У 1972 році була висунута теорія, згідно з якою частково проникна мембрана оточує клітину і виконує ряд життєво важливих завдань, а будова та функції клітинних мембран є важливими питаннями щодо правильного функціонування всіх клітин в організмі. набула широкого поширення в 17 столітті, разом з винаходом мікроскопа. Стало відомо, що рослинні та тваринні тканини складаються з клітин, але через низьку роздільну здатність приладу неможливо було побачити якісь бар'єри навколо тваринної клітини. У 20-му столітті хімічна природа мембрани досліджувалася детальніше, було з'ясовано, що її основу складають ліпіди.
Будова та функції клітинних мембран
Клітинна мембрана оточує цитоплазму живих клітин, фізично відокремлюючи внутрішньоклітинні компоненти від довкілля. Гриби, бактерії та рослини також мають клітинні стінки, які забезпечують захист та перешкоджають проходженню великих молекул. Клітинні мембрани також відіграють роль у становленні цитоскелета та прикріпленні до позаклітинного матрикса інших життєво важливих частинок. Це потрібно для того, щоб утримувати їх разом, формуючи тканини та органи організму. Особливості будови клітинної мембрани включають проникність. Основною функцією є захист. Мембрана складається з фосфоліпідного шару із вбудованими білками. Ця частина бере участь у таких процесах, як клітинна адгезія, іонна провідність і сигнальні системи і служить як поверхня кріплення для декількох позаклітинних структур, у тому числі стінки, глікоколіксу та внутрішнього цитоскелета. Мембрана також зберігає потенціал клітини, працюючи як селективний фільтр. Вона є селективно проникною для іонів та органічних молекул і керує переміщенням частинок.
Біологічні механізми за участю клітинної мембрани
1. Пасивна дифузія: деякі речовини (малі молекули, іони), такі як двоокис вуглецю (СО2) та кисню (О2), можуть проникати через плазматичну мембрану шляхом дифузії. Оболонка діє як бар'єр для певних молекул та іонів, вони можуть концентруватися з обох боків.
2. Трансмембранний білок каналів та транспортерів: поживні речовини, такі як глюкоза або амінокислоти, повинні потрапити в клітину, а деякі продукти обміну речовин мають залишити її.
3. Ендоцитоз – це процес, при якому поглинаються молекули. У плазматичній мембрані створюється невелика деформація (інвагінація), в якій речовина, що підлягає транспортуванню, заковтується. Це потребує енергії і таким чином є формою активного транспорту.
4. Екзоцитоз: відбувається в різних клітинах для видалення неперетравлених залишків речовин, принесених ендоцитозом, щоб секретувати речовини, такі як гормони та ферменти, та транспортувати речовину повністю через клітинний бар'єр.
Молекулярна структура
Клітинна мембрана - це біологічна оболонка, що складається переважно з фосфоліпідів і відокремлює вміст усієї клітини від зовнішнього середовища. Процес освіти відбувається мимовільно за нормальних умов. Щоб зрозуміти цей процес і правильно описати будову та функції клітинних мембран, а також властивості, необхідно оцінити характер фосфоліпідних структур, для яких властива структурна поляризація. Коли фосфоліпіди у водному середовищі цитоплазми досягають критичної концентрації, вони об'єднуються у міцели, які є більш стабільними у водному середовищі.
Мембранні властивості
- Стабільність. Це означає, що після утворення розпаду мембрани є малоймовірним.
- Міцність. Ліпідна оболонка досить надійна, щоб запобігти проходженню полярної речовини, через утворений кордон не можуть пройти як розчинені речовини (іони, глюкоза, амінокислоти), так і набагато більші молекули (білки).
- Динамічний характер. Це, мабуть, найважливіша властивість, якщо розглядати будову клітини. Клітинна мембрана може піддаватися різним деформаціям, може складатися і згинатись і при цьому не зруйнуватися. За особливих обставин, наприклад, при злитті везикул або бутонізації, вона може бути порушена, але лише на якийсь час. При кімнатній температурі її ліпідні складові перебувають у постійному хаотичному русі, утворюючи стабільну текучу межу.
Рідка мозаїчна модель
Говорячи про будову та функції клітинних мембран, важливо відзначити, що в сучасному уявленні мембрана як рідка мозаїчна модель була розглянута в 1972 році вченими Сінгером та Ніколсоном. Їхня теорія відображає три основні особливості структури мембрани. Інтегральні сприяють мозаїчним шаблоном для мембрани, і вони здатні на бічне рух у площині через мінливу природу ліпідної організації. Трансмембранні білки є також потенційно мобільними. Важливою особливістю структури мембрани є її асиметрія. Що є будова клітини? Клітинна мембрана, ядро, білки тощо. Клітина є основною одиницею життя, і всі організми складаються з однієї або багатьох клітин, кожна з яких має природний бар'єр, що відокремлює її від довкілля. Ця зовнішня межа осередку також називається плазматичною мембраною. Вона складається з чотирьох різних типів молекул: фосфоліпіди, холестерин, білки та вуглеводи. Рідка мозаїчна модель описує структуру клітинної мембрани наступним чином: гнучка і еластична, за консистенцією нагадує рослинне масло, так що всі окремі молекули просто плавають у рідкому середовищі, і всі вони здатні рухатися вбік в межах цієї оболонки. Мозаїка є щось, що містить багато різних деталей. У плазматичній мембрані вона представлена фосфоліпідами, молекулами холестерину, білками та вуглеводами.
Фосфоліпіди
Фосфоліпіди становлять основну структуру клітинної мембрани. Ці молекули мають два різні кінці: голову і хвіст. Головний кінець містить фосфатну групу і є гідрофільним. Це означає, що вона притягується до молекул води. Хвіст складається з водню та атомів вуглецю, званих ланцюжками жирних кислот. Ці ланцюги гідрофобні, вони не люблять поєднуватися з молекулами води. Цей процес нагадує те, що відбувається, коли ви ллєте олію у воду, тобто вона в ній не розчиняється. Особливості будови клітинної мембрани пов'язані з так званим ліпідним бислоем, що складається з фосфоліпідів. Гідрофільні фосфатні голови завжди розташовуються там, де є вода у вигляді внутрішньоклітинної та позаклітинної рідини. Гідрофобні хвости фосфоліпідів у мембрані організовані таким чином, що тримають їх подалі від води.
Холестерин, білки та вуглеводи
Почувши слово холестерин, люди зазвичай думають, що це погано. Однак насправді холестерин є дуже важливим компонентом клітинних мембран. Його молекули складаються з чотирьох кілець водню та атомів вуглецю. Вони гідрофобні та зустрічаються серед гідрофобних хвостів у ліпідному бі-шарі. Їхня важливість полягає у підтримці консистенції, вони зміцнюють мембрани, запобігаючи перетину. Молекули холестерину також тримають фосфоліпідні хвости від вступу в контакт та твердіння. Це гарантує плинність та гнучкість. Мембранні білки виконують функції ферментів прискорення хімічних реакцій, виступають як рецептори для специфічних молекул або транспортують речовини через клітинну мембрану.
Вуглеводи, або сахариди, зустрічаються тільки на позаклітинному боці мембрани клітини. Разом вони утворюють глікоколікс. Він забезпечує амортизацію та захист плазматичної мембрани. На основі структури та типу вуглеводів у глікокаліксі організм може розпізнавати клітини та визначати, чи повинні вони бути там чи ні.
Мембранні білки
Будова клітинної мембрани неможливо уявити без такого значного компонента, як білок. Незважаючи на це, вони можуть значно поступатися за розмірами іншої важливої складової – ліпідам. Існує три види основних мембранних білків.
- Інтегральні. Вони повністю охоплюють бі-шар, цитоплазму та позаклітинне середовище. Вони виконують транспортну та сигналізуючу функцію.
- периферичні. Білки прикріплюються до мембрани за допомогою електростатичних або водневих зв'язків у їх цитоплазматичних або позаклітинних поверхнях. Вони беруть участь переважно як засіб кріплення для інтегральних білків.
- Трансмембранні. Вони виконують ферментативну та сигнальну функції, а також модулюють основну структуру ліпідного бі-шару мембрани.
Функції біологічних мембран
Гідрофобний ефект, що регламентує поведінку вуглеводнів у воді, контролює структури, утворені за допомогою мембранних ліпідів та мембранних білків. Багато властивостей мембран даруються носіями ліпідних бі-шарів, що утворюють базову структуру для всіх біологічних мембран. Інтегральні мембранні білки частково заховані у ліпідному бі-шарі. Трансмембранні білки мають спеціалізовану організацію амінокислот у їхній первинній послідовності.
Периферичні мембранні білки дуже подібні до розчинних, але вони також прив'язані до мембран. Спеціалізовані клітинні мембрани мають спеціалізовані функції клітин. Як будова та функції клітинних мембран впливають на організм? Від того, як улаштовані біологічні мембрани, залежить забезпечення функціональності всього організму. З внутрішньоклітинних органел, позаклітинних та міжклітинних взаємодій мембран створюються структури, необхідні для організації та виконання біологічних функцій. Багато структурних і функціональних особливостей є спільними для бактерій, і оболонкових вірусів. Всі біологічні мембрани побудовані на ліпідному бі-шарі, що зумовлює наявність низки загальних характеристик. Мембранні білки мають безліч специфічних функцій.
- Контролююча. Плазматичні мембрани клітин визначають межі взаємодії клітини з довкіллям.
- Транспортні. Внутрішньоклітинні мембрани клітин розділені на кілька функціональних блоків з різною внутрішньою композицією, кожна з яких підтримується необхідною транспортною функцією у поєднанні з проникністю керування.
- Сигнальна трансдукція. Злиття мембран забезпечує механізм внутрішньоклітинного везикулярного оповіщення та перешкоджання різного роду вірусам вільно проникати у клітину.
Значення та висновки
Будова зовнішньої клітинної мембрани впливає весь організм. Вона відіграє у захисті цілісності, дозволяючи проникнення лише обраних речовин. Це також хороша база для кріплення цитоскелету та клітинної стінки, що допомагає у збереженні форми клітини. Ліпіди становлять близько 50% маси мембрани більшості клітин, хоча цей показник варіюється залежно від типу мембрани. Будова зовнішньої клітинної мембрани ссавців є більш складною, там містяться чотири основні фосфоліпіди. Важливою властивістю ліпідних бі-шарів є те, що вони поводяться як двовимірні рідини, в якій окремі молекули можуть вільно обертатися та переміщатися у бокових напрямках. Така плинність - це важлива властивість мембран, що визначається залежно від температури та ліпідного складу. Завдяки вуглеводневій кільцевій структурі холестерин відіграє певну роль у визначенні плинності мембран. біологічних мембран для малих молекул дозволяє клітині контролювати та підтримувати її внутрішню структуру.
Розглядаючи будову клітини (клітинна мембрана, ядро тощо), можна дійти невтішного висновку у тому, що організм - це саморегулююча система, яка без сторонньої допомоги зможе собі нашкодити і завжди шукатиме шляхи відновлення, захисту і правильного функціонування кожної клітини.
