Šūnu membrānas struktūras un funkciju tabula īsumā. Šūnu membrāna: struktūra un funkcijas

Plazmas membrāna , vai plazmalemma,- visnoturīgākā, pamata, universālākā membrāna visām šūnām. Tā ir plāna (apmēram 10 nm) plēve, kas pārklāj visu šūnu. Plazmalemma sastāv no olbaltumvielu molekulām un fosfolipīdiem (1.6. att.).

Fosfolipīdu molekulas ir izvietotas divās rindās - ar hidrofobiem galiem uz iekšu, hidrofilām galviņām pret iekšējo un ārējo ūdens vidi. Dažās vietās fosfolipīdu divslāņu (dubultslāņa) caur un cauri iekļūst olbaltumvielu molekulas (integrālie proteīni). Šādu olbaltumvielu molekulu iekšpusē ir kanāli - poras, caur kurām iziet ūdenī šķīstošās vielas. Cits olbaltumvielu molekulas līdz pusei iekļūst lipīdu divslānī vienā vai otrā pusē (daļēji integrēti proteīni). Eikariotu šūnu membrānu virsmā atrodas perifērās olbaltumvielas. Lipīdu un olbaltumvielu molekulas tiek turētas kopā hidrofilās-hidrofobās mijiedarbības dēļ.

Membrānu īpašības un funkcijas. Visas šūnu membrānas ir mobilas šķidruma struktūras, jo lipīdu un olbaltumvielu molekulas nav savstarpēji saistītas kovalentās saites un spēj diezgan ātri pārvietoties membrānas plaknē. Pateicoties tam, membrānas var mainīt savu konfigurāciju, t.i., tām ir plūstamība.

Membrānas ir ļoti dinamiskas struktūras. Tie ātri atgūstas no bojājumiem, kā arī stiepjas un saraujas ar šūnu kustībām.

Dažādu veidu šūnu membrānas būtiski atšķiras gan pēc ķīmiskā sastāva, gan pēc tajās esošo olbaltumvielu, glikoproteīnu, lipīdu relatīvā satura un līdz ar to arī pēc tajās esošo receptoru rakstura. Tāpēc katram šūnu tipam ir raksturīga individualitāte, ko galvenokārt nosaka glikoproteīni. Ir iesaistīti sazarotās ķēdes glikoproteīni, kas izvirzīti no šūnu membrānas faktoru atpazīšanaārējā vidē, kā arī saistīto šūnu savstarpējā atpazīšanā. Piemēram, olšūna un spermatozoīds atpazīst viens otru pēc šūnu virsmas glikoproteīniem, kas sader kopā kā atsevišķi veselas struktūras elementi. Šāda savstarpēja atzīšana ir nepieciešams posms pirms apaugļošanas.

Līdzīga parādība tiek novērota audu diferenciācijas procesā. Šajā gadījumā līdzīgas struktūras šūnas ar plazmlemmas atpazīšanas zonu palīdzību tiek pareizi orientētas viena pret otru, tādējādi nodrošinot to adhēziju un audu veidošanos. Saistīts ar atzīšanu transporta regulējums molekulas un joni caur membrānu, kā arī imunoloģiskā reakcija, kurā glikoproteīni spēlē antigēnu lomu. Tādējādi cukuri var darboties kā informācijas molekulas (piemēram, olbaltumvielas un nukleīnskābes). Membrānas satur arī specifiskus receptorus, elektronu nesējus, enerģijas pārveidotājus un enzīmu proteīnus. Olbaltumvielas ir iesaistītas noteiktu molekulu transportēšanas nodrošināšanā šūnā vai ārā no tās, nodrošina strukturālu savienojumu starp citoskeletu un šūnu membrānām vai kalpo kā receptori ķīmisko signālu uztveršanai un pārveidošanai no šūnas. vidi.

Svarīgākais membrānas īpašums ir arī selektīva caurlaidība. Tas nozīmē, ka molekulas un joni caur to iziet ar dažādu ātrumu, un jo lielāks ir molekulu izmērs, jo lēnāks ātrums, ar kādu tās iziet cauri membrānai. Šis īpašums definē plazmas membrānu kā osmotiskā barjera.Ūdenim un tajā izšķīdinātajām gāzēm ir maksimālā iespiešanās spēja; Joni cauri membrānai iziet daudz lēnāk. Ūdens difūziju caur membrānu sauc ar osmozi.

Ir vairāki mehānismi vielu transportēšanai cauri membrānai.

Difūzija-vielu iekļūšana caur membrānu pa koncentrācijas gradientu (no apgabala, kur to koncentrācija ir augstāka, līdz vietai, kur to koncentrācija ir zemāka). Vielu (ūdens, jonu) difūzā transportēšana tiek veikta, piedaloties membrānas olbaltumvielām, kurām ir molekulāras poras, vai ar lipīdu fāzes līdzdalību (taukos šķīstošām vielām).

Ar atvieglotu difūzijuīpaši membrānas transporta proteīni selektīvi saistās ar vienu vai otru jonu vai molekulu un transportē tos pa membrānu pa koncentrācijas gradientu.

Aktīvs transports ietver enerģijas izmaksas un kalpo vielu transportēšanai pret to koncentrācijas gradientu. Viņš ko veic īpaši nesējproteīni, kas veido t.s jonu sūkņi. Visvairāk pētīts ir Na - / K - sūknis dzīvnieku šūnās, kas aktīvi izsūknē Na + jonus, vienlaikus absorbējot K - jonus. Pateicoties tam, šūnā tiek uzturēta augstāka K - koncentrācija un zemāka Na + koncentrācija, salīdzinot ar vidi. Šim procesam nepieciešama ATP enerģija.

Aktīvās transportēšanas rezultātā, izmantojot membrānas sūkni šūnā, tiek regulēta arī Mg 2- un Ca 2+ koncentrācija.

Aktīvās jonu transportēšanas procesā šūnā caur citoplazmas membrānu iekļūst dažādi cukuri, nukleotīdi un aminoskābes.

Olbaltumvielu makromolekulas, nukleīnskābes, polisaharīdi, lipoproteīnu kompleksi utt., atšķirībā no joniem un monomēriem, neiziet cauri šūnu membrānām. Makromolekulu, to kompleksu un daļiņu transportēšana šūnā notiek pavisam citādā veidā – caur endocitozi. Plkst endocitoze (endo...- uz iekšu) noteikta plazmlemmas zona uztver un it kā apņem ārpusšūnu materiālu, iekļaujot to membrānas vakuolā, kas rodas membrānas invaginācijas rezultātā. Pēc tam šāda vakuola savienojas ar lizosomu, kuras fermenti sadala makromolekulas monomēros.

Endocitozes apgrieztais process ir eksocitoze (ekso...- ārā). Pateicoties tam, šūna izvada intracelulāros produktus vai nesagremotos atlikumus, kas atrodas vakuolos vai pu-

zyryki. Pūslītis tuvojas citoplazmas membrānai, saplūst ar to, un tās saturs izdalās vidē. Tādā veidā tiek izvadīti gremošanas enzīmi, hormoni, hemiceluloze utt.

Tādējādi bioloģiskās membrānas kā galvenie šūnas strukturālie elementi kalpo ne tikai kā fiziskas robežas, bet ir dinamiskas funkcionālas virsmas. Uz organellu membrānām notiek neskaitāmi bioķīmiski procesi, piemēram, vielu aktīva uzsūkšanās, enerģijas pārvēršana, ATP sintēze u.c.

Bioloģisko membrānu funkcijasšādi:

Tie norobežo šūnas saturu no ārējās vides un organellu saturu no citoplazmas.

Tie nodrošina vielu transportēšanu uz šūnu un no tās, no citoplazmas uz organellām un otrādi.

Darbojas kā receptori (saņem un pārvērš ķīmiskās vielas no vides, atpazīst šūnu vielas utt.).

Tie ir katalizatori (nodrošina gandrīz membrānas ķīmiskos procesus).

Piedalīties enerģijas pārveidē.

Bioloģiskās membrānas- parastais nosaukums funkcionāli aktīvas virsmas struktūras, kas ierobežo šūnas (šūnu vai plazmas membrānas) un intracelulārās organellas (mitohondriju membrānas, kodoli, lizosomas, endoplazmatiskais tīkls utt.). Tie satur lipīdus, olbaltumvielas, heterogēnas molekulas (glikoproteīnus, glikolipīdus) un, atkarībā no veicamās funkcijas, daudzas nelielas sastāvdaļas: koenzīmus, nukleīnskābes, antioksidantus, karotinoīdus, neorganiskos jonus utt.

Membrānas sistēmu – receptoru, enzīmu, transporta mehānismu – koordinēta darbība palīdz uzturēt šūnu homeostāzi un tajā pašā laikā ātri reaģēt uz ārējās vides izmaiņām.

UZ bioloģisko membrānu pamatfunkcijas var attiecināt:

· šūnas atdalīšana no apkārtējās vides un intracelulāro nodalījumu (nodalījumu) veidošanās;

· kontrolēt un regulēt ļoti dažādu vielu transportēšanu caur membrānām;

· līdzdalība starpšūnu mijiedarbības nodrošināšanā, signālu pārraidē šūnā;

pārtikas enerģijas pārveide organiskās vielas enerģijā ķīmiskās saites ATP molekulas.

Plazmas (šūnu) membrānas molekulārā organizācija visās šūnās ir aptuveni vienāda: tā sastāv no diviem lipīdu molekulu slāņiem ar daudzām specifiskām olbaltumvielām. Dažiem membrānas proteīniem ir fermentatīvā aktivitāte, bet citi saista barības vielas no vides un transportē tās šūnā cauri membrānām. Membrānas proteīni atšķiras pēc to savienojuma ar membrānas struktūrām. Dažas olbaltumvielas sauc ārējo vai perifēro , ir brīvi saistīti ar membrānas virsmu, citi, saukti iekšēja vai neatņemama , iegremdēts membrānas iekšpusē. Perifērās olbaltumvielas ir viegli ekstrahējamas, savukārt integrālās olbaltumvielas var izolēt tikai, izmantojot mazgāšanas līdzekļus vai organiskos šķīdinātājus. Attēlā 4. attēlā parādīta plazmas membrānas struktūra.

Daudzu šūnu ārējās jeb plazmas membrānas, kā arī intracelulāro organellu membrānas, piemēram, mitohondriji, hloroplasti, tika izolētas brīvā formā un pētīts to molekulārais sastāvs. Visas membrānas satur polāros lipīdus daudzumos, kas svārstās no 20 līdz 80% no to masas, atkarībā no membrānas veida pārējais galvenokārt ir olbaltumvielas. Tādējādi dzīvnieku šūnu plazmas membrānās olbaltumvielu un lipīdu daudzums, kā likums, ir aptuveni vienāds; iekšējā mitohondriju membrāna satur apmēram 80% olbaltumvielu un tikai 20% lipīdu, un smadzeņu šūnu mielīna membrānas, gluži pretēji, satur aptuveni 80% lipīdu un tikai 20% olbaltumvielu.

Rīsi. 4. Plazmas membrānas uzbūve

Membrānas lipīdu daļa ir maisījums dažāda veida polārie lipīdi. Polārie lipīdi, kas ietver fosfoglicerolipīdus, sfingolipīdus un glikolipīdus, netiek uzglabāti tauku šūnās, bet tiek integrēti šūnu membrānās un stingri noteiktās proporcijās.

Visi polārie lipīdi membrānās tiek pastāvīgi atjaunoti vielmaiņas laikā, ar normāli apstākļišūnā tiek izveidots dinamisks stacionārs stāvoklis, kurā lipīdu sintēzes ātrums ir vienāds ar to sabrukšanas ātrumu.

Dzīvnieku šūnu membrānās galvenokārt ir fosfoglicerolipīdi un mazākā mērā sfingolipīdi; triacilglicerīni ir atrodami tikai nelielā daudzumā. Dažas dzīvnieku šūnu membrānas, īpaši ārējā plazmas membrāna, satur ievērojamu daudzumu holesterīna un tā esteru (5. att.).

5. att. Membrānas lipīdi

Pašlaik vispārpieņemtais membrānas struktūras modelis ir šķidruma mozaīkas modelis, ko 1972. gadā ierosināja S. Singers un Dž. Nikolsons.

Saskaņā ar to olbaltumvielas var pielīdzināt aisbergiem, kas peld lipīdu jūrā. Kā minēts iepriekš, ir divu veidu membrānas proteīni: integrālie un perifērie. Integrālie proteīni iekļūst caur membrānu; amfipātiskās molekulas. Perifērās olbaltumvielas neiekļūst membrānā un ir mazāk cieši saistītas ar to. Galvenā nepārtrauktā membrānas daļa, tas ir, tās matrica, ir polārais lipīdu divslānis. Normālā šūnu temperatūrā matrica atrodas šķidrā stāvoklī, ko nodrošina noteikta attiecība starp piesātinātajām un nepiesātinātajām taukskābēm polāro lipīdu hidrofobās astēs.

Šķidruma-mozaīkas modelis arī pieņem, ka uz membrānā esošo integrālo proteīnu virsmas ir aminoskābju atlikumu R-grupas (galvenokārt hidrofobās grupas, kuru dēļ olbaltumvielas it kā “izšķīst” divslāņu centrālajā hidrofobajā daļā. ). Tajā pašā laikā uz perifēro jeb ārējo proteīnu virsmas galvenokārt atrodas hidrofilās R-grupas, kuras elektrostatisko spēku ietekmē piesaista lipīdu hidrofilās lādētās polārās galvas. Integrālie proteīni, kas ietver enzīmus un transporta proteīnus, ir aktīvi tikai tad, ja tie atrodas divslāņu hidrofobās daļas iekšpusē, kur iegūst aktivitātes izpausmei nepieciešamo telpisko konfigurāciju (6. att.). Vēlreiz jāuzsver, ka kovalentās saites neveidojas ne starp divslāņa molekulām, ne starp olbaltumvielām un divslāņa lipīdiem.

6. att. Membrānas proteīni

Membrānas proteīni var brīvi pārvietoties sānu plaknē. Perifērās olbaltumvielas burtiski peld uz divslāņu “jūras” virsmas, savukārt integrālie proteīni, piemēram, aisbergi, ir gandrīz pilnībā iegremdēti ogļūdeņraža slānī.

Lielākoties membrānas ir asimetriskas, tas ir, tām ir nevienlīdzīgas malas. Šī asimetrija izpaužas šādi:

· pirmkārt, ka baktēriju un dzīvnieku šūnu plazmas membrānu iekšējās un ārējās puses atšķiras pēc polāro lipīdu sastāva. Piemēram, cilvēka eritrocītu membrānu iekšējais lipīdu slānis satur galvenokārt fosfatidiletanolamīnu un fosfatidilserīnu, bet ārējais slānis satur fosfatidilholīnu un sfingomielīnu.

Otrkārt, dažas transporta sistēmas membrānās darbojas tikai vienā virzienā. Piemēram, eritrocītu membrānās ir transporta sistēma (“sūknis”), kas ATP hidrolīzes laikā izdalītās enerģijas dēļ no šūnas izsūknē Na + jonus vidē, bet šūnā K + jonus.

Treškārt, plazmas membrānu ārējā virsma satur ļoti liels skaits oligosaharīdu grupas, kas ir glikoproteīnu glikolipīdu galvas un oligosaharīdu sānu ķēdes, savukārt plazmas membrānas iekšējā virsmā oligosaharīdu grupu praktiski nav.

Bioloģisko membrānu asimetrija tiek saglabāta tāpēc, ka atsevišķu fosfolipīdu molekulu pārnešana no vienas lipīdu divslāņa puses uz otru ir ļoti sarežģīta enerģijas apsvērumu dēļ. Polārā lipīdu molekula spēj brīvi pārvietoties savā divslāņu pusē, bet tai ir ierobežota spēja pārlēkt uz otru pusi.

Lipīdu mobilitāte ir atkarīga no esošo nepiesātināto taukskābju relatīvā satura un veida. Taukskābju ķēžu ogļūdeņraža raksturs nodrošina membrānas plūstamības un mobilitātes īpašības. Cis-nepiesātināto taukskābju klātbūtnē kohēzijas spēki starp ķēdēm ir vājāki nekā tikai piesātināto taukskābju gadījumā, un lipīdi saglabā augstu mobilitāti pat zemā temperatūrā.

Membrānu ārpusē ir specifiski atpazīšanas reģioni, kuru funkcija ir atpazīt noteiktus molekulāros signālus. Piemēram, caur membrānu dažas baktērijas uztver nelielas barības vielas koncentrācijas izmaiņas, kas stimulē to kustību uz barības avotu; šo fenomenu sauc ķemotakss.

Dažādu šūnu un intracelulāro organellu membrānām ir noteikta specifika to struktūras, ķīmiskā sastāva un funkciju dēļ. Eikariotu organismos izšķir šādas galvenās membrānu grupas:

plazmas membrāna (ārējā šūnu membrāna, plasmalemma),

· kodola membrāna,

endoplazmatiskais tīkls,

Golgi aparāta membrānas, mitohondriji, hloroplasti, mielīna apvalki,

uzbudināmas membrānas.

Prokariotu organismos papildus plazmas membrānai ir intracitoplazmas membrānas veidojumi heterotrofiskajos prokariotos tos sauc mezosomas. Pēdējās veidojas ārējās šūnas membrānas invaginācijas rezultātā un dažos gadījumos saglabā kontaktu ar to.

Sarkano asins šūnu membrāna sastāv no olbaltumvielām (50%), lipīdiem (40%) un ogļhidrātiem (10%). Lielākā daļa ogļhidrātu (93%) ir saistīti ar olbaltumvielām, pārējie ar lipīdiem. Membrānā lipīdi ir izvietoti asimetriski, atšķirībā no simetriskā izvietojuma micellās. Piemēram, cefalīns galvenokārt atrodas iekšējā lipīdu slānī. Šī asimetrija acīmredzot tiek saglabāta fosfolipīdu šķērsvirziena kustības dēļ membrānā, ko veic ar membrānas proteīnu palīdzību, un vielmaiņas enerģijas dēļ. Eritrocītu membrānas iekšējais slānis satur galvenokārt sfingomielīnu, fosfatidiletanolamīnu, fosfatidilserīnu, bet ārējais slānis satur fosfatidilholīnu. Sarkano asins šūnu membrāna satur neatņemamu glikoproteīnu glikoforīns, kas sastāv no 131 aminoskābju atlikumiem un iekļūst membrānā, un tā saukto joslas 3 proteīnu, kas sastāv no 900 aminoskābju atlikumiem. Glikoforīna ogļhidrātu komponenti pilda gripas vīrusu, fitohemaglutinīnu un vairāku hormonu receptoru funkciju. Vēl viens neatņemams proteīns tika atrasts eritrocītu membrānā, kas satur maz ogļhidrātu un iekļūst membrānā. Viņi viņu sauc tuneļa proteīns(komponents a), jo tiek pieņemts, ka tas veido kanālu anjoniem. Perifērs proteīns, kas saistīts ar eritrocītu membrānas iekšējo pusi, ir spektrīns.

Mielīna membrānas , kas aptver neironu aksonus, ir daudzslāņaini, tie satur liels skaits lipīdi (apmēram 80%, puse no tiem ir fosfolipīdi). Šo membrānu olbaltumvielas ir svarīgas pārklājošo membrānu sāļu fiksēšanai.

Hloroplastu membrānas. Hloroplasti ir pārklāti ar divslāņu membrānu. Ārējai membrānai ir dažas līdzības ar mitohondriju membrānu. Papildus šai virsmas membrānai hloroplastiem ir iekšējā membrānas sistēma - lameles. Lameles veido vai nu saplacinātus pūslīšus - tilakoīdus, kas, atrodoties viens virs otra, tiek savākti pakās (granās), vai arī veido stromas membrānu sistēmu (stromas lameles). Grana un stromas lameles tilakoīda membrānas ārējā pusē ir koncentrētas hidrofilas grupas, galakto- un sulfolipīdi. Hlorofila molekulas fitola daļa ir iegremdēta globulā un saskaras ar olbaltumvielu un lipīdu hidrofobajām grupām. Hlorofila porfirīna kodoli galvenokārt atrodas starp grana tilakoīdu saskarē esošajām membrānām.

Baktēriju iekšējā (citoplazmas) membrāna tā struktūra ir līdzīga hloroplastu un mitohondriju iekšējām membrānām. Tajā lokalizēti elpošanas ķēdes un aktīvā transporta enzīmi; enzīmi, kas iesaistīti membrānas komponentu veidošanā. Baktēriju membrānu dominējošā sastāvdaļa ir olbaltumvielas: olbaltumvielu/lipīdu attiecība (pēc svara) ir 3:1. Gramnegatīvo baktēriju ārējā membrāna, salīdzinot ar citoplazmas membrānu, satur mazāku daudzumu dažādu fosfolipīdu un olbaltumvielu. Abas membrānas atšķiras pēc lipīdu sastāva. Ārējā membrāna satur olbaltumvielas, kas veido poras daudzu mazmolekulāru vielu iekļūšanai. Ārējās membrānas raksturīga sastāvdaļa ir arī specifisks lipopolisaharīds. Vairāki ārējās membrānas proteīni kalpo kā fāgu receptori.

Vīrusa membrāna. Starp vīrusiem membrānas struktūras ir raksturīgas tiem, kas satur nukleokapsīdu, kas sastāv no olbaltumvielām un nukleīnskābe. Šo vīrusu “kodolu” ieskauj membrāna (aploksne). Tas sastāv arī no lipīdu divslāņa ar iegultiem glikoproteīniem, kas atrodas galvenokārt uz membrānas virsmas. Vairākos vīrusos (mikrovīrusos) 70-80% no visiem proteīniem ir ietverti nukleokapsīdā.

Tādējādi šūnu membrānas ir ļoti sarežģītas struktūras; to veidojošie molekulārie kompleksi veido sakārtotu divdimensiju mozaīku, kas membrānas virsmai piešķir bioloģisko specifiku.

Šūnu membrāna

Šūnas membrānas attēls. Mazās zilās un baltās bumbiņas atbilst fosfolipīdu hidrofobām galvām, un tām pievienotās līnijas atbilst hidrofilajām astēm. Attēlā parādīti tikai integrālie membrānas proteīni (sarkanās lodītes un dzeltenās spirāles). Dzelteni ovāli punkti membrānas iekšpusē - holesterīna molekulas Dzeltenzaļas lodīšu ķēdes membrānas ārpusē - oligosaharīdu ķēdes, kas veido glikokaliksu

Bioloģiskā membrāna ietver arī dažādus proteīnus: integrālo (iekļūst membrānā cauri), pusintegrālo (vienā galā iegremdēts ārējā vai iekšējā lipīdu slānī), virsmas (atrodas ārējā vai blakus membrānas iekšējām malām). Daži proteīni ir saskares punkti starp šūnas membrānu un citoskeletu šūnas iekšpusē un šūnas sienu (ja tāda ir) ārpusē. Daži no integrētajiem proteīniem darbojas kā jonu kanāli, dažādi transportētāji un receptori.

Funkcijas

barjera – nodrošina regulētu, selektīvu, pasīvu un aktīvu vielmaiņu ar vidi. Piemēram, peroksisomu membrāna aizsargā citoplazmu no peroksīdiem, kas ir bīstami šūnai. Selektīva caurlaidība nozīmē, ka membrānas caurlaidība pret dažādiem atomiem vai molekulām ir atkarīga no to izmēra, elektriskā lādiņa un ķīmiskās īpašības. Selektīvā caurlaidība nodrošina šūnu un šūnu nodalījumu atdalīšanu no apkārtējās vides un apgādā tos ar nepieciešamajām vielām.
transportēšana – vielu transportēšana šūnā un ārā no tās notiek caur membrānu. Transports caur membrānām nodrošina: barības vielu piegādi, vielmaiņas galaproduktu izvadīšanu, dažādu vielu sekrēciju, jonu gradientu veidošanu, optimālu jonu koncentrāciju uzturēšanu šūnā, kas nepieciešama šūnu enzīmu funkcionēšanai.
Daļiņas, kuras jebkāda iemesla dēļ nespēj šķērsot fosfolipīdu divslāni (piemēram, hidrofilo īpašību dēļ, jo iekšpusē esošā membrāna ir hidrofoba un neļauj hidrofilām vielām iziet cauri, vai to lielā izmēra dēļ), bet ir nepieciešamas šūnai , var iekļūt membrānā caur īpašiem nesējproteīniem (transporteriem) un kanālu proteīniem vai ar endocitozi.
Pasīvā transportā vielas šķērso lipīdu divslāni, neiztērējot enerģiju pa koncentrācijas gradientu difūzijas ceļā. Šī mehānisma variants ir atvieglota difūzija, kurā noteikta molekula palīdz vielai iziet cauri membrānai. Šai molekulai var būt kanāls, kas ļauj iziet cauri tikai viena veida vielām.
Aktīvajam transportam ir nepieciešama enerģija, jo tas notiek pret koncentrācijas gradientu. Uz membrānas atrodas speciāli sūkņa proteīni, tostarp ATPāze, kas aktīvi sūknē kālija jonus (K+) šūnā un izsūknē no tās nātrija jonus (Na+).
matrica - nodrošina membrānas proteīnu noteiktu relatīvo stāvokli un orientāciju, to optimālo mijiedarbību.
mehānisks - nodrošina šūnas autonomiju, tās intracelulārās struktūras, kā arī saikni ar citām šūnām (audos). Šūnu sieniņām ir liela nozīme mehāniskās funkcijas nodrošināšanā, bet dzīvniekiem – starpšūnu vielai.
enerģija - fotosintēzes laikā hloroplastos un šūnu elpošanā mitohondrijās to membrānās darbojas enerģijas pārneses sistēmas, kurās piedalās arī olbaltumvielas;
receptors - daži proteīni, kas atrodas membrānā, ir receptori (molekulas, ar kuru palīdzību šūna uztver noteiktus signālus).
Piemēram, hormoni, kas cirkulē asinīs, iedarbojas tikai uz mērķa šūnām, kurām ir šiem hormoniem atbilstoši receptori. Neirotransmiteri ( ķīmiskās vielas, nodrošinot nervu impulsu vadīšanu) arī saistās ar mērķa šūnu īpašiem receptoru proteīniem.
fermentatīvie - membrānas proteīni bieži ir fermenti. Piemēram, zarnu epitēlija šūnu plazmas membrānas satur gremošanas enzīmus.
biopotenciālu ģenerēšanas un vadīšanas īstenošana.
Ar membrānas palīdzību šūnā tiek uzturēta nemainīga jonu koncentrācija: K+ jona koncentrācija šūnā ir daudz augstāka nekā ārpusē, un Na+ koncentrācija ir daudz zemāka, kas ir ļoti svarīgi, jo tas nodrošina potenciālu starpības uzturēšana uz membrānas un nervu impulsa radīšana.
šūnu marķēšana - uz membrānas ir antigēni, kas darbojas kā marķieri - "etiķetes", kas ļauj identificēt šūnu. Tie ir glikoproteīni (tas ir, olbaltumvielas ar tiem pievienotām sazarotām oligosaharīdu sānu ķēdēm), kas spēlē "antenu" lomu. Pateicoties neskaitāmajām sānu ķēdes konfigurācijām, katram šūnu tipam ir iespējams izveidot īpašu marķieri. Ar marķieru palīdzību šūnas var atpazīt citas šūnas un darboties ar tām saskaņoti, piemēram, veidojot orgānus un audus. Tas arī ļauj imūnsistēmai atpazīt svešus antigēnus.

Biomembrānu uzbūve un sastāvs

Membrānas sastāv no trīs lipīdu klasēm: fosfolipīdiem, glikolipīdiem un holesterīna. Fosfolipīdi un glikolipīdi (lipīdi ar pievienotiem ogļhidrātiem) sastāv no divām garām hidrofobām ogļūdeņražu astēm, kas ir savienotas ar uzlādētu hidrofilu galvu. Holesterīns piešķir membrānai stingrību, aizņemot brīvo vietu starp lipīdu hidrofobajām astēm un neļaujot tām saliekties. Tāpēc membrānas ar zemu holesterīna saturu ir elastīgākas, bet tās ar augstu holesterīna saturu ir stingrākas un trauslākas. Holesterīns kalpo arī kā “aizbāznis”, kas neļauj polārajām molekulām pārvietoties no šūnas uz šūnu. Svarīga membrānas daļa sastāv no olbaltumvielām, kas tajā iekļūst un ir atbildīgas par dažādām membrānu īpašībām. To sastāvs un orientācija dažādās membrānās atšķiras.

Šūnu membrānas bieži ir asimetriskas, tas ir, slāņi atšķiras pēc lipīdu sastāva, atsevišķas molekulas pārejas no viena slāņa uz otru (t.s. flip flop) ir grūti.

Membrānas organoīdi

Tās ir slēgtas atsevišķas vai savstarpēji saistītas citoplazmas sadaļas, kuras no hialoplazmas atdala membrānas. Vienas membrānas organellās ietilpst endoplazmatiskais tīkls, Golgi aparāts, lizosomas, vakuoli, peroksisomas; uz dubultām membrānām - kodolu, mitohondrijiem, plastidiem. Dažādu organellu membrānu struktūra atšķiras pēc lipīdu un membrānas proteīnu sastāva.

Selektīva caurlaidība

Šūnu membrānām ir selektīva caurlaidība: caur tām lēnām izkliedējas glikoze, aminoskābes, taukskābes, glicerīns un joni, un pašas membrānas zināmā mērā aktīvi regulē šo procesu - dažas vielas iziet cauri, bet citas ne. Ir četri galvenie mehānismi vielu iekļūšanai šūnā vai to izvadīšanai no šūnas uz āru: difūzija, osmoze, aktīvā transportēšana un ekso- vai endocitoze. Pirmie divi procesi pēc būtības ir pasīvi, tas ir, tiem nav nepieciešama enerģija; pēdējie divi ir aktīvi procesi, kas saistīti ar enerģijas patēriņu.

Membrānas selektīvā caurlaidība pasīvās transportēšanas laikā ir saistīta ar īpašiem kanāliem - integrētiem proteīniem. Tie iekļūst membrānā tieši cauri, veidojot sava veida eju. Elementiem K, Na un Cl ir savi kanāli. Salīdzinot ar koncentrācijas gradientu, šo elementu molekulas pārvietojas šūnā un no tās. Kaiirinājuma gadījumā atveras nātrija jonu kanāli un pēkšņs nātrija jonu pieplūdums šūnā. Šajā gadījumā rodas membrānas potenciāla nelīdzsvarotība. Pēc tam membrānas potenciāls tiek atjaunots. Kālija kanāli vienmēr ir atvērti, ļaujot kālija joniem lēnām iekļūt šūnā.

Skatīt arī

Literatūra

Antonovs V.F., Smirnova E.N., Ševčenko E.V. Lipīdu membrānas fāzu pāreju laikā. - M.: Zinātne, 1994.
Dženss R. Biomembrānas. Molekulārā struktūra un funkcijas: tulkojums no angļu valodas. = Biomembrānas. Molekulārā struktūra un funkcija (autors Roberts B. Gennis). - 1. izdevums. - M.: Mir, 1997. - ISBN 5-03-002419-0
Ivanovs V. G., Berestovskis T. N. Bioloģisko membrānu lipīdu divslāņu slānis. - M.: Nauka, 1982. gads.
Rubīns A. B. Biofizika, mācību grāmata 2 sēj. - 3. izdevums, labots un paplašināts. - M.: Maskavas Universitātes izdevniecība, 2004. -

Šūnu membrāna (plazmas membrāna) ir plāna, daļēji caurlaidīga membrāna, kas ieskauj šūnas.

Šūnu membrānas funkcija un loma

Tās funkcija ir aizsargāt interjera integritāti, ļaujot dažiem nepieciešamās vielas būrī, un neļaujot citiem iekļūt.

Tas kalpo arī par pamatu pieķeršanās dažiem organismiem un citiem. Tādējādi plazmas membrāna nodrošina arī šūnas formu. Vēl viena membrānas funkcija ir regulēt šūnu augšanu, izmantojot līdzsvaru un.

Endocitozes gadījumā lipīdi un olbaltumvielas tiek noņemtas no šūnu membrānas, jo vielas tiek absorbētas. Eksocitozes laikā vezikulas, kas satur lipīdus un olbaltumvielas, saplūst ar šūnu membrānu, palielinot šūnu izmēru. , un sēnīšu šūnām ir plazmas membrānas. Iekšējās, piemēram, arī ir ietvertas aizsargmembrānās.

Šūnu membrānas struktūra

Plazmas membrāna galvenokārt sastāv no olbaltumvielu un lipīdu maisījuma. Atkarībā no membrānas atrašanās vietas un lomas organismā lipīdi var veidot 20 līdz 80 procentus no membrānas, bet pārējā daļa ir olbaltumvielas. Lai gan lipīdi palīdz nodrošināt membrānas elastību, olbaltumvielas kontrolē un uztur ķīmiskais sastāvsšūnas, kā arī palīdz transportēt molekulas cauri membrānai.

Membrānas lipīdi

Fosfolipīdi ir galvenā plazmas membrānu sastāvdaļa. Tie veido lipīdu divslāņu slāni, kurā hidrofilie (ūdens piesaistītie) galvas reģioni spontāni organizējas, lai tie būtu vērsti pret ūdens citozolu un ārpusšūnu šķidrumu, savukārt hidrofobie (ūdeni atgrūdoši) astes reģioni ir vērsti prom no citozola un ārpusšūnu šķidruma. Lipīdu divslānis ir daļēji caurlaidīgs, ļaujot tikai dažām molekulām izkliedēties pa membrānu.

Holesterīns ir vēl viena dzīvnieku šūnu membrānu lipīdu sastāvdaļa. Holesterīna molekulas ir selektīvi izkliedētas starp membrānas fosfolipīdiem. Tas palīdz saglabāt šūnu membrānu stingrību, neļaujot fosfolipīdiem pārāk cieši sablīvēt kopā. Augu šūnu membrānās holesterīna nav.

Glikolipīdi atrodas uz šūnu membrānu ārējās virsmas un ir ar tiem savienoti ar ogļhidrātu ķēdi. Tie palīdz šūnai atpazīt citas ķermeņa šūnas.

Membrānas proteīni

Šūnu membrāna satur divu veidu saistītos proteīnus. Perifērās membrānas proteīni ir ārēji un ir saistīti ar to, mijiedarbojoties ar citiem proteīniem. Integrālie membrānas proteīni tiek ievadīti membrānā un lielākā daļa iziet cauri. Šo transmembrānu proteīnu daļas atrodas abās tā pusēs.

Plazmas membrānas proteīniem ir vairākas dažādas funkcijas. Strukturālie proteīni nodrošina šūnu atbalstu un formu. Membrānas receptoru proteīni palīdz šūnām sazināties ar savām ārējā vide ar hormonu, neirotransmiteru un citu signalizācijas molekulu palīdzību. Transporta proteīni, piemēram, globulārie proteīni, transportē molekulas cauri šūnu membrānām, atvieglojot difūziju. Glikoproteīniem ir pievienota ogļhidrātu ķēde. Tie ir iestrādāti šūnu membrānā, palīdzot molekulu apmaiņā un transportēšanā.

Organellu membrānas

Dažas šūnu organellas ieskauj arī aizsargājošas membrānas. kodols,

Šūnu membrāna ir īpaši plāna plēve uz šūnas vai šūnu organellas virsmas, kas sastāv no bimolekulāra lipīdu slāņa ar iegultiem proteīniem un polisaharīdiem.

Membrānas funkcijas:

· Barjers – nodrošina regulētu, selektīvu, pasīvu un aktīvu vielmaiņu ar vidi. Piemēram, peroksisomu membrāna aizsargā citoplazmu no peroksīdiem, kas ir bīstami šūnai. Selektīva caurlaidība nozīmē, ka membrānas caurlaidība pret dažādiem atomiem vai molekulām ir atkarīga no to lieluma, elektriskais lādiņš un ķīmiskās īpašības. Selektīvā caurlaidība nodrošina šūnu un šūnu nodalījumu atdalīšanu no apkārtējās vides un apgādā tos ar nepieciešamajām vielām.
· Transports – vielu transportēšana šūnā un ārā no tās notiek caur membrānu. Transports caur membrānām nodrošina: barības vielu piegādi, vielmaiņas galaproduktu izvadīšanu, dažādu vielu sekrēciju, jonu gradientu izveidi, optimāla pH un jonu koncentrācijas uzturēšanu šūnā, kas nepieciešamas šūnu enzīmu funkcionēšanai. Daļiņas, kuras jebkāda iemesla dēļ nespēj šķērsot fosfolipīdu divslāni (piemēram, hidrofilo īpašību dēļ, jo iekšpusē esošā membrāna ir hidrofoba un neļauj hidrofilām vielām iziet cauri, vai to lielā izmēra dēļ), bet ir nepieciešamas šūnai , var iekļūt membrānā caur īpašiem nesējproteīniem (transporteriem) un kanālu proteīniem vai ar endocitozi. Pasīvā transportā vielas šķērso lipīdu divslāni, neiztērējot enerģiju pa koncentrācijas gradientu difūzijas ceļā. Šī mehānisma variants ir atvieglota difūzija, kurā noteikta molekula palīdz vielai iziet cauri membrānai. Šai molekulai var būt kanāls, kas ļauj iziet cauri tikai viena veida vielām. Aktīvajam transportam ir nepieciešama enerģija, jo tas notiek pret koncentrācijas gradientu. Uz membrānas ir īpaši sūkņa proteīni, tostarp ATPāze, kas aktīvi sūknē kālija jonus (K +) šūnā un izsūknē no tās nātrija jonus (Na +).
· matrica - nodrošina membrānas proteīnu noteiktu relatīvo stāvokli un orientāciju, to optimālo mijiedarbību.
· mehāniski – nodrošina šūnas autonomiju, tās intracelulārās struktūras, kā arī saikni ar citām šūnām (audos). Šūnu sieniņām ir liela nozīme mehāniskās funkcijas nodrošināšanā, bet dzīvniekiem – starpšūnu vielai.
· enerģija - fotosintēzes laikā hloroplastos un šūnu elpošanā mitohondrijās to membrānās darbojas enerģijas pārneses sistēmas, kurās piedalās arī olbaltumvielas;
· receptors - daži proteīni, kas atrodas membrānā, ir receptori (molekulas, ar kuru palīdzību šūna uztver noteiktus signālus). Piemēram, hormoni, kas cirkulē asinīs, iedarbojas tikai uz mērķa šūnām, kurām ir šiem hormoniem atbilstoši receptori. Neirotransmiteri (ķimikālijas, kas nodrošina nervu impulsu vadīšanu) saistās arī ar īpašiem receptoru proteīniem mērķa šūnās.
· fermentatīvie – membrānas proteīni bieži vien ir fermenti. Piemēram, zarnu epitēlija šūnu plazmas membrānas satur gremošanas enzīmus.
· biopotenciālu ģenerēšanas un vadīšanas īstenošana. Ar membrānas palīdzību šūnā tiek uzturēta nemainīga jonu koncentrācija: K + jona koncentrācija šūnā ir daudz augstāka nekā ārpusē, un Na + koncentrācija ir daudz zemāka, kas ir ļoti svarīgi, jo tas nodrošina potenciālu starpības saglabāšanu uz membrānas un nervu impulsa veidošanos.
· šūnu marķēšana – uz membrānas ir antigēni, kas darbojas kā marķieri – “etiķetes”, kas ļauj identificēt šūnu. Tie ir glikoproteīni (tas ir, olbaltumvielas ar tiem pievienotām sazarotām oligosaharīdu sānu ķēdēm), kas spēlē "antenu" lomu. Pateicoties neskaitāmajām sānu ķēdes konfigurācijām, katram šūnu tipam ir iespējams izveidot īpašu marķieri. Ar marķieru palīdzību šūnas var atpazīt citas šūnas un darboties ar tām saskaņoti, piemēram, veidojot orgānus un audus. Tas arī ļauj imūnsistēmai atpazīt svešus antigēnus.

Dažas olbaltumvielu molekulas brīvi izkliedējas lipīdu slāņa plaknē; normālā stāvoklī olbaltumvielu molekulu daļas, kas iziet līdzi dažādas pusesšūnu membrānas nemaina savu stāvokli.

Šūnu membrānu īpašā morfoloģija nosaka to elektriskās īpašības, starp kuriem vissvarīgākie ir kapacitāte un vadītspēja.

Kapacitatīvās īpašības galvenokārt nosaka fosfolipīdu divslānis, kas ir necaurlaidīgs hidratētiem joniem un tajā pašā laikā pietiekami plāns (apmēram 5 nm), lai nodrošinātu efektīvu lādiņu atdalīšanu un uzglabāšanu, kā arī katjonu un anjonu elektrostatisko mijiedarbību. Turklāt šūnu membrānu kapacitatīvās īpašības ir viens no iemesliem, kas nosaka šūnu membrānās notiekošo elektrisko procesu laika raksturlielumus.

Vadītspēja (g) -- abpusēja elektriskā pretestība un vienāds ar kopējās transmembrānas strāvas attiecību konkrētam jonam pret vērtību, kas noteica tā transmembrānas potenciāla starpību.

Var izkliedēties caur fosfolipīdu divslāni dažādas vielas, un caurlaidības pakāpe (P), t.i., šūnas membrānas spēja izlaist šīs vielas, ir atkarīga no difundējošās vielas koncentrāciju atšķirības abās membrānas pusēs, tās šķīdības lipīdos un šūnas īpašībām. membrāna. Uzlādēto jonu difūzijas ātrumu nemainīga lauka apstākļos membrānā nosaka jonu kustīgums, membrānas biezums un jonu sadalījums membrānā. Neelektrolītiem membrānas caurlaidība neietekmē tās vadītspēju, jo neelektrolīti nenes lādiņus, t.i., tie nevar pārvadāt elektrisko strāvu.

Membrānas vadītspēja ir tās jonu caurlaidības mērs. Vadītspējas palielināšanās norāda uz to jonu skaita palielināšanos, kas iet caur membrānu.

Svarīga bioloģisko membrānu īpašība ir plūstamība. Visas šūnu membrānas ir mobilas šķidruma struktūras: lielākā daļa to lipīdu un olbaltumvielu molekulu spēj diezgan ātri pārvietoties membrānas plaknē.