Всички живи организми на Земята са изградени от клетки, а всяка клетка е заобиколена от защитна мембрана - мембрана. Въпреки това, функциите на мембраната не се ограничават до защитата на органоидите и отделянето на една клетка от друга. Клетъчната мембрана е сложен механизъм, който пряко участва в репродукцията, регенерацията, храненето, дишането и много други важни функции на клетката..
Терминът "клетъчна мембрана" се използва от около сто години. Думата "мембрана" в превод от латински означава "филм". Но в случая с клетъчната мембрана ще бъде по-правилно да се говори за съвкупността от два филма, свързани помежду си по определен начин, а различните страни на тези филми имат различни свойства..
Клетъчната мембрана (цитолема, плазмена мембрана) е трислойна липопротеинова (мастна-протеинова) мембрана, която отделя всяка клетка от съседните клетки и околната среда и извършва контролиран обмен между клетките и околната среда..
От решаващо значение в тази дефиниция не е, че клетъчната стена разделя една клетка от друга, а че осигурява нейното взаимодействие с други клетки и околната среда. Мембраната е много активна, постоянно работеща клетъчна структура, върху която природата има много функции. От нашата статия ще научите всичко за състава, структурата, свойствата и функциите на клетъчната мембрана, както и за опасността, която човешките мембрани причиняват на човешкото здраве..
Съдържание на статията:
- История на изследване на клетъчната мембрана
- Свойства и функции на клетъчната мембрана
- Структурата на клетъчната мембрана
- Най-важните изводи за структурата и функцията на клетъчните мембрани
История на изследване на клетъчната мембрана
През 1925 г. двама германски учени, Gorter и Grendel, успяха да проведат най-сложния експеримент върху червените кръвни клетки на човешката кръв, червените кръвни клетки. С помощта на осмотичен удар изследователите са получили така наречените „сенки“ - празни черупки от червени кръвни клетки, след което са ги сгънали в една купчина и са измерили повърхността. Следващата стъпка беше да се изчисли количеството на липидите в клетъчната мембрана. С помощта на ацетон учените са изолирали липидите от "сенките" и са установили, че те са достатъчни за двоен непрекъснат слой.
По време на експеримента обаче бяха направени две груби грешки:
Използването на ацетон не позволява да се изолират абсолютно всички липиди от мембраните;
Площта на "сенките" се изчислява по сухо тегло, което също е неправилно.
Тъй като първата грешка даде минус в изчисленията, а вторият - плюс, общият резултат беше изненадващо точен, а немските учени донесоха в научния свят най-важното откритие - липидния двуслой на клетъчната мембрана..
През 1935 г. друга двойка изследователи, Даниел и Доусън, след продължителни експерименти с филми на билипиди, стигнали до заключението, че протеините присъстват в клетъчните мембрани. В противен случай няма начин да се обясни защо тези филми имат такова високо повърхностно напрежение. Учените представиха на обществеността схематичен модел на клетъчна мембрана, подобна на сандвич, където хомогенните липидно-протеинови слоеве играят ролята на парчета хляб, а между тях вместо масло, празнотата.
През 1950 г., използвайки първия електронен микроскоп, теорията на Danielie-Dawson е частично потвърдена - микрографиите на клетъчната мембрана ясно показват два слоя, състоящи се от липидни и протеинови глави, и между тях прозрачно пространство, пълно само с опашки от липиди и протеини.
През 1960 г., ръководен от тези данни, американският микробиолог Дж. Робъртсън разработва теорията за трислойната структура на клетъчните мембрани, която дълго време се счита за единствената правилна. Въпреки това, тъй като науката се развива, все повече и повече се пораждаха съмнения за хомогенността на тези слоеве. От гледна точка на термодинамиката, такава структура е изключително неблагоприятна - за клетките би било много трудно да транспортират вещества отвътре и отвън през целия сандвич. Освен това е доказано, че клетъчните мембрани на различни тъкани имат различна дебелина и метод на прикрепване, поради различните функции на органите..
През 1972 г. микробиолозите SD Сингер и Г.Л. Никълсън успя да обясни всички несъответствия на теорията на Робъртсън с помощта на нов, течномозаичен модел на клетъчната мембрана. Учените са открили, че мембраната е хетерогенна, асиметрична, пълна с течност и нейните клетки са в постоянно движение. А протеините, включени в състава му, имат различна структура и предназначение, освен това, те са разположени различно по отношение на билипидния слой на мембраната..
Клетъчните мембрани съдържат три вида протеини:
Периферни - монтирани върху повърхността на филма;
Полу-интеграл - частично прониква в билипидния слой;
Интеграл - напълно прониква в мембраната.
Периферните протеини се свързват с главите на мембранните липиди чрез електростатично взаимодействие и никога не образуват непрекъснат слой, както обикновено се смяташе по-рано, а полу-интегралните и интегрални протеини служат за транспортиране на кислород и хранителни вещества в клетката, както и за премахване на продуктите от разлагането. за няколко важни функции, които ще научите за по-късно.
Прочетете повече: Биологични функции на липидите
Свойства и функции на клетъчната мембрана
Клетъчната мембрана изпълнява следните функции:
Бариерно-мембранната пропускливост за различни видове молекули не е еднаква: за да се заобиколи клетъчната мембрана, молекулата трябва да има определен размер, химични свойства и електрически заряд. Вредните или неподходящи молекули, поради бариерната функция на клетъчната мембрана, просто не могат да проникнат в клетката. Например, използвайки пероксидна реакция, мембраната предпазва цитоплазмата от опасни за него пероксиди;
Транспорт - през мембраната преминава пасивна, активна, регулирана и селективна обмяна. Пасивният обмен е подходящ за мастноразтворими вещества и газове, състоящи се от много малки молекули. Такива вещества проникват навътре и оставят клетката без енергия, свободно, чрез дифузия. Активната транспортна функция на клетъчната мембрана се активира, когато е необходимо да се извършат необходимите, но трудни за транспортиране вещества в или извън клетката. Например, с големи молекули, или неспособни да пресекат двулипидния слой поради хидрофобност. Тогава помпата протеини започват да работят, включително АТФаза, която е отговорна за абсорбцията на калиеви йони в клетката и изхвърлянето на натриеви йони от него. Регулираният обмен на транспорт е необходим за функциите на секреция и ферментация, например, когато клетките произвеждат и секретират хормони или стомашен сок. Всички тези вещества напускат клетките чрез специални канали и в определен обем. А селективната транспортна функция е свързана с много интегралните протеини, които проникват през мембраната и служат като канал за влизане и излизане на добре дефинирани видове молекули;
Матрицата - клетъчната мембрана определя и фиксира подреждането на органоидите един спрямо друг (ядро, митохондрии, хлоропласти) и регулира взаимодействието между тях;
Механична - осигурява ограничаването на една клетка от друга и в същото време правилното свързване на клетките в хомогенна тъкан и устойчивостта на органите към деформация;
Защитна - както при растенията, така и при животните, клетъчната мембрана служи като основа за изграждане на защитна рамка. Пример за това е масивно дърво, гъста кожа, трънливи тръни. В животинския свят има и много примери за защитната функция на клетъчните мембрани - черупката на костенурката, хитиновата обвивка, копита и рога;
Енергични - процесите на фотосинтеза и клетъчното дишане биха били невъзможни без участието на протеини от клетъчна мембрана, защото именно с помощта на протеинови канали клетките обменят енергия;
Рецепторните протеини, вградени в клетъчната мембрана, могат да имат друга важна функция. Те служат като рецептори, благодарение на които клетката получава сигнал от хормони и невротрансмитери. А това от своя страна е необходимо за провеждането на нервните импулси и нормалното протичане на хормоналните процеси;
Ензимна - друга важна функция, присъща на някои протеини на клетъчните мембрани. Например, в чревния епител храносмилателните ензими се синтезират с използване на такива протеини;
Биопотенциал - концентрацията на калиеви йони вътре в клетката е значително по-висока от външната, а концентрацията на натриевите йони, напротив, е по-голяма от вътрешната. Това обяснява потенциалната разлика: вътре в клетката, зарядът е отрицателен, отвън е положителен, което насърчава движението на веществата към и извън клетката по време на всеки от трите вида метаболизъм - фагоцитоза, пиноцитоза и екзоцитоза;
Маркирани - на повърхността на клетъчните мембрани има така наречените "етикети" - антигени, състоящи се от гликопротеини (протеини с прикрепени разклонени олигозахаридни странични вериги). Тъй като страничните вериги могат да имат голямо разнообразие от конфигурации, всеки тип клетка получава свой собствен уникален етикет, който позволява на други клетки на тялото да ги разпознават “по зрението” и да реагират правилно на тях. Ето защо, например, човешките имунни клетки, макрофагите лесно разпознават външен човек, който е влязъл в тялото (инфекция, вирус) и се опитва да го унищожи. Същото се случва с болни, мутирали и стари клетки - етикетът на клетъчната им мембрана се променя и тялото се отървава от тях..
Клетъчният метаболизъм се осъществява през мембраната и може да се извърши, като се използват три основни типа реакции:
Фагоцитозата е клетъчен процес, при който фагоцитни клетки, вградени в мембраната, улавят и усвояват твърди частици от хранителни вещества. В човешкото тяло фагоцитозата се осъществява от мембрани от два типа клетки: гранулоцити (гранулирани левкоцити) и макрофаги (имунни убийствени клетки);
Пиноцитозата е процес на улавяне на повърхността на клетъчната мембрана на молекулите на течности, които са в контакт с нея. За хранене по начин на пиноцитоза, клетката расте тънки пухкави израстъци под формата на антени на своята мембрана, които, така или иначе, обграждат капчица течност и се получава мехурче. Първо, този балон се издува над повърхността на мембраната и след това "поглъща" - се крие вътре в клетката, а стените му се сливат с вътрешната повърхност на клетъчната мембрана. Пиноцитоза се среща в почти всички живи клетки;
Екзоцитозата е обратен процес, при който вътре в клетката се образуват мехурчета със секреторна функционална течност (ензим, хормон) и тя трябва по някакъв начин да се отстрани от клетката в околната среда. За да направи това, балонът първо се слива с вътрешната повърхност на клетъчната мембрана, след това изпъкна, избухва, изхвърля съдържанието и се слива отново с повърхността на мембраната, този път отвън. Екзоцитоза се появява, например, в клетките на чревния епител и надбъбречната кора.
Структурата на клетъчната мембрана
Клетъчните мембрани съдържат липиди от три класа:
фосфолипиди;
гликолипиди;
холестерол.
Фосфолипидите (комбинация от мазнини и фосфор) и гликолипидите (комбинация от мазнини и въглехидрати), от своя страна, се състоят от хидрофилна глава, от която се отклоняват два дълги хидрофобни опашки. Но понякога холестеролът заема пространството между тези две опашки и не им позволява да се огъват, което прави мембраните на някои клетки твърди. В допълнение, молекулите на холестерола подреждат структурата на клетъчните мембрани и предотвратяват прехода на полярните молекули от една клетка към друга..
Но най-важният компонент, както се вижда от предишния раздел за функциите на клетъчните мембрани, са протеини. Техният състав, предназначение и местоположение са много разнообразни, но има нещо общо, което ги обединява всички: пръстеновидните липиди винаги са разположени около протеините на клетъчните мембрани. Това са специални мазнини, които са ясно структурирани, стабилни, имат повече наситени мастни киселини в състава си и се освобождават от мембраните заедно с "закърнените" протеини. Това е един вид лична защитна обвивка за протеини, без която те просто няма да работят.
Структурата на клетъчната мембрана е трислойна. В средата се намира относително хомогенен течен билипиден слой, а протеините го покриват от двете страни с подобие на мозайка, частично проникваща в дебелината. Тоест, би било погрешно да се мисли, че външните протеинови слоеве на клетъчната мембрана са непрекъснати. Протеините, в допълнение към техните сложни функции, са необходими в мембраната, за да преминат в клетките и да транспортират от тях онези вещества, които не са в състояние да проникнат в мастния слой. Например, калиеви и натриеви йони. За тях има специални протеинови структури - йонни канали, повече за които ще опишем по-долу.
Ако погледнете клетъчната мембрана чрез микроскоп, можете да видите слой от липиди, образувани от малки сферични молекули, по които, както в морето, плуват големи протеинови клетки с различни форми. Точно същите мембрани разделят вътрешното пространство на всяка клетка на отделения, в които ядрото, хлоропластите и митохондриите са удобно разположени. Не бъдете в клетките на отделните "стаи", органелите ще се прилепят един към друг и няма да могат да изпълняват функциите си правилно..
Клетката е набор от органоиди, структурирани и разграничени с помощта на мембрани, които участват в комплекс от енергийни, метаболитни, информационни и репродуктивни процеси, които осигуряват жизнената активност на организма..
Както може да се види от това определение, мембраната е най-важният функционален компонент на всяка клетка. Неговата стойност е толкова голяма, колкото стойността на ядрото, митохондриите и другите клетъчни органели. А уникалните свойства на мембраната се дължат на неговата структура: тя се състои от два филма, формовани заедно по специален начин. Молекулите от фосфолипиди в мембраната са разположени хидрофилни глави навън и хидрофобни опашки вътре. Ето защо, едната страна на филма се овлажнява с вода, а другата не. Така, тези филми са свързани помежду си с неввлажнявани страни навътре, образувайки билипиден слой, заобиколен от протеинови молекули. Това е много "сандвич" структурата на клетъчната мембрана.
Йонни канали на клетъчни мембрани
Нека разгледаме по-подробно принципа на действие на йонните канали. За какво са? Факт е, че само мастноразтворимите вещества - газове, алкохоли и самите мазнини - могат свободно да проникнат през липидната мембрана. Например, в червените кръвни клетки постоянно се обменят кислород и въглероден диоксид, и за това нашето тяло не трябва да прибягва до никакви допълнителни трикове. Но какво да кажем, когато има нужда да се транспортират водни разтвори през клетъчната мембрана, като натриеви и калиеви соли??
Би било невъзможно да се проправи пътя за такива вещества в билипидния слой, тъй като дупките веднага ще се лекуват и ще се слепят, такава е структурата на мастната тъкан. Но природата, както винаги, намери изход от ситуацията и създаде специални структури за транспорт на протеини.
Има два вида проводими протеини:
Конвейери - полуинтегрални протеинови помпи;
Каналообразуватели - интегрални протеини.
Протеините от първия тип са частично потопени в билипидния слой на клетъчната мембрана, а главата гледа навън и в присъствието на желаното вещество те започват да се държат като помпа: те издърпват молекулата и го изсмукват в клетката. А протеините от втория тип, интегрални, имат продълговата форма и са разположени перпендикулярно на билипидния слой на клетъчната мембрана, прониквайки през него. Вещества, които не могат да преминат през мазнини, се движат по тях, като че ли преминават през тунели, в клетката и извън клетката. Чрез йонни канали в клетката калиевите йони проникват и се натрупват в нея, а натриевите йони, напротив, се извеждат. Има разлика в електрическите потенциали, така необходима за правилното функциониране на всички клетки на нашето тяло..
Най-важните изводи за структурата и функцията на клетъчните мембрани
Теорията винаги изглежда интересна и обещаваща, ако може да се приложи полезно. Откриването на структурата и функциите на клетъчните мембрани на човешкото тяло позволи на учените да направят истински пробив в науката като цяло и в медицината в частност. Не случайно се спряхме на йонните канали толкова подробно, защото именно тук се намира отговорът на един от най-важните въпроси на нашето време: защо хората все повече се разболяват от онкологията.?
Ракът убива около 17 милиона души по света всяка година и е четвъртата най-честа причина за всички смъртни случаи. Според СЗО честотата на онкологията постоянно нараства и до края на 2020 г. може да достигне 25 милиона годишно..
Какво обяснява настоящата епидемия от рак и къде функционира клетъчната мембрана? Ще кажете: причината е в лошите условия на околната среда, лошото хранене, лошите навици и тежкото наследство. И, разбира се, ще бъдете прав, но ако говорим за проблема по-подробно, причината е в окисляването на човешкото тяло. Горните отрицателни фактори водят до нарушаване на клетъчните мембрани, инхибиране на дишането и храненето..
Когато трябва да има плюс, се образува минус и клетката не може да функционира нормално. Но раковите клетки не се нуждаят нито от кислород, нито от алкална среда - те могат да използват анаеробни храни. Следователно, в условията на кислородно гладуване и нивото на рН надхвърля границите, здравите клетки мутират, искат да се адаптират към околната среда и да станат ракови клетки. Така човек се разболява от онкологията. За да избегнете това, просто трябва да консумирате достатъчно чиста вода дневно и да се откажете от канцерогените в храната. Но, като правило, хората са добре запознати с вредните продукти и необходимостта от качествена вода и не правят нищо - те се надяват, че неприятностите ще ги преодолеят.
Познавайки структурата и функциите на клетъчните мембрани на различни клетки, лекарите могат да използват тази информация, за да осигурят целеви, целеви терапевтични ефекти върху тялото. Много съвременни лекарства, които попадат в тялото ни, търсят желаната „цел“, която може да действа като йонни канали, ензими, рецептори и биомаркери на клетъчните мембрани. Този метод на лечение позволява да се постигнат по-добри резултати с минимални странични ефекти..
Последното поколение антибиотици не убива всички клетки в един ред, когато влизат в кръвта, но клетките на патогена търсят, като се фокусират върху маркерите в нейните клетъчни стени. Най-новите анти-мигренови лекарства, триптани, свиват само възпалените мозъчни съдове, като в същото време нямат почти никакъв ефект върху сърцето и периферната кръвоносна система. И те ще разпознаят необходимите съдове именно чрез протеините на техните клетъчни мембрани. Има много такива примери, така че е безопасно да се каже, че знанието за структурата и функцията на клетъчните мембрани е в основата на развитието на съвременната медицинска наука и спестява милиони животи всяка година..