Jaką funkcję pełni błona komórkowa - jej właściwości i funkcje. Błona komórkowa

Błona komórkowa - struktura molekularna składająca się z lipidów i białek. Jego główne właściwości i funkcje:

• oddzielenie zawartości dowolnej komórki od środowiska zewnętrznego, zapewnienie jej integralności;
• kontrola i ustanowienie wymiany między środowiskiem a komórką;
• błony wewnątrzkomórkowe dzielą komórkę na specjalne przedziały: organelle lub przedziały.

Słowo „membrana” po łacinie oznacza „film”. Jeśli mówimy o błonie komórkowej, to jest to połączenie dwóch filmów, które mają różne właściwości.

Błona biologiczna obejmuje trzy rodzaje białek:

1. Peryferyjne – zlokalizowane na powierzchni folii;
2. Integralne – całkowicie przenikają przez membranę;
3. Półintegralny - jeden koniec wnika w warstwę bilipidową.

Jakie funkcje pełni błona komórkowa?

1. Ściana komórkowa to trwała błona komórkowa zlokalizowana na zewnątrz błony cytoplazmatycznej. Pełni funkcje ochronne, transportowe i strukturalne. Występuje w wielu roślinach, bakteriach, grzybach i archeonach.

2. Zapewnia funkcja bariery czyli selektywny, regulowany, aktywny i pasywny metabolizm ze środowiskiem zewnętrznym.

3. Potrafi przekazywać i przechowywać informacje, a także bierze udział w procesie reprodukcji.

4. Pełni funkcję transportową, która może transportować substancje do i z komórki przez błonę.

5. Błona komórkowa ma przewodnictwo jednokierunkowe. Dzięki temu cząsteczki wody mogą bezzwłocznie przejść przez błonę komórkową, a cząsteczki innych substancji wnikają selektywnie.

6. Za pomocą błony komórkowej pozyskiwana jest woda, tlen i składniki odżywcze, a przez nią usuwane są produkty metabolizmu komórkowego.

7. Przeprowadza metabolizm komórkowy przez błony i potrafi go przeprowadzać za pomocą 3 głównych typów reakcji: pinocytozy, fagocytozy, egzocytozy.

8. Błona zapewnia specyfikę kontaktów międzykomórkowych.

9. Błona zawiera liczne receptory zdolne do odbierania sygnałów chemicznych - mediatory, hormony i wiele innych substancji biologicznie czynnych. Ma więc moc zmiany aktywności metabolicznej komórki.

10. Podstawowe właściwości i funkcje błony komórkowej:

• Matryca
• Bariera
• Transport
• Energia
• Mechaniczny
• Enzymatyczny
• Chwytnik
• Ochronny
• Cechowanie
• Biopotencjał

Jaką funkcję pełni błona plazmatyczna w komórce?

1. Ogranicza zawartość komórki;
2. Wykonuje wejście substancji do komórki;
3. Zapewnia usunięcie szeregu substancji z komórki.

Struktura błony komórkowej

Błony komórkowe obejmują lipidy 3 klas:

• Glikolipidy;
• Fosfolipidy;
• Cholesterol.

Zasadniczo błona komórkowa składa się z białek i lipidów i ma grubość nie większą niż 11 nm. Od 40 do 90% wszystkich lipidów to fosfolipidy. Należy również zwrócić uwagę na glikolipidy, które są jednym z głównych składników błony.

Struktura błony komórkowej jest trójwarstwowa. W środku znajduje się jednorodna płynna warstwa bilipidowa, którą z obu stron pokrywają białka (jak mozaika), częściowo wnikając w jej grubość. Białka są również niezbędne, aby błona mogła przepuszczać specjalne substancje do i z komórek, które nie mogą przeniknąć przez warstwę tłuszczu. Na przykład jony sodu i potasu.

• To jest interesujące -

Struktura komórki - wideo

Ograniczający ( bariera) - oddziel zawartość komórkową od środowiska zewnętrznego;

Regulują wymianę między komórką a środowiskiem;

Dzielą komórki na przedziały lub przedziały przeznaczone dla określonych wyspecjalizowanych szlaków metabolicznych ( działowy);

Jest miejscem niektórych reakcji chemicznych (lekkie reakcje fotosyntezy w chloroplastach, fosforylacja oksydacyjna podczas oddychania w mitochondriach);

Zapewniają komunikację między komórkami w tkankach organizmów wielokomórkowych;

Transport- przeprowadza transport przezbłonowy.

Chwytnik- są umiejscowieniem miejsc receptorowych rozpoznających bodźce zewnętrzne.

Transport substancji przez membranę - jedna z wiodących funkcji membrany, zapewniająca wymianę substancji pomiędzy komórką a środowiskiem zewnętrznym. W zależności od zużycia energii na transfer substancji wyróżnia się:

transport pasywny lub ułatwiona dyfuzja;

transport aktywny (selektywny) z udziałem ATP i enzymów.

transport w opakowaniach membranowych. Wyróżnia się endocytozę (do komórki) i egzocytozę (na zewnątrz komórki) – mechanizmy transportu dużych cząstek i makrocząsteczek przez błonę. Podczas endocytozy błona komórkowa tworzy wgłębienie, jej krawędzie łączą się, a pęcherzyk zostaje uwolniony do cytoplazmy. Pęcherzyk jest oddzielony od cytoplazmy pojedynczą błoną, która jest częścią zewnętrznej błony cytoplazmatycznej. Wyróżnia się fagocytozę i pinocytozę. Fagocytoza polega na wchłanianiu dużych cząstek, które są dość twarde. Na przykład fagocytoza limfocytów, pierwotniaków itp. Pinocytoza to proces wychwytywania i wchłaniania kropelek cieczy z rozpuszczonymi w niej substancjami.

Egzocytoza to proces usuwania różnych substancji z komórki. Podczas egzocytozy błona pęcherzyka, czyli wakuoli, łączy się z zewnętrzną błoną cytoplazmatyczną. Zawartość pęcherzyka jest usuwana poza powierzchnię komórki, a błona wchodzi w skład zewnętrznej błony cytoplazmatycznej.

U źródła bierny transport cząsteczek nienaładowanych polega na różnicy pomiędzy stężeniami wodoru i ładunków, tj. gradient elektrochemiczny. Substancje będą przemieszczać się z obszaru o większym nachyleniu do obszaru o niższym nachyleniu. Prędkość transportu zależy od różnicy wzniesień.

Prosta dyfuzja to transport substancji bezpośrednio przez dwuwarstwę lipidową. Charakterystyka gazów, niepolarnych lub małych, nienaładowanych cząsteczek polarnych, rozpuszczalnych w tłuszczach. Woda szybko przenika przez dwuwarstwę, ponieważ jego cząsteczka jest mała i elektrycznie obojętna. Dyfuzja wody przez membrany nazywa się osmozą.

Dyfuzja przez kanały membranowe to transport naładowanych cząsteczek i jonów (Na, K, Ca, Cl) przenikających przez membranę dzięki obecności specjalnych białek kanałotwórczych, które tworzą pory wodne.

Dyfuzja ułatwiona to transport substancji za pomocą specjalnych białek transportowych. Każde białko odpowiada za ściśle określoną cząsteczkę lub grupę powiązanych ze sobą cząsteczek, oddziałuje z nią i przemieszcza się przez błonę. Na przykład cukry, aminokwasy, nukleotydy i inne cząsteczki polarne.

Transport aktywny przeprowadzana przez białka nośnikowe (ATPazę) wbrew gradientowi elektrochemicznemu, przy zużyciu energii. Jego źródłem są cząsteczki ATP. Na przykład sód jest pompą potasową.

Stężenie potasu wewnątrz komórki jest znacznie wyższe niż na zewnątrz, a sodu – odwrotnie. Dlatego kationy potasu i sodu biernie dyfundują przez pory wody membrany zgodnie z gradientem stężeń. Wyjaśnia to fakt, że przepuszczalność membrany dla jonów potasu jest większa niż dla jonów sodu. W związku z tym potas dyfunduje z komórki szybciej niż sód do wnętrza komórki. Jednak do prawidłowego funkcjonowania komórek niezbędny jest pewien stosunek 3 jonów potasu i 2 jonów sodu. Dlatego w membranie znajduje się pompa sodowo-potasowa, która aktywnie pompuje sód z komórki i potas do komórki. Pompa ta jest białkiem błony transbłonowej zdolnym do przegrupowań konformacyjnych. Dlatego może przyłączać do siebie zarówno jony potasu, jak i sodu (antyport). Proces jest energochłonny:

Z wewnątrz błony, jony sodu i cząsteczka ATP dostają się do białka pompy, a jony potasu pochodzą z błony zewnętrznej.

Jony sodu łączą się z cząsteczką białka, a białko nabywa aktywność ATPazy, tj. zdolność do wywoływania hydrolizy ATP, której towarzyszy uwolnienie energii napędzającej pompę.

Fosforan uwolniony podczas hydrolizy ATP przyłącza się do białka, tj. fosforyluje białko.

Fosforylacja powoduje zmiany konformacyjne w białku, które staje się niezdolne do zatrzymywania jonów sodu. Są uwalniane i wychodzą na zewnątrz komórki.

Nowa konformacja białka sprzyja przyłączaniu się do niego jonów potasu.

Dodatek jonów potasu powoduje defosforylację białka. Znów zmienia swoją konsystencję.

Zmiana konformacji białka prowadzi do uwolnienia jonów potasu do wnętrza komórki.

Białko jest ponownie gotowe do przyłączenia do siebie jonów sodu.

W jednym cyklu pracy pompa wypompowuje z ogniwa 3 jony sodu i pompuje 2 jony potasu.

Cytoplazma– obowiązkowy element komórki, znajdujący się pomiędzy aparatem powierzchniowym komórki a jądrem. Jest to złożony heterogeniczny kompleks strukturalny składający się z:

hialoplazma

organelle (stałe składniki cytoplazmy)

inkluzje są tymczasowymi składnikami cytoplazmy.

Macierz cytoplazmatyczna(hialoplazma) to wewnętrzna zawartość komórki - bezbarwny, gęsty i przezroczysty roztwór koloidalny. Składniki macierzy cytoplazmatycznej realizują w komórce procesy biosyntezy i zawierają enzymy niezbędne do produkcji energii, głównie na skutek beztlenowej glikolizy.

Podstawowe właściwości macierzy cytoplazmatycznej.

Określa właściwości koloidalne komórki. Razem z błonami wewnątrzkomórkowymi układu wakuolowego można go uznać za wysoce niejednorodny lub wielofazowy układ koloidalny.

Zapewnia zmianę lepkości cytoplazmy, przejście od żelu (grubszego) do zolu (więcej cieczy), co następuje pod wpływem czynników zewnętrznych i wewnętrznych.

Zapewnia cyklozę, ruch ameboidów, podział komórek i ruch pigmentu w chromatoforach.

Określa polaryzację lokalizacji składników wewnątrzkomórkowych.

Zapewnia właściwości mechaniczne komórek - elastyczność, zdolność do łączenia, sztywność.

Organelle– trwałe struktury komórkowe zapewniające komórce pełnienie określonych funkcji. W zależności od cech konstrukcyjnych wyróżnia się:

organelle błonowe - mają strukturę błonową. Mogą być jednobłonowe (ER, aparat Golgiego, lizosomy, wakuole komórek roślinnych). Podwójna błona (mitochondria, plastydy, jądro).

Organelle niebłonowe - nie mają struktury błonowej (chromosomy, rybosomy, centrum komórkowe, cytoszkielet).

Organelle ogólnego przeznaczenia są charakterystyczne dla wszystkich komórek: jądro, mitochondria, centrum komórkowe, aparat Golgiego, rybosomy, EPS, lizosomy. Gdy organelle są charakterystyczne dla niektórych typów komórek, nazywa się je organellami specjalnymi (na przykład miofibryle kurczące włókno mięśniowe).

Siateczka endoplazmatyczna- pojedyncza ciągła struktura, której membrana tworzy wiele wgłębień i fałd, które wyglądają jak kanaliki, mikrowakuole i duże cysterny. Błony EPS są połączone z jednej strony z błoną cytoplazmatyczną komórki, a z drugiej powłoka zewnętrzna membrana nuklearna.

Istnieją dwa rodzaje EPS – szorstki i gładki.

W szorstkim lub ziarnistym ER cysterny i kanaliki są powiązane z rybosomami. to zewnętrzna strona błony.Gładka lub ziarnista ER nie ma połączenia z rybosomami. To jest wewnętrzna strona membrany.

Komórka- samoregulująca się strukturalna i funkcjonalna jednostka tkanek i narządów. Teoria komórki strukturę narządów i tkanek opracowali Schleiden i Schwann w 1839 r. Następnie za pomocą mikroskopii elektronowej i ultrawirowania udało się wyjaśnić strukturę wszystkich głównych organelli zwierząt i komórki roślinne(ryc. 1).

Ryż. 1. Schemat budowy komórki zwierzęcej

Głównymi częściami komórki są cytoplazma i jądro. Każda komórka jest otoczona bardzo cienką błoną, która ogranicza jej zawartość.

Nazywa się błona komórkowa błona plazmatyczna i charakteryzuje się selektywną przepuszczalnością. Ta właściwość pozwala na dostarczenie niezbędnych składników odżywczych i pierwiastki chemiczne wnikają do komórki, a nadmiar produktów ją opuszcza. Błona plazmatyczna składa się z dwóch warstw cząsteczek lipidów zawierających określone białka. Głównymi lipidami błonowymi są fosfolipidy. Zawierają fosfor, polarną głowę i dwa niepolarne ogony długołańcuchowych kwasów tłuszczowych. Do lipidów błonowych zalicza się cholesterol i estry cholesterolu. Zgodnie z modelem struktury płynnej mozaiki, membrany zawierają wtrącenia cząsteczek białek i lipidów, które mogą mieszać się względem dwuwarstwy. Dla każdego rodzaju membrany dowolne komórka zwierzęca charakteryzuje się stosunkowo stałym składem lipidów.

Białka błonowe dzielą się na dwa typy w zależności od ich budowy: integralne i obwodowe. Białka obwodowe można usunąć z membrany bez jej niszczenia. Istnieją cztery rodzaje białek błonowych: białka transportowe, enzymy, receptory i białka strukturalne. Niektóre białka błonowe wykazują aktywność enzymatyczną, inne wiążą pewne substancje i ułatwiają ich transport do komórki. Białka zapewniają kilka ścieżek przemieszczania się substancji przez błony: tworzą duże pory składające się z kilku podjednostek białkowych, które umożliwiają cząsteczkom wody i jonom przemieszczanie się między komórkami; tworzą kanały jonowe wyspecjalizowane w przemieszczaniu się określonych typów jonów przez membranę w określonych warunkach. Białka strukturalne są związane z wewnętrzną warstwą lipidową i stanowią cytoszkielet komórki. Cytoszkielet zapewnia wytrzymałość mechaniczną błonie komórkowej. W różnych błonach białka stanowią od 20 do 80% masy. Białka błonowe mogą swobodnie poruszać się w płaszczyźnie bocznej.

Błona zawiera również węglowodany, które mogą być kowalencyjnie związane z lipidami lub białkami. Istnieją trzy rodzaje węglowodanów błonowych: glikolipidy (gangliozydy), glikoproteiny i proteoglikany. Większość lipidów błonowych występuje w stanie ciekłym i ma pewną płynność, tj. możliwość przemieszczania się z jednego obszaru do drugiego. Po zewnętrznej stronie błony znajdują się miejsca receptorowe, które wiążą różne hormony. Inne specyficzne obszary błony nie są w stanie rozpoznać i związać pewnych białek i różnych biologicznie aktywnych związków, które są obce tym komórkom.

Wewnętrzna przestrzeń komórki wypełniona jest cytoplazmą, w której zachodzi większość enzymatycznie katalizowanych reakcji metabolizmu komórkowego. Cytoplazma składa się z dwóch warstw: wewnętrznej, zwanej endoplazmą, i obwodowej, ektoplazmy, która charakteryzuje się dużą lepkością i jest pozbawiona ziarnistości. Cytoplazma zawiera wszystkie składniki komórki lub organelli. Najważniejszymi organellami komórkowymi są siateczka śródplazmatyczna, rybosomy, mitochondria, aparat Golgiego, lizosomy, mikrofilamenty i mikrotubule, peroksysomy.

Siateczka endoplazmatyczna to system połączonych ze sobą kanałów i wnęk, które przenikają całą cytoplazmę. Zapewnia transport substancji z środowisko i wewnątrz komórek. Siateczka śródplazmatyczna służy również jako magazyn wewnątrzkomórkowych jonów Ca 2+ i służy jako główne miejsce syntezy lipidów w komórce.

Rybosomy - mikroskopijne kuliste cząstki o średnicy 10-25 nm. Rybosomy są swobodnie umiejscowione w cytoplazmie lub przyczepione do zewnętrznej powierzchni błon retikulum endoplazmatycznego i błona jądrowa. Oddziałują z informacyjnym i transportowym RNA, zachodzi w nich synteza białek. Syntetyzują białka, które dostają się do cystern lub aparatu Golgiego, a następnie są uwalniane na zewnątrz. Rybosomy, swobodnie zlokalizowane w cytoplazmie, syntetyzują białko do wykorzystania przez samą komórkę, a rybosomy związane z retikulum endoplazmatycznym wytwarzają białko, które jest wydalane z komórki. Rybosomy syntetyzują różne białka funkcjonalne: białka nośnikowe, enzymy, receptory, białka cytoszkieletowe.

Aparat Golgiego utworzone przez system kanalików, cystern i pęcherzyków. Jest związany z retikulum endoplazmatycznym i przybywającymi tu biologicznie substancje czynne przechowywany w postaci zwartej w pęcherzykach wydzielniczych. Te ostatnie są stale oddzielane od aparatu Golgiego, transportowane do błony komórkowej i łączą się z nią, a substancje zawarte w pęcherzykach są usuwane z komórki w procesie egzocytozy.

Lizosomy - cząsteczki otoczone membraną o wielkości 0,25-0,8 mikrona. Zawierają liczne enzymy biorące udział w rozkładaniu białek, polisacharydów, tłuszczów, kwasów nukleinowych, bakterii i komórek.

Peroksysomy utworzone z gładkiej siateczki śródplazmatycznej, przypominają lizosomy i zawierają enzymy katalizujące rozkład nadtlenku wodoru, który rozkłada się pod wpływem peroksydaz i katalazy.

Mitochondria zawierają błonę zewnętrzną i wewnętrzną i są „stacją energetyczną” komórki. Mitochondria to okrągłe lub wydłużone struktury z podwójną błoną. Błona wewnętrzna tworzy fałdy wystające do mitochondriów - cristae. Zachodzi w nich synteza ATP, utlenianie substratów cyklu Krebsa i wielu biologicznych reakcje chemiczne. Cząsteczki ATP wytwarzane w mitochondriach dyfundują do wszystkich części komórki. Mitochondria zawierają niewielką ilość DNA, RNA i rybosomów i przy ich udziale następuje odnowa i synteza nowych mitochondriów.

Mikrofilamenty Są to cienkie włókna białkowe składające się z miozyny i aktyny, tworzące aparat kurczliwy komórki. Mikrofilamenty biorą udział w tworzeniu fałd lub wypukłości błony komórkowej, a także w ruchu różnych struktur w komórkach.

Mikrotubule stanowią podstawę cytoszkieletu i zapewniają jego wytrzymałość. Cytoszkielet nadaje komórkom ich charakterystykę wygląd i kształt, służy jako miejsce przyłączania organelli wewnątrzkomórkowych i różnych ciał. W komórkach nerwowych wiązki mikrotubul biorą udział w transporcie substancji z ciała komórki do końcówek aksonów. Przy ich udziale wrzeciono mitotyczne funkcjonuje podczas podziału komórki. Pełnią rolę elementów motorycznych kosmków i wici u eukariontów.

Rdzeń jest główną strukturą komórki, uczestniczy w przekazywaniu cech dziedzicznych oraz w syntezie białek. Jądro otoczone jest błoną jądrową zawierającą wiele porów jądrowych, przez które następuje wymiana różnych substancji pomiędzy jądrem a cytoplazmą. Wewnątrz znajduje się jąderko. Ustalono ważną rolę jąderka w syntezie rybosomalnego RNA i białek histonowych. Pozostałe części jądra zawierają chromatynę składającą się z DNA, RNA i szeregu specyficznych białek.

Funkcje błony komórkowej

Błony komórkowe odgrywają kluczową rolę w regulacji metabolizmu wewnątrzkomórkowego i międzykomórkowego. Mają selektywną przepuszczalność. Ich specyficzna budowa pozwala im pełnić funkcje barierowe, transportowe i regulacyjne.

Funkcja bariery objawia się ograniczeniem przenikania przez membranę związków rozpuszczonych w wodzie. Membrana jest nieprzepuszczalna dla dużych cząsteczek białka i anionów organicznych.

Funkcja regulacyjna Celem błon komórkowych jest regulacja metabolizmu wewnątrzkomórkowego w odpowiedzi na wpływy chemiczne, biologiczne i mechaniczne. Specjalne receptory błonowe odbierają różne wpływy, co powoduje późniejszą zmianę aktywności enzymu.

Funkcja transportowa przez błony biologiczne może odbywać się w sposób pasywny (dyfuzja, filtracja, osmoza) lub przy wykorzystaniu transportu aktywnego.

Dyfuzja - ruch gazu lub substancji rozpuszczalnej wzdłuż gradientu stężenia i elektrochemicznego. Szybkość dyfuzji zależy od przepuszczalności błony komórkowej, a także gradientu stężenia dla cząstek nienaładowanych oraz gradientu elektrycznego i stężenia dla cząstek naładowanych. Prosta dyfuzja zachodzi poprzez dwuwarstwę lipidową lub kanały. Cząstki naładowane poruszają się zgodnie z gradientem elektrochemicznym, a cząstki nienaładowane poruszają się zgodnie z gradientem chemicznym. Na przykład tlen, hormony steroidowe, mocznik, alkohol itp. przenikają przez warstwę lipidową membrany na drodze prostej dyfuzji. Przez kanały przemieszczają się różne jony i cząstki. Kanały jonowe są utworzone przez białka i dzielą się na kanały bramkowane i niebramkowane. W zależności od selektywności rozróżnia się kable jonoselektywne, które przepuszczają tylko jeden jon, oraz kanały, które nie mają selektywności. Kanały posiadają kryzę i filtr selektywny, a kanały sterowane posiadają mechanizm bramkowy.

Ułatwiona dyfuzja - proces, w którym substancje są transportowane przez błonę przy użyciu specjalnych białek transportujących przez błonę. W ten sposób aminokwasy i monosacharydy przedostają się do wnętrza komórki. Ten rodzaj transportu odbywa się bardzo szybko.

Osmoza - przepływ wody przez membranę z roztworu o niższym ciśnieniu osmotycznym do roztworu o wyższym ciśnieniu osmotycznym.

Transport aktywny - transport substancji wbrew gradientowi stężeń za pomocą ATPaz transportowych (pompy jonowe). Transfer ten następuje wraz z wydatkiem energii.

W większym stopniu zbadano pompy Na + /K + -, Ca 2+ - i H + -. Pompy znajdują się na błonach komórkowych.

Rodzaj transportu aktywnego to endocytoza I egzocytoza. Dzięki tym mechanizmom transportowane są większe substancje (białka, polisacharydy, kwasy nukleinowe), które nie mogą być transportowane kanałami. Ten transport jest bardziej powszechny w komórki nabłonkowe jelita, kanaliki nerkowe, śródbłonek naczyniowy.

Na W endocytozie błony komórkowe tworzą wgłębienia w komórce, które po uwolnieniu zamieniają się w pęcherzyki. Podczas egzocytozy pęcherzyki wraz z zawartością przedostają się do błony komórkowej i łączą się z nią, a zawartość pęcherzyków uwalniana jest do środowiska zewnątrzkomórkowego.

Budowa i funkcje błony komórkowej

Zrozumieć procesy zapewniające byt potencjały elektryczne w żywych komórkach przede wszystkim trzeba sobie wyobrazić strukturę błony komórkowej i jej właściwości.

Obecnie najszerzej akceptowanym jest model ciekłej mozaiki membrany, zaproponowany przez S. Singera i G. Nicholsona w 1972 roku. Membrana zbudowana jest z podwójnej warstwy fosfolipidów (dwuwarstwy), której hydrofobowe fragmenty cząsteczki zanurzone w grubości membrany, a polarne grupy hydrofilowe są zorientowane na zewnątrz, tj. w otoczenie środowisko wodne(ryc. 2).

Białka błonowe są zlokalizowane na powierzchni błony lub mogą być osadzone na różnej głębokości w strefie hydrofobowej. Niektóre białka rozciągają się przez błonę, a po obu stronach błony komórkowej znajdują się różne grupy hydrofilowe tego samego białka. Białka znajdujące się w błonie komórkowej odgrywają bardzo ważną rolę ważna rola: biorą udział w tworzeniu kanałów jonowych, pełnią rolę pomp membranowych i transporterów różnych substancji, mogą także pełnić funkcję receptorową.

Główne funkcje błony komórkowej: barierowa, transportowa, regulacyjna, katalityczna.

Funkcja bariery polega na ograniczeniu dyfuzji związków rozpuszczalnych w wodzie przez błonę, co jest niezbędne do ochrony komórek przed obcymi, toksycznymi substancjami i utrzymania w miarę stałej zawartości różnych substancji wewnątrz komórek. W ten sposób błona komórkowa może spowolnić dyfuzję różnych substancji od 100 000 do 10 000 000 razy.

Ryż. 2. Trójwymiarowy diagram modelu płynnej mozaiki membrany Singera-Nicholsona

Pokazano kuliste białka integralne osadzone w dwuwarstwie lipidowej. Niektóre białka są kanałami jonowymi, inne (glikoproteiny) zawierają boczne łańcuchy oligosacharydowe, które biorą udział w rozpoznawaniu komórek między sobą oraz w tkance międzykomórkowej. Cząsteczki cholesterolu przylegają ściśle do głów fosfolipidów i mocują sąsiednie odcinki „ogonów”. Wewnętrzne odcinki ogonów cząsteczki fosfolipidów nie są ograniczone w swoim ruchu i odpowiadają za płynność błony (Bretscher, 1985)

W membranie znajdują się kanały, przez które przenikają jony. Kanały mogą być zależne od napięcia lub niezależne od potencjału. Kanały zależne od napięcia otwierają się, gdy zmienia się różnica potencjałów, oraz potencjalnie niezależny(regulowane przez hormony) otwierają się, gdy receptory wchodzą w interakcję z substancjami. Kanały można otwierać i zamykać dzięki bramkom. W membranę wbudowane są dwa rodzaje bramek: aktywacja(głęboko w kanale) i inaktywacja(na powierzchni kanału). Brama może znajdować się w jednym z trzech stanów:

• stan otwarty (oba typy bramek są otwarte);
• stan zamknięty (brama aktywacji zamknięta);
• stan inaktywacji (bramka inaktywacji zamknięta).

Inny cecha charakterystyczna błony to zdolność do selektywnego transportu jonów nieorganicznych, składników odżywczych i różne produkty giełda. Istnieją systemy pasywnego i aktywnego przenoszenia (transportu) substancji. Bierny transport odbywa się poprzez kanały jonowe z udziałem białek nośnikowych lub bez nich siła napędowa jest różnicą potencjałów elektrochemicznych jonów pomiędzy przestrzenią wewnątrz- i zewnątrzkomórkową. O selektywności kanałów jonowych decydują ich parametry geometryczne oraz charakter chemiczny grup wyściełających ściany kanału i jego ujście.

Obecnie najlepiej zbadanymi kanałami są te, które są selektywnie przepuszczalne dla jonów Na+, K+, Ca 2+, a także dla wody (tzw. akwaporyny). Według różnych badań średnica kanałów jonowych wynosi 0,5-0,7 nm. Pojemność kanału może być różna; przez jeden kanał jonowy może przejść 10 7 - 10 8 jonów na sekundę.

Aktywny transport odbywa się z wydatkiem energii i odbywa się za pomocą tzw. pomp jonowych. Pompy jonowe to molekularne struktury białkowe osadzone w membranie, które transportują jony w kierunku wyższego potencjału elektrochemicznego.

Pompy działają wykorzystując energię hydrolizy ATP. Obecnie Na+/K+ - ATPaza, Ca 2+ - ATPaza, H + - ATPaza, H + /K + - ATPaza, Mg 2+ - ATPaza, które zapewniają ruch odpowiednio jonów Na +, K +, Ca 2+ , zostały dobrze zbadane, H+, Mg 2+ izolowane lub sprzężone (Na+ i K+; H+ i K+). Molekularny mechanizm aktywnego transportu nie jest w pełni poznany.

Membrany pełnią wiele różnych funkcji:

błony określają kształt organelli lub komórki;

bariera: kontrolować wymianę substancji rozpuszczalnych (na przykład jonów Na +, K +, Cl -) pomiędzy przedziałami wewnętrznymi i zewnętrznymi;

energia: synteza ATP na wewnętrznych błonach mitochondriów i fotosynteza na błonach chloroplastów; tworzą powierzchnię, na której zachodzą reakcje chemiczne (fosforylacja na błonach mitochondriów);

są strukturą zapewniającą rozpoznawanie sygnałów chemicznych (receptory hormonów i neuroprzekaźników znajdują się na błonie);

odgrywają rolę w interakcjach międzykomórkowych i promują ruch komórek.

Transport przez membranę. Membrana posiada selektywną przepuszczalność substancji rozpuszczalnych, co jest niezbędne do:

oddzielenie komórki od środowiska zewnątrzkomórkowego;

zapewnienie wnikania do komórki i zatrzymywania niezbędnych cząsteczek (takich jak lipidy, glukoza i aminokwasy), a także usuwania z komórki produktów przemiany materii (w tym zbędnych);

utrzymanie transbłonowego gradientu jonów.

Organelle wewnątrzkomórkowe mogą również mieć selektywnie przepuszczalną błonę. Przykładowo w lizosomach błona utrzymuje stężenie jonów wodorowych (H+) 1000-10000 razy wyższe niż w cytozolu.

Transport przez membranę może być bierny, rozjaśniony Lub aktywny.

Transport pasywny- jest to ruch cząsteczek lub jonów wzdłuż gradientu stężenia lub elektrochemicznego. Może to być prosta dyfuzja, jak w przypadku przenikania gazów (na przykład O 2 i CO 2) lub prostych cząsteczek (etanolu) przez błonę plazmatyczną. W przypadku prostej dyfuzji małe cząsteczki rozpuszczone w płynie zewnątrzkomórkowym są kolejno rozpuszczane w błonie, a następnie w płynie wewnątrzkomórkowym. Proces ten jest niespecyficzny, a szybkość przenikania przez membranę zależy od stopnia hydrofobowości cząsteczki, czyli jej rozpuszczalności w tłuszczach. Szybkość dyfuzji przez dwuwarstwę lipidową jest wprost proporcjonalna do hydrofobowości, jak również do gradientu stężenia transbłonowego lub gradientu elektrochemicznego.

Ułatwiona dyfuzja to szybki ruch cząsteczek przez błonę za pomocą specyficznych białek błonowych zwanych permeazami. Proces ten jest specyficzny, przebiega szybciej niż zwykła dyfuzja, ma jednak ograniczoną prędkość transportu.

Ułatwiona dyfuzja jest zwykle charakterystyczna dla substancji rozpuszczalnych w wodzie. Większość (jeśli nie wszystkie) transporterów błonowych to białka. Specyficzny mechanizm funkcjonowania transporterów podczas dyfuzji ułatwionej nie został dostatecznie zbadany. Mogą na przykład pośredniczyć w transporcie poprzez ruch obrotowy w membranie. W Ostatnio Pojawiła się informacja, że ​​białka nośnikowe w kontakcie z transportowaną substancją zmieniają swoją konformację, w wyniku czego w błonie otwiera się swego rodzaju „brama”, czyli kanał. Zmiany te zachodzą pod wpływem energii uwalnianej podczas wiązania transportowanej substancji z białkiem. Możliwe są także transfery typu przekaźnikowego. W tym przypadku sam nośnik pozostaje nieruchomy, a jony migrują wzdłuż niego z jednego wiązania hydrofilowego do drugiego.

Antybiotyk gramicydyna może służyć jako model dla tego typu wektora. W warstwie lipidowej membrany jej długa liniowa cząsteczka przyjmuje kształt helisy i tworzy hydrofilowy kanał, przez który jon K może migrować wzdłuż gradientu.

Uzyskano eksperymentalne dowody na istnienie naturalnych kanałów w błonach biologicznych. Białka transportowe są wysoce specyficzne dla substancji transportowanej przez błonę, pod wieloma względami przypominające enzymy. Wykazują większą wrażliwość na pH, są hamowane konkurencyjnie przez związki o strukturze podobnej do transportowanej substancji, a niekonkurencyjnie przez środki zmieniające się specyficznie grupy funkcyjne białka.

Dyfuzja ułatwiona różni się od dyfuzji zwykłej nie tylko szybkością, ale także zdolnością do nasycania. Wzrost szybkości przenoszenia substancji następuje proporcjonalnie do wzrostu gradientu stężeń tylko do pewnych granic. O tym ostatnim decyduje „moc” przewoźnika.

Transport aktywny to ruch jonów lub cząsteczek przez błonę wbrew gradientowi stężeń pod wpływem energii hydrolizy ATP. Istnieją trzy główne typy aktywnego transportu jonów:

pompa sodowo-potasowa – Na+/K+-adenozynotrifosfataza (ATPaza), która transportuje Na+ na zewnątrz i K+ do środka;

pompa wapniowa (Ca 2+) - Ca 2+ -ATPaza, która transportuje Ca 2+ z komórki lub cytozolu do siateczki sarkoplazmatycznej;

pompa protonowa - H + -ATPaza. Gradienty jonów powstałe w wyniku transportu aktywnego można wykorzystać do aktywnego transportu innych cząsteczek, takich jak niektóre aminokwasy i cukry (wtórny transport aktywny).

Współtransport oznacza transport jonu lub cząsteczki połączony z przeniesieniem innego jonu. Simport- jednoczesne przeniesienie obu cząsteczek w jednym kierunku; antyport- jednoczesne przeniesienie obu cząsteczek w przeciwnych kierunkach. Jeżeli transport nie jest związany z przeniesieniem innego jonu, proces ten nazywa się jednoportowy. Współtransport możliwy jest zarówno podczas dyfuzji ułatwionej, jak i podczas transportu aktywnego.

Transport glukozy może odbywać się poprzez dyfuzję ułatwioną, wykorzystującą rodzaj symportu. Jony Cl - i HCO 3 - są transportowane przez błonę krwinek czerwonych na drodze ułatwionej dyfuzji przez nośnik zwany pasmem 3, typu antyportowego. W tym przypadku Cl - i HCO 3 - przenoszone są w przeciwnych kierunkach, a kierunek przenoszenia wyznacza panujący gradient stężeń.

Aktywny transport jonów wbrew gradientowi stężeń wymaga energii uwolnionej podczas hydrolizy ATP do ADP: ATP ADP + P (fosforan nieorganiczny). Transport aktywny, a także dyfuzja ułatwiona charakteryzuje się: swoistością, ograniczeniem prędkości maksymalnej (czyli krzywa kinetyczna osiąga plateau) oraz obecnością inhibitorów. Przykładem jest podstawowy transport aktywny realizowany przez Na+/K+-ATPazę. Do funkcjonowania tego enzymatycznego układu antyportowego konieczna jest obecność jonów Na+, K+ i magnezu. Jest obecny praktycznie we wszystkich komórkach zwierzęcych, a jego stężenie jest szczególnie wysokie w tkankach pobudliwych (na przykład nerwach i mięśniach) oraz w komórkach, które aktywnie uczestniczą w przemieszczaniu się Na + przez błonę komórkową (na przykład w korze nerek i ślinianki).

Sam enzym ATPaza jest oligomerem składającym się z 2 podjednostek o masie 110 kDa i 2 podjednostek glikoproteiny o masie 55 kDa każda. Podczas hydrolizy ATP następuje odwracalna fosforylacja pewnej reszty asparaginianowej na podjednostce - z utworzeniem -aspartamylu fosforan. Fosforylacja wymaga Na + i Mg 2+ , ale nie K + , podczas gdy defosforylacja wymaga K + , ale nie Na + i Mg 2+ . Dwa różne stany konformacyjne kompleksu białkowego poziom energii, które są zwykle oznaczone jako E 1 i E 2, dlatego nazywa się ją również ATPazą wektor typu E 1 - E 2 . Glikozydy nasercowe, m.in. digoksyna I ouabain, hamują aktywność ATPazy.Ouabaina, ze względu na doskonałą rozpuszczalność w wodzie, jest szeroko stosowana w badaniach eksperymentalnych w celu badania pompy sodowej.

Ogólnie przyjęta koncepcja działania Na+/K+-ATPazy jest następująca. Jony Na i ATP łączą się z cząsteczką ATPazy w obecności Mg 2+. Wiązanie jonów Na powoduje reakcję hydrolizy ATP, w wyniku której powstaje ADP i fosforylowana forma enzymu. Fosforylacja indukuje przejście białka enzymatycznego do nowego stanu konformacyjnego, a region lub regiony zawierające Na zostają wystawione na działanie środowiska zewnętrznego. Tutaj Na + zostaje zamieniony na K + , ponieważ ufosforylowana forma enzymu charakteryzuje się dużym powinowactwem do jonów K. Odwrotne przejście enzymu do jego pierwotnej konformacji inicjowane jest przez hydrolityczną eliminację grupy fosforylowej w postaci nieorganicznego fosforanu i towarzyszy mu uwolnienie K + do wewnętrznej przestrzeni komórki. Defosforylowane miejsce aktywne enzymu jest w stanie przyłączyć nową cząsteczkę ATP i cykl się powtarza.

Ilości jonów K i Na dostających się do ogniwa w wyniku działania pompy nie są równe. Na trzy usunięte jony Na wprowadzane są dwa jony K z jednoczesną hydrolizą jednej cząsteczki ATP. Otwieranie i zamykanie kanałów po przeciwnych stronach membrany oraz naprzemienna zmiana efektywności wiązania Na i K zapewnia energia hydrolizy ATP. Transportowane jony – Na i K – są kofaktorami tej reakcji enzymatycznej. Teoretycznie można sobie wyobrazić różne pompy działające na tej zasadzie, chociaż obecnie znanych jest tylko kilka z nich.

Transport glukozy. Transport glukozy może odbywać się metodą dyfuzji ułatwionej lub transportu aktywnego i w pierwszym przypadku odbywa się jako uniport, w drugim jako symport. Glukoza może być transportowana do czerwonych krwinek poprzez ułatwioną dyfuzję. Stała Michaelisa (Km) transportu glukozy do czerwonych krwinek wynosi około 1,5 mmol/l (co oznacza, że ​​przy tym stężeniu glukozy około 50% dostępnych cząsteczek permeazy zostanie związanych z cząsteczkami glukozy). Ponieważ stężenie glukozy w ludzkiej krwi wynosi 4-6 mmol/l, jej wchłanianie przez czerwone krwinki następuje niemal z maksymalną szybkością. Specyficzność permeazy objawia się już tym, że izomer L prawie nie jest transportowany do erytrocytów w przeciwieństwie do D-galaktozy i D-mannozy, lecz do osiągnięcia półnasycenia układu transportowego wymagane są wyższe stężenia. Po wejściu do komórki glukoza ulega fosforylacji i nie może już opuścić komórki. Permeaza glukozowa jest również nazywana permeazą D-heksozową. Jest integralnym białkiem błonowym o masie cząsteczkowej 45 kDa.

Glukoza może być również transportowana przez zależny od Na+ układ symportowy znajdujący się w błonach plazmatycznych wielu tkanek, w tym kanalików nerkowych i nabłonka jelitowego. W tym przypadku jedna cząsteczka glukozy jest transportowana na drodze dyfuzji ułatwionej wbrew gradientowi stężeń, a jeden jon Na jest transportowany wzdłuż gradientu stężeń. Cały system ostatecznie działa poprzez funkcję pompowania Na + /K + - ATPazy. Zatem symport jest wtórnym aktywnym systemem transportu. Aminokwasy transportowane są w podobny sposób.

Pompa Ca2+ to aktywny układ transportowy typu E 1 - E 2, składający się z integralnego białka błonowego, które podczas przenoszenia Ca 2+ ulega fosforylacji na reszcie asparaginianowej. Podczas hydrolizy każdej cząsteczki ATP przenoszone są dwa jony Ca 2+. W komórkach eukariotycznych Ca 2+ może wiązać się z białkiem wiążącym wapń, zwanym kalmodulina, a cały kompleks wiąże się z pompą Ca 2+. Białka wiążące Ca2+ obejmują także troponinę C i parwalbuminę.

Jony Ca, podobnie jak jony Na, są aktywnie usuwane z komórek przez Ca 2+ -ATPazę. Błony siateczki śródplazmatycznej zawierają szczególnie duże ilości białka pompy wapniowej. Łańcuch reakcji chemicznych prowadzących do hydrolizy ATP i przeniesienia Ca 2+ można zapisać w postaci następujących równań:

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

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

Gdzie na zewnątrz znajduje się San - Ca2+;

Ca ext - Ca 2+ znajdujący się wewnątrz;

E 1 i E 2 to różne konformacje enzymu transportowego, których przejście z jednego do drugiego wiąże się z wykorzystaniem energii ATP.

System aktywnego usuwania H + z cytoplazmy wspomagany jest przez dwa rodzaje reakcji: aktywność łańcucha transportu elektronów (łańcuch redoks) i hydrolizę ATP. Zarówno pompy redoks, jak i hydrolityczne H + znajdują się w błonach zdolnych do przekształcania energii świetlnej lub chemicznej w energię H + (to znaczy błonach plazmatycznych prokariotów, błonach koniugujących chloroplastów i mitochondriów). W wyniku działania H+ATPazy i/lub łańcucha redoks protony ulegają translokacji, a na membranie pojawia się protonowa siła napędowa (H+). Jak pokazują badania, gradient elektrochemiczny jonów wodorowych można wykorzystać do transportu sprzężonego (wtórnego transportu aktywnego) dużej liczby metabolitów - anionów, aminokwasów, cukrów itp.

Z działaniem błony komórkowej związane są te, które zapewniają wchłanianie przez komórkę substancji stałych i ciekłych o dużej masie cząsteczkowej, - fagocytoza I pinocytoza(z Gercha. fagos- Jest , pino- napój, cytozy- komórka). Błona komórkowa tworzy kieszenie, czyli wgłębienia, które pobierają substancje z zewnątrz. Następnie takie wgłębienia oddzielają się i otaczają błoną kropelkę środowiska zewnętrznego (pinocytoza) lub cząstki stałe (fagocytoza). Pinocytozę obserwuje się w wielu różnych komórkach, zwłaszcza w narządach, w których zachodzą procesy wchłaniania.