Cellemembran - cellemembranens struktur og funksjon

Innholdsfortegnelse:

Cellemembran - cellemembranens struktur og funksjon
Cellemembran - cellemembranens struktur og funksjon
Anonim

Cell Membran

cellemembran
cellemembran

Alle levende organismer på jorden består av celler, og hver celle er omgitt av et beskyttende skall - en membran. Imidlertid er funksjonene til membranen ikke begrenset til å beskytte organeller og skille en celle fra en annen. Cellemembranen er en kompleks mekanisme som er direkte involvert i reproduksjon, regenerering, ernæring, respirasjon og mange andre viktige funksjoner til cellen.

Uttrykket "cellemembran" har blitt brukt i rundt hundre år. Ordet "membran" i oversettelse fra latin betyr "film". Men når det gjelder en cellemembran, vil det være mer riktig å snakke om en kombinasjon av to filmer koblet til hverandre på en bestemt måte, dessuten har forskjellige sider av disse filmene forskjellige egenskaper.

Cellemembranen (cytolemma, plasmalemma) er en tre-lags lipoprotein (fett-protein) membran som skiller hver celle fra naboceller og miljøet, og utfører en kontrollert utveksling mellom celler og miljøet.

Det avgjørende i denne definisjonen er ikke at cellemembranen skiller en celle fra en annen, men at den sikrer dens interaksjon med andre celler og miljøet. Membranen er en veldig aktiv, konstant fungerende struktur av cellen, som mange funksjoner er tildelt av naturen. Fra vår artikkel vil du lære alt om cellemembranens sammensetning, struktur, egenskaper og funksjoner, samt faren for menneskers helse ved forstyrrelser i cellemembranenes funksjon.

Historien om cellemembranforskning

I 1925 var to tyske forskere, Gorter og Grendel, i stand til å gjennomføre et komplekst eksperiment på menneskelige røde blodlegemer, erytrocytter. Ved hjelp av osmotisk sjokk skaffet forskerne de såk alte «skyggene» – tomme skall av røde blodlegemer, og la dem deretter i én haug og målte overflaten. Neste steg var å beregne mengden lipider i cellemembranen. Ved å bruke aceton isolerte forskerne lipidene fra "skyggene" og fant ut at de var akkurat nok til et dobbelt kontinuerlig lag.

I løpet av eksperimentet ble det imidlertid gjort to grove feil:

  • Bruken av aceton tillater ikke at alle lipider isoleres fra membraner;
  • Overflatearealet til "skyggene" ble beregnet etter tørrvekt, som også er feil.

Fordi den første feilen ga minus i beregningene, og den andre ga pluss, viste det samlede resultatet seg å være overraskende nøyaktig, og tyske forskere brakte den viktigste oppdagelsen til den vitenskapelige verden - lipid-dobbeltlaget av cellemembranen.

I 1935 kom et annet forskerpar, Danielle og Dawson, etter lange eksperimenter på bilipidfilmer til konklusjonen om tilstedeværelsen av proteiner i cellemembraner. Det var ingen annen måte å forklare hvorfor disse filmene har så høy overflatespenning. Forskere presenterte for publikum en skjematisk modell av en cellemembran, lik en sandwich, der homogene lipid-proteinlag spiller rollen som brødskiver, og mellom dem i stedet for olje er det tomhet.

I 1950, ved hjelp av det første elektronmikroskopet, ble Danielly-Dawson-teorien delvis bekreftet - mikrofotografier av cellemembranen viste tydelig to lag bestående av lipid og protein hoder, og mellom dem er et gjennomsiktig rom fylt bare med haler av lipider og proteiner.

I 1960, veiledet av disse dataene, utviklet den amerikanske mikrobiologen J. Robertson en teori om trelagsstrukturen til cellemembraner, som i lang tid ble ansett som eneste sanne. Etter hvert som vitenskapen utviklet seg, ble det imidlertid født mer og mer tvil om homogeniteten til disse lagene. Fra termodynamikkens synspunkt er en slik struktur ekstremt ugunstig - det ville være svært vanskelig for celler å transportere stoffer inn og ut gjennom hele "smørbrødet". I tillegg er det bevist at cellemembraner i forskjellig vev har forskjellig tykkelse og festemetoder, noe som skyldes ulike funksjoner til organer.

I 1972 mikrobiologer S. D. Singer og G. L. Nicholson var i stand til å forklare alle inkonsekvensene i Robertsons teori ved hjelp av en ny, flytende mosaikkmodell av cellemembranen. Forskere har funnet ut at membranen er heterogen, asymmetrisk, fylt med væske, og cellene er i konstant bevegelse. Og proteinene som utgjør sammensetningen har en annen struktur og formål, i tillegg er de plassert annerledes i forhold til bilipidlaget i membranen.

Det er tre typer proteiner i cellemembraner:

  • Peripheral - festet til overflaten av filmen;
  • Semi-integral – penetrere delvis bilipidlaget;
  • Integral – trenge fullstendig gjennom membranen.

Perifere proteiner er koblet til membranlipiders hoder gjennom elektrostatisk interaksjon, og de danner aldri et sammenhengende lag, slik man tidligere har trodd. Og semi-integrerte og integrerte proteiner tjener til å transportere oksygen og næringsstoffer inn i cellen, samt å fjerne forfallsprodukter fra den, og til flere andre viktige funksjoner, som du vil lære om senere.

Egenskaper og funksjoner til cellemembranen

Egenskaper og funksjoner til cellemembranen
Egenskaper og funksjoner til cellemembranen

Cellemembranen utfører følgende funksjoner:

  • Barrier - permeabiliteten til membranen for ulike typer molekyler er ikke den samme. For å omgå cellemembranen må molekylet ha en viss størrelse, kjemiske egenskaper og elektrisk lade. Skadelige eller upassende molekyler, på grunn av barrierefunksjonen til cellemembranen, kan ganske enkelt ikke komme inn i cellen. For eksempel, ved hjelp av peroksisreaksjonen, beskytter membranen cytoplasmaet mot farlige peroksider;
  • Transport - passiv, aktiv, regulert og selektiv utveksling går gjennom membranen. Passiv metabolisme er egnet for fettløselige stoffer og gasser som består av svært små molekyler. Slike stoffer trenger inn og ut av cellen uten energiforbruk, fritt, ved diffusjon. Den aktive transportfunksjonen til cellemembranen aktiveres når det er nødvendig, men vanskelig transporterbare stoffer må fraktes inn eller ut av cellen. For eksempel de med stor molekylstørrelse, eller som ikke er i stand til å krysse bilipidlaget på grunn av hydrofobicitet. Så begynner proteinpumper å fungere, inkludert ATPase, som er ansvarlig for absorpsjon av kaliumioner inn i cellen og utstøting av natriumioner fra den. Regulert transport er avgjørende for sekresjons- og fermenteringsfunksjoner, som når celler produserer og skiller ut hormoner eller magesaft. Alle disse stoffene forlater cellene gjennom spesielle kanaler og i et gitt volum. Og den selektive transportfunksjonen er assosiert med de svært integrerte proteinene som trenger inn i membranen og fungerer som en kanal for inn- og utgang av strengt definerte typer molekyler;
  • Matrix - cellemembranen bestemmer og fikserer plasseringen av organeller i forhold til hverandre (kjerne, mitokondrier, kloroplaster) og regulerer interaksjonen mellom dem;
  • Mekanisk - sikrer begrensning av en celle fra en annen, og samtidig korrekt kobling av celler til et homogent vev og organers motstand mot deformasjon;
  • Beskyttende - både hos planter og dyr fungerer cellemembranen som grunnlag for å bygge en beskyttende ramme. Et eksempel er hardt tre, tett skall, stikkende torner. I dyreriket er det også mange eksempler på cellemembraners beskyttende funksjon – skilpaddeskall, kitinøst, hover og horn;
  • Energy - prosessene med fotosyntese og cellulær respirasjon ville vært umulig uten deltakelse av cellemembranproteiner, fordi det er gjennom proteinkanaler at cellene utveksler energi;
  • Reseptor- proteiner innebygd i cellemembranen kan ha en annen viktig funksjon. De fungerer som reseptorer som cellen mottar et signal fra hormoner og nevrotransmittere gjennom. Og dette er i sin tur nødvendig for ledning av nerveimpulser og det normale forløpet av hormonelle prosesser;
  • Enzymatisk er en annen viktig funksjon som ligger i enkelte cellemembranproteiner. For eksempel, i tarmepitelet syntetiseres fordøyelsesenzymer ved hjelp av slike proteiner;
  • Biopotensial - konsentrasjonen av kaliumioner inne i cellen er mye høyere enn utenfor, og konsentrasjonen av natriumioner, tvert imot, utenfor er større enn inne. Dette forklarer den potensielle forskjellen: inne i cellen er ladningen negativ, utenfor er den positiv, noe som bidrar til bevegelse av stoffer inn i cellen og ut i hvilken som helst av de tre typene metabolisme - fagocytose, pinocytose og eksocytose;
  • Merking - på overflaten av cellemembraner er det såk alte "labels" - antigener som består av glykoproteiner (proteiner med forgrenede oligosakkaridsidekjeder festet til dem). Siden sidekjeder kan ha et stort utvalg av konfigurasjoner, får hver type celle sin egen unike etikett som lar andre celler i kroppen gjenkjenne dem "ved synet" og svare på dem riktig. Det er derfor for eksempel menneskelige immunceller, makrofager, lett gjenkjenner en utlending som har kommet inn i kroppen (infeksjon, virus) og prøver å ødelegge den. Det samme skjer med syke, muterte og gamle celler - etiketten på cellemembranen deres endres og kroppen blir kvitt dem.

Celleutveksling skjer på tvers av membraner, og kan utføres ved hjelp av tre hovedtyper av reaksjoner:

  • Fagocytose er en cellulær prosess der fagocytiske celler innebygd i membranen fanger opp og fordøyer faste partikler av næringsstoffer. I menneskekroppen utføres fagocytose av membraner av to typer celler: granulocytter (granulære leukocytter) og makrofager (immune drepeceller);
  • Pinocytose - prosessen med å fange opp overflaten av cellemembranen til væskemolekyler i kontakt med den. For ernæring av typen pinocytose, vokser cellen tynne, luftige utvekster i form av antenner på membranen, som så å si omgir en dråpe væske, og en boble oppnås. Først stikker denne vesikelen over overflaten av membranen, og deretter "svelges" den - den gjemmer seg inne i cellen, og veggene smelter sammen med den indre overflaten av cellemembranen. Pinocytose forekommer i nesten alle levende celler;
  • Eksocytose er en omvendt prosess der vesikler med en sekretorisk funksjonell væske (enzym, hormon) dannes inne i cellen, og den må på en eller annen måte fjernes fra cellen inn i miljø. For å gjøre dette smelter vesikelen først sammen med den indre overflaten av cellemembranen, buler deretter utover, sprekker, utviser innholdet og smelter igjen med overflaten av membranen, denne gangen fra utsiden. Eksocytose finner for eksempel sted i cellene i tarmepitelet og binyrebarken.

Struktur av cellemembranen

Cellemembraner inneholder tre klasser av lipider:

  • fosfolipider;
  • Glykolipider;
  • kolesterol.
Strukturen til cellemembranen
Strukturen til cellemembranen

Fosfolipider (en kombinasjon av fett og fosfor) og glykolipider (en kombinasjon av fett og karbohydrater) består på sin side av et hydrofilt hode, som to lange hydrofobe haler strekker seg fra. Men kolesterol opptar noen ganger rommet mellom disse to haler og lar dem ikke bøye seg, noe som gjør membranene til noen celler stive. I tillegg regulerer kolesterolmolekyler strukturen til cellemembraner og forhindrer overføring av polare molekyler fra en celle til en annen.

Men den viktigste komponenten, som du kan se fra forrige avsnitt om funksjonene til cellemembraner, er proteiner. Deres sammensetning, formål og plassering er svært forskjellige, men det er noe felles som forener dem alle: ringformede lipider er alltid plassert rundt proteinene i cellemembraner. Dette er spesialfett som er tydelig strukturert, stabilt, har mer mettede fettsyrer i sammensetningen, og som frigjøres fra membraner sammen med "sponsede" proteiner. Dette er et slags personlig beskyttelsesskall for proteiner, som de rett og slett ikke ville fungert uten.

Strukturen til cellemembranen er trelags. Et relativt homogent flytende bilipidlag ligger i midten, og proteiner dekker det på begge sider med en slags mosaikk, som delvis trenger inn i tykkelsen. Det vil si at det ville være feil å tro at de ytre proteinlagene i cellemembraner er kontinuerlige. Proteiner, i tillegg til deres komplekse funksjoner, er nødvendige i membranen for å passere inn i cellene og transportere ut av dem de stoffene som ikke er i stand til å trenge inn i fettlaget. For eksempel kalium- og natriumioner. For dem er det gitt spesielle proteinstrukturer - ionekanaler, som vi vil diskutere mer detaljert nedenfor.

Hvis du ser på cellemembranen gjennom et mikroskop, kan du se et lag med lipider dannet av de minste sfæriske molekylene, som i likhet med havet flyter store proteinceller av ulike former. Nøyaktig de samme membranene deler det indre rommet i hver celle i rom der kjernen, kloroplastene og mitokondriene er komfortabelt plassert. Hvis det ikke fantes separate "rom" inne i cellen, ville organellene holde seg sammen med hverandre og ville ikke være i stand til å utføre funksjonene sine på riktig måte.

Cell er et sett med organeller strukturert og atskilt av membraner, som er involvert i et kompleks av energi-, metabolske, informasjons- og reproduktive prosesser som sikrer den vitale aktiviteten til organismen.

Som du kan se av denne definisjonen, er membranen den viktigste funksjonelle komponenten i enhver celle. Dens betydning er like stor som for kjernen, mitokondriene og andre celleorganeller. Og de unike egenskapene til membranen skyldes dens struktur: den består av to filmer som er festet sammen på en spesiell måte. Molekyler av fosfolipider i membranen er lokalisert med hydrofile hoder utover, og hydrofobe haler innover. Derfor blir den ene siden av filmen fuktet av vann, mens den andre ikke er det. Så disse filmene er koblet til hverandre med ikke-fuktbare sider innover, og danner et bilipidlag omgitt av proteinmolekyler. Dette er selve "sandwich"-strukturen til cellemembranen.

Ionekanaler i cellemembraner

La oss vurdere mer detaljert prinsippet om drift av ionekanaler. Hva trengs de til? Faktum er at bare fettløselige stoffer kan trenge fritt gjennom lipidmembranen - dette er gasser, alkoholer og fett i seg selv. Så for eksempel i røde blodlegemer er det en konstant utveksling av oksygen og karbondioksid, og for dette trenger ikke kroppen vår å ty til noen ekstra triks. Men hva med når det blir nødvendig å transportere vandige løsninger, som natrium- og kaliums alter, gjennom cellemembranen?

Det ville være umulig å bane vei for slike stoffer i bilipidlaget, siden hullene umiddelbart vil stramme seg og feste seg sammen tilbake, slik er strukturen til ethvert fettvev. Men naturen fant som alltid en vei ut av situasjonen og skapte spesielle proteintransportstrukturer.

Det finnes to typer ledende proteiner:

  • Transporters – semi-integrerte pumpeproteiner;
  • Channelformers – integrerte proteiner.

Proteiner av den første typen er delvis nedsenket i det bilipide laget av cellemembranen, og ser ut med hodet, og i nærvær av det riktige stoffet begynner de å oppføre seg som en pumpe: de tiltrekker seg et molekyl og sug den inn i cellen. Og proteiner av den andre typen, integrert, har en langstrakt form og er plassert vinkelrett på det bilipide laget av cellemembranen, og penetrerer det gjennom og gjennom. Gjennom dem, som gjennom tunneler, beveger stoffer som ikke er i stand til å passere gjennom fett inn og ut av cellen. Det er gjennom ionekanaler at kaliumioner trenger inn i cellen og samler seg i den, mens natriumioner tvert imot bringes ut. Det er en forskjell i elektriske potensialer, så nødvendig for at alle cellene i kroppen vår skal fungere ordentlig.

[Instruksjonsvideo] Strukturen til cellens plasmamembran:

De viktigste konklusjonene om strukturen og funksjonene til cellemembraner

Teori ser alltid interessant og lovende ut hvis den kan brukes i praksis. Oppdagelsen av strukturen og funksjonene til cellemembranene i menneskekroppen gjorde det mulig for forskere å gjøre et reelt gjennombrudd innen vitenskap generelt, og i medisin spesielt. Det er ingen tilfeldighet at vi dvelet så detaljert ved ionekanaler, for det er her svaret på et av vår tids viktigste spørsmål: hvorfor blir folk i økende grad syke av onkologi?

Kreft krever rundt 17 millioner liv over hele verden hvert år og er den fjerde ledende årsaken til alle dødsfall. Ifølge WHO øker forekomsten av kreft jevnt og trutt, og innen utgangen av 2020 kan den nå 25 millioner i året.

Hva forklarer den virkelige kreftepidemien, og hva har cellemembranenes funksjon med det å gjøre? Du vil si: årsaken er dårlige miljøforhold, underernæring, dårlige vaner og tung arv. Og selvfølgelig vil du ha rett, men hvis vi snakker om problemet mer detaljert, er årsaken forsuringen av menneskekroppen. De negative faktorene oppført ovenfor fører til forstyrrelse av cellemembranene, hemmer pust og ernæring.

Der det skal være et pluss, dannes et minus, og cellen kan ikke fungere norm alt. Men kreftceller trenger verken oksygen eller et alkalisk miljø – de er i stand til å bruke en anaerob type næring. Derfor, under forhold med oksygen sult og off-skala pH-nivåer, muterer sunne celler, ønsker å tilpasse seg miljøet, og blir kreftceller. Dette er hvordan en person får kreft. For å unngå dette trenger du bare å drikke nok rent vann daglig, og gi opp kreftfremkallende stoffer i maten. Men som regel er folk godt klar over skadelige produkter og behovet for vann av høy kvalitet, og gjør ingenting - de håper at problemer vil omgå dem.

Leger kan bruke denne informasjonen til å gi målrettede, målrettede terapeutiske effekter på kroppen, fordi de kjenner til funksjonene til strukturen og funksjonene til cellemembranene til forskjellige celler. Mange moderne medisiner, som kommer inn i kroppen vår, leter etter det rette "målet", som kan være ionekanaler, enzymer, reseptorer og biomarkører av cellemembraner. Denne behandlingsmetoden lar deg oppnå bedre resultater med minimale bivirkninger.

Når de siste generasjons antibiotika kommer inn i blodet, dreper ikke alle cellene på rad, men ser etter nøyaktig cellene til patogenet, med fokus på markører i cellemembranene. De nyeste anti-migrenemedisinene, triptaner, trekker kun sammen de betente hjernekarene, samtidig som de nesten ikke har noen effekt på hjertet og det perifere sirkulasjonssystemet. Og de gjenkjenner de nødvendige karene nøyaktig ved proteinene i cellemembranene deres. Det er mange slike eksempler, så vi kan med sikkerhet si at kunnskap om strukturen og funksjonene til cellemembraner ligger til grunn for utviklingen av moderne medisinsk vitenskap, og redder millioner av liv hvert år.

Anbefalt: