Функции и строение клеточной мембраны

Одной из главных структур клетки растений и животных является клеточная мембрана (биологи называют ее также плазмалеммой). Функции клеточной мембраны в физиологии очень важны: она не только ограничивает клетку от наружной среды, но и входит в состав подавляющего большинства органоидов и ядра, поддерживая их форму и принимая участие в ферментативных и обменных реакциях.

Биологи условно разделили мембраны по расположению и назначению, назвав основную, наружную — цитоплазматической. Цитоплазматическая мембрана растительной клетки находится, как правило, непосредственно под оболочкой, плазмалемма животной клетки — это наружная структура, граничащая с внешней средой. Функциональные и физиологические особенности и той, и другой связаны с их молекулярным строением и обусловлены уникальной билипидной организацией.

активный транспорт веществ

Что такое клеточная мембрана

Если провести аналогию с куриным яйцом (разбив скорлупу, аккуратно отделить от нее тонкую полупрозрачную пленочку), то визуально можно представить, что скорлупа — это плотная клеточная оболочка, а пленка — мембрана. Эта картинка очень наглядно позволяет увидеть, каким образом под клеточной стенкой, состоящей из целлюлозы, располагается плазмалемма. Конечно, это представление будет условным, но, действительно, мембрана в переводе с латинского языка означает “кожа”. Хотя этот термин достаточно давний, он точно передает сущность мембранной структуры .

Цитолемма (еще одно ее название) животной клетки плотной оболочкой не защищена, однако имеет особый слой, состоящий из белков и жиров, соединенных с сахарами (гликопротеинов и гликолипидов). Называют его гликокаликс, и роль, которую он несет (рецепторная, сигнальная), очень важна для жизнедеятельности.

Строение

Строение структуры уникально, и именно за счет него функции клеточной мембраны выполняются точно и избирательно.

В структуру плазмалеммы входят молекулы:

  • фосфолипидов;
  • гликолипидов;
  • холестерола;
  • белков.

Однако не только такой щедрый химический состав делает цитоплазматическую мембрану особой структурой, все свои функции она выполняет благодаря строгой организации молекул.

строение цитоплазматической мембраны

Строение плазмалеммы физиологически идеально — двойной слой молекул жиров (липидов), полярно организованных, не дают “своим” выходить за пределы клетки, а “чужим” — проникать внутрь.

Организация плазмалеммы:

  • мембрана состоит из липидов молекулы, которые имеют особое строение;
  • каждый липид имеет два конца – гидрофильная (“любящая” воду) головка и гидрофобный (“боящийся” воды) хвост;
  • липиды выстроены таким образом, чтобы головки были снаружи, а гидрофобные хвосты внутри;
  • поверхность мембраны гидрофильна (пропускает воду и, соответственно, растворы), а вот внутренняя часть, состоящая из гидрофобных окончаний, воду отталкивает;
  • в основном молекулы липидов содержат остатки фосфорной кислоты (это фосфолипиды), некоторые связаны с углеводами (гликолипиды) и холестеролом;
  • холестерол придает мембране упругость и жесткость;
  • благодаря электростатическим свойствам липиды притягивают молекулы белков, которые также входят в структуру цитолеммы.

Именно белковые молекулы (гранулы) заслуживают отдельного внимания ученых. Из-за своего различного положения и ориентации в полужидкой липидной среде они выполняют самые различные и очень важные функции.

Внутри и на поверхности цитолеммы встречаются следующие виды белков:

  1. Периферические. Эти молекулы расположены на поверхности и в основном выполняют защитную и стабилизирующую функции. Так, они выстраивают ферменты в конвейерные цепи и не позволяют ферментам просто перемещаться вдоль бислоя.
  2. Погруженные внутрь (полуинтегральные). Основная их функция — ферментативная, также они могут участвовать в транспорте веществ. Изучена и еще одна интересная роль этих белков — как переносчиков. Они легко соединяются с транспортируемыми молекулами и проводят их внутрь клетки.
  3. Пронизывающие (интегральные). Они располагаются таким образом, что проходят насквозь, через билипидный слой. Если несколько таких белков сливаются, то образуется канал (пора), через которую могут проходить определенные вещества, связываясь с белковыми молекулами.

Таким образом, все элементы мембранного бислоя несут строго ограниченные своей ролью и строением функции. Благодаря такой организации система работает слаженно и точно.

Отмечено, что плазмалеммы даже внутри одной клетки неоднородны. В них различается не только соотношение химических составных (белков, липидов, углеводов), но и вязкость внутреннего содержимого, ферментативная активность, плотность наружного слоя, толщина.

строение цитоплазматической мембраны

Месторасположение в клетке

Мембранные структуры буквально пронизывают клеточное содержимое. Они ограничивают все органоиды (за редким исключением, например рибосомы), выстилают их изнутри, являются оболочками ядер.

Самая массивная по содержанию плазмалеммы структура — эндоплазматическая сеть (ЭПР). Если сложить все мембраны, ее составляющие, то получится площадь более половины общей — на все клеточное пространство. По морфологии оболочка ЭПР сходна с внешней ядерной. Они составляют с ней единую систему и обеспечивают активный взаимный перенос элементов.

Комплекс Гольджи — еще один органоид, полностью выполненный из мембранных мешочков (цистерн). Также цитолеммы имеют митохондрии и пластиды.

Плазматическая мембрана — это часть плазмалеммы, находящаяся на границе клеточного содержимого. Она ограничивает протопласт от внешней среды, окружает клетку, защищая его от наружного воздействия.

строение цитоплазматической мембраны

Функции

В зависимости от расположения и особенностей все мембраны выполняют собственные функции, тем не менее по выполняемой работе они сходны.

Роль плазмалеммы:

  1. Барьерная. Эта функция является основной и выполняется всеми видами клеточных мембран. Особенно она важна для наружной оболочки: благодаря ей клетка поддерживает форму, гомеостаз, стабильность внутреннего содержимого, целостность.
  2. Транспортная. Второе важнейшее назначение — активный и пассивный перенос веществ изнутри клетки в наружную среду и обратно. Механизмы этого переноса самые разнообразные, транспорт может происходить как через каналы, образуемые пронизывающими молекулами белков, так и с помощью переносчиков. Также различают пассивное (по градиенту концентрации, например диффузия газов), и активное (против градиента, с затратой выработанной клеткой энергии).
  3. Рецепторная. Эта роль возложена на пронизывающие белки, которые особым образом связаны с углеводными цепочками (гликополисахаридами). Образовавшиеся таким образом рецепторы, которые по своему строению и являются гликопротеидами, образуют комплекс с гормонами, затем активируются катализаторы, и такая система запускает механизмы поступления или вывода различных веществ.
  4. Обмен информацией. Способность клетки контактировать оболочками, обмениваясь друг с другом информацией сродни рецепторным реакциям. Благодаря им происходит стимуляция роста или торможения и иные физиологические процессы. Такой контакт может быть механическим (простое или замковое смыкание оболочек) и при помощи специальных образований — синапсов. Передающиеся через синапсы сигналы могут быть как механическими, так и электрическими.
  5. Энергетическая. Плазмалемма митохондрий и пластид (хлоропластов) отвечает за синтез аденозинтрифосфорной кислоты — аккумулятора клеточной энергии.

Особо следует отметить эндо- и экзоцитоз. Вследствие этих мембранных механизмов в клетку могут поступать не только целые молекулы больших размеров, но и неизмененные, сторонние клетки. Примером эндоцитоза (обволакивания крупных частиц или капель жидкости, втягивание внутрь цитоплазмы и дальнейшая химическая дезактивация) может служить поглощение вредных и чужеродных молекул лейкоцитами.

Экзоцитоз — обратный транспорт. Благодаря ему ненужные, отработанные вещества окружаются плазмалеммами и выносятся наружу через поры.

Такое множество функций и разнообразие реакций, происходящих как внутри, так и снаружи плазмалеммы, возможно за счет их упорядоченного физико-химического строения.

строение цитоплазматической мембраны

Физико-химические свойства мембран

При обычных (свойственных организму) условиях физическое состояние мембран — жидкое. Однако в их молекулярной организации есть порядок (представлен выше), поэтому правильно называть ее жидкокристаллическим, а состояние этой кристаллической структуры — смектическое.

Свойства:

  • чувствительность к внешним условиям;
  • асимметричность;
  • текучесть;
  • изменчивость;
  • самоорганизация;
  • замкнутость;
  • пластичность.

Особенности этой организации, свойственные цитолеммам, позволяют им перейти и в другое состояние (например, в гель при понижении температуры).

Именно поэтому при длительном изменении внешних условий в мембранах происходит изменение и химического состава — они проходят период адаптации, что не всегда благотворно сказывается на состоянии клетки.

При химическом анализе установлено, что все элементы, входящие в состав клеточной оболочки по количеству вариативны. Например, в эритроцитах количество белковых молекул в 2,5 раза больше, чем липидных, а в миелиновой мембране — наоборот.

активный транспорт веществ

Клеточный цикл

Согласно научным источникам, в клеточный цикл входят все периоды развития клетки от момента деления материнской и образования дочерней до гибели (или деления). Клеточный цикл кратко можно охарактеризовать несколькими точными параметрами.

Длительность

Существуют как быстро делящиеся — 12-36 ч (например, кроветворные), так и медленно воспроизводящиеся. Средний цикл, свойственный многим организмам — от 10 до 25 часов.

Фазы клеточного цикла

Жизнь клеточного организма можно разделить на несколько фаз.

Фазы:

  1. Интерфаза, или клеточный рост. В этот период происходит быстрая наработка веществ (ДНК, белков и т. д.) и подготовка к делению. Интерфазу можно условно разделить на подпериоды. Это G1-фаза (начальный рост), S-фаза (репликация ДНК) и G2-фаза (непосредственно подготовка к митозу).
  2. Фаза митоза, или “фаза М”. Это время жизни также можно разделить на две стадии – кариокинез (деление ядра) и цитокинез (деление цитоплазмы).

Клеточный цикл — высокоорганизованная система.

Регуляция клеточного цикла

Все периоды клеточного цикла регулируются особыми белками — циклин-зависимыми киназами и циклинами. Содержание этих белков варьируется на разных стадиях жизненного цикла. После митотического деления они полностью разрушаются.

функции клеточной мембраны (главный ключ)

Исследования

Различные гипотезы строения клеточных мембран предлагались с 1902 года, когда было замечено, что липиды и некоторые другие органические вещества довольно легко проникают в цитоплазму.

Далее ход исследований можно разбить на этапы:

  1. В 1925 году было проведено экстрагирование липидов из эритроцитов и измерена площадь мономолекулярной пленки. Таким образом, впервые Гортер и Грендел показали, что мембраны структурно организованы в виде бимолекулярного слоя.
  2. 1935 г. — Даниэлли и Давсон показали миру модель “бутерброда”, согласно которой плазмалемма имела три слоя (ломтики-пластинки белков с липидами с двух сторон и посередине пустота). Эта теория с успехом просуществовала до 1950 года, мало того, ее правомерность доказали при изобретении электронного микроскопа.
  3. 1960 г. — Дж. Робертсон окончательно сформулировал гипотезу трехслойной мембраны. Но каким образом происходит активный транспорт веществ через такую структуру, ученый внятно показать не смог.
  4. 1972 г. — сформирована жидкомозаичная модель, согласно которой плазмалемма имеет билипидное строение.

С этого года жидкомозаичная концепция строения мембран оставалась без особых изменений и только дополнялась исследованиями, проводящимися с помощью новейших научных методов — рентгено-структурного анализа, электронно-микроскопического исследования, метода “замораживание-скол-травление” и других.

функции клеточной мембраны (главный ключ)

Значение

Изучение механизмов, функций и строения цитоплазматической мембраны имеет огромное значение в различных биологических дисциплинах и медицине.

Например, при лечении онкологических заболеваний точное попадание в мишень (раковую клетку) — основа успеха, а оружием для такого “выстрела” и становятся поры-канальцы, мембранные белки-рецепторы, ферменты, находящиеся в оболочках.

Также использование антибиотиков последнего поколения стало направленным именно благодаря тому, что они нацелены на маркерные молекулы оболочек бактерий. Это касается и других лекарственных препаратов (болеутоляющих, гепатопротекторов и так далее).

Направленное действие только на ткани, имеющие патологию, значительно оптимизирует схемы терапии.

Видео

В этом видео очень подробно рассказано о строении клеточной мембраны.

Отзывы и комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Adblock detector