14.3: Фосфоліпіди в клітинних мембранах

Коли ви йдете до стоматолога, щоб витягнути зуб, ви дійсно не хочете відчувати ніякого болю. Стоматолог вводить анестетик в ясна, і він в кінцевому підсумку оніміє. Одна теорія про те, чому анестетики працюють, стосується руху іонів через клітинну мембрану. Анестетик потрапляє в мембранну структуру і викликає зрушення в тому, як іони рухаються по мембрані. Якщо рух іонів порушено, нервові імпульси передаватися не будуть і ви не відчуєте болю – по крайней мере, до тих пір, поки знеболюючий засіб не зійде.

Фосфоліпіди

Фосфоліпід – це ліпідний, який містить фосфатну групу і є основним компонентом клітинних мембран. Фосфоліпідний складається з гідрофільної (водолюбної) головки і гідрофобного (водобоязного) хвоста (див. Малюнок нижче). Фосфоліпідний по суті є тригліцеридом, в якому жирна кислота була замінена фосфатною групою якогось роду.

Малюнок \(\PageIndex\) : Фосфоліпід складається з голови і хвоста. «Голова» молекули містить фосфатну групу і є гідрофільною, що означає, що вона буде розчинятися у воді. «Хвіст» молекули складається з двох жирних кислот, які є гідрофобними і не розчиняються у воді.

Дотримуючись правила «подібне розчиняється як», гідрофільна головка молекули фосфоліпідів легко розчиняється у воді. Довгі ланцюги жирних кислот фосфоліпідів неполярні і, таким чином, уникають води через їх нерозчинність. У воді фосфоліпіди спонтанно утворюють подвійний шар, званий ліпідним бішаром, в якому гідрофобні хвости молекул фосфоліпідів затиснуті між двома шарами гідрофільних головок (див. Малюнок нижче). Таким чином, під вплив води піддаються тільки головки молекул, в той час як гідрофобні хвости взаємодіють тільки один з одним.

Малюнок \(\PageIndex\) : У водному розчині фосфоліпіди утворюють бішар, де гідрофобні хвости спрямовані один до одного на внутрішній стороні, і тільки гідрофільні головки піддаються впливу води.

Фосфоліпідні бішари є критичними компонентами клітинних мембран. Ліпідний бішар діє як бар’єр для проходження молекул і іонів всередину і з клітини. Однак важливою функцією клітинної мембрани є забезпечення вибіркового проходження певних речовин всередину і з клітин. Це досягається шляхом вбудовування різних білкових молекул в ліпідний бішар і через нього (див. Малюнок нижче). Ці білки утворюють канали, по яких здатні переміщатися певні специфічні іони і молекули. Багато мембранних білків також містять прикріплені вуглеводи на зовнішній стороні ліпідного бішару, що дозволяє йому утворювати водневі зв’язки з водою.

Рисунок \(\PageIndex\) : Фосфоліпідний бішар клітинної мембрани містить вбудовані молекули білка, які дозволяють селективно проходити іони і молекули через мембрану.

Дописувачі та атрибуція

Структура та функції клітинної мембрани (плазматичної мембрани).

Що таке клітинна мембрана або плазматична мембрана?

• Команда осередок Мембрана, яку часто називають плазматичною мембраною або плазмалемою, є життєво важливим компонентом як прокаріотичних, так і еукаріотичних клітин. Ця біологічна мембрана служить захисним бар’єром, ретельно відокремлюючи внутрішню частину клітини від зовнішнього середовища. Тому він відіграє ключову роль у підтримці цілісності внутрішніх компонентів клітини.
• Клітинна мембрана складається в основному з подвійного ліпідного шару і має два шари фосфоліпідів, вкраплених холестерином. Ці холестерини є важливими ліпідними компонентами, які забезпечують збереження текучості мембрани при різних температурах.
• Окрім ліпідів, мембрана також збагачена білками, включаючи інтегральні білки, які проходять через мембрану та діють як транспортери. Крім того, є периферичні білки, які нещільно прилягають до зовнішньої поверхні мембрани, функціонуючи як ферменти і полегшення взаємодії з навколишнім середовищем. Крім того, гліколіпіди, вбудовані в зовнішній ліпідний шар, відіграють вирішальну роль у цій взаємодії.
• Однією з найважливіших функцій клітинної мембрани є її здатність регулювати рух молекул. Будучи вибірково проникним, він контролює проходження іонів і органічних молекул, гарантуючи, що тільки певні речовини можуть увійти або вийти з клітини. Ця селективна проникність життєво важлива для підтримки клітини гомеостазу і здоров’я в цілому.
• Крім того, клітинна мембрана бере активну участь у численних клітинних процесах. Наприклад, він відіграє важливу роль у клітинній адгезії, забезпечуючи з’єднання клітин для формування тканин. Це також сприяє іонній провідності та клітинній сигналізації.
• Мембрана служить точкою прикріплення для різних позаклітинних структур, таких як Клітинна стінка і багатий вуглеводами шар, відомий як глікокалікс. Всередині він з’єднується з цитоскелетом, мережею білкових волокон, відповідальних за підтримку форми та структури клітини.
• У царині синтетичної біології були досягнуті досягнення, коли клітинні мембрани можна штучно реконструювати. Проте, природна чи синтетична, основна мета клітинної мембрани незмінна: захищати клітину та регулювати взаємодію з навколишнім середовищем.
• Тому розуміння складу та функцій клітинної мембрани має першочергове значення в галузі біології. Він не лише дає уявлення про роботу клітини, але також пропонує основу для прогресу в дослідженнях медичної та синтетичної біології.

Визначення клітинної мембрани або плазматичної мембрани

Клітинна мембрана, також відома як плазматична мембрана, є напівпроникним біологічним бар’єром, який оточує та захищає внутрішню частину клітини від зовнішнього середовища, регулюючи проходження молекул у клітину та з неї.

Склад клітинної мембрани

Компоненти плазматичної мембрани | Джерело зображення: https://www.britannica.com/science/cell-membrane

Клітинна мембрана, яку часто називають плазматичною мембраною, є ключовим компонентом клітини, що забезпечує як структурну підтримку, так і функціональну регуляцію. Його склад складний, складається із суміші ліпідів, білків і вуглеводів. Тут ми заглибимося в детальний склад клітинної мембрани:

Приклади основних мембранних фосфоліпідів і гліколіпідів: фосфатидилхолін (PtdCho), фосфатидилетаноламін (PtdEtn), фосфатидилінозитол (PtdIns), фосфатидилсерин (PtdSer).

1. Ліпіди:
   • Ліпіди в основному утворюють структурний каркас клітинної мембрани. Найпомітнішим типом ліпідів у клітинній мембрані є фосфоліпід. Ці молекули розташовані у вигляді подвійного шару, причому їх гідрофільні (притягують воду) головки звернені до водного середовища як всередині, так і поза клітиною, а їхні гідрофобні (водовідштовхувальні) хвостики спрямовані всередину, подалі від води. Ця двошарова структура є напівпроникною, що забезпечує вибіркове проходження молекул.
   • Холестерин є ще одним життєво важливим ліпідним компонентом, що міститься в клітинних мембранах тварин. Розташований стратегічно між молекулами фосфоліпідів, холестерин не дає фосфоліпідам ущільнюватися один до одного, гарантуючи, що мембрана залишається рідкою та гнучкою.
2. Білки:
   • Білки є ключовими для функціонування клітинної мембрани. Їх можна розділити на такі категорії:
     • Інтегральні мембранні білки: їх часто називають внутрішніми білками, вони постійно вбудовані в мембрану. Їхні гідрофобні ділянки проникають у бішар фосфоліпідів, міцно закріплюючи їх на мембрані. Ці білки відіграють роль у транспорті, діючи як канали або носії для молекул, які проходять через мембрану.
     • Периферичні мембранні білки: відомі як зовнішні білки, вони тимчасово пов’язані з мембраною. Як правило, вони гідрофільні, вони або приєднуються до інтегральних білків, або нещільно зв’язуються з головками фосфоліпідів. Вони відіграють ключову роль у передачі клітинних сигналів і часто пов’язані з іонними каналами та трансмембранними рецепторами.
3. Вуглеводи:
   • Хоча вони становлять меншу частину клітинної мембрани, вуглеводи відіграють значну роль, зокрема у розпізнаванні клітинами та передачі сигналів. Зазвичай вони знаходяться на зовнішній поверхні клітини і можуть бути присутніми у двох основних формах:
     • Глікопротеїни: це білки з приєднаними вуглеводними ланцюгами. Вбудовані в клітинну мембрану глікопротеїни відіграють важливу роль у міжклітинній комунікації та транспортуванні речовин через мембрану.
     • Гліколіпіди: це ліпіди з приєднаними вуглеводними ланцюгами. Розташовані на поверхні клітинної мембрани, вони простягаються від подвійного фосфоліпідного шару в позаклітинне середовище. Окрім підтримки стабільності мембрани, гліколіпіди полегшують клітинне розпізнавання та спілкування між клітинами.

Підсумовуючи, клітинна мембрана являє собою гармонійне поєднання ліпідів, білків і вуглеводів. Кожен компонент зі своєю унікальною структурою та функцією сприяє загальній цілісності та функціональності мембрани, забезпечуючи виживання та належне функціонування клітини.

Будова клітинної мембрани

Клітинна мембрана, яку часто називають плазматичною мембраною, є критично важливим компонентом, який охоплює вміст клітини та відіграє ключову роль у регулюванні входу та виходу речовин. Протягом багатьох років вчені пропонували різні моделі для опису його складної структури. Дві найвідоміші моделі — сендвіч-модель і модель Fluid Mosaic.

1. Сендвіч-модель (ламелярна модель)

Запропонована в 1935 році Джеймсом Даніеллі та Х’ю Девсоном модель сендвіча представляла ідею про те, що плазматична мембрана є твердою та стабільною структурою. Згідно з цією моделлю, мембрана складається з чотирьох молекулярних шарів: двох шарів фосфоліпідів, розташованих між двома шарами білків, утворюючи структуру PLLP (P: білок, L: ліпід). Кожен фосфоліпід молекули у цій моделі є гідрофільна (водовідштовхувальна) головка і гідрофобні (водовідштовхувальні) хвостики. Гідрофільні головки звернені до периферичних білків, а гідрофобні хвости спрямовані до центру. Незважаючи на детальний опис, модель Sandwich зіткнулася з кількома обмеженнями. Це не могло пояснити динамічну природу плазматичної мембрани, мінливість різних біомембран або механізми транспорту через мембрану. Через ці недоліки цю модель врешті-решт відхилили.

Обмеження сендвіч-моделі

1. Природа плазматичної мембрани: Сендвічова модель зображує плазматичну мембрану як тверду та стабільну структуру. Однак насправді плазматична мембрана є динамічною і має напівтвердий або квазірідкий характер. Це означає, що компоненти мембрани, такі як ліпіди та білки, можуть рухатися вбік, забезпечуючи гнучкість і адаптивність.
2. Мінливість біомембран: Модель не враховує мінливість, що спостерігається в різних біомембранах. Біомембрани можуть відрізнятися за формою, складом і товщиною в залежності від типу клітини та її специфічних функцій. Жорстка структура сендвіч-моделі не може вмістити ці варіації.
3. Транспортні механізми: Однією з основних функцій клітинної мембрани є регулювання транспорту через неї розчинених речовин і розчинників. Сендвічева модель не надає механізму для пояснення того, як речовини рухаються через біологічну мембрану, особливо враховуючи зображення мембрани як твердої структури.
4. Активні та масові перевезення: Модель також неадекватна для пояснення механізмів активного та масового транспорту. Під активним транспортом розуміється рух молекул проти градієнта концентрації, що часто потребує енергії. Об’ємний транспорт передбачає рух великих молекул або частинок через мембрану через утворення везикул. Сендвіч-моделі бракує структурних компонентів і гнучкості, щоб пояснити ці процеси.
5. Ліпідно-білкове співвідношення: Склад клітинної мембрани, зокрема співвідношення ліпідів і білків, має вирішальне значення для її функціонування. Зображення сендвіч-моделі не відповідає спостережуваним співвідношенням ліпідів і білків у фактичних клітинних мембранах. Ця невідповідність ще більше підриває точність моделі.

2. Модель рідинної мозаїки

Модель рідинної мозаїки | Джерело зображення: https://www.brainkart.com/article/The-Fluid-Mosaic-Model-of-Membrane-Structure_27522/

Запроваджена в 1972 році Сінгером і Ніколсоном модель рідинної мозаїки пропонує більш динамічне та текуче зображення клітинної мембрани. Ця модель описує мембрану як море фосфоліпідів із білковими «айсбергами», що плавають усередині. Подібно до сендвіч-моделі, фосфоліпіди мають гідрофільні головки та гідрофобні хвости. Однак у цій моделі білки присутні як у плаваючому, так і в зваженому вигляді. Ці білки можна класифікувати як:

1. Зовнішні білки: також відомі як периферичні білки, вони присутні на поверхні мембрани у плаваючій формі.
2. Внутрішні білки: Це інтегральні або тунельні білки, які можуть бути повністю або частково суспендованими у фосфоліпідному подвійному шарі.

1. Структурні білки: Забезпечує стабільність мембрани.
2. Канальні білки: Сприяє транспортуванню води та розчинених речовин.
3. Білки-носії: бере участь в активних транспортних механізмах.
4. Ферменти: Участь у різних метаболічних діях.
5. Рецептор Білки: відіграє роль у транспортуванні гормонів і проведенні нервових імпульсів.

Крім того, на зовнішній поверхні мембрани ліпіди та зовнішні білки можуть поєднуватися з олігосахаридами, утворюючи відповідно гліколіпіди та глікопротеїни.

Модель Fluid Mosaic має численні переваги. Це пояснює динамічну природу клітинної мембрани, її напівтвердий стан і мінливість різних біомембран. Він також дає уявлення про транспортні механізми через мембрану, як пасивні, так і активні.

Переваги моделі рідинної мозаїки

1. Динамічна природа: Однією з значних переваг моделі рідинної мозаїки є зображення клітинної мембрани як динамічної структури. Це означає, що компоненти мембрани, такі як ліпіди та білки, можуть рухатися вбік, завдяки чому мембрана стає гнучкою та адаптованою. Тому, якщо мембрана зазнає незначного пошкодження, вона може швидко відновитися, забезпечуючи постійний захист і функціональність клітини.
2. Напівтверда структура: Модель зображує плазматичну мембрану як напівтверду або квазірідку структуру. Ця характеристика є важливою, оскільки дозволяє мембрані бути стабільною та гнучкою, вміщуючи різні клітинні процеси, включаючи утворення та злиття везикул.
3. Мінливість біомембран: Модель рідинної мозаїки враховує мінливість, що спостерігається в різних біомембранах. Він визнає, що біомембрани можуть відрізнятися за формою, складом і товщиною залежно від типу клітини та її специфічних функцій. Ця адаптивність гарантує застосування моделі до широкого спектру клітин.
4. Транспортні механізми: Вирішальною функцією клітинної мембрани є регулювання транспорту через неї розчинених речовин і розчинників. Модель рідинної мозаїки надає механізми, які пояснюють, як речовини рухаються через біологічну мембрану як пасивно, так і активно. Він може прояснити такі процеси, як дифузія, осмос і активний транспорт.
5. Активні та масові перевезення: Модель вміло пояснює механізми активного та масового транспорту. У ньому докладно описано, як молекули рухаються проти градієнта концентрації під час активного транспорту та як великі молекули або частинки транспортуються через мембрану через утворення везикул під час масового транспортування.
6. Ліпідно-білкове співвідношення: Склад клітинної мембрани, зокрема співвідношення ліпідів і білків, відіграє ключову роль у її функціонуванні. Зображення моделі рідинної мозаїки узгоджується зі спостережуваними співвідношеннями ліпідів і білків у фактичних клітинних мембранах, що ще більше підвищує її точність і релевантність.

Підсумовуючи, у той час як сендвічева модель забезпечила початкове уявлення про структуру клітинної мембрани, саме модель рідинної мозаїки пропонує більш вичерпне та загальновизнане зображення цього життєво важливого клітинного компонента. Ця модель не тільки з’ясовує склад мембрани, але й підкреслює функції її різних компонентів, покращуючи наше розуміння клітинних взаємодій і процесів.

Різниця між сендвіч-моделлю та моделлю рідкої мозаїки

1. Будова клітинної мембрани:
   • Сендвіч Модель: Ця модель зображує клітинну мембрану як жорстку та стабільну структуру. Це передбачає фіксоване розташування, де білки затиснуті між двома шарами ліпідів.
   • Модель рідинної мозаїки: На відміну від сендвіч-моделі, модель рідинної мозаїки описує клітинну мембрану як динамічну та менш жорстку. Це підкреслює текучість мембрани, де білки та ліпіди можуть рухатися вбік, забезпечуючи гнучкість і адаптивність.
2. Мінливість клітинної мембрани:
   • Сендвіч Модель: Ця модель не враховує мінливість, що спостерігається в різних біомембранах. Він представляє універсальний підхід, який не узгоджується з спостережуваними варіаціями фактичних клітинних мембран.
   • Модель рідинної мозаїки: Ця модель визнає, що біомембрани можуть відрізнятися за формою, складом і товщиною залежно від типу клітини та її специфічних функцій. Тому він пропонує більш точне уявлення про різноманітну природу клітинних мембран.
3. Двошаровий фосфоліпід:
   • Сендвіч Модель: Відповідно до цієї моделі фосфоліпідний подвійний шар є твердим, що свідчить про більш статичний характер.
   • Модель рідинної мозаїки: Навпаки, ця модель описує фосфоліпідний подвійний шар як напівтверду або квазірідку структуру. Це зображення відповідає спостережуваній рідинній природі клітинних мембран, де молекули можуть рухатися латерально всередині ліпідного подвійного шару.
4. транспорт:
   • Сендвіч Модель: Ця модель не може пояснити транспортні механізми клітинної мембрани. Він не забезпечує механізмів для активного та масового транспортування матеріалів або проходження електролітів і неелектролітів через мембрану.
   • Модель рідинної мозаїки: Ця модель вміло пояснює різні транспортні механізми, включаючи активний і масовий транспорт. Він детально описує, як молекули рухаються через мембрану, як пасивно, так і активно, і забезпечує механізми для транспортування як електролітів, так і неелектролітів.

Підсумовуючи, хоча сендвічева модель забезпечила початкове уявлення про структуру клітинної мембрани, вона мала кілька обмежень. Модель рідинної мозаїки, з іншого боку, пропонує більш повне й точне уявлення про структуру та функції клітинної мембрани, що робить її широко прийнятою моделлю в сучасній клітинній біології.

Внутрішньоклітинні мембрани

1. Мітохондрії та хлоропласти:
   • Вважається, що і мітохондрії, і хлоропласти походять від бактерій, концепція, відома як ендосимбіотична теорія. Ця теорія стверджує, що під час еволюції a еукаріотична клітина поглинув певні бактерії, що призвело до утворення мітохондрій і хлоропластів в еукаріотичних клітинах. Докази, що підтверджують цю теорію, включають наявність їхньої власної ДНК у цих органелах.
   • Подвійна мембранна система цих органел є результатом цього поглинання. Зовнішня мембрана походить від плазматичної мембрани господаря, тоді як внутрішня мембрана походить від плазматичної мембрани поглиненої бактерії.
2. Ядерна мембрана:
   • Ядерна мембрана, визначальна особливість еукаріотичних клітин, оточує ядро, відокремлюючи його від цитоплазми. Ця мембрана складається з двох шарів: внутрішнього і зовнішнього.
   • Ядерні пори перетинають ядерну мембрану, сприяючи обміну речовин між ядром і цитозолем. Кількість пор корелює з транскрипційною активністю ядра.
   • Білковий склад ядерної мембрани може значно відрізнятися від складу цитозолю, перш за все тому, що багато білків не можуть дифундувати через пори. Примітно, що лише зовнішня мембрана є безперервною ендоплазматичний ретикулум (ER) і прикрашений рибосомами, які синтезують і транспортують білки в простір між двома ядерними мембранами.
   • Під час мітозу ядерна мембрана розкладається на ранніх стадіях і знову збирається на пізніх стадіях, забезпечуючи правильну сегрегацію хромосом.
3. Ендоплазматична сітка (ЕР):
   • ER, основний компонент ендомембранної системи, становить значну частину загального вмісту мембрани клітини. Ця заплутана мережа канальців і мішечків бере участь у синтез білка і ліпідний обмін.
   • ER поділяється на два типи: грубий ER, який усіяний рибосомами та бере участь у синтезі білка, і гладкий ER, який відіграє роль у процесах детоксикації та регуляції кальцію в клітині.
4. Апарат Гольджі:
   • Апарат Гольджі характеризується з’єднаними між собою круглими цистернами Гольджі. Ці відсіки утворюють численні трубчасто-ретикулярні мережі, які мають вирішальне значення для організації, з’єднання стеків і транспортування вантажів. Ця структура також демонструє безперервний ряд везикул, що нагадує утворення, схоже на виноград.
   • Основною функцією апарату Гольджі є модифікація, сортування та упаковка білків і ліпідів для транспортування до цільових місць призначення.

Транспорт через клітинну мембрану

1. Вибіркова проникність:
   • Клітинна мембрана демонструє вибіркову проникність, тобто пропускає певні речовини, не пропускаючи інші. Ця селективність в першу чергу зумовлена ​​двошаровою ліпідною структурою мембрани. Гідрофобна внутрішня частина ліпідного подвійного шару дозволяє лише невеликим, неполярним речовинам, таким як кисень, вуглекислий газ і ліпіди, рухатися крізь нього шляхом простої дифузії.
   • Полярні або заряджені речовини, такі як глюкоза, амінокислоти та іони, не можуть легко перетинати ліпідний бішар через їх несумісність з гідрофобним ядром. Таким чином, ці речовини потребують спеціалізованих транспортних механізмів для входу або виходу з клітини.
2. Пасивний транспорт:
   • Пасивний транспорт — це спосіб, за допомогою якого речовини переміщуються через клітинну мембрану без використання клітинної енергії. Цей рух зумовлений градієнтами концентрації, коли молекули рухаються з області вищої концентрації в область меншої концентрації.
   • радіомовлення: В основі пасивного транспорту лежить процес дифузії. Це природний рух молекул із області вищої концентрації в область меншої концентрації. Наприклад, парфуми, розпорошені в кімнаті, або цукор у чаї згодом рівномірно поширяться, ілюструючи дифузію.
   • осмос: зокрема для молекул води, осмос – це процес, за допомогою якого вода дифундує через напівпроникну мембрану. Напрямок руху води визначається концентрацією розчинених речовин по обидві сторони мембрани. Клітини повинні підтримувати ізотонічне середовище, де концентрація розчиненої речовини збалансована всередині та поза клітиною, щоб запобігти зморщуванню клітин (у гіпертонічному розчині) або набуханню (у гіпотонічному розчині).
   • Полегшена дифузія: Для речовин, які не можуть вільно перетинати ліпідний бішар, вступає в дію полегшена дифузія. Цей процес включає білкові канали або носії, які допомагають транспортувати певні молекули через мембрану. Наприклад, глюкоза потрапляє в клітини через спеціалізований білок-переносник, використовуючи полегшену дифузію.
3. Активний транспорт:
   • На відміну від пасивного транспорту, для активного транспорту потрібна енергія, зазвичай отримана з АТФ, для переміщення речовин проти їх градієнтів концентрації.
   • Насоси: Активний транспорт часто включає білкові насоси, які переміщують іони або молекули через мембрану. Класичним прикладом є натрієво-калієвий насос, який підтримує електричний градієнт у нервових клітинах, викачуючи натрій і калій у клітину.
   • Ендоцитоз і екзоцитоз: Це транспортні механізми для масових вантажів. Ендоцитоз дозволяє клітині поглинати зовнішні речовини або рідини, тоді як екзоцитоз дозволяє клітині вивільняти речовини назовні. Всередині ендоцитозу існують такі специфічні типи, як фагоцитоз (поглинання великих частинок) і піноцитоз (поглинання рідини).
   • Рецептор-опосередкований ендоцитоз: це селективна форма ендоцитозу, коли специфічні молекули зв’язуються з рецепторами на клітинній мембрані, що призводить до їх проковтування.
4. Вторинний активний транспорт:
   • Це передбачає використання енергії первинного активного транспорту для транспортування інших речовин. Симпортери та антипортери є білками, які беруть участь у цьому процесі. Симпортери переміщують дві речовини в одному напрямку, тоді як антипортери рухають їх у протилежних напрямках.

Походження плазматичної мембрани

• Навряд чи в клітині існує структура, яка є більш важливою для її негайної життєдіяльності, ніж плазматична мембрана.
• Якщо клітина пошкоджена або пошкоджена, вона втрачає здатність підтримувати градієнти, вибірково транспортувати поживні речовини та містити пул ферментів і органел, необхідних для гомеостазу.
• Таким чином, нові мембрани можна вводити до існуючих мембран, не впливаючи на їхні бар’єрні та селективні транспортні можливості.
• Щоб зберегти характерну асиметрію мембрани, мембрана також повинна бути побудована з точною правильною молекулярною топографією.
• Отже, усі клітинні мембрани походять від уже існуючих мембран, які служать шаблонами для введення нових попередників.
• Дочірні клітини отримують повний набір мембранних систем, які ростуть до наступного поділу і передаються наступним нащадкам.
• Тим часом молекули мембрани постійно поповнюються. Білкові молекули плазматичної мембрани утворюються як на з’єднаних, так і на незв’язаних рибосомах.
• Після їх завершення та вивільнення з рибосом білки, вироблені вільними рибосомами, можуть бути введені в плазматичну мембрану.
• Білки плазматичної мембрани, що утворюються на прикріплених рибосомах грубого ER, спочатку вставляються в мембрану RER, потім переміщуються в апарат Гольджі, там обробляються (наприклад, глікозилювання) і, нарешті, доставляються до плазматичної мембрани через секреторні везикули.
• Подібним чином молекули фосфоліпідів плазматичної мембрани синтезуються гладким ER (SER). Подібно до новостворених білків, щойно синтезовані ліпіди вставляються в мембрани SER, передаються в апарат Гольджі для обробки і, нарешті, надсилаються до плазматичної мембрани через маленькі секреторні везикули.
• Крім того, цитозоль містить транспортні білки фосфоліпідів, які переміщують молекули фосфоліпідів від однієї клітинної мембрани до іншої (наприклад, від мембран ER до плазматичних мембран).
• Насправді глікозилювання (або глікозидування, тобто додавання олігосахаридів, що містять цукри, такі як галактоза, фукоза та/або сіалова кислота, до молекул білків плазматичної мембрани та фосфоліпідів) завершується на рівні апарату Гольджі. Однак певні цукри додаються до білків просвіту RER.

Функції клітинної мембрани

Великі молекули можуть потрапляти в клітину через процес ендоцитозу. | Джерело зображення: biologydictionary.net

Клітинна мембрана, яку часто називають плазматичною мембраною, відіграє ключову роль у підтримці цілісності клітини та регулюванні руху речовин у клітину та з неї. Ця мембрана є не просто пасивним бар’єром; це активна та динамічна структура з багатогранними функціями. Тут ми дослідимо різні функції клітинної мембрани на основі наданого вмісту:

1. Фізичний бар’єр:
   • Клітинна мембрана діє як захисний екран навколо клітини, відокремлюючи внутрішні компоненти клітини від зовнішнього середовища. Це гарантує, що внутрішньоклітинні компоненти, такі як органели та цитоплазма, утримуються окремо від позаклітинного матриксу.
   • Окрім забезпечення фізичної цілісності, клітинна мембрана також закріплює цитоскелет, який надає форму клітині. Крім того, він допомагає прикріплювати клітини до позаклітинного матриксу або інших клітин, сприяючи формуванню тканин.
2. Вибіркова проникність:
   • Однією з основних функцій клітинної мембрани є її вибіркова проникність. Це означає, що мембрана може регулювати те, що входить і виходить з клітини.
   • Вибірковій природі мембрани сприяють різні транспортні механізми, включаючи пасивний осмос, дифузію та активний транспорт через трансмембранні білкові канали та транспортери. Це забезпечує надходження основних поживних речовин у клітину, а відходи ефективного виведення.
3. Транспортні механізми:
   • Пасивний транспорт: Малі молекули, такі як кисень (O2) і вуглекислий газ (CO2), можуть рухатися через плазматичну мембрану шляхом дифузії, процесу, який не потребує енергії. Так само осмос забезпечує рух молекул розчинника через мембрану.
   • Трансмембранні білкові канали та транспортери: Ці білки охоплюють подвійний ліпідний шар і допомагають у транспортуванні специфічних молекул. Вони можуть бути вибірковими, пропускаючи лише певні молекули. Наприклад, аквапорини полегшують рух молекул води.
   • Ендоцитоз: Цей процес дозволяє клітині приймати більші молекули, поглинаючи їх. Клітинна мембрана утворює інвагінацію, захоплюючи речовину, яка потім відщипується, утворюючи везикулу всередині клітини.
   • Екзоцитоз: І навпаки, екзоцитоз дозволяє клітині викидати речовини. Везикули, що містять відходи або інші речовини, зливаються з плазматичною мембраною, вивільняючи свій вміст за межі клітини.
4. Прийом і передача сигналу:
   • Клітинна мембрана містить рецептори для специфічних біохімічних речовин, таких як гормони та нейромедіатори. Ці рецептори дозволяють клітині виявляти сигнали із зовнішнього середовища та реагувати на них, сприяючи спілкуванню між клітинами.
5. Розпізнавання та адгезія клітин:
   • Гліколіпіди та глікопротеїни, присутні на клітинній мембрані, відіграють певну роль у розпізнаванні клітиною. Це має вирішальне значення для таких процесів, як імунна відповідь і прийняття або відторгнення трансплантатів.
   • Клітинна мембрана також допомагає у формуванні таких структур, як мікроворсинки, які допомагають у травленні, і псевдоподії, які допомагають у русі.
6. Підтримка електрохімічних градієнтів:
   • Клітинна мембрана відіграє важливу роль у підтримці клітинного потенціалу, який необхідний для різних клітинних процесів, включаючи передачу нервових імпульсів.

Різні моделі клітинних мембран

Протягом багатьох років були запропоновані різні моделі для пояснення структури та функції клітинної мембрани. Ці моделі розвивалися на основі наукових відкриттів і технологічних досягнень. Тут ми заглибимося в різні моделі клітинних мембран, які були постульовані:

1. Модель Овертона (1910):
   • Це була новаторська модель для з’ясування структури плазматичної мембрани.
   • Овертон припустив, що плазматична мембрана вкрита жиророзчинним матеріалом.
   • Крім того, він припустив, що неполярні розчини можуть легко проходити через мембрану, тоді як полярні розчини не можуть цього зробити.
2. Модель Ірвінга Ленгмюра (1925):
   • Ленгмюр першим припустив, що клітинна мембрана складається з моношарів.
   • Ці моношари утворені одним шаром молекул амфіпатичних фосфоліпідів. Тут гідрофобні хвостики орієнтовані від води, а гідрофільні головки звернені до води.
3. Модель Гортера і Гренделя (1924):
   • Ця модель представила ідею про те, що компоненти клітинної мембрани містять різні типи ліпідів, розташованих у подвійному шарі.
4. Davson and Danielli Model (1935):
   • Ця модель, також відома як сендвіч-модель, була першою, яка включила білки в структуру плазматичної мембрани.
   • Модель зображувала мембрану як білково-ліпідно-білковий сендвіч, підкреслюючи триламінарну природу структури.
5. Модель Робертсона (1950-ті):
   • Модель Робертсона, названа «моделлю одиничної мембрани», підкреслювала однорідність структури мембрани.
   • Модель припускає, що між подвійними шарами фосфоліпідів немає простору і що товщину мембрани можна визначити кількісно.
   • Після проведення експериментів на різних типах клітин Робертсон дійшов висновку, що фундаментальна структура клітинної мембрани залишається незмінною в різних клітинах.
6. Сінгер і модель Ніколсона (1972):
   • В даний час найбільш прийнятна модель, Fluid Mosaic Model, пропонує повне розуміння структури мембрани.
   • Модель визначає плазматичну мембрану як мозаїку білків, вбудованих у рідинноподібний ліпідний подвійний шар. Це свідчить про те, що білки розподілені нерівномірно, а переривчасто вкраплені в ліпідну матрицю.
   • Використана аналогія полягає в тому, що білки схожі на айсберги, що плавають у морі, представляючи рідкий ліпідний компонент мембрани.

На завершення можна сказати, що розуміння структури та функції клітинної мембрани з часом розвивалося, кожна модель спиралася на відкриття своїх попередників. Модель рідинної мозаїки, будучи найновішою та всебічною, забезпечує детальне та динамічне представлення клітинної мембрани, враховуючи як її ліпідний, так і білковий компоненти.