Το 1972, διατυπώθηκε μια θεωρία σύμφωνα με την οποία μια μερικώς διαπερατή μεμβράνη περιβάλλει το κύτταρο και εκτελεί μια σειρά από ζωτικές εργασίες, και η δομή και η λειτουργία των κυτταρικών μεμβρανών είναι σημαντικά ερωτήματα σχετικά με την καλή λειτουργία όλων των κυττάρων στο σώμα. διαδόθηκε ευρέως τον 17ο αιώνα, μαζί με την εφεύρεση του μικροσκοπίου. Έγινε γνωστό ότι οι φυτικοί και ζωικοί ιστοί αποτελούνται από κύτταρα, αλλά λόγω της χαμηλής ανάλυσης της συσκευής, ήταν αδύνατο να δούμε κανένα εμπόδιο γύρω από το ζωικό κύτταρο. Τον 20ο αιώνα, η χημική φύση της μεμβράνης ερευνήθηκε λεπτομερέστερα, διαπιστώθηκε ότι βασίζεται σε λιπίδια.
Η δομή και η λειτουργία των κυτταρικών μεμβρανών
Η κυτταρική μεμβράνη περιβάλλει το κυτταρόπλασμα των ζωντανών κυττάρων, διαχωρίζοντας φυσικά τα ενδοκυτταρικά συστατικά από το εξωτερικό περιβάλλον. Οι μύκητες, τα βακτήρια και τα φυτά έχουν επίσης κυτταρικά τοιχώματα που παρέχουν προστασία και εμποδίζουν τη διέλευση μεγάλων μορίων. Οι κυτταρικές μεμβράνες παίζουν επίσης ρόλο στο σχηματισμό του κυτταροσκελετού και στη σύνδεση άλλων ζωτικών σωματιδίων στην εξωκυτταρική μήτρα. Αυτό είναι απαραίτητο για να συγκρατηθούν μαζί, σχηματίζοντας τους ιστούς και τα όργανα του σώματος. Τα δομικά χαρακτηριστικά της κυτταρικής μεμβράνης περιλαμβάνουν τη διαπερατότητα. Η κύρια λειτουργία είναι η προστασία. Η μεμβράνη αποτελείται από ένα στρώμα φωσφολιπιδίου με ενσωματωμένες πρωτεΐνες. Αυτό το τμήμα εμπλέκεται σε διαδικασίες όπως η κυτταρική προσκόλληση, η ιοντική αγωγιμότητα και τα συστήματα σηματοδότησης και χρησιμεύει ως επιφάνεια προσάρτησης για πολλές εξωκυτταρικές δομές, συμπεριλαμβανομένου του τοιχώματος, του γλυκοκάλυκα και του εσωτερικού κυτταροσκελετού. Η μεμβράνη διατηρεί επίσης το δυναμικό του κυττάρου ενεργώντας ως επιλεκτικό φίλτρο. Είναι επιλεκτικά διαπερατό από ιόντα και οργανικά μόρια και ελέγχει την κίνηση των σωματιδίων.
Βιολογικοί μηχανισμοί που αφορούν την κυτταρική μεμβράνη
1. Παθητική διάχυση: ορισμένες ουσίες (μικρά μόρια, ιόντα), όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και το οξυγόνο (O2), μπορούν να διαχέονται μέσω της πλασματικής μεμβράνης. Το κέλυφος λειτουργεί ως φράγμα σε ορισμένα μόρια και ιόντα που μπορούν να συγκεντρωθούν και στις δύο πλευρές.
2. Διαμεμβρανική πρωτεΐνη καναλιών και μεταφορέων: θρεπτικά συστατικά, όπως γλυκόζη ή αμινοξέα, πρέπει να εισέλθουν στο κύτταρο και ορισμένα μεταβολικά προϊόντα πρέπει να το φύγουν.
3. Η ενδοκυττάρωση είναι μια διαδικασία με την οποία τα μόρια απορροφώνται. Δημιουργείται μια ελαφρά παραμόρφωση (εγκολεασμός) στην πλασματική μεμβράνη στην οποία καταπίνεται η προς μεταφορά ουσία. Απαιτεί ενέργεια και είναι επομένως μια μορφή ενεργού μεταφοράς.
4. Εξωκυττάρωση: εμφανίζεται σε διάφορα κύτταρα για την απομάκρυνση των άπεπτων υπολειμμάτων που προέρχονται από την ενδοκυττάρωση, για την έκκριση ουσιών όπως ορμόνες και ένζυμα και για τη μεταφορά της ουσίας εντελώς μέσω του κυτταρικού φραγμού.
Μοριακή δομή
Η κυτταρική μεμβράνη είναι μια βιολογική μεμβράνη, που αποτελείται κυρίως από φωσφολιπίδια και διαχωρίζει το περιεχόμενο ολόκληρου του κυττάρου από το εξωτερικό περιβάλλον. Η διαδικασία σχηματισμού συμβαίνει αυθόρμητα υπό κανονικές συνθήκες. Για να κατανοήσουμε αυτή τη διαδικασία και να περιγράψουμε σωστά τη δομή και τη λειτουργία των κυτταρικών μεμβρανών, καθώς και τις ιδιότητες, είναι απαραίτητο να αξιολογήσουμε τη φύση των φωσφολιπιδικών δομών, οι οποίες χαρακτηρίζονται από δομική πόλωση. Όταν τα φωσφολιπίδια στο υδάτινο περιβάλλον του κυτταροπλάσματος φτάσουν σε μια κρίσιμη συγκέντρωση, συνδυάζονται σε μικκύλια, τα οποία είναι πιο σταθερά στο υδάτινο περιβάλλον.
Ιδιότητες μεμβράνης
- Σταθερότητα. Αυτό σημαίνει ότι μόλις σχηματιστεί, η αποικοδόμηση της μεμβράνης είναι απίθανη.
- Δύναμη. Η λιπιδική μεμβράνη είναι αρκετά αξιόπιστη ώστε να εμποδίζει τη διέλευση της πολικής ουσίας· τόσο οι διαλυμένες ουσίες (ιόντα, γλυκόζη, αμινοξέα) όσο και πολύ μεγαλύτερα μόρια (πρωτεΐνες) δεν μπορούν να περάσουν από το σχηματιζόμενο όριο.
- Δυναμικός χαρακτήρας. Αυτή είναι ίσως η πιο σημαντική ιδιότητα όταν εξετάζουμε τη δομή του κυττάρου. Η κυτταρική μεμβράνη μπορεί να υποστεί διάφορες παραμορφώσεις, μπορεί να διπλώσει και να λυγίσει χωρίς να καταρρεύσει. Κάτω από ειδικές συνθήκες, για παράδειγμα, με σύντηξη ή εκβλάστηση κυστιδίων, μπορεί να διαταραχθεί, αλλά μόνο προσωρινά. Σε θερμοκρασία δωματίου, τα λιπιδικά συστατικά του βρίσκονται σε συνεχή, χαοτική κίνηση, σχηματίζοντας ένα σταθερό όριο υγρού.
Υγρό Μωσαϊκό Μοντέλο
Μιλώντας για τη δομή και τη λειτουργία των κυτταρικών μεμβρανών, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι στη σύγχρονη άποψη, η μεμβράνη ως μοντέλο υγρού μωσαϊκού θεωρήθηκε το 1972 από τους επιστήμονες Singer και Nicholson. Η θεωρία τους αντανακλά τρία κύρια χαρακτηριστικά της δομής της μεμβράνης. Το Integral προωθεί ένα μωσαϊκό σχέδιο για τη μεμβράνη και είναι ικανά για πλευρική κίνηση στο επίπεδο λόγω της μεταβλητής φύσης της λιπιδικής οργάνωσης. Οι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες είναι επίσης δυνητικά κινητές. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της δομής της μεμβράνης είναι η ασυμμετρία της. Ποια είναι η δομή ενός κυττάρου; Κυτταρική μεμβράνη, πυρήνας, πρωτεΐνες και ούτω καθεξής. Το κύτταρο είναι η βασική μονάδα της ζωής και όλοι οι οργανισμοί αποτελούνται από ένα ή πολλά κύτταρα, καθένα από τα οποία έχει ένα φυσικό φράγμα που το χωρίζει από το περιβάλλον. Αυτό το εξωτερικό κυτταρικό όριο ονομάζεται επίσης πλασματική μεμβράνη. Αποτελείται από τέσσερις διαφορετικούς τύπους μορίων: φωσφολιπίδια, χοληστερόλη, πρωτεΐνες και υδατάνθρακες. Το μοντέλο υγρού μωσαϊκού περιγράφει τη δομή της κυτταρικής μεμβράνης ως εξής: εύκαμπτη και ελαστική, μοιάζει με φυτικό έλαιο σε συνοχή, έτσι ώστε όλα τα μεμονωμένα μόρια απλά να επιπλέουν σε ένα υγρό μέσο και να μπορούν όλα να κινούνται πλάγια μέσα σε αυτήν τη μεμβράνη. Ένα μωσαϊκό είναι κάτι που περιέχει πολλές διαφορετικές λεπτομέρειες. Στην πλασματική μεμβράνη, αντιπροσωπεύεται από φωσφολιπίδια, μόρια χοληστερόλης, πρωτεΐνες και υδατάνθρακες.
Φωσφολιπίδια
Τα φωσφολιπίδια αποτελούν τη βασική δομή της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτά τα μόρια έχουν δύο διακριτά άκρα: ένα κεφάλι και μια ουρά. Το άκρο της κεφαλής περιέχει μια φωσφορική ομάδα και είναι υδρόφιλο. Αυτό σημαίνει ότι έλκεται από μόρια νερού. Η ουρά αποτελείται από άτομα υδρογόνου και άνθρακα που ονομάζονται αλυσίδες λιπαρών οξέων. Αυτές οι αλυσίδες είναι υδρόφοβες και δεν τους αρέσει να αναμιγνύονται με μόρια νερού. Αυτή η διαδικασία είναι παρόμοια με αυτή που συμβαίνει όταν ρίχνετε φυτικό λάδι σε νερό, δηλαδή δεν διαλύεται σε αυτό. Τα δομικά χαρακτηριστικά της κυτταρικής μεμβράνης συνδέονται με τη λεγόμενη διπλοστοιβάδα λιπιδίων, η οποία αποτελείται από φωσφολιπίδια. Οι υδρόφιλες φωσφορικές κεφαλές βρίσκονται πάντα εκεί όπου υπάρχει νερό με τη μορφή ενδοκυτταρικού και εξωκυττάριου υγρού. Οι υδρόφοβες ουρές των φωσφολιπιδίων στη μεμβράνη είναι οργανωμένες με τέτοιο τρόπο ώστε να τις κρατούν μακριά από το νερό.
Χοληστερόλη, πρωτεΐνες και υδατάνθρακες
Όταν οι άνθρωποι ακούν τη λέξη "χοληστερόλη" συνήθως πιστεύουν ότι είναι κακή. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, η χοληστερόλη είναι ένα πολύ σημαντικό συστατικό των κυτταρικών μεμβρανών. Τα μόριά του αποτελούνται από τέσσερις δακτυλίους ατόμων υδρογόνου και άνθρακα. Είναι υδρόφοβα και εμφανίζονται μεταξύ των υδρόφοβων ουρών στο λιπιδικό διπλό στρώμα. Η σημασία τους έγκειται στη διατήρηση της συνοχής, ενισχύουν τις μεμβράνες, εμποδίζοντας τη διέλευση τους. Τα μόρια της χοληστερόλης εμποδίζουν επίσης τις ουρές των φωσφολιπιδίων να έρθουν σε επαφή και να σκληρύνουν. Αυτό εγγυάται ρευστότητα και ευελιξία. Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες δρουν ως ένζυμα για να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις, ενεργούν ως υποδοχείς για συγκεκριμένα μόρια ή μεταφέρουν ουσίες μέσω της κυτταρικής μεμβράνης.
Οι υδατάνθρακες, ή σακχαρίτες, βρίσκονται μόνο στην εξωκυτταρική πλευρά της κυτταρικής μεμβράνης. Μαζί σχηματίζουν έναν γλυκοκάλυκα. Παρέχει αντικραδασμική προστασία και προστασία για την πλασματική μεμβράνη. Με βάση τη δομή και τον τύπο των υδατανθράκων στον γλυκοκάλυκα, το σώμα μπορεί να αναγνωρίσει τα κύτταρα και να καθορίσει εάν πρέπει να είναι εκεί ή όχι.
Πρωτεΐνες μεμβρανών
Η δομή της κυτταρικής μεμβράνης δεν μπορεί να φανταστεί χωρίς ένα τόσο σημαντικό συστατικό όπως η πρωτεΐνη. Παρόλα αυτά, μπορεί να είναι σημαντικά κατώτερα σε μέγεθος από ένα άλλο σημαντικό συστατικό - τα λιπίδια. Υπάρχουν τρεις τύποι βασικών πρωτεϊνών μεμβράνης.
- Αναπόσπαστο. Καλύπτουν πλήρως το διπλό στρώμα, το κυτταρόπλασμα και το εξωκυτταρικό περιβάλλον. Εκτελούν μια λειτουργία μεταφοράς και σηματοδότησης.
- Περιφερειακός. Οι πρωτεΐνες προσκολλώνται στη μεμβράνη με ηλεκτροστατικούς δεσμούς ή δεσμούς υδρογόνου στις κυτταροπλασματικές ή εξωκυτταρικές επιφάνειές τους. Εμπλέκονται κυρίως ως μέσο προσκόλλησης για ενσωματωμένες πρωτεΐνες.
- Διαμεμβρανική. Εκτελούν ενζυματικές και σηματοδοτικές λειτουργίες και επίσης διαμορφώνουν τη βασική δομή της λιπιδικής διπλής στιβάδας της μεμβράνης.
Λειτουργίες βιολογικών μεμβρανών
Το υδρόφοβο αποτέλεσμα, το οποίο ρυθμίζει τη συμπεριφορά των υδρογονανθράκων στο νερό, ελέγχει τις δομές που σχηματίζονται από τα λιπίδια της μεμβράνης και τις πρωτεΐνες της μεμβράνης. Πολλές ιδιότητες των μεμβρανών αποδίδονται από φορείς λιπιδικών διπλών στρωμάτων, οι οποίες αποτελούν τη βασική δομή για όλες τις βιολογικές μεμβράνες. Οι ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες είναι εν μέρει κρυμμένες στη λιπιδική διπλή στιβάδα. Οι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες έχουν μια εξειδικευμένη οργάνωση αμινοξέων στην κύρια αλληλουχία τους.
Οι πρωτεΐνες της περιφερικής μεμβράνης είναι πολύ παρόμοιες με τις διαλυτές πρωτεΐνες, αλλά είναι επίσης συνδεδεμένες με τη μεμβράνη. Οι εξειδικευμένες κυτταρικές μεμβράνες έχουν εξειδικευμένες κυτταρικές λειτουργίες. Πώς η δομή και η λειτουργία των κυτταρικών μεμβρανών επηρεάζει το σώμα; Η παροχή της λειτουργικότητας ολόκληρου του οργανισμού εξαρτάται από το πώς είναι διατεταγμένες οι βιολογικές μεμβράνες. Από τα ενδοκυτταρικά οργανίδια, τις αλληλεπιδράσεις εξωκυττάριας και μεσοκυττάριας μεμβράνης, δημιουργούνται δομές που είναι απαραίτητες για την οργάνωση και την εκτέλεση βιολογικών λειτουργιών. Πολλά δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά είναι κοινά για τα βακτήρια και τους ιούς με περίβλημα. Όλες οι βιολογικές μεμβράνες είναι χτισμένες σε μια λιπιδική διπλή στιβάδα, η οποία καθορίζει την παρουσία μιας σειράς κοινών χαρακτηριστικών. Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες έχουν πολλές συγκεκριμένες λειτουργίες.
- Έλεγχος. Οι πλασματικές μεμβράνες των κυττάρων ορίζουν τα όρια της κυτταρικής αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον.
- Μεταφορά. Οι ενδοκυτταρικές μεμβράνες των κυττάρων χωρίζονται σε πολλά λειτουργικά μπλοκ με διαφορετικές εσωτερικές συνθέσεις, καθένα από τα οποία υποστηρίζεται από την απαραίτητη λειτουργία μεταφοράς σε συνδυασμό με τη διαπερατότητα ελέγχου.
- Μεταφορά σήματος. Η σύντηξη των μεμβρανών παρέχει έναν μηχανισμό για την ενδοκυτταρική φυσαλιδώδη προειδοποίηση και την πρόληψη διαφόρων ειδών ιών από την ελεύθερη είσοδο στο κύτταρο.
Σημασία και συμπεράσματα
Η δομή της εξωτερικής κυτταρικής μεμβράνης επηρεάζει ολόκληρο το σώμα. Παίζει σημαντικό ρόλο στην προστασία της ακεραιότητας επιτρέποντας τη διείσδυση μόνο επιλεγμένων ουσιών. Είναι επίσης μια καλή βάση για τη σύνδεση του κυτταροσκελετού και του κυτταρικού τοιχώματος, που βοηθά στη διατήρηση του σχήματος του κυττάρου. Τα λιπίδια αποτελούν περίπου το 50% της μάζας της μεμβράνης των περισσότερων κυττάρων, αν και αυτό το ποσοστό ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο της μεμβράνης. Η δομή της εξωτερικής κυτταρικής μεμβράνης των θηλαστικών είναι πιο περίπλοκη, περιέχει τέσσερα κύρια φωσφολιπίδια. Μια σημαντική ιδιότητα των λιπιδικών διπλών στρωμάτων είναι ότι συμπεριφέρονται σαν δισδιάστατα υγρά, στα οποία μεμονωμένα μόρια μπορούν ελεύθερα να περιστρέφονται και να κινούνται σε πλάγιες κατευθύνσεις. Αυτή η ρευστότητα είναι μια σημαντική ιδιότητα των μεμβρανών, η οποία καθορίζεται ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη λιπιδική σύνθεση. Λόγω της δομής του υδρογονανθρακικού δακτυλίου, η χοληστερόλη παίζει ρόλο στον προσδιορισμό της ρευστότητας της μεμβράνης. βιολογικές μεμβράνες για μικρά μόρια επιτρέπουν στο κύτταρο να ελέγχει και να διατηρεί την εσωτερική του δομή.
Λαμβάνοντας υπόψη τη δομή του κυττάρου (κυτταρική μεμβράνη, πυρήνας κ.λπ.), μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το σώμα είναι ένα αυτορυθμιζόμενο σύστημα που, χωρίς εξωτερική βοήθεια, δεν μπορεί να βλάψει τον εαυτό του και θα αναζητά πάντα τρόπους αποκατάστασης, προστασίας και λειτουργούν κάθε κύτταρο.
