Vsi živi organizmi na Zemlji so sestavljeni iz celic, vsaka celica pa je obdana z zaščitno membrano - membrano. Vendar pa membranske funkcije niso omejene na zaščito organoidov in ločevanje ene celice od druge. Celična membrana je kompleksen mehanizem, ki neposredno sodeluje pri razmnoževanju, regeneraciji, prehrani, dihanju in mnogih drugih pomembnih funkcijah celice..
Izraz "celična membrana" se uporablja približno sto let. Beseda "membrana" v prevodu iz latinščine pomeni "film". Toda v primeru celične membrane je pravilneje govoriti o celovitosti dveh filmov, ki sta med seboj povezani na določen način, in imajo različne strani teh filmov različne lastnosti..
Celična membrana (citolemija, plazemska membrana) je triplastna lipoproteinska (maščobna) membrana, ki ločuje vsako celico od sosednjih celic in okolja, in izvaja nadzorovano izmenjavo med celicami in okoljem..
Ključno pri tej definiciji ni, da celična stena ločuje eno celico od druge, ampak da zagotavlja njeno interakcijo z drugimi celicami in okoljem. Membrana je zelo aktivna, stalno delujoča celična struktura, na kateri ima narava veliko funkcij. Iz našega članka boste izvedeli vse o sestavi, strukturi, lastnostih in funkcijah celične membrane ter o nevarnosti, ki jo človeške membrane povzročajo zdravju ljudi..
Vsebina članka:
- Zgodovina raziskav celične membrane
- Lastnosti in funkcije celične membrane
- Struktura celične membrane
- Najpomembnejši zaključki o strukturi in funkciji celičnih membran
Zgodovina raziskav celične membrane
Leta 1925 sta dva nemška znanstvenika, Gorter in Grendel, izvedla najbolj zapleten poskus na rdečih krvnih celicah človeške krvi, rdečih krvnih celic. S pomočjo osmotske stavke so raziskovalci dobili tako imenovane »sence« - prazne lupine rdečih krvnih celic, ki so jih zložili v en kup in izmerili površino. Naslednji korak je bil izračun količine lipidov v celični membrani. S pomočjo acetona so znanstveniki izolirali lipide iz "senc" in ugotovili, da so dovolj za dvojno neprekinjeno plast..
Med poskusom pa sta bili storjeni dve veliki napaki:
Uporaba acetona ne dopušča izolacije vseh lipidov iz membran;
Površina "senc" je bila izračunana po suhi teži, ki je prav tako napačna.
Ker je prva napaka dala minus v izračunih, drugi - plus, je bil skupni rezultat presenetljivo natančen, nemški znanstveniki pa so v znanstveni svet pripeljali najpomembnejše odkritje - lipidni dvosloj celične membrane.
Leta 1935 je drugi par raziskovalcev, Danielle in Dawson, po dolgih eksperimentih na filmih o dvokrilcih, prišel do zaključka, da so v celičnih membranah prisotne beljakovine. V nasprotnem primeru ni bilo mogoče razložiti, zakaj imajo ti filmi tako visoko površinsko napetost. Znanstveniki so javnosti predstavili shematski model celične membrane, podoben sendviču, kjer homogeni lipid-proteinski sloji igrajo vlogo kosov kruha, med njimi pa namesto masla praznina.
Leta 1950 je bila z uporabo prvega elektronskega mikroskopa delno potrjena Danielie-Dawsonova teorija - mikrografije celične membrane so jasno pokazale dve plasti, ki so sestavljene iz lipidnih in beljakovinskih glav ter med njimi pregleden prostor, napolnjen le z repi lipidov in beljakovin..
Ameriški mikrobiolog J. Robertson je leta 1960 pod vodstvom teh podatkov razvil teorijo o triplastni strukturi celičnih membran, ki je bila dolgo časa edina pravilna. Vendar pa se je, kot se je razvila znanost, pojavljalo vse več dvomov glede homogenosti teh plasti. Z vidika termodinamike je taka struktura izjemno neugodna - za celice bi bilo zelo težko prenašati snovi znotraj in zunaj skozi celoten sendvič. Poleg tega je bilo dokazano, da imajo celične membrane različnih tkiv različno debelino in način pritrditve zaradi različnih funkcij organov..
Leta 1972 so mikrobiologi SD Singer in G.L. Nicholson je lahko pojasnil vse nedoslednosti Robertsonove teorije s pomočjo novega, tekoče-mozaičnega modela celične membrane. Znanstveniki so ugotovili, da je membrana heterogena, asimetrična, napolnjena s tekočino, njene celice pa so v stalnem gibanju. In beljakovine, ki so vključene v njegovo sestavo, imajo drugačno strukturo in namen, poleg tega pa so različno locirane glede na dvoplastno plast membrane..
Celične membrane vsebujejo tri vrste beljakovin:
Periferna - nameščena na površino filma;
Pol-integral - delno prodre v plasti dvokrilcev;
Integral - popolnoma prežene membrano.
Periferne beljakovine so povezane z glavami membranskih lipidov z elektrostatičnimi interakcijami in nikoli ne tvorijo neprekinjenega sloja, kot je bilo običajno prej mišljeno, in pol-integralni in integralni proteini služijo za prenos kisika in hranil v celico, kot tudi za odstranjevanje razgradnih produktov in še več. za več pomembnih funkcij, o katerih boste izvedeli kasneje.
Preberite več: Biološke funkcije lipidov
Lastnosti in funkcije celične membrane
Celična membrana opravlja naslednje funkcije:
Prepustnost pregradne meje za različne tipe molekul ni enaka, da bi lahko obšli celično membrano, mora biti molekula določene velikosti, kemijskih lastnosti in električnega naboja. Škodljive ali neustrezne molekule zaradi pregradne funkcije celične membrane preprosto ne morejo prodreti v celico. Na primer, z uporabo peroksične reakcije membrana ščiti citoplazmo pred nevarnimi peroksidi;
Transport - skozi membrano poteka pasivna, aktivna, regulirana in selektivna izmenjava. Pasivna izmenjava je primerna za maščobe topne snovi in pline, sestavljene iz zelo majhnih molekul. Takšne snovi prodrejo v notranjost in brez difuzije zapustijo celico brez energije. Aktivna transportna funkcija celične membrane se aktivira, ko je potrebno izvesti potrebne, a težko prenesene snovi v celico ali iz nje. Na primer, z velikimi molekulami, ali ne morejo prestopiti plasti dvokrilcev zaradi hidrofobnosti. Potem začnejo črpalke delovati, vključno z ATPazo, ki je odgovorna za absorpcijo kalijevih ionov v celico in izmetanje natrijevih ionov iz nje. Regulirana izmenjava prometa je potrebna za funkcije izločanja in fermentacije, na primer, ko celice proizvajajo in izločajo hormone ali želodčni sok. Vse te snovi zapustijo celice prek posebnih kanalov in v danem obsegu. Funkcija selektivnega transporta je povezana z zelo integralnimi beljakovinami, ki prežemajo membrano in služijo kot kanal za vstop in izstop dobro opredeljenih tipov molekul;
Matrica - celična membrana določa in fiksira razporeditev organoidov v odnosu med seboj (jedro, mitohondrije, kloroplasti) in uravnava interakcijo med njimi;
Mechanical - zagotavlja omejitev ene celice od druge in hkrati pravilno povezavo celic v homogeno tkivo in odpornost organov na deformacijo;
Zaščitna - tako pri rastlinah kot pri živalih, celična membrana služi kot osnova za gradnjo zaščitnega okvira. Primer je masiven les, gosta koža, trnasti trnje. V živalskem svetu je tudi veliko primerov zaščitne funkcije celičnih membran - lupine želve, hitinaste lupine, kopita in rogovi;
Energetski - procesi fotosinteze in celičnega dihanja ne bi bili mogoči brez udeležbe beljakovin celične membrane, ker s pomočjo proteinskih kanalov celice izmenjujejo energijo;
Receptorski proteini, ki so vključeni v celično membrano, imajo lahko še eno pomembno funkcijo. Služijo kot receptorji, zaradi katerih celica prejme signal od hormonov in nevrotransmiterjev. To pa je nujno za prevajanje živčnih impulzov in normalen potek hormonskih procesov;
Encimatska - še ena pomembna funkcija, ki je del nekaterih beljakovin celičnih membran. Na primer, v črevesnem epiteliju se prebavni encimi sintetizirajo z uporabo takšnih beljakovin;
Biopotencial - koncentracija kalijevih ionov v celici je bistveno višja kot zunaj, in koncentracija natrijevih ionov, nasprotno, zunaj je večja kot znotraj. To pojasnjuje potencialno razliko: v celici je naboj negativen, zunaj je pozitiven, kar spodbuja premikanje snovi v celico in iz nje med katero koli od treh vrst presnove - fagocitozo, pinocitozo in eksocitozo;
Označeni - na površini celičnih membran obstajajo tako imenovane "etikete" - antigeni, ki so sestavljeni iz glikoproteinov (beljakovine s pritrjenimi razvejanimi stranskimi verigami oligosaharidov). Ker imajo stranske verige lahko veliko različnih konfiguracij, vsak tip celice dobi svojo lastno edinstveno oznako, ki omogoča, da jih druge celice telesa prepoznajo "z vidom" in se na njih pravilno odzovejo. Zato na primer človeške imunske celice, makrofagi, zlahka prepoznajo tistega, ki je vstopil v telo (okužba, virus) in ga poskuša uničiti. Enako se dogaja z obolelimi, mutiranimi in starimi celicami - oznaka na njihovi celični membrani se spremeni in telo se jih znebi..
Celični metabolizem poteka skozi membrano in se lahko izvede z uporabo treh glavnih vrst reakcij:
Fagocitoza je celični proces, v katerem fagocitne celice vdelane v membrano zajamejo in prebavijo trdne delce hranil. V človeškem telesu fagocitozo izvajajo membrane dveh vrst celic: granulociti (granularni levkociti) in makrofagi (celice imunskega morilca);
Pinocitoza je proces zajema površine celične membrane molekul tekočine v stiku z njo. Za prehrano v obliki pinocitoze celica raste tanke puhaste izdanke v obliki antene na membrani, ki obkroža kapljico tekočine in nastane mehurček. Najprej se ta mehurček nabrekne nad površino membrane, nato pa "pogoltne" - skriva se v celici, stene pa se združijo z notranjo površino celične membrane. Pinocitoza se pojavlja v skoraj vseh živih celicah;
Eksocitoza je obratni proces, v katerem se v celici tvorijo mehurčki s sekretorno funkcionalno tekočino (encim, hormon), ki jo je treba nekako odstraniti iz celice v okolje. Da bi to naredil, se mehurček najprej združi z notranjo površino celične membrane, nato se izloči, razpoči, izloči vsebino in se ponovno združi s površino membrane, tokrat od zunaj. Eksocitoza se pojavi, na primer, v celicah črevesnega epitela in nadledvične skorje.
Struktura celične membrane
Celične membrane vsebujejo lipide treh razredov:
Fosfolipidi;
Glikolipidi;
Holesterol.
Fosfolipidi (kombinacija maščobe in fosforja) in glikolipidi (kombinacija maščob in ogljikovih hidratov) so sestavljeni iz hidrofilne glave, iz katere odhajajo dva dolga hidrofobna repa. Toda holesterol včasih zavzema prostor med tema dvema repoma in jim ne omogoča, da se upognejo, zaradi česar so membrane nekaterih celic togih. Poleg tega molekule holesterola urejajo strukturo celičnih membran in preprečujejo prehod polarnih molekul iz ene celice v drugo..
Najpomembnejša komponenta, kot je razvidno iz prejšnjega poglavja o funkciji celičnih membran, so beljakovine. Njihova sestava, namen in lokacija so zelo raznolike, vendar obstaja nekaj skupnega, ki jih vse združuje: obročni lipidi so vedno nameščeni okoli beljakovin celičnih membran. To so posebne maščobe, ki so jasno strukturirane, stabilne, imajo več nasičenih maščobnih kislin v svoji sestavi in se sproščajo iz membran skupaj s "zakrpanimi" beljakovinami. To je nekakšna osebna zaščitna lupina za beljakovine, brez katere preprosto ne bi delovale.
Struktura celične membrane je triplastna. V sredini leži razmeroma homogena tekoča plast dvokraka, beljaki pa jo na obeh straneh pokrivajo s podobnostjo mozaiku, ki delno prodira v debelino. To pomeni, da bi bilo napačno misliti, da so zunanje proteinske plasti celične membrane neprekinjene. Beljakovine, poleg njihovih kompleksnih funkcij, so potrebne tudi v membrani, da lahko preidejo v celice in od njih prenašajo tiste snovi, ki ne morejo prodreti v maščobno plast. Na primer, kalijevi in natrijevi ioni. Za njih obstajajo posebne proteinske strukture - ionski kanali, o katerih bomo v nadaljevanju opisali.
Če pogledate celično membrano s pomočjo mikroskopa, lahko vidite plast lipidov, ki jih tvorijo drobne sferične molekule, vzdolž katerih, kot v morju, plavajo velike proteinske celice različnih oblik. Točno iste membrane razdelijo notranji prostor vsake celice v razdelke, v katerih so jedro, kloroplasti in mitohondriji udobno locirani. Ne bodite znotraj celic posameznih "sob", organele bi se držale skupaj in ne bi mogle pravilno opravljati svojih funkcij..
Celica je niz organoidov, strukturiranih in razmejenih s pomočjo membran, ki sodeluje v kompleksu energetskih, metabolnih, informacijskih in reproduktivnih procesov, ki zagotavljajo vitalno aktivnost organizma..
Kot je razvidno iz te definicije, je membrana najpomembnejša funkcionalna komponenta katere koli celice. Njegova vrednost je tako velika kot vrednost jedra, mitohondrijev in drugih celičnih organelov. In edinstvene lastnosti membrane so posledica njene strukture: sestavljena je iz dveh filmov, oblikovanih na poseben način. Molekule fosfolipidov v membrani so hidrofilne glave, znotraj pa hidrofobni repi. Zato je ena stran filma navlažena z vodo, druga pa ni. Torej so ti filmi med seboj povezani z nevlaženimi stranmi navznoter, tako da tvorijo plasti dvoslojne obloge, ki jo obdajajo proteinske molekule. To je zelo "sendvič" struktura celične membrane.
Ionski kanali celičnih membran
Oglejmo podrobneje načelo delovanja ionskih kanalov. Za kaj so? Dejstvo je, da lahko samo maščobe topne snovi - plini, alkoholi in maščobe - prosto prodrejo skozi lipidno membrano. Na primer, v rdečih krvnih celicah se nenehno izmenjujejo kisik in ogljikov dioksid, zato za naše telo ni treba uporabiti nobenih dodatnih trikov. Kaj pa, če obstaja potreba po transportu vodnih raztopin skozi celično membrano, kot so natrijeve in kalijeve soli??
Takšne snovi bi bilo nemogoče utreti v plasti dvokrilcev, saj bi se luknje takoj zacelile in se držale skupaj, kot je struktura kakršnega koli maščobnega tkiva. Toda narava, kot vedno, je našla izhod iz situacije in ustvarila posebne prometne strukture.
Obstajata dve vrsti prevodnih beljakovin:
Transportni trakovi - pol-integralne proteinske črpalke;
Kanalizatorji - integralne beljakovine.
Beljakovine prvega tipa so delno potopljene v dvoplastno plast celične membrane, glava gleda ven in v prisotnosti želene snovi se začnejo obnašati kot črpalka: izvlečejo molekulo in jo sesajo v celico. In beljakovine drugega tipa, integralne, imajo podolgovato obliko in se nahajajo pravokotno na dvoplastno plast celične membrane, skozi katero prodrejo. Snovi, ki niso sposobne prehoditi skozi maščobo, se premikajo vzdolž njih, kot skozi tunele, v celico in iz celice. Skozi ionske kanale v celico prodrejo kalijevi ioni in se v njem kopičijo, medtem ko natrijevi ioni, nasprotno, pridejo ven. Obstaja razlika v električnih potencialih, ki so potrebni za pravilno delovanje vseh celic našega telesa..
Najpomembnejši zaključki o strukturi in funkciji celičnih membran
Teorija je vedno zanimiva in obetavna, če jo lahko uporabimo v praksi. Odkritje strukture in funkcij celičnih membran človeškega telesa je znanstvenikom omogočilo resničen preboj v znanosti na splošno in zlasti v medicini. Ni naključje, da smo se tako podrobno ustavili pri ionskih kanalih, saj je tukaj odgovor na eno najpomembnejših vprašanj našega časa: zakaj ljudje vedno bolj dobivajo rak??
Rak vsako leto ubije približno 17 milijonov ljudi po vsem svetu in je četrti najpogostejši vzrok vseh smrti. Po podatkih Svetovne zdravstvene organizacije se incidenca onkologije stalno povečuje in do konca leta 2020 lahko doseže 25 milijonov na leto..
Kaj pojasnjuje trenutno epidemijo raka in kje deluje celična membrana? Rekli boste: razlog so slabi okoljski pogoji, slaba prehrana, slabe navade in huda dednost. In seveda boste imeli prav, če pa podrobneje govorimo o problemu, je razlog zakisljevanje človeškega telesa. Zgoraj navedeni negativni dejavniki povzročajo motnje v celičnih membranah, zavirajo dihanje in prehrano..
Kjer naj bi bil plus, se oblikuje minus in celica ne more normalno delovati. Toda rakaste celice ne potrebujejo kisika ali alkalnega okolja - lahko uporabljajo anaerobno vrsto hrane. Torej, v pogojih kisikove izgube in ravni pH, ki presegajo meje, zdrave celice mutirajo, se želijo prilagoditi okolju in postanejo rakaste celice. Tako oseba zboli za onkologijo. Da bi se temu izognili, morate dnevno zaužiti dovolj čiste vode in se v hrani odreči rakotvornim snovem. Ampak praviloma se ljudje dobro zavedajo škodljivih proizvodov in potrebe po kakovostni vodi, in ničesar ne storijo - upajo, da jih bo težava sprejela..
Ker poznajo strukturo in funkcije celičnih membran različnih celic, lahko zdravniki te informacije uporabijo za ciljno usmerjene terapevtske učinke na telo. Veliko sodobnih zdravil, ki vstopajo v naše telo, iščejo želeno "tarčo", ki lahko deluje kot ionski kanali, encimi, receptorji in biomarkerji celičnih membran. Ta metoda zdravljenja omogoča doseganje boljših rezultatov z minimalnimi stranskimi učinki..
Najnovejša generacija antibiotikov ne ubije vseh celic v vrsti, ko vstopijo v kri, vendar pa iščejo celice patogena, ki se osredotočajo na markerje v njenih celičnih stenah. Najnovejša zdravila proti migreni, triptani, zožijo le vnete možganske žile, pri tem pa skoraj ne vplivajo na srce in periferni krvni obtok. Potrebne posode bodo prepoznale ravno s proteini njihovih celičnih membran. Obstaja veliko takih primerov, zato lahko rečemo, da znanje o strukturi in funkcijah celičnih membran temelji na razvoju sodobne medicinske znanosti in vsako leto reši milijone življenj..