Мембрана клетки

Функции

Одномембранные органоиды имеют общие четко обозначенные функции. Среди них:

1. Защита клетки от неблагоприятных условий.
2. Обеспечение транспорта веществ внутрь клетки.
3. Фотосинтез (у растительных видов).

Каждый вид одномембранных органоид несет свою функцию:

1. Ферменты лизосом предназначены для усвоения органических веществ, разрушения отживших органелл и клеток, которые выполнили свою функцию.
2. Комплекс Гольджи накапливает вещества, которые образует мембрана эндоплазматической системы. Здесь происходит заключение образовавшихся веществ в пузырьки и распределение их по цитоплазме клетки. В дальнейшем они выводятся наружу. В комплексе Гольджи также происходит формирование лизосом.
3. Вакуоли чаще встречаются в клетках растений и грибов. В то же время не исключены и животные протисты, содержащие эти органоиды. На вакуолях лежит обязанность хранить питательные вещества, производить их интоксикацию и, по обезвреживании, выводить отходы наружу.
4. На эндоплазматическую сеть природа возложила функцию синтеза липидов. В организме животных ЭПС ярче представлена в ткани эпителия кишечника, а также тех органов, которые синтезируют гормоны. В ЭПС также синтезируются некоторые углеводы.

Примеры полупроницаемой мембраны

Искусственные мембраны и тоничность

Искусственные мембраны использовались в лаборатории для демонстрации основ влияния осмолярности на клетки. Как и клеточные мембраны, полупроницаемая мембрана, созданная искусственно, пропускает только воду, ограничивая растворенные в растворе растворенные вещества. Если два раствора соединены через полупроницаемую мембрану, между ними будет течь вода, но растворенные вещества будут ограничены стороной мембраны, на которой они начали. Это можно увидеть на следующей иллюстрации этого эксперимента.

Левая сторона изображения показывает начальную настройку. Полупроницаемая мембрана маркируется и разделяет два раствора, помещенных в U-образную трубку. Правая сторона трубки содержит меньше растворенных веществ, чем правая, и считается гипотонической справа от гипертонической. По мере продолжения эксперимента полупроницаемая мембрана будет пропускать через мембрану воду, но не растворенные вещества. В некотором смысле вода между двумя растворами связана и предпочитает, чтобы растворенные вещества распределялись равномерно. Как правило, растворенные вещества будут равномерно распределяться по воде, но полупроницаемая мембрана предотвращает это. Вместо этого вода должна быть молекула двигаться через мембрану. Чтобы сбалансировать концентрации двух растворов, вода выходит из правой части трубки в левую сторону. Это изменение громкости можно увидеть в правой части изображения. Хотя объемы растворов изменились, полупроницаемая мембрана все еще допускает выравнивание концентраций. Решения сейчас изотонический.

Клеточная мембрана

Как и искусственный пример, описанный выше, клеточные мембраны всех организмов ведут себя как простые полупроницаемые мембраны, пропуская воду, исключая при этом растворенные вещества. Тем не менее, клетки существуют в самых разных средах. В океане вода сильно концентрируется с солями, создается гипертоническая среда. В пресноводных средах существует противоположное состояние, и вода стремится затопить клетки. Наземные организмы сталкиваются с совершенно новой проблемой, полной нехваткой воды. В то время как основной фосфолипидный бислой служит для отделения клеток от окружающей среды, одного этого едва ли будет достаточно, чтобы компенсировать это широкое разнообразие условий. Клетки организмов, которые живут в этих различных средах, выработали белки, которые функционируют, пропуская растворенные вещества через мембрану. В то время как клетки должны тратить энергию, чтобы сделать это, это также позволяет им поддерживать условия в цитозоле и выполнять функцию жизни. Эта постоянная борьба за поддержание условий внутри клеток известна как гомеостаз.

• Избирательно проницаемая мембрана – Мембрана, которая пропускает вещества таким образом, что создает гомеостаз.
• Гомеостаз – Состояние равновесия, при котором может осуществляться процесс жизни (репликация ДНК и т. Д.).
• Фосфолипидный бислой – полупроницаемая мембрана, созданная всеми биологическими организмами.
• Клеточная мембрана – фосфолипидный бислой, содержащий сотни различных транспортных белков, которые регулируют поток растворенных веществ и создают состояние гомеостаза.

Значение исследований клеточных мембран

В современной медицине все больше значения придается исследованию клеточных мембран. Ведь именно различные части клетки ответственны за множество заболеваний. А мембранные белки отвечают за доставку вредных и полезных веществ в клетку.

При дальнейших исследованиях может появиться способ регулировать это процесс искусственно, если мембрана повреждена или не справляется со своими функциями. Если лекарственный препарат избирательно действует на клеточную мембрану, то повышаются шансы на излечение многих болезней.

При повреждении клетки она начинает мутировать, чтобы приспособиться к новым условиям. Так возникают раковые опухоли. Если появится возможность влиять на этот процесс, можно будет медикаментозно лечить онкологию.

Физиология мембраны очень сложна. Функции, выполняемые ей, невероятно важны. При повреждении и разрушении ставится под угрозу целостность и даже жизнь организма.

Более подробная информация об устройстве клеточной мембраны — на видео:

Липиды клеточных мембран

Клеточная мембрана состоит из белков и липидов, основу которых составляют фосфолипиды. Фосфолипиды занимают значительную часть – 40-90% всех липидов в мембранной оболочке.

Липиды – это амфипатические молекулы, самостоятельно формирующие бислои.

Липиды имеют особенность: растворяются только в растворителях на органической основе и совсем не подвержены растворению в воде. Клеточная мембрана имеет несколько видов липидов: фосфолипиды, холестерол, гликолипиды.

Строение клеточной мембраны до конца не изучено. Происходит постоянное изучение и составление моделей состава мембраны. В одной – мембрана характеризуется как липидный двойной слой. В этом слое углеводородные хвосты липидов за счет гидрофобных взаимодействий удерживаются друг возле друга в вытянутом состоянии во внутренней полости, образуя двойной углеводородный слой. Полярные группы липидов находятся на внешней поверхности бислоя.

Изучение клеточных мембран перспективное направление в науке. Возможно, с полным пониманием механизмов, происходящих внутри клетки, позволит продлить жизнь. Может быть удастся найти ключик к долголетию.

Он содержит белки, которые обеспечивают ряд важных функций.

Поскольку правильное функционирование клетки зависит от движения питательных веществ и полезных материалов в клетку и удаления продуктов жизнедеятельности из клетки, клеточная мембрана также содержит белки и другие молекулы, которые выполняют широкий спектр этих функций. Некоторые белки прикреплены к этим матам из фосфолипидов, чтобы помочь перемещать питательные вещества (например, кислород и вода ) и отходы (например, углекислый газ ); некоторые помогают ячейке соединяться и прикрепляться к нужным материалам (а также другим ячейкам); а некоторые белки не дают клетке связываться с токсичными материалами, а также с неправильными типами клеток, чужеродными или другими. Специализированные белки, называемые ферментамипомогают расщеплять более крупные питательные вещества или помогают комбинировать разные питательные вещества друг с другом в более удобные формы. В зависимости от конструкции и функции белковые молекулы могут быть прикреплены к поверхности одного из слоев клеточной мембраны или могут быть полностью встроены в слой, расположенный рядом с фосфолипидами. Некоторые белки, которым поручено направлять питательные вещества в пространство между внутренним и внешним слоем клеточной мембраны и из него, пересекают только один из фосфолипидных слоев. Другие, которые предназначены для транспортировки питательных веществ в клетку или для отвода отходов от клетки, достаточно велики, чтобы охватить и то, и другое. Также существуют белки, которые помогают клетке сохранять форму.

История исследования клеточной мембраны

Важный вклад в исследование клеточной мембраны был сделан двумя немецкими учеными Гортером и Гренделем в далеком 1925 году. Именно тогда им удалось провести сложный биологический эксперимент над красными кровяными тельцами – эритроцитами, в ходе которых ученые получили так званые «тени», пустые оболочки эритроцитов, которые сложили в одну стопку и измерили площадь поверхности, а также вычислили количество липидов в них. На основании полученного количества липидов ученые пришли к выводу, что их как раз хватаем на двойной слой клеточной мембраны.

В 1935 году еще одна пара исследователей клеточной мембраны, на этот раз американцы Даниэль и Доусон после целой серии долгих экспериментов установили содержание белка в клеточной мембране. Иначе никак нельзя было объяснить, почему мембрана обладает таким высоким показателем поверхностного натяжения. Ученые остроумно представили модель клеточной мембраны в виде сэндвича, в котором роль хлеба играют однородные липидо-белковые слои, а между ними вместо масла – пустота.

В 1950 году с появлением электронного микроскопа теорию Даниэля и Доусона удалось подтвердить уже практическими наблюдениями – на микрофотографиях клеточной мембраны были отчетливо видны слои из липидных и белковых головок и также пустое пространство между ними.

В 1960 году американский биолог Дж. Робертсон разработал теорию о трехслойном строении клеточных мембран, которая долгое время считалась единственной верной, но с дальнейшим развитием науки, стали появляться сомнения в ее непогрешимости. Так, например, с точки зрения термодинамики клеткам было бы сложно и трудозатратно транспортировать необходимые полезные вещества через весь «сэндвич»

И только в 1972 году американские биологи С. Сингер и Г. Николсон смогли объяснить нестыковки теории Робертсона с помощью новой жидкостно-мозаичной модели клеточной мембраны. В частности они установили что клеточная мембрана не однородна по своему составу, более того – ассиметрична и наполнена жидкостью. К тому же клетки пребывают в постоянном движении. А пресловутые белки, которые входят в состав клеточной мембраны имеют разные строения и функции.

Рисунок клеточной мембраны.

Повреждения клеточных мембран

Клеточная мембрана может повредиться вследствие различных факторов:

• Механическое повреждение. Делает клетку более проницаемой для различных веществ.
• Ферментативное повреждение. Возникает при цитолитическом типе аллергии.
• Повреждение из-за недостатка аденозинтрифосфата вследствие нарушения обменных процессов в клетке.
• Слипание белков под воздействием высоких температур, электрического тока, кислот и щелочей.
• Генетическая предрасположенность к неправильному синтезу составляющих элементов мембраны.
• Окисление липидов свободными радикалами.
• Избыток или недостаток витаминов Е и D.
• Под влиянием антител, посчитавших клетку чужеродным объектом.

Все повреждения мембраны можно разделить на три типа:

• транспортные;
• функционально-метаболические;
• структурные.

Повреждения клеточной мембраны ведут к тому, что в клетку попадают вредные вещества, органеллы разрушаются, клетка гибнет, цитоплазма вытекает наружу. Этот процесс ведет к воспалению от небольшого участка до целого органа. В худшем случае может возникнуть тяжелый сепсис.

Некоторые заболевания, которые могут возникнуть вследствие гибели клетки из-за разрушения мембранного слоя:

• хроническая обструктивная болезнь легких (ограничение воздушного потока в дыхательных путях, вызванное инфицированием тканей);
• атеросклероз (заболевание артерий, вызванное нарушением липидного и белкового обмена);
• красная волчанка (поражение кожных покровов из-за аллергии или инфекции);
• деменция (приобретенное слабоумие, вызванное поражением головного мозга);
• рак;
• цистинурия (нарушение транспорта аминокислот в почках);
• сахарный диабет.

викторина

1. Генетическое мутация в клетке заставляет клетку продуцировать клеточную мембрану, которая не имеет транспортных белков. Мембрана все еще функционирует как полупроницаемая мембрана. Будет ли клетка жить и сможет размножаться?A. нетB. даC. Только в правильной обстановке

Ответ на вопрос № 1

верно. Эта клетка обречена. Даже если поместить в среду, в которой есть все питательные вещества и молекулы, необходимые для роста, клетка не сможет их транспортировать. Даже глюкоза, основная молекула для клеточного метаболизма, должна транспортироваться через мембрану со специальными белками. Без этого мембрана теряет свою селективную способность, и клетка быстро погибает.

2. Как видно из приведенного выше примера, ученый устанавливает U-образную трубку с полупроницаемой мембраной, разделяющей два раствора. С правой стороны ученый помещает раствор, который имеет 10 г / л растворенное вещество, Левая сторона получает раствор, содержащий 5 г / л растворенного вещества. Ученый начинает с одинакового объема раствора в каждой пробирке. Каким образом вода будет течь через эту полупроницаемую мембрану?A. Не будет течьB. Слева направоC. Справа налево

Ответ на вопрос № 2

В верно. Левая сторона раствора содержит только половину растворенных молекул в качестве правой стороны, что делает его гипотоническое решение, Вода будет течь из гипотонического раствора в гипертонический раствор пока два решения не станут изотоническими. Полупроницаемая мембрана предотвращает движение растворенных веществ, а не воды. В конце эксперимента будет больше воды с правой стороны, но концентрации пробирок будут такими же.

3. Ученые знают, как создавать фосфолипидные бислои в лаборатории. Если бы вы взяли часть своей ДНК и окружили ее фосфолипидным бислоем, могли бы вы создать свой клон?A. Да! Вот как они клонируют вещи.B. Нет, это не создаст функциональную ячейку.C. Клетка должна заботиться тщательно.

Ответ на вопрос № 3

В верно. Ваша ДНК существует в очень особых условиях. ДНК человека существует внутри ядра, специализированной мембраны, содержащей 2 липидных бислоя. Обе эти мембраны содержат сотни специализированных белков, которые помогают в транспортировке продуктов к ядру и от него. Ядро существует в цитозоле, который содержит еще более специализированные селективно проницаемые мембраны и сам инкапсулирован в клеточной мембране. Клеточная мембрана, в свою очередь, представляет собой не только фосфолипидный бислой, но содержит сотни белков со специфическими функциями. При наличии только фосфолипидного бислоя эта искусственная клетка быстро погибнет.

Состав клеточной мембраны: ее строение и уникальность

Самая важная клеточная составляющая мембран – белки. Состав этих белков, а также их расположение и назначение очень разнообразны. Общим является лишь то, что вокруг них всегда располагаются аннулярные липиды – устойчивые и четко структурированные особые жиры. Липиды являются своеобразными «телохранителями» для белков и создают условия и возможности для их работы.

При увеличении клеточной мембраны с помощью микроскопа, можно заметить слой из липидов, по виду напоминающие шарики, среди которых находятся большие, разнообразной формы, белковые клетки. Такие же мембраны находятся и внутри клетки – они делят ее на отсеки, как на комнаты, в которых располагаются органоиды.

В мембране находятся липиды разных классов:

• Фосфолипиды;
• Гликолипиды;
• Холестерол.

Мембрана являет из себя очень важную функциональную составляющую клетки, ее значение сравнимо с любым другим органоидом (ядра, митохондрии и других). А благодаря своему строению она имеет, без преувеличения, уникальные свойства.

Что такое клеточная мембрана

Поддержание жизнедеятельности клетки и контроль за ее целостностью осуществляет защитная пленка. Изучение мембран, их функционирования необходим для понимания причин возникновения заболеваний и способах лечения. Глубокое изучение клеточных мембран позволит создавать лекарства, снизить смертность и отыскать механизмы борьбы с болезнями внутри организма человека.

Каждая клетка в организме находится в специальной защитной пленке, которая и называется клеточной мембраной. Она выполняет много функций, благодаря которым поддерживается процесс жизнедеятельности клетки.

Классификация функций

С учетом схемы строения можно перечислить следующие функции, которые выполняет клеточная мембрана: барьерная, транспортная, матричная, защитная. Барьерная функция заключается в фильтрации молекул на основе их характеристик, размера, электрического заряда. Жирорастворимые вещества и газы участвуют в пассивном обмене.

Они покидают клетки, не затрачивая энергию. Активная транспортировка компонентов осуществляется за счет гидрофобности билипидного слоя. За счет регулировки транспортного обмена осуществляется секреция и ферментация, производятся и выделяются гормоны.

Матричная функция связана с определением и фиксацией расположения органоидов по отношению к цитоплазматическим составляющим, хлоропластам. Параллельно регулируется взаимодействие между ними.

Механическая задача основана на правильном соединении органоидов в единую структуру. Дополнительно обеспечивается устойчивость клеток к деформации. Защитная функция заключается в построении прочного каркаса, который представлен у разных растений и животных в виде плотной оболочки.

Описание других функций клеточной мембраны:

1. Энергетическая. Заключается в фотосинтезе и клеточном дыхании. Белковые каналы способствуют обмену энергией.
2. Рецепторная. Составные липиды выполняют функции рецепторов. В клетку поступают сигналы от гормонов, нейромедиаторов.
3. Ферментативная. Эпителий кишечника представлен в виде белков, которые синтезируют разные ферменты, обрабатывают нуклеиновые кислоты и другие вещества.
4. Биопотенциальная. Уровень ионов калия в клетке выше, чем внутри. Количество ионов натрия внутри меньше, а снаружи больше. Поэтому в органоидах заряд отрицательный, а за их пределами — положительный.

Вакуоль

Вакуоль — важнейшая составная часть растительных клеток. Она представляет собой своеобразную полость (резервуар) в массе цитоплазмы, заполненную водным раствором минеральных солей, аминокислот, органических кислот, пигментов, углеводов и отделённую от цитоплазмы вакуолярной мембраной — тонопластом.

Цитоплазма заполняет всю внутреннюю полость только у самых молодых растительных клеток. С ростом клетки существенно изменяется пространственное расположение вначале сплошной массы цитоплазмы: у неё появляются заполненные клеточным соком небольшие вакуоли, и вся масса становится ноздреватой. При дальнейшем росте клетки отдельные вакуоли сливаются, оттесняя к периферии прослойки цитоплазмы, в результате чего в сформированной клетке находится обычно одна большая вакуоль, а цитоплазма со всеми органеллами располагаются около оболочки.

Водорастворимые органические и минеральные соединения вакуолей обусловливают соответствующие осмотические свойства живых клеток. Этот раствор определённой концентрации является своеобразным осмотическим насосом для регулируемого проникновения в клетку и выделения из неё воды, ионов и молекул метаболитов.

В комплексе со слоем цитоплазмы и её мембранами, характеризующимися свойствами полупроницаемости, вакуоль образует эффективную осмотическую систему. Осмотически обусловленными являются такие показатели живых растительных клеток, как осмотический потенциал, сосущая сила и тургорное давление.

Строение вакуоли

Что такое клеточная мембрана

Само слово «мембрана» с латыни переводится как «пленка», хотя мембрана представляет собой не просто своего роду пленку, в которую обернута клетка, а совокупность двух пленок, соединенных между собой и обладающих различными свойствами. На самом деле клеточная мембрана это трехслойная липопротеиновая (жиро-белковая) оболочка, отделяющая каждую клетку от соседних клеток и окружающей среды, и осуществляющая управляемый обмен между клетками и окружающей средой, так звучит академическое определение того что, представляет собой клеточная мембрана.

Значение мембраны просто огромно, ведь она не просто отделяет одну клетку от другой, но и обеспечивает взаимодействие клетки, как с другими клетками, так и окружающей средой.

Предназначение диффузионных мембран

Основное предназначение супердиффузионных мембран для кровли является обеспечение защиты от проникновения внутренней и наружной влаги внутрь теплоизоляционного слоя. Источниками этой влаги могут быть внутренние испарения и атмосферные осадки. Кроме этого, расположенная в кровельном покрытии диффузионная мембрана обеспечивает эффективные условия отвода уже накопившейся в силу тех или иных причин влаги. Супердиффузионную мембрану можно с полной уверенностью назвать одной из важнейших составляющих теплоизоляционного контура, так как она косвенным образом способствует снижению потерь тепловой энергии. Бережливый хозяин собственного дома, знающий толк в экономии, никогда не будет раздумывать о необходимости или отсутствии таковой при принятии решения о покупке и последующей установке диффузионной мембраны. Тем более, что стоимость этого материала на современном рынке строительных материалом можно с уверенностью назвать чисто символической. 

Свойства

Клеточная мембрана клетки имеет интересные особенности. Благодаря текучести эта оболочка не является жесткой структурой, а основная часть белков и липидов, которые входят в ее состав, свободно перемещается на плоскости мембраны.

В целом клеточная мембрана асимметрична, поэтому состав белковых и липидных слоев различается. Плазматические мамбраны в животных клетках со своей наружной стороны имеют гликопротеиновый слой, который выполняет рецепторные и сигнальные функции, а также играет большую роль в процессе объединения клеток в ткань. Клеточная мембрана является полярной, то есть на внешней стороне заряд положителен, а с внутренней стороны – отрицателен. Помимо всего перечисленного, оболочка клетки обладает избирательной проницательностью.

Подобное стремление ионов натрия и калия переместиться внутрь с поверхности играет большую роль в вопросе транспортировки сахара и аминокислот в клетку. В процессе активного удаления ионов натрия из клетки мембрана создает условия для новых поступлений глюкозы и аминокислот внутрь. Напротив, в процессе переноса ионов калия внутрь клетки пополняется число «транспортировщиков» продуктов распада изнутри клетки во внешнюю среду.

История исследования

В 1925 году Эверт Гортер и Франсуа Грендель (1897—1969) с помощью осмотического «удара» получили так называемые «тени» эритроцитов — их пустые оболочки. Тени сложили в стопку и определили площадь их поверхности. Затем с помощью ацетона выделили из оболочек липиды и определили количество липидов на единицу площади эритроцита — этого количества хватило на сплошной двойной слой. Хотя этот эксперимент привёл исследователей к правильному выводу, ими было допущено несколько грубых ошибок — во-первых, с помощью ацетона нельзя выделить абсолютно все липиды, а во-вторых, площадь поверхности была определена неправильно, по сухому весу. В данном случае минус на минус дал плюс, соотношение определяемых показателей случайно оказалось верным и был открыт липидный бислой.

Эксперименты с искусственными билипидными плёнками показали, что они обладают высоким поверхностным натяжением, гораздо большим, чем в клеточных мембранах. То есть в них содержится что-то, что снижает натяжение — белки. В 1935 году Джеймс Даниэлли и Хью Даусон представили научному сообществу модель «сендвича», которая говорит о том, что в основе мембраны лежит липидный бислой, по обеим сторонам от которого находятся сплошные слои белков, внутри бислоя ничего нет. Первые электронно-микроскопические исследования 1950-х годов подтвердили эту теорию — на микрофотографиях были видны 2 электронно-плотных слоя — белковые молекулы и головки липидов и один электронно-прозрачный слой между ними — хвосты липидов. Дж. Робертсон сформулировал в 1960 году теорию унитарной биологической мембраны, в которой постулировалось трёхслойное строение всех клеточных мембран.

Но постепенно накапливались аргументы против «бутербродной модели»:

• накапливались сведения о глобулярности плазматической мембраны;
• оказалось, что структура мембраны при электронной микроскопии зависит от способа её фиксации;
• плазматическая мембрана может различаться по структуре даже в одной клетке, например в головке, шейке и хвосте сперматозоида;
• «бутербродная» модель термодинамически не выгодна — для поддержания такой структуры нужно затрачивать большое количество энергии, и протащить вещество через мембрану очень сложно;
• количество белков, связанных с мембраной электростатически, очень небольшое, в основном белки очень тяжело выделить из мембраны, так как они погружены в неё.

Всё это привело к созданию в 1972 году С. Дж. Сингером и Г. Л. Николсоном жидкостно-мозаичной модели строения мембраны. Согласно этой модели белки в мембране не образуют сплошной слой на поверхности, а делятся на интегральные, полуинтегральные и периферические. Периферические белки действительно находятся на поверхности мембраны и связаны с полярными головками мембранных липидов электростатичесткими взаимодействиями, но никогда не образуют сплошной слой. Доказательствами жидкостности мембраны служат методы FRAP, FLIP и соматическая гибридизация клеток, мозаичности — метод замораживания-скалывания, при котором на сколе мембраны видны бугорки и ямки, так как белки не расщепляются, а целиком отходят в один из слоёв мембраны.