Apa fungsi membran sel - sifat dan fungsinya. Membran sel

Membran sel - struktur molekul yang terdiri dari lipid dan protein. Sifat dan fungsi utamanya:

• memisahkan isi sel mana pun dari lingkungan luar, menjamin integritasnya;
• kontrol dan pembentukan pertukaran antara lingkungan dan sel;
• membran intraseluler membagi sel menjadi kompartemen khusus: organel atau kompartemen.

Kata "membran" berarti "film" dalam bahasa Latin. Jika kita berbicara tentang membran sel, maka itu adalah kombinasi dari dua film yang memiliki sifat berbeda.

Membran biologis meliputi tiga jenis protein:

1. Periferal – terletak di permukaan film;
2. Integral – menembus membran sepenuhnya;
3. Semi-integral - salah satu ujungnya menembus lapisan bilipid.

Apa fungsi yang dilakukan membran sel?

1. Dinding sel adalah membran sel kuat yang terletak di luar sitos membran plasma. Ia melakukan perlindungan, transportasi dan fungsi struktural. Hadir di banyak tumbuhan, bakteri, jamur dan archaea.

2. Menyediakan fungsi penghalang, yaitu metabolisme selektif, teratur, aktif dan pasif dengan lingkungan luar.

3. Mampu mentransmisikan dan menyimpan informasi, serta berperan dalam proses reproduksi.

4. Melakukan fungsi transpor yang dapat mengangkut zat masuk dan keluar sel melalui membran.

5. Membran sel mempunyai konduktifitas satu arah. Berkat ini, molekul air dapat melewati membran sel tanpa penundaan, dan molekul zat lain melakukan penetrasi secara selektif.

6. Dengan membran sel air, oksigen dan nutrisi diperoleh, dan melaluinya produk metabolisme sel dikeluarkan.

7. Melakukan metabolisme sel melalui membran, dan dapat melakukannya menggunakan 3 jenis reaksi utama: pinositosis, fagositosis, eksositosis.

8. Membran memastikan kekhususan kontak antar sel.

9. Membran mengandung banyak reseptor yang mampu menerima sinyal kimia - mediator, hormon, dan banyak zat aktif biologis lainnya. Sehingga memiliki kekuatan untuk mengubah aktivitas metabolisme sel.

10. Sifat dasar dan fungsi membran sel :

• Matriks
• Penghalang
• Mengangkut
• Energi
• Mekanis
• Enzimatik
• Reseptor
• Protektif
• Menandai
• Biopotensial

Apa fungsi membran plasma dalam sel?

1. Membatasi isi sel;
2. Melakukan masuknya zat ke dalam sel;
3. Memberikan penghapusan sejumlah zat dari sel.

Struktur membran sel

Membran sel termasuk lipid dari 3 kelas:

• Glikolipid;
• Fosfolipid;
• Kolesterol.

Pada dasarnya membran sel terdiri dari protein dan lipid, serta memiliki ketebalan tidak lebih dari 11 nm. Dari 40 hingga 90% dari semua lipid adalah fosfolipid. Penting juga untuk diperhatikan glikolipid, yang merupakan salah satu komponen utama membran.

Struktur membran sel berlapis tiga. Di tengahnya terdapat lapisan bilipid cair yang homogen, dan protein menutupinya di kedua sisi (seperti mosaik), sebagian menembus ketebalannya. Protein juga diperlukan membran untuk memungkinkan zat khusus masuk dan keluar sel yang tidak dapat menembus lapisan lemak. Misalnya ion natrium dan kalium.

• Ini menarik -

Struktur sel - video

Pembatas ( penghalang) - pisahkan konten seluler dari lingkungan eksternal;

Mengatur pertukaran antara sel dan lingkungan;

Mereka membagi sel menjadi beberapa kompartemen, atau kompartemen, yang ditujukan untuk jalur metabolisme khusus tertentu ( pemisah);

Ini adalah tempat terjadinya beberapa reaksi kimia (reaksi terang fotosintesis di kloroplas, fosforilasi oksidatif selama respirasi di mitokondria);

Menyediakan komunikasi antar sel dalam jaringan organisme multiseluler;

Mengangkut- melakukan transportasi transmembran.

Reseptor- adalah lokasi situs reseptor yang mengenali rangsangan eksternal.

Transportasi zat melalui membran - salah satu fungsi utama membran, memastikan pertukaran zat antara sel dan lingkungan luar. Tergantung pada konsumsi energi untuk transfer zat, ada:

transpor pasif, atau difusi terfasilitasi;

transpor aktif (selektif) dengan partisipasi ATP dan enzim.

transportasi dalam kemasan membran. Bedakan antara endositosis (ke dalam sel) dan eksositosis (keluar sel) - mekanisme yang mengangkut partikel besar dan makromolekul melalui membran. Selama endositosis, membran plasma membentuk invaginasi, ujung-ujungnya menyatu, dan vesikel dilepaskan ke dalam sitoplasma. Vesikel dibatasi dari sitoplasma oleh satu membran, yang merupakan bagian dari membran sitoplasma luar. Ada fagositosis dan pinositosis. Fagositosis merupakan penyerapan partikel berukuran besar yang cukup keras. Misalnya fagositosis limfosit, protozoa, dll. Pinositosis adalah proses menangkap dan menyerap tetesan cairan dengan zat terlarut di dalamnya.

Eksositosis adalah proses menghilangkan berbagai zat dari sel. Selama eksositosis, membran vesikel, atau vakuola, menyatu dengan membran sitoplasma luar. Isi vesikel dikeluarkan dari permukaan sel, dan membran dimasukkan ke dalam membran sitoplasma luar.

Pada intinya pasif pengangkutan molekul tak bermuatan terletak pada perbedaan antara konsentrasi hidrogen dan muatan, mis. gradien elektrokimia. Zat akan berpindah dari daerah yang gradiennya lebih tinggi ke daerah yang gradiennya lebih rendah. Kecepatan transportasi tergantung pada perbedaan gradien.

Difusi sederhana adalah pengangkutan zat langsung melalui lapisan ganda lipid. Karakteristik gas, molekul polar non-polar atau kecil tidak bermuatan, larut dalam lemak. Air dengan cepat menembus bilayer karena molekulnya kecil dan netral secara listrik. Difusi air melalui membran disebut osmosis.

Difusi melalui saluran membran adalah pengangkutan molekul dan ion bermuatan (Na, K, Ca, Cl) yang menembus membran karena adanya protein pembentuk saluran khusus yang membentuk pori-pori air.

Difusi terfasilitasi adalah pengangkutan zat menggunakan protein transpor khusus. Setiap protein bertanggung jawab atas molekul atau kelompok molekul terkait yang ditentukan secara ketat, berinteraksi dengannya dan bergerak melalui membran. Misalnya gula, asam amino, nukleotida dan molekul polar lainnya.

Transportasi aktif dilakukan oleh protein pembawa (ATPase) melawan gradien elektrokimia, dengan konsumsi energi. Sumbernya adalah molekul ATP. Misalnya, natrium adalah pompa kalium.

Konsentrasi kalium di dalam sel jauh lebih tinggi daripada di luar, dan natrium - sebaliknya. Oleh karena itu, kation kalium dan natrium secara pasif berdifusi melalui pori-pori air membran sepanjang gradien konsentrasi. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa permeabilitas membran terhadap ion kalium lebih tinggi dibandingkan dengan ion natrium. Oleh karena itu, kalium berdifusi keluar sel lebih cepat daripada natrium ke dalam sel. Namun, agar sel berfungsi normal, diperlukan perbandingan tertentu antara 3 ion kalium dan 2 ion natrium. Oleh karena itu, terdapat pompa natrium-kalium di dalam membran yang secara aktif memompa natrium keluar sel dan kalium ke dalam sel. Pompa ini adalah protein membran transmembran yang mampu melakukan penataan ulang konformasi. Oleh karena itu, ia dapat mengikat ion kalium dan natrium (antiport) pada dirinya sendiri. Prosesnya intensif energi:

DENGAN di dalam membran, ion natrium dan molekul ATP memasuki protein pompa, dan ion kalium berasal dari membran luar.

Ion natrium bergabung dengan molekul protein, dan protein memperoleh aktivitas ATPase, mis. kemampuan menyebabkan hidrolisis ATP, yang disertai dengan pelepasan energi yang menggerakkan pompa.

Fosfat yang dilepaskan selama hidrolisis ATP menempel pada protein, mis. memfosforilasi protein.

Fosforilasi menyebabkan perubahan konformasi pada protein; protein menjadi tidak mampu menahan ion natrium. Mereka dilepaskan dan berpindah ke luar sel.

Konformasi baru dari protein mendorong perlekatan ion kalium padanya.

Penambahan ion kalium menyebabkan defosforilasi protein. Ini mengubah konformasinya lagi.

Perubahan konformasi protein menyebabkan pelepasan ion kalium di dalam sel.

Protein kembali siap untuk mengikat ion natrium ke dirinya sendiri.

Dalam satu siklus operasi, pompa memompa 3 ion natrium dari sel dan memompa 2 ion kalium.

Sitoplasma– komponen wajib sel, terletak di antara peralatan permukaan sel dan nukleus. Ini adalah kompleks struktural heterogen yang kompleks yang terdiri dari:

hialoplasma

organel (komponen permanen sitoplasma)

inklusi adalah komponen sementara sitoplasma.

Matriks sitoplasma(hialoplasma) adalah isi bagian dalam sel - larutan koloid yang tidak berwarna, kental dan transparan. Komponen matriks sitoplasma melakukan proses biosintesis di dalam sel dan mengandung enzim yang diperlukan untuk produksi energi, terutama karena glikolisis anaerobik.

Sifat dasar matriks sitoplasma.

Menentukan sifat koloid sel. Bersama dengan membran intraseluler sistem vakuolar, sistem ini dapat dianggap sebagai sistem koloid yang sangat heterogen atau multifase.

Memberikan perubahan viskositas sitoplasma, transisi dari gel (lebih kental) ke sol (lebih cair), yang terjadi di bawah pengaruh faktor eksternal dan internal.

Menyediakan sikosis, pergerakan amoeboid, pembelahan sel dan pergerakan pigmen dalam kromatofor.

Menentukan polaritas lokasi komponen intraseluler.

Memberikan sifat mekanik sel - elastisitas, kemampuan untuk menyatu, kekakuan.

Organel– struktur seluler permanen yang memastikan sel melakukan fungsi tertentu. Tergantung pada fitur strukturalnya, ada:

organel membran - memiliki struktur membran. Mereka dapat berupa membran tunggal (ER, aparatus Golgi, lisosom, vakuola sel tumbuhan). Membran ganda (mitokondria, plastida, nukleus).

Organel non-membran - tidak memiliki struktur membran (kromosom, ribosom, pusat sel, sitoskeleton).

Organel serba guna merupakan ciri semua sel: nukleus, mitokondria, pusat sel, aparatus Golgi, ribosom, EPS, lisosom. Jika organel merupakan karakteristik dari jenis sel tertentu, maka organel tersebut disebut organel khusus (misalnya, miofibril yang mengontraksikan serat otot).

Retikulum endoplasma- struktur tunggal yang berkesinambungan, membrannya membentuk banyak invaginasi dan lipatan yang terlihat seperti tubulus, mikrovakuola, dan tangki besar. Membran EPS terhubung, di satu sisi, ke membran sitoplasma sel, dan di sisi lain, ke cangkang luar membran nuklir.

Ada dua jenis EPS - kasar dan halus.

Pada RE kasar atau granular, tangki dan tubulus berhubungan dengan ribosom. adalah sisi luar membran. RE halus atau agranular tidak memiliki hubungan dengan ribosom. Ini adalah bagian dalam membran.

Sel- unit struktural dan fungsional jaringan dan organ yang mengatur dirinya sendiri. Teori sel struktur organ dan jaringan dikembangkan oleh Schleiden dan Schwann pada tahun 1839. Selanjutnya, dengan bantuan mikroskop elektron dan ultrasentrifugasi, dimungkinkan untuk memperjelas struktur semua organel utama hewan dan sel tumbuhan(Gbr. 1).

Beras. 1. Skema struktur sel hewan

Bagian utama sel adalah sitoplasma dan nukleus. Setiap sel dikelilingi oleh membran yang sangat tipis yang membatasi isinya.

Membran sel disebut membran plasma dan ditandai dengan permeabilitas selektif. Properti ini memungkinkan nutrisi penting dan unsur kimia menembus ke dalam sel, dan produk berlebih meninggalkannya. Membran plasma terdiri dari dua lapisan molekul lipid yang mengandung protein spesifik. Lipid membran utama adalah fosfolipid. Mereka mengandung fosfor, kepala polar dan dua ekor rantai panjang non-polar. asam lemak. Lipid membran termasuk kolesterol dan kolesterol ester. Sesuai dengan model struktur mosaik cair, membran mengandung inklusi molekul protein dan lipid yang dapat bercampur relatif terhadap bilayer. Untuk setiap jenis membran apa saja sel hewan ditandai dengan komposisi lipid yang relatif konstan.

Protein membran dibagi menjadi dua jenis menurut strukturnya: integral dan perifer. Protein perifer dapat dikeluarkan dari membran tanpa merusaknya. Ada empat jenis protein membran: protein transpor, enzim, reseptor, dan protein struktural. Beberapa protein membran memiliki aktivitas enzimatik, yang lain mengikat zat tertentu dan memfasilitasi pengangkutannya ke dalam sel. Protein menyediakan beberapa jalur untuk pergerakan zat melintasi membran: protein membentuk pori-pori besar yang terdiri dari beberapa subunit protein yang memungkinkan molekul air dan ion berpindah antar sel; membentuk saluran ion yang dikhususkan untuk pergerakan jenis ion tertentu melintasi membran dalam kondisi tertentu. Protein struktural berikatan dengan lapisan lipid bagian dalam dan menyediakan sitoskeleton sel. Sitoskeleton memberi kekuatan mekanik membran sel. Di berbagai membran, protein menyumbang 20 hingga 80% massa. Protein membran dapat bergerak bebas pada bidang lateral.

Membran juga mengandung karbohidrat yang dapat terikat secara kovalen dengan lipid atau protein. Ada tiga jenis karbohidrat membran: glikolipid (gangliosida), glikoprotein dan proteoglikan. Sebagian besar lipid membran berada dalam keadaan cair dan memiliki fluiditas tertentu, yaitu. kemampuan untuk berpindah dari satu area ke area lain. Di sisi luar membran terdapat situs reseptor yang mengikat berbagai hormon. Area membran spesifik lainnya tidak dapat mengenali dan mengikat protein tertentu dan berbagai senyawa aktif biologis yang asing bagi sel tersebut.

Ruang internal sel diisi dengan sitoplasma, di mana sebagian besar reaksi metabolisme sel yang dikatalisis enzim berlangsung. Sitoplasma terdiri dari dua lapisan: lapisan dalam, yang disebut endoplasma, dan lapisan perifer, ektoplasma, yang memiliki viskositas tinggi dan tidak memiliki butiran. Sitoplasma mengandung semua komponen sel atau organel. Organel sel yang paling penting adalah retikulum endoplasma, ribosom, mitokondria, aparatus Golgi, lisosom, mikrofilamen dan mikrotubulus, peroksisom.

Retikulum endoplasma adalah sistem saluran dan rongga yang saling berhubungan yang menembus seluruh sitoplasma. Ini menyediakan pengangkutan zat dari lingkungan dan di dalam sel. Retikulum endoplasma juga berfungsi sebagai depot ion Ca2+ intraseluler dan berfungsi sebagai tempat utama sintesis lipid di dalam sel.

Ribosom - partikel bola mikroskopis dengan diameter 10-25 nm. Ribosom terletak bebas di sitoplasma atau menempel pada permukaan luar membran retikulum endoplasma dan membran inti. Mereka berinteraksi dengan pembawa pesan dan mengangkut RNA, dan sintesis protein terjadi di dalamnya. Mereka mensintesis protein yang memasuki sisterna atau badan Golgi dan kemudian dilepaskan ke luar. Ribosom, yang terletak bebas di sitoplasma, mensintesis protein untuk digunakan oleh sel itu sendiri, dan ribosom yang terkait dengan retikulum endoplasma menghasilkan protein yang dikeluarkan dari sel. Ribosom mensintesis berbagai protein fungsional: protein pembawa, enzim, reseptor, protein sitoskeletal.

Aparat Golgi dibentuk oleh sistem tubulus, tangki dan vesikel. Hal ini terkait dengan retikulum endoplasma, dan mereka tiba di sini secara biologis zat aktif disimpan dalam bentuk padat dalam vesikel sekretorik. Yang terakhir ini terus-menerus dipisahkan dari aparatus Golgi, diangkut ke membran sel dan bergabung dengannya, dan zat yang terkandung dalam vesikel dikeluarkan dari sel melalui proses eksositosis.

Lisosom - partikel yang dikelilingi membran berukuran 0,25-0,8 mikron. Mereka mengandung banyak enzim yang terlibat dalam pemecahan protein, polisakarida, lemak, asam nukleat, bakteri dan sel.

Peroksisom terbentuk dari retikulum endoplasma halus, menyerupai lisosom dan mengandung enzim yang mengkatalisis penguraian hidrogen peroksida, yang dipecah di bawah pengaruh peroksidase dan katalase.

Mitokondria mengandung membran luar dan dalam dan merupakan “stasiun energi” sel. Mitokondria adalah struktur bulat atau memanjang dengan membran ganda. Membran bagian dalam membentuk lipatan yang menonjol ke dalam mitokondria - krista. Sintesis ATP terjadi di dalamnya, oksidasi substrat siklus Krebs dan banyak substrat biologis reaksi kimia. Molekul ATP yang diproduksi di mitokondria berdifusi ke seluruh bagian sel. Mitokondria mengandung sejumlah kecil DNA, RNA, dan ribosom, dan dengan partisipasinya, terjadi pembaruan dan sintesis mitokondria baru.

Mikrofilamen Mereka adalah filamen protein tipis yang terdiri dari miosin dan aktin dan membentuk alat kontraktil sel. Mikrofilamen terlibat dalam pembentukan lipatan atau tonjolan membran sel, serta pergerakan berbagai struktur di dalam sel.

Mikrotubulus membentuk dasar sitoskeleton dan memberikan kekuatannya. Sitoskeleton memberikan karakteristik pada sel penampilan dan bentuknya, berfungsi sebagai tempat menempelnya organel intraseluler dan berbagai badan. DI DALAM sel saraf kumpulan mikrotubulus terlibat dalam pengangkutan zat dari badan sel ke ujung akson. Dengan partisipasi mereka, fungsi gelendong mitosis selama pembelahan sel. Mereka memainkan peran elemen motorik di vili dan flagela pada eukariota.

Inti adalah struktur utama sel, berpartisipasi dalam transmisi karakteristik herediter dan dalam sintesis protein. Inti atom dikelilingi oleh membran inti yang mengandung banyak pori-pori inti tempat terjadinya pertukaran berbagai zat antara inti dan sitoplasma. Ada nukleolus di dalamnya. Peran penting nukleolus dalam sintesis RNA ribosom dan protein histon telah ditetapkan. Bagian inti yang tersisa mengandung kromatin, terdiri dari DNA, RNA dan sejumlah protein spesifik.

Fungsi membran sel

Membran sel memainkan peran penting dalam pengaturan metabolisme intraseluler dan antar sel. Mereka memiliki permeabilitas selektif. Struktur spesifiknya memungkinkan mereka menyediakan fungsi penghalang, transportasi, dan pengaturan.

Fungsi penghalang memanifestasikan dirinya dalam membatasi penetrasi senyawa terlarut dalam air melalui membran. Membran ini kedap terhadap molekul protein besar dan anion organik.

Fungsi regulasi membran adalah untuk mengatur metabolisme intraseluler sebagai respons terhadap pengaruh kimia, biologis dan mekanis. Berbagai pengaruh dirasakan oleh reseptor membran khusus, diikuti dengan perubahan aktivitas enzim.

Fungsi transportasi melalui membran biologis dapat dilakukan secara pasif (difusi, filtrasi, osmosis) atau menggunakan transpor aktif.

Difusi - pergerakan gas atau zat terlarut sepanjang konsentrasi dan gradien elektrokimia. Laju difusi bergantung pada permeabilitas membran sel, serta gradien konsentrasi partikel tak bermuatan, serta gradien listrik dan konsentrasi partikel bermuatan. Difusi sederhana terjadi melalui lapisan ganda lipid atau melalui saluran. Partikel bermuatan bergerak menurut gradien elektrokimia, dan partikel tidak bermuatan bergerak menurut gradien kimia. Misalnya, oksigen, hormon steroid, urea, alkohol, dll. menembus lapisan lipid membran melalui difusi sederhana. Berbagai ion dan partikel bergerak melalui saluran. Saluran ion dibentuk oleh protein dan dibagi menjadi saluran berpintu dan tidak berpintu. Tergantung pada selektivitasnya, perbedaan dibuat antara kabel selektif ion, yang hanya memungkinkan satu ion melewatinya, dan saluran yang tidak memiliki selektivitas. Saluran memiliki lubang dan filter selektif, dan saluran yang dikontrol memiliki mekanisme gerbang.

Difusi yang terfasilitasi - suatu proses di mana zat diangkut melintasi membran menggunakan protein transpor membran khusus. Dengan cara ini, asam amino dan monosakarida menembus ke dalam sel. Jenis transportasi ini terjadi dengan sangat cepat.

Osmosis - pergerakan air melalui membran dari larutan yang tekanan osmotiknya lebih rendah ke larutan yang tekanan osmotiknya lebih tinggi.

Transportasi aktif - pengangkutan zat melawan gradien konsentrasi menggunakan transpor ATPase (pompa ion). Transfer ini terjadi dengan pengeluaran energi.

Pompa Na + /K + -, Ca 2+ - dan H + - telah dipelajari lebih jauh. Pompa terletak di membran sel.

Salah satu jenis transpor aktif adalah endositosis Dan eksositosis. Dengan menggunakan mekanisme ini, zat yang lebih besar (protein, polisakarida, asam nukleat) diangkut yang tidak dapat diangkut melalui saluran. Transportasi ini lebih umum terjadi di sel epitel usus, tubulus ginjal, endotel pembuluh darah.

Pada Pada endositosis, membran sel membentuk invaginasi ke dalam sel, yang bila dilepaskan, berubah menjadi vesikel. Selama eksositosis, vesikel beserta isinya dipindahkan ke membran sel dan bergabung dengannya, dan isi vesikel dilepaskan ke lingkungan ekstraseluler.

Struktur dan fungsi membran sel

Untuk memahami proses yang menjamin adanya potensial listrik pada sel hidup, pertama-tama perlu dipahami struktur membran sel dan sifat-sifatnya.

Saat ini, yang paling banyak diterima adalah model membran mosaik cair, yang diusulkan oleh S. Singer dan G. Nicholson pada tahun 1972. Dasar membran adalah lapisan ganda fosfolipid (bilayer), fragmen hidrofobik dari molekulnya. terbenam dalam ketebalan membran, dan gugus hidrofilik polar berorientasi ke luar, yaitu. ke sekitarnya lingkungan perairan(Gbr. 2).

Protein membran terlokalisasi pada permukaan membran atau dapat tertanam pada kedalaman yang bervariasi di zona hidrofobik. Beberapa protein menjangkau membran, dan kelompok hidrofilik berbeda dari protein yang sama ditemukan di kedua sisi membran sel. Protein yang terdapat pada membran plasma memegang peranan yang sangat penting peran penting: mereka berpartisipasi dalam pembentukan saluran ion, berperan sebagai pompa membran dan pengangkut berbagai zat, dan juga dapat melakukan fungsi reseptor.

Fungsi utama membran sel: penghalang, transportasi, pengatur, katalitik.

Fungsi penghalang adalah untuk membatasi difusi senyawa yang larut dalam air melalui membran, yang diperlukan untuk melindungi sel dari zat asing dan beracun dan mempertahankan kandungan berbagai zat di dalam sel yang relatif konstan. Dengan demikian, membran sel mampu memperlambat difusi berbagai zat sebanyak 100.000-10.000.000 kali lipat.

Beras. 2. Diagram tiga dimensi model mosaik cair membran Singer-Nicholson

Yang digambarkan adalah protein integral globular yang tertanam dalam lapisan ganda lipid. Beberapa protein adalah saluran ion, yang lain (glikoprotein) mengandung rantai samping oligosakarida yang terlibat dalam pengenalan sel satu sama lain dan dalam jaringan antar sel. Molekul kolesterol menempel erat pada kepala fosfolipid dan memperbaiki bagian “ekor” yang berdekatan. Bagian dalam ekor molekul fosfolipid tidak dibatasi pergerakannya dan bertanggung jawab atas fluiditas membran (Bretscher, 1985)

Membran berisi saluran yang dilalui ion untuk menembus. Saluran dapat bergantung pada tegangan atau tidak bergantung pada potensi. Saluran yang bergantung pada tegangan terbuka ketika beda potensial berubah, dan potensi mandiri(diatur hormon) terbuka ketika reseptor berinteraksi dengan zat. Saluran bisa dibuka atau ditutup berkat gerbang. Dua jenis gerbang dibangun ke dalam membran: pengaktifan(jauh di dalam saluran) dan inaktivasi(di permukaan saluran). Gerbangnya bisa berada di salah satu dari tiga negara bagian:

• keadaan terbuka (kedua jenis gerbang terbuka);
• keadaan tertutup (gerbang aktivasi tertutup);
• keadaan inaktivasi (gerbang inaktivasi tertutup).

Lain fitur karakteristik membran adalah kemampuan untuk secara selektif mengangkut ion anorganik, nutrisi, dan berbagai produk menukarkan. Ada sistem perpindahan (transportasi) zat secara pasif dan aktif. Pasif transportasi terjadi melalui saluran ion dengan atau tanpa bantuan protein pembawa, dan itu penggerak adalah perbedaan potensial elektrokimia ion antara ruang intra dan ekstraseluler. Selektivitas saluran ion ditentukan oleh parameter geometriknya dan sifat kimiawi gugus yang melapisi dinding saluran dan mulutnya.

Saat ini, saluran yang paling banyak dipelajari adalah saluran yang permeabel selektif terhadap ion Na+, K+, Ca2+ dan juga air (yang disebut aquaporin). Diameter saluran ion, menurut berbagai penelitian, adalah 0,5-0,7 nm. Kapasitas saluran dapat bervariasi; 10 7 - 10 8 ion per detik dapat melewati satu saluran ion.

Aktif transportasi terjadi dengan pengeluaran energi dan dilakukan oleh apa yang disebut pompa ion. Pompa ion bersifat molekuler struktur protein, dibangun ke dalam membran dan melakukan transfer ion menuju potensi elektrokimia yang lebih tinggi.

Pompa beroperasi menggunakan energi hidrolisis ATP. Saat ini, Na+/K+ - ATPase, Ca 2+ - ATPase, H + - ATPase, H + /K + - ATPase, Mg 2+ - ATPase, yang memastikan pergerakan ion Na +, K +, Ca 2+, masing-masing , telah dipelajari dengan baik , H+, Mg 2+ diisolasi atau terkonjugasi (Na+ dan K+; H+ dan K+). Mekanisme molekuler transpor aktif belum sepenuhnya dipahami.

Membran melakukan banyak fungsi berbeda:

membran menentukan bentuk organel atau sel;

penghalang: mengontrol pertukaran zat terlarut (misalnya, ion Na +, K +, Cl -) antara kompartemen internal dan eksternal;

energi: sintesis ATP pada membran dalam mitokondria dan fotosintesis pada membran kloroplas; membentuk permukaan untuk terjadinya reaksi kimia (fosforilasi pada membran mitokondria);

adalah struktur yang memastikan pengenalan sinyal kimia (reseptor hormon dan neurotransmitter terletak di membran);

berperan dalam interaksi antar sel dan mendorong pergerakan sel.

Transportasi melalui membran. Membran memiliki permeabilitas selektif terhadap zat terlarut, yang diperlukan untuk:

pemisahan sel dari lingkungan ekstraseluler;

memastikan penetrasi ke dalam sel dan retensi molekul penting (seperti lipid, glukosa dan asam amino), serta pembuangan produk metabolisme (termasuk yang tidak diperlukan) dari sel;

mempertahankan gradien ion transmembran.

Organel intraseluler mungkin juga memiliki membran permeabel selektif. Misalnya, pada lisosom, membran mempertahankan konsentrasi ion hidrogen (H+) 1000-10000 kali lebih tinggi dibandingkan di sitosol.

Transportasi melintasi membran bisa pasif, meringankan atau aktif.

Transportasi pasif- ini adalah pergerakan molekul atau ion sepanjang konsentrasi atau gradien elektrokimia. Ini mungkin difusi sederhana, seperti dalam kasus penetrasi gas (misalnya O 2 dan CO 2) atau molekul sederhana (etanol) melalui membran plasma. Dalam difusi sederhana, molekul-molekul kecil yang terlarut dalam cairan ekstraseluler secara berurutan dilarutkan dalam membran dan kemudian dalam cairan intraseluler. Proses ini tidak spesifik, dan laju penetrasi melalui membran ditentukan oleh derajat hidrofobisitas molekul, yaitu kelarutannya dalam lemak. Laju difusi melalui lapisan ganda lipid berbanding lurus dengan hidrofobisitas serta gradien konsentrasi transmembran atau gradien elektrokimia.

Difusi terfasilitasi adalah pergerakan cepat molekul melintasi membran dengan bantuan protein membran spesifik yang disebut permease. Proses ini spesifik; berlangsung lebih cepat daripada difusi sederhana, namun memiliki batasan kecepatan pengangkutan.

Difusi terfasilitasi biasanya merupakan karakteristik zat yang larut dalam air. Sebagian besar (jika tidak semua) pengangkut membran adalah protein. Mekanisme spesifik fungsi transporter selama difusi terfasilitasi belum cukup dipelajari. Misalnya, mereka dapat memediasi transpor melalui gerakan rotasi di dalam membran. DI DALAM Akhir-akhir ini Ada informasi bahwa protein pembawa, ketika bersentuhan dengan zat yang diangkut, mengubah konformasinya, akibatnya semacam "gerbang" atau saluran terbuka di membran. Perubahan ini terjadi karena energi yang dilepaskan ketika zat yang diangkut berikatan dengan protein. Transfer tipe relai juga dimungkinkan. Dalam hal ini, pembawa itu sendiri tetap tidak bergerak, dan ion-ion bermigrasi sepanjang itu dari satu ikatan hidrofilik ke ikatan hidrofilik lainnya.

Antibiotik gramicidin dapat menjadi model vektor jenis ini. Pada lapisan lipid membran, molekul linier panjangnya berbentuk heliks dan membentuk saluran hidrofilik di mana ion K dapat bermigrasi sepanjang gradien.

Bukti eksperimental telah diperoleh mengenai keberadaan saluran alami dalam membran biologis. Protein transpor sangat spesifik untuk zat yang diangkut melalui membran, menyerupai enzim dalam banyak sifat. Mereka menunjukkan sensitivitas yang lebih besar terhadap pH, dihambat secara kompetitif oleh senyawa yang strukturnya mirip dengan zat yang diangkut, dan secara non-kompetitif oleh zat yang mengubah secara spesifik. kelompok fungsional protein.

Difusi terfasilitasi berbeda dari difusi biasa tidak hanya dalam kecepatannya, tetapi juga dalam kemampuannya untuk menjenuhkan. Peningkatan laju perpindahan zat terjadi sebanding dengan peningkatan gradien konsentrasi hanya sampai batas tertentu. Yang terakhir ini ditentukan oleh “kekuatan” pembawa.

Transpor aktif adalah pergerakan ion atau molekul melintasi membran melawan gradien konsentrasi akibat energi hidrolisis ATP. Ada tiga jenis utama transpor ion aktif:

pompa natrium-kalium - Na + /K + -adenosin trifosfatase (ATPase), yang mengangkut Na + keluar dan K + masuk;

pompa kalsium (Ca 2+) - Ca 2+ -ATPase, yang mengangkut Ca 2+ dari sel atau sitosol ke retikulum sarkoplasma;

pompa proton - H + -ATPase. Gradien ion yang dihasilkan oleh transpor aktif dapat digunakan untuk transpor aktif molekul lain, seperti beberapa asam amino dan gula (transpor aktif sekunder).

transportasi bersama adalah transpor suatu ion atau molekul yang digabungkan dengan transfer ion lain. Impor- transfer simultan kedua molekul dalam satu arah; antiport- perpindahan kedua molekul secara simultan dalam arah yang berlawanan. Jika transpor tidak berhubungan dengan transfer ion lain, proses ini disebut pelabuhan tunggal. Cotransport dimungkinkan baik selama difusi terfasilitasi maupun selama transpor aktif.

Glukosa dapat diangkut melalui difusi terfasilitasi menggunakan tipe symport. Ion Cl - dan HCO 3 - diangkut melintasi membran sel darah merah melalui difusi terfasilitasi oleh pembawa yang disebut pita 3, suatu tipe antiport. Dalam hal ini, Cl - dan HCO 3 - ditransfer dalam arah yang berlawanan, dan arah transfer ditentukan oleh gradien konsentrasi yang ada.

Transpor aktif ion melawan gradien konsentrasi memerlukan energi yang dilepaskan selama hidrolisis ATP menjadi ADP: ATP ADP + P (fosfat anorganik). Transpor aktif, serta difusi terfasilitasi, dicirikan oleh: spesifisitas, keterbatasan kecepatan maksimum (yaitu, kurva kinetik mencapai dataran tinggi) dan adanya inhibitor. Contohnya adalah transpor aktif primer yang dilakukan oleh Na + /K + - ATPase. Agar sistem antiport enzim ini berfungsi, diperlukan adanya ion Na+, K+ dan magnesium. Ia terdapat di hampir semua sel hewan, dan konsentrasinya sangat tinggi pada jaringan yang dapat dirangsang (misalnya saraf dan otot) dan pada sel yang secara aktif berpartisipasi dalam pergerakan Na+ melintasi membran plasma (misalnya, di korteks ginjal. dan kelenjar ludah).

Enzim ATPase sendiri merupakan oligomer yang terdiri dari 2 -subunit 110 kDa dan 2 -subunit glikoprotein masing-masing 55 kDa.. selama hidrolisis ATP, terjadi fosforilasi reversibel residu aspartat tertentu pada -subunit dengan pembentukan -aspartamil fosfat.. Fosforilasi memerlukan Na+ dan Mg 2+ , namun tidak memerlukan K+ , sedangkan defosforilasi memerlukan K+ , namun tidak memerlukan Na+ atau Mg 2+ . Dua keadaan konformasi kompleks protein dengan berbeda tingkat energi, yang biasanya dilambangkan dengan E 1 dan E 2, oleh karena itu disebut juga ATPase vektor tipe E 1 - E 2 . Glikosida jantung, mis. digoksin Dan ouabain, menghambat aktivitas ATPase. Karena kelarutannya yang sangat baik dalam air, ouabain banyak digunakan studi eksperimental untuk mempelajari pompa natrium.

Gagasan yang diterima secara umum tentang cara kerja Na + /K + - ATPase adalah sebagai berikut. Ion Na dan ATP bergabung dengan molekul ATPase dengan adanya Mg 2+. Pengikatan ion Na memicu reaksi hidrolisis ATP, yang menghasilkan pembentukan ADP dan bentuk enzim terfosforilasi. Fosforilasi menginduksi transisi protein enzimatik ke keadaan konformasi baru dan daerah atau daerah yang mengandung Na menjadi terkena lingkungan eksternal. Di sini, Na+ ditukar dengan K+ , karena bentuk enzim terfosforilasi dicirikan oleh afinitas tinggi terhadap ion K. Transisi terbalik enzim ke konformasi aslinya dimulai dengan eliminasi hidrolitik gugus fosforil dalam bentuk fosfat anorganik dan disertai dengan pelepasan K+ ke dalam ruang internal sel. Situs aktif enzim yang mengalami defosforilasi mampu mengikat molekul ATP baru, dan siklus berulang.

Jumlah ion K dan Na yang masuk ke dalam sel akibat pompa tidak sama. Untuk tiga ion Na yang dihilangkan, ada dua ion K yang dimasukkan dengan hidrolisis simultan satu molekul ATP. Pembukaan dan penutupan saluran pada sisi berlawanan membran dan perubahan efisiensi pengikatan Na dan K secara bergantian disediakan oleh energi hidrolisis ATP. Ion yang diangkut - Na dan K - adalah kofaktor dari reaksi enzimatik ini. Secara teoritis, kita dapat membayangkan berbagai macam pompa yang beroperasi dengan prinsip ini, meskipun saat ini hanya sedikit yang diketahui.

Transportasi glukosa. Transpor glukosa dapat terjadi berdasarkan jenis difusi terfasilitasi atau transpor aktif, dan dalam kasus pertama terjadi sebagai uniport, dalam kasus kedua - sebagai simport. Glukosa dapat diangkut ke dalam sel darah merah melalui difusi terfasilitasi. Konstanta Michaelis (Km) untuk transpor glukosa ke dalam sel darah merah adalah sekitar 1,5 mmol/L (yaitu, pada konsentrasi glukosa ini, sekitar 50% molekul permease yang tersedia akan terikat pada molekul glukosa). Karena konsentrasi glukosa dalam darah manusia adalah 4-6 mmol/l, penyerapannya oleh sel darah merah terjadi pada kecepatan yang hampir maksimal. Kekhususan permease sudah terlihat dalam kenyataan bahwa L-isomer hampir tidak diangkut ke dalam eritrosit, tidak seperti D-galaktosa dan D-mannosa, namun konsentrasi yang lebih tinggi diperlukan untuk mencapai setengah kejenuhan sistem transpor. Begitu berada di dalam sel, glukosa mengalami fosforilasi dan tidak dapat lagi keluar sel. Glukosa permease juga disebut D-heksosa permease. Ini adalah protein membran integral dengan berat molekul 45 kDa.

Glukosa juga dapat diangkut melalui sistem simport yang bergantung pada Na+ yang ditemukan di membran plasma sejumlah jaringan, termasuk tubulus ginjal dan epitel usus. Dalam hal ini, satu molekul glukosa diangkut melalui difusi terfasilitasi melawan gradien konsentrasi, dan satu ion Na diangkut sepanjang gradien konsentrasi. Keseluruhan sistem pada akhirnya berfungsi melalui fungsi pemompaan Na + /K + - ATPase. Jadi, symport adalah sistem transpor aktif sekunder. Asam amino diangkut dengan cara yang sama.

pompa Ca2+ adalah sistem transpor aktif tipe E 1 - E 2, terdiri dari protein membran integral, yang selama transfer Ca 2+, difosforilasi pada residu aspartat. Selama hidrolisis setiap molekul ATP, dua ion Ca 2+ ditransfer. Dalam sel eukariotik, Ca 2+ dapat berikatan dengan protein pengikat kalsium yang disebut menenangkan, dan seluruh kompleks berikatan dengan pompa Ca 2+. Protein pengikat Ca 2+ juga termasuk troponin C dan parvalbumin.

Ion Ca, seperti ion Na, secara aktif dikeluarkan dari sel oleh Ca 2+ -ATPase. Membran retikulum endoplasma mengandung sejumlah besar protein pompa kalsium. Rantai reaksi kimia yang menyebabkan hidrolisis ATP dan transfer Ca 2+ dapat ditulis dalam bentuk persamaan berikut:

2Ca n + ATP + E 1 Ca 2 - E - P + ADP

Ca 2 - E - P 2Ca ext + PO 4 3- + E 2

Dimana lokasi San - Ca2+ di luar;

Ca ext - Ca 2+ terletak di dalam;

E 1 dan E 2 adalah konformasi berbeda dari enzim pengangkut, transisinya dari satu ke yang lain dikaitkan dengan penggunaan energi ATP.

Sistem penghilangan aktif H+ dari sitoplasma didukung oleh dua jenis reaksi: aktivitas rantai transpor elektron (rantai redoks) dan hidrolisis ATP. Pompa H+ redoks dan hidrolitik terletak di membran yang mampu mengubah energi cahaya atau kimia menjadi energi H+ (yaitu, membran plasma prokariota, membran konjugasi kloroplas dan mitokondria). Sebagai hasil kerja H+ATPase dan/atau rantai redoks, proton ditranslokasi, dan gaya gerak proton (H+) muncul pada membran. Gradien elektrokimia ion hidrogen, seperti yang ditunjukkan oleh penelitian, dapat digunakan untuk transpor berpasangan (transportasi aktif sekunder) dari sejumlah besar metabolit - anion, asam amino, gula, dll.

Terkait dengan aktivitas membran plasma adalah yang menjamin penyerapan zat padat dan cair dengan berat molekul besar oleh sel, - fagositosis Dan pinositosis(dari Gerch. fago- Ada , pino- minum, sitos- sel). Membran sel membentuk kantong, atau invaginasi, yang menarik zat dari luar. Kemudian invaginasi tersebut terlepas dan mengelilingi tetesan lingkungan luar (pinositosis) atau partikel padat (fagositosis) dengan membran. Pinositosis diamati pada berbagai macam sel, terutama pada organ tempat proses penyerapan terjadi.