Vlastnosti membránovej štruktúry. Štruktúra a funkcie biologických membrán

Bunka- samoregulačná stavebná a funkčná jednotka tkanív a orgánov. Bunkovú teóriu štruktúry orgánov a tkanív vypracovali Schleiden a Schwann v roku 1839. Následne sa pomocou elektrónovej mikroskopie a ultracentrifugácie podarilo objasniť štruktúru všetkých hlavných organel zvierat a rastlinné bunky(obr. 1).

Ryža. 1. Schéma stavby živočíšnej bunky

Hlavnými časťami bunky sú cytoplazma a jadro. Každá bunka je obklopená veľmi tenkou membránou, ktorá obmedzuje jej obsah.

Bunková membrána je tzv plazmatická membrána a vyznačuje sa selektívnou permeabilitou. Táto vlastnosť umožňuje základné živiny a chemické prvky prenikajú do bunky a prebytočné produkty ju opúšťajú. Plazmatická membrána pozostáva z dvoch vrstiev lipidových molekúl obsahujúcich špecifické proteíny. Hlavnými membránovými lipidmi sú fosfolipidy. Obsahujú fosfor, polárnu hlavu a dva nepolárne chvosty mastných kyselín s dlhým reťazcom. Membránové lipidy zahŕňajú cholesterol a cholesterylestery. V súlade s modelom štruktúry tekutej mozaiky membrány obsahujú inklúzie proteínových a lipidových molekúl, ktoré sa môžu miešať vzhľadom na dvojvrstvu. Pre každý typ membrány ľubovoľný živočíšna bunka charakterizovaný relatívne konštantným zložením lipidov.

Membránové proteíny sa podľa štruktúry delia na dva typy: integrálne a periférne. Periférne proteíny môžu byť odstránené z membrány bez jej zničenia. Existujú štyri typy membránových proteínov: transportné proteíny, enzýmy, receptory a štrukturálne proteíny. Niektoré membránové proteíny majú enzymatickú aktivitu, iné viažu určité látky a uľahčujú ich prenos do bunky. Proteíny poskytujú niekoľko ciest pre pohyb látok cez membrány: tvoria veľké póry pozostávajúce z niekoľkých proteínových podjednotiek, ktoré umožňujú pohyb molekúl vody a iónov medzi bunkami; tvoria iónové kanály špecializované na pohyb určitých typov iónov cez membránu za určitých podmienok. Štrukturálne proteíny sú spojené s vnútornou lipidovou vrstvou a poskytujú cytoskelet bunky. Cytoskelet poskytuje mechanickú pevnosť bunkovej membrány. V rôznych membránach tvoria proteíny 20 až 80 % hmoty. Membránové proteíny sa môžu voľne pohybovať v laterálnej rovine.

Membrána tiež obsahuje sacharidy, ktoré sa môžu kovalentne viazať na lipidy alebo proteíny. Existujú tri typy membránových sacharidov: glykolipidy (gangliozidy), glykoproteíny a proteoglykány. Väčšina membránových lipidov je v tekutom stave a má určitú tekutosť, t.j. schopnosť prechádzať z jednej oblasti do druhej. Na vonkajšej strane membrány sú receptorové miesta, ktoré viažu rôzne hormóny. Iné špecifické oblasti membrány nedokážu rozpoznať a viazať určité proteíny a rôzne biologicky aktívne zlúčeniny, ktoré sú pre tieto bunky cudzie.

Vnútorný priestor bunky je vyplnený cytoplazmou, v ktorej prebieha väčšina enzýmovo katalyzovaných reakcií bunkového metabolizmu. Cytoplazma pozostáva z dvoch vrstiev: vnútornej, nazývanej endoplazma, a periférnej, ektoplazmy, ktorá má vysokú viskozitu a je bez granúl. Cytoplazma obsahuje všetky zložky bunky alebo organely. Najdôležitejšie z bunkových organel sú endoplazmatické retikulum, ribozómy, mitochondrie, Golgiho aparát, lyzozómy, mikrofilamenty a mikrotubuly, peroxizómy.

Endoplazmatické retikulum je systém vzájomne prepojených kanálov a dutín, ktoré prenikajú celou cytoplazmou. Zabezpečuje transport látok z životné prostredie a vo vnútri buniek. Endoplazmatické retikulum tiež slúži ako depot pre intracelulárne ióny Ca 2+ a slúži ako hlavné miesto syntézy lipidov v bunke.

ribozómy - mikroskopické sférické častice s priemerom 10-25 nm. Ribozómy sú voľne umiestnené v cytoplazme alebo sú pripojené k vonkajšiemu povrchu membrán endoplazmatického retikula a jadrovej membrány. Interagujú s messengerovou a transportnou RNA a dochádza v nich k syntéze bielkovín. Syntetizujú proteíny, ktoré vstupujú do cisterien alebo Golgiho aparátu a potom sa uvoľňujú von. Ribozómy, voľne umiestnené v cytoplazme, syntetizujú proteín na použitie samotnou bunkou a ribozómy spojené s endoplazmatickým retikulom produkujú proteín, ktorý sa vylučuje z bunky. Ribozómy syntetizujú rôzne funkčné proteíny: nosné proteíny, enzýmy, receptory, cytoskeletálne proteíny.

Golgiho aparát tvorené systémom tubulov, cisterien a vezikúl. Je spojená s endoplazmatickým retikulom a biologicky aktívne látky, ktoré sem vstupujú, sú uložené v zhutnenej forme v sekrečných vezikulách. Tie sa neustále oddeľujú od Golgiho aparátu, transportujú sa do bunkovej membrány a spájajú sa s ňou a látky obsiahnuté vo vezikulách sa z bunky odstraňujú procesom exocytózy.

lyzozómy -častice obklopené membránou s veľkosťou 0,25-0,8 mikrónu. Obsahujú množstvo enzýmov podieľajúcich sa na rozklade bielkovín, polysacharidov, tukov, nukleových kyselín, baktérie a bunky.

Peroxizómy tvorené z hladkého endoplazmatického retikula, pripomínajú lyzozómy a obsahujú enzýmy, ktoré katalyzujú rozklad peroxidu vodíka, ktorý sa vplyvom peroxidáz a katalázy rozkladá.

Mitochondrie obsahujú vonkajšie a vnútorné membrány a sú „energetickou stanicou“ bunky. Mitochondrie sú okrúhle alebo predĺžené štruktúry s dvojitou membránou. Vnútorná membrána tvorí záhyby vyčnievajúce do mitochondrií – cristae. Prebieha v nich syntéza ATP, dochádza k oxidácii substrátov Krebsovho cyklu a k mnohým biochemickým reakciám. Molekuly ATP produkované v mitochondriách difundujú do všetkých častí bunky. Mitochondrie obsahujú malé množstvo DNA, RNA a ribozómov a za ich účasti dochádza k obnove a syntéze nových mitochondrií.

Mikrovlákna Sú to tenké proteínové vlákna pozostávajúce z myozínu a aktínu a tvoria kontraktilný aparát bunky. Mikrofilamenty sa podieľajú na tvorbe záhybov alebo výbežkov bunkovej membrány, ako aj na pohybe rôznych štruktúr v bunkách.

Mikrotubuly tvoria základ cytoskeletu a poskytujú jeho pevnosť. Cytoskelet dáva bunkám ich vlastnosti vzhľad a tvar, slúži ako miesto pre pripojenie intracelulárnych organel a rôznych teliesok. IN nervové bunky zväzky mikrotubulov sa podieľajú na transporte látok z tela bunky na konce axónov. S ich účasťou funguje mitotické vreteno počas bunkového delenia. Zohrávajú úlohu motorických prvkov v klkoch a bičíkoch v eukaryotoch.

Jadro je hlavnou štruktúrou bunky, podieľa sa na prenose dedičných vlastností a na syntéze bielkovín. Jadro je obklopené jadrovou membránou obsahujúcou veľa jadrových pórov, cez ktoré dochádza k výmene rôznych látok medzi jadrom a cytoplazmou. V jeho vnútri sa nachádza jadierko. Bola preukázaná dôležitá úloha jadierka pri syntéze ribozomálnych RNA a histónových proteínov. Zvyšné časti jadra obsahujú chromatín, pozostávajúci z DNA, RNA a množstva špecifických proteínov.

Funkcie bunkovej membrány

Bunkové membrány hrajú kľúčovú úlohu v regulácii intracelulárneho a medzibunkového metabolizmu. Majú selektívnu priepustnosť. Ich špecifická štruktúra im umožňuje zabezpečovať bariérové, transportné a regulačné funkcie.

Bariérová funkcia sa prejavuje obmedzením prieniku zlúčenín rozpustených vo vode cez membránu. Membrána je nepriepustná pre veľké molekuly bielkovín a organické anióny.

Regulačná funkcia membrán je regulovať vnútrobunkový metabolizmus v reakcii na chemické, biologické a mechanické vplyvy. Špeciálne membránové receptory vnímajú rôzne vplyvy s následnou zmenou aktivity enzýmov.

Transportná funkcia cez biologické membrány môže prebiehať pasívne (difúzia, filtrácia, osmóza) alebo pomocou aktívneho transportu.

Difúzia - pohyb plynu alebo rozpustnej látky pozdĺž koncentračného a elektrochemického gradientu. Rýchlosť difúzie závisí od permeability bunkovej membrány, ako aj koncentračného gradientu pre nenabité častice a elektrického a koncentračného gradientu pre nabité častice. Jednoduchá difúzia sa vyskytuje cez lipidovú dvojvrstvu alebo cez kanály. Nabité častice sa pohybujú podľa elektrochemického gradientu a nenabité častice sa pohybujú podľa chemického gradientu. Jednoduchou difúziou prenikajú cez lipidovú vrstvu membrány napríklad kyslík, steroidné hormóny, močovina, alkohol atď. Cez kanály sa pohybujú rôzne ióny a častice. Iónové kanály sú tvorené proteínmi a delia sa na hradlové a negované kanály. V závislosti od selektivity sa rozlišuje medzi iónovo selektívnymi káblami, ktoré prepúšťajú iba jeden ión, a kanálmi, ktoré selektivitu nemajú. Kanály majú otvor a selektívny filter a riadené kanály majú hradlový mechanizmus.

Uľahčená difúzia - proces, pri ktorom sú látky transportované cez membránu pomocou špeciálnych membránových transportných proteínov. Týmto spôsobom prenikajú aminokyseliny a monosacharidy do bunky. Tento typ prepravy prebieha veľmi rýchlo.

Osmóza - pohyb vody cez membránu z roztoku s nižším do roztoku s vyšším osmotickým tlakom.

Aktívna doprava - transport látok proti koncentračnému gradientu pomocou transportných ATPáz (iónových púmp). K tomuto prenosu dochádza pri výdaji energie.

Vo väčšom rozsahu boli študované Na+/K+-, Ca2+- a H+-čerpadlá. Čerpadlá sú umiestnené na bunkových membránach.

Typ aktívneho transportu je endocytóza A exocytóza. Pomocou týchto mechanizmov sa transportujú väčšie látky (proteíny, polysacharidy, nukleové kyseliny), ktoré nie je možné transportovať cez kanály. Tento transport je bežnejší v črevných epiteliálnych bunkách, renálnych tubuloch a vaskulárnom endoteli.

O Pri endocytóze tvoria bunkové membrány invaginácie do bunky, ktoré sa po uvoľnení premenia na vezikuly. Pri exocytóze sa vezikuly s obsahom prenesú na bunkovú membránu a splynú s ňou a obsah vezikúl sa uvoľní do extracelulárneho prostredia.

Štruktúra a funkcie bunkovej membrány

Aby ste pochopili procesy, ktoré zabezpečujú existenciu elektrických potenciálov v živých bunkách, musíte najprv pochopiť štruktúru bunkovej membrány a jej vlastnosti.

V súčasnosti je najviac akceptovaný tekutý mozaikový model membrány, ktorý navrhli S. Singer a G. Nicholson v roku 1972. Základom membrány je dvojitá vrstva fosfolipidov (dvojvrstva), hydrofóbne fragmenty molekuly sú ponorené do hrúbky membrány a polárne hydrofilné skupiny sú orientované smerom von, tie. do okolia vodné prostredie(obr. 2).

Membránové proteíny sú lokalizované na povrchu membrány alebo môžu byť zapustené do rôznych hĺbok v hydrofóbnej zóne. Niektoré proteíny preklenujú membránu a rôzne hydrofilné skupiny toho istého proteínu sa nachádzajú na oboch stranách bunkovej membrány. Proteíny nachádzajúce sa v plazmatickej membráne zohrávajú veľmi dôležitú úlohu: podieľajú sa na tvorbe iónových kanálov, zohrávajú úlohu membránových púmp a transportérov rôznych látok a môžu plniť aj funkciu receptora.

Hlavné funkcie bunkovej membrány: bariérová, transportná, regulačná, katalytická.

Bariérovou funkciou je obmedziť difúziu vo vode rozpustných zlúčenín cez membránu, čo je nevyhnutné na ochranu buniek pred cudzími, toxické látky a udržiavanie relatívne konštantného obsahu rôznych látok vo vnútri buniek. takže, bunková membrána môže spomaliť difúziu rôznych látok 100 000-10 000 000 krát.

Ryža. 2. Trojrozmerný diagram modelu kvapalinovej mozaiky Singer-Nicholsonovej membrány

Zobrazené sú globulárne integrálne proteíny vložené do lipidovej dvojvrstvy. Niektoré proteíny sú iónové kanály, iné (glykoproteíny) obsahujú postranné oligosacharidové reťazce, ktoré sa podieľajú na rozpoznávaní buniek medzi sebou a v medzibunkovom tkanive. Molekuly cholesterolu tesne priliehajú k hlavám fosfolipidov a fixujú priľahlé časti „chvostov“. Vnútorné časti chvostov fosfolipidovej molekuly nie sú obmedzené vo svojom pohybe a sú zodpovedné za tekutosť membrány (Bretscher, 1985)

Membrána obsahuje kanály, cez ktoré prenikajú ióny. Kanály môžu byť závislé od napätia alebo nezávislé od potenciálu. Kanály závislé od napätia otvorené, keď sa potenciálny rozdiel zmení, a potenciálne nezávislý(hormonálne regulované) sa otvárajú pri interakcii receptorov s látkami. Kanály je možné otvárať alebo zatvárať vďaka bránam. V membráne sú zabudované dva typy brán: aktivácia(hlboko v kanáli) a inaktivácia(na povrchu kanála). Brána môže byť v jednom z troch stavov:

• otvorený stav (oba typy brán sú otvorené);
• zatvorený stav (aktivačná brána zatvorená);
• stav deaktivácie (brána inaktivácie zatvorená).

Ďalší charakteristický znak membrán je schopnosť vykonávať selektívny prenos anorganických iónov, živín, ako aj rôznych metabolických produktov. Existujú systémy pasívneho a aktívneho prenosu (transportu) látok. Pasívne transport prebieha cez iónové kanály s pomocou alebo bez pomoci nosných proteínov a jeho hnacou silou je rozdiel v elektrochemickom potenciáli iónov medzi intra- a extracelulárnym priestorom. Selektivita iónových kanálov je určená jeho geometrickými parametrami a chemickou povahou skupín lemujúcich steny kanála a jeho ústia.

V súčasnosti sú najviac preštudované kanály, ktoré sú selektívne priepustné pre ióny Na+, K+, Ca2+ a tiež pre vodu (tzv. akvaporíny). Priemer iónových kanálov je podľa rôznych štúdií 0,5-0,7 nm. Kapacita kanála sa môže meniť cez jeden iónový kanál;

Aktívne transport prebieha s vynaložením energie a je realizovaný takzvanými iónovými pumpami. Iónové pumpy sú molekulárne proteínové štruktúry vložené do membrány, ktoré transportujú ióny smerom k vyššiemu elektrochemickému potenciálu.

Čerpadlá pracujú s využitím energie hydrolýzy ATP. V súčasnosti sa používajú Na+/K+ - ATPáza, Ca 2+ - ATPáza, H + - ATPáza, H + /K + - ATPáza, Mg 2+ - ATPáza, ktoré zabezpečujú pohyb iónov Na +, K +, Ca 2+, resp. sú dobre študované, H+, Mg2+ izolované alebo konjugované (Na+ a K+; H+ a K+). Molekulárny mechanizmus aktívneho transportu nie je úplne objasnený.

Membrány sú mimoriadne viskózne a zároveň plastické štruktúry, ktoré obklopujú všetky živé bunky. Funkcie bunkové membrány:

1. Plazmatická membrána je bariéra, ktorá udržuje rozdielne zloženie extra- a intracelulárneho prostredia.

2. Membrány tvoria vo vnútri bunky špecializované priehradky, t.j. početné organely - mitochondrie, lyzozómy, Golgiho komplex, endoplazmatické retikulum, jadrové membrány.

3. Enzýmy, ktoré sa podieľajú na premene energie v procesoch, ako je oxidačná fosforylácia a fotosyntéza, sú lokalizované v membránach.

Štruktúra a zloženie membrán

Základom membrány je dvojitá lipidová vrstva, na tvorbe ktorej sa podieľajú fosfolipidy a glykolipidy. Lipidovú dvojvrstvu tvoria dva rady lipidov, ktorých hydrofóbne radikály sú skryté dovnútra a hydrofilné skupiny smerujú von a sú v kontakte s vodným prostredím. Proteínové molekuly sú akoby „rozpustené“ v lipidovej dvojvrstve.

Štruktúra membránových lipidov

Membránové lipidy sú amfifilné molekuly, pretože molekula má ako hydrofilnú oblasť (polárne hlavy), tak aj hydrofóbnu oblasť, reprezentovanú uhľovodíkovými radikálmi mastných kyselín, ktoré spontánne tvoria dvojvrstvu. Membrány obsahujú tri hlavné typy lipidov – fosfolipidy, glykolipidy a cholesterol.

Zloženie lipidov je odlišné. Obsah konkrétneho lipidu je zjavne určený rôznymi funkciami, ktoré tieto lipidy vykonávajú v membránach.

Fosfolipidy. Všetky fosfolipidy možno rozdeliť do dvoch skupín – glycerofosfolipidy a sfingofosfolipidy. Glycerofosfolipidy sú klasifikované ako deriváty kyseliny fosfatidovej. Najbežnejšie glycerofosfolipidy sú fosfatidylcholíny a fosfatidyletanolamíny. Sfingofosfolipidy sú založené na aminoalkohole sfingozínu.

Glykolipidy. V glykolipidoch je hydrofóbna časť reprezentovaná alkoholovým ceramidom a hydrofilná časť je reprezentovaná sacharidovým zvyškom. V závislosti od dĺžky a štruktúry sacharidovej časti sa rozlišujú cerebrozidy a gangliozidy. Polárne „hlavy“ glykolipidov sú umiestnené na vonkajšom povrchu plazmatických membrán.

Cholesterol (CS). CS je prítomný vo všetkých membránach živočíšnych buniek. Jeho molekula pozostáva z tuhého hydrofóbneho jadra a pružného uhľovodíkového reťazca. Jediná hydroxylová skupina v polohe 3 je „polárna hlava“. Pre živočíšnu bunku je priemerný molárny pomer cholesterol/fosfolipidy 0,3-0,4, ale v plazmatickej membráne je tento pomer oveľa vyšší (0,8-0,9). Prítomnosť cholesterolu v membránach znižuje pohyblivosť mastných kyselín, znižuje laterálnu difúziu lipidov, a preto môže ovplyvňovať funkcie membránových proteínov.

Vlastnosti membrány:

1. Selektívna priepustnosť. Uzavretá dvojvrstva poskytuje jednu z hlavných vlastností membrány: je nepriepustná pre väčšinu molekúl rozpustných vo vode, pretože sa nerozpúšťajú v jej hydrofóbnom jadre. Plyny ako kyslík, CO 2 a dusík majú schopnosť ľahko prenikať do buniek vďaka malej veľkosti ich molekúl a slabej interakcii s rozpúšťadlami. Molekuly lipidovej povahy, ako sú steroidné hormóny, tiež ľahko prenikajú do dvojvrstvy.

2. Likvidita. Membrány sa vyznačujú tekutosťou (tekutosťou), schopnosťou pohybu lipidov a bielkovín. Možné sú dva typy fosfolipidových pohybov: salto (vo vedeckej literatúre nazývané „flip-flop“) a laterálna difúzia. V prvom prípade sa fosfolipidové molekuly v bimolekulárnej vrstve navzájom proti sebe prevrátia (alebo kotrmelce) k sebe a vymenia si miesta v membráne, t.j. vonkajšie sa stáva vnútorným a naopak. Takéto skoky sú spojené so spotrebou energie. Častejšie sa pozorujú rotácie okolo osi (rotácia) a laterálna difúzia - pohyb vo vrstve rovnobežný s povrchom membrány. Rýchlosť pohybu molekúl závisí od mikroviskozity membrán, ktorá je zase určená relatívnym obsahom nasýtených a nenasýtených mastných kyselín v lipidovom zložení. Mikroviskozita je nižšia, ak v lipidovom zložení prevládajú nenasýtené mastné kyseliny, a vyššia, ak je obsah nasýtených mastných kyselín vysoký.

3. Asymetria membrán. Povrchy tej istej membrány sa líšia zložením lipidov, bielkovín a sacharidov (priečne asymetria). Napríklad fosfatidylcholíny prevládajú vo vonkajšej vrstve a fosfatidyletanolamíny a fosfatidylseríny prevažujú vo vnútornej vrstve. Sacharidové zložky glykoproteínov a glykolipidov sa dostávajú na vonkajší povrch a vytvárajú súvislú štruktúru nazývanú glykokalyx. Na vnútornom povrchu nie sú žiadne sacharidy. Proteíny - hormonálne receptory sú umiestnené na vonkajšom povrchu plazmatickej membrány a enzýmy, ktoré regulujú - adenylátcykláza, fosfolipáza C - na vnútornom povrchu atď.

Membránové proteíny

Membránové fosfolipidy pôsobia ako rozpúšťadlo pre membránové proteíny, čím vytvárajú mikroprostredie, v ktorom tieto môžu fungovať. Proteíny tvoria 30 až 70 % hmoty membrán. Počet rôznych proteínov v membráne sa pohybuje od 6-8 v sarkoplazmatickom retikule po viac ako 100 v plazmatickej membráne. Sú to enzýmy, transportné proteíny, štrukturálne proteíny, antigény vrátane antigénov hlavného histokompatibilného systému, receptory pre rôzne molekuly.

Proteíny sa na základe ich lokalizácie v membráne delia na integrálne (čiastočne alebo úplne ponorené do membrány) a periférne (umiestnené na jej povrchu). Niektoré integrálne proteíny prechádzajú cez membránu raz (glykoforín), iné cez membránu mnohokrát. Napríklad retinálny fotoreceptor a β2-adrenergný receptor prechádzajú cez dvojvrstvu 7-krát.

Periférne proteíny a domény integrálnych proteínov, umiestnené na vonkajšom povrchu všetkých membrán, sú takmer vždy glykozylované. Oligosacharidové zvyšky chránia proteín pred proteolýzou a tiež sa podieľajú na rozpoznávaní alebo adhézii ligandu.

Hlavná konštrukčná jednotkaživý organizmus - bunka, ktorá je diferencovaným úsekom cytoplazmy obklopeným bunkovou membránou. Vzhľadom na to, že bunka plní mnoho dôležitých funkcií, ako je rozmnožovanie, výživa, pohyb, membrána musí byť plastická a hustá.

História objavu a výskumu bunkovej membrány

V roku 1925 Grendel a Gorder uskutočnili úspešný experiment na identifikáciu „tieňov“ červených krviniek alebo prázdnych membrán. Napriek niekoľkým závažným chybám vedci objavili lipidovú dvojvrstvu. V ich práci pokračovali Danielli, Dawson v roku 1935 a Robertson v roku 1960. Výsledkom mnohoročnej práce a hromadenia argumentov bolo, že v roku 1972 Singer a Nicholson vytvorili fluidno-mozaikový model membránovej štruktúry. Ďalšie experimenty a štúdie potvrdili prácu vedcov.

Význam

Čo je bunková membrána? Toto slovo sa začalo používať pred viac ako sto rokmi v preklade z latinčiny znamená „film“, „koža“. Takto sa označuje bunková hranica, ktorá je prirodzenou bariérou medzi vnútorným obsahom a vonkajším prostredím. Štruktúra bunkovej membrány implikuje polopriepustnosť, vďaka ktorej vlhkosť a živiny a produkty rozkladu ním môžu voľne prechádzať. Tento obal možno nazvať hlavnou štrukturálnou zložkou bunkovej organizácie.

Uvažujme o hlavných funkciách bunkovej membrány

1. Oddeľuje vnútorný obsah bunky a zložky vonkajšieho prostredia.

2. Pomáha udržiavať stále chemické zloženie bunky.

3. Reguluje správny metabolizmus.

4. Zabezpečuje komunikáciu medzi bunkami.

5. Rozpoznáva signály.

6. Ochranná funkcia.

"Plazma Shell"

Vonkajšia bunková membrána, nazývaná aj plazmatická membrána, je ultramikroskopický film, ktorého hrúbka sa pohybuje od piatich do siedmich nanomilimetrov. Pozostáva hlavne z proteínových zlúčenín, fosfolidov a vody. Fólia je elastická, ľahko absorbuje vodu a po poškodení rýchlo obnovuje svoju celistvosť.

Má univerzálnu štruktúru. Táto membrána zaujíma hraničnú polohu, podieľa sa na procese selektívnej permeability, odstraňovania produktov rozpadu a syntetizuje ich. Vzťah so susedmi a spoľahlivú ochranu vnútorný obsah pred poškodením z neho robí dôležitú zložku v takej záležitosti, ako je štruktúra bunky. Bunková membrána živočíšnych organizmov je niekedy pokrytá tenkou vrstvou - glykokalyxou, ktorá zahŕňa proteíny a polysacharidy. Rastlinné bunky mimo membrány sú chránené bunkovou stenou, ktorá slúži ako podpora a udržiava tvar. Hlavnou zložkou jeho zloženia je vláknina (celulóza) – polysacharid, ktorý je nerozpustný vo vode.

Vonkajšia bunková membrána má teda funkciu opravy, ochrany a interakcie s inými bunkami.

Štruktúra bunkovej membrány

Hrúbka tohto pohyblivého obalu sa pohybuje od šiestich do desiatich nanomilimetrov. Bunková membrána bunky má špeciálne zloženie, ktorej základ tvorí lipidová dvojvrstva. Hydrofóbne chvosty, inertné voči vode, sú umiestnené s vnútri, zatiaľ čo hydrofilné hlavy, ktoré interagujú s vodou, smerujú von. Každý lipid je fosfolipid, ktorý je výsledkom interakcie látok, ako je glycerol a sfingozín. Lipidová štruktúra je tesne obklopená proteínmi, ktoré sú usporiadané v nesúvislej vrstve. Niektoré z nich sú ponorené do lipidovej vrstvy, ostatné ňou prechádzajú. V dôsledku toho sa vytvárajú oblasti, ktoré sú priepustné pre vodu. Funkcie vykonávané týmito proteínmi sú rôzne. Niektoré z nich sú enzýmy, zvyšok sú transportné proteíny, ktoré prenášajú rôzne látky z vonkajšieho prostredia do cytoplazmy a späť.

Bunková membrána je prestúpená integrálnymi proteínmi a je nimi tesne spojená a spojenie s periférnymi je menej silné. Tieto proteíny plnia dôležitú funkciu, ktorou je udržiavanie štruktúry membrány, prijímanie a konverzia signálov z prostredia, transport látok a katalyzovanie reakcií, ktoré na membránach prebiehajú.

Zlúčenina

Základom bunkovej membrány je bimolekulárna vrstva. Bunka má vďaka svojej kontinuite bariérové ​​a mechanické vlastnosti. V rôznych fázach života môže byť táto dvojvrstva narušená. V dôsledku toho sa vytvárajú štrukturálne defekty priechodných hydrofilných pórov. V tomto prípade sa môžu zmeniť absolútne všetky funkcie takej zložky, ako je bunková membrána. Jadro môže trpieť vonkajšími vplyvmi.

Vlastnosti

Bunková membrána bunky má zaujímavé funkcie. Vďaka svojej tekutosti táto membrána nie je tuhou štruktúrou a väčšina proteínov a lipidov, ktoré ju tvoria, sa voľne pohybuje po rovine membrány.

Vo všeobecnosti je bunková membrána asymetrická, takže zloženie proteínových a lipidových vrstiev sa líši. Plazmatické membrány v živočíšnych bunkách majú na svojej vonkajšej strane glykoproteínovú vrstvu, ktorá vykonáva receptorové a signalizačné funkcie a tiež hrá veľkú úlohu v procese spájania buniek do tkaniva. Bunková membrána je polárna, to znamená, že náboj na vonkajšej strane je kladný a náboj vo vnútri je záporný. Okrem všetkého vyššie uvedeného má bunková membrána selektívny pohľad.

To znamená, že okrem vody sa do bunky dostane len určitá skupina molekúl a iónov rozpustených látok. Koncentrácia látky, akou je sodík, je vo väčšine buniek oveľa nižšia ako vo vonkajšom prostredí. Ióny draslíka majú iný pomer: ich množstvo v bunke je oveľa vyššie ako v prostredí. V tomto ohľade majú sodné ióny tendenciu prenikať cez bunkovú membránu a draselné ióny majú tendenciu sa uvoľňovať von. Za týchto okolností membrána aktivuje špeciálny systém, ktorý hrá „čerpaciu“ úlohu a vyrovnáva koncentráciu látok: ióny sodíka sú čerpané na povrch bunky a draselné ióny sú čerpané dovnútra. Táto funkcia je súčasťou najdôležitejších funkcií bunkovej membrány.

Táto tendencia sodíkových a draselných iónov pohybovať sa smerom dovnútra z povrchu hrá veľkú úlohu pri transporte cukru a aminokyselín do bunky. V procese aktívneho odstraňovania sodných iónov z bunky membrána vytvára podmienky pre nový príjem glukózy a aminokyselín vo vnútri. Naopak, v procese prenosu iónov draslíka do bunky sa počet „transportérov“ produktov rozpadu z vnútra bunky do vonkajšieho prostredia dopĺňa.

Ako prebieha výživa buniek cez bunkovú membránu?

Mnohé bunky prijímajú látky prostredníctvom procesov, ako je fagocytóza a pinocytóza. S prvou možnosťou flexibilné vonkajšia membrána vznikne malá priehlbina, v ktorej zachytená častica skončí. Priemer vybrania sa potom zväčšuje, kým uzavretá častica nevstúpi do bunkovej cytoplazmy. Prostredníctvom fagocytózy sa kŕmia niektoré prvoky, napríklad améby, ako aj krvinky - leukocyty a fagocyty. Podobne bunky absorbujú tekutinu, ktorá obsahuje potrebné užitočný materiál. Tento jav sa nazýva pinocytóza.

Vonkajšia membrána je tesne spojená s endoplazmatickým retikulom bunky.

Mnoho typov hlavných zložiek tkaniva má na povrchu membrány výčnelky, záhyby a mikroklky. Rastlinné bunky na vonkajšej strane tejto škrupiny sú pokryté ďalšou, silnou a jasne viditeľnou pod mikroskopom. Vlákno, z ktorého sú vyrobené, pomáha vytvárať podporu pre rastlinné tkanivá, ako je drevo. Živočíšne bunky majú tiež množstvo vonkajších štruktúr, ktoré sedia na vrchnej časti bunkovej membrány. Majú výlučne ochranný charakter, príkladom toho je chitín obsiahnutý v kožných bunkách hmyzu.

Okrem bunkovej membrány existuje intracelulárna membrána. Jeho funkciou je rozdeliť bunku na niekoľko špecializovaných uzavretých kompartmentov – kompartmentov alebo organel, kde musí byť zachované určité prostredie.

Nie je teda možné preceňovať úlohu takej zložky základnej jednotky živého organizmu, akou je bunková membrána. Štruktúra a funkcie naznačujú výrazné rozšírenie celkového povrchu bunky a zlepšenie metabolických procesov. Táto molekulárna štruktúra pozostáva z proteínov a lipidov. Membrána oddeľuje bunku od vonkajšieho prostredia a zabezpečuje jej integritu. S jeho pomocou sa medzibunkové spojenia udržiavajú na pomerne silnej úrovni a tvoria tkanivá. V tejto súvislosti môžeme konštatovať, že bunková membrána hrá jednu z najdôležitejších úloh v bunke. Štruktúra a funkcie, ktoré vykonáva, sa v rôznych bunkách radikálne líšia v závislosti od ich účelu. Prostredníctvom týchto znakov sa dosahujú rôzne fyziologické aktivity bunkových membrán a ich úlohy v existencii buniek a tkanív.

Vymedzovacie ( bariéra) - oddeliť bunkový obsah od vonkajšieho prostredia;

Regulovať výmenu medzi bunkou a prostredím;

Delia bunky do kompartmentov alebo kompartmentov určených pre určité špecializované metabolické dráhy ( delenie);

Je miestom niektorých chemických reakcií (svetelné reakcie fotosyntézy v chloroplastoch, oxidačná fosforylácia pri dýchaní v mitochondriách);

Zabezpečiť komunikáciu medzi bunkami v tkanivách mnohobunkových organizmov;

Doprava- vykonáva transmembránový transport.

Receptor- sú lokalizáciou receptorových miest, ktoré rozpoznávajú vonkajšie podnety.

Transport látok cez membránu - jedna z vedúcich funkcií membrány, zabezpečujúca výmenu látok medzi bunkou a vonkajším prostredím. V závislosti od spotreby energie na prenos látok sa rozlišujú:

pasívny transport alebo uľahčená difúzia;

aktívny (selektívny) transport za účasti ATP a enzýmov.

preprava v membránovom obale. Existujú endocytóza (do bunky) a exocytóza (von z bunky) - mechanizmy, ktoré transportujú veľké častice a makromolekuly cez membránu. Plazmatická membrána pri endocytóze tvorí invagináciu, jej okraje sa spájajú a do cytoplazmy sa uvoľňuje vezikula. Vezikula je od cytoplazmy ohraničená jednou membránou, ktorá je súčasťou vonkajšej cytoplazmatickej membrány. Existuje fagocytóza a pinocytóza. Fagocytóza je absorpcia veľkých častíc, ktoré sú dosť tvrdé. Napríklad fagocytóza lymfocytov, prvokov atď. Pinocytóza je proces zachytávania a absorpcie kvapôčok kvapaliny s látkami v nej rozpustenými.

Exocytóza je proces odstraňovania rôznych látok z bunky. Počas exocytózy sa membrána vezikuly alebo vakuoly spája s vonkajšou cytoplazmatickou membránou. Obsah vezikuly sa odstráni za povrch bunky a membrána sa začlení do vonkajšej cytoplazmatickej membrány.

V jadre pasívny transport nenabitých molekúl spočíva v rozdiele koncentrácií vodíka a nábojov, t.j. elektrochemický gradient. Látky sa presunú z oblasti s vyšším gradientom do oblasti s nižším. Rýchlosť dopravy závisí od rozdielu stúpaní.

Jednoduchá difúzia je transport látok priamo cez lipidovú dvojvrstvu. Charakteristické pre plyny, nepolárne alebo malé nenabité polárne molekuly, rozpustné v tukoch. Voda rýchlo preniká do dvojvrstvy, pretože jeho molekula je malá a elektricky neutrálna. Difúzia vody cez membrány sa nazýva osmóza.

Difúzia cez membránové kanály je transport nabitých molekúl a iónov (Na, K, Ca, Cl), ktoré prenikajú cez membránu v dôsledku prítomnosti špeciálnych kanálikov tvoriacich proteíny, ktoré tvoria vodné póry.

Uľahčená difúzia je transport látok pomocou špeciálnych transportných proteínov. Každý proteín je zodpovedný za presne definovanú molekulu alebo skupinu príbuzných molekúl, interaguje s ňou a pohybuje sa cez membránu. Napríklad cukry, aminokyseliny, nukleotidy a iné polárne molekuly.

Aktívna doprava uskutočňované nosnými proteínmi (ATPáza) proti elektrochemickému gradientu so spotrebou energie. Jeho zdrojom sú molekuly ATP. Napríklad sodík je draslíková pumpa.

Koncentrácia draslíka vo vnútri bunky je oveľa vyššia ako mimo nej a sodíka - naopak. Preto katióny draslíka a sodíka pasívne difundujú cez vodné póry membrány pozdĺž koncentračného gradientu. Vysvetľuje to skutočnosť, že priepustnosť membrány pre ióny draslíka je vyššia ako pre ióny sodíka. V súlade s tým draslík difunduje z bunky rýchlejšie ako sodík do bunky. Pre normálne fungovanie buniek je však potrebný určitý pomer 3 draselných a 2 sodných iónov. Preto je v membráne sodíkovo-draslíková pumpa, ktorá aktívne odčerpáva sodík z bunky a draslík do bunky. Táto pumpa je transmembránový membránový proteín schopný konformačných preskupení. Preto môže na seba naviazať draselné aj sodné ióny (antiport). Proces je energeticky náročný:

Z vnútra membrány vstupujú do proteínu pumpy sodíkové ióny a molekula ATP a zvonka prichádzajú draselné ióny.

Sodné ióny sa spoja s molekulou proteínu a proteín získa aktivitu ATPázy, t.j. schopnosť spôsobiť hydrolýzu ATP, ktorá je sprevádzaná uvoľňovaním energie, ktorá poháňa pumpu.

Fosfát uvoľnený počas hydrolýzy ATP sa naviaže na proteín, t.j. fosforyluje proteín.

Fosforylácia spôsobuje konformačné zmeny v proteíne, ktorý nie je schopný zadržiavať sodíkové ióny. Sú uvoľnené a pohybujú sa mimo bunky.

Nová konformácia proteínu podporuje pripojenie iónov draslíka k nemu.

Pridanie draselných iónov spôsobuje defosforyláciu proteínu. Opäť mení svoju konformáciu.

Zmena konformácie proteínov vedie k uvoľneniu iónov draslíka vo vnútri bunky.

Proteín je opäť pripravený pripojiť k sebe sodné ióny.

V jednom cykle prevádzky pumpa odčerpá 3 sodíkové ióny z bunky a pumpuje 2 draselné ióny.

Cytoplazma– obligátna zložka bunky, nachádzajúca sa medzi povrchovým aparátom bunky a jadrom. Ide o komplexný heterogénny štruktúrny komplex pozostávajúci z:

hyaloplazma

organely (stále zložky cytoplazmy)

inklúzie sú dočasné zložky cytoplazmy.

Cytoplazmatická matrica(hyaloplazma) je vnútorný obsah bunky – bezfarebný, hustý a priehľadný koloidný roztok. Komponenty cytoplazmatickej matrice uskutočňujú v bunke procesy biosyntézy a obsahujú enzýmy potrebné na výrobu energie, najmä vďaka anaeróbnej glykolýze.

Základné vlastnosti cytoplazmatickej matrice.

Určuje koloidné vlastnosti bunky. Spolu s intracelulárnymi membránami vakuolárneho systému ho možno považovať za vysoko heterogénny alebo viacfázový koloidný systém.

Poskytuje zmenu viskozity cytoplazmy, prechod z gélu (hustejšieho) na sól (viac tekutý), ku ktorému dochádza pod vplyvom vonkajších a vnútorných faktorov.

Zabezpečuje cyklózu, améboidný pohyb, delenie buniek a pohyb pigmentu v chromatofóroch.

Určuje polaritu umiestnenia intracelulárnych komponentov.

Zabezpečuje mechanické vlastnosti buniek - elasticitu, schopnosť zlučovania, tuhosť.

organely– trvalé bunkové štruktúry, ktoré zabezpečujú, že bunka vykonáva špecifické funkcie. V závislosti od konštrukčných prvkov existujú:

membránové organely – majú membránovú štruktúru. Môžu byť jednomembránové (ER, Golgiho aparát, lyzozómy, vakuoly rastlinných buniek). Dvojmembránové (mitochondrie, plastidy, jadro).

Nemembránové organely – nemajú membránovú štruktúru (chromozómy, ribozómy, bunkové centrum, cytoskelet).

Organely na všeobecné použitie sú charakteristické pre všetky bunky: jadro, mitochondrie, bunkové centrum, Golgiho aparát, ribozómy, EPS, lyzozómy. Keď sú organely charakteristické pre určité typy buniek, nazývajú sa špeciálne organely (napríklad myofibrily, ktoré sťahujú svalové vlákno).

Endoplazmatické retikulum- jediná súvislá štruktúra, ktorej membrána tvorí mnoho invaginácií a záhybov, ktoré vyzerajú ako tubuly, mikrovakuoly a veľké cisterny. ER membrány sú na jednej strane spojené s bunkovou cytoplazmatickou membránou a na druhej strane s vonkajším obalom jadrovej membrány.

Existujú dva typy EPS – drsný a hladký.

V drsnej alebo granulovanej ER sú cisterny a tubuly spojené s ribozómami. je vonkajšia strana membrány hladká alebo agranulárna ER nemá žiadnu súvislosť s ribozómami. Toto je vnútorná strana membrány.

Plazmatická membrána , alebo plazmalema,- najstálejšia, základná, univerzálna membrána pre všetky bunky. Je to tenký (asi 10 nm) film pokrývajúci celú bunku. Plazmalema pozostáva z proteínových molekúl a fosfolipidov (obr. 1.6).

Molekuly fosfolipidov sú usporiadané v dvoch radoch – s hydrofóbnymi koncami dovnútra, hydrofilnými hlavami smerom do vnútorného a vonkajšieho vodného prostredia. Na niektorých miestach je dvojvrstva (dvojvrstva) fosfolipidov preniknutá cez a cez proteínové molekuly (integrálne proteíny). Vo vnútri takýchto proteínových molekúl sú kanály - póry, cez ktoré prechádzajú látky rozpustné vo vode. Ostatné proteínové molekuly prenikajú do lipidovej dvojvrstvy do polovice na jednej alebo druhej strane (semiintegrálne proteíny). Na povrchu membrán eukaryotických buniek sú periférne proteíny. Molekuly lipidov a proteínov sú držané pohromade v dôsledku hydrofilno-hydrofóbnych interakcií.

Vlastnosti a funkcie membrán. Všetky bunkové membrány sú pohyblivé tekuté štruktúry, pretože molekuly lipidov a proteínov nie sú vzájomne prepojené kovalentnými väzbami a sú schopné sa pomerne rýchlo pohybovať v rovine membrány. Vďaka tomu môžu membrány meniť svoju konfiguráciu, t.j. majú tekutosť.

Membrány sú veľmi dynamické štruktúry. Rýchlo sa zotavujú z poškodenia a tiež sa naťahujú a sťahujú bunkovými pohybmi.

Membrány rôznych typov buniek sa výrazne líšia tak chemickým zložením, ako aj relatívnym obsahom proteínov, glykoproteínov, lipidov v nich, a teda aj povahou receptorov, ktoré obsahujú. Každý bunkový typ sa preto vyznačuje osobitosťou, ktorá je determinovaná hlavne glykoproteíny. Zapojené sú glykoproteíny s rozvetveným reťazcom vyčnievajúce z bunkovej membrány rozpoznávanie faktorov vonkajšieho prostredia, ako aj pri vzájomnom rozpoznávaní príbuzných buniek. Napríklad vajíčko a spermie sa navzájom rozpoznávajú podľa povrchových glykoproteínov buniek, ktoré do seba zapadajú ako samostatné prvky celej štruktúry. Takéto vzájomné uznávanie je nevyhnutnou etapou pred oplodnením.

Podobný jav sa pozoruje v procese diferenciácie tkanív. V tomto prípade sú bunky podobnej štruktúry s pomocou rozpoznávacích oblastí plazmalémy navzájom správne orientované, čím je zabezpečená ich adhézia a tvorba tkaniva. Súvisí s uznaním regulácia dopravy molekuly a ióny cez membránu, ako aj imunologickú odpoveď, v ktorej glykoproteíny zohrávajú úlohu antigénov. Cukry tak môžu fungovať ako informačné molekuly (ako bielkoviny a nukleové kyseliny). Membrány tiež obsahujú špecifické receptory, nosiče elektrónov, konvertory energie a enzýmové proteíny. Proteíny sa podieľajú na zabezpečení transportu určitých molekúl do bunky alebo z bunky, zabezpečujú štrukturálne spojenie medzi cytoskeletom a bunkovými membránami alebo slúžia ako receptory na príjem a premenu chemických signálov z prostredia.

Najdôležitejšou vlastnosťou membrány je tiež selektívna priepustnosť. To znamená, že cez ňu prechádzajú molekuly a ióny pri rôznych rýchlostiach a čím väčšia je veľkosť molekúl, tým nižšia je rýchlosť ich prechodu cez membránu. Táto vlastnosť definuje plazmatickú membránu ako osmotickej bariéry. Voda a plyny v nej rozpustené majú maximálnu penetračnú schopnosť; Ióny prechádzajú cez membránu oveľa pomalšie. Difúzia vody cez membránu je tzv osmózou.

Existuje niekoľko mechanizmov na transport látok cez membránu.

Difúzia- prienik látok cez membránu pozdĺž koncentračného gradientu (z oblasti, kde je ich koncentrácia vyššia, do oblasti, kde je ich koncentrácia nižšia). Difúzny transport látok (voda, ióny) sa uskutočňuje za účasti membránových proteínov, ktoré majú molekulárne póry, alebo za účasti lipidovej fázy (u látok rozpustných v tukoch).

S uľahčenou difúzioušpeciálne membránové transportné proteíny sa selektívne viažu na jeden alebo iný ión alebo molekulu a transportujú ich cez membránu pozdĺž koncentračného gradientu.

Aktívna doprava zahŕňa energetické náklady a slúži na transport látok proti ich koncentračnému gradientu. On uskutočňujú špeciálne nosné proteíny, ktoré tvoria tzv iónové čerpadlá. Najviac študovaná je Na - / K - pumpa v živočíšnych bunkách, ktorá aktívne odčerpáva Na + ióny a zároveň absorbuje K - ióny. Vďaka tomu sa v bunke udržiava vyššia koncentrácia K - a nižšia koncentrácia Na + v porovnaní s prostredím. Tento proces vyžaduje energiu ATP.

V dôsledku aktívneho transportu pomocou membránovej pumpy v bunke sa reguluje aj koncentrácia Mg 2- a Ca 2+.

Počas procesu aktívneho transportu iónov do bunky prenikajú cez cytoplazmatickú membránu rôzne cukry, nukleotidy a aminokyseliny.

Cez bunkové membrány na rozdiel od iónov a monomérov neprechádzajú makromolekuly proteínov, nukleových kyselín, polysacharidov, lipoproteínových komplexov atď. Transport makromolekúl, ich komplexov a častíc do bunky prebieha úplne iným spôsobom – endocytózou. O endocytóza (endo...- dovnútra) určitá oblasť plazmalemy zachytáva a akoby obaluje extracelulárny materiál a uzatvára ho do membránovej vakuoly, ktorá vzniká v dôsledku invaginácie membrány. Následne sa takáto vakuola spojí s lyzozómom, ktorého enzýmy rozkladajú makromolekuly na monoméry.

Reverzný proces endocytózy je exocytóza (exo...- von). Vďaka nemu bunka odstraňuje vnútrobunkové produkty alebo nestrávené zvyšky uzavreté vo vakuolách alebo pu-

zyryki. Vezikula sa priblíži k cytoplazmatickej membráne, splynie s ňou a jej obsah sa uvoľní do okolia. Takto sa odstraňujú tráviace enzýmy, hormóny, hemicelulóza atď.

Biologické membrány, ako hlavné štrukturálne prvky bunky, teda neslúžia len ako fyzické hranice, ale sú dynamickými funkčnými povrchmi. Na membránach organel prebiehajú početné biochemické procesy ako aktívna absorpcia látok, premena energie, syntéza ATP atď.

Funkcie biologických membrán nasledujúci:

Vymedzujú obsah bunky od vonkajšieho prostredia a obsah organel od cytoplazmy.

Zabezpečujú transport látok do bunky a z bunky, z cytoplazmy do organel a naopak.

Pôsobia ako receptory (prijímajú a premieňajú chemické látky z prostredia, rozoznávajú bunkové látky atď.).

Sú to katalyzátory (zabezpečujúce chemické procesy v blízkosti membrány).

Podieľajte sa na premene energie.