Cellemembran - cellemembranens struktur og funktion

Indholdsfortegnelse:

Cellemembran - cellemembranens struktur og funktion
Cellemembran - cellemembranens struktur og funktion
Anonim

Cellemembran

celle membran
celle membran

Alle levende organismer på Jorden består af celler, og hver celle er omgivet af en beskyttende skal - en membran. Men membranens funktioner er ikke begrænset til at beskytte organeller og adskille en celle fra en anden. Cellemembranen er en kompleks mekanisme, der er direkte involveret i reproduktion, regenerering, ernæring, respiration og mange andre vigtige funktioner i cellen.

Udtrykket "cellemembran" er blevet brugt i omkring hundrede år. Ordet "membran" i oversættelse fra latin betyder "film". Men i tilfælde af en cellemembran ville det være mere korrekt at tale om en kombination af to film forbundet med hinanden på en bestemt måde, desuden har forskellige sider af disse film forskellige egenskaber.

Cellemembranen (cytolemma, plasmalemma) er en tre-lags lipoprotein (fedt-protein) membran, der adskiller hver celle fra naboceller og miljøet og udfører en kontrolleret udveksling mellem celler og miljøet.

Den afgørende faktor i denne definition er ikke, at cellemembranen adskiller en celle fra en anden, men at den sikrer dens interaktion med andre celler og miljøet. Membranen er en meget aktiv, konstant arbejdende struktur af cellen, hvor mange funktioner er tildelt af naturen. Fra vores artikel vil du lære alt om cellemembranens sammensætning, struktur, egenskaber og funktioner samt faren for menneskers sundhed ved forstyrrelser i cellemembranernes funktion.

Historie om cellemembranforskning

I 1925 var to tyske videnskabsmænd, Gorter og Grendel, i stand til at udføre et komplekst eksperiment på menneskelige røde blodlegemer, erytrocytter. Ved hjælp af osmotisk chok fik forskerne de såkaldte "skygger" - tomme skaller af røde blodlegemer, lagde dem derefter i én bunke og målte overfladearealet. Næste trin var at beregne mængden af lipider i cellemembranen. Ved hjælp af acetone isolerede forskerne lipiderne fra "skyggerne" og fandt ud af, at de var lige nok til et dobbelt kontinuerligt lag.

Men under eksperimentet blev der lavet to grove fejl:

  • Brugen af acetone tillader ikke, at alle lipider isoleres fra membraner;
  • Overfladearealet af "skyggerne" blev beregnet efter tørvægt, hvilket også er forkert.

Fordi den første fejl gav et minus i beregningerne, og den anden gav et plus, viste det samlede resultat sig at være overraskende nøjagtigt, og tyske videnskabsmænd bragte den vigtigste opdagelse til den videnskabelige verden - lipid-dobbeltlaget af cellemembranen.

I 1935 kom endnu et par forskere, Danielle og Dawson, efter lange eksperimenter på bilipidfilm til konklusionen om tilstedeværelsen af proteiner i cellemembraner. Der var ingen anden måde at forklare, hvorfor disse film har så høj en overfladespænding. Forskere præsenterede for offentligheden en skematisk model af en cellemembran, der ligner en sandwich, hvor homogene lipid-proteinlag spiller rollen som brødskiver, og mellem dem i stedet for olie er der tomhed.

I 1950, ved hjælp af det første elektronmikroskop, blev Danielly-Dawson teorien delvist bekræftet - mikrofotografier af cellemembranen viste tydeligt to lag bestående af lipid og protein hoveder, og mellem dem er et gennemsigtigt rum kun fyldt med haler af lipider og proteiner.

I 1960, styret af disse data, udviklede den amerikanske mikrobiolog J. Robertson en teori om trelagsstrukturen af cellemembraner, som i lang tid blev betragtet som eneste sande. Men efterhånden som videnskaben udviklede sig, blev der født flere og flere tvivl om disse lags homogenitet. Fra termodynamikkens synspunkt er en sådan struktur ekstremt ugunstig - det ville være meget vanskeligt for celler at transportere stoffer ind og ud gennem hele "sandwichen". Derudover er det bevist, at cellemembraner i forskellige væv har forskellige tykkelser og fastgørelsesmetoder, hvilket skyldes organers forskellige funktioner.

I 1972 mikrobiologer S. D. Singer og G. L. Nicholson var i stand til at forklare alle uoverensstemmelserne i Robertsons teori ved hjælp af en ny, væske-mosaikmodel af cellemembranen. Forskere har fundet ud af, at membranen er heterogen, asymmetrisk, fyldt med væske, og dens celler er i konstant bevægelse. Og proteinerne, der udgør dens sammensætning, har en anden struktur og formål, desuden er de placeret forskelligt i forhold til membranens bilipide lag.

Der er tre typer proteiner i cellemembraner:

  • Peripheral - fastgjort til filmens overflade;
  • Semi-integral – gennemtrænge delvist bilipidlaget;
  • Integral – trænge fuldstændig ind i membranen.

Perifere proteiner er forbundet til hovederne af membranlipider gennem elektrostatisk interaktion, og de danner aldrig et kontinuerligt lag, som man tidligere har troet. Og semi-integrale og integrale proteiner tjener til at transportere ilt og næringsstoffer ind i cellen, samt til at fjerne henfaldsprodukter fra den, og til flere andre vigtige funktioner, som du vil lære om senere.

Cellemembranens egenskaber og funktioner

Cellemembranens egenskaber og funktioner
Cellemembranens egenskaber og funktioner

Cellemembranen udfører følgende funktioner:

  • Barrier - membranens permeabilitet for forskellige typer molekyler er ikke den samme. For at omgå cellemembranen skal molekylet have en vis størrelse, kemiske egenskaber og elektrisk oplade. Skadelige eller uhensigtsmæssige molekyler kan på grund af cellemembranens barrierefunktion simpelthen ikke trænge ind i cellen. For eksempel, ved hjælp af peroxisreaktionen beskytter membranen cytoplasmaet mod farlige peroxider;
  • Transport - passiv, aktiv, reguleret og selektiv udveksling passerer gennem membranen. Passiv metabolisme er velegnet til fedtopløselige stoffer og gasser bestående af meget små molekyler. Sådanne stoffer trænger ind og ud af cellen uden energiforbrug, frit ved diffusion. Cellemembranens aktive transportfunktion aktiveres, når det er nødvendigt, men svære at transportere stoffer skal transporteres ind i eller ud af cellen. For eksempel dem med en stor molekylær størrelse eller ude af stand til at krydse bilipidlaget på grund af hydrofobicitet. Så begynder proteinpumper at arbejde, inklusive ATPase, som er ansvarlig for absorptionen af kaliumioner i cellen og udstødningen af natriumioner fra den. Reguleret transport er afgørende for sekretions- og fermenteringsfunktioner, såsom når celler producerer og udskiller hormoner eller mavesaft. Alle disse stoffer forlader cellerne gennem specielle kanaler og i et givet volumen. Og den selektive transportfunktion er forbundet med de meget integrerede proteiner, der trænger ind i membranen og tjener som en kanal for ind- og udgang af strengt definerede typer af molekyler;
  • Matrix - cellemembranen bestemmer og fikserer placeringen af organeller i forhold til hinanden (kerne, mitokondrier, kloroplaster) og regulerer interaktionen mellem dem;
  • Mekanisk - sikrer begrænsning af en celle fra en anden, og på samme tid, den korrekte forbindelse af celler til et homogent væv og organernes modstand mod deformation;
  • Beskyttende - både hos planter og dyr tjener cellemembranen som grundlag for opbygning af en beskyttende ramme. Et eksempel er hårdt træ, tæt skræl, stikkende torne. I dyreriget er der også mange eksempler på cellemembranernes beskyttende funktion - skildpaddeskal, kitinøse skal, hove og horn;
  • Energy - processerne med fotosyntese og cellulær respiration ville være umulige uden deltagelse af cellemembranproteiner, fordi det er gennem proteinkanaler, at celler udveksler energi;
  • Receptor- proteiner indbygget i cellemembranen kan have en anden vigtig funktion. De tjener som receptorer, hvorigennem cellen modtager et signal fra hormoner og neurotransmittere. Og dette er til gengæld nødvendigt for ledningen af nerveimpulser og det normale forløb af hormonelle processer;
  • Enzymatisk er en anden vigtig funktion, der er iboende i nogle cellemembranproteiner. For eksempel syntetiseres fordøjelsesenzymer i tarmepitelet ved hjælp af sådanne proteiner;
  • Biopotential - koncentrationen af kaliumioner inde i cellen er meget højere end udenfor, og koncentrationen af natriumioner, tværtimod, udenfor er større end indeni. Dette forklarer den potentielle forskel: inde i cellen er ladningen negativ, udenfor er den positiv, hvilket bidrager til bevægelse af stoffer ind i cellen og ud i enhver af de tre typer af stofskifte - fagocytose, pinocytose og exocytose;
  • Mærkning - på overfladen af cellemembraner er der såkaldte "labels" - antigener bestående af glykoproteiner (proteiner med forgrenede oligosaccharid-sidekæder knyttet til dem). Da sidekæder kan have et stort udvalg af konfigurationer, modtager hver type celle sin egen unikke etiket, der gør det muligt for andre celler i kroppen at genkende dem "ved synet" og reagere korrekt på dem. Det er derfor, for eksempel menneskelige immunceller, makrofager, let genkender en udlænding, der er kommet ind i kroppen (infektion, virus) og forsøger at ødelægge den. Det samme sker med syge, muterede og gamle celler - etiketten på deres cellemembran ændres, og kroppen slipper af med dem.

Celleudveksling finder sted på tværs af membraner og kan udføres ved hjælp af tre hovedtyper af reaktioner:

  • Fagocytose er en cellulær proces, hvor fagocytiske celler, der er indlejret i membranen, fanger og fordøjer faste partikler af næringsstoffer. I den menneskelige krop udføres fagocytose af membraner af to typer celler: granulocytter (granulære leukocytter) og makrofager (immundræberceller);
  • Pinocytosis - processen med at fange overfladen af cellemembranen af væskemolekyler i kontakt med den. Til ernæring ved typen af pinocytose vokser cellen tynde, luftige udvækster i form af antenner på sin membran, som så at sige omgiver en dråbe væske, og der opnås en boble. Først rager denne vesikel ud over overfladen af membranen, og derefter "sluges" den - den gemmer sig inde i cellen, og dens vægge smelter sammen med cellemembranens indre overflade. Pinocytose forekommer i næsten alle levende celler;
  • Exocytosis er en omvendt proces, hvor vesikler med en sekretorisk funktionel væske (enzym, hormon) dannes inde i cellen, og den skal på en eller anden måde fjernes fra cellen ind i miljø. For at gøre dette smelter vesiklen først sammen med cellemembranens indre overflade, buler derefter udad, brister, udstøder indholdet og smelter igen sammen med overfladen af membranen, denne gang udefra. Exocytose finder for eksempel sted i cellerne i tarmepitelet og binyrebarken.

Struktur af cellemembranen

Cellemembraner indeholder tre klasser af lipider:

  • fosfolipider;
  • Glykolipider;
  • kolesterol.
Strukturen af cellemembranen
Strukturen af cellemembranen

Fosfolipider (en kombination af fedtstoffer og fosfor) og glykolipider (en kombination af fedtstoffer og kulhydrater) består til gengæld af et hydrofilt hoved, hvorfra to lange hydrofobe haler strækker sig. Men kolesterol optager nogle gange rummet mellem disse to haler og tillader dem ikke at bøje, hvilket gør membranerne i nogle celler stive. Derudover regulerer kolesterolmolekyler strukturen af cellemembraner og forhindrer overførsel af polære molekyler fra en celle til en anden.

Men den vigtigste komponent, som du kan se fra det foregående afsnit om cellemembranernes funktioner, er proteiner. Deres sammensætning, formål og placering er meget forskelligartet, men der er noget til fælles, der forener dem alle: ringformede lipider er altid placeret omkring cellemembranernes proteiner. Det er specielle fedtstoffer, der er tydeligt strukturerede, stabile, har mere mættede fedtsyrer i deres sammensætning og frigives fra membraner sammen med "sponsorerede" proteiner. Dette er en slags personlig beskyttelsesskal til proteiner, uden hvilken de simpelthen ikke ville fungere.

Strukturen af cellemembranen er tre-lags. Et relativt homogent flydende bilipidlag ligger i midten, og proteiner dækker det på begge sider med en slags mosaik, der delvist trænger ind i tykkelsen. Det vil sige, at det ville være forkert at tro, at cellemembranernes ydre proteinlag er kontinuerlige. Proteiner er, ud over deres komplekse funktioner, nødvendige i membranen for at passere ind i cellerne og transportere de stoffer ud af dem, der ikke er i stand til at trænge ind i fedtlaget. For eksempel kalium- og natriumioner. For dem leveres specielle proteinstrukturer - ionkanaler, som vi vil diskutere mere detaljeret nedenfor.

Hvis man ser på cellemembranen gennem et mikroskop, kan man se et lag af lipider dannet af de mindste sfæriske molekyler, hvorpå der ligesom havet flyder store proteinceller af forskellig form. Nøjagtig de samme membraner deler det indre rum i hver celle i rum, hvori kernen, kloroplasterne og mitokondrierne er komfortabelt placeret. Hvis der ikke var separate "rum" inde i cellen, ville organellerne klæbe sammen med hinanden og ville ikke være i stand til at udføre deres funktioner korrekt.

Cell er et sæt organeller struktureret og adskilt af membraner, som er involveret i et kompleks af energi-, metaboliske, informationsmæssige og reproduktive processer, der sikrer organismens vitale aktivitet.

Som du kan se fra denne definition, er membranen den vigtigste funktionelle komponent i enhver celle. Dens betydning er lige så stor som for kernen, mitokondrier og andre celleorganeller. Og membranens unikke egenskaber skyldes dens struktur: Den består af to film, der er sat sammen på en særlig måde. Molekyler af fosfolipider i membranen er placeret med hydrofile hoveder udad og hydrofobe haler indad. Derfor bliver den ene side af filmen fugtet af vand, mens den anden ikke er det. Så disse film er forbundet med hinanden med ikke-fugtige sider indad, og danner et bilipidlag omgivet af proteinmolekyler. Dette er selve "sandwich"-strukturen af cellemembranen.

Ionkanaler i cellemembraner

Lad os overveje mere detaljeret princippet om drift af ionkanaler. Hvad skal de bruge til? Faktum er, at kun fedtopløselige stoffer frit kan trænge gennem lipidmembranen - det er selve gasser, alkoholer og fedtstoffer. Så for eksempel i røde blodlegemer er der en konstant udveksling af ilt og kuldioxid, og for dette behøver vores krop ikke at ty til yderligere tricks. Men hvad med, når det bliver nødvendigt at transportere vandige opløsninger, såsom natrium- og kaliums alte, gennem cellemembranen?

Det ville være umuligt at bane vejen for sådanne stoffer i bilipidlaget, da hullerne straks ville stramme og klæbe sammen tilbage, sådan er strukturen af ethvert fedtvæv. Men naturen fandt som altid en vej ud af situationen og skabte særlige proteintransportstrukturer.

Der er to typer ledende proteiner:

  • Transportere – semi-integrale pumpeproteiner;
  • Channelformers – integrerede proteiner.

Proteiner af den første type er delvist nedsænket i cellemembranens bilipide lag og ser ud med hovedet, og i nærvær af det rigtige stof begynder de at opføre sig som en pumpe: de tiltrækker et molekyle og sug den ind i cellen. Og proteiner af den anden type, integral, har en langstrakt form og er placeret vinkelret på cellemembranens bilipide lag og trænger igennem det. Gennem dem, som gennem tunneler, bevæger stoffer, der ikke er i stand til at passere gennem fedt, ind og ud af cellen. Det er gennem ionkanaler, at kaliumioner trænger ind i cellen og ophobes i den, mens natriumioner tværtimod bringes ud. Der er en forskel i elektriske potentialer, så det er nødvendigt for, at alle celler i vores krop fungerer korrekt.

[Instruktionsvideo] Strukturen af cellens plasmamembran:

De vigtigste konklusioner om cellemembranernes struktur og funktioner

Teori ser altid interessant og lovende ud, hvis den kan bruges i praksis. Opdagelsen af strukturen og funktionerne af den menneskelige krops cellemembraner gjorde det muligt for videnskabsmænd at lave et reelt gennembrud inden for videnskaben i almindelighed og i medicin i særdeleshed. Det er ikke tilfældigt, at vi dvælede så detaljeret ved ionkanaler, for det er her, der ligger svaret på et af vor tids vigtigste spørgsmål: hvorfor bliver folk i stigende grad syge af onkologi?

Kræft kræver omkring 17 millioner liv på verdensplan hvert år og er den fjerde hyppigste årsag til alle dødsfald. Ifølge WHO er forekomsten af kræft støt stigende, og ved udgangen af 2020 kan den nå op på 25 millioner om året.

Hvad forklarer den virkelige kræftepidemi, og hvad har cellemembranernes funktion med det at gøre? Du vil sige: Årsagen er dårlige miljøforhold, underernæring, dårlige vaner og tung arv. Og selvfølgelig vil du have ret, men hvis vi taler om problemet mere detaljeret, så er årsagen forsuringen af menneskekroppen. De negative faktorer anført ovenfor fører til forstyrrelse af cellemembranerne, hæmmer vejrtrækning og ernæring.

Hvor der skulle være et plus, dannes et minus, og cellen kan ikke fungere norm alt. Men kræftceller har hverken brug for ilt eller et basisk miljø – de er i stand til at bruge en anaerob type ernæring. Derfor muterer sunde celler under forhold med iltsult og off-skala pH-niveauer, som ønsker at tilpasse sig miljøet og bliver til kræftceller. Sådan får en person kræft. For at undgå dette skal du bare drikke nok rent vand dagligt og opgive kræftfremkaldende stoffer i maden. Men som regel er folk godt klar over skadelige produkter og behovet for kvalitetsvand og gør ingenting - de håber, at problemer vil omgå dem.

Ved at kende funktionerne i strukturen og funktionerne af cellemembraner i forskellige celler, kan læger bruge denne information til at give målrettede, målrettede terapeutiske effekter på kroppen. Mange moderne lægemidler, der kommer ind i vores krop, leder efter det rigtige "mål", som kan være ionkanaler, enzymer, receptorer og biomarkører af cellemembraner. Denne behandlingsmetode giver dig mulighed for at opnå bedre resultater med minimale bivirkninger.

Den nyeste generation af antibiotika, når de kommer ind i blodbanen, dræber ikke alle celler i træk, men leder efter nøjagtigt patogenets celler med fokus på markører i dets cellemembraner. De nyeste anti-migrænemidler, triptaner, trækker kun de betændte hjernekar sammen, mens de næsten ikke har nogen effekt på hjertet og det perifere kredsløb. Og de genkender de nødvendige kar præcist ved proteinerne i deres cellemembraner. Der er mange sådanne eksempler, så vi kan med sikkerhed sige, at viden om cellemembranernes struktur og funktioner ligger til grund for udviklingen af moderne lægevidenskab og redder millioner af liv hvert år.

Anbefalede: