През 1972 г. беше изложена теорията, че частично пропусклива мембрана заобикаля клетката и изпълнява редица жизненоважни задачи, а структурата и функцията на клетъчните мембрани са важни въпроси по отношение на правилното функциониране на всички клетки в тялото. Клетъчната теория става широко разпространена през 17-ти век, заедно с изобретяването на микроскопа. Стана известно, че растителните и животинските тъкани са съставени от клетки, но поради ниската разделителна способност на устройството не беше възможно да се видят бариери около животинската клетка. През 20-ти век химическата природа на мембраната е изследвана по-подробно, установено е, че липидите са нейната основа.
Структура и функция на клетъчните мембрани
Клетъчната мембрана обгражда цитоплазмата на живите клетки, отделяйки физически вътреклетъчните компоненти от външната среда. Гъбите, бактериите и растенията също имат клетъчни стени, които осигуряват защита и предотвратяват преминаването на големи молекули. Клетъчните мембрани също играят роля вобразуване на цитоскелета и прикрепване към извънклетъчния матрикс на други жизненоважни частици. Това е необходимо, за да се задържат заедно, образувайки тъканите и органите на тялото. Структурните характеристики на клетъчната мембрана включват пропускливост. Основната функция е защита. Мембраната се състои от фосфолипиден слой с вградени протеини. Тази част участва в процеси като клетъчна адхезия, йонна проводимост и сигнални системи и служи като повърхност на закрепване за няколко извънклетъчни структури, включително стената, гликокаликса и вътрешния цитоскелет. Мембраната също така поддържа потенциала на клетката, като действа като селективен филтър. Той е селективно пропусклив за йони и органични молекули и контролира движението на частиците.
Биологични механизми, включващи клетъчната мембрана
1. Пасивна дифузия: Някои вещества (малки молекули, йони), като въглероден диоксид (CO2) и кислород (O2), могат да дифундират през плазмената мембрана. Обвивката действа като бариера за определени молекули и йони, които могат да бъдат концентрирани от двете страни.
2. Трансмембранен канал и транспортен протеин: Хранителните вещества като глюкоза или аминокиселини трябва да влязат в клетката, а някои метаболитни продукти трябва да напуснат.
3. Ендоцитозата е процесът, чрез който молекулите се поемат. Създава се лека деформация (инвагинация) в плазмената мембрана, в която се поглъща субстанцията, която ще се транспортира. То изискваенергия и по този начин е форма на активен транспорт.
4. Екзоцитоза: възниква в различни клетки за отстраняване на неразградени остатъци от вещества, донесени от ендоцитозата, за да отделят вещества като хормони и ензими и да транспортират веществото напълно през клетъчната бариера.
Молекулярна структура
Клетъчната мембрана е биологична мембрана, състояща се главно от фосфолипиди и отделяща съдържанието на цялата клетка от външната среда. Процесът на образуване протича спонтанно при нормални условия. За да се разбере този процес и правилно да се опишат структурата и функциите на клетъчните мембрани, както и свойствата, е необходимо да се оцени естеството на фосфолипидните структури, които се характеризират със структурна поляризация. Когато фосфолипидите във водната среда на цитоплазмата достигнат критична концентрация, те се комбинират в мицели, които са по-стабилни във водната среда.
Свойства на мембраната
- Стабилност. Това означава, че след образуването на мембраната е малко вероятно да се срути.
- Сила. Липидната мембрана е достатъчно надеждна, за да предотврати преминаването на полярно вещество; както разтворените вещества (йони, глюкоза, аминокиселини), така и много по-големи молекули (протеини) не могат да преминат през образуваната граница.
- Динамичен знак. Това е може би най-важното свойство при разглеждане на структурата на клетката. Клетъчната мембрана можеподлежат на различни деформации, могат да се сгъват и огъват без да се срутват. При специални обстоятелства, като сливане на везикули или пъпкуване, той може да бъде счупен, но само временно. При стайна температура неговите липидни съставки са в постоянно, хаотично движение, образувайки стабилна граница на течността.
Модел с течна мозайка
Говорейки за структурата и функциите на клетъчните мембрани, важно е да се отбележи, че в съвременния възглед мембраната като модел на течна мозайка е разглеждана през 1972 г. от учените Сингър и Никълсън. Тяхната теория отразява три основни характеристики на структурата на мембраната. Интегралните мембранни протеини осигуряват мозаечен шаблон за мембраната и те са способни на странично движение в равнината поради променливия характер на липидната организация. Трансмембранните протеини също са потенциално мобилни. Важна характеристика на структурата на мембраната е нейната асиметрия. Каква е структурата на клетката? Клетъчна мембрана, ядро, протеини и така нататък. Клетката е основната единица на живота и всички организми са изградени от една или повече клетки, всяка с естествена бариера, която я отделя от околната среда. Тази външна граница на клетката се нарича още плазмена мембрана. Състои се от четири различни вида молекули: фосфолипиди, холестерол, протеини и въглехидрати. Моделът на течната мозайка описва структурата на клетъчната мембрана, както следва: гъвкава и еластична, подобна по консистенция на растително масло, така че всичкоотделните молекули просто плуват в течната среда и всички те са способни да се движат странично в тази обвивка. Мозайката е нещо, което съдържа много различни детайли. В плазмената мембрана той е представен от фосфолипиди, холестеролни молекули, протеини и въглехидрати.
Фосфолипиди
Фосфолипидите съставляват основната структура на клетъчната мембрана. Тези молекули имат два различни края: глава и опашка. Главният край съдържа фосфатна група и е хидрофилен. Това означава, че е привлечен от водните молекули. Опашката е изградена от водородни и въглеродни атоми, наречени вериги на мастни киселини. Тези вериги са хидрофобни, не обичат да се смесват с водни молекули. Този процес е подобен на този, който се случва, когато изсипете растително масло във вода, тоест то не се разтваря в него. Структурните особености на клетъчната мембрана са свързани с така наречения липиден двуслой, който се състои от фосфолипиди. Хидрофилните фосфатни глави винаги се намират там, където има вода под формата на вътреклетъчна и извънклетъчна течност. Хидрофобните опашки на фосфолипидите в мембраната са организирани по такъв начин, че да ги държат далеч от вода.
Холестерол, протеини и въглехидрати
Когато хората чуят думата "холестерол", хората обикновено мислят, че това е лошо. Въпреки това, холестеролът всъщност е много важен компонент на клетъчните мембрани. Неговите молекули се състоят от четири пръстена от водородни и въглеродни атоми. Те са хидрофобни и се срещат сред хидрофобните опашки в липидния двуслой. Тяхното значение се крие вподдържайки консистенция, те подсилват мембраните, предотвратявайки кръстосването. Молекулите на холестерола също предпазват фосфолипидните опашки от контакт и втвърдяване. Това гарантира плавност и гъвкавост. Мембранните протеини действат като ензими за ускоряване на химичните реакции, действат като рецептори за специфични молекули или транспортират вещества през клетъчната мембрана.
Въглехидратите или захаридите се намират само от извънклетъчната страна на клетъчната мембрана. Заедно те образуват гликокаликса. Осигурява амортизация и защита на плазмената мембрана. Въз основа на структурата и вида на въглехидратите в гликокаликса, тялото може да разпознае клетките и да определи дали трябва да са там или не.
Мембранни протеини
Структурата на клетъчната мембрана на животинска клетка не може да се представи без такъв важен компонент като протеин. Въпреки това, те могат да бъдат значително по-ниски по размер от друг важен компонент - липидите. Има три основни мембранни протеина.
- Интегрална. Те покриват изцяло двуслойната, цитоплазмата и извънклетъчната среда. Те изпълняват транспортна и сигнална функция.
- Периферно устройство. Протеините са прикрепени към мембраната чрез електростатични или водородни връзки на техните цитоплазмени или извънклетъчни повърхности. Те участват предимно като средство за свързване на интегралните протеини.
- Трансмембранна. Те изпълняват ензимни и сигнални функции, а също така модулират основната структура на липидния двуслой на мембраната.
Функции на биологичните мембрани
Хидрофобният ефект, който регулира поведението на въглеводородите във водата, контролира структурите, образувани от мембранни липиди и мембранни протеини. Много свойства на мембраните се придават от носителите на липидни бислоеве, които формират основната структура за всички биологични мембрани. Интегралните мембранни протеини са частично скрити в липидния двуслой. Трансмембранните протеини имат специализирана организация на аминокиселини в тяхната първична последователност.
Периферните мембранни протеини са много подобни на разтворимите, но също така са мембранно свързани. Специализираните клетъчни мембрани имат специализирани клетъчни функции. Как структурата и функциите на клетъчните мембрани влияят на тялото? Функционалността на целия организъм зависи от това как са подредени биологичните мембрани. От вътреклетъчните органели, извънклетъчните и междуклетъчните взаимодействия на мембраните се създават структурите, необходими за организацията и изпълнението на биологични функции. Много структурни и функционални характеристики са общи за бактериите, еукариотните клетки и вирусите с обвивка. Всички биологични мембрани са изградени върху липиден бислой, което определя наличието на редица общи характеристики. Мембранните протеини имат много специфични функции.
- Контролиране. Плазмените мембрани на клетките определят границите на взаимодействието на клетката с околната среда.
- Транспорт. Вътреклетъчните мембрани на клетките са разделени на няколко функционални блока с различнивътрешен състав, всеки от които се поддържа от необходимата транспортна функция в комбинация с контролна пропускливост.
- Предаване на сигнал. Мембранното сливане осигурява механизъм за вътреклетъчна везикуларна нотификация и предотвратява свободното навлизане на различни видове вируси в клетката.
Значение и заключения
Структурата на външната клетъчна мембрана засяга цялото тяло. Той играе важна роля в защитата на целостта, като позволява само на избрани вещества да проникнат. Също така е добра основа за закрепване на цитоскелета и клетъчната стена, което помага за поддържане на формата на клетката. Липидите съставляват около 50% от мембранната маса на повечето клетки, въпреки че това варира в зависимост от вида на мембраната. Структурата на външната клетъчна мембрана на бозайниците е по-сложна, съдържа четири основни фосфолипида. Важно свойство на липидните двойни слоеве е, че те се държат като двуизмерна течност, в която отделните молекули могат свободно да се въртят и да се движат странично. Такава течливост е важно свойство на мембраните, което се определя в зависимост от температурата и липидния състав. Поради структурата на въглеводородния пръстен, холестеролът играе роля при определянето на течливостта на мембраните. Селективната пропускливост на биологичните мембрани за малки молекули позволява на клетката да контролира и поддържа вътрешната си структура.
Разглеждайки структурата на клетката (клетъчна мембрана, ядро и т.н.), можем да заключим, чече тялото е саморегулираща се система, която не може да си навреди без външна помощ и винаги ще търси начини за възстановяване, защита и правилно функциониране на всяка клетка.
