bunková membrána - ide o bunkovú membránu, ktorá plní tieto funkcie: oddelenie obsahu bunky a vonkajšieho prostredia, selektívny transport látok (výmena s vonkajším prostredím pre bunku), miesto niektorých biochemických reakcií, integrácia buniek do tkanív a recepcie.
Bunkové membrány sa delia na plazmatické (intracelulárne) a vonkajšie. Hlavnou vlastnosťou akejkoľvek membrány je polopriepustnosť, to znamená schopnosť prechádzať iba určitými látkami. To umožňuje selektívnu výmenu medzi bunkou a vonkajším prostredím alebo výmenu medzi kompartmentmi bunky.
Plazmatické membrány sú lipoproteínové štruktúry. Lipidy spontánne vytvárajú dvojvrstvu (dvojvrstvu), v nej „plávajú“ membránové proteíny. V membránach je niekoľko tisíc rôznych proteínov: štruktúrne, nosiče, enzýmy atď. Medzi molekulami proteínov sú póry, cez ktoré prechádzajú hydrofilné látky (lipidová dvojvrstva bráni ich priamemu prenikaniu do bunky). Na niektoré molekuly na povrchu membrány sú naviazané glykozylové skupiny (monosacharidy a polysacharidy), ktoré sa podieľajú na procese rozpoznávania buniek pri tvorbe tkaniva.
Membrány sa líšia svojou hrúbkou, zvyčajne medzi 5 a 10 nm. Hrúbka je určená veľkosťou molekuly amfifilného lipidu a je 5,3 nm. Ďalšie zvýšenie hrúbky membrány je spôsobené rozmermi membránové proteíny komplexy. V závislosti od vonkajších podmienok (cholesterol je regulátor) sa štruktúra dvojvrstvy môže meniť tak, že sa stáva hustejšou alebo tekutejšou - od toho závisí rýchlosť pohybu látok po membránach.
Medzi bunkové membrány patria: plazmalema, karyolema, membrány endoplazmatického retikula, Golgiho aparát, lyzozómy, peroxizómy, mitochondrie, inklúzie atď.
Lipidy sú nerozpustné vo vode (hydrofóbnosť), ale ľahko rozpustné v organických rozpúšťadlách a tukoch (lipofilita). Zloženie lipidov v rôznych membránach nie je rovnaké. Plazmatická membrána napríklad obsahuje veľa cholesterolu. Z lipidov v membráne sú to najčastejšie fosfolipidy (glycerofosfatidy), sfingomyelíny (sfingolipidy), glykolipidy a cholesterol.
Fosfolipidy, sfingomyelíny, glykolipidy pozostávajú z dvoch funkčne rôzne časti: hydrofóbne nepolárne, ktoré nenesú náboje - "chvosty" pozostávajúce z mastných kyselín a hydrofilné, obsahujúce nabité polárne "hlavy" - alkoholové skupiny (napríklad glycerín).
Hydrofóbna časť molekuly sa zvyčajne skladá z dvoch mastných kyselín. Jedna z kyselín je obmedzujúca a druhá je nenasýtená. To určuje schopnosť lipidov spontánne vytvárať dvojvrstvové (bilipidové) membránové štruktúry. Membránové lipidy plnia tieto funkcie: bariéra, transport, proteínové mikroprostredie, elektrický odpor membrány.
Membrány sa navzájom líšia súborom proteínových molekúl. Mnohé membránové proteíny pozostávajú z oblastí bohatých na polárne aminokyseliny (prenášajúce náboj) a oblastí s nepolárnymi aminokyselinami (glycín, alanín, valín, leucín). Takéto proteíny v lipidových vrstvách membrán sú umiestnené tak, že ich nepolárne oblasti sú akoby ponorené do "tukovej" časti membrány, kde sa nachádzajú hydrofóbne oblasti lipidov. Polárna (hydrofilná) časť týchto proteínov interaguje s lipidovými hlavami a je otočená smerom k vodnej fáze.
Biologické membrány majú spoločné vlastnosti:
membrány sú uzavreté systémy, ktoré nedovoľujú, aby sa obsah bunky a jej kompartmentov premiešal. Porušenie integrity membrány môže viesť k bunkovej smrti;
povrchová (rovinná, laterálna) pohyblivosť. V membránach dochádza k nepretržitému pohybu látok po povrchu;
asymetria membrány. Štruktúra vonkajších a povrchových vrstiev je chemicky, štruktúrne a funkčne heterogénna.
bunková membrána
Obrázok bunkovej membrány. Malé modro-biele guľôčky zodpovedajú hydrofóbnym „hlavičkám“ fosfolipidov a čiary, ktoré sú k nim pripojené, zodpovedajú hydrofilným „chvostom“. Obrázok ukazuje iba integrálne membránové proteíny (červené guľôčky a žlté helixy). Žlté oválne bodky vo vnútri membrány - molekuly cholesterolu Žltozelené reťazce guľôčok na vonkajšej strane membrány - oligosacharidové reťazce, ktoré tvoria glykokalyx
Biologická membrána tiež zahŕňa rôzne proteíny: integrálne (prenikajúce cez membránu), semiintegrálne (ponorené na jednom konci do vonkajšej alebo vnútornej lipidovej vrstvy), povrchové (umiestnené na vonkajšej alebo priľahlej k vnútorné strany membrány). Niektoré proteíny sú bodmi kontaktu bunkovej membrány s cytoskeletom vo vnútri bunky a bunkovej steny (ak existuje) vonku. Niektoré z integrálnych proteínov fungujú ako iónové kanály, rôzne transportéry a receptory.
Funkcie
- bariéra - zabezpečuje regulovaný, selektívny, pasívny a aktívny metabolizmus s okolím. Napríklad peroxizómová membrána chráni cytoplazmu pred peroxidmi nebezpečnými pre bunku. Selektívna permeabilita znamená, že priepustnosť membrány pre rôzne atómy alebo molekuly závisí od ich veľkosti, elektrického náboja a chemické vlastnosti. Selektívna permeabilita zabezpečuje oddelenie bunky a bunkových kompartmentov od životné prostredie a dodať im potrebné látky.
- transport - cez membránu dochádza k transportu látok do bunky a von z bunky. Transport cez membrány zabezpečuje: dodanie živiny, odstránenie konečných produktov metabolizmu, sekrécia rôzne látky, vytváranie iónových gradientov, udržiavanie optimálnej koncentrácie iónov v bunke, ktoré sú potrebné pre fungovanie bunkových enzýmov.
Častice, ktoré z nejakého dôvodu nie sú schopné prejsť cez fosfolipidovú dvojvrstvu (napríklad kvôli hydrofilným vlastnostiam, keďže membrána vo vnútri je hydrofóbna a neprepúšťa hydrofilné látky, resp. veľké veľkosti), ale nevyhnutné pre bunku, môžu preniknúť cez membránu cez špeciálne nosné proteíny (transportéry) a kanálové proteíny alebo endocytózou.
Pri pasívnom transporte látky prechádzajú cez lipidovú dvojvrstvu bez výdaja energie pozdĺž koncentračného gradientu difúziou. Variantom tohto mechanizmu je uľahčená difúzia, pri ktorej špecifická molekula pomáha látke prejsť cez membránu. Táto molekula môže mať kanál, ktorý umožňuje prechod iba jedného typu látky.
Aktívny transport si vyžaduje energiu, keďže prebieha proti koncentračnému gradientu. Na membráne sú špeciálne pumpové proteíny vrátane ATPázy, ktorá aktívne pumpuje draselné ióny (K +) do bunky a pumpuje z nej sodíkové ióny (Na +). - matrica - zabezpečuje určitú relatívnu polohu a orientáciu membránových proteínov, ich optimálnu interakciu.
- mechanická - zabezpečuje autonómiu bunky, jej vnútrobunkových štruktúr, ako aj spojenie s inými bunkami (v tkanivách). Bunkové steny zohrávajú dôležitú úlohu pri poskytovaní mechanickej funkcie a u zvierat - medzibunkovej substancii.
- energia - pri fotosyntéze v chloroplastoch a bunkovom dýchaní v mitochondriách fungujú v ich membránach systémy prenosu energie, na ktorých sa podieľajú aj bielkoviny;
- receptor – niektoré proteíny nachádzajúce sa v membráne sú receptory (molekuly, pomocou ktorých bunka vníma určité signály).
Napríklad hormóny cirkulujúce v krvi pôsobia len na cieľové bunky, ktoré majú receptory zodpovedajúce týmto hormónom. Neurotransmitery ( chemických látok, ktoré zabezpečujú vedenie nervových vzruchov) sa viažu aj na špecifické receptorové proteíny cieľových buniek. - enzymatické - membránové proteíny sú často enzýmy. Napríklad plazmatické membrány buniek črevného epitelu obsahujú tráviace enzýmy.
- realizácia tvorby a vedenia biopotenciálov.
Pomocou membrány sa v bunke udržiava konštantná koncentrácia iónov: koncentrácia iónu K + vo vnútri bunky je oveľa vyššia ako vonku a koncentrácia Na + je oveľa nižšia, čo je veľmi dôležité, pretože toto udržuje potenciálny rozdiel cez membránu a vytvára nervový impulz. - bunkové značenie – na membráne sú antigény, ktoré fungujú ako markery – „štítky“, ktoré umožňujú bunku identifikovať. Ide o glykoproteíny (čiže proteíny s rozvetvenými bočnými oligosacharidovými reťazcami, ktoré sú k nim pripojené), ktoré plnia úlohu „antén“. Vzhľadom na nespočetné množstvo konfigurácií bočných reťazcov je možné vytvoriť špecifický marker pre každý typ bunky. Pomocou markerov môžu bunky rozpoznať iné bunky a konať v súlade s nimi, napríklad pri tvorbe orgánov a tkanív. Umožňuje tiež imunitnému systému rozpoznať cudzie antigény.
Štruktúra a zloženie biomembrán
Membrány sa skladajú z troch tried lipidov: fosfolipidy, glykolipidy a cholesterol. Fosfolipidy a glykolipidy (lipidy s naviazanými sacharidmi) pozostávajú z dvoch dlhých hydrofóbnych uhľovodíkových „chvostov“, ktoré sú spojené s nabitou hydrofilnou „hlavou“. Cholesterol spevňuje membránu tým, že zaberá voľný priestor medzi hydrofóbnymi lipidovými koncami a bráni im v ohýbaní. Preto sú membrány s nízkym obsahom cholesterolu pružnejšie, zatiaľ čo membrány s vysokým obsahom cholesterolu sú pevnejšie a krehkejšie. Cholesterol slúži aj ako „zátka“, ktorá zabraňuje pohybu polárnych molekúl z bunky a do bunky. Dôležitú časť membrány tvoria bielkoviny, ktoré do nej prenikajú a sú zodpovedné za rôzne vlastnosti membrán. Ich zloženie a orientácia v rôznych membránach sa líšia.
Bunkové membrány sú často asymetrické, to znamená, že vrstvy sa líšia zložením lipidov, prechodom jednotlivej molekuly z jednej vrstvy do druhej (tzv. žabky) je ťažké.
Membránové organely
Sú to uzavreté jednotlivé alebo vzájomne prepojené úseky cytoplazmy, oddelené od hyaloplazmy membránami. Jednomembránové organely zahŕňajú endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, lyzozómy, vakuoly, peroxizómy; na dvojmembránové - jadro, mitochondrie, plastidy. Štruktúra membrán rôznych organel sa líši v zložení lipidov a membránových proteínov.
Selektívna priepustnosť
Bunkové membrány majú selektívnu permeabilitu: glukóza, aminokyseliny, mastné kyseliny, glycerol a ióny cez ne pomaly difundujú a samotné membrány tento proces do určitej miery aktívne regulujú – niektoré látky prechádzajú, iné nie. Existujú štyri hlavné mechanizmy na vstup látok do bunky alebo ich odstránenie z bunky von: difúzia, osmóza, aktívny transport a exo- alebo endocytóza. Prvé dva procesy sú pasívnej povahy, to znamená, že nevyžadujú energiu; posledné dva - aktívne procesy spojené so spotrebou energie.
Selektívna permeabilita membrány počas pasívneho transportu je spôsobená špeciálnymi kanálmi - integrálnymi proteínmi. Prenikajú cez membránu skrz-naskrz a vytvárajú akýsi priechod. Prvky K, Na a Cl majú svoje vlastné kanály. Vzhľadom na koncentračný gradient sa molekuly týchto prvkov pohybujú dovnútra a von z bunky. Pri podráždení sa kanály sodíkových iónov otvoria a dôjde k prudkému prílevu iónov sodíka do bunky. To má za následok nerovnováhu membránového potenciálu. Potom sa membránový potenciál obnoví. Draslíkové kanály sú vždy otvorené, cez ne draselné ióny pomaly vstupujú do bunky.
pozri tiež
Literatúra
- Antonov V. F., Smirnova E. N., Shevchenko E. V. Lipidové membrány počas fázových prechodov. - M.: Nauka, 1994.
- Gennis R. Biomembrány. Molekulárna štruktúra a funkcie: preklad z angličtiny. = Biomembrány. Molekulárna štruktúra a funkcia (Robert B. Gennis). - 1. vydanie. - M .: Mir, 1997. - ISBN 5-03-002419-0
- Ivanov V. G., Berestovskij T. N. lipidová dvojvrstva biologické membrány. - M.: Nauka, 1982.
- Rubin A.B. Biofyzika, učebnica v 2 zv. - 3. vydanie, prepracované a rozšírené. - M .: Moscow University Press, 2004. -
Všetky živé organizmy na Zemi sa skladajú z buniek a každá bunka je obklopená ochranným obalom – membránou. Funkcie membrány však nie sú obmedzené na ochranu organel a oddelenie jednej bunky od druhej. Bunková membrána je zložitý mechanizmus, ktorý sa priamo podieľa na reprodukcii, regenerácii, výžive, dýchaní a mnohých ďalších dôležitých funkciách buniek.
Pojem „bunková membrána“ sa používa už asi sto rokov. Slovo "membrána" v preklade z latinčiny znamená "film". Ale v prípade bunkovej membrány by bolo správnejšie povedať agregáty dvoch filmov prepojených určitým spôsobom, navyše, rôzne strany tieto fólie majú rôzne vlastnosti.
Bunková membrána (cytolema, plazmalema) je trojvrstvový lipoproteínový (tukovo-proteínový) obal, ktorý oddeľuje každú bunku od susedných buniek a prostredia a vykonáva riadenú výmenu medzi bunkami a prostredím.
V tejto definícii nie je rozhodujúce, že bunková membrána oddeľuje jednu bunku od druhej, ale že zabezpečuje jej interakciu s ostatnými bunkami a prostredím. Membrána je veľmi aktívna, neustále fungujúca štruktúra bunky, ktorej príroda pripisuje mnohé funkcie. Z nášho článku sa dozviete všetko o zložení, štruktúre, vlastnostiach a funkciách bunkovej membrány, ako aj o nebezpečenstve, ktoré pre ľudské zdravie predstavujú poruchy fungovania bunkových membrán.
História výskumu bunkových membrán
V roku 1925 boli dvaja nemeckí vedci Gorter a Grendel schopní vykonať zložitý experiment na ľudských červených krvinkách, erytrocytoch. Pomocou osmotického šoku vedci získali takzvané „tiene“ – prázdne schránky červených krviniek, potom ich dali na jednu hromadu a zmerali povrch. Ďalším krokom bol výpočet množstva lipidov v bunkovej membráne. Vedci pomocou acetónu izolovali lipidy z „tieňov“ a určili, že ich stačí na dvojitú súvislú vrstvu.
Počas experimentu sa však urobili dve hrubé chyby:
Použitie acetónu neumožňuje izoláciu všetkých lipidov z membrán;
Plocha povrchu „tieňov“ bola vypočítaná suchou hmotnosťou, čo je tiež nesprávne.
Keďže prvá chyba dala vo výpočtoch mínus a druhá - plus, celkový výsledok sa ukázalo ako prekvapivo presné a nemeckí vedci priniesli vedeckému svetu najdôležitejší objav – lipidovú dvojvrstvu bunkovej membrány.
V roku 1935 ďalšia dvojica výskumníkov, Danielly a Dawson, po dlhých experimentoch na bilipidových filmoch dospela k záveru, že proteíny sú prítomné v bunkových membránach. Neexistoval žiadny iný spôsob, ako vysvetliť, prečo majú tieto filmy také vysoké povrchové napätie. Vedci predstavili verejnosti schematický model bunkovej membrány podobnej sendviči, kde úlohu krajcov chleba zohrávajú homogénne lipidovo-proteínové vrstvy a medzi nimi je namiesto oleja prázdnota.
V roku 1950 pomocou prvého elektrónového mikroskopu bola čiastočne potvrdená Danielly-Dawsonova teória - na mikrosnímkach bunkovej membrány boli jasne viditeľné dve vrstvy pozostávajúce z lipidových a proteínových hlavičiek a medzi nimi bol priehľadný priestor vyplnený iba chvostmi lipidov. a bielkoviny.
V roku 1960, vedený týmito údajmi, americký mikrobiológ J. Robertson vypracoval teóriu o trojvrstvovej štruktúre bunkových membrán, ktorá dlho považovaný za jediný správny. S rozvojom vedy sa však rodilo čoraz viac pochybností o homogenite týchto vrstiev. Z hľadiska termodynamiky je takáto štruktúra mimoriadne nepriaznivá - pre bunky by bolo veľmi ťažké transportovať látky dovnútra a von cez celý „sendvič“. Navyše je dokázané, že bunkové membrány rôznych tkanív majú rôznu hrúbku a spôsob uchytenia, čo je spôsobené rôznymi funkciami orgánov.
V roku 1972 mikrobiológovia S.D. Speváčka a G.L. Nicholsonovi sa podarilo vysvetliť všetky nezrovnalosti Robertsonovej teórie pomocou nového, fluidno-mozaikového modelu bunkovej membrány. Vedci zistili, že membrána je heterogénna, asymetrická, naplnená tekutinou a jej bunky sú v neustálom pohybe. A proteíny, ktoré ju tvoria, majú inú štruktúru a účel, navyše sú umiestnené inak vo vzťahu k bilipidovej vrstve membrány.
Bunkové membrány obsahujú tri typy proteínov:
Periférne - pripevnené k povrchu filmu;
polointegrálny- čiastočne preniknúť do bilipidovej vrstvy;
Integrálne - úplne prenikajú membránou.
Periférne proteíny sú spojené s hlavami membránových lipidov prostredníctvom elektrostatickej interakcie a nikdy nevytvoria súvislú vrstvu, ako sa predtým verilo. A polointegrálne a integrálne proteíny slúžia na transport kyslíka a živín do bunky, ako aj na odstraňovanie rozpadu. produkty z nej a ďalšie pre niekoľko dôležitých funkcií, o ktorých sa dozviete neskôr.
Bunková membrána vykonáva tieto funkcie:
Bariéra - priepustnosť membrány pre odlišné typy molekuly nie sú rovnaké.Na obídenie bunkovej membrány musí mať molekula určitú veľkosť, chemické vlastnosti a elektrický náboj. Škodlivé alebo nevhodné molekuly v dôsledku bariérovej funkcie bunkovej membrány jednoducho nemôžu vstúpiť do bunky. Napríklad pomocou peroxidovej reakcie membrána chráni cytoplazmu pred peroxidmi, ktoré sú pre ňu nebezpečné;
Transport - cez membránu prechádza pasívna, aktívna, regulovaná a selektívna výmena. Pasívny metabolizmus je vhodný pre látky rozpustné v tukoch a plyny pozostávajúce z veľmi malých molekúl. Takéto látky prenikajú do bunky a von z bunky bez výdaja energie, voľne, difúziou. Aktívna transportná funkcia bunkovej membrány sa aktivuje, keď je to potrebné, ale ťažko transportovateľné látky je potrebné preniesť do bunky alebo z bunky. Napríklad tie, ktoré majú veľkú molekulovú veľkosť alebo nie sú schopné prejsť cez bilipidovú vrstvu v dôsledku hydrofóbnosti. Potom začnú pracovať proteínové pumpy, vrátane ATPázy, ktorá je zodpovedná za absorpciu iónov draslíka do bunky a vypudzovanie iónov sodíka z nej. Regulovaný transportný metabolizmus je potrebný pre sekréciu a fermentačné funkcie, ako keď bunky produkujú a vylučujú hormóny resp tráviace šťavy. Všetky tieto látky opúšťajú bunky špeciálnymi kanálmi a v danom objeme. A selektívna transportná funkcia je spojená s veľmi integrálnymi proteínmi, ktoré prenikajú membránou a slúžia ako kanál pre vstup a výstup presne definovaných typov molekúl;
Matrix - bunková membrána určuje a fixuje umiestnenie organel voči sebe navzájom (jadro, mitochondrie, chloroplasty) a reguluje interakciu medzi nimi;
Mechanické - zabezpečuje obmedzenie jednej bunky od druhej a súčasne - správne pripojenie bunky do homogénneho tkaniva a odolnosť orgánov voči deformácii;
Ochranné - ako u rastlín, tak aj u živočíchov slúži bunková membrána ako základ pre vybudovanie ochranného rámu. Príkladom je tvrdé drevo, hustá šupka, ostnaté tŕne. Vo svete zvierat je tiež veľa príkladov ochrannej funkcie bunkových membrán – panciera korytnačky, chitínový pancier, kopytá a rohy;
Energia - procesy fotosyntézy a bunkového dýchania by boli nemožné bez účasti proteínov bunkovej membrány, pretože bunky si vymieňajú energiu pomocou proteínových kanálov;
Receptor – proteíny uložené v bunkovej membráne môžu mať ešte jednu dôležitú funkciu. Slúžia ako receptory, cez ktoré bunka dostáva signál od hormónov a neurotransmiterov. A to je zase potrebné na vedenie nervových impulzov a normálny prietok hormonálne procesy;
Enzymatické - iné dôležitá funkcia vlastné niektorým proteínom bunkových membrán. Napríklad v črevnom epiteli sa pomocou takýchto proteínov syntetizujú tráviace enzýmy;
Biopotenciál- koncentrácia draselných iónov vo vnútri bunky je oveľa vyššia ako vonku a koncentrácia sodíkových iónov je naopak väčšia vonku ako vo vnútri. To vysvetľuje potenciálny rozdiel: vo vnútri bunky je náboj negatívny, vonku je pozitívny, čo prispieva k pohybu látok do bunky a von v ktoromkoľvek z troch typov metabolizmu - fagocytóza, pinocytóza a exocytóza;
Značenie – na povrchu bunkových membrán sú takzvané „štítky“ – antigény pozostávajúce z glykoproteínov (proteíny s rozvetvenými bočnými oligosacharidovými reťazcami, ktoré sú na nich naviazané). Pretože bočné reťazce môžu mať obrovské množstvo konfigurácií, každý typ bunky dostane svoju vlastnú jedinečnú značku, ktorá umožňuje iným bunkám v tele ich rozpoznať „z pohľadu“ a správne na ne reagovať. Preto napr. imunitných buniekčlovek, makrofágy, ľahko rozpoznajú cudzinca, ktorý sa dostal do tela (infekcia, vírus) a pokúsia sa ho zničiť. To isté sa deje s chorými, zmutovanými a starými bunkami – zmení sa štítok na ich bunkovej membráne a telo sa ich zbaví.
Bunková výmena prebieha cez membrány a môže sa uskutočniť tromi hlavnými typmi reakcií:
Fagocytóza je bunkový proces, pri ktorom fagocytárne bunky vložené do membrány zachytávajú a trávia pevné častice živín. V ľudskom tele sa fagocytóza uskutočňuje membránami dvoch typov buniek: granulocyty (granulárne leukocyty) a makrofágy (bunky zabíjajúce imunitu);
Pinocytóza je proces zachytávania molekúl kvapaliny, ktoré s ňou prichádzajú do kontaktu povrchom bunkovej membrány. Na výživu podľa typu pinocytózy bunka na svojej membráne vyrastie tenké nadýchané výrastky vo forme antén, ktoré, ako keby obklopili kvapku tekutiny, a získa sa bublina. Najprv táto vezikula vyčnieva nad povrch membrány a potom je „prehltnutá“ - skrýva sa vo vnútri bunky a jej steny sa spájajú s vnútorným povrchom bunkovej membrány. Pinocytóza sa vyskytuje takmer vo všetkých živých bunkách;
Exocytóza je reverzný proces, pri ktorom sa vo vnútri bunky tvoria vezikuly so sekrečnou funkčnou tekutinou (enzým, hormón), ktorá sa musí z bunky nejakým spôsobom dostať do okolia. Za týmto účelom sa bublina najskôr spojí s vnútorným povrchom bunkovej membrány, potom sa vydúva smerom von, praskne, vytlačí obsah a opäť sa spojí s povrchom membrány, tentoraz zvonku. Exocytóza prebieha napríklad v bunkách črevného epitelu a kôry nadobličiek.
Bunkové membrány obsahujú tri triedy lipidov:
fosfolipidy;
glykolipidy;
Cholesterol.
Fosfolipidy (kombinácia tukov a fosforu) a glykolipidy (kombinácia tukov a sacharidov) sa skladajú z hydrofilnej hlavy, z ktorej sa rozprestierajú dva dlhé hydrofóbne chvosty. Ale cholesterol niekedy zaberá priestor medzi týmito dvoma chvostmi a nedovoľuje im ohýbať sa, čo spôsobuje, že membrány niektorých buniek sú tuhé. Okrem toho molekuly cholesterolu zefektívňujú štruktúru bunkových membrán a zabraňujú prechodu polárnych molekúl z jednej bunky do druhej.
Ale najdôležitejšou zložkou, ako je zrejmé z predchádzajúcej časti o funkciách bunkových membrán, sú proteíny. Ich zloženie, účel a umiestnenie sú veľmi rôznorodé, ale je tu niečo spoločné, čo ich všetky spája: prstencové lipidy sa vždy nachádzajú okolo proteínov bunkových membrán. Ide o špeciálne tuky, ktoré sú jasne štruktúrované, stabilné, majú vo svojom zložení viac nasýtených mastných kyselín a uvoľňujú sa z membrán spolu so „sponzorovanými“ proteínmi. Ide o akúsi osobnú ochrannú schránku pre proteíny, bez ktorej by jednoducho nefungovali.
Štruktúra bunkovej membrány je trojvrstvová. V strede leží relatívne homogénna tekutá bilipidová vrstva a bielkoviny ju po oboch stranách pokrývajú akousi mozaikou, čiastočne prenikajúcou do hrúbky. To znamená, že by bolo nesprávne myslieť si, že vonkajšie proteínové vrstvy bunkových membrán sú súvislé. Bielkoviny, okrem ich komplexné funkcie, sú potrebné v membráne, aby prešli do buniek a transportovali z nich tie látky, ktoré nie sú schopné preniknúť do tukovej vrstvy. Napríklad ióny draslíka a sodíka. Pre nich sú k dispozícii špeciálne proteínové štruktúry - iónové kanály, o ktorých budeme podrobnejšie diskutovať nižšie.
Ak sa pozriete na bunkovú membránu cez mikroskop, môžete vidieť vrstvu lipidov tvorenú najmenšími guľovitými molekulami, pozdĺž ktorých sa podobne ako pri mori vznášajú veľké bielkovinové bunky rôznych tvarov. Presne tie isté membrány rozdeľujú vnútorný priestor každej bunky na kompartmenty, v ktorých je pohodlne umiestnené jadro, chloroplasty a mitochondrie. Ak by vnútri bunky neboli žiadne samostatné „miestnosti“, organely by sa zlepili a nemohli by správne vykonávať svoje funkcie.
Bunka je súbor organel štruktúrovaných a ohraničených membránami, ktorý sa podieľa na komplexe energetických, metabolických, informačných a reprodukčných procesov zabezpečujúcich životnú činnosť organizmu.
Ako je zrejmé z tejto definície, membrána je najdôležitejšou funkčnou zložkou každej bunky. Jeho význam je taký veľký ako význam jadra, mitochondrií a iných bunkových organel. A jedinečné vlastnosti membrány sú spôsobené jej štruktúrou: pozostáva z dvoch filmov, ktoré sú špeciálnym spôsobom zlepené. Molekuly fosfolipidov v membráne sú umiestnené s hydrofilnými hlavami smerom von a hydrofóbnymi chvostmi dovnútra. Preto je jedna strana fólie zmáčaná vodou, zatiaľ čo druhá nie. Tieto filmy sú teda navzájom spojené nezmáčateľnými stranami dovnútra a vytvárajú bilipidovú vrstvu obklopenú molekulami proteínov. Toto je samotná „sendvičová“ štruktúra bunkovej membrány.
Iónové kanály bunkových membrán
Pozrime sa podrobnejšie na princíp fungovania iónových kanálov. Na čo sú potrebné? Faktom je, že cez lipidovú membránu môžu voľne prenikať iba látky rozpustné v tukoch - sú to samotné plyny, alkoholy a tuky. Takže napríklad v červených krvinkách dochádza k neustálej výmene kyslíka a oxid uhličitý, a preto sa naše telo nemusí uchyľovať k žiadnym dodatočným trikom. Ale čo keď je potrebné transportovať cez bunkovú membránu vodné roztoky ako sú sodné a draselné soli?
Vydláždiť cestu takýmto látkam v bilipidovej vrstve by bolo nemožné, pretože otvory by sa okamžite stiahli a zlepili späť, taká je štruktúra akéhokoľvek tukového tkaniva. Ale príroda, ako vždy, našla východisko zo situácie a vytvorila špeciálne štruktúry na transport bielkovín.
Existujú dva typy vodivých proteínov:
Transportéry sú semiintegrálne proteínové pumpy;
Channeloformery sú integrálne proteíny.
Proteíny prvého typu sú čiastočne ponorené do bilipidovej vrstvy bunkovej membrány a hľadia von svojimi hlavami a v prítomnosti požadovanej látky sa začnú správať ako pumpa: priťahujú molekulu a nasávajú ju do bunka. A proteíny druhého typu, integrálne, majú predĺžený tvar a sú umiestnené kolmo na bilipidovú vrstvu bunkovej membrány a prenikajú cez ňu. Cez ne, ako cez tunely, sa látky, ktoré nie sú schopné prejsť cez tuk, presúvajú do bunky a von. Cez iónové kanály prenikajú draselné ióny do bunky a hromadia sa v nej, zatiaľ čo sodíkové ióny sú naopak vynášané von. Existuje rozdiel v elektrických potenciáloch, tak nevyhnutných pre správne fungovanie všetkých buniek nášho tela.
Najdôležitejšie závery o štruktúre a funkciách bunkových membrán
Teória vždy vyzerá zaujímavo a sľubne, ak sa dá užitočne aplikovať v praxi. Objav štruktúry a funkcií bunkových membrán ľudského tela umožnil vedcom urobiť skutočný prielom vo vede všeobecne, a najmä v medicíne. Nie je náhoda, že sme sa tak podrobne zaoberali iónovými kanálmi, pretože práve tu leží odpoveď na jednu z najdôležitejších otázok našej doby: prečo ľudia čoraz častejšie ochorejú na onkológiu?
Rakovina si každoročne vyžiada približne 17 miliónov životov na celom svete a je štvrtou najčastejšou príčinou všetkých úmrtí. Podľa WHO výskyt rakoviny neustále rastie a do konca roku 2020 by mohol dosiahnuť 25 miliónov ročne.
Čo vysvetľuje skutočnú epidémiu rakoviny a čo s ňou má spoločné funkcia bunkových membrán? Poviete si: dôvodom sú zlé podmienky prostredia, podvýživa, zlé návyky a ťažká dedičnosť. A, samozrejme, budete mať pravdu, ale ak sa budeme o probléme baviť podrobnejšie, tak dôvodom je prekyslenie ľudského organizmu. Vyššie uvedené negatívne faktory vedú k narušeniu bunkových membrán, bránia dýchaniu a výžive.
Tam, kde by malo byť plus, sa vytvorí mínus a bunka nemôže normálne fungovať. Ale rakovinové bunky nepotrebujú ani kyslík, ani zásadité prostredie – sú schopné využívať anaeróbny typ výživy. Preto za podmienok hladovanie kyslíkom a prekročenie hodnôt pH, zdravé bunky mutujú, aby sa prispôsobili svojmu prostrediu a stali sa rakovinovými bunkami. Takto človek dostane rakovinu. Aby ste tomu zabránili, stačí konzumovať dostatok čistá voda denne a zlikvidujte karcinogény v potravinách. Ľudia si to však spravidla dobre uvedomujú škodlivé produkty a potrebu kvalitnej vody a nič nerobiť - dúfajú, že ich problémy obídu.
Keďže lekári poznajú vlastnosti štruktúry a funkcií bunkových membrán rôznych buniek, môžu tieto informácie použiť na poskytnutie cielených, cielených terapeutických účinkov na telo. Mnohé moderné lieky, ktoré sa dostanú do nášho tela, hľadajú želaný „cieľ“, ktorým môžu byť iónové kanály, enzýmy, receptory a biomarkery bunkových membrán. Tento spôsob liečby umožňuje dosiahnuť lepšie výsledky s minimálnymi vedľajšími účinkami.
Antibiotiká najnovšej generácie po uvoľnení do krvi nezabíjajú všetky bunky za sebou, ale hľadajú presne bunky patogénu so zameraním na markery v jeho bunkových membránach. Najnovšie drogy proti migréne, triptány, zužujú len zapálené cievy mozgu, pričom takmer žiadny vplyv na srdce a periférne obehový systém. A potrebné cievy rozpoznávajú presne podľa bielkovín svojich bunkových membrán. Existuje veľa takýchto príkladov, takže môžeme s istotou povedať, že znalosti o štruktúre a funkciách bunkové membrány je základom rozvoja modernej medicínska veda a každý rok zachráni milióny životov.
vzdelanie: Moskva liečebný ústav ich. I. M. Sechenov, odbor - "Medicína" v roku 1991, v roku 1993 "choroby z povolania", v roku 1996 "Terapia".
bunková membrána
Obrázok bunkovej membrány. Malé modro-biele guľôčky zodpovedajú hydrofóbnym „hlavičkám“ fosfolipidov a čiary, ktoré sú k nim pripojené, zodpovedajú hydrofilným „chvostom“. Obrázok ukazuje iba integrálne membránové proteíny (červené guľôčky a žlté helixy). Žlté oválne bodky vo vnútri membrány - molekuly cholesterolu Žltozelené reťazce guľôčok na vonkajšej strane membrány - oligosacharidové reťazce, ktoré tvoria glykokalyx
Biologická membrána tiež zahŕňa rôzne proteíny: integrálne (prenikajúce cez membránu), semiintegrálne (ponorené na jednom konci do vonkajšej alebo vnútornej lipidovej vrstvy), povrchové (umiestnené na vonkajších alebo priľahlých vnútorných stranách membrány). Niektoré proteíny sú bodmi kontaktu bunkovej membrány s cytoskeletom vo vnútri bunky a bunkovej steny (ak existuje) vonku. Niektoré z integrálnych proteínov fungujú ako iónové kanály, rôzne transportéry a receptory.
Funkcie
- bariéra - zabezpečuje regulovaný, selektívny, pasívny a aktívny metabolizmus s okolím. Napríklad peroxizómová membrána chráni cytoplazmu pred peroxidmi nebezpečnými pre bunku. Selektívna permeabilita znamená, že priepustnosť membrány pre rôzne atómy alebo molekuly závisí od ich veľkosti, elektrického náboja a chemických vlastností. Selektívna permeabilita zaisťuje oddelenie bunky a bunkových kompartmentov od prostredia a dodáva im potrebné látky.
- transport - cez membránu dochádza k transportu látok do bunky a von z bunky. Transport cez membrány zabezpečuje: dodávanie živín, odstraňovanie konečných produktov metabolizmu, sekréciu rôznych látok, vytváranie iónových gradientov, udržiavanie optimálnej koncentrácie iónov v bunke, ktoré sú potrebné pre fungovanie bunkové enzýmy.
Častice, ktoré z nejakého dôvodu nie sú schopné prejsť cez fosfolipidovú dvojvrstvu (napríklad kvôli hydrofilným vlastnostiam, keďže membrána je vo vnútri hydrofóbna a neprepúšťa hydrofilné látky, alebo kvôli ich veľkej veľkosti), ale sú nevyhnutné pre bunku , môže preniknúť cez membránu cez špeciálne nosné proteíny (transportéry) a kanálové proteíny alebo endocytózou.
Pri pasívnom transporte látky prechádzajú cez lipidovú dvojvrstvu bez výdaja energie pozdĺž koncentračného gradientu difúziou. Variantom tohto mechanizmu je uľahčená difúzia, pri ktorej špecifická molekula pomáha látke prejsť cez membránu. Táto molekula môže mať kanál, ktorý umožňuje prechod iba jedného typu látky.
Aktívny transport si vyžaduje energiu, keďže prebieha proti koncentračnému gradientu. Na membráne sú špeciálne pumpové proteíny vrátane ATPázy, ktorá aktívne pumpuje draselné ióny (K +) do bunky a pumpuje z nej sodíkové ióny (Na +). - matrica - zabezpečuje určitú relatívnu polohu a orientáciu membránových proteínov, ich optimálnu interakciu.
- mechanická - zabezpečuje autonómiu bunky, jej vnútrobunkových štruktúr, ako aj spojenie s inými bunkami (v tkanivách). Bunkové steny zohrávajú dôležitú úlohu pri poskytovaní mechanickej funkcie a u zvierat - medzibunkovej substancii.
- energia - pri fotosyntéze v chloroplastoch a bunkovom dýchaní v mitochondriách fungujú v ich membránach systémy prenosu energie, na ktorých sa podieľajú aj bielkoviny;
- receptor – niektoré proteíny nachádzajúce sa v membráne sú receptory (molekuly, pomocou ktorých bunka vníma určité signály).
Napríklad hormóny cirkulujúce v krvi pôsobia len na cieľové bunky, ktoré majú receptory zodpovedajúce týmto hormónom. Neurotransmitery (chemikálie, ktoré vedú nervové impulzy) sa tiež viažu na špecifické receptorové proteíny na cieľových bunkách. - enzymatické - membránové proteíny sú často enzýmy. Napríklad plazmatické membrány buniek črevného epitelu obsahujú tráviace enzýmy.
- realizácia tvorby a vedenia biopotenciálov.
Pomocou membrány sa v bunke udržiava konštantná koncentrácia iónov: koncentrácia iónu K + vo vnútri bunky je oveľa vyššia ako vonku a koncentrácia Na + je oveľa nižšia, čo je veľmi dôležité, pretože toto udržuje potenciálny rozdiel cez membránu a vytvára nervový impulz. - bunkové značenie – na membráne sú antigény, ktoré fungujú ako markery – „štítky“, ktoré umožňujú bunku identifikovať. Ide o glykoproteíny (čiže proteíny s rozvetvenými bočnými oligosacharidovými reťazcami, ktoré sú k nim pripojené), ktoré plnia úlohu „antén“. Vzhľadom na nespočetné množstvo konfigurácií bočných reťazcov je možné vytvoriť špecifický marker pre každý typ bunky. Pomocou markerov môžu bunky rozpoznať iné bunky a konať v súlade s nimi, napríklad pri tvorbe orgánov a tkanív. Umožňuje tiež imunitnému systému rozpoznať cudzie antigény.
Štruktúra a zloženie biomembrán
Membrány sa skladajú z troch tried lipidov: fosfolipidy, glykolipidy a cholesterol. Fosfolipidy a glykolipidy (lipidy s naviazanými sacharidmi) pozostávajú z dvoch dlhých hydrofóbnych uhľovodíkových „chvostov“, ktoré sú spojené s nabitou hydrofilnou „hlavou“. Cholesterol spevňuje membránu tým, že zaberá voľný priestor medzi hydrofóbnymi lipidovými koncami a bráni im v ohýbaní. Preto sú membrány s nízkym obsahom cholesterolu pružnejšie, zatiaľ čo membrány s vysokým obsahom cholesterolu sú pevnejšie a krehkejšie. Cholesterol slúži aj ako „zátka“, ktorá zabraňuje pohybu polárnych molekúl z bunky a do bunky. Dôležitú časť membrány tvoria bielkoviny, ktoré do nej prenikajú a sú zodpovedné za rôzne vlastnosti membrán. Ich zloženie a orientácia v rôznych membránach sa líšia.
Bunkové membrány sú často asymetrické, to znamená, že vrstvy sa líšia zložením lipidov, prechodom jednotlivej molekuly z jednej vrstvy do druhej (tzv. žabky) je ťažké.
Membránové organely
Sú to uzavreté jednotlivé alebo vzájomne prepojené úseky cytoplazmy, oddelené od hyaloplazmy membránami. Jednomembránové organely zahŕňajú endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, lyzozómy, vakuoly, peroxizómy; na dvojmembránové - jadro, mitochondrie, plastidy. Štruktúra membrán rôznych organel sa líši v zložení lipidov a membránových proteínov.
Selektívna priepustnosť
Bunkové membrány majú selektívnu permeabilitu: glukóza, aminokyseliny, mastné kyseliny, glycerol a ióny cez ne pomaly difundujú a samotné membrány tento proces do určitej miery aktívne regulujú – niektoré látky prechádzajú, iné nie. Existujú štyri hlavné mechanizmy na vstup látok do bunky alebo ich odstránenie z bunky von: difúzia, osmóza, aktívny transport a exo- alebo endocytóza. Prvé dva procesy sú pasívnej povahy, to znamená, že nevyžadujú energiu; posledné dva sú aktívne procesy spojené so spotrebou energie.
Selektívna permeabilita membrány počas pasívneho transportu je spôsobená špeciálnymi kanálmi - integrálnymi proteínmi. Prenikajú cez membránu skrz-naskrz a vytvárajú akýsi priechod. Prvky K, Na a Cl majú svoje vlastné kanály. Vzhľadom na koncentračný gradient sa molekuly týchto prvkov pohybujú dovnútra a von z bunky. Pri podráždení sa kanály sodíkových iónov otvoria a dôjde k prudkému prílevu iónov sodíka do bunky. To má za následok nerovnováhu membránového potenciálu. Potom sa membránový potenciál obnoví. Draslíkové kanály sú vždy otvorené, cez ne draselné ióny pomaly vstupujú do bunky.
pozri tiež
Literatúra
- Antonov V. F., Smirnova E. N., Shevchenko E. V. Lipidové membrány počas fázových prechodov. - M.: Nauka, 1994.
- Gennis R. Biomembrány. Molekulárna štruktúra a funkcie: preklad z angličtiny. = Biomembrány. Molekulárna štruktúra a funkcia (Robert B. Gennis). - 1. vydanie. - M .: Mir, 1997. - ISBN 5-03-002419-0
- Ivanov V. G., Berestovskij T. N. lipidová dvojvrstva biologických membrán. - M.: Nauka, 1982.
- Rubin A.B. Biofyzika, učebnica v 2 zv. - 3. vydanie, prepracované a rozšírené. - M .: Moscow University Press, 2004. -
Bunková membrána (plazmatická membrána) je tenká, polopriepustná membrána, ktorá obklopuje bunky.
Funkcia a úloha bunkovej membrány
Jeho funkciou je chrániť celistvosť interiéru tým, že vpustí nejaké potrebné látky do klietky a nedovoliť ostatným vojsť.
Slúži tiež ako základ pre pripútanie k niektorým organizmom ak iným. Plazmatická membrána teda zabezpečuje aj tvar bunky. Ďalšou funkciou membrány je regulovať rast buniek prostredníctvom rovnováhy a.
Pri endocytóze sa lipidy a proteíny odstraňujú z bunkovej membrány, keď sa látky absorbujú. Pri exocytóze sa vezikuly obsahujúce lipidy a proteíny spájajú s bunkovou membránou, čím sa zväčšuje veľkosť buniek. a bunky húb majú plazmatické membrány. Vnútorné sú napríklad tiež uzavreté v ochranných membránach.
Štruktúra bunkovej membrány
Plazmatická membrána sa skladá hlavne zo zmesi proteínov a lipidov. V závislosti od umiestnenia a úlohy membrány v tele môžu lipidy tvoriť 20 až 80 percent membrány, zvyšok tvoria bielkoviny. Zatiaľ čo lipidy pomáhajú urobiť membránu flexibilnou, bielkoviny kontrolujú a udržiavajú chemické zloženie bunky a tiež pomáhajú pri transporte molekúl cez membránu.
Membránové lipidy
Fosfolipidy sú hlavnou zložkou plazmatických membrán. Tvoria lipidovú dvojvrstvu, v ktorej sa hydrofilné (vodou priťahované) oblasti "hlavy" spontánne organizujú tak, aby odolávali vodnému cytosólu a extracelulárnej tekutine, zatiaľ čo hydrofóbne (vodu odpudzujúce) "chvostové" oblasti smerujú preč od cytosolu a extracelulárnej tekutiny. Lipidová dvojvrstva je semipermeabilná a umožňuje len niektorým molekulám difundovať cez membránu.
Cholesterol je ďalšou lipidovou zložkou membrán živočíšnych buniek. Molekuly cholesterolu sú selektívne dispergované medzi membránovými fosfolipidmi. To pomáha udržiavať bunkové membrány pevné tým, že bráni tomu, aby fosfolipidy boli príliš tesne zbalené. Cholesterol chýba v membránach rastlinných buniek.
Glykolipidy sa nachádzajú vonkajší povrch bunkové membrány a sú s nimi spojené sacharidovým reťazcom. Pomáhajú bunke rozpoznať iné bunky v tele.
Membránové proteíny
Bunková membrána obsahuje dva typy asociovaných proteínov. Proteíny periférnej membrány sú externé a sú s ňou spojené interakciou s inými proteínmi. Integrálne membránové proteíny sa zavádzajú do membrány a väčšina cez ňu prechádza. Časti týchto transmembránových proteínov sa nachádzajú na jej oboch stranách.
Proteíny plazmatickej membrány majú množstvo rôzne funkcie. Štrukturálne proteíny poskytujú bunkám podporu a tvar. Proteíny membránových receptorov pomáhajú bunkám komunikovať s ich vonkajším prostredím pomocou hormónov, neurotransmiterov a iných signálnych molekúl. Transportné proteíny, ako sú globulárne proteíny, prenášajú molekuly cez bunkové membrány uľahčenou difúziou. Glykoproteíny majú na seba naviazaný sacharidový reťazec. Sú zabudované v bunkovej membráne a pomáhajú pri výmene a transporte molekúl.
Organelové membrány
Niektoré bunkové organely sú tiež obklopené ochrannými membránami. jadro,
