Строение, свойства и функции клеточных мембран

Что такое клеточная мембрана

Мембрана животной клетки является внешним слоем, а мембрана растительной клетки — вторым слоем после клеточной стенки.

Функции

В зависимости от места расположения мембраны выполняют различные функции. Ее основная роль заключается в определении того, что находится внутри клетки (внутриклеточного пространства) и того, что находится снаружи (внеклеточного пространства). Содержит рецепторы и ферменты.

Они создают и поддерживают электрохимические градиенты, используемые для различных целей, таких как реакция на внешние раздражители, передача информации, селективный транспорт молекул и синтез АТФ. Мембраны образуют внутриклеточные компартменты, в которых выполняются специфические функции, и формируют ядерную оболочку, в которой заключен генетический материал. В мембранах обнаружено множество типов рецепторов, которые позволяют клеткам «чувствовать» информационные молекулы внеклеточной среды. Таким образом, особенности плазматической мембраны наделяют нейроны способностью обрабатывать информацию. Сокращение мышечных клеток также зависит от свойств и функций мембран.

Одной из основных функций клеточной мембраны является транспорт.

1. При пассивном транспорте вещества перемещаются по градиенту концентрации. Следует отметить, что мембрана является селективно проницаемой, а не полупроницаемой. Полупроницаемость означает, что мембрана позволяет перемещать растворитель только от его более высокой концентрации к более низкой; перемещение растворителя не допускается.
2. В отличие от активного транспорта, который характеризуется восходящим движением веществ (т.е. от низших слоев к высшим) и поэтому требует затрат химической энергии, например, АТФ. При перемещении веществ через биологическую мембрану пассивному транспорту может понадобиться помощь мембранного белка, а может и не понадобиться.

Существует четыре основных вида пассивного транспорта:

• простая диффузия;
• фильтрация;
• облегченная диффузия;
• осмос.

Простая и облегченная диффузии относятся к чистому перемещению молекул от более высоких концентраций к более низким. Фильтрация — это перемещение молекул воды и растворителя через клеточную мембрану под действием гидростатического давления, создаваемого сердечно-сосудистой системой. Осмос — это диффузия растворителя (обычно молекул воды) через полупроницаемую мембрану от более низких концентраций растворителя к более высоким.

Мембраны также содержат множество ферментов, необходимых для метаболизма. Например, в плазматической мембране синтезируются целлюлоза и гиалуроновая кислота — молекулы, необходимые для внеклеточного матрикса растений и животных соответственно. Кроме того, здесь же находятся киназы, АТФазы для производства энергии, липазы и многое другое. Целостность животных тканей зависит от молекул адгезии между клетками и внеклеточным матриксом, а молекулы адгезии находятся в плазматической мембране.

При поглощении клетки образуется небольшая деформация внутрь (инвагинация), содержащая вещество, которое должно быть транспортировано внутрь клетки. Затем инвагинация отщепляется от клеточной мембраны, в результате чего образуется везикула, содержащая вещество. Поскольку для эндоцитоза требуется АТФ, он считается одним из видов активного транспорта.

Свойства

Клеточная мембрана контролирует, какие вещества могут входить и выходить из клетки. Она может пропускать определенное вещество в определенный момент времени, а затем отторгать это же вещество в более позднее время. Наличие поверхностных молекул (например, гликопротеинов, гликолипидов и т.д.) служит «ярлыком» клетки. Каждая клетка имеет свою «подпись», которая выполняет функцию распознавания клеток или своеобразной системы клеточной идентификации. Среди других основных функций подписи — адгезия клеток, проведение ионных каналов, клеточная сигнализация и место прикрепления цитоскелета (который важен для поддержания формы клетки).

Физико-химические особенности мембран определяют их свойства:

• мембраны представляют собой текучие слои липидов и белков, допускающие поперечное перемещение и перестройку молекул, как в слое вязкой жидкости;
• мембраны податливы и эластичны, при небольших разрывах самовосстанавливаются, восстанавливая свою целостность;
• мембраны полупроницаемы, то есть работают как селективный барьер для диффузии молекул, которые переходят с одной стороны на другую;
• в мембранах происходит непрерывный молекулярный обмен, что обеспечивает различные физиологические свойства.

Строение

Источник: spadilo.ru

Белки

Белки вносят важный вклад в формирование клеточной мембраны, которая составляет около 50% от общего объема мембраны. Существует в основном 3 типа мембранных белков.

1. Интегральные мембранные белки охватывают всю ширину клеточной мембраны. Они имеют 2 гидрофильных домена, которые взаимодействуют с внутриклеточной и внеклеточной средой соответственно, и 1 гидрофобный домен, который закрепляет белок в ядре клеточной мембраны.
   Примеры — ионные каналы, протонные насосы, рецепторы, связанные с G-белками.
2. Липидные белки — эти белки характеризуются ковалентным прикреплением к мембранному липиду. Эти белки могут находиться по обе стороны мембраны.
   Пример: G-белок.
3. Периферические мембранные белки — эти белки взаимодействуют с мембранами транзиторно. Они присоединяются либо к интегральным мембранным белкам, либо к периферии липидного бислоя. Прореагировав, белковая молекула диссоциирует и выполняет свою собственную функцию в цитозоле.
   Пример: гормоны, ферменты.

Липиды

Мембранные липиды по своей природе являются амфипатическими. Они состоят из гидрофильных полярных головок и гидрофобных неполярных хвостов жирных кислот. В плазматической мембране присутствуют в основном 3 типа липидов.

1. Фосфолипиды — молекулы фосфолипидов представляют собой амфипатические липиды с фосфатной группой, соединенной ковалентной связью. Они являются наиболее распространенной формой липидов, присутствующих в клеточной мембране, часто составляя более 50% от общего количества липидов. Они расположены в два слоя, гидрофильные концы которых контактируют с цитозолем клетки и внеклеточной средой. Гидрофобные концы обоих слоев образуют ядро клеточной мембраны. Примерами липидов являются глицерофосфолипиды (основной компонент) и сфингофосфолипиды (второстепенный). Таким образом, фосфолипид — это один из основных типов липидов, содержащихся в клеточных мембранах.
2. Гликолипиды — представляют собой липиды с углеводами, соединенными гликозидной связью. Они присутствуют в незначительных количествах и составляют всего около 2% от общего количества липидов клеточной мембраны. Однако они играют важнейшую роль в поддержании стабильности клеточной мембраны и в распознавании клеток. Различные группы крови человека определяются олигосахаридной группой гликолипидов на мембране РБК. К числу распространенных гликолипидов относятся глобозид, цереброзид, ганглиозид и др.
3. Стеролы — Остальные липиды представлены стеролами. Клеточные мембраны растений обычно содержат стерины, а животных — холестерин. Оба они служат одной цели — регулируют текучесть мембраны при различных температурах.

Например, у холоднокровных животных в клеточных мембранах содержится максимальное количество холестерина, который выполняет функцию антифриза. Однако при высоких температурах холестерин уменьшает перемещение цепей жирных кислот, а значит, снижает текучесть и уменьшает проницаемость клеточной мембраны. В растениях ту же роль выполняют стерины.

Во многих случаях липиды образуют везикулы, называемые липосомами. Они отличаются от мицелл тем, что липосомы образуются в основном из глицерофосфолипидов. С другой стороны, мицеллы образуются из сфингофосфолипидов. Липосомы имеют сферическую структуру и плоскую бислойную структуру, в то время как мицеллы — однослойную.

Углеводы

Мембранные углеводы присутствуют в основном в виде гликолипидов, гликопротеинов и протеогликанов. Углеводная часть присутствует в основном за пределами клеточной поверхности. Они образуют рыхлую углеводную оболочку, расположенную за пределами клеточной мембраны и называемую гликокаликсом.

Углеводы выполняют следующие важные функции:

1. Отталкивание отрицательно заряженных частиц, поскольку некоторые углеводные молекулы сами являются отрицательно заряженными.
2. Рецепторы клеточной поверхности. Например, рецепторы инсулина.
3. Играют роль в иммунных реакциях.
4. Прикрепление к соседним клеткам за счет взаимодействия между гликокаликсом.