Клеточная мембрана - это оболочка клетки, какие функции она выполняет

Основным элементом живого организма является клетка. Она обладает важными функциями, которые были бы невозможны без ее оболочки - мембраны. Она защищает клетку, отвечает за ее питание и взаимодействие с окружающей средой.

Содержание:

1. История изучения
2. Строение
3. Взаимодействие между белками и липидами
4. Функции мембраны
5. Свойства мембраны
6. Повреждение клеточных мембран
7. Значение исследований клеточных мембран

История изучения

Впервые понятие «мембрана» появилось в 1855 году. Оно переводится как «пленка». Было использовано ботаником фон Молем и фон Негели для объяснения плазмолиза. Он первый заметил, что клетки могут изменять объем под давлением окружающей среды.

В 1877 году ботаник Пфеффер заявил о том, что клетки имеют оболочку. В 1890 году немец Оствальд высказал теорию о том, что клеточная мембрана – это участник биоэлектрических процессов.

Ученый Овертон в конце IX – начале XX века предположил, что в основе мембраны лежат молекулы жиров. В 1925 году ученые Грендель и Гортер высказали предположение, что мембрана состоит из двойного липидного слоя.

В 1935 году американцы Дэниэль и Доусон объяснили поверхностное натяжение клеточной оболочки содержанием в ней белков. Они предположили, что мембрана выглядит как два слоя липидов, покрытых протеином, с пустотой между ними.

В 1950 году после появления электронного микроскопа удалось подтвердить их теорию. Через десять лет американский ученый Робертсон написал работу о строении мембраны, в которой говорилось, что оболочка состоит из трех слоев. на протяжении длительного времени она считалась непогрешимой, но потом появились сомнения. Ведь при такой толщине оболочки веществам сложно было бы попадать внутрь клетки.

В 1972 году Сингер и Николсон доказали, что клеточная мембрана обладает жидкостно-мозаичной структурой, т. е. она частично заполнена жидкостью, а молекулы в ней движутся хаотично. Мембранные белки имеют разное строение, форму и назначение, по-разному расположены на липидных слоях.

В 1997 году немецкий биолог Зимонс, что некоторые белки не прикреплены к поверхности мембраны, а свободно перемещаются в билипидном слое.

В последние годы жидкостно-мозаичная структура тоже начала подвергаться сомнению, так как открываются новые факты о функциях и строении клеточной оболочки. Представления о ней будут постоянно меняться с развитием науки.

Строение

Клеточная мембрана состоит из липидов (жиров), протеинов (белков) и углеводов.

Липиды

Молекулы жиров в биологической мембране делятся на три вида:

• фосфолипиды (сочетание липидов и фосфора);
• гликолипиды (сочетание липидов и углеводов);
• холестерол.

Фосфолипиды в свою очередь подразделяются на две группы:

• глицерофосфолипиды (производные фосфатидной кислоты);
• сфингофосфолипиды (производные церамида, сфингомиелины).

В небольшом количестве могут присутствовать лизофосфолипиды. Их появление ведет к разрушению целостности мембраны и растворению клеток.

Гликолипиды в большом количестве присутствуют в миелиновой оболочке нейронов, отвечающей за передачу и скорость нервного импульса. Некоторые гликолипиды регулируют клеточные контакты. В последнее время появляются доказательства того, что этот вид жиров участвует в иммунной реакции организма.

Фосфолипиды и гликолипиды имеют гидрофильные головки и гидрофобные хвостики. Холестерол располагается между этими хвостами, обеспечивая жесткость клеточной оболочки и препятствуя обмену полярными молекулами между клетками. При необходимости он может разжижать или уплотнять жирные кислоты. Без холестерола мембраны быстро разрушаются.

Липидные слои неоднородны по своему составу. Внешний слой состоит преимущественно из фосфатидилинозитола, фосфатидилхолина, сфингомиелинов и гликолипидов, внутренний – из фосфатидилсерина, фосфатидилэтаноламина и фосфатидилинозитола.

Белки

На поверхности липидных слоев располагаются молекулы протеинов. Они покрывают молекулы жиров не полностью, а участками, что способствует лучшему обмену и коммуникации между клетками и окружающей средой.

Белки имеют различные размеры и формы, но все они окружены аннулярными липидами, которые защищают их и помогают выполнять свои функции. Некоторые протеины образуют ионные каналы, через которые в клетку попадают вещества, неспособные преодолеть жидкий слой мембраны.

Белки делятся на два типа:

• интегральные (проникают сквозь мембрану);
• периферические (располагаются на ее поверхности).

Периферические белки могут менять свое положение, временно проникая сквозь мембрану, и возвращаясь обратно на ее поверхность.

В зависимости от расположения и структуры белки выполняют различные функции. Некоторые протеины образуют ионные воронки, через которые в клетку попадают вещества, неспособные преодолеть жидкий слой мембраны.

Все белки представляют собой рецепторы. Они отвечают на раздражение извне. Например, рецептор инсулина отвечает за необходимое количество глюкозы в клетке, а родопсин в органах зрения генерирует электрический импульс в ответ на поступающую информацию.

Сквозные белки отвечают за перенос воды, структурные белки обеспечивают прочность мембраны и коммуникацию между другими белками.

Белковая цепь состоит из аминокислот. Последовательность аминокислот отвечает за свойства протеинов.

Гликопротеины – одна из важнейших составляющих белкового слоя. Они отвечают за транспорт синтезированных внутри клетки белков через мембрану и взаимное распознавание клеток. Гликопротеины имеют долгий срок жизни. Они связывают между собой клетки одного типа. Эти белки, входящие в состав мембраны красных кровяных телец, определяют группу крови.

Углеводы

Углеводы чаще всего присутствуют в сложных белках и липидах, но встречаются и в состоянии отдельных олигосахаридов. В клеточной мембране содержаться 9 видов углеводов: галактоза, манноза, фруктоза, галактозамин, глюкозамин, глюкоза и сиаловая кислота.

Функции углеводов в мембранном слое:

• отвечают за взаимодействие клеток;
• поддерживают клеточный иммунитет;
• стабилизируют молекулы протеина;
• формируют функции мембранных белков и жиров.

Не исключено, что мембранные углеводы обладают гораздо большим функционалом, но в настоящее время они недостаточно изучены.

Углеводная часть липидов и белков всегда находится на наружной поверхности мембраны.

Взаимодействие между белками и липидами

Существуют 4 основных типа взаимодействия жиров и протеинов в биологической мембране:

• Из-за гидрофобности белка деформируется липидный слой.
• Периферические белки вызывают деформацию с одной стороны липидного слоя, благодаря чему облегчается взаимодействие мембранных рецепторов с гормонами.
• Благодаря своим гидрофильным и гидрофобным свойствам белок может проникать сквозь липидный слой, вызывая его деформацию.
• Белок, проникающий в бислой, вызывает появление аннулярного слоя жиров.

Функции мембраны

Биологическая мембрана – это сложный механизм, выполняющие огромное количество функций.

Барьерная

Мембрана защищает клетку от вредоносных молекул и веществ, не дает им проникнуть внутрь.

Транспортная

Оболочка пропускает через себя вещества, необходимые для питания и нормального функционирования клетки, а также выводит из нее продукты жизнедеятельности.

Существуют два типа транспортировки:

• активный;
• пассивный.

Если ионы и молекулы из-за своих больших размеров или по другим причинам не могут свободно пройти сквозь мембрану, используется активный тип транспортировки. Задействуются белки-насосы, которые проталкивают вещества внутрь клетки.

При пассивном типе вещества попадают в клетку путем диффузии без использования энергии.

Обмен веществ в клетке осуществляется тремя способами:

• фагоцитоз (мембранные фагоциты ловят и перерабатывают питательные вещества);
• пиноцитоз (поглощение оболочкой микромолекул и жидкости с содержащимися в ней веществами);
• экзоцитоз (секреция и вывод из клетки продуктов жизнедеятельности).

Матричная

Мембрана не только окружает клетку, но и делит пространство внутри нее на участки, в которых располагаются органоиды. Именно мембрана отвечает за их местоположение и коммуникации.

Механическая

Отвечает за обособленность клеток и их корректное соединение. Формирует необходимую структуру ткани.

Энергетическая

Отвечает за правильную работу органоидов клетки, транспортирует энергию, возникающую в процессе их деятельности, через белки в окружающую среду.

Рецепторная

Мембранные протеины обеспечивают взаимосвязь клеток с гормонами и нейромедиаторами, благодаря чему становится возможно проведение электрического импульса и формируется нормальный гормональный процесс.

Ферментативная

Белки клеточной оболочки способствуют ускорению химических реакций внутри клетки.

Биопотенциальная

Поддерживает отрицательный заряд внутри клетки, и положительны снаружи, благодаря чему и происходит попадание веществ внутрь клетки и вывод их обратно.

Маркировочная

Гликопротеины – белки с прикрепленными к ним по бокам олигосахаридными цепями. Они маркируют клетки, что дает им возможность различать друг друга и действовать сообща. На этом основан процесс строительства тканей, а также возможность организма устранять непромаркированные чужеродные клетки.

Это общие функции всех мембран. Большинство клеточных оболочек в зависимости от расположения обладают специфическим функционалом.

Например, мембраны нервных клеток производят электрические импульсы. Оболочки клеток кишечника участвуют в пищеварении. Мембраны мышечных клеток участвуют в процессе сокращения мышц, а оболочки клеток органов чувств трансформируют сигналы и передают информацию о температуре, запахах и давлении в мозг.

Свойства мембраны

Эластичность

Молекулы мембраны всегда находятся в подвижном состоянии, благодаря чему клетка в течение жизни постоянно меняется.

Асимметрия

Обеспечивается тем, что полость мембраны в разных участках отличается по объему, а ее слои имеют разное содержание белков, жиров и углеводов.

Полярность

С внутренней стороны отрицательный заряд, а с наружной – положительный, что помогает транспортировке веществ в клетку и обратно.

Избирательная проницаемость

Мембранные белки контролируют процесс попадания веществ в клетку, пропуская полезные и блокируя вредные.

Повреждения клеточных мембран

Клеточная мембрана может повредиться вследствие различных факторов:

• Механическое повреждение. Делает клетку более проницаемой для различных веществ.
• Ферментативное повреждение. Возникает при цитолитическом типе аллергии.
• Повреждение из-за недостатка аденозинтрифосфата вследствие нарушения обменных процессов в клетке.
• Слипание белков под воздействием высоких температур, электрического тока, кислот и щелочей.
• Генетическая предрасположенность к неправильному синтезу составляющих элементов мембраны.
• Окисление липидов свободными радикалами.
• Избыток или недостаток витаминов Е и D.
• Под влиянием антител, посчитавших клетку чужеродным объектом.

Все повреждения мембраны можно разделить на три типа:

• транспортные;
• функционально-метаболические;
• структурные.

Повреждения клеточной мембраны ведут к тому, что в клетку попадают вредные вещества, органеллы разрушаются, клетка гибнет, цитоплазма вытекает наружу. Этот процесс ведет к воспалению от небольшого участка до целого органа. В худшем случае может возникнуть тяжелый сепсис.

Некоторые заболевания, которые могут возникнуть вследствие гибели клетки из-за разрушения мембранного слоя:

• хроническая обструктивная болезнь легких (ограничение воздушного потока в дыхательных путях, вызванное инфицированием тканей);
• атеросклероз (заболевание артерий, вызванное нарушением липидного и белкового обмена);
• красная волчанка (поражение кожных покровов из-за аллергии или инфекции);
• деменция (приобретенное слабоумие, вызванное поражением головного мозга);
• рак;
• цистинурия (нарушение транспорта аминокислот в почках);
• сахарный диабет.

Значение исследований клеточных мембран

В современной медицине все больше значения придается исследованию клеточных мембран. Ведь именно различные части клетки ответственны за множество заболеваний. А мембранные белки отвечают за доставку вредных и полезных веществ в клетку.

При дальнейших исследованиях может появиться способ регулировать это процесс искусственно, если мембрана повреждена или не справляется со своими функциями. Если лекарственный препарат избирательно действует на клеточную мембрану, то повышаются шансы на излечение многих болезней.

При повреждении клетки она начинает мутировать, чтобы приспособиться к новым условиям. Так возникают раковые опухоли. Если появится возможность влиять на этот процесс, можно будет медикаментозно лечить онкологию.

Когда медицина найдет способ правильно очищать организм от мертвых клеток, появится решение проблемы воспалительных процессов, вызванных их гибелью.

Физиология мембраны очень сложна. Функции, выполняемые ей, невероятно важны. При повреждении и разрушении ставится под угрозу целостность и даже жизнь организма.

Более подробная информация об устройстве клеточной мембраны - на видео: