Stručný opis:

Sazonov V.F. 1_1 Štruktúra bunkovej membrány [Elektronický zdroj] // Kineziológ, 2009-2018: [stránka]. Aktualizovaný dátum: 06.02.2018 ..__. 201_). _Je opísaná štruktúra a fungovanie bunkovej membrány (synonymá: plazmaléma, plazmolema, biomembrána, bunková membrána, vonkajšia bunková membrána, bunková membrána, cytoplazmatická membrána). Tieto počiatočné informácie sú potrebné pre cytológiu aj pre pochopenie procesov nervovej aktivity: nervová excitácia, inhibícia, práca synapsií a senzorických receptorov.

Bunková membrána (plazma a lemma alebo plazma O lemma)

Definícia pojmu

Bunková membrána (synonymá: plazmaléma, plazmolema, cytoplazmatická membrána, biomembrána) je trojitá lipoproteínová (tj "tukovo-proteínová") membrána, ktorá oddeľuje bunku od životné prostredie a uskutočňovanie riadenej výmeny a komunikácie medzi bunkou a jej prostredím.

Hlavnou vecou v tejto definícii nie je to, že membrána oddeľuje bunku od prostredia, ale práve to spája klietka s prostredím. Membrána je aktívny štruktúra bunky, neustále pracuje.

Biologická membrána je ultratenký bimolekulárny film fosfolipidov obalený proteínmi a polysacharidmi. Táto bunková štruktúra je základom bariérových, mechanických a matricových vlastností živého organizmu (Antonov V.F., 1996).

Obrazové znázornenie membrány

Bunková membrána sa mi javí ako mriežkový plot s mnohými dverami, ktorý obklopuje určité územie. Akýkoľvek malý živý tvor sa môže cez tento plot voľne pohybovať tam a späť. No väčší návštevníci môžu vojsť len dverami a aj to nie všetci. Rôzni návštevníci majú kľúče iba od svojich dverí a nemôžu prejsť dverami iných ľudí. Takže cez tento plot neustále prúdia návštevy tam a späť, pretože hlavná funkcia membránového plotu je dvojaká: oddeliť územie od okolitého priestoru a zároveň ho spojiť s okolitým priestorom. Na to je v plote veľa dier a dverí - !

Vlastnosti membrány

1. Priepustnosť.

2. Polopriepustnosť (čiastočná priepustnosť).

3. Selektívna (synonymum: selektívna) priepustnosť.

4. Aktívna permeabilita (synonymum: aktívny transport).

5. Riadená priepustnosť.

Ako vidíte, hlavnou vlastnosťou membrány je jej priepustnosť pre rôzne látky.

6. Fagocytóza a pinocytóza.

7. Exocytóza.

8. Prítomnosť elektrických a chemických potenciálov, presnejšie potenciálový rozdiel medzi vnútornou a vonkajšou stranou membrány. Obrazne to môžeme povedať "membrána premení článok na" elektrickú batériu "riadením toku iónov"... Podrobnosti: .

9. Zmeny elektrického a chemického potenciálu.

10. Podráždenosť. Špeciálne molekulárne receptory umiestnené na membráne sa môžu viazať so signálnymi (riadiacimi) látkami, v dôsledku čoho sa môže zmeniť stav membrány a celej bunky. Molekulárne receptory spúšťajú bio chemické reakcie ako odpoveď na spojenie s ligandami (kontrolnými látkami). Je dôležité si uvedomiť, že signálna látka pôsobí na receptor zvonku a zmeny pokračujú aj vo vnútri bunky. Ukazuje sa, že membrána prenášala informácie z okolia do vnútorného prostredia bunky.

11. Katalytická enzymatická aktivita. Enzýmy môžu byť vložené do membrány alebo spojené s jej povrchom (vo vnútri aj mimo bunky) a tam vykonávajú svoju enzymatickú aktivitu.

12. Zmena tvaru povrchu a jeho plochy. To umožňuje membráne vytvárať výrastky smerom von alebo naopak invagináciu do bunky.

13. Schopnosť vytvárať kontakty s inými bunkovými membránami.

14. Priľnavosť je schopnosť priľnúť k pevným povrchom.

Krátky zoznam vlastností membrány

• Priepustnosť.
• Endocytóza, exocytóza, transcytóza.
• Potenciály.
• Podráždenosť.
• Enzymatická aktivita.
• Kontakty.
• Priľnavosť.

Membránové funkcie

1. Neúplná izolácia vnútorného obsahu od vonkajšieho prostredia.

2. Hlavná vec v práci bunkovej membrány je výmena rôzne látok medzi bunkou a medzibunkovým prostredím. Je to spôsobené takou vlastnosťou membrány, ako je priepustnosť. Okrem toho membrána reguluje túto výmenu reguláciou jej priepustnosti.

3. Ďalšou dôležitou funkciou membrány je vytvorenie rozdielu v chemickom a elektrickom potenciáli medzi jeho vnútornou a vonkajšou stranou. Vďaka tomu má vnútro bunky negatív elektrický potenciál - .

4. Prostredníctvom membrány sa tiež vykonáva výmena informácií medzi bunkou a jej prostredím. Špeciálne molekulárne receptory umiestnené na membráne sa môžu viazať na riadiace látky (hormóny, mediátory, modulátory) a spúšťať v bunke biochemické reakcie vedúce k rôznym zmenám vo fungovaní bunky alebo v jej štruktúrach.

Video:Štruktúra bunkovej membrány

Video prednáška:Podrobnosti o štruktúre membrány a transporte

Membránová štruktúra

Bunková membrána má všestranné využitie trojvrstvový štruktúru. Jeho stredná tuková vrstva je súvislá a horná a spodná proteínová vrstva ju pokrýva vo forme mozaiky oddelených proteínových oblastí. Tuková vrstva je základom, ktorý zabezpečuje izoláciu bunky od okolia, izoluje ju od okolia. Sám o sebe veľmi zle prepúšťa látky rozpustné vo vode, ale ľahko prepúšťa látky rozpustné v tukoch. Preto musí byť priepustnosť membrán pre látky rozpustné vo vode (napríklad ióny) vybavená špeciálnymi proteínovými štruktúrami - a.

Nižšie sú mikrofotografie skutočných bunkových membrán kontaktujúcich buniek, získané pomocou elektrónového mikroskopu, ako aj schematický nákres zobrazujúci trojvrstvovú membránu a mozaikovitosť jej proteínových vrstiev. Ak chcete obrázok zväčšiť, kliknite naň.

Samostatný obraz vnútornej lipidovej (tukovej) vrstvy bunkovej membrány, preniknutej integrálnymi zabudovanými proteínmi. Vrchná a spodná proteínová vrstva sa odstránila, aby neinterferovali s pozorovaním lipidovej dvojvrstvy

Obrázok vyššie: Neúplné schematické znázornenie bunkovej membrány (bunkovej steny), ako je znázornené na Wikipédii.

Upozorňujeme, že z membrány boli odstránené vonkajšie a vnútorné proteínové vrstvy, aby sme mohli lepšie vidieť centrálnu tukovú dvojitú lipidovú vrstvu. V skutočnej bunkovej membráne veľké proteínové „ostrovy“ plávajú nad a pod tukovým filmom (malé guľôčky na obrázku) a membrána sa ukáže ako hrubšia, trojvrstvová: proteín-tuk-proteín ... Vyzerá to teda vlastne ako chlebíček z dvoch proteínových „plátkov chleba“ s hrubou vrstvou „masla“ uprostred, t.j. má trojvrstvovú štruktúru, nie dvojvrstvovú.

Na tomto obrázku malé modré a biele guľôčky zodpovedajú hydrofilným (zmáčateľným) lipidovým „hlavám“ a „reťazce“ k nim pripojené zodpovedajú hydrofóbnym (nezmáčateľným) „chvostom“. Z proteínov sú zobrazené iba integrálne membránové proteíny typu end-to-end (červené globule a žlté helixy). Žlté oválne bodky vo vnútri membrány sú molekuly cholesterolu.Žltozelené guľôčkové reťazce na vonkajšej strane membrány sú oligosacharidové reťazce, ktoré tvoria glykokalyx. Glykokalyx je ako sacharidová ("cukrová") "chumáča" na membráne, ktorú tvoria dlhé sacharidovo-bielkovinové molekuly, ktoré z nej trčia.

Alive je malé „proteínovo-tukové vrecúško“ naplnené polotekutým rôsolovitým obsahom, ktorý je presiaknutý filmami a hadičkami.

Steny tohto vaku sú tvorené dvojitým tukovým (lipidovým) filmom, zvnútra aj zvonka pokrytým bielkovinami – bunkovou membránou. Preto sa hovorí, že membrána má trojvrstvová štruktúra : proteín-tuk-proteín... Vo vnútri bunky je tiež veľa takýchto tukových membrán, ktoré rozdeľujú jej vnútorný priestor na kompartmenty. Bunkové organely sú obklopené rovnakými membránami: jadro, mitochondrie, chloroplasty. Membrána je teda univerzálna molekulárna štruktúra vlastná všetkým bunkám a všetkým živým organizmom.

Vľavo nie je skutočný, ale umelý model kúska biologickej membrány: ide o okamžitú snímku tukovej fosfolipidovej dvojvrstvy (t.j. dvojitej vrstvy) v procese jej modelovania molekulárnej dynamiky. Zobrazená je vypočítaná bunka modelu - 96 molekúl PC ( f osfatidil X olina) a 2304 molekúl vody, spolu 20544 atómov.

Vpravo je vizuálny model jednej molekuly rovnakého lipidu, z ktorej je zostavená membránová lipidová dvojvrstva. V hornej časti má hydrofilnú (vodu milujúcu) hlavu a v spodnej časti sú dva hydrofóbne (vodu sa obávajúce) chvosty. Tento lipid má jednoduchý názov: 1-steroyl-2-dokosahexaenoyl-Sn-glycero-3-fosfatidylcholín (18: 0/22: 6 (n-3) cis PC), ale nemusíte si ho zapamätať, pokiaľ plán priviesť svojho učiteľa do mdlob s hĺbkou svojich vedomostí.

Presnejšiu vedeckú definíciu bunky možno poskytnúť:

Je ohraničený aktívnou membránou, usporiadaným, štruktúrovaným heterogénnym systémom biopolymérov zúčastňujúcich sa na jednom súbore metabolických, energetických a informačných procesov, ktoré tiež vykonávajú údržbu a reprodukciu celého systému ako celku.

Vnútri bunky je tiež preniknutý membránami a medzi membránami nie je voda, ale viskózny gél/sol s premenlivou hustotou. Preto interagujúce molekuly v bunke neplávajú voľne ako v skúmavke s vodným roztokom, ale sedia (imobilizujú) najmä na polymérnych štruktúrach cytoskeletu alebo intracelulárnych membrán. A preto vo vnútri bunky prebiehajú chemické reakcie takmer ako v pevnej látke, a nie v kvapaline. Vonkajšia membrána obklopujúca bunku je tiež pokrytá enzýmami a molekulárne receptory, čo z neho robí veľmi aktívnu súčasť bunky.

Bunková membrána (plazmalema, plazmolema) je aktívna membrána, ktorá oddeľuje bunku od okolia a spája ju s okolím. © Sazonov V.F., 2016.

Z tejto definície membrány vyplýva, že nielen obmedzuje bunku, ale aktívne pracuje spájať ho so svojím prostredím.

Tuk, ktorý tvorí membrány, je špeciálny, takže jeho molekuly sa zvyčajne nazývajú nielen tuk, ale "lipidy", "fosfolipidy", "sfingolipidy"... Membránová fólia je dvojitá, to znamená, že pozostáva z dvoch k sebe prilepených fólií. Preto v učebniciach píšu, že základ bunkovej membrány tvoria dve lipidové vrstvy (alebo „ dvojvrstvový", t.j. dvojitá vrstva). Pre každú oddelenú lipidovú vrstvu môže byť jedna strana navlhčená vodou a druhá nie. Tieto filmy sa teda navzájom presne lepia svojimi nezmáčavými stranami.

Membrána baktérií

Prokaryotická bunková membrána gramnegatívnych baktérií pozostáva z niekoľkých vrstiev, ako je znázornené na obrázku nižšie.
Obalové vrstvy gramnegatívnych baktérií:
1. Vnútorná trojvrstvová cytoplazmatická membrána, ktorá je v kontakte s cytoplazmou.
2. Bunková stena, ktorá sa skladá z mureínu.
3. Vonkajšia trojvrstvová cytoplazmatická membrána, ktorá má rovnaký systém lipidov s proteínovými komplexmi ako vnútorná membrána.
Komunikácia gramnegatívu bakteriálne bunky S vonkajší svet prostredníctvom takejto komplexnej trojstupňovej štruktúry im nedáva výhodu v prežití v drsných podmienkach v porovnaní s grampozitívnymi baktériami, ktoré majú menej výkonný obal. Rovnako zle znášajú vysoké teploty, kyslosť a pokles tlaku.

Video prednáška:Plazmatická membrána. E.V. Cheval, Ph.D.

Video prednáška:Membrána ako hranica bunky. A. Ilyaskin

Význam membránových iónových kanálov

Je ľahké pochopiť, že cez tukovú membránu sa do bunky môžu dostať iba látky rozpustné v tukoch. Sú to tuky, alkoholy, plyny. Napríklad v erytrocytoch kyslík a oxid uhličitý ľahko prechádzajú dovnútra a von priamo cez membránu. Ale voda a vo vode rozpustné látky (napríklad ióny) jednoducho nemôžu prejsť cez membránu do žiadnej bunky. To znamená, že potrebujú špeciálne otvory. Ale ak len urobíte dieru v tukovom filme, okamžite sa stiahne. Čo robiť? V prírode sa našlo východisko: je potrebné vytvoriť špeciálne štruktúry na transport proteínov a natiahnuť ich cez membránu. Takto sa získajú kanály na prechod látok nerozpustných v tukoch - iónové kanály bunkovej membrány.

Aby bunka dodala svojej membráne ďalšie vlastnosti permeability pre polárne molekuly (ióny a vodu), syntetizuje v cytoplazme špeciálne proteíny, ktoré sa potom zabudujú do membrány. Sú dvoch typov: transportné proteíny (napríklad transportné ATPázy) a proteíny tvoriace kanál (tvorcovia kanálov). Tieto proteíny sú začlenené do dvojitej tukovej vrstvy membrány a tvoria transportné štruktúry vo forme transportérov alebo iónových kanálov. Cez tieto transportné štruktúry môžu teraz prechádzať rôzne vo vode rozpustné látky, ktoré inak cez film tukovej membrány prechádzať nemôžu.

Vo všeobecnosti sa proteíny zabudované do membrány nazývajú aj tzv integrálne, práve preto, že sa zdá, že sú zahrnuté v zložení membrány a prenikajú do nej skrz naskrz. Iné proteíny, nie integrálne, tvoria akoby ostrovčeky, ktoré sa „vznášajú“ nad povrchom membrány: buď pozdĺž jej vonkajšieho povrchu, alebo pozdĺž jej vnútorného povrchu. Každý predsa vie, že tuk je dobrý lubrikant a ľahko sa po ňom kĺže!

závery

1. Vo všeobecnosti je membrána trojvrstvová:

1) vonkajšia vrstva proteínových „ostrovov“,

2) tukové dvojvrstvové „more“ (lipidová dvojvrstva), t.j. dvojitý lipidový film,

3) vnútorná vrstva proteínových "ostrovov".

Existuje však aj voľná vonkajšia vrstva - glykokalyx, ktorá je tvorená glykoproteínmi, ktoré trčia z membrány. Sú to molekulárne receptory, s ktorými sa viažu signalizačné činidlá.

2. V membráne sú zabudované špeciálne proteínové štruktúry, ktoré zabezpečujú jej priepustnosť pre ióny alebo iné látky. Nezabudnite, že na niektorých miestach je more tuku preniknuté integrálnymi proteínmi. A práve integrálne bielkoviny tvoria špeciálne dopravných stavieb bunkovej membrány (pozri časť 1_2 Mechanizmy membránového transportu). Prostredníctvom nich látky vstupujú do bunky a sú tiež odvádzané z bunky von.

3. Na oboch stranách membrány (vonkajšia a vnútorná), ako aj vo vnútri membrány sa môžu nachádzať enzýmové proteíny, ktoré ovplyvňujú ako stav samotnej membrány, tak aj životnosť celej bunky.

Bunková membrána je teda aktívna meniteľná štruktúra, ktorá aktívne pracuje v záujme celej bunky a spája ju s vonkajším svetom a nie je len „ochranným plášťom“. Toto je najdôležitejšia vec, ktorú treba vedieť o bunkovej membráne.

V medicíne sa membránové proteíny často používajú ako ciele pre lieky... Ako také ciele pôsobia receptory, iónové kanály, enzýmy a transportné systémy. V poslednom čase sa terčom liekov stávajú okrem membrány aj gény ukryté v bunkovom jadre.

Video:Úvod do biofyziky bunkovej membrány: Štruktúra membrán 1 (Vladimirov Yu.A.)

Video:História, štruktúra a funkcia bunkovej membrány: Membránová štruktúra 2 (Vladimirov Yu.A.)

© 2010-2018 Sazonov V.F., © 2010-2016 kineziolog.bodhy.

Štúdium štruktúry organizmov, ako aj rastlín, zvierat a ľudí sa zaoberá sekciou biológie nazývanou cytológia. Vedci zistili, že obsah bunky, ktorá sa v nej nachádza, je pomerne zložitý. Je obklopený takzvaným povrchovým aparátom, ktorý zahŕňa vonkajšiu bunkovú membránu, supramembránové štruktúry: glykokalyx a tiež mikrofilamenty, pelikuly a mikrotubuly, ktoré tvoria jeho submembránový komplex.

V tomto článku budeme študovať štruktúru a funkciu vonkajšej bunkovej membrány, ktorá je súčasťou povrchového aparátu odlišné typy bunky.

Aké funkcie vykonáva vonkajšia bunková membrána?

Ako už bolo popísané vyššie, vonkajšia membrána je súčasťou povrchového aparátu každej bunky, ktorá úspešne oddeľuje jej vnútorný obsah a chráni bunkové organely pred nepriaznivými podmienkami prostredia. Ďalšou funkciou je zabezpečenie látkovej výmeny medzi bunkovým obsahom a tkanivovým mokom, preto vonkajšia bunková membrána zabezpečuje transport molekúl a iónov vstupujúcich do cytoplazmy a tiež pomáha odstraňovať toxíny a prebytočné toxické látky z bunky.

Štruktúra bunkovej membrány

Membrány alebo plazmalemy rôznych typov buniek sa navzájom veľmi líšia. Hlavne chemická štruktúra, ako aj relatívny obsah lipidov, glykoproteínov, proteínov v nich, a teda aj povaha receptorov, ktoré sa v nich nachádzajú. Ten vonkajší, ktorý je determinovaný predovšetkým individuálnym zložením glykoproteínov, sa podieľa na rozpoznávaní environmentálnych podnetov a na reakciách samotnej bunky na ich pôsobenie. Niektoré typy vírusov môžu interagovať s proteínmi a glykolipidmi bunkových membrán, v dôsledku čoho prenikajú do bunky. Herpes a chrípkové vírusy môžu byť použité na vytvorenie ich ochranného obalu.

A vírusy a baktérie, takzvané bakteriofágy, sa prichytia na bunkovú membránu a pomocou špeciálneho enzýmu ju v mieste kontaktu rozpustia. Potom cez otvor prejde molekula vírusovej DNA.

Štrukturálne znaky eukaryotickej plazmalemy

Pripomeňme, že vonkajšia bunková membrána plní funkciu transportu, teda prenos látok do nej a von z nej do vonkajšieho prostredia. Na vykonanie takéhoto procesu je potrebná špeciálna štruktúra. V skutočnosti je plazmalema konštantný, univerzálny systém povrchového aparátu. Je to tenký (2-10 Nm), ale pomerne hustý viacvrstvový film, ktorý pokrýva celý článok. Jeho štruktúru študovali v roku 1972 takí vedci ako D. Singer a G. Nicholson, vytvorili aj tekuto-mozaikový model bunkovej membrány.

Hlavné chemické zlúčeniny, ktoré ho tvoria, sú usporiadané molekuly proteínov a určitých fosfolipidov, ktoré sú rozptýlené do tekutého lipidového média a pripomínajú mozaiku. Bunková membrána sa teda skladá z dvoch vrstiev lipidov, ktorých nepolárne hydrofóbne „chvosty“ sú vo vnútri membrány a polárne hydrofilné hlavičky sú nasmerované do cytoplazmy bunky a do medzibunkovej tekutiny.

Lipidová vrstva je preniknutá veľkými proteínovými molekulami, ktoré tvoria hydrofilné póry. Prostredníctvom nich sa prepravujú vodné roztoky glukózy a minerálnych solí. Niektoré proteínové molekuly sa nachádzajú na vonkajšom aj vnútornom povrchu plazmalemy. Na vonkajšej bunkovej membráne v bunkách všetkých organizmov s jadrami sú teda naviazané molekuly sacharidov Kovalentné väzby s glykolipidmi a glykoproteínmi. Obsah sacharidov v bunkových membránach sa pohybuje od 2 do 10 %.

Štruktúra plazmalemy prokaryotických organizmov

Vonkajšia bunková membrána u prokaryotov plní podobné funkcie ako bunky plazmatickej membrány jadrových organizmov, a to: vnímanie a prenos informácií z vonkajšieho prostredia, transport iónov a roztokov do a von z bunky, ochranu cytoplazmy pred cudzími činidlami z vonku. Môže vytvárať mezozómy - štruktúry, ktoré vznikajú, keď je plazmalema invaginovaná do bunky. Môžu obsahovať enzýmy zapojené do metabolických reakcií prokaryotov, napríklad pri replikácii DNA, syntéze bielkovín.

Mezozómy obsahujú aj redoxné enzýmy, zatiaľ čo fotosyntetiká majú bakteriochlorofyl (baktérie) a fykobilín (sinice).

Úloha vonkajších membrán v medzibunkových kontaktoch

Pokračujúc v odpovedi na otázku, aké funkcie plní vonkajšia bunková membrána, zastavme sa pri jej úlohe v rastlinných bunkách, v stenách vonkajšej bunkovej membrány sa tvoria póry, ktoré prechádzajú do celulózovej vrstvy. Prostredníctvom nich je možné, aby cytoplazma bunky vystupovala smerom von, takéto tenké kanály sa nazývajú plazmodesmata.

Vďaka nim je spojenie medzi susednými rastlinnými bunkami veľmi pevné. V ľudských a zvieracích bunkách sa miesta kontaktu medzi susednými bunkovými membránami nazývajú desmozómy. Sú charakteristické pre endotelové a epiteliálne bunky a nachádzajú sa aj v kardiomyocytoch.

Pomocné útvary plazmalemy

Aby sme pochopili, ako sa rastlinné bunky líšia od zvierat, pomáha študovať štrukturálne znaky ich plazmalem, ktoré závisia od toho, aké funkcie vykonáva vonkajšia bunková membrána. Nad ním sa v živočíšnych bunkách nachádza vrstva glykokalyx. Tvoria ho molekuly polysacharidov spojené s proteínmi a lipidmi vonkajšej bunkovej membrány. Vďaka glykokalyxe dochádza medzi bunkami k adhézii (adhézii), ktorá vedie k tvorbe tkanív, preto sa podieľa na signalizačnej funkcii plazmalemy - rozpoznávaní environmentálnych podnetov.

Ako prebieha pasívny transport určitých látok cez bunkové membrány?

Ako už bolo spomenuté, vonkajšia bunková membrána sa podieľa na procese transportu látok medzi bunkou a vonkajším prostredím. Existujú dva typy transportu cez plazmatickú membránu: pasívny (difúzny) a aktívny transport. Prvý zahŕňa difúziu, uľahčenú difúziu a osmózu. Pohyb látok po koncentračnom gradiente závisí predovšetkým od hmotnosti a veľkosti molekúl prechádzajúcich cez bunkovú membránu. Napríklad malé nepolárne molekuly sa ľahko rozpúšťajú v strednej lipidovej vrstve plazmalemy, pohybujú sa ňou a končia v cytoplazme.

Veľké molekuly organických látok vstupujú do cytoplazmy pomocou špeciálnych nosných proteínov. Majú druhovú špecifickosť a v kombinácii s časticou alebo iónom ich pasívne prenášajú cez membránu pozdĺž koncentračného gradientu (pasívny transport) bez výdaja energie. Tento proces je základom takej vlastnosti plazmalemy, ako je selektívna permeabilita. Energia molekúl ATP sa pri tom nevyužije a bunka ju šetrí na iné metabolické reakcie.

Aktívny transport chemických zlúčenín cez plazmalemu

Keďže vonkajšia bunková membrána zabezpečuje prenos molekúl a iónov z vonkajšieho prostredia do vnútra bunky a naopak, je možné produkty disimilácie, ktorými sú toxíny, odstraňovať smerom von, teda do medzibunkovej tekutiny. sa vyskytuje proti koncentračnému gradientu a vyžaduje použitie energie vo forme molekúl ATP. Zahŕňa tiež nosné proteíny nazývané ATPázy, čo sú tiež enzýmy.

Príkladom takéhoto transportu je sodíkovo-draslíková pumpa (sodné ióny sa prenášajú z cytoplazmy do vonkajšieho prostredia a draselné ióny sa pumpujú do cytoplazmy). Sú toho schopné epitelové bunky čreva a obličiek. Procesy pinocytózy a fagocytózy sú odrody tohto spôsobu prenosu. Po preštudovaní funkcií vonkajšej bunkovej membrány je možné zistiť, že heterotrofné protisty, ako aj bunky vyšších živočíšnych organizmov, napríklad leukocyty, sú schopné procesov pino- a fagocytózy.

Bioelektrické procesy v bunkových membránach

Zistilo sa, že existuje potenciálny rozdiel medzi vonkajším povrchom plazmalemy (je kladne nabitý) a parietálnou vrstvou cytoplazmy, ktorá je nabitá záporne. Nazývalo sa to pokojový potenciál a je súčasťou všetkých živých buniek. A nervové tkanivo má nielen pokojový potenciál, ale je tiež schopné viesť slabé bioprúdy, čo sa nazýva proces excitácie. Vonkajšie membrány nervových buniek-neurónov, ktoré dostávajú podráždenie z receptorov, začínajú meniť náboje: ióny sodíka masívne vstupujú do bunky a povrch plazmalemy sa stáva elektronegatívnym. A parietálna vrstva cytoplazmy dostáva kladný náboj v dôsledku prebytku katiónov. To vysvetľuje dôvod opätovného nabitia vonkajšej bunkovej membrány neurónu, čo spôsobuje vedenie nervových impulzov, ktoré sú základom procesu excitácie.

Vonku je bunka pokrytá plazmatickou membránou (alebo vonkajšou bunkovou membránou) s hrúbkou asi 6-10 nm.

Bunková membrána je hustý film proteínov a lipidov (hlavne fosfolipidov). Molekuly lipidov sú usporiadané usporiadane - kolmo na povrch, v dvoch vrstvách, takže ich časti, ktoré intenzívne interagujú s vodou (hydrofilné), smerujú smerom von a časti inertné voči vode (hydrofóbne) - dovnútra.

Proteínové molekuly sú umiestnené v nespojitej vrstve na povrchu lipidového rámca na oboch stranách. Niektoré z nich sú ponorené do lipidovej vrstvy a niektoré ňou prechádzajú a vytvárajú oblasti, ktoré sú priepustné pre vodu. Tieto proteíny plnia rôzne funkcie – niektoré z nich sú enzýmy, iné sú transportné proteíny podieľajúce sa na prenose určitých látok z prostredia do cytoplazmy a v opačnom smere.

Hlavné funkcie bunkovej membrány

Jednou z hlavných vlastností biologických membrán je selektívna permeabilita (semipermeabilita)- niektoré látky cez ne prechádzajú ťažko, iné ľahko a dokonca k vyššej koncentrácii, takže u väčšiny buniek je koncentrácia iónov Na vo vnútri oveľa nižšia ako v prostredí. Pre ióny K je charakteristický opačný vzťah: ich koncentrácia vo vnútri bunky je vyššia ako vonku. Preto ióny Na vždy majú tendenciu prenikať do bunky a ióny K - opustiť. Vyrovnaniu koncentrácií týchto iónov bráni prítomnosť špeciálneho systému v membráne, ktorý plní úlohu pumpy, ktorá pumpuje Na ióny von z bunky a súčasne pumpuje K ióny dovnútra.

Túžba Na iónov pohybovať sa zvonku dovnútra sa využíva na transport cukrov a aminokyselín do bunky. Aktívnym odstraňovaním iónov Na z bunky sa vytvárajú podmienky na tok glukózy a aminokyselín do bunky.

V mnohých bunkách dochádza k absorpcii látok aj prostredníctvom fagocytózy a pinocytózy. o fagocytóza pružná vonkajšia membrána tvorí malú priehlbinu, do ktorej zachytená častica padá. Táto depresia sa zväčšuje a častica je obklopená časťou vonkajšej membrány a je ponorená do cytoplazmy bunky. Fenomén fagocytózy je charakteristický pre améby a niektoré ďalšie prvoky, ako aj leukocyty (fagocyty). Podobne dochádza k absorpcii tekutín bunkami, obsahujúcich látky potrebné pre bunku. Tento jav bol pomenovaný pinocytóza.

Vonkajšie membrány rôznych buniek sa výrazne líšia tak v chemickom zložení ich proteínov a lipidov, ako aj v ich relatívnom obsahu. Práve tieto vlastnosti určujú rozmanitosť fyziologickej aktivity membrán rôznych buniek a ich úlohu v živote buniek a tkanív.

Endoplazmatické retikulum bunky je spojené s vonkajšou membránou. Pomocou vonkajších membrán sa vytvárajú rôzne typy medzibunkových kontaktov, t.j. komunikácia medzi jednotlivými bunkami.

Mnoho typov buniek sa vyznačuje prítomnosťou veľkého počtu výčnelkov, záhybov, mikroklkov na ich povrchu. Prispievajú jednak k výraznému zväčšeniu povrchu buniek a zlepšeniu metabolizmu, ako aj k pevnejším väzbám jednotlivých buniek medzi sebou.

Na vonkajšej strane bunkovej membrány majú rastlinné bunky hrubé membrány, ktoré sú ľahko rozlíšiteľné pod optickým mikroskopom, pozostávajúce z celulózy (celulózy). Vytvárajú silnú oporu pre rastlinné pletivá (drevo).

Niektoré bunky živočíšneho pôvodu majú tiež množstvo vonkajších štruktúr umiestnených na vrchnej časti bunkovej membrány a majú ochranný charakter. Príkladom môže byť chitín krycích buniek hmyzu.

Funkcie bunkových membrán (stručne)

Bunková membrána

Obrázok bunkovej membrány. Malé modro-biele guľôčky zodpovedajú hydrofóbnym „hlavičkám“ fosfolipidov a k nim pripojené čiary zodpovedajú hydrofilným „chvostom“. Obrázok ukazuje iba integrálne membránové proteíny (červené guľôčky a žlté helixy). Žlté oválne bodky vo vnútri membrány - molekuly cholesterolu Žltozelené guľôčkové reťazce na vonkajšej strane membrány - oligosacharidové reťazce, ktoré tvoria glykokalyx

Biologická membrána zahŕňa aj rôzne proteíny: integrálne (prenikajúce membránou cez a cez), semiintegrálne (ponorené na jednom konci vo vonkajšej alebo vnútornej lipidovej vrstve), povrchové (umiestnené na vonkajšej alebo priľahlej vnútornej strane membrány ). Niektoré proteíny sú bodmi kontaktu bunkovej membrány s cytoskeletom vo vnútri bunky a bunkovej steny (ak existuje) vonku. Niektoré z integrálnych proteínov fungujú ako iónové kanály, rôzne transportéry a receptory.

Funkcie

• bariéra - zabezpečuje regulovaný, selektívny, pasívny a aktívny metabolizmus s okolím. Napríklad peroxizómová membrána chráni cytoplazmu pred peroxidmi, ktoré sú pre bunku škodlivé. Selektívna permeabilita znamená, že priepustnosť membrány pre rôzne atómy alebo molekuly závisí od ich veľkosti, elektrického náboja a chemických vlastností. Selektívna permeabilita zaisťuje oddelenie bunky a bunkových kompartmentov od prostredia a dodáva im potrebné látky.
• transport - cez membránu sú látky transportované do bunky a von z bunky. Transport cez membrány zabezpečuje: dodanie živiny, odstraňovanie konečných produktov metabolizmu, vylučovanie rôznych látok, vytváranie iónových gradientov, udržiavanie optimálnej koncentrácie iónov v bunke, ktoré sú potrebné pre prácu bunkových enzýmov.
  Častice, ktoré z akéhokoľvek dôvodu nie sú schopné prejsť cez fosfolipidovú dvojvrstvu (napríklad kvôli hydrofilným vlastnostiam, keďže membrána vo vnútri je hydrofóbna a neprepúšťa hydrofilné látky, alebo kvôli ich veľkej veľkosti), ale sú nevyhnutné pre bunku , môže preniknúť cez membránu cez špeciálne nosné proteíny (transportéry) a kanálové proteíny alebo endocytózou.
  Pri pasívnom transporte látky prechádzajú cez lipidovú dvojvrstvu bez spotreby energie pozdĺž koncentračného gradientu difúziou. Variantom tohto mechanizmu je uľahčená difúzia, pri ktorej špecifická molekula pomáha látke prejsť cez membránu. Táto molekula môže mať kanál, ktorý umožňuje prechod iba jedného typu látky.
  Aktívny transport si vyžaduje spotrebu energie, pretože prebieha proti koncentračnému gradientu. Na membráne sú špeciálne pumpové proteíny vrátane ATPázy, ktorá aktívne pumpuje draselné ióny (K +) do bunky a odčerpáva z nej ióny sodíka (Na +).
• matrica - zabezpečuje určité vzájomné usporiadanie a orientáciu membránových proteínov, ich optimálnu interakciu.
• mechanická - zabezpečuje autonómiu bunky, jej vnútrobunkových štruktúr, ako aj spojenie s inými bunkami (v tkanivách). Bunkové steny zohrávajú dôležitú úlohu pri zabezpečovaní mechanickej funkcie a u zvierat - medzibunkovej látky.
• energia - pri fotosyntéze v chloroplastoch a bunkovom dýchaní v mitochondriách fungujú v ich membránach systémy prenosu energie, na ktorých sa podieľajú aj proteíny;
• receptor – niektoré proteíny v membráne sú receptory (molekuly, cez ktoré bunka vníma určité signály).
  Napríklad hormóny cirkulujúce v krvi pôsobia len na tie cieľové bunky, ktoré majú receptory zodpovedajúce týmto hormónom. Neurotransmitery (chemikálie, ktoré vedú nervové impulzy) sa tiež viažu na špecifické receptorové proteíny v cieľových bunkách.
• enzymatické - membránové proteíny sú často enzýmy. Napríklad plazmatické membrány buniek črevného epitelu obsahujú tráviace enzýmy.
• implementácia tvorby a vedenia biopotenciálov.
  Pomocou membrány sa v bunke udržiava konštantná koncentrácia iónov: koncentrácia iónu K + vo vnútri bunky je oveľa vyššia ako vonku a koncentrácia Na + je oveľa nižšia, čo je veľmi dôležité, pretože to zabezpečuje zachovanie rozdielu potenciálov na membráne a generovanie nervového impulzu.
• označovanie buniek – na membráne sú antigény, ktoré fungujú ako markery – „štítky“, ktoré umožňujú identifikovať bunku. Ide o glykoproteíny (čiže bielkoviny s rozvetvenými bočnými oligosacharidovými reťazcami, ktoré sú k nim pripojené), ktoré plnia úlohu „antén“. Vzhľadom na nespočetné množstvo konfigurácií bočných reťazcov je možné vytvoriť špecifický marker pre každý typ bunky. Pomocou markerov môžu bunky rozpoznať iné bunky a konať v zhode s nimi, napríklad pri tvorbe orgánov a tkanív. Umožňuje tiež imunitnému systému rozpoznať cudzie antigény.

Štruktúra a zloženie biomembrán

Membrány sa skladajú z troch tried lipidov: fosfolipidy, glykolipidy a cholesterol. Fosfolipidy a glykolipidy (lipidy s pripojenými sacharidmi) sú zložené z dvoch dlhých hydrofóbnych uhľovodíkových „chvostov“, ktoré sú spojené s nabitou hydrofilnou „hlavou“. Cholesterol spevňuje membránu tým, že zaberá voľný priestor medzi hydrofóbnymi lipidovými koncami a bráni im v ohýbaní. Preto sú membrány s nízkym obsahom cholesterolu pružnejšie a s vysokým obsahom cholesterolu sú pevnejšie a krehkejšie. Cholesterol slúži aj ako „zátka“, ktorá bráni pohybu polárnych molekúl z a do bunky. Dôležitú časť membrány tvoria bielkoviny, ktoré ňou prestupujú a sú zodpovedné za rôzne vlastnosti membrán. Ich zloženie a orientácia v rôznych membránach sa líšia.

Bunkové membrány sú často asymetrické, to znamená, že vrstvy sa líšia zložením lipidov, prechodom jednotlivej molekuly z jednej vrstvy do druhej (tzv. žabky) je ťažké.

Membránové organely

Sú to uzavreté, jednotlivé alebo vzájomne prepojené úseky cytoplazmy, oddelené od hyaloplazmy membránami. Medzi jednomembránové organely patria endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, lyzozómy, vakuoly, peroxizómy; na dve membrány - jadro, mitochondrie, plastidy. Štruktúra membrán rôznych organel sa líši v zložení lipidov a membránových proteínov.

Selektívna priepustnosť

Bunkové membrány majú selektívnu permeabilitu: glukóza, aminokyseliny, mastné kyseliny, glycerol a ióny cez ne pomaly difundujú a samotné membrány tento proces do určitej miery aktívne regulujú – niektoré látky prepúšťajú, iné nie. Existujú štyri hlavné mechanizmy na vstup látok do bunky alebo ich odstránenie z bunky von: difúzia, osmóza, aktívny transport a exo- alebo endocytóza. Prvé dva procesy sú pasívne, to znamená, že nevyžadujú spotrebu energie; posledné dva sú aktívne procesy spojené so spotrebou energie.

Selektívna permeabilita membrány počas pasívneho transportu je spôsobená špeciálnymi kanálmi - integrálnymi proteínmi. Prenikajú cez membránu skrz-naskrz a vytvárajú akýsi priechod. Prvky K, Na a Cl majú svoje vlastné kanály. Molekuly týchto prvkov sa pohybujú dovnútra a von z bunky vzhľadom na koncentračný gradient. Pri podráždení sa otvárajú kanály sodíkových iónov a dochádza k prudkému prílevu sodíkových iónov do bunky. V tomto prípade dochádza k nerovnováhe membránového potenciálu. Potom sa membránový potenciál obnoví. Draslíkové kanály sú vždy otvorené, cez ne draselné ióny pomaly vstupujú do bunky.

pozri tiež

Literatúra

• Antonov V.F., Smirnova E.N., Shevchenko E.V. Lipidové membrány počas fázových prechodov. - M .: Veda, 1994.
• Gennis R. Biomembrány. Molekulárna štruktúra a funkcie: preklad z angličtiny. = Biomembrány. Molekulárna štruktúra a funkcia (Robert B. Gennis). - 1. vydanie. - M .: Mir, 1997. - ISBN 5-03-002419-0
• Ivanov V.G., Berestovskij T.N. Lipidová dvojvrstva biologických membrán. - M .: Veda, 1982.
• Rubin A.B. Biofyzika, učebnica v 2 zv. - 3. vydanie, prepracované a rozšírené. - M .: Vydavateľstvo Moskovskej univerzity, 2004. - ISBN 5-211-06109-8
• Bruce Alberts a kol.

13. Biologické membrány bunky. Ich vlastnosti, štruktúra a funkcia.

Plazmatická membrána , alebo plazmalema,- najstálejšia, základná, univerzálna membrána pre všetky bunky. Je to najtenší (asi 10 nm) film, ktorý pokrýva celú bunku. Plazmalemu tvoria proteínové a fosfolipidové molekuly (obr. 1.6).

Molekuly fosfolipidov sú usporiadané v dvoch radoch – s hydrofóbnymi koncami dovnútra, hydrofilnými hlavami smerom do vnútorného a vonkajšieho vodného prostredia. Na niektorých miestach je dvojvrstva (dvojvrstva) fosfolipidov preniknutá cez a cez proteínové molekuly (integrálne proteíny). Vo vnútri takýchto proteínových molekúl sú kanály - póry, cez ktoré prechádzajú látky rozpustné vo vode. Iné proteínové molekuly prenikajú lipidovou dvojvrstvou do polovice z jednej alebo druhej strany (semiintegrálne proteíny). Na povrchu membrán eukaryotických buniek sú periférne proteíny. Molekuly lipidov a proteínov sú zadržané v dôsledku hydrofilno-hydrofóbnych interakcií.

Vlastnosti a funkcie membrán. Všetky bunkové membrány sú pohyblivé tekuté štruktúry, pretože molekuly lipidov a proteínov nie sú spojené kovalentnými väzbami a sú schopné sa pomerne rýchlo pohybovať v membránovej rovine. Vďaka tomu môžu membrány zmeniť svoju konfiguráciu, to znamená, že majú tekutosť.

Membrány sú veľmi dynamické štruktúry. Rýchlo sa zotavujú z poškodenia a tiež sa naťahujú a sťahujú bunkovými pohybmi.

Membrány rôznych typov buniek sa výrazne líšia tak v chemickom zložení, ako aj v relatívnom obsahu proteínov, glykoproteínov, lipidov v nich a následne v povahe receptorov v nich prítomných. Každý bunkový typ sa preto vyznačuje osobitosťou, ktorá je determinovaná hlavne glykoproteíny. Zapojené sú glykoproteíny s rozvetveným reťazcom vyčnievajúce z bunkovej membrány rozpoznávanie faktorov vonkajšieho prostredia, ako aj pri vzájomnom rozpoznávaní príbuzných buniek. Napríklad vajíčko a spermia sa navzájom rozpoznávajú pomocou glykoproteínov na povrchu buniek, ktoré do seba zapadajú ako samostatné prvky integrálnej štruktúry. Toto vzájomné uznávanie je nevyhnutným krokom pred oplodnením.

Podobný jav sa pozoruje v procese diferenciácie tkanív. V tomto prípade sú štrukturálne podobné bunky pomocou rozpoznávacích oblastí plazmalémy voči sebe správne orientované, čím je zabezpečená ich adhézia a tvorba tkaniva. Spája sa s uznaním a regulácia dopravy molekuly a ióny cez membránu a imunologickú odpoveď, v ktorej glykoproteíny hrajú úlohu antigénov. Cukry tak môžu fungovať ako informačné molekuly (ako bielkoviny a nukleové kyseliny). Membrány tiež obsahujú špecifické receptory, nosiče elektrónov, konvertory energie a enzymatické proteíny. Proteíny sa podieľajú na zabezpečení transportu určitých molekúl do bunky alebo z bunky, vykonávajú štrukturálne spojenie cytoskeletu s bunkovými membránami alebo slúžia ako receptory na príjem a premenu chemických signálov z prostredia.

Najdôležitejšou vlastnosťou membrány je tiež selektívna priepustnosť. To znamená, že molekuly a ióny ním prechádzajú rôznou rýchlosťou a čím väčšia je veľkosť molekúl, tým nižšia je rýchlosť ich prechodu cez membránu. Táto vlastnosť definuje plazmatickú membránu ako osmotickú bariéru. Maximálnu penetračnú silu má voda a v nej rozpustené plyny; ióny prechádzajú cez membránu oveľa pomalšie. Difúzia vody cez membránu je tzv osmóza.

Existuje niekoľko mechanizmov na transport látok cez membránu.

Difúzia- prienik látok cez membránu pozdĺž koncentračného gradientu (z oblasti, kde je ich koncentrácia vyššia, do oblasti, kde je ich koncentrácia nižšia). Difúzny transport látok (voda, ióny) sa uskutočňuje za účasti membránových proteínov, v ktorých sú molekulárne póry, alebo za účasti lipidovej fázy (u látok rozpustných v tukoch).

S uľahčenou difúzioušpeciálne membránové nosné proteíny sa selektívne viažu na jeden alebo druhý ión alebo molekulu a transportujú ich cez membránu pozdĺž koncentračného gradientu.

Aktívna doprava je spojená s nákladmi na energiu a slúži na prenos látok proti ich koncentračnému spádu. On uskutočňujú špeciálne nosné proteíny, ktoré tvoria tzv iónové čerpadlá. Najviac študovaná je Na - / K - pumpa v živočíšnych bunkách, ktorá aktívne pumpuje Na + ióny smerom von, pričom absorbuje K - ióny. Vďaka tomu si bunka zachováva vysokú koncentráciu K - a menej Na + v porovnaní s prostredím. Tento proces spotrebúva energiu ATP.

V dôsledku aktívneho transportu pomocou membránovej pumpy sa v bunke reguluje aj koncentrácia Mg 2- a Ca 2+.

V procese aktívneho transportu iónov do bunky cez cytoplazmatickú membránu prenikajú rôzne cukry, nukleotidy a aminokyseliny.

Proteínové makromolekuly, nukleových kyselín, polysacharidy, lipoproteínové komplexy a pod. neprechádzajú cez bunkové membrány, na rozdiel od iónov a monomérov. Transport makromolekúl, ich komplexov a častíc vo vnútri bunky prebieha úplne iným spôsobom – endocytózou. o endocytóza (endo...- vo vnútri) určitá oblasť plazmalemy zachytáva a akoby obklopuje extracelulárny materiál a uzatvára ho do membránovej vakuoly, ktorá vznikla v dôsledku invaginácie membrány. Následne sa takáto vakuola spojí s lyzozómom, ktorého enzýmy rozkladajú makromolekuly na monoméry.

Reverzný proces endocytózy je exocytóza (exo...- smerom von). Bunka vďaka nemu odstraňuje vnútrobunkové produkty alebo nestrávené zvyšky uzavreté vo vakuole resp.

zrak. Bublina sa priblíži k cytoplazmatickej membráne, splynie s ňou a jej obsah sa uvoľní do okolia. Odstraňujú sa tráviace enzýmy, hormóny, hemicelulóza atď.

Biologické membrány, ako hlavné štrukturálne prvky bunky, teda nie sú len fyzickými hranicami, ale sú dynamickými funkčnými povrchmi. Na membránach organel sa uskutočňujú mnohé biochemické procesy, ako je aktívna absorpcia látok, premena energie, syntéza ATP atď.

Funkcie biologických membrán nasledujúci:

Vymedzujú obsah bunky od vonkajšieho prostredia a obsah organel od cytoplazmy.

Zabezpečujú transport látok do a von z bunky, z cytoplazmy do organel a naopak.

Pôsobia ako receptory (prijímajú a premieňajú sit-nal z prostredia, rozoznávajú bunkové substancie atď.).

Sú to katalyzátory (zabezpečujúce blízkomembránové chemické procesy).

Podieľajte sa na transformácii energie.