Клітинна мембрана в біології – види, будова і функції (таблиця)
Клітинна мембрана – це структура, яка покриває клітину зовні. Її також називають цитолема або плазмолема.
Дане утворення побудовано з біліпідного шару (бішару) з вбудованими в нього білками. Вуглеводи, що входять до складу плазмолеми, знаходяться в зв’язаному стані.
Розподіл основних компонентів плазмолеми виглядає наступним чином: більше половини хімічного складу припадає на білки, чверть займають фосфоліпіди, десяту частину – холестерол.
Клітинна мембрана і її види
Мембрана клітини – тонка плівка, основу якої складають пласти ліпопротеїдів і білків.
За локалізацією виділяють мембранні органели, що мають деякі особливості в рослинних і тваринних клітинах:
- мітохондрія;
- ядро;
- ендоплазматичний ретикулум;
- комплекс Гольджі;
- лізосоми;
- хлоропласти (в рослинних клітинах).
Існує також внутрішня і зовнішня (плазмолема) клітинна мембрана.
Будова клітинної мембрани
Клітинна мембрана містить вуглеводи, які покривають її, у вигляді глікокаліксу. Це надмембранна структура, яка виконує бар’єрну функцію. Білки, розташовані тут, знаходяться у вільному стані. Незв’язані протеїни беруть участь у ферментативних реакціях, забезпечуючи позаклітинне розщеплення речовин.
Білки цитоплазматичної мембрани представлені глікопротеїнами. За хімічним складом виділяють протеїни, включені в ліпідний шар повністю (на всьому протязі), – інтегральні білки. Також периферичні, що не досягають однієї з поверхонь плазмолеми.
Перші функціонують як рецептори, зв’язуючись з нейромедіаторами, гормонами та іншими речовинами. Вставні білки необхідні для побудови іонних каналів, через які здійснюється транспорт іонів, гідрофільних субстратів. Другі є ферментами, що каталізують внутрішньоклітинні реакції.
Основні властивості плазматичної мембрани
Ліпідний бішар перешкоджає проникненню води. Ліпіди – гідрофобні сполуки, представлені в клітині фосфоліпідами. Фосфатна група звернена назовні і складається з двох шарів:
- зовнішнього, спрямованого в позаклітинне середовище;
- внутрішнього, що відмежовує внутрішньоклітинний вміст.
Водорозчинні ділянки називаються гідрофільними головками. Ділянки з жирною кислотою спрямовані всередину клітини, у вигляді гідрофобних хвостів.
Гідрофобна частина взаємодіє з сусідніми ліпідами, що забезпечує прикріплення їх один до одного. Подвійний шар володіє вибірковою проникністю на різних ділянках.
Так, в середині мембрана непроникна для глюкози і сечовини, тут вільно проходять гідрофобні речовини:
Важливе значення має холестерол, зміст останнього визначає в’язкість плазмолеми.
Функції зовнішньої мембрани клітини
Характеристики функцій коротко перераховані в таблиці:
| Функція | Опис |
|---|---|
| Бар’єрна роль | Охороняє вміст клітини від впливу чужорідних агентів. Завдяки особливій організації білків, ліпідів, вуглеводів, забезпечується напівпроникність плазмолеми. |
| Рецепторна функція | Активує біологічно активні речовини в процесі зв’язування з рецепторами. Так, імунні реакції опосередковуються через розпізнавання чужорідних агентів рецепторним апаратом клітин, локалізованим на клітинній мембрані. |
| Транспортна функція | Регулює надходження речовин всередину клітини. Процес перенесення протікає пасивно (без витрат енергії) для сполук з низькою молекулярною масою. Активний транспорт пов’язаний з витратами енергії, що виділяється при розщепленні аденозинтрифосфота (АТФ). Даний спосіб має місце для перенесення органічних сполук. |
| Участь в процесах травлення | На клітинній мембрані відбувається осадження речовин (сорбція). Рецептори зв’язуються субстратом, переміщаючи його всередину клітини. Утворюється бульбашка, вільно лежить всередині клітини. Зливаючись, такі бульбашки формують лізосоми з гідролітичними ферментами. |
| Ферментативна функція | Ензими, необхідні складові внутрішньоклітинного травлення. Реакції, що вимагають участі каталізаторів, протікають за участю ферментів. |
Яке значення має клітинна мембрана
Клітинна мембрана бере участь в підтримці гомеостазу за рахунок високої селективності надходять і виходять з клітини речовин (в біології це має назву виборчої проникності).
Вирости плазмолеми поділяють клітку на компартменти (відсіки), відповідальні за виконання певних функцій. Специфічно влаштовані мембрани, відповідні рідинно-мозаїчні схеми, забезпечують цілісність клітини.
3.4: Клітинна мембрана
У 1972 році S.J.Singer і Garth L.Nicolson запропонували нову модель плазматичної мембрани, яка в порівнянні з більш раннім розумінням краще пояснювала як мікроскопічні спостереження, так і функцію плазматичної мембрани. Це називалося моделлю рідини мозаїки. Модель дещо еволюціонувала з часом, але все ж найкраще враховує будову та функції плазматичної мембрани, як ми зараз їх розуміємо. Модель мозаїки рідини описує структуру плазматичної мембрани як мозаїку компонентів, включаючи фосфоліпіди, холестерин, білки та вуглеводи, в яких компоненти здатні протікати та змінювати положення, зберігаючи основну цілісність мембрани. Як молекули фосфоліпідів, так і вбудовані білки здатні швидко і латерально дифундувати в мембрані. Плинність плазматичної мембрани необхідна для діяльності певних ферментів і транспортних молекул всередині мембрани. Плазматичні мембрани мають товщину від 5 до 10 нм. Для порівняння, еритроцити людини, видимі за допомогою світлової мікроскопії, мають товщину приблизно 8 мкм або приблизно в 1000 разів товщі плазматичної мембрани. (Малюнок \(\PageIndex<1>\) ) Малюнок \(\PageIndex<1>\) : Модель мозаїки рідини структури плазматичної мембрани описує плазматичну мембрану як рідку комбінацію фосфоліпідів, холестерину, білків і вуглеводів. Плазматична мембрана складається в основному з бішару фосфоліпідів із вбудованими білками, вуглеводами, гліколіпідами та глікопротеїнами, а в клітинами тварин – холестерином. Кількість холестерину в плазматичних мембранах тварин регулює плинність мембрани і змінюється залежно від температури середовища клітини. Іншими словами, холестерин діє як антифриз в клітинній мембрані і більш рясний у тварин, які живуть в холодному кліматі. Основна тканина мембрани складається з двох шарів молекул фосфоліпідів, а полярні кінці цих молекул (які виглядають як колекція кульок у виконанні художником моделі) (рис \(\PageIndex<1>\) .) контактують з водною рідиною як всередині, так і зовні клітини. Таким чином, обидві поверхні плазматичної мембрани є гідрофільними. На відміну від цього, внутрішня частина мембрани, між двома її поверхнями, є гідрофобною або неполярною областю через хвости жирних кислот. Цей регіон не має тяжіння для води або інших полярних молекул. Білки складають другу найважливішу хімічну складову плазматичних мембран. Інтегральні білки вбудовуються в плазматичну мембрану і можуть охоплювати всю або частину мембрани. Інтегральні білки можуть служити каналами або насосами для переміщення матеріалів в клітину або з неї. Периферичні білки знаходяться на зовнішніх або внутрішніх поверхнях мембран, приєднані або до інтегральних білків, або до молекул фосфоліпідів. Як інтегральні, так і периферичні білки можуть служити ферментами, як структурні вкладення для волокон цитоскелета або як частина ділянок розпізнавання клітини. Вуглеводи є третім основним компонентом плазматичних мембран. Вони завжди знаходяться на зовнішній поверхні клітин і зв’язуються або з білками (утворюючи глікопротеїни), або з ліпідами (утворюючи гліколіпіди). Ці вуглеводні ланцюги можуть складатися з 2—60 моносахаридних одиниць і можуть бути прямими або розгалуженими. Поряд з периферичними білками вуглеводи утворюють на поверхні клітини спеціалізовані ділянки, які дозволяють клітинам розпізнавати один одного.
ЕВОЛЮЦІЯ В ДІЇ: Як віруси заражають конкретні органи Специфічні молекули глікопротеїну, що знаходяться на поверхні клітинних мембран клітин господаря, експлуатуються багатьма вірусами для зараження конкретних органів. Наприклад, ВІЛ здатний проникати через плазматичні мембрани специфічних видів лейкоцитів, званих Т-хелперами і моноцитами, а також деякі клітини центральної нервової системи. Вірус гепатиту атакує тільки клітини печінки. Ці віруси здатні вторгнутися в ці клітини, тому що клітини мають місця зв’язування на їх поверхнях, які віруси експлуатували з однаково специфічними глікопротеїнами в їх оболонках (рис. \(\PageIndex<2>\) ). Клітка обманюється мімікрією молекул вірусної оболонки, і вірус здатний проникнути в клітину. Інші місця розпізнавання на поверхні вірусу взаємодіють з імунною системою людини, спонукаючи організм виробляти антитіла. Антитіла виробляються у відповідь на антигени (або білки, пов’язані з інвазивними збудниками). Ці ж ділянки служать місцями для прикріплення антитіл, і або знищують, або пригнічують активність вірусу. На жаль, ці сайти на ВІЛ кодуються генами, які швидко змінюються, що робить виробництво ефективної вакцини проти вірусу дуже важким. Популяція вірусу всередині зараженої людини швидко розвивається через мутацію в різні популяції або варіанти, що відрізняються відмінностями в цих місцях розпізнавання. Ця швидка зміна вірусних поверхневих маркерів знижує ефективність імунної системи людини в атаці вірусу, оскільки антитіла не розпізнають нових варіацій поверхневих візерунків. Малюнок \(\PageIndex<2>\) : ВІЛ стикується і зв’язується з рецептором CD4, глікопротеїном на поверхні Т-клітин, перед тим, як потрапити в клітину або інфікувати. (кредит: модифікація роботи Національним інститутом здоров’я/Національного інституту алергії та інфекційних хвороб США).
Резюме
Сучасне розуміння плазматичної мембрани називають моделлю рідини мозаїки. Плазматична мембрана складається з двошарового фосфоліпідів, з їх гідрофобними хвостами жирних кислот, що контактують один з одним. Ландшафт мембрани усіяний білками, частина з яких охоплює мембрану. Деякі з цих білків служать для транспортування матеріалів в клітину або з неї. Вуглеводи прикріплюються до деяких білків і ліпідів на поверхні мембрани, зверненої назовні. Вони утворюють комплекси, які функціонують для ідентифікації клітини до інших клітин. Рідинна природа мембрани зобов’язана конфігурації хвостів жирних кислот, наявності холестерину, вбудованого в мембрану (в клітині тварин), і мозаїчної природи білків і білково-вуглеводних комплексів, які міцно не закріплені на місці. Плазматичні мембрани охоплюють кордони клітин, але замість того, щоб бути статичним мішком, вони динамічні і постійно знаходяться в потоці.
Глосарій
модель рідини мозаїки модель структури плазматичної мембрани як мозаїки компонентів, в тому числі фосфоліпідів, холестерину, білків і гліколіпідів, в результаті чого рідини, а не статичного характеру