1 descriu structura și funcțiile organismelor membranare. Membrana celulară: definiție, funcții ale membranelor, proprietăți fizice. Etapele procesului de pinocitoză

Membrana celulară este o peliculă ultrasubțire pe suprafața unei celule sau a unui organel celular, constând dintr-un strat bimolecular de lipide cu proteine și polizaharide încorporate.

Functiile membranei:

· Bariera – asigura un metabolism reglat, selectiv, pasiv si activ cu mediul. De exemplu, membrana peroxizomală protejează citoplasma de peroxizii care sunt periculoși pentru celulă. Permeabilitatea selectivă înseamnă că permeabilitatea unei membrane la diferiți atomi sau molecule depinde de dimensiunea, sarcina electrică și proprietățile chimice ale acestora. Permeabilitatea selectivă asigură că celulele și compartimentele celulare sunt separate de mediu și aprovizionate cu substanțele necesare.
· Transportul - transportul substanțelor în și în afara celulei are loc prin membrană. Transportul prin membrane asigură: livrarea nutrienților, îndepărtarea produselor finite metabolice, secreția diferitelor substanțe, crearea gradienților de ioni, menținerea pH-ului optim și a concentrațiilor ionice în celulă, care sunt necesare pentru funcționarea enzimelor celulare. Particule care, din orice motiv, nu pot traversa stratul dublu fosfolipidic (de exemplu, din cauza proprietăților hidrofile, deoarece membrana din interior este hidrofobă și nu permite trecerea substanțelor hidrofile sau datorită dimensiunii lor mari), dar necesare celulei , poate pătrunde în membrană prin proteine transportoare speciale (transportatori) și proteine canale sau prin endocitoză. În transportul pasiv, substanțele traversează stratul dublu lipidic fără a consuma energie de-a lungul unui gradient de concentrație prin difuzie. O variantă a acestui mecanism este difuzia facilitată, în care o moleculă specifică ajută o substanță să treacă prin membrană. Această moleculă poate avea un canal care permite trecerea unui singur tip de substanță. Transportul activ necesită energie, deoarece are loc împotriva unui gradient de concentrație. Există proteine speciale de pompă pe membrană, inclusiv ATPaza, care pompează activ ionii de potasiu (K +) în celulă și pompează ionii de sodiu (Na +) din ea.
· matrice - asigură o anumită poziție relativă și orientare a proteinelor membranare, interacțiunea optimă a acestora.
· mecanic - asigură autonomia celulei, structurile ei intracelulare, precum și legătura cu alte celule (în țesuturi). Pereții celulari joacă un rol major în asigurarea funcției mecanice, iar la animale, substanța intercelulară.
· energie - în timpul fotosintezei în cloroplaste și a respirației celulare în mitocondrii, în membranele lor funcționează sisteme de transfer de energie, la care participă și proteinele;
· receptor - unele proteine situate în membrană sunt receptori (molecule cu ajutorul cărora celula percepe anumite semnale). De exemplu, hormonii care circulă în sânge acționează doar asupra celulelor țintă care au receptori corespunzători acestor hormoni. Neurotransmițătorii (substanțe chimice care asigură conducerea impulsurilor nervoase) se leagă și de proteinele receptorilor speciale din celulele țintă.
· enzimatice - proteinele membranare sunt adesea enzime. De exemplu, membranele plasmatice ale celulelor epiteliale intestinale conțin enzime digestive.
· implementarea generarii si conducerii biopotentialelor. Cu ajutorul membranei, în celulă se menține o concentrație constantă de ioni: concentrația ionului K + în interiorul celulei este mult mai mare decât în exterior, iar concentrația Na + este mult mai mică, ceea ce este foarte important, deoarece aceasta asigura mentinerea diferentei de potential pe membrana si generarea unui impuls nervos.
· marcarea celulelor – există antigene pe membrană care acționează ca markeri – „etichete” care permit identificarea celulei. Acestea sunt glicoproteine (adică proteine cu lanțuri laterale de oligozaharide ramificate atașate la acestea) care joacă rolul de „antene”. Datorită multitudinii de configurații ale lanțurilor laterale, este posibil să se facă un marker specific pentru fiecare tip de celulă. Cu ajutorul markerilor, celulele pot recunoaște alte celule și pot acționa împreună cu acestea, de exemplu, în formarea organelor și țesuturilor. Acest lucru permite, de asemenea, sistemului imunitar să recunoască antigenele străine.

Unele molecule proteice difuzează liber în planul stratului lipidic; în stare normală, părțile moleculelor de proteine care apar pe diferite părți ale membranei celulare nu își schimbă poziția.

Morfologia specială a membranelor celulare determină caracteristicile electrice ale acestora, dintre care cele mai importante sunt capacitatea și conductibilitatea.

Proprietățile capacitive sunt determinate în principal de stratul dublu fosfolipidic, care este impermeabil la ionii hidratați și, în același timp, suficient de subțire (aproximativ 5 nm) pentru a asigura separarea și stocarea eficientă a sarcinii și interacțiunea electrostatică a cationilor și anionilor. În plus, proprietățile capacitive ale membranelor celulare sunt unul dintre motivele care determină caracteristicile de timp ale proceselor electrice care au loc pe membranele celulare.

Conductibilitatea (g) este reciproca rezistenței electrice și este egală cu raportul dintre curentul transmembranar total pentru un ion dat și valoarea care a determinat diferența de potențial transmembranară a acestuia.

Diferite substanțe pot difuza prin stratul dublu fosfolipidic, iar gradul de permeabilitate (P), adică capacitatea membranei celulare de a trece aceste substanțe, depinde de diferența de concentrație a substanței care difuzează pe ambele părți ale membranei, de solubilitatea acesteia. în lipide și proprietățile membranei celulare. Viteza de difuzie a ionilor încărcați în condiții constante de câmp într-o membrană este determinată de mobilitatea ionilor, grosimea membranei și distribuția ionilor în membrană. Pentru nonelectroliți, permeabilitatea membranei nu afectează conductivitatea acesteia, deoarece neelectroliții nu poartă sarcini, adică nu pot transporta curent electric.

Conductivitatea unei membrane este o măsură a permeabilității sale ionice. O creștere a conductibilității indică o creștere a numărului de ioni care trec prin membrană.

O proprietate importantă a membranelor biologice este fluiditatea. Toate membranele celulare sunt structuri fluide mobile: majoritatea moleculelor lor constitutive de lipide și proteine sunt capabile să se miște destul de repede în planul membranei.

În 1972, a fost prezentată teoria că o membrană parțial permeabilă înconjoară celula și îndeplinește o serie de sarcini vitale, iar structura și funcția membranelor celulare sunt probleme semnificative în ceea ce privește buna funcționare a tuturor celulelor din organism. s-a răspândit în secolul al XVII-lea, odată cu inventarea microscopului. A devenit cunoscut faptul că țesuturile vegetale și animale constau din celule, dar din cauza rezoluției scăzute a dispozitivului, era imposibil să se vadă bariere în jurul celulei animale. În secolul al XX-lea, natura chimică a membranei a fost studiată mai detaliat și s-a constatat că se bazează pe lipide.

Structura și funcțiile membranelor celulare

Membrana celulară înconjoară citoplasma celulelor vii, separând fizic componentele intracelulare de mediul extern. Ciupercile, bacteriile și plantele au și pereți celulari care oferă protecție și împiedică trecerea moleculelor mari. Membranele celulare joacă, de asemenea, un rol în formarea citoscheletului și în atașarea altor particule vitale la matricea extracelulară. Acest lucru este necesar pentru a le ține împreună, formând țesuturile și organele corpului. Caracteristicile structurii membranei celulare includ permeabilitatea. Funcția principală este protecția. Membrana constă dintr-un strat fosfolipidic cu proteine încorporate. Această parte este implicată în procese precum aderența celulară, conductanța ionică și sistemele de semnalizare și servește ca suprafață de atașare pentru mai multe structuri extracelulare, inclusiv peretele, glicocalixul și citoscheletul intern. Membrana menține, de asemenea, potențialul celular, acționând ca un filtru selectiv. Este selectiv permeabil la ioni și molecule organice și controlează mișcarea particulelor.

Mecanisme biologice care implică membrana celulară

1. Difuzia pasivă: Unele substanțe (molecule mici, ioni), precum dioxidul de carbon (CO2) și oxigenul (O2), pot pătrunde în membrana plasmatică prin difuzie. Învelișul acționează ca o barieră pentru anumite molecule și ioni, acestea putându-se concentra pe ambele părți.

2. Canalul transmembranar și proteina transportoare: nutrienții precum glucoza sau aminoacizii trebuie să intre în celulă, iar unele produse metabolice trebuie să părăsească celula.

3. Endocitoza este procesul prin care moleculele sunt preluate. Se creează o ușoară deformare (invaginare) în membrana plasmatică în care este ingerată substanța de transportat. Aceasta necesită energie și este, prin urmare, o formă de transport activ.

4. Exocitoza: Apare in diferite celule pentru a elimina resturile nedigerate de substante aduse de endocitoza pentru a secreta substante precum hormoni si enzime si pentru a transporta substanta complet peste bariera celulara.

Structura moleculară

Membrana celulară este o membrană biologică formată în principal din fosfolipide și care separă conținutul întregii celule de mediul extern. Procesul de formare are loc spontan în condiții normale. Pentru a înțelege acest proces și a descrie corect structura și funcțiile membranelor celulare, precum și proprietățile, este necesar să se evalueze natura structurilor fosfolipide, care se caracterizează prin polarizare structurală. Când fosfolipidele din mediul apos al citoplasmei ating o concentrație critică, se combină în micelii, care sunt mai stabile în mediul apos.

Proprietățile membranei

Stabilitate. Aceasta înseamnă că, odată formată, dezintegrarea membranei este puțin probabilă.
Putere. Învelișul lipidic este suficient de fiabil pentru a preveni trecerea unei substanțe polare; atât substanțele dizolvate (ioni, glucoză, aminoacizi) cât și moleculele mult mai mari (proteine) nu pot trece prin limita formată.
Caracter dinamic. Aceasta este poate cea mai importantă proprietate atunci când luăm în considerare structura celulei. Membrana celulară poate suferi diverse deformări, se poate plia și îndoi fără a fi distrusă. În circumstanțe speciale, de exemplu, în timpul fuziunii veziculelor sau înmuguririi, aceasta poate fi perturbată, dar numai temporar. La temperatura camerei, componentele sale lipidice sunt într-o mișcare constantă, haotică, formând o limită stabilă de fluid.

Model mozaic lichid

Vorbind despre structura și funcțiile membranelor celulare, este important de menționat că, în conceptul modern, membrana ca model de mozaic lichid a fost considerată în 1972 de oamenii de știință Singer și Nicholson. Teoria lor reflectă trei caracteristici principale ale structurii membranei. Integrale promovează un model de mozaic pentru membrană și sunt capabile de mișcare laterală în plan datorită naturii variabile a organizării lipidelor. Proteinele transmembranare sunt, de asemenea, potențial mobile. O caracteristică importantă a structurii membranei este asimetria acesteia. Care este structura unei celule? Membrană celulară, nucleu, proteine și așa mai departe. Celula este unitatea de bază a vieții, iar toate organismele sunt compuse din una sau mai multe celule, fiecare având o barieră naturală care o separă de mediul său. Această limită exterioară a celulei se mai numește și membrană plasmatică. Este alcătuit din patru tipuri diferite de molecule: fosfolipide, colesterol, proteine și carbohidrați. Modelul mozaic fluid descrie structura membranei celulare astfel: flexibilă și elastică, cu o consistență similară uleiului vegetal, astfel încât toate moleculele individuale plutesc pur și simplu într-un mediu lichid și toate sunt capabile să se miște lateral în interiorul acestei membrane. Un mozaic este ceva care conține multe piese diferite. În membrana plasmatică este reprezentată de fosfolipide, molecule de colesterol, proteine și carbohidrați.

Fosfolipide

Fosfolipidele constituie structura principală a membranei celulare. Aceste molecule au două capete diferite: un cap și o coadă. Capătul conține o grupare fosfat și este hidrofil. Aceasta înseamnă că este atras de moleculele de apă. Coada este formată din atomi de hidrogen și carbon numiți lanțuri de acizi grași. Aceste lanțuri sunt hidrofobe; nu le place să se amestece cu moleculele de apă. Acest proces este similar cu ceea ce se întâmplă atunci când turnați ulei vegetal în apă, adică nu se dizolvă în el. Caracteristicile structurale ale membranei celulare sunt asociate cu așa-numitul strat dublu lipidic, care constă din fosfolipide. Capetele de fosfat hidrofil sunt întotdeauna situate acolo unde există apă sub formă de lichid intracelular și extracelular. Cozile hidrofobe ale fosfolipidelor din membrană sunt organizate astfel încât să le țină departe de apă.

Colesterol, proteine și carbohidrați

Când oamenii aud cuvântul colesterol, de obicei cred că este rău. Cu toate acestea, colesterolul este de fapt o componentă foarte importantă a membranelor celulare. Moleculele sale constau din patru inele de hidrogen și atomi de carbon. Sunt hidrofobe și apar printre cozile hidrofobe din stratul dublu lipidic. Importanta lor consta in mentinerea consistentei, intaresc membranele, impiedicand incrucisarea. Moleculele de colesterol împiedică, de asemenea, cozile fosfolipidelor să intre în contact și să se întărească. Acest lucru asigură fluiditate și flexibilitate. Proteinele membranei funcționează ca enzime pentru a accelera reacțiile chimice, acționează ca receptori pentru molecule specifice sau transportă substanțe prin membrana celulară.

Carbohidrații sau zaharidele se găsesc numai pe partea extracelulară a membranei celulare. Împreună formează glicocalixul. Oferă amortizare și protecție membranei plasmatice. Pe baza structurii și tipului de carbohidrați din glicocalix, organismul poate recunoaște celulele și poate determina dacă acestea ar trebui să fie acolo sau nu.

Proteinele membranare

Structura unei membrane celulare nu poate fi imaginată fără o componentă atât de importantă precum proteina. În ciuda acestui fapt, ele pot avea dimensiuni semnificativ mai mici decât o altă componentă importantă - lipidele. Există trei tipuri de proteine membranare majore.

Integral. Acopera complet stratul dublu, citoplasma și mediul extracelular. Îndeplinesc funcții de transport și semnalizare.
Periferic. Proteinele sunt atașate de membrană prin legături electrostatice sau de hidrogen la suprafețele lor citoplasmatice sau extracelulare. Ele sunt implicate în principal ca mijloc de atașare pentru proteinele integrale.
Transmembrană. Ei îndeplinesc funcții enzimatice și de semnalizare și, de asemenea, modulează structura de bază a stratului dublu lipidic al membranei.

Funcțiile membranelor biologice

Efectul hidrofob, care reglează comportamentul hidrocarburilor în apă, controlează structurile formate din lipidele membranei și proteinele membranei. Multe proprietăți ale membranei sunt conferite de straturile duble lipidice purtătoare, care formează structura de bază pentru toate membranele biologice. Proteinele membranare integrale sunt parțial ascunse în stratul dublu lipidic. Proteinele transmembranare au o organizare specializată a aminoacizilor în secvența lor primară.

Proteinele membranei periferice sunt foarte asemănătoare cu proteinele solubile, dar sunt, de asemenea, legate de membrană. Membranele celulare specializate au funcții celulare specializate. Cum afectează structura și funcțiile membranelor celulare corpul? Funcționalitatea întregului organism depinde de modul în care sunt structurate membranele biologice. Din organele intracelulare, interacțiunile extracelulare și intercelulare ale membranelor, se creează structuri necesare organizării și îndeplinirii funcțiilor biologice. Multe caracteristici structurale și funcționale sunt comune bacteriilor și virușilor înveliți. Toate membranele biologice sunt construite pe un strat dublu lipidic, ceea ce are ca rezultat o serie de caracteristici comune. Proteinele membranare au multe funcții specifice.

Controlul. Membranele plasmatice ale celulelor determină granițele interacțiunii dintre celulă și mediu.
Transport. Membranele intracelulare ale celulelor sunt împărțite în mai multe unități funcționale cu compoziții interne diferite, fiecare dintre acestea fiind susținută de funcția de transport necesară în combinație cu controlul permeabilității.
Transducția semnalului. Fuziunea membranei oferă un mecanism de semnalizare veziculară intracelulară și împiedică diferitele tipuri de viruși să intre liber în celulă.

Semnificație și concluzii

Structura membranei celulare exterioare afectează întregul corp. Joacă un rol important în protejarea integrității, permițând doar substanțelor selectate să pătrundă. Este, de asemenea, o bază bună pentru atașarea citoscheletului și a peretelui celular, ceea ce ajută la menținerea formei celulei. Lipidele reprezintă aproximativ 50% din masa membranei majorității celulelor, deși acest lucru variază în funcție de tipul de membrană. Structura membranei celulare exterioare a mamiferelor este mai complexă, conținând patru fosfolipide principale. O proprietate importantă a straturilor duble lipidice este că se comportă ca lichide bidimensionale în care moleculele individuale se pot roti liber și se pot mișca lateral. O astfel de fluiditate este o proprietate importantă a membranelor, care este determinată în funcție de temperatură și compoziția lipidelor. Datorită structurii sale inelare de hidrocarburi, colesterolul joacă un rol în determinarea fluidității membranei. membranele biologice pentru molecule mici permit celulei să-și controleze și să-și mențină structura internă.

Având în vedere structura celulei (membrană celulară, nucleu și așa mai departe), putem concluziona că organismul este un sistem de autoreglare care, fără ajutor din exterior, nu se poate dăuna singur și va căuta întotdeauna modalități de a restaura, proteja și corect. funcţionează fiecare celulă.

Celulă- o unitate structurala si functionala autoreglabila a tesuturilor si organelor. Teoria celulară a structurii organelor și țesuturilor a fost dezvoltată de Schleiden și Schwann în 1839. Ulterior, cu ajutorul microscopiei electronice și ultracentrifugării, a fost posibilă clarificarea structurii tuturor organelor principale ale celulelor animale și vegetale (Fig. 1).

Orez. 1. Schema structurii unei celule animale

Principalele părți ale unei celule sunt citoplasma și nucleul. Fiecare celulă este înconjurată de o membrană foarte subțire care îi limitează conținutul.

Se numește membrana celulară membrană plasmaticăși se caracterizează prin permeabilitate selectivă. Această proprietate permite nutrienților și elementelor chimice necesare să pătrundă în celulă, iar produsele în exces să o părăsească. Membrana plasmatică este formată din două straturi de molecule de lipide care conțin proteine specifice. Principalele lipide membranare sunt fosfolipidele. Conțin fosfor, un cap polar și două cozi nepolare de acizi grași cu lanț lung. Lipidele de membrană includ colesterolul și esterii de colesteril. În conformitate cu modelul de structură mozaic lichid, membranele conțin incluziuni de molecule de proteine și lipide care se pot amesteca în raport cu stratul dublu. Fiecare tip de membrană a oricărei celule animale are propria sa compoziție lipidică relativ constantă.

Proteinele membranare sunt împărțite în două tipuri în funcție de structura lor: integrale și periferice. Proteinele periferice pot fi îndepărtate din membrană fără a o distruge. Există patru tipuri de proteine membranare: proteine de transport, enzime, receptori și proteine structurale. Unele proteine membranare au activitate enzimatica, altele leaga anumite substante si faciliteaza transportul lor in celula. Proteinele oferă mai multe căi de mișcare a substanțelor de-a lungul membranelor: formează pori mari formați din mai multe subunități proteice care permit moleculelor de apă și ionilor să se deplaseze între celule; formează canale ionice specializate pentru mișcarea anumitor tipuri de ioni prin membrană în anumite condiții. Proteinele structurale sunt asociate cu stratul lipidic interior și asigură citoscheletul celulei. Citoscheletul oferă rezistență mecanică membranei celulare. În diferite membrane, proteinele reprezintă între 20 și 80% din masă. Proteinele membranei se pot mișca liber în plan lateral.

Membrana conține, de asemenea, carbohidrați care pot fi legați covalent de lipide sau proteine. Există trei tipuri de carbohidrați de membrană: glicolipide (gangliozide), glicoproteine și proteoglicani. Majoritatea lipidelor membranare sunt în stare lichidă și au o anumită fluiditate, adică. capacitatea de a trece dintr-o zonă în alta. Pe partea exterioară a membranei există locuri receptori care leagă diferiți hormoni. Alte zone specifice ale membranei nu pot recunoaște și lega anumite proteine și diferiți compuși biologic activi care sunt străini acestor celule.

Spațiul intern al celulei este umplut cu citoplasmă, în care au loc majoritatea reacțiilor catalizate de enzime ale metabolismului celular. Citoplasma este formata din doua straturi: cel intern, numit endoplasma, si cel periferic, ectoplasma, care are o vascozitate mare si este lipsita de granule. Citoplasma conține toate componentele unei celule sau organele. Cele mai importante dintre organele celulare sunt reticulul endoplasmatic, ribozomii, mitocondriile, aparatul Golgi, lizozomii, microfilamentele și microtubulii, peroxizomii.

Reticulul endoplasmatic este un sistem de canale și cavități interconectate care pătrund în întreaga citoplasmă. Asigură transportul substanțelor din mediu și din interiorul celulelor. Reticulul endoplasmatic servește, de asemenea, ca depozit pentru ionii intracelulari de Ca 2+ și servește ca loc principal al sintezei lipidelor în celulă.

ribozomi - particule sferice microscopice cu diametrul de 10-25 nm. Ribozomii sunt localizați liber în citoplasmă sau atașați de suprafața exterioară a membranelor reticulului endoplasmatic și membranei nucleare. Ele interacționează cu mesagerul și ARN-ul de transport, iar sinteza proteinelor are loc în ele. Ele sintetizează proteine care intră în cisterne sau în aparatul Golgi și sunt apoi eliberate în exterior. Ribozomii, localizați liber în citoplasmă, sintetizează proteine pentru a fi utilizate de celula însăși, iar ribozomii asociați cu reticulul endoplasmatic produc proteine care sunt excretate din celulă. Ribozomii sintetizează diverse proteine funcționale: proteine purtătoare, enzime, receptori, proteine citoscheletice.

aparate Golgi format dintr-un sistem de tubuli, cisterne și vezicule. Este asociat cu reticulul endoplasmatic, iar substanțele biologic active care intră aici sunt depozitate sub formă compactă în vezicule secretoare. Acestea din urmă sunt separate în mod constant de aparatul Golgi, transportate în membrana celulară și se contopesc cu aceasta, iar substanțele conținute în vezicule sunt îndepărtate din celulă prin procesul de exocitoză.

lizozomi - particule înconjurate de membrană care măsoară 0,25-0,8 microni. Conțin numeroase enzime implicate în descompunerea proteinelor, polizaharidelor, grăsimilor, acizilor nucleici, bacteriilor și celulelor.

Peroxizomii format din reticul endoplasmatic neted, seamănă cu lizozomii și conțin enzime care catalizează descompunerea peroxidului de hidrogen, care este descompus sub influența peroxidazelor și catalazei.

Mitocondriile conțin membrane exterioare și interioare și reprezintă „stația energetică” a celulei. Mitocondriile sunt structuri rotunde sau alungite cu o membrană dublă. Membrana interioară formează pliuri proeminente în mitocondrii - cristae. În ele are loc sinteza ATP, oxidarea substraturilor ciclului Krebs și apar multe reacții biochimice. Moleculele de ATP produse în mitocondrii difuzează în toate părțile celulei. Mitocondriile conțin o cantitate mică de ADN, ARN și ribozomi și, cu participarea lor, are loc reînnoirea și sinteza de noi mitocondrii.

Microfilamente Sunt filamente subțiri de proteine formate din miozină și actină și formează aparatul contractil al celulei. Microfilamentele sunt implicate în formarea pliurilor sau proeminențelor membranei celulare, precum și în mișcarea diferitelor structuri în interiorul celulelor.

Microtubuli formează baza citoscheletului și asigură rezistența acestuia. Citoscheletul conferă celulelor aspectul și forma lor caracteristică și servește ca loc pentru atașarea organitelor intracelulare și a diferitelor corpuri. În celulele nervoase, fasciculele de microtubuli sunt implicate în transportul de substanțe din corpul celular la capetele axonilor. Cu participarea lor, fusul mitotic funcționează în timpul diviziunii celulare. Ele joacă rolul de elemente motorii în vilozități și flageli la eucariote.

Miez este structura principală a celulei, participă la transmiterea caracteristicilor ereditare și la sinteza proteinelor. Nucleul este înconjurat de o membrană nucleară care conține mulți pori nucleari prin care sunt schimbate diferite substanțe între nucleu și citoplasmă. Există un nucleol în interiorul ei. S-a stabilit rolul important al nucleolului în sinteza ARN-ului ribozomal și a proteinelor histonice. Părțile rămase ale nucleului conțin cromatina, constând din ADN, ARN și o serie de proteine specifice.

Funcțiile membranei celulare

Membranele celulare joacă un rol crucial în reglarea metabolismului intracelular și intercelular. Au permeabilitate selectivă. Structura lor specifică le permite să ofere funcții de barieră, de transport și de reglementare.

Funcția de barieră se manifestă prin limitarea pătrunderii compuşilor dizolvaţi în apă prin membrană. Membrana este impermeabilă la molecule mari de proteine și anioni organici.

Funcția de reglementare membranelor este de a regla metabolismul intracelular ca răspuns la influențele chimice, biologice și mecanice. Diverse influențe sunt percepute de receptorii membranari speciali, cu o modificare ulterioară a activității enzimatice.

Funcția de transport prin membrane biologice se poate realiza pasiv (difuzie, filtrare, osmoza) sau folosind transport activ.

Difuzie - mișcarea unui gaz sau a unei substanțe solubile de-a lungul unui gradient de concentrație și electrochimic. Viteza de difuzie depinde de permeabilitatea membranei celulare, precum și de gradientul de concentrație pentru particulele neîncărcate și de gradienții electrici și de concentrație pentru particulele încărcate. Difuziune simplă are loc prin bistratul lipidic sau prin canale. Particulele încărcate se mișcă conform unui gradient electrochimic, iar particulele neîncărcate se mișcă conform unui gradient chimic. De exemplu, oxigenul, hormonii steroizi, ureea, alcoolul etc. patrund prin stratul lipidic al membranei prin simpla difuzie. Diferiți ioni și particule se deplasează prin canale. Canalele ionice sunt formate din proteine și sunt împărțite în canale închise și negated. În funcție de selectivitate, se face distincția între cablurile ion-selective, care permit trecerea unui singur ion și canalele care nu au selectivitate. Canalele au un orificiu și un filtru selectiv, iar canalele controlate au un mecanism de poartă.

Difuzare facilitată - un proces în care substanțele sunt transportate printr-o membrană folosind proteine speciale de transport membranar. În acest fel, aminoacizii și monozaharidele pătrund în celulă. Acest tip de transport are loc foarte repede.

osmoza - mișcarea apei prin membrană de la o soluție cu o presiune mai mică la o soluție cu o presiune osmotică mai mare.

Transport activ - transportul substanțelor față de un gradient de concentrație folosind ATPazele de transport (pompe ionice). Acest transfer are loc cu cheltuirea energiei.

Pompele Na + /K + -, Ca 2+ - și H + - au fost studiate într-o măsură mai mare. Pompele sunt amplasate pe membranele celulare.

Un tip de transport activ este endocitozaȘi exocitoză. Folosind aceste mecanisme sunt transportate substanțe mai mari (proteine, polizaharide, acizi nucleici) care nu pot fi transportate prin canale. Acest transport este mai frecvent în celulele epiteliale intestinale, tubii renali și endoteliul vascular.

LaÎn endocitoză, membranele celulare formează invaginări în celulă, care, atunci când sunt eliberate, se transformă în vezicule. În timpul exocitozei, veziculele cu conținutul lor sunt transferate în membrana celulară și se îmbină cu aceasta, iar conținutul veziculelor este eliberat în mediul extracelular.

Structura și funcțiile membranei celulare

Pentru a înțelege procesele care asigură existența potențialelor electrice în celulele vii, trebuie mai întâi să înțelegeți structura membranei celulare și proprietățile acesteia.

În prezent, cel mai larg acceptat este modelul mozaic lichid al membranei, propus de S. Singer și G. Nicholson în 1972. Membrana are la bază un strat dublu de fosfolipide (bistrat), fragmentele hidrofobe ale moleculei cărora sunt scufundate în grosimea membranei, iar grupările hidrofile polare sunt orientate spre exterior, cele. în mediul acvatic înconjurător (Fig. 2).

Proteinele membranei sunt localizate pe suprafața membranei sau pot fi încorporate la adâncimi diferite în zona hidrofobă. Unele proteine se întind pe membrana, iar pe ambele părți ale membranei celulare se găsesc grupuri hidrofile diferite ale aceleiași proteine. Proteinele găsite în membrana plasmatică joacă un rol foarte important: participă la formarea canalelor ionice, joacă rolul pompelor membranare și transportatoare de diferite substanțe și pot îndeplini, de asemenea, o funcție de receptor.

Principalele funcții ale membranei celulare: barieră, transport, reglare, catalitică.

Funcția de barieră este de a limita difuzia compușilor solubili în apă prin membrană, ceea ce este necesar pentru a proteja celulele de substanțele străine, toxice și pentru a menține un conținut relativ constant de diferite substanțe în interiorul celulelor. Astfel, membrana celulară poate încetini difuzia diferitelor substanțe de 100.000-10.000.000 de ori.

Orez. 2. Diagrama tridimensională a modelului lichid-mozaic al membranei Singer-Nicholson

Sunt reprezentate proteine integrale globulare încorporate într-un strat dublu lipidic. Unele proteine sunt canale ionice, altele (glicoproteine) conțin lanțuri laterale de oligozaharide care sunt implicate în recunoașterea celulelor între ele și în țesutul intercelular. Moleculele de colesterol sunt aproape adiacente capetelor fosfolipidelor și fixează secțiunile adiacente ale „cozilor”. Secțiunile interne ale cozilor moleculei de fosfolipide nu sunt limitate în mișcarea lor și sunt responsabile pentru fluiditatea membranei (Bretscher, 1985)

Membrana conține canale prin care ionii pătrund. Canalele pot fi dependente de tensiune sau independente de potențial. Canale dependente de tensiune deschis când diferența de potențial se modifică și potenţial independent(reglate hormonal) se deschid atunci când receptorii interacționează cu substanțele. Canalele pot fi deschise sau închise datorită porților. Două tipuri de porți sunt încorporate în membrană: activare(adânc în canal) și inactivare(pe suprafața canalului). Poarta poate fi în una dintre cele trei stări:

stare deschisă (ambele tipuri de porți sunt deschise);
stare închisă (poarta de activare închisă);
stare de inactivare (poarta de inactivare închisă).

O altă trăsătură caracteristică a membranelor este capacitatea de a transporta selectiv ionii anorganici, nutrienți și diferite produse metabolice. Există sisteme de transfer (transport) pasiv și activ al substanțelor. Pasiv transportul are loc prin canale ionice cu sau fără ajutorul proteinelor purtătoare, iar forța sa motrice este diferența de potențial electrochimic al ionilor dintre spațiul intra- și extracelular. Selectivitatea canalelor ionice este determinată de parametrii săi geometrici și de natura chimică a grupurilor care căptușesc pereții canalului și gura acestuia.

În prezent, cele mai bine studiate canale sunt cele care sunt selectiv permeabile la ionii Na + , K + , Ca 2+ și, de asemenea, la apă (așa-numitele acvaporine). Diametrul canalelor ionice, conform diverselor studii, este de 0,5-0,7 nm. Capacitatea canalului poate varia; printr-un canal ionic pot trece 107 - 108 ioni pe secundă.

Activ transportul are loc cu cheltuirea energiei și este realizat de așa-numitele pompe ionice. Pompele de ioni sunt structuri de proteine moleculare încorporate într-o membrană care transportă ionii către un potențial electrochimic mai mare.

Pompele funcționează folosind energia hidrolizei ATP. In prezent, Na+/K+ - ATPaza, Ca 2+ - ATPaza, H + - ATPaza, H + /K + - ATPaza, Mg 2+ - ATPaza, care asigura miscarea ionilor de Na +, K +, respectiv Ca 2+ , au fost bine studiate, H+, Mg2+ izolate sau conjugate (Na+ și K+; H+ și K+). Mecanismul molecular al transportului activ nu este pe deplin înțeles.

Pentru a înțelege procesele care asigură existența potențialelor electrice în celulele vii, trebuie mai întâi să înțelegeți structura membranei celulare și proprietățile acesteia.

Principalele funcții ale membranei celulare: barieră, transport, reglare, catalitică.

Orez. 2.9.

Membrana conține canale prin care ionii pătrund. Canalele pot fi dependente de tensiune sau independente de potențial. Canale dependente de tensiune deschis când diferența de potențial se modifică și potenţial independent(reglate hormonal) se deschid atunci când receptorii interacționează cu substanțele. Canalele pot fi deschise sau închise datorită porților. Două tipuri de porți sunt încorporate în membrană: activare(adânc în canal) și inactivare(pe suprafața canalului). Poarta poate fi în una dintre cele trei stări:

stare deschisă (ambele tipuri de porți sunt deschise);
stare închisă (poarta de activare închisă);
stare de inactivare (poarta de inactivare închisă). O altă trăsătură caracteristică a membranelor este capacitatea de a transporta selectiv ionii anorganici, nutrienți și diferite produse metabolice. Există sisteme de transfer (transport) pasiv și activ al substanțelor. Pasiv transportul are loc prin canale ionice cu sau fără ajutorul proteinelor purtătoare, iar forța sa motrice este diferența de potențial electrochimic al ionilor dintre spațiul intra- și extracelular. Selectivitatea canalelor ionice este determinată de parametrii săi geometrici și de natura chimică a grupurilor care căptușesc pereții canalului și gura acestuia.

În prezent, cele mai bine studiate canale sunt cele care sunt selectiv permeabile la ionii Na + , K + , Ca 2+, precum și la apă (așa-numitele acvaporine). Diametrul canalelor ionice, conform diverselor studii, este de 0,5-0,7 nm. Capacitatea canalului poate varia; printr-un canal ionic pot trece 107 - 108 ioni pe secundă.

Activ transportul are loc cu cheltuirea energiei și este realizat de așa-numitele pompe ionice. Pompele de ioni sunt structuri de proteine moleculare încorporate în membrană și transportă ionii către un potențial electrochimic mai mare.

Pompele funcționează folosind energia hidrolizei ATP. În prezent, Na + /K + - ATPaza, Ca 2+ - ATPaza, H + - ATPaza, H + /K + - ATPaza, Mg 2+ - ATPaza, care asigură mișcarea ionilor de Na + , K + , respectiv Ca , au fost bine studiate 2+, H +, Mg 2+ izolate sau conjugate (Na + și K +; H + și K +). Mecanismul molecular al transportului activ nu este pe deplin înțeles.

Membrana celulara - structura moleculara formata din lipide si proteine. Principalele sale proprietăți și funcții:

separarea conținutului oricărei celule de mediul extern, asigurând integritatea acesteia;
controlul și stabilirea schimburilor între mediu și celulă;
membranele intracelulare împart celula în compartimente speciale: organele sau compartimente.

Cuvântul „membrană” în latină înseamnă „film”. Dacă vorbim despre membrana celulară, atunci este o combinație de două filme care au proprietăți diferite.

Membrana biologică include trei tipuri de proteine:

Periferic – situat pe suprafața filmului;
Integral – pătrunde complet în membrană;
Semi-integral - un capăt pătrunde în stratul bilipid.

Ce funcții îndeplinește membrana celulară?

1. Peretele celular este o membrană celulară durabilă care se află în afara membranei citoplasmatice. Îndeplinește funcții de protecție, transport și structurale. Prezent în multe plante, bacterii, ciuperci și arhee.

2. Asigură o funcție de barieră, adică metabolismul selectiv, reglat, activ și pasiv cu mediul extern.

3. Capabil să transmită și să stocheze informații și, de asemenea, participă la procesul de reproducere.

4. Îndeplinește o funcție de transport care poate transporta substanțe în și din celulă prin membrană.

5. Membrana celulară are conductivitate unidirecțională. Datorită acestui fapt, moleculele de apă pot trece prin membrana celulară fără întârziere, iar moleculele altor substanțe pătrund selectiv.

6. Cu ajutorul membranei celulare se obține apă, oxigen și substanțe nutritive, iar prin aceasta se îndepărtează produsele metabolismului celular.

7. Realizeaza metabolismul celular prin membrane, si le poate realiza folosind 3 tipuri principale de reactii: pinocitoza, fagocitoza, exocitoza.

8. Membrana asigură specificitatea contactelor intercelulare.

9. Membrana conține numeroși receptori capabili să perceapă semnale chimice – mediatori, hormoni și multe alte substanțe biologice active. Deci are puterea de a modifica activitatea metabolică a celulei.

10. Proprietățile și funcțiile de bază ale membranei celulare:

Matrice
Barieră
Transport
Energie
Mecanic
Enzimatic
Receptor
De protecţie
Marcare
Biopotenţial

Ce funcție îndeplinește membrana plasmatică într-o celulă?

Delimitează conținutul celulei;
Realizează intrarea substanțelor în celulă;
Oferă eliminarea unui număr de substanțe din celulă.

Structura membranei celulare

Membrane celulare includ lipide din 3 clase:

Glicolipide;
fosfolipide;
Colesterolul.

Practic, membrana celulară este formată din proteine și lipide și are o grosime de cel mult 11 nm. De la 40 la 90% din toate lipidele sunt fosfolipide. De asemenea, este important de remarcat glicolipidele, care sunt una dintre componentele principale ale membranei.

Structura membranei celulare este în trei straturi. În centru există un strat bilipid lichid omogen, iar proteinele îl acoperă pe ambele părți (ca un mozaic), pătrunzând parțial în grosime. Proteinele sunt, de asemenea, necesare pentru ca membrana să permită să intre și să iasă din celule substanțe speciale care nu pot pătrunde în stratul de grăsime. De exemplu, ionii de sodiu și potasiu.