Плазматическая мембрана — химический состав, строение и свойства

Мембранные белки

В ли­пид­ный бис­лой мем­бра­ны по­гру­же­ны мо­ле­ку­лы бел­ков, они об­ра­зу­ют по­движ­ную мо­за­и­ку. По рас­по­ло­же­нию в мем­бране и спо­со­бу вза­и­мо­дей­ствия с ли­пид­ным бис­ло­ем белки можно раз­де­лить на:

— по­верх­ност­ные (или пе­ри­фе­ри­че­ские) мем­бран­ные белки, свя­зан­ные с гид­ро­филь­ной по­верх­но­стью ли­пид­но­го бис­лоя;

— ин­те­граль­ные (мем­бран­ные) белки, по­гру­жен­ные в гид­ро­фоб­ную об­ласть бис­лоя.

Ин­те­граль­ные белки раз­ли­ча­ют­ся по сте­пе­ни по­гру­жен­но­сти их в гид­ро­фоб­ную об­ласть бис­лоя. Они могут быть пол­но­стью по­гру­же­ны (ин­те­граль­ные) или ча­стич­но по­гру­же­ны (по­лу­ин­те­граль­ные), а также могут про­ни­зы­вать мем­бра­ну на­сквозь (транс­мем­бран­ные).

Мем­бран­ные белки по своим функ­ци­ям можно раз­де­лить на две груп­пы:

— струк­тур­ные белки. Они вхо­дят в со­став кле­точ­ных мем­бран и участ­ву­ют в под­дер­жа­нии их струк­ту­ры.

— ди­на­ми­че­ские белки. Они на­хо­дят­ся на мем­бра­нах и участ­ву­ют в про­ис­хо­дя­щих на ней про­цес­сах.

Вы­де­ля­ют три клас­са ди­на­ми­че­ских бел­ков.

1. Ре­цеп­тор­ные. С по­мо­щью этих бел­ков клет­ка вос­при­ни­ма­ет раз­лич­ные воз­дей­ствия на свою по­верх­ность. То есть они спе­ци­фи­че­ски свя­зы­ва­ют такие со­еди­не­ния, как гор­мо­ны, ней­ро­ме­ди­а­то­ры, ток­си­ны на на­руж­ной сто­роне мем­бра­ны, что слу­жит сиг­на­лом для из­ме­не­ния раз­лич­ных про­цес­сов внут­ри клет­ки или самой мем­бра­ны.

2. Транс­порт­ные. Эти белки транс­пор­ти­ру­ют через мем­бра­ну те или иные ве­ще­ства, также они об­ра­зо­вы­ва­ют ка­на­лы, через ко­то­рые осу­ществ­ля­ет­ся транс­порт раз­лич­ных ионов в клет­ку и из нее.

3. Фер­мен­та­тив­ные. Это бел­ки-фер­мен­ты, ко­то­рые на­хо­дят­ся в мем­бране и участ­ву­ют в раз­лич­ных хи­ми­че­ских про­цес­сах.

Транс­порт ве­ществ через мем­бра­ну

Ли­пид­ные бис­лои в зна­чи­тель­ной сте­пе­ни непро­ни­ца­е­мы для мно­гих ве­ществ, по­это­му тре­бу­ет­ся боль­шое ко­ли­че­ство энер­ге­ти­че­ских за­трат для пе­ре­но­са ве­ществ через мем­бра­ну, а также тре­бу­ет­ся воз­ник­но­ве­ние раз­лич­ных струк­тур.

Раз­ли­ча­ют два типа транс­пор­та: пас­сив­ный и ак­тив­ный.

Пас­сив­ный транс­порт

Пас­сив­ный транс­порт – это пе­ре­нос мо­ле­кул по гра­ди­ен­ту кон­цен­тра­ции. То есть он опре­де­ля­ет­ся толь­ко раз­но­стью кон­цен­тра­ции пе­ре­но­си­мо­го ве­ще­ства на про­ти­во­по­лож­ных сто­ро­нах мем­бра­ны и осу­ществ­ля­ет­ся без за­трат энер­гии.

Су­ще­ству­ет два вида пас­сив­но­го транс­пор­та:

— про­стая диф­фу­зия (см. Рис. 8), ко­то­рая про­ис­хо­дит без уча­стия мем­бран­но­го белка. Ме­ха­низ­мом про­стой диф­фу­зии осу­ществ­ля­ет­ся транс­мем­бран­ный пе­ре­нос газов (кис­ло­ро­да и уг­ле­кис­ло­го газа), воды и неко­то­рых про­стых ор­га­ни­че­ских ионов. Про­стая диф­фу­зия от­ли­ча­ет­ся низ­кой ско­ро­стью.

Рис. 8. Про­стая диф­фу­зия

— об­лег­чен­ная диф­фу­зия (см. Рис. 9) от­ли­ча­ет­ся от про­стой тем, что про­хо­дит с уча­сти­ем бел­ков-пе­ре­нос­чи­ков. Этот про­цесс спе­ци­фи­чен и про­те­ка­ет с более вы­со­кой ско­ро­стью, чем про­стая диф­фу­зия.

Рис. 9. Об­лег­чен­ная диф­фу­зия

Из­вест­ны два типа мем­бран­ных транс­порт­ных бел­ков: бел­ки-пе­ре­нос­чи­ки (транс­ло­ка­зы) и белки ка­на­ло­об­ра­зу­ю­щие. Транс­порт­ные белки свя­зы­ва­ют спе­ци­фи­че­ские ве­ще­ства и пе­ре­но­сят их через мем­бра­ну по гра­ди­ен­ту их кон­цен­тра­ции, и, сле­до­ва­тель­но, для осу­ществ­ле­ния этого про­цес­са, как и при про­стой диф­фу­зии, не тре­бу­ет­ся за­тра­ты энер­гии АТФ.

Основные сведения[править | править код]

Клеточная стенка, если таковая у клетки имеется (обычно есть у растительных клеток), покрывает клеточную мембрану.

Клеточная мембрана представляет собой двойной слой (бислой) молекул класса липидов, большинство из которых представляет собой так называемые сложные липиды — фосфолипиды. Молекулы липидов имеют гидрофильную («головка») и гидрофобную («хвост») части. При образовании мембран гидрофобные участки молекул оказываются обращены внутрь, а гидрофильные — наружу. Мембраны — структуры инвариабельные, весьма сходные у разных организмов. Некоторое исключение составляют, пожалуй, археи, у которых мембраны образованы глицерином и терпеноидными спиртами. Толщина мембраны составляет 7—8 нм.

Биологическая мембрана включает и различные белки: интегральные (пронизывающие мембрану насквозь), полуинтегральные (погруженные одним концом во внешний или внутренний липидный слой), поверхностные (расположенные на внешней или прилегающие к внутренней сторонам мембраны). Некоторые белки являются точками контакта клеточной мембраны с цитоскелетом внутри клетки, и клеточной стенкой (если она есть) снаружи. Некоторые из интегральных белков выполняют функцию ионных каналов, различных транспортеров и рецепторов.

Сигнальные пути

Клеточная мембрана выполняет роль барьера, защищая внутреннюю среду клетки от внешней среды. Однако, благодаря наличию рецепторов на мембране, она также способствует передаче сигналов из внешней среды внутрь клетки, и этот процесс называется сигнальным путем.

Сигнальные пути могут быть различных типов и приводить к активации различных факторов. Например, одним из наиболее изученных сигнальных путей является путь активации белка киназы, который играет ключевую роль в регуляции многих биологических процессов.

В процессе сигнального пути рецептор на мембране клетки связывается с молекулой сигнального молекула. Этот связывание приводит к конформационным изменениям в рецепторе, которые активируют внутренний сигнальный путь. Затем сигнал передается посредством последовательного активирования различных белков и ферментов внутри клетки, пока не будет достигнута конечная цель сигнального пути.

Сигнальные пути являются важным механизмом регуляции жизнедеятельности клетки и могут быть нарушены в случае патологических состояний, например, онкологических заболеваний

Поэтому изучение сигнальных путей является важной задачей в медицинских и биологических исследованиях

Вопрос-ответ:

Что представляет собой клеточная мембрана?

Клеточная мембрана — это биологическая мембрана, которая разделяет внутреннюю среду клетки и внешнюю среду. Она состоит из двух слоев фосфолипидов, в которые встроены белки и гликолипиды.

Какова структура клеточной мембраны?

Клеточная мембрана состоит из двух слоев фосфолипидов, гидрофильные «головки» которых обращены наружу, а гидрофобные «хвосты» направлены друг к другу. В мембрану встроены белки, гликолипиды и холестерин.

Что такое перенос веществ через клеточную мембрану?

Перенос веществ через клеточную мембрану — это процесс, при котором различные вещества проходят через мембрану, чтобы попадать внутрь или наружу клетки. Существуют два типа переноса: пассивный (без затрат энергии) и активный (с затратой энергии).

Какие белки могут быть встроены в клеточную мембрану?

В клеточную мембрану могут быть встроены различные типы белков: рецепторы, каналы, транспортеры, ферменты, адаптеры, структурные белки и т.д. Каждый тип белков выполняет свою определенную функцию.

Как клетки могут взаимодействовать друг с другом через клеточную мембрану?

Клетки могут взаимодействовать друг с другом через клеточную мембрану с помощью специальных белков, которые находятся на поверхности мембраны. Они могут связываться друг с другом и передавать сигналы, что позволяет клеткам координировать свою деятельность.

Что такое гликолипиды и какова их роль в клеточной мембране?

Гликолипиды — это липиды, к которым присоединены углеводы. Они находятся на поверхности внешнего слоя клеточной мембраны и выполняют различные функции, такие как защита клетки от вредных веществ и участие в распознавании клеток других организмов.

Связь с межклеточной матрицей

Клеточная мембрана играет важную роль в коммуникации клеток с межклеточной матрицей. Межклеточная матрица представляет собой комплекс белков и гликопротеинов, находящихся в пространстве между клетками. Она является своеобразным каркасом, обеспечивающим опору и защиту тканей и органов.

Одной из главных задач клеточной мембраны является поддержание связи между клеткой и межклеточной матрицей. Этот процесс осуществляется с помощью специфических белков, называемых интегринами, которые находятся на поверхности клеток. Интегринами связываются молекулы коллагена, фибронектина и других компонентов межклеточной матрицы.

Таким образом, связь между клеточной мембраной и межклеточной матрицей является важным компонентом здоровой функциональности клеток и тканей. Она обеспечивает оптимальную обменную поверхность и защищает ткани от внешних воздействий.

Осмос

Осмос – это процесс переноса воды через клеточную мембрану. Вода перемещается из области с более высокой концентрацией воды в область с более низкой концентрацией воды.

Концентрация – это мера количества вещества в данном объеме раствора.

Осмос происходит благодаря разнице в концентрации растворов по разные стороны мембраны. Весной кустарники и деревья начинают цветение, и для того, чтобы поставить цветы, им необходимы продукты фотосинтеза. Вода с минералами впитывается из почвы в корни растений и с помощью осмоса поднимается к листам, где происходит фотосинтез.

Осмотическое давление – это давление, которое оказывается на мембрану вследствие разности концентраций растворов. Чем больше концентрация раствора, тем больше осмотическое давление. Если клетки многоклеточного организма находятся в растворе с большей концентрацией соли, чем внутри клетки, то клетка потеряет воду и может даже умереть.

Избирательная проницаемость[править | править код]

Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: через них медленно диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерол и ионы, причем сами мембраны в известной мере активно регулируют этот процесс — одни вещества пропускают, а другие нет. Существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или вывода их из клетки наружу: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо- или эндоцитоз. Два первых процесса носят пассивный характер, то есть не требуют затрат энергии; два последних — активные процессы, связанные с потреблением энергии.

Избирательная проницаемость мембраны при пассивном транспорте обусловлена специальными каналами — интегральными белками. Они пронизывают мембрану насквозь, образовывая своего рода проход. Для элементов K, Na и Cl есть свои каналы. Относительно градиента концентрации молекулы этих элементов движутся в клетку и из неё. При раздражении каналы натриевых ионов раскрываются, и происходит резкое поступление в клетку ионов натрия. При этом происходит дисбаланс мембранного потенциала. После чего мембранный потенциал восстанавливается. Каналы калия всегда открыты, через них в клетку медленно попадают ионы калия.

Строение клеточной мембраны

Клеточные мембраны содержат липиды трех классов:

Фосфолипиды (комбинация жиров и фосфора) и гликолипиды (комбинация жиров и углеводов), в свою очередь, состоят из гидрофильной головки, от которой отходят два длинных гидрофобных хвостика. А вот холестерол иногда занимает пространство между этими двумя хвостиками и не даёт им изгибаться, что делает мембраны некоторых клеток жесткими. Кроме того, молекулы холестерола упорядочивают структуру клеточных мембран и препятствуют переходу полярных молекул из одной клетки в другую.

Структура клеточной мембраны трехслойна. Посередине пролегает относительно однородный жидкий билипидный слой, а белки покрывают его с обеих сторон подобием мозаики, частично проникая в толщу. То есть, неправильно было бы думать, что внешние белковые слои клеточных мембран непрерывны. Белки, помимо своих сложных функций, нужны в мембране для того, чтобы пропускать внутрь клеток и транспортировать из них наружу те вещества, которые не способны проникнуть сквозь жировой слой. К примеру, ионы калия и натрия. Для них предусмотрены специальные белковые структуры – ионные каналы, подробнее о которых мы расскажем далее.

Ионные каналы клеточных мембран

Рассмотрим более подробно принцип работы ионных каналов. Для чего они нужны? Дело в том, что сквозь липидную мембрану беспрепятственно могут проникать только жирорастворимые вещества – это газы, спирты и сами жиры. Так, например, в красных кровяных тельцах постоянно происходит обмен кислорода и углекислого газа, и для этого нашему организму не приходится прибегать ни к каким дополнительным ухищрениям. Но как же быть, когда возникает необходимость в транспортировке сквозь клеточную мембрану водных растворов, таких, как соли натрия и калия?

Проложить в билипидном слое путь для таких веществ было бы невозможно, поскольку отверстия бы тут же затянулись и слиплись обратно, такова уж структура любой жировой ткани. Но природа, как всегда, нашла выход из ситуации, и создала специальные белковые транспортные структуры.

Существует два типа проводящих белков:

Транспортеры – полуинтегральные белки-насосы;

Каналоформеры – интегральные белки.

Белки первого типа частично погружены в билипидный слой клеточной мембраны, а головкой выглядывают наружу, и в присутствии нужного вещества они начинают вести себя, как насос: притягивают молекулу и всасывают её внутрь клетки. А белки второго типа, интегральные, имеют вытянутую форму и располагаются перпендикулярно билипидному слою клеточной мембраны, пронизывая её насквозь. По ним, как по тоннелям, в клетку и из клетки движутся вещества, неспособные проходить сквозь жир. Именно через ионные каналы внутрь клетки проникают ионы калия и накапливаются в ней, а ионы натрия, наоборот, выводятся наружу. Возникает разность электрических потенциалов, так необходимая для правильной работы всех клеток нашего организма.

Строение плазматической мембраны клетки:

История изучения

Впервые строение и функции плазматической мембраны начали изучать в 1925 году. Тогда специалисты смогли впервые выделить оболочки эритроцитов. Они назвали их «тени», вычислили общую площадь. После этого ученые с помощью ацетона выделили все жиры (липиды). Это было необходимо для определения их количества на каждую единицу площади эритроцитов. Вывод, сделанный после исследований и экспериментов, был правильным, но ученые допустили несколько грубейших ошибок:

• ацетон не помогает выделить абсолютно все жиры из цитоплазматической мембраны;
• площадь цитолеммы была определена неправильно, поскольку мембраны были сухими.

Несмотря на эти нарушения, случайным образом результат оказался верным, что позволило открыть двойной слой или бислой. Далее исследования специалистов продолжились

Они обратили внимание на натяжение выделенных пленок. Мембраны не могли быть такими жесткими, поэтому появилась теория, что они содержат белки, позволяющие сохранять упругость и эластичность

В 1935 году американские ученые пришли к выводу, что схема строения плазматической мембраны напоминает сандвич, то есть имеется липидный бислой, с двух сторон окруженный белковыми прослойками.

В 1950-х годах теория была подтверждена во время первых микроскопических исследований. В 1960 году Дж. Робертсон сформулировал теорию строения биологической мембраны, которая утверждала, что все оболочки в клетках состоят из трех слоев. Однако теория сандвича или бутерброда была опровергнута, поскольку появились другие факты.

Первым из них стали сведения о глобулярности мембраны. Помимо этого, специалисты определили, что во время микроскопического исследования структура пленки во многом зависит от способа ее фиксации. Следующим открытием, опровергающим теорию сандвича, было изучение сперматозоида, во время которого появилось подтверждение, что даже в одной клетке структура мембраны на разных участках отличается.

Свойства и функции клеточной мембраны

Клеточная мембрана выполняет следующие функции:

Барьерную – проницаемость мембраны для разных типов молекул неодинакова.Чтобы миновать оболочку клетки, молекула должна иметь определенный размер, химические свойства и электрический заряд. Вредные или неподходящие молекулы, благодаря барьерной функции клеточной мембраны, просто не могут проникнуть внутрь клетки. Например, с помощью реакции пероксиса мембрана защищает цитоплазму от опасных для нее пероксидов;

Транспортную – сквозь мембрану проходит пассивный, активный, регулируемый и избирательный обмен. Пассивный обмен подходит для жирорастворимых веществ и газов, состоящих из очень маленьких молекул. Такие вещества проникают внутрь и выходят из клетки без затрат энергии, свободно, методом диффузии. Активная транспортная функция клеточной мембраны задействуется тогда, когда в клетку или из нее нужно провести необходимые, но трудно транспортируемые вещества. Например, обладающие большим размером молекул, или неспособные пересечь билипидный слой из-за гидрофобности. Тогда начинают работать белки-насосы, в том числе АТФаза, которая отвечает за всасывание в клетку ионов калия и выбрасывание из нее ионов натрия. Регулируемый транспортный обмен необходим для осуществления функций секреции и ферментации, например, когда клетки производят и выделяют гормоны или желудочный сок. Все эти вещества выходят из клеток через специальные каналы и в заданном объеме. А избирательная транспортная функция связана с теми самыми интегральными белками, которые пронизывают мембрану и служат каналом для входа и выхода строго определенных типов молекул;

Матричную – клеточная мембрана определяет и фиксирует расположение органоидов относительно друг друга (ядра, митохондрий, хлоропластов) и регулирует взаимодействие между ними;

Механическую – обеспечивает ограничение одной клетки от другой, и, в то же время,— правильное соединение клеток в однородную ткань и устойчивость органов к деформации;

Защитную – как у растений, так и у животных, клеточная мембрана служит основой для построения защитного каркаса. Примером могут служить твердая древесина, плотная кожура, колючие шипы. В животном мире тоже много примеров защитной функции клеточных мембран – черепаший панцирь, хитиновая оболочка, копыта и рога;

Энергетическую — процессы фотосинтеза и клеточного дыхания были бы невозможны без участия белков клеточной мембраны, ведь именно с помощью белковых каналов клетки обмениваются энергией;

Рецепторную— белки, встроенные в клеточную мембрану, могут обладать ещё одной важной функцией. Они служат рецепторами, благодаря которым клетка получает сигнал от гормонов и нейромедиаторов

А это, в свою очередь, необходимо для проведения нервных импульсов и нормального течения гормональных процессов;

Ферментативную — ещё одна важная функция, присущая некоторым белкам клеточных мембран. Например, в эпителии кишечника с помощью таких белков синтезируются пищеварительные ферменты;

Биопотенциальную – концентрация ионов калия внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а концентрация ионов натрия, наоборот, снаружи больше, чем внутри. Этим и объясняется разность потенциалов: внутри клетки заряд отрицательный, в снаружи положительный, что способствует движению веществ внутрь клетки и наружу при любом из трех типов обмена – фагоцитозе, пиноцитозе и экзоцитозе;

Клеточный обмен происходит через мембраны, и может осуществляться с помощью трех основных типов реакций:

Фагоцитоз – клеточный процесс, при котором встроенные в мембрану клетки-фагоциты захватывают и переваривают твердые частички питательных веществ. В человеческом организме фагоцитоз осуществляется мембранами двух типов клеток: гранулоцитов (зернистых лейкоцитов) и макрофагов (иммунных клеток-убийц);

Экзоцитоз – обратный процесс, при котором внутри клетки образуются пузырьки с секреторной функциональной жидкостью (ферментом, гормоном), и её необходимо как-то вывести из клетки в окружающую среду. Для этого пузырек сначала сливается с внутренней поверхностью клеточной мембраны, затем выпячивается наружу, лопается, исторгает содержимое и снова сливается с поверхностью мембраны, на этот раз уже с внешней стороны. Экзоцитоз проходит, например, в клетках кишечного эпителия и коры надпочечников.

Функции[править | править код]

барьерная — обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой. Например, мембрана пероксисом защищает цитоплазму от опасных для клетки пероксидов. Избирательная проницаемость означает, что проницаемость мембраны для различных атомов или молекул зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств. Избирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами.
транспортная — через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембраны обеспечивает: доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке оптимального pH и концентрации ионов, которые нужны для работы клеточных ферментов. Частицы, по какой-либо причине неспособные пересечь фосфолипидный бислой (например, из-за гидрофильных свойств, так как мембрана внутри гидрофобна и не пропускает гидрофильные вещества, или из-за крупных размеров), но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортеры) и белки-каналы или путем эндоцитоза. При пассивном транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии по градиенту концентрации путем диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия, при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть канал, пропускающий вещества только одного типа. Активный транспорт требует затрат энергии, так как происходит против градиента концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза, которая активно вкачивает в клетку ионы калия (K+) и выкачивают из неё ионы натрия (Na+).
матричная — обеспечивает определенное взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие.
механическая — обеспечивает автономность клетки, ее внутриклеточных структур, также соединение с другими клетками (в тканях). Большую роль в обеспечение механической функции имеют клеточные стенки, а у животных — межклеточное вещество.
энергетическая — при фотосинтезе в хлоропластах и клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки;
рецепторная — некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает те или иные сигналы). Например, гормоны, циркулирующие в крови, действуют только на такие клетки-мишени, у которых есть соответствующие этим гормонам рецепторы. Нейромедиаторы (химические вещества, обеспечивающие проведение нервных импульсов) тоже связываются с особыми рецепторными белками клеток-мишеней.
ферментативная — мембранные белки нередко являются ферментами. Например, плазматические мембраны эпителиальных клеток кишечника содержат пищеварительные ферменты.
осуществление генерации и проведения биопотенциалов

С помощью мембраны в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов: концентрация иона К+ внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а концентрация Na+ значительно ниже, что очень важно, так как это обеспечивает поддержание разности потенциалов на мембране и генерацию нервного импульса.
маркировка клетки — на мембране есть антигены, действующие как маркеры — «ярлыки», позволяющие опознать клетку. Это гликопротеины (то есть белки с присоединенными к ним разветвленными олигосахаридными боковыми цепями), играющие роль «антенн»

Из-за бесчисленного множества конфигурации боковых цепей возможно сделать для каждого типа клеток свой особый маркер. С помощью маркеров клетки могут распознавать другие клетки и действовать согласованно с ними, например, при формировании органов и тканей. Это же позволяет иммунной системе распознавать чужеродные антигены.