Что такое наружная мембрана в биологии определение. Клеточная мембрана: строение и функции. Строение клеточной мембраны

Ни для кого не секрет, что все живые существа на нашей планете состоят их клеток, этих бесчисленных « » органической материи. Клетки же в свою очередь окружены специальной защитной оболочкой – мембраной, играющей очень важную роль в жизнедеятельности клетки, причем функции клеточной мембраны не ограничиваются только лишь защитой клетки, а представляют собой сложнейший механизм, участвующий в размножении, питании, регенерации клетки.

Что такое клеточная мембрана

Само слово «мембрана» с латыни переводится как «пленка», хотя мембрана представляет собой не просто своего роду пленку, в которую обернута клетка, а совокупность двух пленок, соединенных между собой и обладающих различными свойствами. На самом деле клеточная мембрана это трехслойная липопротеиновая (жиро-белковая) оболочка, отделяющая каждую клетку от соседних клеток и окружающей среды, и осуществляющая управляемый обмен между клетками и окружающей средой, так звучит академическое определение того что, представляет собой клеточная мембрана.

Значение мембраны просто огромно, ведь она не просто отделяет одну клетку от другой, но и обеспечивает взаимодействие клетки, как с другими клетками, так и окружающей средой.

История исследования клеточной мембраны

Важный вклад в исследование клеточной мембраны был сделан двумя немецкими учеными Гортером и Гренделем в далеком 1925 году. Именно тогда им удалось провести сложный биологический эксперимент над красными кровяными тельцами – эритроцитами, в ходе которых ученые получили так званые «тени», пустые оболочки эритроцитов, которые сложили в одну стопку и измерили площадь поверхности, а также вычислили количество липидов в них. На основании полученного количества липидов ученые пришли к выводу, что их как раз хватаем на двойной слой клеточной мембраны.

В 1935 году еще одна пара исследователей клеточной мембраны, на этот раз американцы Даниэль и Доусон после целой серии долгих экспериментов установили содержание белка в клеточной мембране. Иначе никак нельзя было объяснить, почему мембрана обладает таким высоким показателем поверхностного натяжения. Ученые остроумно представили модель клеточной мембраны в виде сэндвича, в котором роль хлеба играют однородные липидо-белковые слои, а между ними вместо масла – пустота.

В 1950 году с появлением электронного теорию Даниэля и Доусона удалось подтвердить уже практическими наблюдениями – на микрофотографиях клеточной мембраны были отчетливо видны слои из липидных и белковых головок и также пустое пространство между ними.

В 1960 году американский биолог Дж. Робертсон разработал теорию о трехслойном строении клеточных мембран, которая долгое время считалась единственной верной, но с дальнейшим развитием науки, стали появляться сомнения в ее непогрешимости. Так, например, с точки зрения клеткам было бы сложно и трудозатратно транспортировать необходимые полезные вещества через весь «сэндвич»

И только в 1972 году американские биологи С. Сингер и Г. Николсон смогли объяснить нестыковки теории Робертсона с помощью новой жидкостно-мозаичной модели клеточной мембраны. В частности они установили что клеточная мембрана не однородна по своему составу, более того – ассиметрична и наполнена жидкостью. К тому же клетки пребывают в постоянном движении. А пресловутые белки, которые входят в состав клеточной мембраны имеют разные строения и функции.

Свойства и функции клеточной мембраны

Теперь давайте разберем, какие функции выполняет клеточная мембрана:

Барьерная функция клеточной мембраны – мембрана как самый настоящий пограничник, стоит на страже границ клетки, задерживая, не пропуская вредные или попросту неподходящие молекулы

Транспортная функция клеточной мембраны – мембрана является не только пограничником у ворот клетки, но и своеобразным таможенным пропускным пунктом, через нее постоянно проходит обмен полезными веществами с другими клетками и окружающей средой.

Матричная функция – именно клеточная мембрана определяет расположение относительно друг друга, регулирует взаимодействие между ними.

Механическая функция – отвечает за ограничение одной клетки от другой и параллельно за правильно соединение клеток друг с другом, за формирование их в однородную ткань.

Защитная функция клеточной мембраны является основой для построения защитного щита клетки. В природе примером этой функции может быть твердая древесина, плотная кожура, защитный панцирь у , все это благодаря защитной функции мембраны.

Ферментативная функция – еще одна важная функция, осуществляемая некоторыми белками клетки. Например, благодаря этой функции в эпителии кишечника происходит синтез пищеварительных ферментов.

Также помимо всего этого через клеточную мембрану осуществляется клеточный обмен, который может проходить тремя разными реакциями:

• Фагоцитоз – это клеточный обмен, при котором встроенные в мембрану клетки-фагоциты захватывают и переваривают различные питательные вещества.
• Пиноцитоз – представляет собой процесс захвата мембраной клетки, соприкасающиеся с ней молекулы жидкости. Для этого на поверхности мембраны образуются специальные усики, которые как будто окружают каплю жидкости, образуя пузырек, которые впоследствии «проглатывается» мембраной.
• Экзоцитоз – представляет собой обратный процесс, когда клетка через мембрану выделяет секреторную функциональную жидкость на поверхность.

Строение клеточной мембраны

В клеточной мембране имеются липиды трех классов:

• фосфолипиды (представляются собой комбинацию жиров и ),
• гликолипиды (представляют собой комбинацию жиров и углеводов),
• холестерол.

Фосфолипиды и гликолипиды в свою очередь состоят из гидрофильной головки, в которую отходят два длинных гидрофобных хвостика. Холестерол же занимает пространство между этими хвостиками, не давая им изгибаться, все это в некоторых случаях делает мембрану определенных клеток весьма жесткой. Помимо всего этого молекулы холестерола упорядочивают структуру клеточной мембраны.

Но как бы там ни было, а самой важной частью строения клеточной мембраны является белок, точнее разные белки, играющие различные важные роли. Несмотря на разнообразие белков содержащихся в мембране есть нечто, что их объединяет – вокруг всех белков мембраны расположены аннулярные липиды. Аннулярные липиды – это особые структурированные жиры, которые служат своеобразной защитной оболочкой для белков, без которой они бы попросту не работали.

Структура клеточной мембраны имеет три слоя: основу клеточной мембраны составляет однородный жидкий билипидный слой. Белки же покрывают его с обеих сторон наподобие мозаики. Именно белки помимо описанных выше функций также играют роль своеобразных каналов, по которым сквозь мембрану проходят вещества, неспособные проникнуть через жидкий слой мембраны. К таким относятся, например, ионы калия и натрия, для их проникновения через мембрану природой предусмотрены специальные ионные каналы клеточных мембран. Иными словами белки обеспечивают проницаемость клеточных мембран.

Если смотреть на клеточную мембрану через микроскоп, мы увидим слой липидов, образованный маленькими шарообразными молекулами по которому плавают словно по морю белки. Теперь вы знаете, какие вещества входят в состав клеточной мембраны.

Клеточная мембрана, видео

И в завершение образовательное видео о клеточной мембране.

Эта статья доступна на английском языке – .

Основная структурная единица живого организма - клетка, являющаяся дифференцированным участком цитоплазмы, окруженным клеточной мембраной. Ввиду того что клетка выполняет множество важнейших функций, таких, как размножение, питание, движение, оболочка должна быть пластичной и плотной.

История открытия и исследования клеточной мембраны

В 1925 году Гренделем и Гордером был поставлен успешный эксперимент по выявлению «теней» эритроцитов, или пустых оболочек. Несмотря на несколько допущенных грубых ошибок, учеными было произведено открытие липидного бислоя. Их труды продолжили Даниэлли, Доусон в 1935 году, Робертсон в 1960 году. В результате многолетней работы и накопления аргументов в 1972 году Сингер и Николсон создали жидкостно-мозаичную модель строения мембраны. Дальнейшие опыты и исследования подтвердили труды ученых.

Значение

Что же представляет собой клеточная мембрана? Это слово стало использоваться более ста лет назад, в переводе с латинского оно означает «пленка», «кожица». Так обозначают границу клетки, являющуюся естественным барьером между внутренним содержимым и внешней средой. Строение клеточной мембраны предполагает полупроницаемость, благодаря которой влага и питательные вещества и продукты распада свободно могут проходить сквозь нее. Эту оболочку можно назвать основной структурной составляющей организации клетки.

Рассмотрим основные функции клеточной мембраны

1. Разделяет внутреннее содержимое клетки и компоненты внешней среды.

2. Способствует поддержанию постоянного химического состава клетки.

3. Регулирует правильный обмен веществ.

4. Обеспечивает взаимосвязь между клетками.

5. Распознает сигналы.

6. Функция защиты.

"Плазменная оболочка"

Наружная клеточная мембрана, называемая также плазменной, представляет собой ультрамикроскопическую пленку, толщина которой составляет от пяти до семи наномиллиметров. Она состоит преимущественно из белковых соединений, фосфолидов, воды. Пленка является эластичной, легко впитывает воду, а также стремительно восстанавливает свою целостность после повреждений.

Отличается универсальным строением. Эта мембрана занимает пограничное положение, участвует в процессе избирательной проницаемости, выведении продуктов распада, синтезирует их. Взаимосвязь с «соседями» и надежная защита внутреннего содержимого от повреждения делает ее важной составляющей в таком вопросе, как строение клетки. Клеточная мембрана животных организмов иногда оказывается покрытой тончайшим слоем - гликокаликсом, в состав которого входят белки и полисахариды. Растительные клетки снаружи от мембраны защищены клеточной стенкой, выполняющей функции опоры и поддержания формы. Основной компонент ее состава - это клетчатка (целлюлоза) - полисахарид, не растворимый в воде.

Таким образом, наружная клеточная мембрана выполняет функцию восстановления, защиты и взаимодействия с другими клетками.

Строение клеточной мембраны

Толщина этой подвижной оболочки варьируется в пределах от шести до десяти наномиллиметров. Клеточная мембрана клетки имеет особый состав, основой которого служит липидный бислой. Гидрофобные хвосты, инертные к воде, размещены с внутренней стороны, в то время как гидрофильные головки, взаимодействующие с водой, обращены наружу. Каждый липид представляет фосфолипид, который является результатом взаимодействия таких веществ, как глицерин и сфингозин. Липидный каркас тесно окружают белки, которые расположены несплошным слоем. Некоторые из них погружены в липидный слой, остальные проходят сквозь него. В результате этого образуются проницаемые для воды участки. Выполняемые этими белками функции различны. Некоторые из них являются ферментами, остальные - транспортными белками, которые переносят различные вещества из внешней среды на цитоплазму и обратно.

Клеточная мембрана насквозь пронизана и тесно связана интегральными белками, а с переферическими связь менее прочная. Эти белки выполняют важную функцию, которая заключается в поддержании структуры мембраны, получении и преобразовании сигналов из окружающей среды, транспорте веществ, катализации реакций, которые происходят на мембранах.

Состав

Основу клеточной мембраны представляет бимолекулярный слой. Благодаря его непрерывности клетка имеет барьерное и механическое свойства. На разных этапах жизнедеятельности данный бислой может нарушиться. Вследствие этого образуются структурные дефекты сквозных гидрофильных пор. В таком случае могут изменяться абсолютно все функции такой составляющей, как клеточная мембрана. Ядро при этом может пострадать от внешних воздействий.

Свойства

Клеточная мембрана клетки имеет интересные особенности. Благодаря текучести эта оболочка не является жесткой структурой, а основная часть белков и липидов, которые входят в ее состав, свободно перемещается на плоскости мембраны.

В целом клеточная мембрана асимметрична, поэтому состав белковых и липидных слоев различается. Плазматические мамбраны в животных клетках со своей наружной стороны имеют гликопротеиновый слой, который выполняет рецепторные и сигнальные функции, а также играет большую роль в процессе объединения клеток в ткань. Клеточная мембрана является полярной, то есть на внешней стороне заряд положителен, а с внутренней стороны - отрицателен. Помимо всего перечисленного, оболочка клетки обладает избирательной проницательностью.

Это означает, что кроме воды в клетку пропускается только определенная группа молекул и ионов растворившихся веществ. Концентрация такого вещества, как натрий, в большинстве клеток значительно ниже, чем во внешней среде. Для ионов калия характерно другое соотношение: их количество в клетке намного выше, чем в окружающей среде. В связи с этим ионам натрия присуще стремление проникнуть в клеточную оболочку, а ионы калия стремятся освободиться наружу. При данных обстоятельствах мембрана активизирует особую систему, выполняющую «насосную» роль, выравнивая концентрацию веществ: ионы натрия откачиваются на поверхность клетки, а ионы калия накачиваются внутрь. Данная особенность входит в важнейшие функции клеточной мембраны.

Подобное стремление ионов натрия и калия переместиться внутрь с поверхности играет большую роль в вопросе транспортировки сахара и аминокислот в клетку. В процессе активного удаления ионов натрия из клетки мембрана создает условия для новых поступлений глюкозы и аминокислот внутрь. Напротив, в процессе переноса ионов калия внутрь клетки пополняется число "транспортировщиков" продуктов распада изнутри клетки во внешнюю среду.

Как происходит питание клетки через клеточную мембрану?

Многие клетки поглощают вещества посредством таких процессов, как фагоцитоз и пиноцитоз. При первом варианте гибкой наружной мембраной создается маленькое углубление, в котором оказывается захватываемая частица. Затем диаметр углубления становится больше, пока окруженная частица не попадет в клеточную цитоплазму. Посредством фагоцитоза подпитываются некоторые простейшие, например амебы, а также кровяные тельца - лейкоциты и фагоциты. Аналогичным образом клетки поглощают жидкость, которая содержит необходимые полезные вещества. Такое являние носит название пиноцитоз.

Наружная мембрана тесно соединена с эндоплазматической сетью клетки.

У многих типов основных составляющих ткани на поверхности мембраны расположены выступы, складки, микроворсинки. Растительные клетки снаружи этой оболочки покрыты еще одной, толстой и отчетливо различимой в микроскоп. Клетчатка, из которой они состоят, помогает формировать опору тканям растительного происхождения, например, древесину. Клетки животных также обладают рядом внешних структур, которые находятся поверх клеточной мембраны. Они носят исключительно защитный характер, пример тому - хитин, содержащийся в покровных клетках насекомых.

Помимо клеточной, существует внутриклеточная мембрана. Ее функция заключается в разделении клетки на несколько специализированных замкнутых отсеков - компартментов или органелл, где должна поддерживаться определенная среда.

Таким образом, невозможно переоценить роль такой составляющей основной единицы живого организма, как клеточная мембрана. Строение и функции предполагают значительное расширение общей площади поверхности клетки, улучшение обменных процессов. В состав этой молекулярной структуры входят белки и липиды. Отделяя клетку от внешней среды, мембрана обеспечивает ее целостность. С ее помощью межклеточные связи поддерживаются на достаточно крепком уровне, образовывая ткани. В связи с этим можно сделать вывод, что одну из важнейших ролей в клетке играет клеточная мембрана. Строение и функции, выполняемые ею, радикально отличаются в различных клетках, в зависимости от их предназначения. Посредством этих особенностей достигается разнообразие физиологической активности клеточных оболочек и их ролей в существовании клеток и тканей.

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

Биологические мембраны - это активный молекулярный комплекс с высокоизбирательными свойствами, обеспечивающий обмен веществ и энергии с окружающей средой. В мембранах находятся специфические молекулярные насосы и каналы, с помощью которых регулируются молекулярный и ионный состав внутриклеточной среды. Помимо внешней цитоплазматической мембраны (плазмолемма) в клетках эукариотов имеются еще и внутренние мембраны, ограничивающие различные внутриклеточные компартменты (отсеки), например митохондрии, лизосомы, хлоропласты и т. д. Мембраны регулируют также обмен информацией между клетками и средой (восприятие внешних стимулов) и т. д. Мембраны различаются как по функции, так и по структуре. Однако всем им присущи следующие основные свойства:

■ мембраны представляют собой плотную структуру толщиной в несколько молекул, 60-100 А, образующую сплошную перегородку между отдельными клетками и внутриклеточными отсеками;

■ мембраны главным образом состоят из липидов и белков. В мембранах имеются также углеводные компоненты, связанные с липидами и белками;

■ липиды мембран представлены относительно небольшими молекулами, несущими гидрофильные и гидрофобные группы. В водной среде эти молекулы спонтанно образуют замкнутые бимолекулярные слои, которые служат барьером для проникновения полярных соединений;

■ большинство функций мембран опосредуются специфическими белками, которые могут играть роль насосов, каналов, рецепторов, ферментов и т. д.

В состав мембран входят три основных типа липидов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерин.

СТРОЕНИЕ МЕМБРАН

Фосфолипиды мембран. Среди липидных компонентов мембран главенствующая роль принадлежит фосфолипидам - веществам, производным либо трехатомного спирта глицерола (глицерофосфолипиды), либо более сложного спирта сфингозина (сфингофосфолипиды). Все основные глицерофосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты, этерифицированной с гидроксильной группой спиртов, таких как серии (серинфосфатиды - кефалины), этаноламин, холин (холинфосфа-тиды), кардиолипин (дифосфатидилглицерол) и инозитол (фос-фатидилинозитол).

Из сфингофосфолипидов основным является сфингомиелин, основу которого составляет сфингозин - аминоспирт с длинной ненасыщенной углеводородной цепью. В состав сфингомиелина входит также азотистое основание холин.

Независимо от структурных разнообразий каждая молекула фосфолипида в водной среде - это амфипатическая молекула с полярной головкой и неполярной хвостовой частью. Полярная головка образуется за счет остатков спиртовых групп, азотистых оснований и фосфорной кислоты. Хвостовая же часть - за счет радикалов двух жирных кислот насыщенного и ненасыщенного ряда. Благодаря своим амфипатическим свойствам фосфолипиды в водной среде спонтанно формируют липидные бислои, где полярные головки фосфолипидов направлены в сторону растворимой части клетки с образованием водородных связей с диполями воды, а неполярные хвосты - внутрь бислоя, скрепляясь между собой за счет гидрофобных взаимодействий. Именно бислойная структура фосфолипидов определяет полупроницаемые свойства мембран.

В качестве примера можно привести фосфатидилэтаноламин и фосфатидилхолин. Оба они имеют в верхней части молекулы полярные головки NH4 (фосфатидилэтаноламин) и N+ (фосфатидилхолин), которые через остаток фосфорной кислоты и глицерина присоединены к двум остаткам жирных кислот, из которых одна насыщенная, другая - ненасыщенная (рис. 1).

В 1972 г. С. Дж. Сингер и Г. Никольсон сформулировали теорию строения мембран, согласно которой мембраны имеют жидкостно-мозаичную структуру. При обычной для клетки температуре мембранный бислой находится в жидком состоянии, что обеспечивается определенным соотношением между насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами в гидрофобных хвостах полярных фосфолипидов. Жирные кислоты с ненасыщенными связями характеризуются большей гибкостью (в отличие от насыщенных ЖК) и способностью создавать изгибы, что предотвращает плотную упаковку, затрудняет «замораживание» мембран и таким образом влияет на их текучесть ().

Упаковка углеводородов в бислое зависит от температуры. При низких температурах бислой находится в виде геля и упакован плотно, при высоких же температурах (температура тела) бислой фактически «расплавляется» и становится текучим, позволяя липидным молекулам двигаться вокруг своей оси, вращаться, меняться местами. Это, в свою очередь, способствует перемещению уже других компонентов в мембране, в частности белков.

Мембранные гликолипиды. Следующим важным компонентом мембран являются гликолипиды - липиды, содержащие углеводы. Гликолипиды животных клеток, подобно сфингомиелину, являются производными спирта сфингозина, связанного с ацильным радикалом. Отличие между этими липидами заключается в том, что в гликолипидах к сфингозиновому остатку присоединены один или несколько остатков сахара, а в сфингомиелине - фосфорилхолин.

Гликолипиды могут быть простые и сложные. Простейший гликолипид - цереброзид, содержащий только один остаток сахара (глюкозу или галактозу). В более сложных гликолипидах число сахарных остатков может достигать семи (ганглиозиды)

Гликолипиды в мембранах могут выполнять защитную, полупроводниковую, рецепторсвязывающую роль. Среди молекул, способных связываться с гликолипидами, встречаются также такие клеточные яды, как холера, токсин тетануса и др.

Другой представитель липидов в мембранах - это холестерин. Количество его в мембранах варьирует в зависимости от типа клеток. В плазматических мембранах в среднем на каждую молекулу фосфолипида приходится примерно 1 молекула холестерина. У других (например, бактерий) - холестерина нет вообще. У холестерина так же, как у фосфолипидов, имеются участки полярные и неполярные.

Внутри мембран холестерин внедряется между фосфолипидами и ориентируется в том же направлении, что и сами молекулы фосфолипидов. Таким образом, полярная головка холестерина оказывается в той же плоскости, что и полярные головки фосфолипидов (рис. 2).

В мембранах холестерин выполняет следующие функции:

■ фиксируют первые несколько ближайших углеводородных групп, входящих в состав фосфолипидных жирных кислот. Это делает липидный бислой более устойчивым к деформациям и ограничивает прохождение через них небольших водорастворимых молекул. В случае отсутствия холестерина (как, например, у бактерий) клетка нуждается в оболочке;

■ предотвращает кристаллизацию углеводородов и фазовые сдвиги в мембране.

Мембранные белки. В то время как мембранные липиды ответственны за создание барьера проницаемости, мембранные белки опосредуют отдельные функции мембран, т. е. транспорт веществ, передачу информации, энергии и т. д. Соотношение между липидами и белками у разных мембран может быть разным, например, миелин, изолятор нервных клеток, содержит только 18% белков и 76% липидов, а митохондриальная внутренняя мембрана, наоборот - содержит 76% белков и только 24% липидов. В зависимости от характера локализации в мембранах выделяют белки интегральные (трансмембранные), периферические и «заякоренные».

Интегральные белки пронизывают бислой мембраны насквозь и благодаря своим бифильным свойствам фиксируются в нем. Белки, пронизывающие мембрану только один раз, называют однократно пронизывающими белками, а несколько раз - многократно пронизывающими.

Периферические белки локализуются на поверхности мембран и скрепляются только за счет электростатических взаимодействий и водородных связей. Довольно часто периферические белки присоединяются к некоторым участкам интегральных белков (рис. 3).

Олигосахариды Гликопротеины Олигосахариды

Рис. 3. Белковый состав мембран

«Заякоренные» белки фиксируются в мембранах с помощью коротких хвостовых липофильных доменов, образованных либо за счет гидрофобных аминокислотных остатков (цитохром b 5 ), либо за счет ковалентно связанных ацильных радикалов (фермент щелочная фосфатаза).

Участки белков, которые обращены во внеклеточную среду, могут подвергаться гликозилированию.

Транспортные белки. Мембранным белкам принадлежит решающая роль в транспорте веществ через мембраны, и для выполнения этой роли наилучшим образом подходят интегральные белки, которые охватывают пространство как внутриклеточное, так и межклеточное.

Транспорт веществ через мембраны белки осуществляют различными способами; они могут выступать в качестве белковых насосов, каналов, транспортеров.

АТР - зависимые насосы, представляют собой АТРазы, которые способствуют движению через мембраны ионов или небольших молекул против их концентрационного градиента (или электрохимического потенциала) за счет энергии расщепления АТР. Такой вид транспорта известен как активный транспорт. С активным транспортом сопряжены определенные химические реакции, так, например, благодаря таким насосам в животных клетках обеспечивается поддержание низких концентраций Са2+ внутри клетки и высокое содержание ионов Nа+ в межклеточном пространстве, низкое значение рН в желудочном соке у человека и животных (моногастричных), внутри лизосом клеток, вакуолей растительных клеток.

Белковые каналы обеспечивают быстрое (до 108 молекул в секунду) перемещение одновременно молекул воды и других молекул и ионов по направлению снижения их концентрационного градиента (или электрохимического потенциала). Такие перемещения молекул обычно являются энергетически выгодными. Так, плазматические мембраны всех животных клеток содержат К+ - специфичные белковые каналы, которые открываются и закрываются в определенное время. Другие белковые каналы в это время закрыты и открываются только в ответ на воздействие специальных сигналов. Особенно большую роль играют такие каналы в нервных клетках.

Белки-транспортеры способствуют транспорту различных ионов и молекул через мембрану; однако, в отличие от канальных белков, белки-транспортеры связывают одну (или несколько) молекул субстрата одновременно, что приводит к изменению конформации белка и в результате к транспорту этих связанных молекул через мембрану. Такие транспортеры могут переносить в клетку около 102-104 молекул в секунду, что гораздо медленнее, чем движение по белковым каналам.

Обнаружены 3 типа белка-транспортера.

Юнипортеры осуществляют транспорт через мембрану животных клеток молекул одного типа в сторону уменьшения их концентрационного градиента, например, глюкозу, аминокислоты.

Антипортеры и симпортеры обеспечивают согласованный ко-транспорт одних молекул или ионов через мембрану против их концентрационного градиента с движением других молекул или ионов в процессе их перемещения в сторону уменьшения их концентрационного градиента.

АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ

Активный транспорт - это транспорт веществ через мембраны за счет потребления энергии расщепления АТР. Активным транспортом осуществляется транспорт некоторых ионов и небольших молекул против их концентрационного градиента.

Белки, участвующие в активном транспорте через мембраны (белковые насосы), условно подразделяют на 4 класса: суперсемейство белков АВС, белки класса Р., F ., и V. Белки класса Р., F . и V транспортируют только ионы, а АВС - небольшие молекулы и ионы.

Белки (насосы) Р. - класса состоят из 2 субъединиц - α и β; α - субъединица содержит АТР - связывающий участок и является каталитической, а β - субъединица - регуляторной. Большинство белков этого класса являются тетрамерами, составленными из 2 α, и 2 β - субъединиц. В процессе транспорта, по крайней мере, одна из α - субъединиц сначала подвергается фосфорилированию (поэтому и обозначается как «Р»), и именно через нее происходит транспорт ионов.

К белкам Р - класса относятся:

■ Nа+/К+- АТРаза - фермент, локализованный в плазматической мембране и регулирующий внутриклеточное содержание ионов Nа+ и К+ в клетках животных;

■ Са2+- АТРазы - насосы, перекачивающие ионы Са2+ из цитозоля в межклеточное пространство против их концентрационного градиента для поддержания низкого уровня кальция (10-2 М) в цитоплазме клеток животных, дрожжей и растений. Помимо плазматических Са2+-АТРаз клетки мышц содержат еще другую Са2+-АТРазу (мышечный Са2+-й насос), которая осуществляет перекачивание ионов кальция из цитозоля в саркоплазматический ретикулум (СР) - внутриклеточное хранилище кальция;

■ мембранные белки эпителиальных клеток желудка у млекопитающих, способствующие поступлению соляной кислоты в желудок;

■ Н+- насосы, транспортирующие протоны водорода из клетки взамен поступления ионов К+ внутрь клетки;

■ Н+- насосы, регулирующие мембранный электрический потенциал в клетках растений, грибов, бактерий. Эти насосы не содержат фосфопротеиновой части.

Ионные насосы класса F и V структурно похожи друг на друга, но гораздо сложнее, чем белки класса Р. Насосы F и V состоят из 3 трансмембранных белков и 5 различных полипептидов, которые ориентированы в цитозольную часть белка и формируют внутрицитозольный домен. Некоторые субъединицы трансмембранных белков, ориентированные во внешнюю часть биомембран, структурно аналогичны внутрицитозольным доменным полипептидам.

Насосы класса V в основном участвуют в поддержании низкого значения рН в вакуолях растений и лизосомах и других кислотных везикулах животных клеток за счет расходования энергии расщепления АТР и перекачивая протоны водорода через мембрану из цитозоля в межклеточное пространство против протонного электрохимического градиента. Насосы класса F найдены в плазматических мембранах бактерий, мембранах хлоропластов и митохондрий. В отличие от насосов класса V их функция в основном направлена на синтез АТР из А D Р и неорганического фосфата за счет движения протонов водорода из цитозольного межмембранного пространства в сторону уменьшения электрохимического градиента.

Последний класс АTР - зависимых транспортных белков - это суперсемейство АВС (АТР- binding cassette ). Этот класс включает до 100 различных транспортных белков, и обнаружены они в клетках всех организмов. Каждый АВС - белок специфичен по отношению к одному какому-то субстрату, или группе субстратов, похожих друг на друга, включая ионы, углеводы, пептиды, полисахариды и даже белки.

Все АВС - транспортные белки объединяет наличие у них 4 главных доменов - двух трансмембранных доменов (Т), образующих так называемые ворота для «прохождения» молекул через мембрану, и двух внутрицитозольных домена (А), участвующих в связывании АТР. Таких АТР - связывающих участков у АВС - белков могут быть один или два, и их часто называют АТРазами, хотя и не всегда они проявляют АТР - гидролизующие свойства. В отдельных случаях такие трансмембранные белки могут проявить АТР - синтезирующие свойства, что играет решающую роль при синтезе АТР в митохондриальных мембранах.

Слово мембрана имеет ряд значений, однако в общем смысле данный термин означает тонкую гибкую перегородку, перепонку или пластинку, которая может выполнять различные функции. В этой статье расскажем, что такое мембрана с точки зрения биологии и техники.

Мембрана в биологии

Мембрана (или клеточная мембрана) - это эластичная молекулярная структура, роль которой заключается в защите клетки от окружающей среды. Клеточная мембрана обеспечивает ее целостность, а также отвечает за обменные процессы между средой и клеткой.

Мембрана клетки состоит из белков и липидов, имеет толщину порядка 7 нм. Каждый "кирпичик" мембраны отвечает за определенную функцию данного клеточного органа. Липиды в мембране представлены тремя видами - фосфолипиды, гликолипиды и холестерол.

Фосфолипиды и гликолипиды формируют гидрофобную и гидрофильную секции (гидрофобные участки направлены внутрь клетки, а гидрофильные — наружу), которые регулируют процесс обмена водой и подобных ей молекул между клеткой и окружающей средой. Холестерол придает мембране жесткость.

Белки, составляющие мембрану, могут выполнять многие функции, например, имеются белки-транспортеры, которые помогают необходимым веществам попасть в клетку.

Мембрана в технике

Предохранительная мембрана входит в состав мембранного предохранительного устройства, задача которого - обеспечить необходимый сброс парогазовой смеси при определенном давлении. Такие устройства применяются в качестве предохранителей технологического оборудования, трубопроводов и т.п.

При наличии опасных перегрузок мембрана разрывается, обеспечивая необходимую "разрядку", и сохраняет при этом целостность дорогостоящей и сложной технической системы.

Больше интересных понятий ищите в разделе .

Понятие используется в различных жизненных сферах и науках. Причем в каждой из них оно имеет разное значение. Но, так или иначе, использование данного термина связано со значением самого слова. В переводе с латыни «мембрана» - это перепонка.

Различные интерпретации понятия

В технике и инженерии данное понятие используют, когда говорят о тонкой пленке или пластинке, закрепленной по контуру, как в микрофонах или манометрах.

В биологии под мембраной подразумевают эластичную молекулярную структуру, имеющуюся в каждой клетке и выполняющую функцию защиты от воздействий окружающей среды. Она обеспечивает целостность клетки и участвует в обменных процессах с внешним миром.

Мембрана обратного осмоса

Одним из недавних изобретений является модуль обратного осмоса, который используется для очищения воды. Данная конструкция представляет собой трубу, имеющую дно и крышку. А внутри этой трубы как раз и располагается мембрана обратного осмоса, наличие которой обеспечивает получение сверхчистой воды, освобожденной от различных бактериологических загрязнений и биологических отложений. Механизм очистки жидкости основан на сведении к минимуму мертвых пространств, в которых и могут скапливаться бактерии.

Данные модули получили широкое применение в медицине, а если быть точнее, то они снабжают приборы для гемодиализа сверхчистой водой.

Мембраны гидроаккумуляторов и расширительных баков. Их замена

Гидроаккумуляторы и расширительные баки - это приборы, которые используют для того, чтобы компенсировать (объем) внутри нагревательных устройств.

Что такое мембрана в данном случае? Этот элемент является основной составляющей устройств подобного типа. Он влияет на показатели работоспособности и надежности всей системы. По форме мембрана может различаться. Она бывает диафрагменная, шаровая и баллонная. Если у бака большой объем, то в заднюю часть элемента вставляется металлический штуцер, в котором есть отверстие для стравливания воздуха. В зависимости от сферы использования прибора подбирается материал для изготовления мембраны. Например, в расширительных баках системы отопления главным критерием служит уровень термостойкости и долговечности. В случае с холодным водоснабжением при выборе материала мембраны руководствуются критерием динамической эластичности.

К сожалению, не существует материала, который можно было бы назвать универсальным. Поэтому его правильный выбор является одним из важнейших условий длительной эксплуатации прибора и его эффективной работы. Чаще всего пластины изготавливают из натуральной каучуковой, синтетической бутиловой или этиленпропиленовой резины.

Замена мембраны осуществляется путем отсоединения гидроаккумулятора или расширительного бака от системы. Сначала отсоединяются винты, которые скрепляют фланец и корпус. В некоторых приборах имеется еще крепление в зоне ниппеля. После его устранения мембрану можно легко извлечь. Путем совершения обратных действий нужно поставить новую мембрану.

Полимерные мембраны

Понятие «полимерная мембрана» применяется в нескольких случаях. Во-первых, его используют, говоря об одном из самых современных и продвинутых с точки зрения практичности кровельных материалов. Такой тип мембран производится путем применения метода экструдирования, обеспечивающего отсутствие пустот в составе готового материала. К достоинствам полимерного изделия можно отнести абсолютную водонепроницаемость, паропроницаемость, небольшой вес, прочность, низкий уровень горючести, экологическую безопасность.

Термин «полимерная мембрана» часто используется, когда речь заходит об уже упомянутых выше пластинах обратного осмоса, а также других видах оболочек, изготовленных из органических полимеров. Это микро- и ультрафильтрационные изделия, перепонки, используемые при нанофильтрации. Преимущество полимерных мембран в данном контексте заключается в высокой технологичности и больших возможностях управления свойствами и структурой материала. При этом используются небольшие химические и технологические вариации процесса изготовления.

Клеточная мембрана. Клетки - единицы всего живого

Давно известен факт, что основной структурной единицей живого организма является клетка. Она представляет собой дифференцированный участок цитоплазмы, который окружен клеточной мембраной. В процессе эволюции, по мере расширения пределов функциональности, она приобрела пластичность и тонкость, ведь важнейшие процессы в организме происходят именно в клетках.

Клеточная мембрана - это граница клетки, представляющая собой естественный барьер между ее внутренним содержимым и окружающей средой. Основной характерной особенностью оболочки является полупроницаемость, которая обеспечивает проникновение в клетку влаги и питательных веществ и выведение из нее продуктов распада. Клеточная мембрана - это основная структурная составляющая организации клетки.

Исторические факты, связанные с открытием и исследованием клеточной мембраны

В 1925 году Грендель и Гордер успешно поставили эксперимент по выявлению «теней» эритроцитов. Именно они в процессе опытов впервые обнаружили липидный бислой. Продолжатели их работы Даниэлли, Доусон, Робертсон, Николсон в разные годы трудились над созданием жидкостно-мозаичной модели структуры мембраны. Окончательно это удалось сделать Сингшеру в 1972 году.

Основные функции клеточной мембраны

• Отделение внутреннего содержимого клетки от компоненты внешней среды.
• Способствование поддержанию постоянства химического состава внутри клетки.
• Регулирование сбалансированности обмена веществ.
• Обеспечение взаимосвязи между клетками.
• Сигнальная функция.
• Защитная функция.

Плазменная оболочка

Что такое мембрана, которую называют плазменной оболочкой? Это наружная которая по своему строению является ультрамикроскопической пленкой толщиной 5-7 наномиллиметров. В ее состав входят белковые соединения, фосфолипиды, вода. Пленка, будучи весьма эластичной, хорошо впитывает влагу, а также имеет способность со стремительной скоростью восстанавливать свою целостность.

Для плазменной мембраны характерно универсальное строение. Ее пограничное положение обуславливает участие в процессе избирательной проницаемости при выведении из клетки продуктов распада. Взаимодействуя с соседними элементами и надежно защищая содержимое от повреждения, наружная мембрана является одним из самых главных компонентов строения клетки.

Тончайший слой, который иногда покрывает клеточную мембрану живых организмов, называют гликокаликсом. Он состоит из белков и полисахаридов. А в растительных клетках мембрану сверху защищает специальная стенка, которая также выполняет опорную функцию и поддерживает форму. Она в основном состоит из клетчатки - нерастворимого полисахарида.

Таким образом, можно сделать вывод, что основными функциями наружной клеточной мембраны являются восстановление, защита и взаимодействие с соседними клетками.

Особенности строения

Что такое мембрана? Это подвижная оболочка, ширина которой составляет 6-10 наномиллиметров. Основу ее строения составляет липидный бислой и белки. Углеводы также имеются в мембране, однако на их долю приходится лишь 10% от массы мембран. Но они в обязательном порядке содержатся в гликолипидах или гликопротеинах.

Если говорить о соотношении количества белков и липидов, то оно может сильно варьироваться. Все зависит от типа ткани. Например, в миелине содержится около 20% белка, а в митохондриях - около 80%. Состав мембраны напрямую влияет на ее плотность. Чем больше содержание белка, тем выше плотность оболочки.

Многообразие функций липидов

Каждый липид по своей природе является фосфолипидом, образующимся в результате взаимодействия глицерина и сфингозина. Вокруг липидного каркаса плотно располагаются белки мембраны, однако их слой не сплошной. Некоторые из них погружены в слой липидов, а другие как бы пронизывают его. Этим и обусловлено наличие участков, проницаемых для воды.

Очевидным является тот факт, что состав липидов в различных мембранах не случайный, но четкого объяснения данному феномену пока не найдено. В любой конкретной оболочке может содержаться до ста различных типов молекул липидов. Рассмотрим факторы, которые, возможно, влияют на определение липидного состава молекулы мембраны.

• Во-первых, смесь липидов в обязательном порядке должна иметь способность к образованию стабильного бислоя, в котором могут функционировать белки.
• Во-вторых, липиды должны способствовать стабилизации сильно деформированных мембран, установлению контакта между оболочками или связыванию определенных белков.
• В-третьих, липиды - биорегуляторы.
• В-четвертых, некоторые липиды являются активными участниками реакций биосинтеза.

Белки клеточной мембраны

Белки выполняют несколько функций. Одни играют роль ферментов, а другие -транспортируют разного рода вещества из окружающей среды внутрь клетки и обратно.

Строение и функции мембраны устроены таким образом, что насквозь пронизывают ее, обеспечивая тесную связь. А вот периферические белки связаны с мембраной не слишком тесно. Их функция состоит в том, чтобы поддерживать структуру оболочки, получать и преобразовывать сигналы из внешней среды, а также служить катализаторами различных реакций.

Состав мембраны представлен, прежде всего, бимолекулярным слоем. Его непрерывность обеспечивает барьерные и механические свойства клетки. В процессе жизнедеятельности может происходить нарушение структуры бислоя, которое приводит к образованию структурных дефектов сквозных гидрофильных пор. Вслед за этим могут нарушиться все функции клеточной мембраны.

Свойства оболочки

Особенности клеточной мембраны обусловлены ее текучестью, благодаря которой она не имеет жесткой структуры. Липиды, входящие в ее состав, могут свободно перемещаться. Можно наблюдать асимметрию клеточной мембраны. Это и является причиной различия составов белкового и липидного слоев.

Доказана полярность клеточной мембраны, то есть ее внешняя сторона имеет положительный заряд, а внутренняя - отрицательный. Также следует отметить, что оболочка имеет избирательную проницательность. Она пропускает внутрь, помимо воды, только определенные группы молекул и ионов растворенных веществ.

Особенности строения клеточной мембраны у растительных и животных организмов

Наружная мембрана и эндоплазматическая сеть клетки тесно соединены. Часто поверхность оболочки покрыта еще и различными выступами, складками, микроворсинками. клетки животных организмов снаружи покрыта гликопротеиновым слоем, выполняющим рецепторную и сигнальную функции. У растительных клеток снаружи этой оболочки находится еще одна, толстая и отчетливо различимая под микроскопом. Клетчатка, из которой она состоит, участвует в формировании опоры у происхождения, например, древесины.

У клеток животных тоже имеются внешние структуры, расположенные снаружи мембраны. Они выполняют исключительно защитную функцию. В качестве примера можно привести хитин, который содержится в покровной ткани насекомых.

Кроме клеточной, имеется внутриклеточная, или внутренняя мембрана. Она делит клетку на специализированные замкнутые отсеки, которые называются органеллами. В них постоянно должна поддерживаться определенная среда.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что клеточная мембрана, характеристики которой доказывают ее важность в функционировании всего организма, имеет сложный состав и строение, зависящие от многих внутренних и внешних факторов. Повреждение этой пленки может привести к гибели клетки.

Таким образом, строение и функции мембраны зависят от сферы науки или области промышленности, в которых применяется данное понятие. В любом случае этот элемент представляет собой оболочку или перегородку, которая обладает гибкостью и закрепляется по краям.