Dyrecellemembran. Membraner - hva er de? Biologisk membran: funksjoner og struktur

Basert på dens funksjonelle egenskaper kan cellemembranen deles inn i 9 funksjoner den utfører.
Funksjoner av cellemembranen:
1. Transport. Transporterer stoffer fra celle til celle;
2. Barriere. Har selektiv permeabilitet, sikrer nødvendig metabolisme;
3. Reseptor. Noen proteiner som finnes i membranen er reseptorer;
4. Mekanisk. Sikrer autonomien til cellen og dens mekaniske strukturer;
5. Matrise. Sikrer optimal interaksjon og orientering av matriseproteiner;
6. Energi. Membraner inneholder energioverføringssystemer under cellulær respirasjon i mitokondrier;
7. Enzymatisk. Membranproteiner er noen ganger enzymer. For eksempel tarmcellemembraner;
8. Merking. Membranen inneholder antigener (glykoproteiner) som tillater celleidentifikasjon;
9. Generering. Utfører generering og ledning av biopotensialer.

Du kan se hvordan en cellemembran ser ut ved å bruke eksemplet med strukturen til en dyrecelle eller plantecelle.

Figuren viser strukturen til cellemembranen.
Komponentene i cellemembranen inkluderer ulike cellemembranproteiner (globulære, perifere, overflate), samt cellemembranlipider (glykolipid, fosfolipid). Også i strukturen til cellemembranen er det karbohydrater, kolesterol, glykoprotein og protein alfa-helix.

Cellemembransammensetning

Hovedsammensetningen av cellemembranen inkluderer:
1. Proteiner - ansvarlig for ulike egenskaper av membranen;
2. Tre typer lipider (fosfolipider, glykolipider og kolesterol) som er ansvarlige for membranstivhet.
Cellemembranproteiner:
1. Kuleformet protein;
2. Overflateprotein;
3. Perifert protein.

Hovedformålet med cellemembranen

Hovedformålet med cellemembranen:
1. Reguler utvekslingen mellom cellen og miljøet;
2. Separer innholdet i en hvilken som helst celle fra det ytre miljøet, for derved å sikre dens integritet;
3. Intracellulære membraner deler cellen i spesialiserte lukkede rom - organeller eller rom der visse miljøforhold opprettholdes.

Cellemembranstruktur

Strukturen til cellemembranen er en todimensjonal løsning av globulære integrerte proteiner oppløst i en flytende fosfolipidmatrise. Denne modellen av membranstruktur ble foreslått av to forskere Nicholson og Singer i 1972. Dermed er grunnlaget for membranene et bimolekylært lipidlag, med et ordnet arrangement av molekyler, som du kunne se i.

Cellemembran.

Cellemembranen skiller innholdet i enhver celle fra det ytre miljøet, og sikrer dens integritet; regulerer utvekslingen mellom cellen og miljøet; intracellulære membraner deler cellen i spesialiserte lukkede rom - rom eller organeller, der visse miljøforhold opprettholdes.

Struktur.

Cellemembranen er et dobbeltlag (dobbeltlag) av molekyler av klassen lipider (fett), hvorav de fleste er såkalte komplekse lipider - fosfolipider. Lipidmolekyler har en hydrofil («hode») og en hydrofob («hale») del. Når membraner dannes, vender de hydrofobe områdene av molekylene innover, og de hydrofile områdene vender utover. Membraner er strukturer som er veldig like i forskjellige organismer. Tykkelsen på membranen er 7-8 nm. (10−9 meter)

Hydrofilisitet- et stoffs evne til å bli fuktet av vann.
Hydrofobicitet- et stoffs manglende evne til å bli fuktet av vann.

Den biologiske membranen inkluderer også forskjellige proteiner:
- integral (stikker gjennom membranen)
- semi-integrert (nedsenket i den ene enden i det ytre eller indre lipidlaget)
- overfladisk (plassert på den ytre eller ved siden av de indre sidene av membranen).
Noen proteiner er kontaktpunktene mellom cellemembranen og cytoskjelettet inne i cellen, og celleveggen (hvis det er en) utenfor.

Cytoskjelett- et cellulært rammeverk inne i en celle.

Funksjoner.

1) Barriere- gir regulert, selektiv, passiv og aktiv metabolisme med omgivelsene.

2) Transport- transport av stoffer inn og ut av cellen skjer gjennom membranen Matrise - sikrer en viss relativ posisjon og orientering av membranproteiner, deres optimale interaksjon.

3) Mekanisk- sikrer cellens autonomi, dens intracellulære strukturer, samt forbindelse med andre celler (i vev) Det intercellulære stoffet spiller en stor rolle for å sikre mekanisk funksjon.

4) Reseptor- noen proteiner som ligger i membranen er reseptorer (molekyler ved hjelp av hvilke cellen oppfatter visse signaler).

For eksempel virker hormoner som sirkulerer i blodet kun på målceller som har reseptorer som tilsvarer disse hormonene. Nevrotransmittere (kjemiske stoffer som sikrer ledning av nerveimpulser) binder seg også til spesielle reseptorproteiner i målceller.

Hormoner- biologisk aktive signalkjemikalier.

5) Enzymatisk- membranproteiner er ofte enzymer. For eksempel inneholder plasmamembranene til tarmepitelceller fordøyelsesenzymer.

6) Implementering av generering og ledning av biopotensialer.
Ved hjelp av membranen opprettholdes en konstant konsentrasjon av ioner i cellen: konsentrasjonen av K+-ionet inne i cellen er mye høyere enn utenfor, og konsentrasjonen av Na+ er mye lavere, noe som er veldig viktig, siden dette sikrer opprettholdelse av potensialforskjellen på membranen og generering av en nerveimpuls.

Nerveimpuls – en bølge av eksitasjon som overføres langs en nervefiber.

7) Cellemerking- det er antigener på membranen som fungerer som markører - "merker" som gjør at cellen kan identifiseres. Dette er glykoproteiner (det vil si proteiner med forgrenede oligosakkaridsidekjeder festet til dem) som spiller rollen som "antenner". På grunn av de utallige konfigurasjonene av sidekjeder, er det mulig å lage en spesifikk markør for hver celletype. Ved hjelp av markører kan celler gjenkjenne andre celler og handle i samspill med dem, for eksempel i dannelsen av organer og vev. Dette lar også immunsystemet gjenkjenne fremmede antigener.

Funksjoner av permeabilitet.

Cellemembraner er selektivt permeable: de penetreres sakte på forskjellige måter:

• Glukose er den viktigste energikilden.
• Aminosyrer er byggesteinene som utgjør alle proteinene i kroppen.
• Fettsyrer – strukturelle, energiske og andre funksjoner.
• Glyserol - får kroppen til å holde på vann og reduserer urinproduksjonen.
• Ioner er enzymer for reaksjoner.

Dessuten regulerer membranene selv til en viss grad aktivt denne prosessen - noen stoffer passerer gjennom, mens andre ikke gjør det. Det er fire hovedmekanismer for at stoffer kommer inn i cellen eller fjerner dem fra cellen til utsiden:

Passive permeabilitetsmekanismer:

1) Diffusjon.

En variant av denne mekanismen er forenklet diffusjon, der et spesifikt molekyl hjelper et stoff å passere gjennom membranen. Dette molekylet kan ha en kanal som lar bare én type stoff passere gjennom.

Diffusjon- prosessen med gjensidig penetrasjon av molekyler av ett stoff mellom molekyler av et annet.

Osmose– prosessen med enveisdiffusjon gjennom en semipermeabel membran av løsemiddelmolekyler mot en høyere konsentrasjon av det oppløste stoffet.

Membranen som omgir en normal blodcelle er bare gjennomtrengelig for vannmolekyler, oksygen, noen av næringsstoffene som er oppløst i blodet og cellulære avfallsprodukter

Aktive permeabilitetsmekanismer:

1) Aktiv transport.

Aktiv transport– overføring av et stoff fra et område med lav konsentrasjon til et område med høy konsentrasjon.

Aktiv transport krever energi da det skjer fra et område med lav konsentrasjon til et område med høy konsentrasjon. Det er spesielle pumpeproteiner på membranen som aktivt pumper kaliumioner (K+) inn i cellen og pumper natriumioner (Na+) ut av den, ved å bruke ATP som energi.

ATP– en universell energikilde for alle biokjemiske prosesser. .(mer senere)

2) Endocytose.

Partikler som av en eller annen grunn ikke klarer å krysse cellemembranen, men som er nødvendige for cellen, kan trenge gjennom membranen ved endocytose.

Endocytose– prosessen med å ta opp eksternt materiale av en celle.

Den selektive permeabiliteten til membranen under passiv transport skyldes spesielle kanaler - integrerte proteiner. De trenger gjennom membranen og danner en slags passasje. Grunnstoffene K, Na og Cl har sine egne kanaler. I forhold til konsentrasjonsgradienten beveger molekylene til disse elementene seg inn og ut av cellen. Ved irritasjon åpnes natriumionekanalene og det oppstår en plutselig tilstrømning av natriumioner inn i cellen. I dette tilfellet oppstår en ubalanse i membranpotensialet. Deretter gjenopprettes membranpotensialet. Kaliumkanaler er alltid åpne, slik at kaliumioner sakte kan komme inn i cellen.

Membranstruktur

Permeabilitet

Aktiv transport

Osmose

Endocytose

Cellemembranen er en ultratynn film på overflaten av en celle eller cellulær organell, bestående av et bimolekylært lag av lipider med innebygde proteiner og polysakkarider.

Membranfunksjoner:

• · Barriere - gir regulert, selektiv, passiv og aktiv metabolisme med omgivelsene. For eksempel beskytter peroksisommembranen cytoplasmaet mot peroksider som er farlige for cellen. Selektiv permeabilitet betyr at permeabiliteten til en membran for forskjellige atomer eller molekyler avhenger av størrelse, elektrisk ladning og kjemiske egenskaper. Selektiv permeabilitet sørger for at cellen og cellerommene er separert fra miljøet og tilført de nødvendige stoffene.
• · Transport - transport av stoffer inn og ut av cellen skjer gjennom membranen. Transport gjennom membraner sikrer: tilførsel av næringsstoffer, fjerning av metabolske sluttprodukter, sekresjon av ulike stoffer, dannelse av ionegradienter, opprettholdelse av optimal pH og ionekonsentrasjoner i cellen, som er nødvendige for funksjonen til cellulære enzymer. Partikler som av en eller annen grunn ikke er i stand til å krysse fosfolipid-dobbeltlaget (for eksempel på grunn av hydrofile egenskaper, siden membranen på innsiden er hydrofob og ikke lar hydrofile stoffer passere gjennom, eller på grunn av deres store størrelse), men nødvendige for cellen , kan penetrere membranen gjennom spesielle bærerproteiner (transportører) og kanalproteiner eller ved endocytose. Ved passiv transport krysser stoffer lipid-dobbeltlaget uten å bruke energi langs en konsentrasjonsgradient ved diffusjon. En variant av denne mekanismen er forenklet diffusjon, der et spesifikt molekyl hjelper et stoff å passere gjennom membranen. Dette molekylet kan ha en kanal som lar bare én type stoff passere gjennom. Aktiv transport krever energi da den skjer mot en konsentrasjonsgradient. Det er spesielle pumpeproteiner på membranen, inkludert ATPase, som aktivt pumper kaliumioner (K+) inn i cellen og pumper natriumioner (Na+) ut av den.
• · matrise - sikrer en viss relativ posisjon og orientering av membranproteiner, deres optimale interaksjon.
• · mekanisk - sikrer cellens autonomi, dens intracellulære strukturer, samt forbindelse med andre celler (i vev). Cellevegger spiller en stor rolle for å sikre mekanisk funksjon, og hos dyr den intercellulære substansen.
• · energi - under fotosyntese i kloroplaster og cellulær respirasjon i mitokondrier, opererer energioverføringssystemer i deres membraner, der proteiner også deltar;
• · reseptor - noen proteiner som ligger i membranen er reseptorer (molekyler ved hjelp av hvilke cellen oppfatter visse signaler). For eksempel virker hormoner som sirkulerer i blodet kun på målceller som har reseptorer som tilsvarer disse hormonene. Nevrotransmittere (kjemiske stoffer som sikrer ledning av nerveimpulser) binder seg også til spesielle reseptorproteiner i målceller.
• · enzymatiske - membranproteiner er ofte enzymer. For eksempel inneholder plasmamembranene til tarmepitelceller fordøyelsesenzymer.
• · implementering av generering og ledning av biopotensial. Ved hjelp av membranen opprettholdes en konstant konsentrasjon av ioner i cellen: konsentrasjonen av K + ion inne i cellen er mye høyere enn utenfor, og konsentrasjonen av Na + er mye lavere, noe som er veldig viktig, siden dette sikrer opprettholdelse av potensialforskjellen på membranen og generering av en nerveimpuls.
• · cellemarkering - det er antigener på membranen som fungerer som markører - "merker" som gjør at cellen kan identifiseres. Dette er glykoproteiner (det vil si proteiner med forgrenede oligosakkaridsidekjeder festet til dem) som spiller rollen som "antenner". På grunn av de utallige konfigurasjonene av sidekjeder, er det mulig å lage en spesifikk markør for hver celletype. Ved hjelp av markører kan celler gjenkjenne andre celler og handle i samspill med dem, for eksempel i dannelsen av organer og vev. Dette lar også immunsystemet gjenkjenne fremmede antigener.

Noen proteinmolekyler diffunderer fritt i lipidlagets plan; i normal tilstand endrer ikke deler av proteinmolekyler som kommer frem på forskjellige sider av cellemembranen sin posisjon.

Den spesielle morfologien til cellemembraner bestemmer deres elektriske egenskaper, blant hvilke de viktigste er kapasitans og ledningsevne.

Kapasitive egenskaper bestemmes hovedsakelig av fosfolipid-dobbeltlaget, som er ugjennomtrengelig for hydratiserte ioner og samtidig tynt nok (ca. 5 nm) til å tillate effektiv ladningsseparasjon og lagring, og elektrostatisk interaksjon av kationer og anioner. I tillegg er de kapasitive egenskapene til cellemembraner en av grunnene som bestemmer tidskarakteristikkene til elektriske prosesser som skjer på cellemembraner.

Konduktivitet (g) er den resiproke av elektrisk motstand og er lik forholdet mellom den totale transmembranstrømmen for et gitt ion og verdien som bestemte dens transmembrane potensialforskjell.

Ulike stoffer kan diffundere gjennom fosfolipid-dobbeltlaget, og graden av permeabilitet (P), dvs. cellemembranens evne til å passere disse stoffene, avhenger av forskjellen i konsentrasjoner av det diffuserende stoffet på begge sider av membranen, dets løselighet i lipider og egenskapene til cellemembranen. Diffusjonshastigheten for ladede ioner under konstante feltforhold i en membran bestemmes av mobiliteten til ioner, tykkelsen på membranen og fordelingen av ioner i membranen. For ikke-elektrolytter påvirker ikke permeabiliteten til membranen dens ledningsevne, siden ikke-elektrolytter ikke bærer ladninger, det vil si at de ikke kan bære elektrisk strøm.

Konduktiviteten til en membran er et mål på dens ioniske permeabilitet. En økning i ledningsevne indikerer en økning i antall ioner som passerer gjennom membranen.

En viktig egenskap ved biologiske membraner er fluiditet. Alle cellemembraner er mobile væskestrukturer: de fleste av deres lipid- og proteinmolekyler er i stand til å bevege seg ganske raskt i membranens plan

Den grunnleggende strukturelle enheten til en levende organisme er cellen, som er en differensiert del av cytoplasmaet omgitt av en cellemembran. På grunn av det faktum at cellen utfører mange viktige funksjoner, som reproduksjon, ernæring, bevegelse, må membranen være plastisk og tett.

Historie om oppdagelsen og forskningen av cellemembranen

I 1925 gjennomførte Grendel og Gorder et vellykket eksperiment for å identifisere "skyggene" av røde blodceller, eller tomme membraner. Til tross for flere alvorlige feil, oppdaget forskere lipid-dobbeltlaget. Arbeidet deres ble videreført av Danielli, Dawson i 1935 og Robertson i 1960. Som et resultat av mange års arbeid og akkumulering av argumenter, skapte Singer og Nicholson i 1972 en flytende mosaikkmodell av membranstrukturen. Ytterligere eksperimenter og studier bekreftet forskernes arbeid.

Betydning

Hva er en cellemembran? Dette ordet begynte å bli brukt for mer enn hundre år siden; oversatt fra latin betyr det "film", "hud". Slik betegnes cellegrensen, som er en naturlig barriere mellom det indre innholdet og det ytre miljøet. Strukturen til cellemembranen innebærer semipermeabilitet, på grunn av hvilken fuktighet og næringsstoffer og nedbrytningsprodukter fritt kan passere gjennom den. Dette skallet kan kalles den viktigste strukturelle komponenten i celleorganisasjonen.

La oss vurdere hovedfunksjonene til cellemembranen

1. Separerer det interne innholdet i cellen og komponenter i det ytre miljøet.

2. Bidrar til å opprettholde en konstant kjemisk sammensetning av cellen.

3. Regulerer riktig metabolisme.

4. Gir kommunikasjon mellom celler.

5. Gjenkjenner signaler.

6. Beskyttelsesfunksjon.

"Plasma Shell"

Den ytre cellemembranen, også kalt plasmamembranen, er en ultramikroskopisk film hvis tykkelse varierer fra fem til syv nanomillimeter. Den består hovedsakelig av proteinforbindelser, fosfolider og vann. Filmen er elastisk, absorberer lett vann og gjenoppretter raskt sin integritet etter skade.

Den har en universell struktur. Denne membranen inntar en grenseposisjon, deltar i prosessen med selektiv permeabilitet, fjerning av forfallsprodukter og syntetiserer dem. Forholdet til dens "naboer" og pålitelig beskyttelse av det indre innholdet mot skade gjør det til en viktig komponent i en sak som strukturen til cellen. Cellemembranen til dyreorganismer er noen ganger dekket med et tynt lag - glykokalyxen, som inkluderer proteiner og polysakkarider. Planteceller utenfor membranen er beskyttet av en cellevegg, som fungerer som støtte og opprettholder formen. Hovedkomponenten i sammensetningen er fiber (cellulose) - et polysakkarid som er uløselig i vann.

Dermed har den ytre cellemembranen funksjonen reparasjon, beskyttelse og interaksjon med andre celler.

Struktur av cellemembranen

Tykkelsen på dette bevegelige skallet varierer fra seks til ti nanomillimeter. Cellemembranen til en celle har en spesiell sammensetning, som er grunnlaget for et lipid-dobbeltlag. Hydrofobe haler, inerte for vann, er plassert på innsiden, mens hydrofile hoder, som samhandler med vann, vender utover. Hvert lipid er et fosfolipid, som er et resultat av samspillet mellom stoffer som glyserol og sfingosin. Lipidrammeverket er tett omgitt av proteiner, som er arrangert i et ikke-kontinuerlig lag. Noen av dem er nedsenket i lipidlaget, resten passerer gjennom det. Som et resultat dannes områder som er gjennomtrengelige for vann. Funksjonene som utføres av disse proteinene er forskjellige. Noen av dem er enzymer, resten er transportproteiner som overfører ulike stoffer fra det ytre miljø til cytoplasma og tilbake.

Cellemembranen er gjennomsyret og nært forbundet av integrerte proteiner, og forbindelsen med perifere er mindre sterk. Disse proteinene utfører en viktig funksjon, som er å opprettholde strukturen til membranen, motta og konvertere signaler fra miljøet, transportere stoffer og katalysere reaksjoner som oppstår på membraner.

Sammensatt

Grunnlaget for cellemembranen er et bimolekylært lag. Takket være sin kontinuitet har cellen barriere og mekaniske egenskaper. På forskjellige stadier av livet kan dette tolaget bli forstyrret. Som et resultat dannes strukturelle defekter av gjennomgående hydrofile porer. I dette tilfellet kan absolutt alle funksjoner til en slik komponent som cellemembranen endres. Kjernen kan lide av ytre påvirkninger.

Egenskaper

Cellemembranen til en celle har interessante egenskaper. På grunn av sin fluiditet er ikke denne membranen en stiv struktur, og hoveddelen av proteinene og lipidene som utgjør den, beveger seg fritt på membranens plan.

Generelt er cellemembranen asymmetrisk, så sammensetningen av protein- og lipidlagene er forskjellig. Plasmamembraner i dyreceller har på yttersiden et glykoproteinlag som utfører reseptor- og signalfunksjoner, og spiller også en stor rolle i prosessen med å kombinere celler til vev. Cellemembranen er polar, det vil si at ladningen på utsiden er positiv og ladningen på innsiden er negativ. I tillegg til alt det ovennevnte har cellemembranen selektiv innsikt.

Det betyr at det i tillegg til vann bare er en viss gruppe molekyler og ioner av oppløste stoffer som slippes inn i cellen. Konsentrasjonen av et stoff som natrium i de fleste celler er mye lavere enn i det ytre miljøet. Kaliumioner har et annet forhold: mengden deres i cellen er mye høyere enn i miljøet. I denne forbindelse har natriumioner en tendens til å trenge gjennom cellemembranen, og kaliumioner har en tendens til å bli frigjort utenfor. Under disse omstendighetene aktiverer membranen et spesielt system som spiller en "pumpende" rolle, utjevner konsentrasjonen av stoffer: natriumioner pumpes til overflaten av cellen, og kaliumioner pumpes inn. Denne funksjonen er en av de viktigste funksjonene til cellemembranen.

Denne tendensen til natrium- og kaliumioner til å bevege seg innover fra overflaten spiller en stor rolle i transporten av sukker og aminosyrer inn i cellen. I prosessen med aktivt å fjerne natriumioner fra cellen, skaper membranen forhold for nye inntak av glukose og aminosyrer inne. Tvert imot, i prosessen med å overføre kaliumioner til cellen, fylles antall "transportører" av forfallsprodukter fra innsiden av cellen til det ytre miljøet.

Hvordan skjer cellenæring gjennom cellemembranen?

Mange celler tar opp stoffer gjennom prosesser som fagocytose og pinocytose. I det første alternativet skaper en fleksibel ytre membran en liten fordypning der den fangede partikkelen havner. Diameteren på fordypningen blir da større inntil den innelukkede partikkelen kommer inn i cellecytoplasma. Gjennom fagocytose mates noen protozoer, som amøber, samt blodceller - leukocytter og fagocytter. På samme måte absorberer celler væske, som inneholder de nødvendige næringsstoffene. Dette fenomenet kalles pinocytose.

Den ytre membranen er nært forbundet med cellens endoplasmatiske retikulum.

Mange typer hovedvevskomponenter har fremspring, folder og mikrovilli på overflaten av membranen. Planteceller på utsiden av dette skallet er dekket med en annen, tykk og godt synlig under et mikroskop. Fiberen de er laget av hjelper til med å danne støtte for plantevev, for eksempel tre. Dyreceller har også en rekke ytre strukturer som sitter på toppen av cellemembranen. De er utelukkende beskyttende i naturen, et eksempel på dette er kitin inneholdt i integumentære celler til insekter.

I tillegg til cellemembranen er det en intracellulær membran. Dens funksjon er å dele cellen i flere spesialiserte lukkede rom - rom eller organeller, hvor et visst miljø må opprettholdes.

Dermed er det umulig å overvurdere rollen til en slik komponent av den grunnleggende enheten til en levende organisme som cellemembranen. Strukturen og funksjonene antyder en betydelig utvidelse av det totale overflatearealet til cellen og en forbedring i metabolske prosesser. Denne molekylære strukturen består av proteiner og lipider. Ved å skille cellen fra det ytre miljøet, sikrer membranen sin integritet. Med dens hjelp opprettholdes intercellulære forbindelser på et ganske sterkt nivå, og danner vev. I denne forbindelse kan vi konkludere med at cellemembranen spiller en av de viktigste rollene i cellen. Strukturen og funksjonene som utføres av den varierer radikalt i forskjellige celler, avhengig av deres formål. Gjennom disse funksjonene oppnås en rekke fysiologiske aktiviteter til cellemembraner og deres roller i eksistensen av celler og vev.