптический микроскоп оболочки, состоящие из клетчатки (целлюлозы). Они создают прочную опору растительным тканям (древесина).

Некоторые клетки животного происхождения тоже имеют ряд внешних структур, находящихся поверх клеточной мембраны и имеющих защитный характер. Примером может быть хитин покровных клеток насекомых.

Функции клеточной мембраны (кратко)

Функция	Описание
Защитный барьер	Отделяет внутренние органеллы клетки от внешней среды
Регулирующая	Производит регуляцию обмена веществ между внутренним содержимым клетки и наружной средой
Разграничивающая (компартментализация)	Разделение внутреннего пространства клетки на независимые блоки (компартменты)
Энергетическая	— Накопление и трансформация энергии; — световые реакции фотосинтеза в хлоропластах; — Всасывание и секреция.
Рецепторная (информационная)	Участвует в формировании возбуждения и его проведения.
Двигательная	Осуществляет движение клетки или отдельных ее частей.

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

Биологические мембраны — это активный молекулярный комплекс с высокоизбирательными свойствами, обеспечивающий обмен веществ и энергии с окружающей средой. В мембранах находятся специфические молекулярные насосы и каналы, с помощью которых регулируются молекулярный и ионный состав внутриклеточной среды. Помимо внешней цитоплазматической мембраны (плазмолемма) в клетках эукариотов имеются еще и внутренние мембраны, ограничивающие различные внутриклеточные компартменты (отсеки), например митохондрии, лизосомы, хлоропласты и т. д. Мембраны регулируют также обмен информацией между клетками и средой (восприятие внешних стимулов) и т. д. Мембраны различаются как по функции, так и по структуре. Однако всем им присущи следующие основные свойства:

■ мембраны представляют собой плотную структуру толщиной в несколько молекул, 60-100 А, образующую сплошную перегородку между отдельными клетками и внутриклеточными отсеками;

■ мембраны главным образом состоят из липидов и белков. В мембранах имеются также углеводные компоненты, связанные с липидами и белками;

■ липиды мембран представлены относительно небольшими молекулами, несущими гидрофильные и гидрофобные группы. В водной среде эти молекулы спонтанно образуют замкнутые бимолекулярные слои, которые служат барьером для проникновения полярных соединений;

■ большинство функций мембран опосредуются специфическими белками, которые могут играть роль насосов, каналов, рецепторов, ферментов и т. д.

В состав мембран входят три основных типа липидов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерин.

СТРОЕНИЕ МЕМБРАН

Фосфолипиды мембран. Среди липидных компонентов мембран главенствующая роль принадлежит фосфолипидам — веществам, производным либо трехатомного спирта глицерола (глицерофосфолипиды), либо более сложного спирта сфингозина (сфингофосфолипиды). Все основные глицерофосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты, этерифицированной с гидроксильной группой спиртов, таких как серии (серинфосфатиды — кефалины), этаноламин, холин (холинфосфа-тиды), кардиолипин (дифосфатидилглицерол) и инозитол (фос-фатидилинозитол).

Из сфингофосфолипидов основным является сфингомиелин, основу которого составляет сфингозин — аминоспирт с длинной ненасыщенной углеводородной цепью. В состав сфингомиелина входит также азотистое основание холин.

Независимо от структурных разнообразий каждая молекула фосфолипида в водной среде — это амфипатическая молекула с полярной головкой и неполярной хвостовой частью. Полярная головка образуется за счет остатков спиртовых групп, азотистых оснований и фосфорной кислоты. Хвостовая же часть — за счет радикалов двух жирных кислот насыщенного и ненасыщенного ряда. Благодаря своим амфипатическим свойствам фосфолипиды в водной среде спонтанно формируют липидные бислои, где полярные головки фосфолипидов направлены в сторону растворимой части клетки с образованием водородных связей с диполями воды, а неполярные хвосты — внутрь бислоя, скрепляясь между собой за счет гидрофобных взаимодействий. Именно бислойная структура фосфолипидов определяет полупроницаемые свойства мембран.

В качестве примера можно привести фосфатидилэтаноламин и фосфатидилхолин. Оба они имеют в верхней части молекулы полярные головки Nh5 (фосфатидилэтаноламин) и N+ (фосфатидилхолин), которые через остаток фосфорной кислоты и глицерина присоединены к двум остаткам жирных кислот, из которых одна насыщенная, другая — ненасыщенная (рис. 1).

В 1972 г. С. Дж. Сингер и Г. Никольсон сформулировали теорию строения мембран, согласно которой мембраны имеют жидкостно-мозаичную структуру. При обычной для клетки температуре мембранный бислой находится в жидком состоянии, что обеспечивается определенным соотношением между насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами в гидрофобных хвостах полярных фосфолипидов. Жирные кислоты с ненасыщенными связями характеризуются большей гибкостью (в отличие от насыщенных ЖК) и способностью создавать изгибы, что предотвращает плотную упаковку, затрудняет «замораживание» мембран и таким образом влияет на их текучесть ().

Упаковка углеводородов в бислое зависит от температуры. При низких температурах бислой находится в виде геля и упакован плотно, при высоких же температурах (температура тела) бислой фактически «расплавляется» и становится текучим, позволяя липидным молекулам двигаться вокруг своей оси, вращаться, меняться местами. Это, в свою очередь, способствует перемещению уже других компонентов в мембране, в частности белков.

Мембранные гликолипиды. Следующим важным компонентом мембран являются гликолипиды — липиды, содержащие углеводы. Гликолипиды животных клеток, подобно сфингомиелину, являются производными спирта сфингозина, связанного с ацильным радикалом. Отличие между этими липидами заключается в том, что в гликолипидах к сфингозиновому остатку присоединены один или несколько остатков сахара, а в сфингомиелине — фосфорилхолин.

Гликолипиды могут быть простые и сложные. Простейший гликолипид — цереброзид, содержащий только один остаток сахара (глюкозу или галактозу). В более сложных гликолипидах число сахарных остатков может достигать семи (ганглиозиды)

Гликолипиды в мембранах могут выполнять защитную, полупроводниковую, рецепторсвязывающую роль. Среди молекул, способных связываться с гликолипидами, встречаются также такие клеточные яды, как холера, токсин тетануса и др.

Другой представитель липидов в мембранах — это холестерин. Количество его в мембранах варьирует в зависимости от типа клеток. В плазматических мембранах в среднем на каждую молекулу фосфолипида приходится примерно 1 молекула холестерина. У других (например, бактерий) — холестерина нет вообще. У холестерина так же, как у фосфолипидов, имеются участки полярные и неполярные.

Внутри мембран холестерин внедряется между фосфолипидами и ориентируется в том же направлении, что и сами молекулы фосфолипидов. Таким образом, полярная головка холестерина оказывается в той же плоскости, что и полярные головки фосфолипидов (рис. 2).

В мембранах холестерин выполняет следующие функции:

■ фиксируют первые несколько ближайших углеводородных групп, входящих в состав фосфолипидных жирных кислот. Это делает липидный бислой более устойчивым к деформациям и ограничивает прохождение через них небольших водорастворимых молекул. В случае отсутствия холестерина (как, например, у бактерий) клетка нуждается в оболочке;

■ предотвращает кристаллизацию углеводородов и фазовые сдвиги в мембране.

Мембранные белки. В то время как мембранные липиды ответственны за создание барьера проницаемости, мембранные белки опосредуют отдельные функции мембран, т. е. транспорт веществ, передачу информации, энергии и т. д. Соотношение между липидами и белками у разных мембран может быть разным, например, миелин, изолятор нервных клеток, содержит только 18% белков и 76% липидов, а митохондриальная внутренняя мембрана, наоборот — содержит 76% белков и только 24% липидов. В зависимости от характера локализации в мембранах выделяют белки интегральные (трансмембранные), периферические и «заякоренные».

Интегральные белки пронизывают бислой мембраны насквозь и благодаря своим бифильным свойствам фиксируются в нем. Белки, пронизывающие мембрану только один раз, называют однократно пронизывающими белками, а несколько раз — многократно пронизывающими.

Периферические белки локализуются на поверхности мембран и скрепляются только за счет электростатических взаимодействий и водородных связей. Довольно часто периферические белки присоединяются к некоторым участкам интегральных белков (рис. 3).

Олигосахариды Гликопротеины Олигосахариды

Рис. 3. Белковый состав мембран

«Заякоренные» белки фиксируются в мембранах с помощью коротких хвостовых липофильных доменов, образованных либо за счет гидрофобных аминокислотных остатков (цитохром b 5 ), либо за счет ковалентно связанных ацильных радикалов (фермент щелочная фосфатаза).

Участки белков, которые обращены во внеклеточную среду, могут подвергаться гликозилированию.

Транспортные белки. Мембранным белкам принадлежит решающая роль в транспорте веществ через мембраны, и для выполнения этой роли наилучшим образом подходят интегральные белки, которые охватывают пространство как внутриклеточное, так и межклеточное.

Транспорт веществ через мембраны белки осуществляют различными способами; они могут выступать в качестве белковых насосов, каналов, транспортеров.

АТР — зависимые насосы, представляют собой АТРазы, которые способствуют движению через мембраны ионов или небольших молекул против их концентрационного градиента (или электрохимического потенциала) за счет энергии расщепления АТР. Такой вид транспорта известен как активный транспорт. С активным транспортом сопряжены определенные химические реакции, так, например, благодаря таким насосам в животных клетках обеспечивается поддержание низких концентраций Са2+ внутри клетки и высокое содержание ионов Nа+ в межклеточном пространстве, низкое значение рН в желудочном соке у человека и животных (моногастричных), внутри лизосом клеток, вакуолей растительных клеток.

Белковые каналы обеспечивают быстрое (до 108 молекул в секунду) перемещение одновременно молекул воды и других молекул и ионов по направлению снижения их концентрационного градиента (или электрохимического потенциала). Такие перемещения молекул обычно являются энергетически выгодными. Так, плазматические мембраны всех животных клеток содержат К+ — специфичные белковые каналы, которые открываются и закрываются в определенное время. Другие белковые каналы в это время закрыты и открываются только в ответ на воздействие специальных сигналов. Особенно большую роль играют такие каналы в нервных клетках.

Белки-транспортеры способствуют транспорту различных ионов и молекул через мембрану; однако, в отличие от канальных белков, белки-транспортеры связывают одну (или несколько) молекул субстрата одновременно, что приводит к изменению конформации белка и в результате к транспорту этих связанных молекул через мембрану. Такие транспортеры могут переносить в клетку около 102-104 молекул в секунду, что гораздо медленнее, чем движение по белковым каналам.

Обнаружены 3 типа белка-транспортера.

Юнипортеры осуществляют транспорт через мембрану животных клеток молекул одного типа в сторону уменьшения их концентрационного градиента, например, глюкозу, аминокислоты.

Антипортеры и симпортеры обеспечивают согласованный ко-транспорт одних молекул или ионов через мембрану против их концентрационного градиента с движением других молекул или ионов в процессе их перемещения в сторону уменьшения их концентрационного градиента.

АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ

Активный транспорт — это транспорт веществ через мембраны за счет потребления энергии расщепления АТР. Активным транспортом осуществляется транспорт некоторых ионов и небольших молекул против их концентрационного градиента.

Белки, участвующие в активном транспорте через мембраны (белковые насосы), условно подразделяют на 4 класса: суперсемейство белков АВС, белки класса Р., F ., и V. Белки класса Р., F . и V транспортируют только ионы, а АВС — небольшие молекулы и ионы.

Белки (насосы) Р. — класса состоят из 2 субъединиц — α и β; α — субъединица содержит АТР — связывающий участок и является каталитической, а β — субъединица — регуляторной. Большинство белков этого класса являются тетрамерами, составленными из 2 α, и 2 β — субъединиц. В процессе транспорта, по крайней мере, одна из α — субъединиц сначала подвергается фосфорилированию (поэтому и обозначается как «Р»), и именно через нее происходит транспорт ионов.

К белкам Р — класса относятся:

■ Nа+/К+- АТРаза — фермент, локализованный в плазматической мембране и регулирующий внутриклеточное содержание ионов Nа+ и К+ в клетках животных;

■ Са2+- АТРазы — насосы, перекачивающие ионы Са2+ из цитозоля в межклеточное пространство против их концентрационного градиента для поддержания низкого уровня кальция (10-2 М) в цитоплазме клеток животных, дрожжей и растений. Помимо плазматических Са2+-АТРаз клетки мышц содержат еще другую Са2+-АТРазу (мышечный Са2+-й насос), которая осуществляет перекачивание ионов кальция из цитозоля в саркоплазматический ретикулум (СР) — внутриклеточное хранилище кальция;

■ мембранные белки эпителиальных клеток желудка у млекопитающих, способствующие поступлению соляной кислоты в желудок;

■ Н+- насосы, транспортирующие протоны водорода из клетки взамен поступления ионов К+ внутрь клетки;

■ Н+- насосы, регулирующие мембранный электрический потенциал в клетках растений, грибов, бактерий. Эти насосы не содержат фосфопротеиновой части.

Ионные насосы класса F и V структурно похожи друг на друга, но гораздо сложнее, чем белки класса Р. Насосы F и V состоят из 3 трансмембранных белков и 5 различных полипептидов, которые ориентированы в цитозольную часть белка и формируют внутрицитозольный домен. Некоторые субъединицы трансмембранных белков, ориентированные во внешнюю часть биомембран, структурно аналогичны внутрицитозольным доменным полипептидам.

Насосы класса V в основном участвуют в поддержании низкого значения рН в вакуолях растений и лизосомах и других кислотных везикулах животных клеток за счет расходования энергии расщепления АТР и перекачивая протоны водорода через мембрану из цитозоля в межклеточное пространство против протонного электрохимического градиента. Насосы класса F найдены в плазматических мембранах бактерий, мембранах хлоропластов и митохондрий. В отличие от насосов класса V их функция в основном направлена на синтез АТР из А D Р и неорганического фосфата за счет движения протонов водорода из цитозольного межмембранного пространства в сторону уменьшения электрохимического градиента.

Последний класс АTР — зависимых транспортных белков — это суперсемейство АВС (АТР- binding cassette ). Этот класс включает до 100 различных транспортных белков, и обнаружены они в клетках всех организмов. Каждый АВС — белок специфичен по отношению к одному какому-то субстрату, или группе субстратов, похожих друг на друга, включая ионы, углеводы, пептиды, полисахариды и даже белки.

Все АВС — транспортные белки объединяет наличие у них 4 главных доменов — двух трансмембранных доменов (Т), образующих так называемые ворота для «прохождения» молекул через мембрану, и двух внутрицитозольных домена (А), участвующих в связывании АТР. Таких АТР — связывающих участков у АВС — белков могут быть один или два, и их часто называют АТРазами, хотя и не всегда они проявляют АТР — гидролизующие свойства. В отдельных случаях такие трансмембранные белки могут проявить АТР — синтезирующие свойства, что играет решающую роль при синтезе АТР в митохондриальных мембранах.

Строение плазмолеммы

Плазмолемма, или внешняя клеточная мембрана, занимает особое место.

Плазмолемма (цитолемма) отграничивает клетку, осуществляет ее взаимодействие с внешней средой, в том числе и с другими клетками, обеспечивает избирательную проницаемость веществ, участвует в поддержании гомеостаза.

Клеточная мембрана, как и остальные мембраны клетки, состоит из двух слоев липидов со встроенными в них белками. Липиды составляют от 25 до 40 % массы и образуют основу (остов) мембраны. Липиды постоянно перемещаются по поверхности мембраны, но при этом они не переходят из наружного во внутренний слой и наоборот. Таким образом, наружный и внутренний слои мембраны могут быть неравноценными.

В состав гидрофильной «головки» фосфолипидов обычно входят последовательно связанные друг с другом азотистые основания (холин, коламин или серин), фосфатная группа и трехатомный спирт глицерин, с которым связаны жирные кислоты.

Особенность сфинголипидов заключается в том, что они состоят не из трехатомного, а из сложного двухатомного спирта — сфингозина. Длинный углеводородный конец спирта замещает недостающую жирную кислоту, которая всего одна. Если азотистое основание жира образовано холином, то такой жир называется сфингомиелином.

Гликолипиды тоже содержат сфингозин, но вместо остатка фосфата и азотистого основания с «головкой» связан углевод (цереброзид, если углевод глюкоза или галактоза; ганглиозид, если углевод полисахарид).

Холестерин состоит из гидрофобного циклического соединения с короткой нециклической цепочкой.

Белки составляют около 60 % массы и обеспечивают специализированные функции мембраны. Однако соотношение белков и жиров весьма вариабельно и зависит от типа мембраны, специализации клетки и т. д. Малая масса жиров в сравнении с белками связана с низкой молекулярной массой жиров, и при сравнении количества молекул соотношение резко изменится в сторону преобладания липидов.

Глобулярные белки формируют скопления в плазмолемме, а часть из них может перемещаться по ее поверхности. Таким образом, мембраны напоминают тончайший двойной слой липидов, непрерывно перемещающихся по поверхности или крайне редко переходящих из одного слоя в другой. Часть белков занимает относительно стабильное положение в пространстве. Это характерно для структурных белков, связанных с цитоскелетом или с соседними внеклеточными структурами и другими клетками (адгезивные белки).

По степени погружения в мембрану белки могут располагаться поверхностно (с наружной или внугренней стороны), пронизывать всю толщу мембраны — интегральные белки или глубоко погружаться, но не достигать одной из сторон — полуинтегралъные белки.

Для белков, расположенных в толще липидов, характерны гидрофобные свойства. В таких белках выделяют две и более преобладающих гидрофобных зон. Основная часть белковой молекулы погружена в липидную структуру мембраны, и с водной средой контактирует только небольшой участок белка. В некоторых белках может быть только одна гидрофобная зона, погруженная в толщу мембраны, а основная часть гидрофильная. Она выступает над внутренней и/или внешней поверхностью мембраны. Вели в белках нет гидрофобных зон, то они могут быть связаны с мембраной за счет взаимодействий с олигосахаридами, присоединяющимися к липидам (гликолипиды), или взаимодействия с белками, погруженными в клеточную мембрану. Такие белки являются поверхностными. Особенно много их на свободной поверхности столбчатых клеток кишечного эпителия, на внутренней мембране митохондрии.

Белки условно подразделяют на:

рецепторные, которые лежат поверхностно и взаимодействуют с внешними сигнальными молекулами;

белки-переносчики, осуществляющие трансмембранный перенос. К ним относят белки ионных каналов, белки, транспортирующие аминокислоты и углеводы. Это в основном интегральные белки со значительными гидрофобными участками;

адгезивные, обеспечивающие прикрепление клеток друг к другу или к элементам межклеточного вещества;

ферменты (гидролазы, синтазы, трансферазы и др.), например белки гликокаликса столбчатых энгероцитов кишечника, осуществляющие внутриклеточное переваривание, или белки внутренней поверхности мембраны, образующие цитоплазматические посредники. Такие белки могут располагаться как поверхностно, так и в толще цитолеммы;

структурные, выполняющие опорно-каркасные функции: альфа-актинин, винкулин, талин, десмоплакины, плакоглобины, десмокомины и десмоглеины. Они чаще всего связаны с микротрубочками, микрофиламентами и филаментами с внутренней стороны мембраны и с адгезивными белками с внешней стороны. Они придают мембранам, органеллам и целым клеткам определенную форму. Обеспечивают мембране механическую устойчивость.

Мембрана имеет разное строение с внутренней и наружной сторон. К поверхности клеточной мембраны прилежит надмембранный слой, или гликокаликс. Его толщина составляет около 50 нм. Гликокаликс содержит полисахариды, рецепторные белки, ферменты. Подмембранный слой включает структурные белки, связанные с цитоскелетом клетки, и ферменты, обеспечивающие образование вторых посредников.

Гликокаликс представляет собой связанный с двойным слоем липидов гликопротеиновый комплекс. Углеводы в нем образуют длинные, ветвящиеся цепочки полисахаридов, связанные с белками и липидами, входящими в состав плазмолеммы. Углеводы не образуют самостоятельных молекул, а связаны с белками (гликопротеины) или жирами (гликолипиды). Гликопротеины имеют высокую видовую, индивидуальную и тканевую специфичность. Углеводы в составе гликопротеинов участвуют в рецепции, реакциях иммунитета и распознавании клеток.

В гликокаликсе могут присутствовать белки, не связанные непосредственно с двойным слоем липидов. Как правило, это белки-ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении различных веществ (углеводов, белков, жиров и др.).

Рецепторные функции плазмолеммы обусловлены специальными структурами — рецепторами, участвующими в «узнавании» химических и физических факторов. Рецепторами на поверхности клетки могут быть гликопротеиды и гликолипиды мембран. Чувствительные к отдельным веществам участки клетки могут быть разбросаны по всей поверхности или собраны в небольшие зоны. Существуют рецепторы к различным биологически активным веществам: гормонам, медиаторам, к специфическим антигенам или к определенным белкам и др.

В плазмолемме локализованы специфические рецепторы, отвечающие за взаимное распознавание клеток, развитие иммунитета, рецепторов, реагирующих на физические факторы.

Выполняя транспортную функцию, плазмолемма обеспечивает пассивный перенос ряда веществ, например воды, ионов и некоторых низкомолекулярных соединений. Другие вещества проникают через мембрану путем активного переноса против градиента концентрации с затратой энергии за счет расщепления АТФ (сахара, аминокислоты и др.). Эти процессы могут быть сопряжены с транспортом ионов, в них участвуют белки-переносчики.

Крупные молекулы биополимеров практически не проникают сквозь плазмолемму. В ряде случаев макромолекулы и даже их агрегаты, а часто и крупные частицы попадают внутрь клетки в результате процесса эндоцитоза. Эндоцитоз подразделяют на фагоцитоз (захват и поглощение клеткой крупных частиц, например, бактерий или фрагментов других клеток) и пиноцитоз (захват отдельных молекул и макромолекулярных соединений). Выведение веществ из клетки называется экзоцитозом.

Процессы эндоцитоза и экзоцитоза идут при участии связанной с плазмолеммой системы микротрубочек и сократимых микрофиламентов. Последние, соединяясь с определенными участками плазмолеммы, могут, изменяя свою длину, втягивать мембрану внутрь клетки, что приводит к отделению от плазмолеммы эндоцитозных вакуолей. Часто, непосредственно примыкая к ней, микрофиламенты образуют сплошной, так называемый кортикальный слой.

Плазмолемма многих клеток животных может образовывать выпячивания и впячивания. У ряда клеток такие выросты включают в свой состав элементы цитоскелета (микротрубочки, тонкие микрофиламенты, промежуточные филаменты), что приводит к образованию органелл со специальными функциями — ресничек, жгутиков.

Наиболее часто на поверхности многих животных клеток встречаются микроворсинки — выросты цитоплазмы, ограниченные плазмолеммой, имеющие форму цилиндра с закругленной вершиной.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Клеточная мембрана – Структура – ​​Фосфолипиды

Клеточные мембраны являются важным компонентом клетки, обеспечивающим разделение между внутриклеточной и внеклеточной средой. Они состоят из липидов, белков и углеводов.

В этой статье мы рассмотрим основные функции клеточной мембраны, состав мембран и клинические состояния, при которых часть клеточной мембраны аномальна.

Рис. 1. Структура клеточной мембраны

Структура

Упрощенный ориентировочный показатель сухой массы показан в Таблице 1.

Сухой вес

40% липидов —         молекулы фосфолипидов и холестерин

60% белка —         канальные белки и белки-носители

1-10% углеводов —          Часто обнаруживается прикрепленным к белкам/липидам снаружи клеточной мембраны – углеводная оболочка, окружающая клетку, часто называется гликокаликсом

 

Фосфолипиды

Двухслойная мембрана содержит много видов молекул фосфолипидов с головными и хвостовыми молекулами разного размера.

Они состоят из головной молекулы, молекулы фосфата, глицерина и двух цепей жирных кислот.

• Головная группа — это полярная группа , например. сахар или холин — это означает, что головной конец фосфолипида является гидрофильным.
• Хвост из 2 цепей жирных кислот, обычно состоящий из 14-24 атомов углерода (но наиболее распространенные длины атомов углерода составляют 16 и 18). Если цепь содержит двойную цис-связь, то цепь изгибается, что уменьшает плотную упаковку мембраны и, таким образом, увеличивает ее подвижность.Поскольку хвост состоит из жирных кислот, он не образует водородных связей с водой и поэтому является гидрофобным и неполярным.

Таким образом, молекулы фосфолипидов являются амфипатическими – одновременно гидрофильными и гидрофобными. Они спонтанно образуют в воде два слоя: головные группы обращены наружу, а хвостовые — внутрь.

В бислое существуют силы Ван-дер-Ваальса между жирнокислотными хвостами фосфолипида, электростатические и водородные связи между гидрофильными группами и водой.

Рис. 2. Диаграмма, показывающая структуру как двойного слоя фосфолипидов, так и отдельного фосфолипида.

Холестерин

Холестерин жизненно важен для многих функций клетки, включая, что очень важно, основной компонент клеточной мембраны.

Сам холестерин

состоит из полярной головки, плоского стероидного кольца и неполярного углеводородного хвоста. Холестерин играет важную роль в мембране, поскольку помогает поддерживать стабильность и текучесть клеточной мембраны при различных температурах.

Холестерин связан с соседними молекулами фосфолипидов водородными связями и поэтому при низких температурах уменьшает их упаковку. В целом это означает, что при низких температурах, когда скорость движения самая низкая, поддерживается жидкая фаза .

При высоких температурах холестерин помогает остановить образование кристаллических структур , а жесткое плоское стероидное кольцо предотвращает внутрицепочечную вибрацию и, следовательно, делает мембрану менее текучей.

Мембранные белки

Как показано в таблице выше, типичная клеточная мембрана состоит примерно из 60% белка. Белков здесь так много, потому что они так важны почти во всех процессах внутри клетки. Список всего лишь нескольких функций мембранных белков может включать:

• Катализаторы – ферменты.
• Транспортеры, помпы и ионные каналы.
• Рецепторы гормонов, местных медиаторов и нейротрансмиттеров.
• Преобразователи энергии.

Более активные клетки или органеллы, напр. митохондрии, как правило, содержат больше белков, что еще раз показывает, что специализация функций определяет структуру.

Являясь частью клеточной мембраны, белки могут быть либо глубоко встроены в бислой ( интегральные ), либо связаны с поверхностью клетки ( периферические ).

Функции клеточной мембраны

Клеточные мембраны необходимы для нормального функционирования всех клеток нашего организма. Их основные функции состоят из:

• Образует непрерывный высокоселективно проницаемый барьер – как вокруг клеток, так и внутриклеточных компартментов.
• Позволяет контролировать закрытую химическую среду – важно поддерживать градиенты ионов.
• Связь – как с внеклеточным, так и с внеорганельным пространством.
• Распознавание – включая распознавание сигнальных молекул, белков адгезии и других клеток-хозяев (очень важно для иммунной системы).
• Генерация сигнала – в ответ на стимул, вызывающий изменение мембранного потенциала.

В клетке разные части мембраны выполняют разные функции и поэтому их структура специализирована для этого.Пример этой специализации можно увидеть в различных частях нерва; клеточная мембрана в аксоне специализируется на электропроводности, тогда как окончание нерва специализируется на синапсах, что означает, что состав мембраны другой.

[старт-клинический]

Клиническая значимость — Наследственный сфероцитоз

Наследственный сфероцитоз – это состояние, при котором спектрин, белок периферического цитоскелета, истощается на 40-80%. Существуют как аутосомно-доминантные, так и рецессивные формы заболевания с разной степенью тяжести. В результате отсутствия спектрина эритроциты не могут эффективно поддерживать свою двояковогнутую структуру и принимают сферическую форму. Это снижает их способность проходить через микроциркуляторное русло организма и приводит к повышенному лизису эритроцитов. Есть 3 других типа сфероцитоза, которые возникают в результате дефектов анкирина, полосы 3 и белка 4.2, однако спектрин является наиболее значительным.

Признаки и симптомы заболевания включают:

• Легкая и умеренная анемия
• Возможна желтуха
• Возможно спленомегалия Рис. 3. Диаграмма, показывающая мазок периферической крови пациента с наследственным сфероцитозом.

[end-clinical]

3.1 Клеточная мембрана – анатомия и физиология

Несмотря на различия в структуре и функциях, все живые клетки многоклеточных организмов имеют окружающую клеточную мембрану. Поскольку внешний слой вашей кожи отделяет ваше тело от окружающей среды, клеточная мембрана (также известная как плазматическая мембрана) отделяет внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Эта клеточная мембрана обеспечивает защитный барьер вокруг клетки и регулирует, какие материалы могут проходить внутрь или наружу.

Структура и состав клеточной мембраны

Клеточная мембрана представляет собой чрезвычайно гибкую структуру, состоящую в основном из фосфолипидов «спина к спине» («двухслойный»).Также присутствует холестерин, который способствует текучести мембраны, и в мембрану встроены различные белки, выполняющие различные функции.

Одна молекула фосфолипида имеет фосфатную группу на одном конце, называемую «головой», и две расположенные рядом цепи жирных кислот, образующие липидные хвосты (рис. 3.2). Фосфатная группа заряжена отрицательно, что делает головку полярной и гидрофильной — или «водолюбивой». Гидрофильная молекула (или участок молекулы) притягивается к воде. Таким образом, фосфатные головки притягиваются к молекулам воды как внеклеточной, так и внутриклеточной среды. Липидные хвосты, с другой стороны, не заряжены, или неполярны, и гидрофобны, или «боятся воды». Гидрофобная молекула (или участок молекулы) отталкивается и отталкивается водой. Некоторые липидные хвосты состоят из насыщенных жирных кислот, а некоторые содержат ненасыщенные жирные кислоты. Эта комбинация добавляет плавности хвостам, которые постоянно находятся в движении. Таким образом, фосфолипиды представляют собой амфипатические молекулы.Амфипатическая молекула — это молекула, которая содержит как гидрофильную, так и гидрофобную области. На самом деле, мыло работает для удаления масляных и жирных пятен, потому что оно обладает амфипатическими свойствами. Гидрофильная часть может растворяться в воде, тогда как гидрофобная часть может задерживать жир в мицеллах, которые затем можно смыть.

Рис. 3.2 Структура фосфолипидов Молекула фосфолипидов состоит из полярной фосфатной «головы», которая является гидрофильной, и неполярного липидного «хвоста», который является гидрофобным. Ненасыщенные жирные кислоты вызывают изгибы гидрофобных хвостов.

Клеточная мембрана состоит из двух соседних слоев фосфолипидов. Липидные хвосты одного слоя обращены к липидным хвостам другого слоя, встречаясь на границе двух слоев. Головки фосфолипидов обращены наружу, один слой обращен внутрь клетки, а другой — наружу (рис. 3.3). Поскольку фосфатные группы полярны и гидрофильны, они притягиваются к воде во внутриклеточной жидкости.Внутриклеточная жидкость (ВКЖ) представляет собой жидкость внутри клетки. Фосфатные группы также притягиваются к внеклеточной жидкости. Внеклеточная жидкость (ECF) представляет собой жидкую среду вне оболочки клеточной мембраны. Интерстициальная жидкость (ИФ) — это термин, обозначающий внеклеточную жидкость, не содержащуюся в кровеносных сосудах. Поскольку липидные хвосты гидрофобны, они встречаются во внутренней области мембраны, исключая из этого пространства водянистую внутриклеточную и внеклеточную жидкость. Клеточная мембрана содержит много белков, а также других липидов (таких как холестерин), которые связаны с бислоем фосфолипидов. Важной особенностью мембраны является то, что она остается текучей; липиды и белки в клеточной мембране не зафиксированы жестко.

Рис. 3.3 Фосфолипидный бислой Фосфолипидный бислой состоит из двух соседних слоев фосфолипидов, расположенных хвост к хвосту. Гидрофобные хвосты связываются друг с другом, образуя внутреннюю часть мембраны. Полярные головки контактируют с жидкостью внутри и снаружи клетки.

Мембранные белки

Липидный бислой образует основу клеточной мембраны, но он приправлен различными белками.Два различных типа белков, которые обычно связаны с клеточной мембраной, — это интегральные белки и периферические белки (рис. 3.4). Как следует из названия, интегральный белок — это белок, встроенный в мембрану. Канальный белок является примером интегрального белка, который избирательно позволяет определенным материалам, таким как определенные ионы, проходить в клетку или из нее.

Рис. 3.4 Клеточная мембрана Клеточная мембрана клетки представляет собой двойной слой фосфолипидов, содержащий множество различных молекулярных компонентов, включая белки и холестерин, некоторые из которых имеют присоединенные углеводные группы.

Другой важной группой интегральных белков являются белки распознавания клеток, которые служат для маркировки клеточной идентичности, чтобы ее можно было распознать другими клетками. Рецептор — это тип распознающего белка, который может избирательно связывать определенную молекулу вне клетки, и это связывание вызывает химическую реакцию внутри клетки. Лиганд — это особая молекула, которая связывается с рецептором и активирует его. Некоторые интегральные белки выполняют двойную роль как рецептора, так и ионного канала. Одним из примеров взаимодействия рецептор-лиганд являются рецепторы на нервных клетках, которые связывают нейротрансмиттеры, такие как дофамин.Когда молекула дофамина связывается с белком-рецептором дофамина, канал внутри трансмембранного белка открывается, позволяя определенным ионам поступать в клетку.

Некоторые интегральные мембранные белки являются гликопротеинами. Гликопротеин представляет собой белок, к которому присоединены молекулы углеводов, проникающие во внеклеточный матрикс. Прикрепленные углеводные метки к гликопротеинам помогают распознавать клетки. Углеводы, происходящие из мембранных белков и даже из некоторых мембранных липидов, вместе образуют гликокаликс.Гликокаликс представляет собой нечеткое покрытие вокруг клетки, образованное из гликопротеинов и других углеводов, прикрепленных к клеточной мембране. Гликокаликс может играть различные роли. Например, у него могут быть молекулы, которые позволяют клетке связываться с другой клеткой, он может содержать рецепторы для гормонов или ферменты для расщепления питательных веществ. Гликокалицы, обнаруженные в организме человека, являются продуктом генетической структуры этого человека. Они придают каждой из триллионов клеток человека «идентичность» принадлежности к телу человека.Эта идентичность является основным способом, которым клетки иммунной защиты человека «знают» не атаковать собственные клетки тела человека, но это также причина, по которой органы, пожертвованные другим человеком, могут быть отвергнуты.

Периферийные белки обычно находятся на внутренней или внешней поверхности липидного двойного слоя, но также могут быть прикреплены к внутренней или внешней поверхности интегрального белка. Эти белки обычно выполняют специфическую функцию для клетки. Некоторые периферические белки на поверхности клеток кишечника, например, действуют как пищеварительные ферменты, расщепляя питательные вещества до размеров, которые могут пройти через клетки и попасть в кровоток.

Транспорт через клеточную мембрану

Одним из величайших чудес клеточной мембраны является ее способность регулировать концентрацию веществ внутри клетки. К этим веществам относятся такие ионы, как Ca ⁺⁺, Na ⁺, K ⁺, Cl ^–; питательные вещества, включая сахара, жирные кислоты и аминокислоты; и продукты жизнедеятельности, особенно двуокись углерода (CO ₂ ), которые должны покинуть клетку.

Липидная двухслойная структура мембраны обеспечивает первый уровень контроля. Фосфолипиды плотно упакованы, а внутренняя часть мембраны гидрофобна. Эта структура делает мембрану избирательно проницаемой. Мембрана, обладающая избирательной проницаемостью, пропускает через себя без посторонней помощи только вещества, отвечающие определенным критериям. В случае клеточной мембраны через липидный бислой могут перемещаться только относительно небольшие неполярные материалы (помните, липидные хвосты мембраны неполярны). Некоторыми примерами из них являются другие липиды, кислород и углекислый газ, а также спирт.Однако водорастворимые материалы, такие как глюкоза, аминокислоты и электролиты, нуждаются в некоторой помощи, чтобы пересечь мембрану, потому что они отталкиваются гидрофобными хвостами фосфолипидного бислоя. Все вещества, которые проходят через мембрану, делают это одним из двух основных способов, которые классифицируются в зависимости от того, требуется ли энергия. Пассивный транспорт – это перемещение веществ через мембрану без затрат клеточной энергии. Напротив, активный транспорт — это перемещение веществ через мембрану с использованием энергии аденозинтрифосфата (АТФ).

Пассивный транспорт

Чтобы понять , как вещества пассивно перемещаются через клеточную мембрану, необходимо понять градиенты концентрации и диффузию. Градиент концентрации – это разница концентрации вещества в пространстве. Молекулы (или ионы) будут распространяться/диффундировать из того места, где они более сконцентрированы, туда, где они менее сконцентрированы, пока они не будут равномерно распределены в этом пространстве. (Когда молекулы движутся таким образом, говорят, что они перемещаются на вниз по градиенту концентрации .) Диффузия – это перемещение частиц из области большей концентрации в область меньшей концентрации. Несколько общих примеров помогут проиллюстрировать эту концепцию. Представьте, что вы находитесь в закрытой ванной. Если распылить флакон с духами, молекулы аромата естественным образом диффундируют из того места, где они оставили флакон, во все уголки ванной комнаты, и это распространение будет продолжаться до тех пор, пока не исчезнет градиент концентрации. Другой пример — ложка сахара, помещенная в чашку чая.В конце концов сахар будет диффундировать по чаю до тех пор, пока не останется градиента концентрации. В обоих случаях, если в комнате теплее или чай горячее, диффузия происходит еще быстрее, поскольку молекулы сталкиваются друг с другом и распространяются быстрее, чем при более низких температурах. Таким образом, внутренняя температура тела около 98,6 ^° F также способствует диффузии частиц внутри тела.

Интерактивная ссылка

Посетите эту ссылку, чтобы увидеть диффузию и то, как она приводится в движение кинетической энергией молекул в растворе.Как температура влияет на скорость диффузии и почему?

Всякий раз, когда вещество находится в большей концентрации на одной стороне полупроницаемой мембраны, такой как клеточные мембраны, любое вещество, которое может перемещаться по градиенту своей концентрации через мембрану, будет делать это. Рассмотрим вещества, которые могут легко диффундировать через липидный бислой клеточной мембраны, такие как газы кислород (O ₂ ) и CO ₂ . O ₂ обычно диффундирует в клетки, потому что он более сконцентрирован вне их, а CO ₂ обычно диффундирует из клеток, потому что он более сконцентрирован внутри них.Ни один из этих примеров не требует никакой энергии со стороны клетки, и поэтому они используют пассивный транспорт для перемещения через мембрану.

Прежде чем двигаться дальше, вам необходимо рассмотреть газы, которые могут диффундировать через клеточную мембрану. Поскольку клетки быстро расходуют кислород во время метаболизма, обычно внутри клетки концентрация O ₂ ниже, чем снаружи. В результате кислород будет диффундировать из интерстициальной жидкости непосредственно через липидный бислой мембраны в цитоплазму внутри клетки.С другой стороны, поскольку клетки продуцируют CO ₂ как побочный продукт метаболизма, концентрации CO ₂ в цитоплазме повышаются; следовательно, CO ₂ будет перемещаться из клетки через липидный бислой в интерстициальную жидкость, где его концентрация ниже. Этот механизм движения молекул через клеточную мембрану со стороны, где они более сконцентрированы, в сторону, где они менее сконцентрированы, представляет собой форму пассивного транспорта, называемого простой диффузией (рис.5).

Рис. 3.5 Простая диффузия через клеточную (плазменную) мембрану Структура липидного двойного слоя позволяет небольшим незаряженным веществам, таким как кислород и углекислый газ, и гидрофобным молекулам, таким как липиды, проходить через клеточную мембрану по градиенту их концентрации за счет простая диффузия.

Большие полярные или ионные молекулы, которые являются гидрофильными, не могут легко пересекать бислой фосфолипидов. Очень маленькие полярные молекулы, такие как вода, могут пересекаться посредством простой диффузии из-за их небольшого размера.Заряженные атомы или молекулы любого размера не могут пересечь клеточную мембрану посредством простой диффузии, поскольку заряды отталкиваются гидрофобными хвостами внутри двойного слоя фосфолипидов. Растворенные вещества, растворенные в воде по обе стороны от клеточной мембраны, имеют тенденцию диффундировать вниз по градиенту их концентрации, но поскольку большинство веществ не могут свободно проходить через липидный бислой клеточной мембраны, их движение ограничено белковыми каналами и специализированными транспортными механизмами в мембране. .Облегченная диффузия — это процесс диффузии, используемый для тех веществ, которые не могут пересечь липидный бислой из-за своего размера, заряда и/или полярности (рис. 3.6). Типичным примером облегченной диффузии является перемещение глюкозы в клетку, где она используется для производства АТФ. Хотя глюкоза может быть более концентрированной вне клетки, она не может пересечь липидный бислой путем простой диффузии, поскольку она большая и полярная. Чтобы решить эту проблему, специальный белок-носитель, называемый переносчиком глюкозы, будет переносить молекулы глюкозы в клетку, чтобы облегчить ее диффузию внутрь.

Рис. 3.6 Облегченная диффузия (а) Облегченная диффузия веществ через клеточную (плазматическую) мембрану происходит с помощью таких белков, как канальные белки и белки-переносчики. Канальные белки менее избирательны, чем белки-переносчики, и обычно слабо различают свой груз в зависимости от размера и заряда. (b) Белки-носители более избирательны, часто позволяя пересекаться только одному определенному типу молекул.

Например, хотя ионы натрия (Na ⁺ ) высококонцентрированы вне клеток, эти электролиты заряжены и не могут пройти через неполярный липидный бислой мембраны.Их диффузии способствуют мембранные белки, которые образуют натриевые каналы (или «поры»), так что ионы Na ⁺ могут перемещаться по градиенту их концентрации извне клеток внутрь клеток. Есть много других растворенных веществ, которые должны подвергаться облегченной диффузии, чтобы попасть в клетку, например, аминокислоты, или выйти из клетки, например, отходы. Поскольку облегченная диффузия является пассивным процессом, она не требует затрат энергии клеткой.

Вода также может свободно перемещаться через клеточную мембрану всех клеток либо через белковые каналы, либо путем проскальзывания между липидными хвостами самой мембраны. Осмос — это диффузия воды через полупроницаемую мембрану (рис. 3.7).

Рисунок 3.7 Осмос Осмос – это диффузия воды через полупроницаемую мембрану по градиенту ее концентрации. Если мембрана проницаема для воды, но не для растворенного вещества, вода уравняет свою концентрацию, диффундируя в сторону с более низкой концентрацией воды (и, следовательно, в сторону с более высокой концентрацией растворенного вещества). В стакане слева раствор справа от мембраны гипертоничен.

Движение молекул воды само по себе не регулируется некоторыми клетками, поэтому важно, чтобы эти клетки находились в среде, в которой концентрация растворенных веществ вне клеток (во внеклеточной жидкости) равна концентрации растворенных веществ внутри клеток (в цитоплазме). Два раствора с одинаковой концентрацией растворенных веществ называются изотоническими (равное напряжение). Когда клетки и их внеклеточная среда изотоничны, концентрация молекул воды одинакова снаружи и внутри клеток, и клетки сохраняют свою нормальную форму (и функцию).

Осмос возникает, когда существует дисбаланс растворенных веществ вне клетки по сравнению с внутри клетки. Раствор, в котором концентрация растворенных веществ выше, чем в другом растворе, называется гипертоническим, и молекулы воды имеют тенденцию диффундировать в гипертонический раствор (рис. 3.8). Клетки в гипертоническом растворе сморщиваются, когда вода выходит из клетки посредством осмоса. Напротив, раствор с более низкой концентрацией растворенных веществ, чем другой раствор, называется гипотоническим, и молекулы воды имеют тенденцию диффундировать из гипотонического раствора.Клетки в гипотоническом растворе будут поглощать слишком много воды и набухать, рискуя в конечном итоге лопнуть. Важнейшим аспектом гомеостаза живых существ является создание внутренней среды, в которой все клетки тела находятся в изотоническом растворе. Различные системы органов, особенно почки, работают для поддержания этого гомеостаза.

Рис. 3.8 Концентрация растворов В гипертоническом растворе концентрация растворенного вещества выше, чем в другом растворе. Изотонический раствор имеет концентрацию растворенного вещества, равную концентрации другого раствора.Гипотонический раствор имеет более низкую концентрацию растворенного вещества, чем другой раствор.

Другим механизмом пассивного переноса материалов между отсеками, помимо диффузии, является фильтрация. В отличие от диффузии вещества из более концентрированной области в менее концентрированную, при фильтрации используется градиент гидростатического давления, который выталкивает жидкость и содержащиеся в ней растворенные вещества из области более высокого давления в область более низкого давления. Фильтрация – чрезвычайно важный процесс в организме. Например, система кровообращения использует фильтрацию для перемещения плазмы и веществ через эндотелиальную выстилку капилляров в окружающие ткани, снабжая клетки питательными веществами.Фильтрационное давление в почках обеспечивает механизм удаления отходов из кровотока.

Активный транспорт

При всех описанных выше транспортных методах клетка не расходует энергию. Мембранные белки, которые помогают в пассивном транспорте веществ, делают это без использования АТФ. При активном транспорте АТФ требуется для перемещения вещества через мембрану, часто с помощью белков-переносчиков, и обычно против градиента его концентрации.

Один из наиболее распространенных видов активного транспорта включает белки, которые служат насосами.Слово «насос», вероятно, вызывает в воображении мысли об использовании энергии для накачивания шины велосипеда или баскетбольного мяча. Точно так же энергия АТФ требуется этим мембранным белкам для переноса веществ — молекул или ионов — через мембрану, обычно против градиентов их концентрации (из области с низкой концентрацией в область с высокой концентрацией).

Натрий-калиевый насос, который также называют Na ⁺ /K ⁺ АТФаза, транспортирует натрий из клетки, одновременно перемещая калий в клетку.Насос Na ⁺ / K ⁺ является важным ионным насосом, присутствующим в мембранах многих типов клеток. Этих насосов особенно много в нервных клетках, которые постоянно выкачивают ионы натрия и втягивают ионы калия, чтобы поддерживать электрический градиент на своих клеточных мембранах. Электрический градиент — это разница в электрическом заряде в пространстве. В случае нервных клеток, например, существует электрический градиент между внутренней и внешней частью клетки, при этом внутренняя часть заряжена отрицательно (около -70 мВ) относительно внешней.Отрицательный электрический градиент сохраняется, поскольку каждый насос Na ⁺ / K ⁺ перемещает три иона Na ⁺ из клетки и два иона K ⁺ в клетку на каждую используемую молекулу АТФ (рис. 3.9). . Этот процесс настолько важен для нервных клеток, что на его долю приходится большая часть использования ими АТФ.

Рис. 3.9 Натрий-калиевый насос Натрий-калиевый насос находится во многих клеточных (плазматических) мембранах. Приводимый в действие АТФ, насос перемещает ионы натрия и калия в противоположных направлениях, каждый против своего градиента концентрации.За один цикл насоса три иона натрия вытесняются из клетки, а два иона калия импортируются в клетку.

Активные транспортные насосы могут также работать вместе с другими активными или пассивными транспортными системами для перемещения веществ через мембрану. Например, натрий-калиевый насос поддерживает высокую концентрацию ионов натрия вне клетки. Следовательно, если клетке нужны ионы натрия, все, что ей нужно сделать, это открыть пассивный натриевый канал, поскольку градиент концентрации ионов натрия заставит их диффундировать в клетку.Таким образом, действие активного транспортного насоса (натрий-калиевого насоса) обеспечивает пассивный транспорт ионов натрия за счет создания градиента концентрации. Когда активный транспорт обеспечивает транспорт другого вещества таким образом, это называется вторичным активным транспортом.

Симпортеры — это вторичные активные переносчики, которые перемещают два вещества в одном направлении. Например, симпортер натрий-глюкоза использует ионы натрия для «втягивания» молекул глюкозы в клетку. Поскольку клетки хранят глюкозу для получения энергии, глюкоза обычно находится в более высокой концентрации внутри клетки, чем снаружи.Однако благодаря действию натрий-калиевого насоса ионы натрия легко диффундируют в клетку при открытии симпортера. Поток ионов натрия через симпортер обеспечивает энергию, которая позволяет глюкозе двигаться через симпортер в клетку против градиента ее концентрации.

И наоборот, антипортеры представляют собой вторичные активные транспортные системы, которые транспортируют вещества в противоположных направлениях. Например, антипортер ионов натрия и водорода использует энергию поступающего внутрь потока ионов натрия для перемещения ионов водорода (H+) из клетки.Натрий-водородный антипортер используется для поддержания pH внутри клетки.

Другие формы активного транспорта не включают мембранных носителей. Эндоцитоз (введение «в клетку») — это процесс поглощения клетками материала путем его обволакивания частью своей клеточной мембраны, а затем отщипывания этой части мембраны (рис. 3.10). После отщипывания часть мембраны и ее содержимое становится самостоятельным внутриклеточным пузырьком. Везикула представляет собой перепончатый мешок — сферическую полую органеллу, ограниченную двухслойной липидной мембраной.Эндоцитоз часто приносит в клетку материалы, которые необходимо расщепить или переварить. Фагоцитоз («поедание клеток») — это эндоцитоз крупных частиц. Многие иммунные клетки участвуют в фагоцитозе вторгшихся патогенов. Как и маленькие пакмены, их работа состоит в том, чтобы патрулировать ткани тела на наличие нежелательных веществ, таких как вторжение бактериальных клеток, их фагоцитирование и переваривание. В отличие от фагоцитоза при пиноцитозе («питье клеток») жидкость, содержащая растворенные вещества, попадает в клетку через мембранные везикулы.

Рис. 3.10. Три формы эндоцитоза Эндоцитоз – это форма активного транспорта, при которой клетка окутывает внеклеточные вещества с помощью своей клеточной мембраны. (а) При фагоцитозе, который является относительно неселективным, клетка захватывает крупную частицу. (б) При пиноцитозе клетка поглощает мелкие частицы жидкости. (c) Напротив, эндоцитоз, опосредованный рецепторами, является довольно избирательным. Когда внешние рецепторы связывают специфический лиганд, клетка отвечает эндоцитозом лиганда.

Фагоцитоз и пиноцитоз захватывают большие порции внеклеточного материала, и они, как правило, не обладают высокой избирательностью в отношении вводимых веществ.Клетки регулируют эндоцитоз определенных веществ посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз — это эндоцитоз части клеточной мембраны, содержащей множество рецепторов, специфичных для определенного вещества. Как только поверхностные рецепторы связывают достаточное количество специфического вещества (лиганда рецептора), клетка эндоцитирует часть клеточной мембраны, содержащую комплексы рецептор-лиганд. Железо, необходимый компонент гемоглобина, таким образом эндоцитируется красными кровяными тельцами.Железо связано с белком, называемым трансферрином в крови. Специфические рецепторы трансферрина на поверхности эритроцитов связывают молекулы железо-трансферрин, и клетка эндоцитирует комплексы рецептор-лиганд.

В отличие от эндоцитоза, экзоцитоз (выведение «из клетки») представляет собой процесс экспорта клетками материала с помощью везикулярного транспорта (рис. 3.11). Многие клетки производят вещества, которые должны выделяться, как фабрика, производящая продукт на экспорт. Эти вещества обычно упакованы в мембраносвязанные везикулы внутри клетки.Когда мембрана везикул сливается с клеточной мембраной, везикула высвобождает свое содержимое в интерстициальную жидкость. Затем мембрана везикул становится частью клеточной мембраны. Клетки желудка и поджелудочной железы вырабатывают и выделяют пищеварительные ферменты путем экзоцитоза (рис. 3.12). Эндокринные клетки вырабатывают и выделяют гормоны, которые разносятся по всему телу, а некоторые иммунные клетки вырабатывают и выделяют большое количество гистамина, химического вещества, важного для иммунных реакций.

Рис. 3.11 Экзоцитоз Экзоцитоз очень похож на эндоцитоз наоборот. Материал, предназначенный для экспорта, упаковывается в везикулу внутри клетки. Мембрана везикулы срастается с клеточной мембраной, и содержимое выходит во внеклеточное пространство.

Рис. 3.12 Ферментные продукты клеток поджелудочной железы Ацинарные клетки поджелудочной железы производят и секретируют множество ферментов, которые переваривают пищу. Крошечные черные гранулы на этой электронной микрофотографии представляют собой секреторные пузырьки, заполненные ферментами, которые будут экспортироваться из клеток посредством экзоцитоза.LM × 2900. (Микрофотография предоставлена ​​Регентами Медицинской школы Мичиганского университета © 2012)

Болезни органов…

Клетка: Муковисцидоз

Муковисцидоз (МВ) поражает около 30 000 человек в Соединенных Штатах, и ежегодно регистрируется около 1000 новых случаев. Это генетическое заболевание наиболее известно своим поражением легких, вызывающим затрудненное дыхание и хронические легочные инфекции, но оно также поражает печень, поджелудочную железу и кишечник. Всего около 50 лет назад прогноз для детей, рожденных с муковисцидозом, был очень мрачным — ожидаемая продолжительность жизни редко превышала 10 лет.Сегодня, благодаря достижениям в лечении, многие пациенты с муковисцидозом доживают до 30 лет.

Симптомы муковисцидоза возникают в результате нарушения работы мембранного ионного канала, называемого регулятором трансмембранной проводимости при муковисцидозе, или CFTR. У здоровых людей белок CFTR является интегральным мембранным белком, который транспортирует ионы Cl ^– из клетки. У человека с муковисцидозом мутирует ген CFTR, поэтому клетка вырабатывает белок с дефектом канала, который обычно не встраивается в мембрану, а вместо этого разрушается клеткой.

Для работы CFTR требуется АТФ, что делает его транспорт Cl ^– формой активного транспорта. Эта характеристика долгое время озадачивала исследователей, потому что ионы Cl ^– на самом деле текут по градиенту их концентрации при транспортировке из клеток. Активный транспорт обычно перекачивает ионы против градиента их концентрации , но CFTR представляет собой исключение из этого правила.

В нормальной легочной ткани перемещение Cl ^– из клетки поддерживает богатую Cl ^– отрицательно заряженную среду непосредственно вне клетки.Это особенно важно для эпителиальной выстилки дыхательной системы. Клетки респираторного эпителия выделяют слизь, которая служит для улавливания пыли, бактерий и другого мусора. Ресничка (множественное число = реснички) — это один из волосовидных придатков, обнаруженных на некоторых клетках. Реснички на эпителиальных клетках перемещают слизь и ее захваченные частицы вверх по дыхательным путям от легких и наружу. Чтобы эффективно продвигаться вверх, слизь не должна быть слишком вязкой; скорее, он должен иметь жидкую водянистую консистенцию.Транспорт Cl ^– и поддержание электроотрицательной среды вне клетки привлекают положительные ионы, такие как Na ⁺ , во внеклеточное пространство. Накопление ионов Cl ^– и Na ⁺ во внеклеточном пространстве создает богатую растворенными веществами слизь с низкой концентрацией молекул воды. В результате посредством осмоса вода из клеток и внеклеточного матрикса переходит в слизь, «разжижая» ее. Именно так в нормальной дыхательной системе слизь остается достаточно разбавленной, чтобы ее можно было вывести из дыхательной системы.

Если канал CFTR отсутствует, ионы Cl ^– не транспортируются из клетки в достаточном количестве, что не позволяет им притягивать положительные ионы. Отсутствие ионов в секретируемой слизи приводит к отсутствию нормального градиента концентрации воды. Таким образом, нет осмотического давления, втягивающего воду в слизь. Образующаяся слизь густая и липкая, и мерцательный эпителий не может эффективно удалить ее из дыхательной системы. Проходы в легких блокируются слизью вместе с мусором, который она несет.Бактериальные инфекции возникают легче, потому что бактериальные клетки не эффективно удаляются из легких.

Клеточная мембрана – определение, функция/структура, животная/растительная клетка

Определение, структура/функция 

Диаграмма, животная/растительная клетка

По сравнению с плазматической мембраной

Определение

---

По существу, клеточная мембрана является самым внешним барьером, который отделяет внутреннее содержимое клетки в цитоплазме от внешней среды (например,г. отделяет внутреннюю среду клетки от внеклеточного матрикса или образует границу между соседними клетками). Он тонкий и хрупкий, его толщина составляет от 5 до 10 нм в зависимости от типа клетки.

Во всех живых организмах клеточная мембрана выполняет как морфологическую, так и функциональную роль, варьирующуюся от одного типа клеток к другому. Например, у амеб клеточная мембрана играет важную роль в развитии псевдоподий, участвующих в питании и передвижении.

Некоторые другие функции клеточной мембраны включают:

 

• Транспорт молекул и ионов в клетку и из нее
• Связь между соседними клетками
• Сигнальный рецептор
• Секреция

0

0

Структура  

---

Клеточная мембрана представляет собой сложную структуру, состоящую из двойного слоя фосфолипидов. Таким образом, он состоит из липидов в форме фосфолипидов.Они также могут содержать холестерин и гликолипиды.

Помимо этих липидов, мембрана также состоит из ряда других компонентов (например, гликопротеинов, белков, ионов и т. д.), которые выполняют множество функций. Здесь способ расположения компонентов клеточной мембраны связан с их соответствующими функциями.

Для большинства клеток клеточная мембрана состоит из трех основных компонентов. К ним относятся глицерин, две цепи жирных кислот, а также фосфатная группа.Поэтому для клеточной мембраны с глицерином в качестве основы этот комплекс известен как глицерофосфолипиды (или фосфоглицериды).

Здесь глицерин, являющийся основой мембраны, состоит из трех атомов углерода, пяти атомов водорода, а также трех гидроксильных групп. Присоединение/связывание цепей жирных кислот (двух цепей жирных кислот) с глицерином происходит посредством процесса, известного как этерификация: первый и второй атомы углерода глицерина реагируют (этерификация) с карбоксильными группами цепей жирных кислот с образованием сложного эфира. связь.

Кроме того, между гидроксильной группой, расположенной у третьего атома углерода глицерина, и фосфорной кислотой образуется еще одна сложноэфирная связь. Эти реакции приводят к образованию диацилглицерин-3-фосфата (фосфатидата), который является простейшей формой или предшественником фосфоглицерида.

 

* Фосфоглицериды образуются путем образования сложноэфирной связи между фосфатной группой предшественника (фосфатидатом) и гидроксильной группой данных спиртов (например,г. холин, этаноламин и инозитол среди прочих).

 

В то время как клеточная мембрана эукариот и большинства бактерий состоит из фосфолипидов, мембрана архей (одноклеточных прокариот) состоит из эфирных липидов. Здесь было показано, что неполярные цепи связаны с глицерином через эфирные связи.

Этот тип связи особенно важен для архей, поскольку он более устойчив к гидролизу. Это позволяет этим клеткам выживать во враждебных средах обитания.Помимо эфирных звеньев, мембрана этих организмов состоит из разветвленных алкильных цепей.

В отличие от эфирных связей, эти цепи, как правило, очень устойчивы к окислению и, таким образом, выдерживают такие суровые условия окружающей среды, как низкий pH, высокая соленость и экстремальные температуры.

 

* В некоторых организмах липиды находятся в форме гликолипидов (сахаросодержащих липидов).

 

Некоторые из других компонентов структуры плазматической мембраны включают:

 

Белки  — Хотя они не так многочисленны, как липиды, белки также являются важной частью клеточной мембраны.В большинстве клеток клеточная мембрана состоит из белков двух типов, а именно интегральных и периферических белков.

Интегральные мембраны встроены в мембрану (интегрированы в клеточную мембрану). В то время как некоторые из этих белков простираются по всей ширине мембраны, известные как трансмембранные белки, другие простираются только наполовину.

Белки имеют один или несколько гидрофобных участков, которые прикрепляют их к гидрофобной части клеточной мембраны в гидрофобном хвосте.

В отличие от интегральных белков, периферические белки располагаются либо внутри, либо снаружи поверхности клеточной мембраны. Они могут быть присоединены к фосфолипидам мембраны или к интегральным белкам, встроенным в мембрану.

 

* Трансмембрана, простирающаяся на всю ширину (толщину) мембраны, может состоять из нескольких гидрофобных аминокислот. В этом случае аминокислоты расположены в виде альфа-спирали.

* Было показано, что мембранные белки составляют около 50 процентов от общей массы мембраны. Хотя они присутствуют в меньшем количестве по сравнению с липидами, они имеют большую молекулярную массу.

 

 

Углеводы  — Как и периферические белки, углеводы обычно находятся на поверхности клетки. В отличие от белков, углеводы находятся на внеклеточной стороне клеточной мембраны. Здесь углеводы, состоящие из от 2 до 60 моносахаридов, могут быть связаны с белками, образуя таким образом гликопротеины, или связаны с липидами с образованием гликолипидов. Для большинства клеток сахара составляют от 2 до 10 процентов липидов.Таким образом, его также можно найти в клеточной мембране, где он интегрирован в полярные концы мембраны (гидрофильные концы).

Было показано, что помимо воды ионы связаны с мембранами несколькими способами. Например, они могут присутствовать при прохождении через ионные каналы/насосы или прикрепляться к поверхности мембраны

 

Клеточная мембрана состоит из большого количества фосфолипидов. Как уже упоминалось, эти фосфолипиды состоят из двух отдельных частей, включая гидрофильную головку, часть, содержащую фосфат и глицерин, и гидрофобную часть, состоящую из жирных кислот.

В среде с водой гидрофильная часть взаимодействует с водой, а гидрофобные хвосты собираются вместе, избегая взаимодействия с водой.

В результате как внутренняя, так и внешняя поверхности мембраны будут состоять из гидрофильных головок, легко взаимодействующих с водой, а внутренняя/центральная часть мембраны будет состоять из гидрофобных хвостов, избегающих взаимодействия с водой. Таким образом, клеточная мембрана обычно выглядит как диаграмма ниже

 

* Из-за среды, в которой находится клетка (состоит из воды), и природы клеточной мембраны (с гидрофобными и гидрофильными частями) полая сфера представляет собой наиболее стабильную структуру мембраны.

 

* Гидрофобная часть (С-хвост) состоит из насыщенной (прямые хвосты) и ненасыщенной (с изгибом/перегибом). В то время как насыщенные фосфолипиды имеют тенденцию плотно упаковываться, ненасыщенные фосфолипиды позволяют структуре быть более жидкой за счет введения пробелов.

 

Хотя сама природа фосфолипидов заставляет их плотно упаковываться в мембрану, необходима структурная поддержка для поддержания формы клетки, а также для предотвращения повреждения двойного слоя.

Эта опора обеспечивается цитоскелетом, расположенным под мембраной. Он состоит из актиновых филаментов, образующих сетчатый каркас, на котором лежит мембрана.

Хотя цитоскелет расположен под мембраной, было показано, что он взаимодействует с некоторыми интегральными мембранными белками. Это не только ограничивает диффузию этих белков, но также усиливает структурную поддержку мембраны.

 

Жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны

Предложен в 1972 году С.Джонатана Сингера и Гарта Николсона из Калифорнийского университета жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны — это модель, используемая для описания базовой структуры и поведения мембраны (многих клеток).

В этой модели клеточная мембрана состоит из ряда компонентов/молекул, вместе образующих мозаику, которая свободно перемещается по текучей среде. Движение этих компонентов/молекул (белков, холестерина и т. д.) напоминает движение айсбергов в океане.

Согласно исследованиям, на текучесть клеточной мембраны влияет ряд факторов.

К ним относятся:

 

Температура  — Как и в случае с другими природными молекулами (например, газами и жидкостями), повышение температуры заставляет фосфолипиды разрастаться и становиться более гибкими. В случае низкой температуры фосфолипиды сближаются, в результате чего структура становится более жесткой

 

Холестерин  — В клеточной мембране молекулы холестерина соответствующим образом распределяются таким образом, что фосфолипиды удерживаются вместе.Увеличение или уменьшение количества этих молекул влияет на структурную целостность мембраны, а также на способность мембраны контролировать движение молекул и ионов в клетку и из нее.

 

Жирные кислоты  — Как уже упоминалось, клеточная мембрана состоит как из насыщенных, так и из ненасыщенных жирных кислот. Было показано, что из-за одинарных связей между атомами углерода насыщенных жирных кислот они представляют собой прямые цепи, которые имеют тенденцию плотно упаковываться.

В результате мембрана, состоящая только из этих жирных кислот, была бы твердой при нормальной температуре тела, что, в свою очередь, мешало бы движению молекул и ионов внутрь и наружу клеток.

Однако присутствие ненасыщенных жирных кислот (с двойной мембраной между некоторыми атомами углерода и, следовательно, изгибом/перегибом) создает пространство в мембране, тем самым препятствуя плотной упаковке структуры.

Создавая пространство в мембране, ненасыщенные жирные кислоты повышают текучесть структуры, а также позволяют некоторым молекулам проходить без особого труда.

 

Функции

---

Клеточная мембрана представляет собой сплошной лист, отделяющий внутреннюю часть клетки от внешней среды. Таким образом, он выполняет ряд важных функций, которые позволяют клетке нормально функционировать.

К ним относятся:

 

Морфологическая/Компартментализация  — Клеточная мембрана ограничивает различные внутриклеточные органеллы, тем самым отделяя их от внешней среды.Будучи сплошным листом, мембрана позволяет протекать нормальным внутриклеточным процессам без перерывов со стороны внешней среды.

Без этой мембраны, например, нарушается связь, необходимая для синтеза данных молекул, что приводит к изменению различных клеточных процессов. Кроме того, изменяются отношения между соседними органеллами (например, между ядром и рибосомой).

 

Контролируют движение материала/веществ в клетку и из нее  — Являясь барьером между клеткой и внешней средой, клеточная мембрана участвует в регуляции движения/транспорта различных молекул и ионов в и из клетки.

Здесь транспорт/перемещение этих веществ может происходить с помощью ряда механизмов, включая: область низкой концентрации. Таким образом, этот способ движения в значительной степени зависит от дисбаланса концентрации внутри и снаружи клетки. Что касается движения веществ, то диффузия может принимать три формы.

К ним относятся:

 

Пассивная или простая диффузия  — Как следует из названия, этот тип диффузии прост и включает перемещение молекул из места их высокой концентрации в область с низкой концентрацией.

По большей части эти молекулы маленькие и неполярные. Хорошим примером этого является диффузия газов (например, кислорода) в клетку и из нее.

Некоторые другие молекулы, которые проходят через клеточную мембрану, — это молекулы воды, которые имеют небольшой заряд, и углекислый газ.

 

Облегченная диффузия  — В отличие от простой диффузии облегченная диффузия представляет собой процесс, в котором молекулам необходимо помочь пройти через мембрану. Хотя он также зависит от градиента концентрации, этот способ транспорта также зависит от таких каналов, как белковые каналы (например, аквапорины, которые транспортируют молекулы воды).

Молекулы, которые зависят от этого способа транспорта, имеют тенденцию быть больше и иметь полярность (например,г. натриевые и калиевые статьи). Кроме того, облегченная диффузия может происходить через белки-носители.

Здесь молекулы прикрепляются к белкам-носителям, что приводит к изменению их формы таким образом, чтобы молекулы могли транспортироваться в клетку или из нее.

В этом способе транспорта белки-переносчики могут связываться только с определенным типом молекул (специфическим). В эту категорию также могут быть включены ионные каналы. Эти каналы часто закрыты и, таким образом, пропускают только определенный тип ионов.

 

Активный транспорт

 

В отличие от диффузии, активный транспорт — это тип транспорта, при котором молекулы должны транспортироваться против их градиента. Таким образом, он не зависит от градиента концентрации.

Учитывая, что активный транспорт включает движение молекул против градиента концентрации, для этого также требуется энергия.

Существует два основных типа активного транспорта, которые включают:

 

Первичный активный транспорт  — Хорошим примером первичного активного транспорта является натриево-калиевый насос (Na+/K+ насос).Здесь транспортер (белок) встроен в мембрану и распространяется по всей длине мембраны.

Обычно внеклеточная сторона этого переносчика закрыта, а внутриклеточная открыта. Внутриклеточная сторона связана с АТФ — источником энергии. В этом состоянии транспортер обладает высоким сродством к находящимся в клетке ионам натрия.

Эти ионы входят в переносчик и прикрепляются к нему, что, в свою очередь, заставляет АТФ переносить фосфат к переносчику.Это обеспечивает переносчик энергией, необходимой для закрытия открытой внутриклеточной стороны и открытия внеклеточного конца.

В результате снижается сродство к ионам натрия, что позволяет им высвобождаться во внеклеточную среду. Как только эти ионы высвобождаются, переносчик увеличивает свое сродство к калию, что заставляет ионы калия проникать в переносчик и присоединяться к нему. За этим следует закрытие внеклеточного конца, в то время как фосфат на внутриклеточном конце высвобождается.

Таким образом, новый АТФ связывается с этим сайтом, вызывая открытие внутриклеточного конца и высвобождение калия в клетку. Этот вид транспорта потребляет значительное количество энергии. По этой причине таких транспортеров мало.

 

Вторичный активный транспорт  — Хотя вторичный активный транспорт также зависит от мембранных белков, энергия, используемая здесь, получена за счет электрохимического градиента ионов, а не APT. Одним из белков, участвующих в этом способе транспорта, является натрий-глюкозный котранспортер 1.

Первоначально сторона этого белка, контактирующая с цитоплазмой, закрыта, а внеклеточный конец открыт. В этом состоянии два отрицательно заряженных центра связывания ионов натрия обнажаются и притягивают два иона натрия (анионы натрия).

Когда ионы движутся по электрохимическому градиенту, высвобождается энергия, в результате чего белковый переносчик меняет форму. В свою очередь, это увеличивает ее бесконечность для молекул глюкозы, находящихся вне клетки. Глюкоза в этой среде находится в низкой концентрации.

Увеличение сродства к глюкозе заставляет молекулы глюкозы прикрепляться к транспортеру, что приводит к закрытию внеклеточного конца белка при открытии конца цитоплазмы. При высвобождении ионов натрия в клетку сродство белка к глюкозе снижается, позволяя глюкозе высвобождаться в клетку.

 

Везикулярный транспорт  — Третий тип транспорта известен как везикулярный транспорт и включает образование мембраносвязанных везикул.Это включает такие процессы, как эндоцитоз и пиноцитоз, когда молекула интернализуется после контакта с клеточной мембраной.

При эндоцитозе (опосредованном рецепторами эндоцитозе), например, вещество (например, липопротеины низкой плотности) сначала вступает в контакт со специфическими рецепторами, расположенными на клеточной мембране. Это стимулирует образование везикул на мембране за счет внутреннего изгиба мембраны.

При этом молекула заключена в везикулу и транспортируется в клетку.Подобные процессы важны для транспорта молекул, необходимых клетке, фагоцитоза, а также питания таких организмов, как амебы. Этот метод обычно используется для транспортировки более крупных молекул.

См. стр. Пассивная диффузия против активного транспорта

См. Эндоцитоз против экзоцитоза

Передача сигналов клетками

 

Как уже упоминалось, клеточная мембрана состоит из множества молекул. Некоторые из этих молекул представляют собой белковые рецепторы, которые связываются с определенными типами молекул.

Хорошими примерами таких рецепторов являются инсулиновые рецепторы, которые связывают инсулин. Связываясь с заданными сигнальными молекулами во внеклеточной среде, эти рецепторы (трансмембранные белки) позволяют клетке адекватно реагировать на раздражители. Информация от раздражителей передается через клеточную мембрану в клетку по таким путям, как каскады передачи сигнала.

 

---

И растения, и животные являются эукариотами и, таким образом, имеют клетки с мембраносвязанными органеллами.Как и клетки животных, клетки растений также содержат различные важные органеллы, в том числе ядро, митохондрии, аппарат Гольджи и рибосомы. Однако клетки растений содержат ряд внеклеточных компонентов, отсутствующих в клетках животных. К ним относятся хлоропласт, большая центральная вакуоль, а также клеточная стенка.

У растений клеточная мембрана расположена между цитоплазмой клетки и клеточной стенкой. Как и в случае с клетками животных, клеточная мембрана растений представляет собой липидный бислой.Он состоит из фосфолипидов, а также содержит белковые и углеводные молекулы. Здесь клеточная мембрана участвует в ряде функций, включая содержание клеточных органелл, транспортировку молекул в клетку и из нее, а также клеточную коммуникацию.

Клеточная стенка представляет собой более твердый слой, окружающий клеточную мембрану. В отличие от клеточной мембраны, клеточная стенка растительных клеток в основном состоит из целлюлозы. Он также состоит из пектина среди нескольких других компонентов. Окружая клеточную мембрану, клеточная стенка служит для обеспечения прочности на растяжение, а также защищает клетку от различных стрессов окружающей среды.

Кроме того, он также способствует жесткости тканей, выдерживая тургорное давление — внутреннее клеточное давление, которое прижимает клеточную мембрану растительных клеток к клеточной стенке. Таким образом, он играет важную роль в ограничении потери воды (и, следовательно, потери тургорного давления), которая в противном случае могла бы вызвать увядание.

 

---

Слова «клеточная мембрана» и «плазматическая мембрана» часто меняют местами, чтобы обозначить одно и то же. Однако плазматическая мембрана относится к типу мембраны, окружающей клеточные органеллы, в то время как клеточная мембрана представляет собой мембрану, окружающую клетку в целом.Плазматическая мембрана обычно встречается в эукариотических клетках, содержащих связанные с мембраной органеллы.

В этих клетках эта мембрана образует барьер между клеточными органеллами (например, ядром и митохондриями) и внешней средой (внешней по отношению к органеллам). Однако, как и клеточная мембрана, плазматическая мембрана также состоит из фосфолипидов, белков и углеводов.

Мембрана не только является барьером, отделяющим органеллы от клеточного окружения, но и участвует в коммуникации между клетками и клеточными компонентами, а также в регулировании движения молекул внутрь и наружу органелл.

 

* Некоторые органеллы имеют двойную мембрану (например, митохондрии и ядро), в то время как другие имеют только одну мембрану (например, вакуоль, аппарат Гольджи, лизосомы и т. д.).

См. также: Каковы функции липидов, белков и липополисахаридов на клеточной мембране?

Вернуться на главную страницу клеточной биологии

Вернуться с клеточной мембраны на главную страницу MicroscopeMaster

Каталожные номера

---

Дэвид Э.Садава. (1993). Клеточная биология: структура и функция органелл.

 

Джереми М. Берг, Джон Л. Тимочко и Люберт Страйер. (2002). Биохимия, 5-е издание.

 

Натали Гугала, Стефана Черак и Рэймонд Дж. Тернер. (2016). Мембрана.

 

Валерика Райку и Аурел Попеску. (2008) Клеточная мембрана: структура и физические свойства. В: Интегрированная молекулярная и клеточная биофизика.

 

 

Ссылки

 

 

https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/cell-membrane

  

https://opentextbc.ca/biology2eopenstax/chapter/lipys/

 

Содержание лекции

Обзор курса

Курсовые голы

• Опишите основные механизмы и системы, общие для большинства клеток, которые позволяют им выживать, расти и адаптироваться.
• Опишите, как эти механизмы и системы используются и модифицируются в различных клетках для создания уникальных функций и действий.
• Опишите, как определенные дефекты в этих механизмах и системах приводят к определенным заболеваниям.
• На изображениях, полученных под микроскопом, определите ключевые структурные особенности клетки и опишите, что наличие или отсутствие этих особенностей говорит о функции клетки.
• Выявить изменения в клеточной структуре, которые приводят к заболеванию

Общее понимание того, как клетки работают индивидуально и в группах

Мы опишем основные системы, структуры и пути в клетках, которые позволяют им выживать, расти и адаптироваться.К ним относятся

• Общая организация ячеек
• Цитоскелет
• Секреция и эндоцитоз
• Морфология и подвижность
• Сотовая связь
• Контроль качества клеток
• Деление клеток и регуляция роста

Сначала мы рассмотрим системы, структуры и пути в обычной клетке, а затем исследуем, как они используются и изменяются в конкретных типах клеток для создания уникальных функций и действий.Мы выделим клеточные механизмы, разрушение которых приводит к заболеванию.

В гистологии мы будем изучать взаимосвязь между структурой и функцией клеток, чтобы определить, как форма, размер и содержимое клетки способствуют ее функционированию и активности. Вы узнаете, как определить структурные особенности клеток и как эти подсказки можно использовать для определения функции и типа клетки. Вы также научитесь определять изменения в этих структурных особенностях и лежащие в их основе молекулярные дефекты.Наконец, вы начнете узнавать, как эти изменения приводят к болезни.

Зачем изучать клеточную биологию в качестве врача

Клетка является основной единицей жизни. Подавляющее большинство живых организмов (например, бактерий и дрожжей) на Земле представляют собой отдельные клетки, которые выживают, растут, размножаются и адаптируются к окружающей среде. Хотя клетки нашего тела более сложны и живут с миллиардами других клеток, они имеют много общего с одноклеточными организмами. На самом деле, некоторые из наших клеток могут при определенных условиях расти и размножаться как отдельные клетки.Например, в 1951 году у Генриетты Лакс были взяты клетки рака шейки матки и выращены в виде отдельных клеток в культуре. Потомки этих клеток сегодня выращивают в лабораториях по всему миру. Таким образом, даже в многоклеточных организмах клетка является основной единицей жизни.

Одной из задач биомедицины является понимание того, как клетки в нашем организме вызывают все виды деятельности, которые позволяют нам, людям, выживать, расти, размножаться и адаптироваться к окружающей среде. Мы полностью состоим из клеток и материала, который клетки производят, и, следовательно, все биологические процессы, необходимые для поддержания нашей жизни, генерируются клетками.Например, когда мы едим нашу пищу, мы всегда рискуем проглотить токсины. Большинство токсинов, которые мы случайно или целенаправленно принимаем внутрь, метаболизируются печенью в менее вредные молекулы. Если мы обследуем часть печени, чтобы найти, где находится эта детоксицирующая активность, мы обнаружим, что печень содержит в основном большие массы клеток, называемых гепатоцитами. Следовательно, способность к неактивным вредным молекулам должна принадлежать гепатоцитам. Сегодня мы знаем, что каждый из этих гепатоцитов содержит ферменты, катализирующие химическое расщепление токсинов.

С точки зрения врача идея о том, что вся человеческая деятельность опосредована клетками, означает, что когда он или она видит заболевание, обычно происходит сбой в каком-либо клеточном событии, что приводит к развитию этого заболевания. Например, атеросклероз или утолщение стенок артерий связаны с повышенным уровнем липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) в сыворотке. ЛПНП поглощаются из сыворотки гепатоцитами печени. Мутации, которые снижают способность гепатоцитов поглощать ЛПНП, приводят к повышению уровня ЛПНП в сыворотке крови, увеличивая риск развития атеросклероза.Знание того, как работают клетки, помогает понять, как возникают болезни. Кроме того, узнав, как клетки поглощают и перерабатывают ЛПНП и регулируют количество холестерина, мы смогли разработать лекарства, помогающие снизить уровень ЛПНП в сыворотке. Таким образом, понимание клеток создает потенциал для разработки методов лечения болезней.

Клеточные мембраны

Функция

Клеточные мембраны функционируют как граница, предотвращающая потерю важного клеточного материала. Сюда входят белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также строительные блоки для этих макромолекул: аминокислоты, нуклеотиды и сахара соответственно.Кроме того, клеточные мембраны также предотвращают потерю АТФ, клеточной валюты для получения энергии.

Чтобы предотвратить потерю клеточного материала, клеточные мембраны действуют как диффузионный барьер. Все молекулы внутри клетки диффундируют за счет тепловой энергии. Без клеточной мембраны эти молекулы быстро диффундировали бы из клетки и были бы потеряны. Клеточная мембрана образует барьер, через который не могут диффундировать определенные молекулы и химические вещества.

Структура

Структура клеточной мембраны определяет тип молекулы или химических веществ, которые она препятствует диффузии.Клеточные мембраны состоят из гидрофильной внешней поверхности и гидрофобного внутреннего слоя. Внешние гидрофильные поверхности позволяют мембранам быть растворимыми в воде, тогда как внутренний гидрофобный слой препятствует прохождению большинства водорастворимых химических веществ и молекул.

Мембраны содержат большое количество фосфолипидов. Фосфолипиды имеют две химически различные структуры: гидрофильную головную группу и гидрофобные С-хвосты. В смеси фосфолипидов и воды С-хвосты сгруппированы, чтобы избежать взаимодействия с водой, тогда как головные группы легко взаимодействуют с водой.Следовательно, наиболее стабильной структурой фосфолипидов в воде является полая сфера. Вода находится снаружи и внутри сферы, а фосфолипиды расположены в виде двойного слоя, который разделяет две водные среды. Обратите внимание, что клетка — это, по сути, большая мембранная сфера с множеством важных компонентов внутри и на поверхности сферы.

Как структура мембраны определяет, какие химические вещества она предотвращает от диффузии через нее? Плотная упаковка фосфолипидов в мембране препятствует диффузии более крупных молекул (аминокислот, углеводов).Но даже небольшие ионы, такие как натрий, калий и кальций, не могут диффундировать через клеточную мембрану. В этом случае гидрофобный слой внутри мембраны препятствует диффузии ионов.

Фосфолипиды

Фосфолипиды представляют собой класс молекул, каждый член которого имеет различную структуру и функцию. Фосфолипиды отличаются друг от друга, прежде всего, головными доменами (гидрофильный домен), тогда как С-хвосты имеют сходную структуру. Фосфолипиды подразделяются на разные группы в зависимости от структуры и состава головного домена.Подробности обсуждались в биохимии.

Зачем использовать фосфолипиды с разными головными группами? Белки могут различать головные группы. Некоторые белки будут связываться с головными группами определенных фосфолипидов, позволяя клеткам рекрутировать определенные белки на клеточную мембрану. Важность этого станет более очевидной, когда мы будем обсуждать сотовую связь.

С-хвосты фосфолипидов имеют сходную структуру с одним существенным отличием. С-хвосты представляют собой жирные кислоты, содержащие одну или две длинные цепи углеводородов.Отдельные углеводороды могут быть связаны друг с другом одинарной или двойной связью. Цепь со всеми одинарными связями образует прямую углеводородную цепь. Их называют насыщенными липидами. Двойная связь вносит изгиб в цепь, что приводит к искривлению цепи. Их называют ненасыщенными липидами.

Клеточные мембраны содержат смесь насыщенных и ненасыщенных фосфолипидов. Поскольку насыщенные углеводороды являются прямыми, эти фосфолипиды могут упаковываться более плотно. К сожалению, мембрана из всех насыщенных фосфолипидов была бы твердой при физиологической температуре.Присутствие ненасыщенных фосфолипидов в мембране создает пространство между фосфолипидами, что делает мембрану более жидкой при физиологической температуре.

Не только разные мембраны могут содержать разные типы фосфолипидов, но и листочки одной мембраны могут различаться по составу фосфолипидов. Например, наружный листок клеточной мембраны обращен во внешнюю среду и нуждается в определенных видах фосфолипидов. Напротив, внутренний листок клеточной мембраны обращен к цитоплазме клетки и содержит фосфолипиды, взаимодействующие с белками.

Мембранные белки

Мембрана, состоящая только из фосфолипидов, могла бы образовывать эффективный диффузионный барьер, но не имела бы многих функций, необходимых для выживания клеток. Например, мембраны ограничивают диффузию большинства малых молекул, которые необходимы клеткам для выработки энергии и построения более крупных макромолекул. Эти молекулы часто легко доступны вне клетки, но им нужен способ проникнуть через мембрану в клетку. Кроме того, чтобы приспособиться к изменяющимся условиям, клетки должны чувствовать свою внешнюю среду и реагировать соответствующим образом.Мембрана, состоящая только из фосфолипидов, не способна обнаруживать внешние молекулы или условия. Наконец, в многоклеточных организмах клетки должны прилипать друг к другу. Фосфолипиды в мембранах не обеспечивают соединения между двумя мембранами.

Для выполнения функций, описанных выше, мембраны зависят от белков. Белки образуют каналы в мембранах, которые позволяют проходить определенным молекулам или ионам. Белки функционируют как рецепторы, обнаруживающие присутствие определенных молекул или ионов во внешней среде.Наконец, белки в мембранах взаимодействуют с белками в других мембранах, создавая места прикрепления между мембранами и клетками.

Белки могут связываться с мембранами различными способами. Белки, образующие каналы, рецепторы или точки адгезии, обычно являются интегральными мембранными белками. Эти белки пересекают мембрану по крайней мере один раз и могут пересекать мембрану несколько раз (> 10). Эти белки постоянно встроены в мембрану и могут быть удалены только за счет затрат большого количества энергии или пищеварения.

В отличие от интегральных белков мембраны являются периферически-ассоциированными белками. Эти белки связаны с головными группами специфических фосфолипидов или частями интегральных мембранных белков. Ассоциация этих белков с мембранами носит временный характер. Взаимодействие можно обратить, изменив состав мембраны, морфологию или заряд белка. Эти белки часто обеспечивают структурную поддержку мембран, участвуют в передаче клеточных сигнальных событий или изменяют топологию мембран в секреторном пути.

Еще один важный тип взаимодействия между белком и мембраной опосредован ковалентной связью между белком и фосфолипидом. Взаимодействие происходит между аминокислотой на С-конце белка и головной группой фосфолипида. Эти белки находятся на внешнем листке клеточной мембраны, при этом белок обращен во внешнюю среду. Многие из этих белков являются ферментами, модифицирующими белки в крови или внеклеточном пространстве.

Текучесть мембран

Клеточная мембрана динамична в том смысле, что отдельные фосфолипиды и белки, составляющие мембрану, быстро перемещаются внутри мембраны.Тепловая энергия заставляет липиды и белки диффундировать внутри мембран. Ученые измерили скорость диффузии липидов и белков, и, по одной из оценок, липид может обойти бактериальную мембрану за одну секунду.

Диффузионная природа мембран имеет важные биологические и медицинские последствия. Без какой-либо другой системы, действующей на мембрану, липиды и белки в мембране будут случайным образом распределены по этой мембране. Как мы увидим, клетки тратят значительное количество энергии на создание доменов в мембранах, содержащих определенный набор белков, а иногда и липидов.Эти домены играют важную роль в клеточной адгезии и коммуникации.

Структурная поддержка клеточной мембраны

Клеточные мембраны нуждаются в структурной поддержке для поддержания формы и предотвращения повреждения двойного слоя фосфолипидов. В большинстве клеток цитоскелет находится под клеточной мембраной в цитоплазме, обеспечивая структурную поддержку. Актиновые филаменты являются наиболее распространенными, но некоторые клетки используют микротрубочки для формирования уникальных структур (например, ресничек). Актиновые филаменты образуют сетку филаментов под клеточной мембраной.

Цитоскелет частично обеспечивает структурную поддержку, взаимодействуя с интегральными мембранными белками. Взаимодействие с цитоскелетом ограничивает диффузию мембранных белков и обеспечивает стабильный каркас, к которому прикрепляются мембранные белки. Это взаимодействие предотвращает повреждение мембран, когда внешние силы тянут или толкают интегральные мембранные белки.

Клеточная мембрана и клеточный потенциал

Понятно, почему клеточные мембраны ограничивают диффузию небольших молекул, таких как аминокислоты, АТФ и т. д.Клетка не хочет терять эти важные молекулы в окружающей среде. Но почему важно, чтобы клеточная мембрана ограничивала диффузию ионов?

Поскольку ионы не могут диффундировать через клеточную мембрану, клетки могут устанавливать разные концентрации ионов в цитозоле по сравнению с внешней средой. Например, внутриклеточная концентрация натрия намного ниже, чем внеклеточная концентрация. Напротив, внутриклеточная концентрация калия намного выше, чем внеклеточная концентрация.Подобно натрию, внутриклеточная концентрация кальция очень низка. Клетки могут устанавливать и поддерживать эти градиенты ионов, потому что ионы не могут диффундировать через мембрану. Ионы могут проходить только через определенные белки, которые образуют каналы или насосы в мембране. Клетки точно регулируют деятельность каналов и насосов. Суммарное распределение ионов делает цитозоль клеток электроотрицательным по сравнению с внешней средой.

Какова биологическая роль этих ионных градиентов? Одна важная роль заключается в клеточной коммуникации, в частности, в коммуникации между нейронами и их мишенями.Активные нейроны посылают сигналы по своим аксонам, позволяя ионам натрия проникать в цитозоль, тем самым деполяризуя аксон. Клетки также используют ионные градиенты для регулирования активности ферментов. Многие ферменты требуют кальция для своей активности. Поскольку цитозольная концентрация кальция низкая, большинство этих ферментов неактивны. Когда клетки хотят активировать эти ферменты, они позволяют повысить цитозольную концентрацию кальция.

Клеточная мембрана – определение и примеры

Клеточная мембрана
n., множественное число: клеточные мембраны
[sɛl ˈmembɹeɪn]
Определение: Наружная мембрана клетки состоит из двух слоев фосфолипидов со встроенными белками и отделяет содержимое клетки от внешней среды, а также регулирует то, что входит и выходит из клетки

Определение клеточной мембраны

Подобно тому, как любое неживое тело имеет пластиковый или бумажный упаковочный материал, который сохраняет содержимое тела неповрежденным, в форме, защищенным и хорошо сохраняющимся, клетки имеют защитный внешний слой, называемый « Клеточные мембраны (КМ)» или «Плазматическая мембрана (ПМ)» или цитоплазматическая мембрана.Будь то прокариотическая клетка или эукариотическая клетка, во всех замечено наличие клеточной мембраны.

Что такое клеточная мембрана? По сути, клеточная мембрана (или плазматическая мембрана) представляет собой ультратонкий, пластичный, динамичный, электрически заряженный и избирательно проницаемый мембранный слой, который отделяет цитоплазму от внеклеточного матрикса и помогает поддерживать структуру и функцию клетки. Это не следует путать с клеточной стенкой, которая представляет собой дополнительный слой, присутствующий за пределами клеточной мембраны, в основном у растений, бактерий и грибов.

Мембрана животной клетки представляет собой внешний слой, тогда как мембрана растительной клетки представляет собой второй слой после клеточной стенки растения. Будучи избирательно проницаемой , клеточная мембрана позволяет перемещаться как растворителю, так и некоторым избранным растворенным веществам. Движение происходит по градиенту концентрации. Здесь следует отметить, что мембрана избирательно проницаема, а не полупроницаема. Полупроницаемость означает, что мембрана пропускает растворитель только из более высокой концентрации в более низкую; никакое растворенное движение не допускается. Посмотрите на диаграмму клеточной мембраны ниже, чтобы получить общее представление о ее положении внутри клетки.

Рисунок 1: Базовая структура клеточной мембраны (обозначена). Источник изображения: Мария Виктория Гонзага из Biology Online. Биологическое определение:
Клеточная мембрана представляет собой мембрану, которая окружает клетку и отделяет ее от внешней среды. У животных эта мембрана является внешней оболочкой клетки, тогда как у растений, грибов и некоторых бактерий она расположена под клеточной стенкой.Хотя некоторые клетки образуют еще один слой над клеточной мембраной (называемый клеточной стенкой), другие клетки имеют клеточную мембрану как единственный защитный барьер между цитоплазмой и внешней частью клетки. Синонимы: плазматическая мембрана; клеточная мембрана; цитоплазматическая мембрана; плазмалемма.

Теперь, когда мы знаем, как определять клеточные мембраны, давайте двигаться вперед и понять, как идея структуры мембраны развивалась на протяжении многих лет.

Существуют различные модели клеточной мембраны, которые помогают нам лучше понять ее структуру, функции, роли и цели в биологической системе.

Рисунок 2: Различные модели плазматической мембраны. Изображение предоставлено: Атлас гистологии растений и животных.

1. Модель Овертона

• Появилась в 1910 году
• Первая модель, объясняющая структуру плазматической мембраны Овертон предположил, что ТЧ покрыты жирорастворимым материалом.
• Он также предположил, что неполярные растворенные вещества могут легко пересекать мембрану, а полярные растворенные вещества вообще не могут пересекать мембрану; и поэтому отбрасываются!

2.Ирвинг Ленгмюр Модель

• Появилась в 1925 году
• Первая модель, утверждающая, что клеточная мембрана состоит из монослоев
• Они состоят из одного слоя амфипатических фосфолипидных молекул, в которых гидрофобные молекулы вдали от воды, а гидрофильные головки обращены к воде.

3. Модель Гортера и Гренделя

• Появилась в 1924 году.

4. Модель Дэвсона и Даниэлли

• Пришла в 1935 г.
• Это трехламинарная модель или сэндвич-модель, которая пыталась объяснить присутствие белков в плазматической мембране в течение 1935 года. основные функции фосфолипидов в мембране.
• Это означало, что мембрана представляет собой сэндвич белок-липид-белок.

5. Модель Робертсона (модель единичной мембраны)

• Появилась в 1950-х годах
• Она объясняла отсутствие пространства между бислоями фосфолипидов.
• Также подразумевается, что толщина мембраны поддается измерению.
• Проводя эксперименты с различными типами клеток, он пришел к другому выводу, что базовая структура клеточной мембраны одинакова, поэтому он назвал свою модель «Модель единичной мембраны».

6. Модель Зингера и Николсона (жидко-мозаичная модель)

• Наиболее распространенная модель мембранной структуры на сегодняшний день.
• Появился в 1972 году
• Определение модели жидкостной мозаики: Модель объясняет, что белки представляют собой мозаику в жидкоподобной липидной части мембраны, что указывает на то, что белки присутствуют не в слое, а в некоторых местах. прерывистым образом.
• Это объясняет, что плазматическая мембрана состоит как из липидов, так и из белков, но белки в липидах аналогичны айсбергам в море .

Рис. 3. Хронология различных моделей клеточных мембран, предложенных для лучшего понимания структуры клеточной мембраны. Изображение предоставлено: Атлас гистологии растений и животных.

Теперь мы можем надеяться, что в вашем уме сложилась лучшая картина клеточной мембраны. Различные модели помогают нам понять, как наука и ученые по-разному интерпретируют биологические системы и как базовая концепция эволюционирует с рациональным построением моделей с годами…

Чтобы понять, где находится клеточная мембрана как в прокариотических, так и в эукариотических клетках, посмотрите на рисунок ниже.

Рисунок 4: Расположение плазматической мембраны можно понять, взглянув на этот рисунок.

Теперь давайте перейдем к структуре клеточной мембраны и узнаем, из каких ее компонентов состоит.

Структура клеточной мембраны

Говоря о структуре клеточной мембраны, важно знать ответ на вопрос: Из чего состоит клеточная мембрана? Клеточная мембрана состоит из различного количества липидов, углеводов и белков.Хотя липиды составляют основную структуру плазматической мембраны, белки и углеводы играют незаменимую роль в функционировании биологических мембран.

 

Липиды

Мембранные липиды имеют амфипатическую природу. Так из чего состоят липиды? Они состоят из гидрофильных полярных головок и гидрофобных неполярных жирнокислотных хвостов. В плазматической мембране присутствуют в основном 3 типа липидов.

Рисунок 5: Поперечное сечение клеточной мембраны для понимания присутствия различных компонентов в клеточной мембране.Источник: OpenStax.

1) Фосфолипиды – Молекулы фосфолипидов представляют собой амфипатические липиды с фосфатной группой, присоединенной ковалентной связью. Они являются наиболее распространенной формой липидов, присутствующих в клеточной мембране, и часто составляют более 50% от общего количества липидов. Они расположены в два слоя, гидрофильные концы которых контактируют с цитозолем клетки и с внеклеточной средой. Гидрофобные концы обоих слоев образуют ядро ​​клеточной мембраны. Некоторыми примерами липидов являются глицерофосфолипиды (основной компонент) и сфингофосфолипиды (второстепенный).Итак, когда нас спрашивают, что такое фосфолипиды, мы можем сказать, что это основной тип липидов, обнаруженных в клеточных мембранах.

Рисунок 6: Гидрофильная головка и гидрофобные хвосты фосфолипида. Источник изображения: OpenStax Anatomy and Physiology — диаграмма, измененная Марией Викторией Гонзагой из Biology Online.

2) Гликолипиды – Это липиды с углеводами, присоединенными гликозидной связью. Они присутствуют в незначительных количествах и составляют лишь около 2% от общего количества липидов клеточной мембраны. Однако они играют решающую роль в поддержании стабильности клеточной мембраны и в клеточном распознавании.Интересно отметить, что разные группы крови у людей определяются олигосахаридной группой гликолипидов на мембране эритроцитов. Некоторыми распространенными гликолипидами являются глобозид, цереброзид, ганглиозид и т. д.

3) Стерины – Остальные липиды являются стеролами. Клеточные мембраны растений обычно содержат стеролы, а животные – холестерин. Оба они служат одинаковой цели регулирования текучести мембраны при различных температурах.Например, хладнокровных животных содержат максимальное количество холестерина в клеточных мембранах, которые действуют как антифриз агент. Однако при высоких температурах холестерин снижает подвижность цепей жирных кислот и, следовательно, снижает текучесть и снижает проницаемость клеточной мембраны. В растениях ту же роль играют стеролы.

Фосфолипиды, образующие липидные везикулы

Во многих случаях липиды образуют везикулы, называемые липосомами . Липосомы отличаются от мицелл , поскольку образование липосом происходит главным образом из глицерофосфолипидов . С другой стороны, образование мицелл происходит из сфингофосфолипидов. Липосомы имеют сферическую структуру и имеют плоскую двухслойную структуру, в то время как мицеллы являются однослойными.

Углеводы

Мембранные углеводы в основном представлены в виде гликолипидов, гликопротеинов и протеогликанов.Углеводная часть находится в основном за пределами клеточной поверхности. Это составляет рыхлую углеводную оболочку, присутствующую снаружи клеточной мембраны, известную как гликокаликс .

Углеводы выполняют следующие важные функции:

• Отталкивают отрицательно заряженные частицы, поскольку некоторые углеводы сами заряжены отрицательно.
• Прикрепление к соседним клеткам за счет взаимодействия гликокаликса.
• Рецепторы клеточной поверхности.Например, Рецепторы инсулина.
• Играют роль в иммунных реакциях.

Рисунок 7: Различные углеводы плазматических мембран. Изображение предоставлено: RicHard-59, CC SA-3.0.

Белки

Белки вносят важный вклад в клеточную мембрану, которая составляет около 50% от общего объема мембраны. Существуют в основном 3 типа мембранных белков.

• Интегральные мембранные белки – Эти белки охватывают всю ширину клеточной мембраны.Они имеют 2 гидрофильных домена, которые взаимодействуют с внутриклеточной и внеклеточной средой соответственно, и 1 гидрофобный домен, который закрепляет белок в ядре клеточной мембраны.
  Примеры – Ионные каналы, протонные насосы, рецепторы, связанные с G-белком.
• Белки, заякоренные в липидах – Эти белки характеризуются ковалентным присоединением к липиду мембраны. Эти белки можно найти по обе стороны мембраны.
  Пример – G-белок
• Периферические мембранные белки – Эти белки временно взаимодействуют с мембранами.Они либо прикрепляются к интегральным мембранным белкам, либо к периферии липидного двойного слоя. После реакции белковая молекула диссоциирует, чтобы продолжить свою функцию в цитозоле.
  Пример – Гормоны, ферменты

Рисунок 8: Разнообразие мембранных белков в плазматической мембране. Изображение предоставлено: Принципы биохимии Ленингера — Супрамолекулярная архитектура мембран.

Функции клеточной мембраны

Переходя к жизненно важным ролям и функциям клеточной мембраны в биологическом функционировании клетки, мы можем расшифровать следующие пункты. Какова функция клеточной мембраны в биологическом мире?

1) Форма и структура клетки. Клеточная мембрана действует как якорь для цитоскелета.
2) Барьер и привратник клетки – Мембрана клетки защищает цитозоль от внешней среды.
3) Клеточный транспорт – регулирует молекулярный транспорт веществ через мембрану.
4) Межклеточные соединения — щелевые соединения, плотные соединения и т. д.
5) Клеточная связь и распознавание — помогают тканям работать вместе в унисон.
6) Клеточная сигнализация – содержит рецепторы и ферменты.

Итак, когда нас спросят, что делает клеточная мембрана и почему клеточная мембрана важна, мы можем повторить эти пункты.

Общие биологические реакции

Распознавание клеток является одним из способов, с помощью которых клетки общаются друг с другом. Это возможно благодаря специфическим молекулам клеточной адгезии на поверхности клетки. Примером клеточного распознавания является интегрин (LFA-1) Т-клетки, связывающийся с ICAM эндотелиальной клетки.Другим является селектин (L) лимфоцитов, связывающийся с адрессином (CD34) эндотелиальных клеток.

Одной из основных функций клеточной мембраны является транспортная . Клеточная мембрана участвует как в пассивном, так и в активном типах транспорта. При пассивном транспорте вещества перемещаются по градиенту концентрации. Это отличается от активного транспорта, который представляет собой вид транспорта, характеризующийся восходящим движением веществ (т.е. от низшего к высшему) и поэтому требующий химической энергии, т.е.г. АТФ. При перемещении веществ через биологическую мембрану пассивный транспорт может нуждаться или не нуждаться в помощи мембранного белка.

ПРОЧИТАЙТЕ: Движение молекул в клетке. Учебное пособие

Существует четыре основных типа пассивного транспорта: (1) простая диффузия, (2) облегченная диффузия, (3) фильтрация и (4) осмос. Простая и облегченная диффузия относятся к суммарному движению молекул от более высокой концентрации к более низкой. Осмос относится к диффузии растворителя (обычно молекул воды) через полупроницаемую мембрану от более низкой к более высокой концентрации растворенного вещества. Фильтрация представляет собой движение молекул воды и растворенных веществ через клеточную мембрану под действием гидростатического давления, создаваемого сердечно-сосудистой системой.

Эндоцитоз — это процесс, при котором клетка получает материалы (например, белки и гормоны) извне, поглощая и сливая их со своей плазматической мембраной.Существует два основных типа эндоцитоза: фагоцитоз , что буквально означает поедание клеток, и пиноцитоз , что буквально означает выпивание клеток.

Клетка поглощает , создавая небольшую деформацию внутрь (впячивание), содержащую вещество, которое будет транспортироваться внутрь клетки. Затем инвагинация отщипывается от клеточной мембраны, в результате чего образуется везикула, содержащая вещество. Поскольку для эндоцитоза требуется АТФ, он считается формой активного транспорта.

Экзоцитоз — это процесс, при котором клетка, по-видимому, выплевывает из клетки вещества. Таким образом, экзоцитоз кажется процессом, противоположным эндоцитозу. Везикула, содержащая материал, сливается с клеточной мембраной, а затем содержимое экструдируется за пределы клетки в окружающую среду.

Биологическое значение

Структура и состав клеточной мембраны делают ее избирательно проницаемой (или полупроницаемой), что означает, что не каждое вещество может проникать в клетку или выходить из нее.Клеточная мембрана контролирует, какие вещества могут входить и выходить из клетки. Он может пропускать определенное вещество в определенное время, а затем отвергать то же самое вещество в более позднее время. Наличие поверхностных молекул (например, гликопротеинов, гликолипидов и т. д.) служит «сигнатурой» клетки. У каждой клетки есть своя «сигнатура» или «маркер», которые, как считается, функционируют при распознавании клеток или в своего рода системе клеточной идентификации. Его другие основные функции включают клеточную адгезию, проводимость ионных каналов, клеточную передачу сигналов и точку прикрепления цитоскелета (что важно для сохранения формы клетки).

Прокариоты

И прокариоты, и эукариоты обладают клеточными мембранами. Прокариоты в основном изучаются по двум категориям, а именно археям и бактериям. В отличие от эукариот, у которых есть клеточная мембрана и мембраносвязанные органеллы, у прокариот есть только одна клеточная мембрана, но нет мембраны вокруг их органелл. Кроме того, среди бактериальных прокариот появляются два типа; это грамположительные бактерии и грамотрицательные бактерии. Грамотрицательные бактерии имеют дополнительную наружную мембрану помимо клеточной мембраны.

Рисунок 9: Наружная мембрана и внутренняя мембрана плазмы у прокариот представляют собой 2 разных мембранных слоя у прокариотических бактерий. Изображение предоставлено: Джефф Даль, CC BY-SA 3.0.

Структура

Теперь давайте прольем свет на некоторые интересные структурные тонкости клеточной мембраны.

Жидкостно-мозаичная модель

Жидкостно-мозаичная модель была предоставлена ​​ SJ Singer и G. L. Nicolson . Это наиболее приемлемая модель клеточной мембраны. Эта модель описывает клеточную мембрану как двумерную жидкость, которая ограничивает латеральную диффузию компонентов мембраны.Диффузия через биологическую мембрану называется простой диффузией. Согласно ему, основная функция клеточной мембраны заключается в отделении внутреннего содержимого клетки от внешнего.

Липидный бислой

Клеточная мембрана состоит из двух слоев амфипатических мембранных фосфолипидов. Каждый слой имеет толщину в одну молекулу и охватывает всю клетку. Один конец фосфолипида содержит фосфатную группу, которая является гидрофильной частью, а другой конец фосфолипида содержит жирные кислоты, которые являются гидрофобной частью.(Под гидрофобным понимается все, что отталкивает воду; гидрофобные вещества, такие как салатное масло, также обладают водоотталкивающими свойствами). Гидрофильные части каждого слоя отталкивают друг друга, а гидрофобные части каждого слоя стремятся взаимодействовать друг с другом. Следовательно, гидрофильные части взаимодействуют с внутренней и внешней стороной клетки. Ядро клеточной мембраны состоит из гидрофобных концов обоих липидных бислоев. Такое расположение препятствует перемещению водорастворимых веществ через клеточную мембрану.Однако жирорастворимые вещества, такие как углекислый газ, спирт, могут легко проникать через клеточную мембрану.

Полярность мембраны

Полярность мембраны — это асимметричное распределение белков в различных доменах клеточной мембраны. Например, у эпителиальных клеток базальная и латеральная поверхности идентичны по составу и активности, но резко отличаются от апикальной поверхности. Эта асимметрия может быть объяснена наличием плотных контактов вблизи апикальной поверхности, которые не допускают миграции ионных каналов и других встроенных белков с базолатеральной на апикальную поверхность.

Мембранные структуры

Существует множество мембранных структур, которые помогают в основных клеточных процессах. Они следующие:

1. Адгезия
2. Молекулярные движения, например, эндоцитоз и экзоцитоз
(На вопрос «Требуется ли эндоцитоз энергии?» Ответ ДА, в форме АТФ)
(Также, на вопрос «Требуется ли экзоцитоз энергии?»   Ответ снова ДА!)
3. Межклеточная коммуникация
4. Активность клеточных соединений
5.Передача сигнала (через кавеолы ​​и постсинаптическую плотность) 90 359 6. Клеточная подвижность и инвазия (через подосомы) 90 359 7. Взаимодействие между внеклеточным матриксом и клеткой (посредством фокальной адгезии) 90 359 8. Проницаемость барьеров через мембраны (клеточные соединения) 90 003 Рисунок 10: Подосомы являются основными областями, богатыми актином и способствующими клеточной подвижности. Кредит изображения: Механобио.

Цитоскелет

Цитоскелет клетки простирается от клеточной мембраны до ядра. Он состоит из микрофиламентов, промежуточных филаментов и микротрубочек, которые могут расти или распадаться в зависимости от потребности клетки.

Внутриклеточные мембраны

Теперь, когда мы узнали, что прокариоты не имеют мембран вокруг своих органелл (даже вокруг ядра — отсюда название нуклеоида ), эукариотические клетки имеют мембраны вокруг своих органелл. Некоторые органеллы клетки связаны одинарной мембраной, тогда как другие связаны двойной мембраной. Митохондрии, хлоропласт, эндоплазматический ретикулум, тельца Гольджи и ядро ​​имеют две мембраны: одну наружную и одну внутреннюю .С другой стороны, пероксисомы, лизосомы и вакуоли имеют только одну мембрану.

Вариации

Соотношение и процентное содержание различных компонентов варьируются от ячейки к ячейке. Например:
· Мембрана эритроцитов: 52 % белков, 40 % липидов, 8 % углеводов
· Нейронная мембрана: 18 % белков, 73 % липидов, 9 % углеводов
· Тилакоидная мембрана: 70 % белков, 30 % липидов, 0 % Углеводы
· Нормальная клеточная мембрана растений: 40 % белков, 40 % липидов, 20 % углеводов

Проницаемость

Клеточная мембрана избирательно проницаема и позволяет перемещаться через клеточную мембрану только определенным специфическим веществам, которые необходимы для ее выживания.Клетка делает это с помощью различных транспортных механизмов, которые могут быть как пассивными (без использования АТФ/энергии), так и активными (с использованием АТФ/энергии)

Заключение

Путем изучения структуры клеточной мембраны, функций, вариаций в составе , и специализации, мы можем, наконец, заключить, какую ключевую роль она играет. Без клеточной мембраны целостность и биологическое функционирование клетки невообразимы.

Интересный факт

Стерины представляют собой тип липидов, присутствующих в клеточных мембранах живых организмов.Как мы уже знаем, у них есть стероидное ядро, образованное «четырьмя слившимися кольцами» . Эти плоские, жесткие, амфипатические липиды не содержат жирных кислот. Что интересно, все различные типы живых организмов обладают той или иной формой стерола, такой как:
1. Холестерин (в плазматической мембране клеток животных)
2. Эргостерол (в плазматической мембране клеток грибов) )
3. Ситостерол и Стигмастерол (в плазматической мембране растительных клеток) Рисунок 11: Эукариотические клетки богаты стеролами, но прокариотические клетки лишены этой основной формы липидов в своей клеточной мембране.Источник: Рене Кёффель.

Но интересно, что у прокариотических клеток нет такой формы…. Они обладают « гопаноидами », но гопаноиды не имеют стероидного ядра (имеют «пять сросшихся колец» )

Даже у прокариот была замечена интересная вещь, заключающаяся в том, что плазматическая мембрана микоплазмы имеет стероловый тип. называется холестерином, который обычно находится в плазматической мембране животных клеток.

Ссылки

1. Касарес, Д., Эскриба, П.В., и Росселло, К.А. (2019). Состав мембранных липидов: влияние на структуру мембран и органелл, функцию и компартментализацию и терапевтические пути. Международный журнал молекулярных наук, 20(9), 2167. https://doi.org/10.3390/ijms20092167
2. Cooper GM. (2000) Клетка: молекулярный подход. 2-е издание. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9898/
3. Сингер, Джонатан С., Николсон Г.Л. (1972) Жидкостно-мозаичная модель структуры клеточных мембран». Наука 175.4023: 720-731.
4. Райку, Валерика и Аурел Попеску.(2008). Клеточная мембрана: структура и физические свойства». Интегрированная молекулярная и клеточная биофизика 73-99.
5. Йигл П.Л. (2016) Книга о мембранах клеток, третье издание
6. Бюлер Л. (2015) Клеточные мембраны, первое издание
7. Хельги И. Ингольфссон, Мануэль Н. Мело, Флорис Дж. ван Эрден, Клемент Арнарес, Сезар А. Лопес, Тьерк А. Вассенаар, Ксавье Периоле, Алекс Х. де Врис, Д. Питер Тилеман и Зиверт Дж. Марринк. (2014) Журнал Американского химического общества. 136 (41), 14554-14559.DOI: 10.1021/ja507832e
8. Harayama, T., Riezman, H. (2018) Понимание разнообразия липидного состава мембран. Nat Rev Mol Cell Biol 19, 281–296 (2018). https://doi.org/10.1038/nrm.2017.13

 

---

© Biology Online. Контент предоставлен и модерируется Biology Online Editors

---

Клеточная (плазменная) мембрана – структура, состав, функции

Главная » Клеточная биология » Клеточная (плазменная) мембрана – структура, состав, функции

Клеточная (плазменная) мембрана Определение

• Мембраны представляют собой липидные структуры, отделяющие содержимое компартмента, который они окружают, от окружающей среды.
• Плазматические мембраны отделяют клетку от окружающей среды, в то время как другие мембраны определяют границы органелл и обеспечивают матрицу, на которой могут происходить сложные химические реакции.
• Плазматическая мембрана, также известная как мембрана клеточной поверхности или плазмалемма, определяет границу клетки.
• Это двойной слой фосфолипидов со встроенными белками, который окружает каждую живую клетку.
• Он регулирует перемещение материалов в клетку и из нее и облегчает передачу электрических сигналов между ними.
• Говорят, что он полупроницаем, потому что он позволяет одним молекулам, но не другим, проникать в клетку.
• Он выполняет некоторые специфические функции, такие как контроль потока питательных веществ и ионов в клетки и из них, опосредование реакции клетки на внешние раздражители (процесс, называемый передачей сигнала) и взаимодействие с граничащими клетками.

Рисунок: Схема клеточной (плазменной) мембраны

Структура и состав

Все биологические мембраны построены по стандартной схеме.Они состоят из непрерывного двойного слоя амфипатических липидов толщиной примерно 5 нм, в который встроены белки. Кроме того, некоторые мембраны также несут на своей внешней стороне углеводы (моно- и олигосахариды), которые связаны с липидами и белками. Соотношение липидов, белков и углеводов заметно различается в зависимости от типа клетки и мембраны.

• Плазматическая мембрана состоит из двойного липидного слоя, содержащего встроенные и периферические белки.Основным компонентом мембран являются липиды.
• Липиды в плазматической мембране находятся в форме фосфолипидов , которые содержат полярную головную группу, присоединенную к двум хвостам гидрофобных жирных кислот; головная группа обращена к водной среде, жирная кислота замыкает внутреннюю часть бислоя.

1. Липиды на основе глицерина содержат глицериновую основу и состоят из фосфатидной кислоты (PA), фосфатидилэтаноламина (PE), фосфатидилхолина (PC), фосфатидилсерина (PS), фосфатидилглицерина (PG), фосфатидилинозитола (PI) и кардиолипина (CL). ).
2. Одним из липидов на основе сфингозина является сфингомиелин (SM).
3. Холестерин присутствует в эукариотических мембранах и поддерживает текучесть мембран при различных температурах. Текучесть также определяется содержанием в мембране ненасыщенных жирных кислот, которые при комнатной температуре являются жидкими, и длиной цепи жирных кислот (более короткие цепи более текучие, чем более длинные).

• Встроенные в плазматическую мембрану белки функционируют как каналы или транспортеры для перемещения соединений через мембрану, как рецепторы для связывания гормонов и нейротрансмиттеров или как структурные белки.
• Белки периферической мембраны обеспечивают механическую поддержку мембраны через скелет внутренней мембраны или кортикальный скелет. Примером этого является спектрин в мембране эритроцитов. Они могут быть удалены с мембраны ионными агентами.
• Третий тип мембранных белков — это гликофосфатидилинозитол (GPI), заякоренные белки с гликанами. Одним из примеров GPI-заякоренного белка является прионовый белок, присутствующий в мембранах нейронов.
• Плазматическая мембрана гликокаликс состоит из коротких цепей углеводов, присоединенных к белкам и липидам, которые простираются в водной среде и одновременно защищают клетку от переваривания и ограничивают поглощение гидрофобных молекул.

Примечание:

• Мембранные липиды представляют собой сильно амфипатические молекулы с полярной гидрофильной «головной группой» и полярным гидрофобным «хвостом». В мембранах они в основном удерживаются вместе за счет гидрофобного эффекта и слабых сил Ван-дер-Ваальса и поэтому подвижны друг относительно друга. Это придает мембранам более или менее жидкое качество.
• Липиды и белки подвижны внутри мембраны. Если их не зафиксировать специальными механизмами, они плавают внутри липидного слоя, как в двумерной жидкости; поэтому биологические мембраны также описываются как «жидкостная мозаика».

Функции мембран (клеточных/плазматических мембран и биологических мембран)

• Наиболее важными мембранами в клетках животных являются плазматическая мембрана, внутренняя и внешняя ядерные мембраны, мембраны эндоплазматического ретикулума (ЭР) и аппарата Гольджи, а также внутренняя и внешняя митохондриальные мембраны. Лизосомы, пероксисомы и различные везикулы также отделены от цитоплазмы мембранами.
• У растений в пластидах и вакуолях видны дополнительные мембраны.

Мембраны и их компоненты выполняют следующие функции:

1. Ограждение и изоляция клеток и органелл.

• Оболочка, образованная плазматической мембраной, защищает клетки от внешней среды как механически, так и химически.
• Плазматическая мембрана необходима для поддержания различий в концентрации многих веществ между внутриклеточными и внеклеточными компартментами.

2. Регулируемый транспорт веществ

• Это определяет внутреннюю среду и является предпосылкой для гомеостаза — т.е.д., поддержание постоянных концентраций веществ и физиологических показателей.
• Регулируемый и избирательный транспорт веществ через поры, каналы и переносчики необходим, поскольку клетки и органеллы окружены мембранными системами.

3. Преобразование сигнала

• Прием внеклеточных сигналов и передача этих сигналов внутрь клетки, а также производство сигналов.

4. Ферментативный катализ реакций .

• Важные ферменты расположены в мембранах на границе между липидной и водной фазами. Здесь происходят реакции с неполярными субстратами.
• Примеры включают биосинтез липидов и метаболизм аполярных ксенобиотиков. Наиболее важные реакции в преобразовании энергии — т. е. т. е. в мембранах также происходят окислительное фосфорилирование и фотосинтез.

5. Взаимодействие с другими ячейками

• Для слияния клеток и образования тканей, а также для связи с внеклеточным матриксом.

6. Фиксация цитоскелета

• Для поддержания формы клеток и органелл и обеспечения основы для процессов движения.

Каталожные номера

1. Смит, К.М., Маркс, А.Д., Либерман, Массачусетс, Маркс, Д.Б., и Маркс, Д.Б. (2005). Базовая медицинская биохимия Маркса: клинический подход. Филадельфия: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс.
2. Кулман, Дж., и Рем, К.-Х.(2005). Цветной атлас биохимии. Штутгарт: Тиме.
3. Альбертс, Б. (2004). Основная клеточная биология. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: научный паб Garland.
4. https://www.mheducation.co.uk/he/chapters/9780071102087.pdf
5. http://www.nslc.wustl.edu/courses/bio101/cruz/Organelles/Organelle.htm

Клеточная (плазменная) мембрана – структура, состав, функции Категории Биология клетки Теги Клеточная (плазменная) мембрана, Клеточная мембрана, Состав клеточной мембраны, Функции клеточной мембраны, Свойства клеточной мембраны, Структура клеточной мембраны, мембрана клеточной поверхности, Мембрана, Плазматическая мембрана, плазмалемма Сообщение навигации

3.4 Клеточная мембрана – Концепции биологии – 1-е канадское издание

К концу этого раздела вы сможете:

• Понимание жидкостно-мозаичной модели мембран
• Опишите функции фосфолипидов, белков и углеводов в мембранах

Плазматическая мембрана клетки определяет границы клетки и определяет характер ее контакта с окружающей средой. Клетки исключают одни вещества, поглощают другие и выделяют третьи, и все это в контролируемых количествах.Плазматические мембраны охватывают границы клеток, но они не являются статичным мешком, они динамичны и постоянно находятся в движении. Плазматическая мембрана должна быть достаточно гибкой, чтобы позволить определенным клеткам, таким как эритроциты и лейкоциты, изменять форму при прохождении через узкие капилляры. Это наиболее очевидные функции плазматической мембраны. Кроме того, поверхность плазматической мембраны несет маркеры, которые позволяют клеткам распознавать друг друга, что жизненно важно, поскольку ткани и органы формируются во время раннего развития, и которые позже играют роль в различии «своих» и «чужих» клеток. иммунный ответ.

Плазматическая мембрана также несет рецепторы, являющиеся местами прикрепления специфических веществ, взаимодействующих с клеткой. Каждый рецептор устроен так, чтобы связываться с определенным веществом. Например, поверхностные рецепторы мембран создают изменения внутри, такие как изменения ферментов метаболических путей. Эти метаболические пути могут иметь жизненно важное значение для обеспечения клетки энергией, производства специфических веществ для клетки или расщепления клеточных отходов или токсинов для утилизации.Рецепторы на внешней поверхности плазматической мембраны взаимодействуют с гормонами или нейротрансмиттерами и позволяют передавать их сообщения в клетку. Некоторые сайты распознавания используются вирусами в качестве точек присоединения. Хотя они очень специфичны, такие патогены, как вирусы, могут эволюционировать, чтобы использовать рецепторы для проникновения в клетку, имитируя конкретное вещество, которое рецептор должен связывать. Эта специфичность помогает объяснить, почему вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) или любой из пяти типов вирусов гепатита проникают только в определенные клетки.

В 1972 году С. Дж. Сингер и Гарт Л. Николсон предложили новую модель плазматической мембраны, которая, по сравнению с более ранним пониманием, лучше объясняла как микроскопические наблюдения, так и функцию плазматической мембраны. Это было названо жидкостно-мозаичной моделью. Модель несколько эволюционировала с течением времени, но по-прежнему лучше всего описывает структуру и функции плазматической мембраны, как мы их сейчас понимаем. Модель жидкостной мозаики описывает структуру плазматической мембраны как мозаику компонентов, включая фосфолипиды, холестерин, белки и углеводы, в которой компоненты способны течь и менять положение , сохраняя при этом основную целостность мембраны.Как молекулы фосфолипидов, так и встроенные белки способны быстро и латерально диффундировать в мембрану. Текучесть плазматической мембраны необходима для деятельности определенных ферментов и транспортных молекул внутри мембраны. Плазматические мембраны имеют толщину от 5 до 10 нм. Для сравнения, эритроциты человека, видимые с помощью световой микроскопии, имеют толщину примерно 8 мкм, или примерно в 1000 раз толще плазматической мембраны.

Рис. 3.21 Жидкостно-мозаичная модель структуры плазматической мембраны описывает плазматическую мембрану как жидкую комбинацию фосфолипидов, холестерина, белков и углеводов.

Плазматическая мембрана состоит в основном из двойного слоя фосфолипидов со встроенными белками, углеводами, гликолипидами и гликопротеинами, а в клетках животных — холестерином. Количество холестерина в плазматических мембранах животных регулирует текучесть мембраны и изменяется в зависимости от температуры окружающей среды клетки. Другими словами, холестерин действует как антифриз в клеточной мембране и более распространен у животных, живущих в холодном климате.

Основная ткань мембраны состоит из двух слоев молекул фосфолипидов и полярных концов этих молекул (которые выглядят как набор шариков в художественном исполнении модели) (рис. 3.22) контактируют с водной жидкостью как внутри, так и снаружи клетки. Таким образом, обе поверхности плазматической мембраны гидрофильны. Напротив, внутренняя часть мембраны между двумя ее поверхностями представляет собой гидрофобную или неполярную область из-за хвостов жирных кислот. Эта область не имеет притяжения для воды или других полярных молекул.

Рис. 3.22. Эта молекула фосфолипида состоит из гидрофильной головки и двух гидрофобных хвостов. Гидрофильная головная группа состоит из фосфатсодержащей группы, присоединенной к молекуле глицерина.Гидрофобные хвосты, содержащие либо насыщенную, либо ненасыщенную жирную кислоту, представляют собой длинные углеводородные цепи.

Белки составляют второй основной химический компонент плазматических мембран. Интегральные белки встроены в плазматическую мембрану и могут охватывать всю или часть мембраны. Интегральные белки могут служить каналами или насосами для перемещения материалов в клетку или из нее. Периферийные белки находятся на внешней или внутренней поверхности мембран, прикрепленные либо к интегральным белкам, либо к молекулам фосфолипидов.Как интегральные, так и периферические белки могут служить ферментами, структурными прикреплениями к волокнам цитоскелета или частью клеточных сайтов узнавания.

Углеводы являются третьим основным компонентом плазматических мембран. Они всегда находятся на внешней поверхности клеток и связаны либо с белками (образуя гликопротеины), либо с липидами (образуя гликолипиды). Эти углеводные цепи могут состоять из 2–60 моносахаридных звеньев и могут быть прямыми или разветвленными. Наряду с периферическими белками углеводы образуют на клеточной поверхности специализированные участки, позволяющие клеткам узнавать друг друга.

Эволюция в действии

Как вирусы заражают определенные органы Специфические молекулы гликопротеина, экспонированные на поверхности клеточных мембран клеток-хозяев, используются многими вирусами для заражения определенных органов. Например, ВИЧ способен проникать через плазматические мембраны определенных видов лейкоцитов, называемых Т-хелперами и моноцитами, а также через некоторые клетки центральной нервной системы. Вирус гепатита атакует только клетки печени.

Эти вирусы способны проникать в эти клетки, потому что клетки имеют сайты связывания на своей поверхности, которые вирусы используют с одинаково специфическими гликопротеинами в своей оболочке.(рис. 3.23). Клетка обманывается мимикрией молекул оболочки вируса, и вирус может проникнуть в клетку. Другие участки распознавания на поверхности вируса взаимодействуют с иммунной системой человека, побуждая организм вырабатывать антитела. Антитела вырабатываются в ответ на антигены (или белки, связанные с инвазивными патогенами). Эти же участки служат местами для прикрепления антител и либо уничтожают, либо подавляют активность вируса. К сожалению, эти участки на ВИЧ кодируются генами, которые быстро меняются, что очень затрудняет производство эффективной вакцины против вируса.Популяция вируса внутри инфицированного человека быстро эволюционирует посредством мутаций в разные популяции или варианты, отличающиеся различиями в этих сайтах узнавания. Это быстрое изменение вирусных поверхностных маркеров снижает эффективность иммунной системы человека в борьбе с вирусом, поскольку антитела не распознают новые вариации поверхностных паттернов.

Рис. 3.23. ВИЧ стыкуется и связывается с рецептором CD4, гликопротеином на поверхности Т-клеток, прежде чем проникнуть в клетку или заразить ее.

Современное понимание плазматической мембраны называется жидкостно-мозаичной моделью. Плазматическая мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов, гидрофобные жирнокислотные хвосты которых контактируют друг с другом. Ландшафт мембраны усеян белками, некоторые из которых пересекают мембрану. Некоторые из этих белков служат для транспортировки материалов в клетку или из нее. Углеводы присоединены к некоторым белкам и липидам на внешней поверхности мембраны.Они образуют комплексы, которые функционируют для идентификации клетки с другими клетками. Жидкостная природа мембраны обусловлена ​​конфигурацией хвостов жирных кислот, наличием встроенного в мембрану холестерина (в клетках животных) и мозаичностью белков и белково-углеводных комплексов, не закрепленных прочно в место.