Для чего нужна мембрана в клетке – Какие функции выполняет наружная клеточная мембрана? Строение наружной клеточной мембраны

Функции клеточной мембраны

Большинство погруженных в клеточную мембрану белков выполняют ферментативную функцию (являются ферментами). Часто (особенно в мембранах органоидов клетки) ферменты располагаются в определенной последовательности так, что продукты реакции, катализируемые одним ферментом, переходят ко второму, затем третьему и т. д. Образуется конвейер, который стабилизируют поверхностные белки, т. к. не дают ферментам плавать вдоль липидного бислоя.

Клеточная мембрана выполняет отграничивающую (барьерную) от окружающей среды и в то же время транспортную функции. Можно сказать, это ее самое главное назначение. Цитоплазматическая мембрана, обладая прочностью и избирательной проницаемостью, поддерживает постоянство внутреннего состава клетки (ее гомеостаз и целостность).

При этом транспорт веществ происходит различными способами. Транспорт по градиенту концентрации предполагает передвижение веществ из области с их большей концентрацией в область с меньшей (диффузия). Так, например, диффундируют газы (CO₂, O₂).

Бывает также транспорт против градиента концентрации, но с затратой энергии.

Транспорт бывает пассивным и облегченным (когда ему помогает какой-нибудь переносчик). Пассивная диффузия через клеточную мембрану возможна для жирорастворимых веществ.

Есть особые белки, делающие мембраны проницаемыми для сахаров и других водорастворимых веществ. Такие переносчики соединяются с транспортируемыми молекулами и протаскивают их через мембрану. Так переносится глюкоза внутрь эритроцитов.

Пронизывающие белки, объединяясь, могут образовывать пору для перемещения некоторых веществ через мембрану. Такие переносчики не перемещаются, а образуют в мембране канал и работают аналогично ферментам, связывая определенное вещество. Перенос осуществляется благодаря изменению конформации белка, благодаря чему в мембране образуются каналы. Пример — натрий-калиевый насос.

Транспортная функция клеточной мембраны эукариот также реализуется за счет эндоцитоза (и экзоцитоза). Благодаря этим механизмам в клетку (и из нее) попадают крупные молекулы биополимеров, даже целые клетки. Эндо- и экзоцитоз характерны не для всех клеток эукариот (у прокариот его вообще нет). Так эндоцитоз наблюдается у простейших и низших беспозвоночны; у млекопитающих лейкоциты и макрофаги поглощают вредные вещества и бактерии, т. е. эндоцитоз выполняет защитную функцию для организма.

Эндоцитоз делится на фагоцитоз (цитоплазма обволакивает крупные частицы) и пиноцитоз (захват капелек жидкости с растворенными в ней веществами). Механизм этих процессов приблизительно одинаков. Поглощаемые вещества на поверхности клеток окружаются мембраной. Образуется пузырек (фагоцитарный или пиноцитарный), который затем перемещается внутрь клетки.

Экзоцитоз — это выведение цитоплазматической мембраной веществ из клетки (гормонов, полисахаридов, белков, жиров и др.). Данные вещества заключаются в мембранные пузырьки, которые подходят к клеточной мембране. Обе мембраны сливаются и содержимое оказывается за пределами клетки.

Цитоплазматическая мембрана выполняет рецепторную функцию. Для этого на ее внешней стороне располагаются структуры, способные распознавать химический или физический раздражитель. Часть пронизывающих плазмалемму белков с наружней стороны соединены с полисахаридными цепочками (образуя гликопротеиды). Это своеобразные молекулярные рецепторы, улавливающие гормоны. Когда конкретный гормон связывается со своим рецептором, то изменяет его структуру. Это в свою очередь запускает механизм клеточного ответа. При этом могут открываться каналы, и в клетку могут начать поступать определенные вещества или выводиться из нее.

Рецепторная функция клеточных мембран хорошо изучена на основе действия гормона инсулина. При связывании инсулина с его рецептором-гликопротеидом происходит активация каталитической внутриклеточной части этого белка (фермента аденилатциклазы). Фермент синтезирует из АТФ циклическую АМФ. Уже она активирует или подавляет различные ферменты клеточного метаболизма.

Рецепторная функция цитоплазматической мембраны также включает распознавание соседних однотипных клеток. Такие клетки прикрепляются друг к другу различными межклеточными контактами.

В тканях с помощью межклеточных контактов клетки могут обмениваться между собой информацией с помощью специально синтезируемых низкомолекулярных веществ. Одним из примеров подобного взаимодействия является контактное торможение, когда клетки прекращают рост, получив информацию, что свободное пространство занято.

Межклеточные контакты бывают простыми (мембраны разных клеток прилегают друг к другу), замковыми (впячивания мембраны одной клетки в другую), десмосомы (когда мембраны соединены пучками поперечных волокон, проникающих в цитоплазму). Кроме того, есть вариант межклеточных контактов за счет медиаторов (посредников) — синапсы. В них сигнал передается не только химическим, но и электрическим способом. Синапсами передаются сигналы между нервными клетками, а также от нервных к мышечным.

biology.su

Клеточная мембрана: ее строение и функции

Содержание:

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.

Что такое клеточная мембрана

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 клеточной мембраны

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 клеточной мембраны

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 клеточной мембраны

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.

Клеточная мембрана, видео

И в завершение образовательное видео о клеточной мембране.

www.poznavayka.org

Функции плазматической мембраны в клетке

Плазматическая мембрана – липидный бислой со встроенными в его толщу белками, ионными каналами и рецепторными молекулами. Это механический барьер, который отделяет цитоплазму клетки от околоклеточного пространства, одновременно являясь единственной связью с наружной средой. А потому плазмолемма является одной из важнейших структур клетки, а ее функции позволяют ей существовать и взаимодействовать с другими клеточными группами.

Общее представление о функциях цитолеммы

Плазматическая мембрана в том виде, в котором она присутствует в животной клетке, характерна для множества организмов из разных царств. Бактерии и простейшие, чьи организмы представлены одной-единственной клеткой, имеют цитоплазматическую мембрану. А животные, грибы и растения как многоклеточные организмы не утратили ее в процессе эволюции. Однако у разных царств живых организмов цитолемма несколько различается, хотя функции ее все равно одинаковы. Их можно разделить на три группы: на разграничительные, транспортные и коммуникативные.

К группе разграничительных функций относится механическая защита клетки, поддержание ее формы, ограждение от внеклеточной среды. Транспортную группу функций мембрана играет за счет наличия специфических белков, ионных каналов и переносчиков определенных веществ. К коммуникативным функциям цитолеммы стоит отнести рецепторную. На поверхности мембраны существует совокупность рецепторных комплексов, посредством которых клетка участвует в механизмах гуморальной передачи информации. Однако важно еще и то, что плазмолемма окружает не только клетку, но и некоторые ее мембранные органеллы. В них она играет такую же роль, как в случае с целой клеткой.

Барьерная функция

Барьерные функции плазматической мембраны множественные. Она защищает внутреннюю среду клетки со сложившейся концентрацией химических веществ от ее изменения. В растворах происходит процесс диффузии, то есть самостоятельного уравнивания концентрации между средами с разным содержанием в них определенных веществ. Плазмолемма как раз блокирует диффузию путем недопущения тока жидкости и ионов в любых направлениях. Таким образом, мембрана ограничивает цитоплазму с определенной концентрацией электролитов от околоклеточной среды.

Второе проявление барьерной функции плазматической мембраны – это защита от сильных кислых и сильных щелочных сред. Плазмолемма построена таким образом, что гидрофобные концы липидных молекул обращены наружу. Потому она зачастую разграничивает внутриклеточную и внеклеточную среды с разными показателями рН. Это необходимо для клеточной жизнедеятельности.

Барьерная функция мембран органелл

Барьерные функции плазматической мембраны различны и потому, что зависят от места ее расположения. В частности кариолемма, то есть липидный бислой ядра, защищает его от механических повреждений и разделяет ядерную среду от цитоплазматической. Причем считается, что кариолемма неразрывно связана с мембраной эндоплазматической сети. Потому вся система рассматривается едино как хранилище наследственной информации, белок синтезирующая система и кластер посттрансляционной модификации белковых молекул. Мембрана эндоплазматических сетей необходима для поддержания формы транспортных внутриклеточных каналов, по которым перемещаются белковые, липидные и углеводные молекулы.

Митохондриальная мембрана защищает митохондрии, а пластидная – хлоропласты. Лизосомальная мембрана также играет роль барьера: внутри лизосомы агрессивная среда рН и активные формы кислорода, способные повредить структуры внутри клетки, если они туда проникнут. Мембрана же является универсальным барьером, одновременно разрешающим лизосомам «переваривать» твердые частицы и ограничивающим место действия ферментов.

Механическая функция плазмолеммы

Механические функции плазматической мембраны также неоднородны. Во-первых, плазмолемма поддерживает клеточную форму. Во-вторых, она ограничивает деформируемость клетки, однако не препятствует изменению формы и текучести. При этом укрепление мембраны также возможно. Это происходит за счет образования клеточной стенки протистами, бактериями, растениями и грибами. У животных, в том числе у человеческого вида, клеточная стенка наиболее простая и представлена лишь гликокаликсом.

У бактерий она гликопротеидная, у растений – целлюлозная, у грибов – хитиновая. Диатомовые водоросли и вовсе встраивают в свою клеточную стенку кремнезем (оксид кремния), что значительно увеличивает прочность и механическую стойкость клетки. Причем каждому организму клеточная стенка нужна именно для этого. А сама плазмолемма имеет намного меньшую прочность, чем слой протеогликанов, целлюлозы или хитина. В том, что цитолемма играет механическую роль, сомневаться не приходится.

Также механические функции плазматической мембраны позволяют митохондриям, хлоропластам, лизосомам, ядру и эндоплазматической сети функционировать внутри клетки и защищаться от подпороговых повреждений. Это характерно для любой клетки, имеющей данные мембранные органеллы. Более того, плазматическая мембрана имеет цитоплазматические выросты, посредством которых создаются межклеточные контакты. Это пример реализации механической функции плазматической мембраны. Защитная роль мембраны обеспечивается еще и за счет естественной резистентности и текучести липидного бислоя.

Коммуникативная функция цитоплазматической мембраны

К числу коммуникативных функций стоит отнести транспорт и рецепцию. Эти оба качества характерны именно для плазматической мембраны и кариолеммы. Мембрана органелл не всегда имеет рецепторы или пронизана транспортными каналами, а у кариолеммы и цитолеммы эти образования имеются. Именно посредством их осуществляется реализация данных коммуникативных функций.

Транспорт реализуется двумя возможными механизмами: с затратой энергии, то есть активным путем, и без затрат, простой диффузией. Однако клетка может транспортировать вещества и путем фагоцитоза или пиноцитоза. Это реализуется путем захвата облака жидкости или твердой частицы выпячиваниями цитоплазмы. Тогда клетка как будто руками захватывает частицу или каплю жидкости, втягивая ее внутрь и образуя вокруг нее цитоплазматический слой.

Активный транспорт, диффузия

Активный транспорт – это пример избирательного поглощения электролитов или питательных веществ. Посредством специфических каналов, представленных белковыми молекулами, состоящими из нескольких субъединиц, вещество или гидратированный ион проникает в цитоплазму. Ионы меняют потенциалы, а питательные вещества встраиваются в метаболические цепи. И все эти функции плазматической мембраны в клетке активно способствуют ее росту и развитию.

Липидорастворимость

Высокодифференцированные клетки, к примеру, нервная, эндокринная или мышечная, используют данные ионные каналы для генерации потенциалов покоя и действия. Он образуется за счет осмотической и электрохимической разницы, а ткани получают способность сокращаться, генерировать или проводить импульс, отвечать на сигналы или передавать их. Это важный механизм обмена информацией между клетками, который лежит в основе нервной регуляции функций всего организма. Эти функции плазматической мембраны животной клетки обеспечивают регуляцию жизнедеятельности, защиты и передвижения всего организма.

Некоторые вещества и вовсе могут проникать сквозь мембрану, однако это характерно только для молекул липофильных жирорастворимых молекул. Они попросту растворяются в бислое мембраны, легко попадая в цитоплазму. Такой механизм транспорта характерен для гормонов стероидов. А гормоны пептидной структуры неспособны проникать через мембрану, хотя также передают информацию клетке. Это достигается благодаря наличию на поверхности плазмолеммы рецепторных (интегральных) молекул. Связанные с ними биохимические механизмы передачи сигнала к ядру вместе с механизмом прямого проникновения липидных веществ через мембрану составляют более простую систему гуморальной регуляции. И все эти функции интегральных белков плазматической мембраны нужны не только одной клетке, а всему организму.

Таблица функций цитоплазматической мембраны

Наиболее наглядный способ выделить функции плазматической мембраны – таблица, в которой указана ее биологическая роль для клетки в целом.

В данной таблице наглядно показано, какие функции выполняет плазматическая мембрана. Однако эти роли играет только клеточная оболочка, то есть липидный бислой, окружающий всю клетку. Внутри нее есть и органеллы, которые также имеют мембраны. Их роли следует выразить в виде схемы.

Функции плазматической мембраны: схема

В клетке наличием мембран отличаются следующие органеллы: ядро, шероховатый и гладкий эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи, митохондрия, хлоропласты, лизосомы. В каждой из данных органелл мембрана играет важнейшую роль. Рассмотреть ее можно на примере табличной схемы.

Мембраны животной клетки

Таковы функции плазматической мембраны в клетке, где она играет важную роль для каждой органеллы. Причем ряд функций следует объединить в одну – в защитную. В частности барьерная и механическая функции объединены в защитную. Более того, функции плазматической мембраны в растительной клетке практически идентичны таковым в животной и бактериальной.

Животная клетка является наиболее сложной и высокодифференцированной. Здесь располагается гораздо больше интегральных, полуинтегральных и поверхностных белков. В целом у многоклеточных организмов структура мембраны всегда сложнее, чем у одноклеточных. И то, какие функции выполняет плазматическая мембрана конкретной клетки, определяет, будет ли она отнесена к эпителиальной, соединительной или возбудимой ткани.

fb.ru

Что такое мембрана? Строение и функции мембраны

Что такое мембрана? Это 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 избыточное давление (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 клеточная стенка, 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 интегральные белки 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. Плазматическая мембрана 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 тканей растительного 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.

fb.ru

Клеточная мембрана — это… Что такое Клеточная мембрана?

Кле́точная мембра́на (или цитолемма, или плазмалемма, или плазматическая мембрана) отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулируют обмен между клеткой и средой; внутриклеточные мембраны разделяют клетку на специализированные замкнутые отсеки — компартменты или органеллы, в которых поддерживаются определённые условия среды.

Основные сведения

Клеточная стенка, если таковая у клетки имеется (обычно есть у растительных клеток), покрывает клеточную мембрану.

Клеточная мембрана представляет собой двойной слой (бислой) молекул класса липидов, большинство из которых представляет собой так называемые сложные липиды — фосфолипиды. Молекулы липидов имеют гидрофильную («головка») и гидрофобную («хвост») часть. При образовании мембран гидрофобные участки молекул оказываются обращены внутрь, а гидрофильные — наружу. Мембраны — структуры инвариабельные, весьма сходные у разных организмов. Некоторое исключение составляют, пожалуй, археи, у которых мембраны образованы глицерином и терпеноидными спиртами. Толщина мембраны составляет 7—8 нм.

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

• 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 оптимального pH и концентрации ионов, которые нужны для работы клеточных ферментов.
  Частицы, по какой-либо причине неспособные 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 по градиенту концентрации 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 вкачивает 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, находящиеся в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка 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. 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 вывода их из клетки наружу: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо- или эндоцитоз. Два первых процесса носят пассивный характер, то есть не требуют затрат энергии; два последних — активные процессы, связанные с потреблением энергии.

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.

См. также

Литература

• Антонов В. Ф., Смирнова Е. Н., Шевченко Е. В. Липидные мембраны при фазовых переходах. — М.: Наука, 1994.
• Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции: перевод с англ.  = Biomembranes. Molecular structure and function (by Robert B. Gennis). — 1-е издание. — М.: Мир, 1997. — ISBN 5-03-002419-0
• Иванов В. Г., Берестовский Т. Н. Липидный бислой биологических мембран. — М.: Наука, 1982.
• Рубин А. Б. Биофизика, учебник в 2 тт. — 3-е издание, исправленное и дополненное. — М.: издательство Московского университета, 2004. — ISBN 5-211-06109-8
• 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

Ссылки

dic.academic.ru