Клетъчна мембрана

Всички живи организми на Земята са изградени от клетки и всяка клетка е обградена от защитна обвивка - мембрана. Функциите на мембраната обаче не се ограничават до защита на органелите и отделяне на една клетка от друга. Клетъчната мембрана е сложен механизъм, който участва пряко в възпроизводството, 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 случай на клетъчна мембрана би било по-правилно да се говори за комбинация от два филма, свързани помежду си по определен начин, освен това различните страни на тези филми имат различни свойства.

Клетъчната мембрана (цитолема, плазмалема) е трислойна липопротеинова (мастно-протеинова) мембрана, която отделя всяка клетка от съседните клетки и околната среда и осъществява контролиран обмен между клетките и околната среда.

Решаващият фактор в това определение не е, че клетъчната мембрана отделя една клетка от друга, а че осигурява взаимодействието й с други клетки и околната среда. Мембраната е много активна, постоянно работеща структура на клетката, на която природата възлага много функции. От нашата статия ще научите всичко за състава, структурата, свойствата и функциите на клетъчната мембрана, както и за опасността за човешкото здраве от нарушения във функционирането на клетъчните мембрани.

История на изследването на клетъчните мембрани

През 1925 г. двама немски учени, Гортер и Грендел, успяват да проведат сложен експеримент върху човешки червени кръвни клетки, еритроцити. Използвайки осмотичен шок, изследователите получиха така наречените "сенки" - празни черупки от червени кръвни клетки, след което ги поставиха на една купчина и измериха повърхностната площ. Следващата стъпка беше да се изчисли количеството липиди в клетъчната мембрана. Използвайки ацетон, учените изолират липидите от „сенките“и установяват, че са достатъчни за двоен непрекъснат слой.

По време на експеримента обаче бяха допуснати две груби грешки:

Използването на ацетон не позволява всички липиди да бъдат изолирани от мембраните;
Повърхността на "сенките" е изчислена по сухо тегло, което също е неправилно.

Тъй като първата грешка даде минус в изчисленията, а втората даде плюс, общият резултат се оказа изненадващо точен и немски учени донесоха най-важното откритие на научния свят - липидния двоен слой на клетъчната мембрана.

През 1935 друга двойка изследователи, Даниел и Доусън, след дълги експерименти върху билипидни филми стигнаха до заключението за наличието на протеини в клетъчните мембрани. Нямаше друг начин да се обясни защо тези филми имат толкова високо повърхностно напрежение. Учените представиха на обществеността схематичен модел на клетъчна мембрана, подобна на сандвич, където хомогенни липидно-протеинови слоеве играят ролята на филийки хляб, а между тях вместо масло има празнота.

През 1950, с помощта на първия електронен микроскоп, теорията на Danielly-Dawson е частично потвърдена - микроснимките на клетъчната мембрана ясно показват два слоя, състоящи се от липиди и протеини глави, а между тях има прозрачно пространство, изпълнено само с опашки от липиди и протеини.

През 1960, ръководен от тези данни, американският микробиолог Дж. Робъртсън развива теория за трислойната структура на клетъчните мембрани, която дълго време се счита за единственият верен. С развитието на науката обаче се раждат все повече съмнения относно хомогенността на тези слоеве. От гледна точка на термодинамиката, такава структура е изключително неблагоприятна - за клетките би било много трудно да транспортират вещества навътре и навън през целия "сандвич". Освен това е доказано, че клетъчните мембрани на различните тъкани имат различна дебелина и методи на закрепване, което се дължи на различните функции на органите.

През 1972 микробиолозите S. D. Сингър и Г. Л. Никълсън успява да обясни всички несъответствия на теорията на Робъртсън с помощта на нов, течно-мозаичен модел на клетъчната мембрана. Учените са установили, че мембраната е разнородна, асиметрична, пълна с течност и клетките й са в постоянно движение. И протеините, които съставляват неговия състав, имат различна структура и предназначение, освен това те са разположени по различен начин спрямо билипидния слой на мембраната.

В клетъчните мембрани има три вида протеини:

Периферен - прикрепен към повърхността на филма;
Полу-интеграл – частично проникване в билипидния слой;
Integral – прониква напълно в мембраната.

Периферните протеини са свързани с главите на мембранните липиди чрез електростатично взаимодействие и никога не образуват непрекъснат слой, както се смяташе преди. А полуинтегралните и интегралните протеини служат за транспортиране на кислород и хранителни вещества в клетката, както и за отстраняване на продуктите от разпадане от нея, както и за няколко други важни функции, за които ще научите по-късно.

Свойства и функции на клетъчната мембрана

Клетъчната мембрана изпълнява следните функции:

Бариера - пропускливостта на мембраната за различните видове молекули не е еднаква. За да се заобиколи клетъчната мембрана, молекулата трябва да има определен размер, химични свойства и електрическа зареждане. Вредни или неподходящи молекули, поради бариерната функция на клетъчната мембрана, просто не могат да влязат в клетката. Например, с помощта на реакцията пероксис, мембраната предпазва цитоплазмата от опасни пероксиди;
Транспорт - пасивен, активен, регулиран и селективен обмен преминава през мембраната. Пасивният метаболизъм е подходящ за мастноразтворими вещества и газове, състоящи се от много малки молекули. Такива вещества проникват в и извън клетката без разход на енергия, свободно, чрез дифузия. Активната транспортна функция на клетъчната мембрана се активира, когато е необходимо, но трудни за транспортиране вещества трябва да бъдат пренесени в или извън клетката. Например, тези с голям молекулен размер или неспособни да преминат билипидния слой поради хидрофобност. След това започват да работят протеиновите помпи, включително АТФ-аза, която е отговорна за абсорбцията на калиеви йони в клетката и изхвърлянето на натриеви йони от нея. Регулираният транспорт е от съществено значение за функциите на секреция и ферментация, като например когато клетките произвеждат и отделят хормони или стомашен сок. Всички тези вещества напускат клетките по специални канали и в определен обем. А селективната транспортна функция е свързана със самите интегрални протеини, които проникват през мембраната и служат като канал за влизане и излизане на строго определени типове молекули;
Matrix - клетъчната мембрана определя и фиксира местоположението на органелите един спрямо друг (ядро, митохондрии, хлоропласти) и регулира взаимодействието между тях;
Механично - 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 твърда дървесина, гъста кора, бодливи тръни. В животинското царство също има много примери за защитната функция на клетъчните мембрани - черупка на костенурка, хитинова черупка, копита и рога;
Енергия - процесите на фотосинтеза и клетъчно дишане биха били невъзможни без участието на протеини на клетъчната мембрана, тъй като именно чрез протеинови канали клетките обменят енергия;
Рецептор- протеините, вградени в клетъчната мембрана, може да имат друга важна функция. Те служат като рецептори, чрез 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;
Enzymatic е друга важна функция, присъща на някои протеини на клетъчната мембрана. Например в чревния епител храносмилателните ензими се синтезират с помощта на такива протеини;
Биопотенциал - концентрацията на калиеви йони вътре в клетката е много по-висока, отколкото навън, а концентрацията на натриеви йони, напротив, отвън е по-голяма, отколкото вътре. Това обяснява потенциалната разлика: вътре в клетката зарядът е отрицателен, извън него е положителен, което допринася за движението на веществата в клетката и навън при всеки от трите вида метаболизъм - фагоцитоза, пиноцитоза и екзоцитоза;
Етикетиране - на повърхността на клетъчните мембрани има така наречените "етикети" - антигени, състоящи се от гликопротеини (протеини с разклонени олигозахаридни странични вериги, прикрепени към тях). Тъй като страничните вериги могат да имат голямо разнообразие от конфигурации, всеки тип клетка получава свой собствен уникален етикет, който позволява на други клетки в тялото да ги разпознават „по зрение“и да реагират правилно на тях. Ето защо, например, човешките имунни клетки, макрофагите, лесно разпознават попаднал в тялото чужд човек (инфекция, вирус) и се опитват да го унищожат. Същото се случва и с болните, мутирали и стари клетки - етикетът върху клетъчната им мембрана се променя и тялото се отървава от тях.

Клетъчният обмен се осъществява през мембраните и може да се извърши чрез три основни типа реакции:

Фагоцитозата е клетъчен процес, при който фагоцитните клетки, вградени в мембраната, улавят и усвояват твърди частици от хранителни вещества. В човешкото тяло фагоцитозата се осъществява от мембрани на два вида клетки: гранулоцити (гранулирани левкоцити) и макрофаги (имунни клетки убийци);
Пиноцитоза - процесът на улавяне на повърхността на клетъчната мембрана на течностни молекули в контакт с нея. За хранене по вида на пиноцитозата клетката отглежда тънки пухкави израстъци под формата на антени върху мембраната си, които сякаш обграждат капка течност и се получава балон. Първо, тази везикула изпъква над повърхността на мембраната и след това се „поглъща“- скрива се вътре в клетката и стените й се сливат с вътрешната повърхност на клетъчната мембрана. Пиноцитозата се среща в почти всички живи клетки;
Екзоцитоза е обратен процес, при който вътре в клетката се образуват везикули със секреторна функционална течност (ензим, хормон) и тя трябва по някакъв начин да бъде отстранена от клетката в околен свят. За да направите това, везикулата първо се слива с вътрешната повърхност на клетъчната мембрана, след това се издува навън, избухва, изхвърля съдържанието и отново се слива с повърхността на мембраната, този път отвън. Екзоцитозата се извършва например в клетките на чревния епител и надбъбречната кора.

Структура на клетъчната мембрана

Клетъчните мембрани съдържат три класа липиди:

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 простират две дълги хидрофобни опашки. Но холестеролът понякога заема пространството между тези две опашки и не им позволява да се огънат, което прави мембраните на някои клетки твърди. В допълнение, молекулите на холестерола регулират структурата на клетъчните мембрани и предотвратяват прехвърлянето на полярни молекули от една клетка в друга.

Но най-важният компонент, както можете да видите от предишния раздел за функциите на клетъчните мембрани, са протеините. Техният състав, предназначение и местоположение са много разнообразни, но има нещо общо, което ги обединява: 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 със "спонсорирани" протеини. Това е един вид лична защитна обвивка за протеините, без която те просто не биха работили.

Структурата на клетъчната мембрана е трислойна. Сравнително хомогенен течен билипиден слой лежи в средата, а протеините го покриват от двете страни с вид мозайка, частично проникваща в дебелината. Тоест, би било погрешно да се мисли, че външните протеинови слоеве на клетъчните мембрани са непрекъснати. Протеините, в допълнение към техните сложни функции, са необходими в мембраната, за да преминат вътре в клетките и да транспортират от тях тези вещества, които не могат да проникнат през мастния слой. Например калиеви и натриеви йони. За тях са предвидени специални протеинови структури - йонни канали, които ще разгледаме по-подробно по-долу.

Ако погледнете клетъчната мембрана през микроскоп, можете да видите слой от липиди, образуван от най-малките сферични молекули, върху които, подобно на морето, плуват големи протеинови клетки с различни форми. Точно същите мембрани разделят вътрешното пространство на всяка клетка на отделения, в които удобно са разположени ядрото, хлоропластите и митохондриите. Ако нямаше отделни „стаи“вътре в клетката, органелите биха се слепили една с друга и нямаше да могат да изпълняват функциите си правилно.

Cell е набор от органели, структурирани и разделени от мембрани, които участват в комплекс от енергийни, метаболитни, информационни и репродуктивни процеси, които осигуряват жизнената дейност на организма..

Както можете да видите от това определение, мембраната е най-важният функционален компонент на всяка клетка. Значението му е толкова голямо, колкото и това на ядрото, митохондриите и другите клетъчни органели. А уникалните свойства на мембраната се дължат на нейната структура: тя се състои от два филма, залепени заедно по специален начин. Молекулите на фосфолипидите в мембраната са разположени с хидрофилни глави навън и хидрофобни опашки навътре. Следователно едната страна на филма е намокрена от вода, а другата не. И така, тези филми са свързани един с друг с ненамокрящи се страни навътре, образувайки билипиден слой, заобиколен от протеинови молекули. Това е самата „сандвич“структура на клетъчната мембрана.

Йонни канали на клетъчните мембрани

Нека разгледаме по-подробно принципа на работа на йонните канали. За какво са нужни? Факт е, че само мастноразтворимите вещества могат свободно да проникнат през липидната мембрана - това са газове, алкохоли и самите мазнини. Така например в червените кръвни клетки има постоянен обмен на кислород и въглероден диоксид и за това тялото ни не трябва да прибягва до допълнителни трикове. Но какво да кажем, когато стане необходимо да се транспортират водни разтвори, като натриеви и калиеви соли, през клетъчната мембрана?

Би било невъзможно да се проправи път за такива вещества в билипидния слой, тъй като дупките веднага ще се стегнат и ще се залепят обратно, такава е структурата на всяка мастна тъкан. Но природата, както винаги, намери изход от ситуацията и създаде специални протеинови транспортни структури.

Има два вида проводими протеини:

Транспортери – полуинтегрални помпени протеини;
Channelformers – интегрални протеини.

Протеините от първия тип са частично потопени в билипидния слой на клетъчната мембрана и гледат навън с главата си и в присъствието на правилното вещество започват да се държат като помпа: те привличат молекула и го засмуква в клетката. А протеините от втория тип, интегрални, имат удължена форма и са разположени перпендикулярно на билипидния слой на клетъчната мембрана, прониквайки в него през и през. През тях, като през тунели, веществата, които не могат да преминат през мазнините, се придвижват към и извън клетката. Именно чрез йонни канали калиевите йони проникват в клетката и се натрупват в нея, докато натриевите йони, напротив, се извеждат навън. Има разлика в електрическите потенциали, така необходими за правилното функциониране на всички клетки в нашето тяло.

[Видео с инструкции] Структурата на плазмената мембрана на клетката:

Най-важните изводи за структурата и функциите на клетъчните мембрани

Теорията винаги изглежда интересна и обещаваща, ако може да бъде полезно приложена на практика. 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. Неслучайно се спряхме толкова подробно на йонните канали, защото именно тук се крие отговорът на един от най-важните въпроси на нашето време: защо хората все повече се разболяват от онкология?

Ракът отнема около 17 милиона живота по света всяка година и е четвъртата водеща причина за всички смъртни случаи. Според СЗО заболеваемостта от рак непрекъснато нараства и до края на 2020 г. може да достигне 25 милиона годишно.

Какво обяснява истинската епидемия от рак и какво общо има функцията на клетъчните мембрани с нея? Ще кажете: причината е в лошите екологични условия, недохранването, лошите навици и тежката наследственост. И, разбира се, ще бъдете прави, но ако говорим за проблема по-подробно, тогава причината е подкисляването на човешкото тяло. Изброените по-горе негативни фактори водят до разрушаване на клетъчните мембрани, възпрепятстват дишането и храненето.

Там, където 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 анаеробен тип хранене. Ето защо, в условия на кислороден глад и нива на рН извън мащаба, здравите клетки мутират, искайки да се адаптират към околната среда, и се превръщат в ракови клетки. Така човек се разболява от рак. За да избегнете това, просто трябва да пиете достатъчно чиста вода всеки ден и да се откажете от канцерогените в храната. Но по правило хората са добре запознати с вредните продукти и необходимостта от качествена вода и не правят нищо - надяват се, че неприятностите ще ги заобиколят.

Познавайки характеристиките на структурата и функциите на клетъчните мембрани на различни клетки, лекарите могат да използват тази информация, за да осигурят насочени, насочени терапевтични ефекти върху тялото. Много съвременни лекарства, попадайки в тялото ни, търсят правилната „мишена“, която може да бъде йонни канали, ензими, рецептори и биомаркери на клетъчните мембрани. Този метод на лечение ви позволява да постигнете по-добри резултати с минимални странични ефекти.

Антибиотиците от последно поколение, когато попаднат в кръвта, не убиват всички клетки подред, а търсят точно клетките на патогена, като се фокусират върху маркерите в клетъчните му мембрани. Най-новите лекарства против мигрена, триптаните, само свиват възпалените мозъчни съдове, като почти не оказват влияние върху сърцето и периферната кръвоносна система. И те разпознават необходимите съдове именно по протеините на клетъчните си мембрани. Има много такива примери, така че можем да кажем с увереност, че знанията за структурата и функциите на клетъчните мембрани са в основата на развитието на съвременната медицина и спасяват милиони животи всяка година.