Клеточная мембрана. функции клеточной мембраны. строение клеточной мембраны

Транспортная функция

Плазматическая мембрана обладает свойствами полупроницаемого барьера, который пропускает и не пропускает только определенные вещества и молекулы. Выделяют несколько разновидностей транспорта через мембрану: пассивный транспорт, активный транспорт, ионный транспорт, транспорт в мембранной упаковке (эндо и экзоцитоз).

Пассивный транспорт – это транспорт через мембрану веществ из зоны высокой концентрации в зону низкой концентрации. Он осуществляется в двух формах: в форме простой диффузии и в форме «облегченной» диффузии. Оба этих процесса не нуждаются в энергии, идут относительно медленно и останавливаются, когда концентрация веществ по обе стороны мембраны уравняется. Скорость диффузии и сама возможность транспорта веществ через мембрану зависит (помимо концентрации) от ряда факторов: температуры, размера молекул, способности растворяться в липидах. Жирорастворимые вещества проходят через липидные слои легко, водорастворимые – с трудом. В мембране существуют специальные липидные и белковые «поры», через которые и проходит диффузия. Простая диффузия относительно медленный процесс и природа приспособила для ускорения транспорта специальные мембранные белки – переносчики. Они соединяются с транспортируемым веществом и переносят его с одной стороны мембраны на другую. Для каждой группы веществ в мембране должны быть свои переносчики. Такой процесс и называется «облегченная диффузия», протекая в десятки раз быстрее простой диффузии.

Ионный транспорт – это разновидность пассивного транспорта для заряженных ионов, но имеет свои особенности. Белки в цитоплазме клетки несут на своей поверхности, как правило, отрицательный заряд, создавая определенный электрический фон в клетке. Если в клетку направляются потоки положительных (катионы) или отрицательных (анионы) ионов, то положительных ионов войдет больше, поскольку часть катионов будет связываться белками цитоплазмы, нейтрализоваться и создавать дополнительную разницу концентраций разнозаряженных ионов внутри и снаружи клетки. Для транспорта ионов в мембране есть либо специальные ионные поры, либо переносчики.

Активный транспорт – наиболее важная форма транспорта для клетки. Диффузия, если она продолжается достаточно долго, приводит к тому, что по обе стороны мембраны устанавливается равновесие, что недопустимо для клетки – это для нее смерть. Состав цитоплазмы и межклеточной жидкости сильно различаются. Поэтому в клетке существует система «активного транспорта». В этом случае транспорт молекул осуществляется против градиента концентрации (из зоны низкой концентрации в зону высокой). Для этого существуют специальные белковые мембранные комплексы (ионные и молекулярные каналы), работающие с затратой энергии. До 40% всей энергии, вырабатываемой клеткой, идет на транспортные расходы!

Транспорт в мембранной упаковке (эндо – и экзоцитоз). Во многих случаях клетка должна транспортировать через мембрану не отдельные молекулы или ионы, а целые молекулярные комплексы и даже частицы. Они через мембранные поры не проходят. В связи с этим, в клетке существует специальная разновидность транспорта – транспорт в мембранной упаковке. В одних случаях происходит выпячивание наружной плазматической мембраны, охватывающей инородную частицу (например: частицу пищи или бактерию), замыкание ее в мембранное кольцо и погружение вглубь цитоплазмы клетки. Такой процесс был открыт знаменитым Российским ученым, лауреатом Нобелевской премии И.И.Мечниковым и назван фагоцитозом. Это явление было обнаружено при изучении защитных свойств клеток крови, которые захватывали бактерии и нейтрализовали их. Более мелкие частицы и капельки жидкости клетка захватывает путем образования впячиваний мембраны – этот процесс получил наименование пиноцитоз (греч. pinos- жидкость).

На самом деле фагоцитоз и пиноцитоз – это разновидности общего явления, характерного для большинства клеток – эндоцитоза. Процесс обратный эндоцитозу – выведение из клеток каких либо веществ и продуктов получил название экзоцитоза. На базе мембранного транспорта построен весь процесс выделения и поглощения секретов и гормонов клетками

Важно подчеркнуть, что эндо- и экзоцитоз являются энергозатратными процессами и, таким образом, относятся к разновидностям активного транспорта

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.

Транспорт через клеточную мембрану

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.

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)

Пространственное положение в мембране

Ориентация и глубина проникновения многих амфитропных белков и пептидов в мембраны изучаются с помощью сайт-направленного спинового мечения , химического мечения, измерения аффинности связывания с мембраной мутантов белка , флуоресцентной спектроскопии, спектроскопии ЯМР в растворе или твердом состоянии, спектроскопии ATR FTIR , X- лучевая или нейтронная дифракция и вычислительные методы.

Были идентифицированы два различных способа ассоциации белков с мембраной. Типичные водорастворимые белки не имеют открытых неполярных остатков или каких-либо других гидрофобных якорей. Следовательно, они полностью остаются в водном растворе и не проникают в липидный бислой, что было бы экономически затратно. Такие белки взаимодействуют с бислоями только электростатически, например, в этом режиме с мембранами взаимодействуют рибонуклеаза и полилизин . Однако типичные амфитропные белки имеют различные гидрофобные якоря, которые проникают в межфазную область и достигают углеводородной внутренней части мембраны. Такие белки «деформируют» липидный бислой, снижая температуру перехода липидная жидкость-гель. Связывание обычно представляет собой сильно экзотермическую реакцию. Аналогично происходит ассоциация амфифильных α-спиралей с мембранами. Внутренне неструктурированные или развернутые пептиды с неполярными остатками или липидными якорями также могут проникать в межфазную область мембраны и достигать углеводородного ядра, особенно когда такие пептиды являются катионными и взаимодействуют с отрицательно заряженными мембранами.

Что такое клеточная мембрана

Если провести аналогию с куриным яйцом (разбив скорлупу, аккуратно отделить от нее тонкую полупрозрачную пленочку), то визуально можно представить, что скорлупа — это плотная клеточная оболочка, а пленка — мембрана. Эта картинка очень наглядно позволяет увидеть, каким образом под клеточной стенкой, состоящей из целлюлозы, располагается плазмалемма. Конечно, это представление будет условным, но, действительно, мембрана в переводе с латинского языка означает «кожа». Хотя этот термин достаточно давний, он точно передает сущность мембранной структуры .

Цитолемма (еще одно ее название) животной клетки плотной оболочкой не защищена, однако имеет особый слой, состоящий из белков и жиров, соединенных с сахарами (гликопротеинов и гликолипидов). Называют его гликокаликс, и роль, которую он несет (рецепторная, сигнальная), очень важна для жизнедеятельности.

Строение

Строение структуры уникально, и именно за счет него функции клеточной мембраны выполняются точно и избирательно.

В структуру плазмалеммы входят молекулы:

• фосфолипидов;
• гликолипидов;
• холестерола;
• белков.

Однако не только такой щедрый химический состав делает цитоплазматическую мембрану особой структурой, все свои функции она выполняет благодаря строгой организации молекул.

Строение плазмалеммы физиологически идеально — двойной слой молекул жиров (липидов), полярно организованных, не дают «своим» выходить за пределы клетки, а «чужим» — проникать внутрь.

Организация плазмалеммы:

• мембрана состоит из липидов молекулы, которые имеют особое строение;
• каждый липид имеет два конца — гидрофильная («любящая» воду) головка и гидрофобный («боящийся» воды) хвост;
• липиды выстроены таким образом, чтобы головки были снаружи, а гидрофобные хвосты внутри;
• поверхность мембраны гидрофильна (пропускает воду и, соответственно, растворы), а вот внутренняя часть, состоящая из гидрофобных окончаний, воду отталкивает;
• в основном молекулы липидов содержат остатки фосфорной кислоты (это фосфолипиды), некоторые связаны с углеводами (гликолипиды) и холестеролом;
• холестерол придает мембране упругость и жесткость;
• благодаря электростатическим свойствам липиды притягивают молекулы белков, которые также входят в структуру цитолеммы.

Именно белковые молекулы (гранулы) заслуживают отдельного внимания ученых. Из-за своего различного положения и ориентации в полужидкой липидной среде они выполняют самые различные и очень важные функции.

Внутри и на поверхности цитолеммы встречаются следующие виды белков:

1. Периферические. Эти молекулы расположены на поверхности и в основном выполняют защитную и стабилизирующую функции. Так, они выстраивают ферменты в конвейерные цепи и не позволяют ферментам просто перемещаться вдоль бислоя.
2. Погруженные внутрь (полуинтегральные). Основная их функция — ферментативная, также они могут участвовать в транспорте веществ. Изучена и еще одна интересная роль этих белков — как переносчиков. Они легко соединяются с транспортируемыми молекулами и проводят их внутрь клетки.
3. Пронизывающие (интегральные). Они располагаются таким образом, что проходят насквозь, через билипидный слой. Если несколько таких белков сливаются, то образуется канал (пора), через которую могут проходить определенные вещества, связываясь с белковыми молекулами.

Таким образом, все элементы мембранного бислоя несут строго ограниченные своей ролью и строением функции. Благодаря такой организации система работает слаженно и точно.

Отмечено, что плазмалеммы даже внутри одной клетки неоднородны. В них различается не только соотношение химических составных (белков, липидов, углеводов), но и вязкость внутреннего содержимого, ферментативная активность, плотность наружного слоя, толщина.

Месторасположение в клетке

Мембранные структуры буквально пронизывают клеточное содержимое. Они ограничивают все органоиды (за редким исключением, например рибосомы), выстилают их изнутри, являются оболочками ядер.

Самая массивная по содержанию плазмалеммы структура — эндоплазматическая сеть (ЭПР). Если сложить все мембраны, ее составляющие, то получится площадь более половины общей — на все клеточное пространство. По морфологии оболочка ЭПР сходна с внешней ядерной. Они составляют с ней единую систему и обеспечивают активный взаимный перенос элементов.

Комплекс Гольджи — еще один органоид, полностью выполненный из мембранных мешочков (цистерн). Также цитолеммы имеют митохондрии и пластиды.

Плазматическая мембрана — это часть плазмалеммы, находящаяся на границе клеточного содержимого. Она ограничивает протопласт от внешней среды, окружает клетку, защищая его от наружного воздействия.

Функциональные особенности

С учетом свойств и особенностей строения цитолемма выполняет 9 функций, включая матричную, барьерную, транспортную. Барьерная функция связана с обеспечением регулируемого, пассивного, избирательного и активного обменов веществ в окружающей среде. Проницаемость ткани для разных молекул и атомов зависит от их размеров, химических свойств и электрического заряда. Показатель обеспечивает поступление питательных веществ.

К другим функциям, которые выполняет клеточная мембрана, относится транспортная. Через мембраны транспортируются питательные компоненты в клетку и из нее. Одновременно обеспечивается поддержка рН на оптимальном уровне. Транспортная функция отвечает за постоянную и правильную работу клеточных ферментов.

Частицы не пересекают бислой из-за гидрофобности ткани. Вещества из этого класса проникают в клетку через специальные белки-переносчики, белки-каналы. Аналогичная функция выполняется путем эндоцитоза (захват внешних компонентов клеткой, который осуществляется за счет образования постоянных веществ, необходимых для ее жизнедеятельности).

В результате пассивного транспорта вещества проходят через липидных бислой путем диффузии (кратко — взаимодействие). Процесс не требует энергии, но учитывается направление, в котором увеличивается концентрация. Вариант подобного механизма — облегченная диффузия. Прохождение веществ через мембрану обеспечивает специальная молекула с каналом.

На поверхности мембраны присутствуют белки-насосы, включая АТФазу (фермент из класса гидролаз). Она доставляет в клетку ионы калия, а выводит ионы натрия.

Матричность и автономность клеток

Матричная функция плазматической мембраны обеспечивает правильное взаиморасположение и взаимодействие белков. Механическая функция отвечает за автономность плазмалеммы, ее структур и соединения с иными клетками. Структура цитолеммы может состоять из следующих элементов:

• внешняя и внутренняя мембраны;
• межмембранное пространство;
• жидкость.

Энергетическая функция связана с фотосинтезом, который протекает в хлоропластах и клетках дыхания, свойственных для митохондрий. В последних микроорганизмах существует специальная система, отвечающая за перенос энергии. В процессе принимают участие белки.

Рецепторная функция связана с белками, которые находятся в мембране. Они считаются рецепторами и похожи на молекулы, воспринимающие сигналы. К примеру, гормоны, которые циркулируют в кровеносной системе, действуют на определенные клетки-мишени с соответствующими им рецепторами. К функциям нейромедиаторов (вещества, проводящие нейроны) относится обеспечение взаимосвязи с рецепторными белками клеток-мишеней.

Белки мембран являются ферментами. К примеру, плазматическаие плазмалеммы, расположенные в клетках кишечника, содержат в себе пищеварительные ферменты. Они выполняют ферментативную функцию, контролируя следующие процессы:

• генерация;
• проведение биопотенциалов.

Мембраны поддерживают постоянное содержание ионов в клетках. Ученые доказали, что число ионов калия в плазмалемме выше, чем снаружи, а концентрация натрия ниже. Подобный дисбаланс поддерживает разность показателей в ткани и генерацию нейронов.

Для каждого маркера есть соответствующий определенный тип клеток. С их помощью разпознаются другие плазмалеммы. Для каждого вида характерны определенные свойства и функции. На основе подобной теории иммунная система распознает чужеродные антигены.

Транспортировка веществ

Ученые и медики считают, что самой важной функцией является транспорт веществ при метаболизме. В плазмалемму из внешней среды поступают твердые и жидкие вещества

Из нее выходят продукты обмена. Все компоненты проходят через клеточную мембрану. Функцию можно раскрыть несколькими путями:

1. В газах незаряженная молекула свободно либо при помощи белкого канала проходит через липидный слой, не затрачивая энергию.
2. В растворах протекает односторонняя диффузия в сторону большей концентрации растворенной плазмалеммы.
3. Процесс переноса жидкости называется пиноцитоз, а твердого компонента — фагоцитоз. Вещество проникает в клетку путем вытягивания мембраны внутрь до момента формирования пузырька.
4. Экзоцитоз считается процессом, обратным эндоцитозу. Пузырек с веществами продвигается цитоплазмой к мембране, сливаясь с ней, выпуская свое содержимое, зависящее от типа составных компонентов.

Какую роль выполняет клеточная оболочка?

Строение плазматической мембраны позволяет ей справляться с пятью функциями.

Первая и основная — ограничение цитоплазмы. Благодаря этому клетка обладает постоянной формой и размером. Выполнение данной функции обеспечивается за счет того, что плазматическая мембрана крепкая и эластичная.

Вторая роль — обеспечение Благодаря своей эластичности плазматические мембраны могут образовывать выросты и складки в местах их соединения.

Следующая функция клеточной оболочки — транспортная. Она обеспечивается за счет специальных белков. Благодаря им нужные вещества могут быть транспортированы в клетку, а ненужные — утилизироваться из нее.

Кроме того, плазматическая мембрана выполняет ферментативную функцию. Она также осуществляется благодаря белкам.

И последняя функция — сигнальная. Благодаря тому что белки под воздействием определенных условий могут изменять свою пространственную структуру, плазматическая мембрана может посылать клетки сигналы.

Теперь вы знаете все о мембранах: что такое мембрана в биологии, какими они бывают, как устроены плазматическая мембрана и мембраны органоидов, какие функции они выполняют.

Какое строение имеет плазматическая мембрана? Како­вы ее функции?

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).

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.

Очистка мембранных белков

Хотя мембранные белки играют важную роль во всех организмах, их очистка исторически была и остается огромной проблемой для ученых, занимающихся белками. В 2008 году было доступно 150 уникальных структур мембранных белков, а к 2019 году только 50 человеческих мембранных белков имели свою структуру. Напротив, примерно 25% всех белков — это мембранные белки. Их гидрофобные поверхности затрудняют определение структурных и особенно функциональных характеристик. Для придания водорастворимости мембранным белкам можно использовать , но они также могут изменять структуру и функцию белка

Сделать водорастворимые белки мембран можно также путем конструирования белковой последовательности, замены выбранных гидрофобных аминокислот гидрофильными, уделяя особое внимание поддержанию вторичной структуры при одновременном изменении общего заряда.

Аффинная хроматография — одно из лучших решений для очистки мембранных белков. В отличие от других белков активность мембранных белков снижается очень быстро. Таким образом, аффинная хроматография обеспечивает быструю и специфическую очистку мембранных белков. Полигистидин тег представляет собой тег обычно используется для очистки мембранных белков, а также альтернативный rho1D4 тег также был успешно использован.

Структура цитолеммы

Почти все клеточные оболочки состоят из жиров нескольких классов. Чаще всего встречается холестерол, глико- и фосфолипиды. Последние состоят не только из липидов, но также имеют углеводное включение в виде «хвоста». Холестерол выполняет роль твердого жира, поскольку придает мембране жесткость, а также заполняет пространство между другими липидами.

Существуют более жесткие оболочки и эластичные, мягкие, в которых количество холестерола снижено. Помимо этого, вещество служит барьером, препятствуя переходу из клетки в клетку полярных молекул. Состав и ориентация протеинов в каждой мембране отличается, но специалисты определили, что без них пленка существовать не может.

В структуру плазмалеммы также входят аннулярные жиры, располагающиеся в непосредственной близости от протеинов и выделяющиеся вместе с ними из клетки. Без этих липидов протеины оболочки не могут выполнять свои функции. В большинстве случаев плазматическая мембрана асимметрична, то есть в разных ее частях количество липидов и протеинов отличается.

Каждая оболочка имеет органеллы. Они представляют собой участки цитоплазмы, связанные между собой. Наиболее часто встречаются следующие органеллы:

• комплекс Гольджи;
• вакуоли;
• эндоплазматическая сеть;
• лизосомы.

Разные клетки обладают индивидуальным составом органелл, но некоторые из них присутствуют в подавляющем большинстве единиц ткани. Благодаря своей структуре, мембраны способны к избирательной проницаемости. Некоторые вещества проходят через них свободно, другие — нет. Процесс регулируется самой оболочкой. Он может быть пассивным и активным. В первом случае в реакцию вступают интегральные белки, во втором требуются значительные энергетические затраты.