Плазменная мембрана

Что такое клеточная мембрана

Если провести аналогию с куриным яйцом (разбив скорлупу, аккуратно отделить от нее тонкую полупрозрачную пленочку), то визуально можно представить, что скорлупа — это плотная клеточная оболочка, а пленка — мембрана. Эта картинка очень наглядно позволяет увидеть, каким образом под клеточной стенкой, состоящей из целлюлозы, располагается плазмалемма. Конечно, это представление будет условным, но, действительно, мембрана в переводе с латинского языка означает «кожа». Хотя этот термин достаточно давний, он точно передает сущность мембранной структуры .

Цитолемма (еще одно ее название) животной клетки плотной оболочкой не защищена, однако имеет особый слой, состоящий из белков и жиров, соединенных с сахарами (гликопротеинов и гликолипидов). Называют его гликокаликс, и роль, которую он несет (рецепторная, сигнальная), очень важна для жизнедеятельности.

Строение

Строение структуры уникально, и именно за счет него функции клеточной мембраны выполняются точно и избирательно.

В структуру плазмалеммы входят молекулы:

• фосфолипидов;
• гликолипидов;
• холестерола;
• белков.

Однако не только такой щедрый химический состав делает цитоплазматическую мембрану особой структурой, все свои функции она выполняет благодаря строгой организации молекул.

Строение плазмалеммы физиологически идеально — двойной слой молекул жиров (липидов), полярно организованных, не дают «своим» выходить за пределы клетки, а «чужим» — проникать внутрь.

Организация плазмалеммы:

• мембрана состоит из липидов молекулы, которые имеют особое строение;
• каждый липид имеет два конца — гидрофильная («любящая» воду) головка и гидрофобный («боящийся» воды) хвост;
• липиды выстроены таким образом, чтобы головки были снаружи, а гидрофобные хвосты внутри;
• поверхность мембраны гидрофильна (пропускает воду и, соответственно, растворы), а вот внутренняя часть, состоящая из гидрофобных окончаний, воду отталкивает;
• в основном молекулы липидов содержат остатки фосфорной кислоты (это фосфолипиды), некоторые связаны с углеводами (гликолипиды) и холестеролом;
• холестерол придает мембране упругость и жесткость;
• благодаря электростатическим свойствам липиды притягивают молекулы белков, которые также входят в структуру цитолеммы.

Именно белковые молекулы (гранулы) заслуживают отдельного внимания ученых. Из-за своего различного положения и ориентации в полужидкой липидной среде они выполняют самые различные и очень важные функции.

Внутри и на поверхности цитолеммы встречаются следующие виды белков:

1. Периферические. Эти молекулы расположены на поверхности и в основном выполняют защитную и стабилизирующую функции. Так, они выстраивают ферменты в конвейерные цепи и не позволяют ферментам просто перемещаться вдоль бислоя.
2. Погруженные внутрь (полуинтегральные). Основная их функция — ферментативная, также они могут участвовать в транспорте веществ. Изучена и еще одна интересная роль этих белков — как переносчиков. Они легко соединяются с транспортируемыми молекулами и проводят их внутрь клетки.
3. Пронизывающие (интегральные). Они располагаются таким образом, что проходят насквозь, через билипидный слой. Если несколько таких белков сливаются, то образуется канал (пора), через которую могут проходить определенные вещества, связываясь с белковыми молекулами.

Таким образом, все элементы мембранного бислоя несут строго ограниченные своей ролью и строением функции. Благодаря такой организации система работает слаженно и точно.

Отмечено, что плазмалеммы даже внутри одной клетки неоднородны. В них различается не только соотношение химических составных (белков, липидов, углеводов), но и вязкость внутреннего содержимого, ферментативная активность, плотность наружного слоя, толщина.

Месторасположение в клетке

Мембранные структуры буквально пронизывают клеточное содержимое. Они ограничивают все органоиды (за редким исключением, например рибосомы), выстилают их изнутри, являются оболочками ядер.

Самая массивная по содержанию плазмалеммы структура — эндоплазматическая сеть (ЭПР). Если сложить все мембраны, ее составляющие, то получится площадь более половины общей — на все клеточное пространство. По морфологии оболочка ЭПР сходна с внешней ядерной. Они составляют с ней единую систему и обеспечивают активный взаимный перенос элементов.

Комплекс Гольджи — еще один органоид, полностью выполненный из мембранных мешочков (цистерн). Также цитолеммы имеют митохондрии и пластиды.

Плазматическая мембрана — это часть плазмалеммы, находящаяся на границе клеточного содержимого. Она ограничивает протопласт от внешней среды, окружает клетку, защищая его от наружного воздействия.

Какие функции выполняет клеточная мембрана?

К функциям клеточной мембраны относят: 

1. Барьерную. Служит естественным фильтром для молекул, которые собираются проникнуть внутрь, она пропускает лишь те из них, которые отвечают определенным параметрам.
2. Защитную. Так как у большинства животных клеточная стенка отсутствует, то плазмалемма также служит защитой от механических воздействий и предотвращает повреждения. Клеточная мембрана в растительной клетке подобную функцию не выполняет, так как клетки растений обладают сложной по структуре стенкой, которая способна защитить их.
3. Матричную. Отвечает за расположение внутренних органоидов относительно друг друга для поддержания внутреннего баланса, необходимого для полноценной деятельности.
4. Транспортную. Полностью контролирует обмен необходимыми веществами с внешней средой, помогает благодаря специальным особенностям тем из них, которые необходимы для жизнедеятельности, но, в то же время, не могут самостоятельно проникнуть внутрь.
5. Ферментативную. Необходима для выработки ферментов, нужных, например, для переваривания пищи.
6. Рецепторную. Необходима для принятия сигналов, говорящих о происходящем во внешней среде.
7. Маркировочную. Каждая клетка уникальна, причем клетки умеют распознавать друг друга, это нужно для того, чтобы взаимодействовать между собой. Распознавание происходит благодаря строению цитолеммы, которое не повторяется.

Цитолеммы любых живых существ выполняют в сущности один и тот же ряд функций, лишь с небольшими вариациями, независимо от того, цитолемма кого именно рассматривается: животного, человека, насекомого или же клеточная мембрана растения.

Выводы о плазмалемме

Рассмотрев строение и функции данного органоида, можно заметить, что клеточная мембрана обладает особенностями, не характерными для других составляющих клетки. Открытие ее в начале прошлого века способствовало дальнейшему развитию медицины, послужило ключом для понимания множества человеческих болезней, а также способов их лечения.

Клеточная мембрана характерна для клеток каждого организма. Она служит защитой, а также выполняет очень важные функции, ведь через нее различные вещества проникают внутрь. Для того, чтобы данный органоид мог нормально функционировать, а, следовательно, чтобы и клетка в целом могла нормально функционировать, необходимо, чтобы в организме поддерживались такие условия, которые не мешают ее деятельности.

Как известно, мембрана плазматическая, строение ее представляет собой множество каналов, благодаря которым обеспечивается обмен с внешней средой. Учеными было выяснено, что для нормального функционирования, в частности для того, чтобы клетка не начала перерождаться в раковую, необходимо, чтобы каналы плазмалеммы работали исправно, не засорялись, не пропускали неподходящие молекулы.

Ряд рекомендаций, которые позволят этого добиться:

• правильное питание;
• регулярные прогулки на свежем воздухе;
• поддержание водного баланса организма.

Это поразительно, но именно такой, казалось бы, незначительный органоид может сильно влиять на самочувствие человека и его здоровье. Поэтому открытие плазмалеммы было огромным шагом вперед для биологической науки.

Как вы считаете, клеточная мембрана играет самую важную роль в функционировании клетки или есть более важные компоненты? Делитесь своим мнением в ! А также смотрите мультфильм о строении клетки.

Функции клеточной мембраны

Клеточная мембрана обладает целым рядом функций. Погруженные в нее белки выполняют ферментативную функцию. Часто они располагаются в определенной последовательности для того, чтобы продукты катализа последовательно переходили от одной молекулы к другой. Образуется конвейер, который стабилизируют поверхностные белки, т. к. не дают ферментам плавать вдоль липидного бислоя.

Клеточная мембрана также выполняет барьерную функцию. Она ограничивает содержимое клетки от окружающей среды, а также транспортную функцию. Цитоплазматическая мембрана обладает высокой степенью прочности и свойством избирательной проницаемости, а также поддерживает постоянство состава внутренней среды организма. Такие многогранные свойства обусловлены необходимостью высокой степени адаптации клеток животных к различным изменениям окружающей среды.

При этом мембранный транспорт может проходить различными способами.

Активный транспорт происходит при наличии в мембране специализированных каналов. Такой вид транспорта протекает против градиента концентрации и с высокими затратами энергии. В нем участвуют белки – переносчики. Эта энергия получается клеткой при распаде молекул АТФ.

Пассивный транспорт протекает в разных концентрациях (из области высокой концентрации в низкую). При этом отсутствуют затраты энергии. Такой путь называют диффузией. Она может быть представлена в облегченном и стандартном видах.

Облегченная диффузия реализуется благодаря специфическим белкам – переносчикам. Это становится возможным благодаря наличию различных белковых конформаций. Как правило, в этом процессе участвует один или несколько белков.

Также существует транспорт веществ внутри клетки, который косвенно зависит от строения цитоплазматической мембраны или от возможности пропускания ею ряда веществ. Такой транспорт также зависит от наличия в ядре специфических отверстий или пор. Через цитоплазму данные вещества могут контактировать с клеточной мембраной, поддерживая обмен веществ в элементарной живой системе.

Также пассивный транспорт осуществляется по белкам – каналам. Они образуют водные поры, которые открыты в какой – либо период времени. По этим каналам белки могут транспортироваться из одной клетки в другую. Периодичность транспортировки обеспечивает точность обмена веществ между клетками.

Также мембрана может выполнять рецепторную функцию. На ее внешней стороне расположены структуры, распознающие химический и физический раздражитель. В основном это гликопротеиды, но могут быть и другие химические вещества.

Также рецепторную функцию клеточных мембран изучают на основе гормонов, а именно инсулина. Инсулин связывается с рецептором гликопротеидом и формируется активация каталитической внутриклеточной части данного белка.

Определение 2

Инсулин – это гормон, повышающий уровень сахара в крови человека и высших животных. Является производным поджелудочной железы.

При этом рецепторная функция цитоплазматической мембраны заключается в том, чтобы распознать соседние однотипные клетки. Внутри ткани существуют межклеточные контакты, которые помогают клеткам обмениваться между собой информацией при наличии синтезируемых низкомолекулярных веществ. Одним из примеров подобного взаимодействия является контактное торможение, когда клетки прекращают рост, получив информацию, что свободное пространство занято.

Таким образом, клеточная мембрана является весьма важной клеточной структурой, которая выполняет многочисленные функции. Она позволяет осуществлять целый ряд межклеточных контактов и передавать информацию между клетками внутри какой – либо живой ткани, органа, целостного живого организма

Органеллы

Структурно-функциональная организация растительной и животной клеток гомологична, т.е. похожа. Однако клетки отличаются специфичными органеллами.

Рис. 2. Строение клеток животных и растений.

Основные компоненты эукариотической клетки и их описание представлены в таблице.

Все органеллы располагаются в цитоплазме – вязком веществе, состоящем из жидкости – гиалоплазмы (цитозоли). Также в неё входят клеточные включения (капли жира, зёрна крахмала) и цитоскелет, состоящий из микротрубочек и осуществляющий клеточное движение. Благодаря движению происходит обмен веществ между органеллами и с внешней средой.

Цитоплазма

Цитоплазма — обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром; подразделяется на гиалоплазму (основное вещество цитоплазмы), органоиды (постоянные компоненты цитоплазмы) и включения (временные компоненты цитоплазмы). Химический состав цитоплазмы: основу составляет вода (60–90% всей массы цитоплазмы), различные органические и неорганические соединения. Цитоплазма имеет щелочную реакцию. Характерная особенность цитоплазмы эукариотической клетки — постоянное движение (циклоз). Оно обнаруживается, прежде всего, по перемещению органоидов клетки, например хлоропластов. Если движение цитоплазмы прекращается, клетка погибает, так как, только находясь в постоянном движении, она может выполнять свои функции.

Гиалоплазма (цитозоль) представляет собой бесцветный, слизистый, густой и прозрачный коллоидный раствор. Именно в ней протекают все процессы обмена веществ, она обеспечивает взаимосвязь ядра и всех органоидов. В зависимости от преобладания в гиалоплазме жидкой части или крупных молекул, различают две формы гиалоплазмы: золь — более жидкая гиалоплазма и гель — более густая гиалоплазма. Между ними возможны взаимопереходы: гель превращается в золь и наоборот.

Функции цитоплазмы:

1. объединение всех компонентов клетки в единую систему,
2. среда для прохождения многих биохимических и физиологических процессов,
3. среда для существования и функционирования органоидов.

Дифференцировка клеток многоклеточного организма

Многоклеточные организмы состоят из клеток, которые в той или иной степени отличаются по строению и функциям, например, у взрослого человека около 230 различных типов клеток. Все они являются потомками одной клетки — зиготы (в случае полового размножения) — и приобретают различия в результате процесса дифференцировки.

Дифференцировка в подавляющем большинстве случаев не сопровождается изменением наследственной информации клетки, а обеспечивается лишь путем регуляции активности генов, специфический характер экспрессии генов наследуется во время деления материнской клетки обычно благодаря эпигенетическим механизмам. Однако есть исключения: например, при образовании клеток специфической иммунной системы позвоночных происходит перестройка некоторых генов, эритроциты млекопитающих полностью теряют всю наследственную информацию, а половые клетки — её половину.

Различия между клетками на первых этапах эмбрионального развития появляются, во-первых, вследствие неоднородности цитоплазмы оплодотворенной яйцеклетки, из-за чего во время процесса дробления образуются клетки, различающиеся по содержанию определенных белков и РНК; во-вторых, важную роль играет микроокружение клетки — её контакты с другими клетками и средой.

Микротрубочки

Микротрубочки — мембранные, надмолекулярные структуры, состоящие из белковых глобул, расположенных спиральными или прямолинейными рядами. Микротрубочки выполняют преимущественно механическую (двигательную) функцию, обеспечивая подвижность и сокращаемость органоидов клетки. Располагаясь в цитоплазме, они придают клетке определённую форму и обеспечивают стабильность пространственного расположения органоидов. Микротрубочки способствуют перемещению органоидов в места, которые определяются физиологическими потребностями клетки. Значительное количество этих структур расположено в плазмалемме, вблизи клеточной оболочки, где они участвуют в формировании и ориентации целлюлозных микрофибрилл оболочек растительных клеток.

Строение микротрубочки

викторина

1. Какой тип молекулы образует двойной слой плазматической мембраны?A. ФосфолипидыB. Ионные КаналыC. РибосомыD. Дезоксирибонуклеиновая кислота

Ответ на вопрос № 1

верно. Фосфолипиды образуют двойной слой плазматической мембраны, самопроизвольно располагаясь таким образом, когда они находятся в воде (воде). решение, Ионные каналы также находятся в мембране, но они не ответственны за формирование двойного слоя. Рибосомы и дезоксирибонуклеиновая кислота находятся внутри клетки; рибосомы образуют белки, а дезоксирибонуклеиновая кислота – это ДНК, генетический материал.

2. Какое предложение лучше всего описывает модель «Мозаика жидкости»?A. Плазматическая мембрана позволяет жидкости проходить между внеклеточной жидкостью и цитоплазмой.B. Слишком много жидкости приведет к взрыву клеток животных.C. Компоненты мембраны помещаются на место, как плитки в мозаике.D. Липиды, белки и углеводы плазматической мембраны свободно перемещаются по ее поверхности.

Ответ на вопрос № 2

D верно. Модель Fluid Mosaic описывает жидкоподобное движение липидов, белков и углеводов, которые составляют плазматическую мембрану. Эти компоненты свободно перемещаются по его поверхности.

3. Что НЕ является функцией плазматической мембраны?A. Для генерации энергии для питания клетокB. Для защиты клетки от окружающей средыC. Для облегчения сотовой связиD. Чтобы контролировать скорость определенных молекул, входящих и выходящих из клетки

Ответ на вопрос № 3

верно. Варианты B, C и D являются функциями плазматической мембраны. митохондрия является частью клетки, которая генерирует энергию.

Что такое мембрана в биологии?

Говоря простым языком, это оболочка. Однако она не всегда полностью непроницаемая. Почти всегда допускается транспорт определенных веществ сквозь мембрану.

В цитологии мембраны можно разделить на два основных типа. Первый – это плазматическая мембрана, которая покрывает клетку. Второй – это мембраны органоидов. Существуют органеллы, которые обладают одной или двумя мембранами. К одномембранным относятся комплекс Гольджи, эндоплазматический ретикулум, вакуоли, лизосомы. К двумембранным принадлежат пластиды и митохондрии.

Также мембраны могут быть и внутри органоидов. Обычно это производные внутренней мембраны двумембранных органоидов.

Сравнительная характеристика клеток эукариот и прокариот

Вы можете увидеть сравнение по признакам прокариот и эукариот в таблице.

Липиды плазмалеммы

Жидкий бислой липидов, которыми представлена плазматическая мембрана, может быть очень подвижным. Дело в том, что разные молекулы могут из верхнего слоя переходить в нижний и наоборот, то есть структура динамична. Такие переходы имеют свое название в науке — «флип-флоп». Образовалось оно от названия фермента, катализирующего процессы перестройки молекул внутри одного монослоя или из верхнего в нижний и обратно, флипазы.

Количество липидов, которое содержит клеточная плазматическая мембрана, примерно такое же, как число белков. Видовое разнообразие широко. Можно выделить такие основные группы:

• фосфолипиды;
• сфингофосполипиды;
• гликолипиды;
• холестерол.

К первой группе фосфолипидов относятся такие молекулы, как глицерофосфолипиды и сфингомиелины. Эти молекулы составляют основу бислоя мембраны. Гидрофобные концы соединений направлены внутрь слоя, гидрофильные — наружу. Примеры соединений:

• фосфатидилхолин;
• фосфатидилсерин;
• кардиолипин;
• фосфатидилинозитол;
• сфингомиелин;
• фосфатидилглицерин;
• фосфатидилэтаноламин.

Для изучения данных молекул применяется способ разрушения слоя мембраны в некоторых частях фосфолипазой — специальным ферментом, катализирующим процесс распада фосфолипидов.

Функции перечисленных соединений следующие:

1. Обеспечивают общую структуру и строение бислоя плазмалеммы.
2. Соприкасаются с белками на поверхности и внутри слоя.
3. Определяют агрегатное состояние, которое будет иметь плазматическая мембрана клетки при различных температурных условиях.
4. Участвуют в ограниченной проницаемости плазмолеммы для разных молекул.
5. Формируют разные типы взаимодействий клеточных мембран друг с другом (десмосома, щелевидное пространство, плотный контакт).

Преимущества использования супердиффузионных мембран

Хозяин частного дома, решивший использовать в конструкции кровельного пирога супердиффузионные мембраны, в сравнении с домовладельцами, использующими традиционные технологии, получит ряд неоспоримых преимуществ, среди которых основными можно назвать следующие:

• Использование супердиффузионных мембран позволяет одной пленке заменить две, такие как гидро- и ветрозащита. Наличие мембраны допускает возведение конструкции без наличия вентиляционного зазора.
• Укладка супердиффузионных мембран разрешается непосредственно на поверхность любого покрытия, что позволяет укладывать теплоизоляцию более толстым слоем, в сравнении с традиционными технологиями. Как результат, владелец дома получает усиленную теплоизоляцию. 
• Использование супердиффузионных мембран позволяет продлить срок эксплуатации утепляющего материала и деревянных конструкций кровли. При этом, деревянные элементы крыши могут быть установлены без предварительной обработки специальными химическими составами. 
• Применение супердиффузионных мембран в ходе создания кровельного пирога значительно сокращает время проведения монтажных работ и связанных с ними затрат.