Плазматична мембрана: функції, будова
Клітка давно визначена як структурна одиниця всього живого. І це дійсно так. Адже мільярди цих структур, немов цеглинки, утворюють рослини і тварин, бактерій і мікроорганізмів, людини. Кожен орган, тканина, система організму - все вибудувано з клітин.
Тому дуже важливо знати всі тонкощі її внутрішньої будови, хімічного складу і протікають біохімічних реакцій. У цій статті розглянемо, що являє собою плазматична мембрана, функції, які вона виконує, і будова.
Органели клітини
Органеллами називаються найдрібніші структурні частини, що знаходять всередині клітини і забезпечують її будову і життєдіяльність. До них відноситься безліч різних представників:
- Плазматична мембрана.
- Ядро і ядерця з хромосомним матеріалом.
- Цитоплазма з включеннями.
- Лізосоми.
- Мітохондрії.
- ЕРС (ендоплазматичнийретикулум).
- Комплекс Гольджі.
- Рибосоми.
- Вакуолі і хлоропласти, якщо клітина рослинна.
Кожна з перерахованих структур має своє складну будову, сформована ВМС (високомолекулярними речовинами), виконує строго певні функції і бере участь у комплексі біохімічних реакцій, що забезпечують життєдіяльність всього організму в цілому.
Загальна будова мембрани
Будова плазматичноїмембрани вивчалося ще з XVIII століття. Саме тоді вперше була виявлена її здатність вибірково пропускати або затримувати речовини. З розвитком мікроскопії дослідження тонкої структури і будови мембрани стало більш можливим, і тому на сьогоднішній день про неї відомо практично все.
Синонімом її основної назви є плазмалемма. Склад плазматичноїмембрани представлений трьома основними видами ВМС:
- білки;
- ліпіди;
- вуглеводи.
Співвідношення цих сполук і розташування може варіюватися у клітин різних організмів (рослинної, тваринної або бактеріальної).
Рідинно-мозаїчна модель будови
Багато вчених намагалися висловлювати припущення про те, яким чином розташовуються ліпіди і білки в мембрані. Однак тільки в 1972 р вченими Сінгером і Ніколсоном була запропонована актуальна і сьогодні модель, що відображає будову плазматичної мембрани. Вона названа рідинно-мозаїчної, і суть її полягає в наступному: різні типи ліпідів розташовуються в два шари, орієнтуючись гідрофобними кінцями молекул всередину, а гідрофільними назовні. При цьому вся структура, подібно мозаїці, пронизана неоднаковими типами білкових молекул, а також невеликою кількістю гексоз (вуглеводів).
Вся передбачувана система знаходиться в постійній динаміці. Білки здатні не просто пронизувати біліпідний шар наскрізь, але й орієнтуватися в однієї з його сторін, вбудовуючись всередину. Або взагалі вільно "гуляти" по мембрані, міняючи місце розташування.
Доказами в захист і виправданість цієї теорії служать дані мікроскопічного аналізу. На чорно-білих фотографіях явно видно шари мембрани, верхній і нижній однаково темні, а середній світліший. Також проводився ряд дослідів, які доводять, що шари засновані саме ліпідами і білками.
Білки плазматичноїмембрани
Якщо розглядати процентне співвідношення ліпідів і білків в мембрані рослинної клітини, то воно буде приблизно однакове - 40/40%. У тваринної плазмалемме до 60% припадає на білки, в бактеріальної - до 50%.
Плазматична мембрана складається з різних видів білків, і функції кожного з них також специфічні.
1. Периферичні молекули. Це такі білки, які орієнтовані на поверхні внутрішньої або зовнішньої частин бислоя ліпідів. Основні типи взаємодій між структурою молекули і шаром наступні:
- водневі зв'язки;
- іонні взаємодії або сольові містки;
- електростатичне тяжіння.
Самі периферичні білки - розчинні у воді сполуки, тому їх відокремити від плазмалемми без пошкоджень нескладно. Які речовини відносяться до цих структур? Найпоширеніше і численне - фібрилярний білок спектрин. Його в масі всіх мембранних білків може бути до 75% у окремих клітинних плазмалеммой.
Навіщо вони потрібні і як залежить від них плазматична мембрана? Функції наступні:
- формування цитоскелета клітини;
- підтримка постійної форми;
- обмеження зайвої рухливості інтегральних білків;
- координація та здійснення транспорту іонів через плазмолему;
- можуть з'єднуватися з олігосахаридних ланцюгами і брати участь у рецепторною передачі сигналів від мембрани і до неї.
2. Полуінтегральние білки. Такими молекулами називаються ті, що занурені в ліпідний бішар повністю або наполовину, на різну глибину. Прикладами можуть служити бактериородопсин, цитохромоксидаза та інші. Їх називають також "заякоренних" білками, тобто ніби прикріпленими всередині шару. З чим вони можуть контактувати і за рахунок чого вкорінюються і утримуються? Найчастіше завдяки спеціальним молекулам, якими можуть бути Міристинова або пальмітинової кислоти, Ізопром або стерини. Так, наприклад, в плазмалемме тварин зустрічаються полуінтегральние білки, пов'язані з холестерином. У рослин і бактерій таких поки не виявлено.
3. Інтегральні білки. Одні з найважливіших в плазмолемме. Являють собою структури, що формують щось на зразок каналів, які пронизують обидва ліпідних шару наскрізь. Саме по цих шляхах здійснюються надходження багатьох молекул всередину клітини, таких, які ліпіди не пропускають. Тому основна роль інтегральних структур - формування іонних каналів для транспорту.
Існує два типи пронізиванія ліпідного шару:
- монотопних - один раз;
- політопна - в декількох місцях.
До різновидів інтегральних білків можна віднести такі, як гликофорин, протеоліпіди, протеоглікани та інші. Всі вони нерозчинні у воді і тісно вбудовані в ліпідний шар, тому витягти їх без пошкодження структури плазмалемми неможливо. За своєю будовою ці білки глобулярні, гідрофобний кінець їх розташований всередині ліпідного шару, а гідрофільний - над ним, причому може підніматися над усією структурою. За рахунок яких взаємодій інтегральні білки утримуються всередині? У цьому їм допомагають гідрофобні тяжіння до радикалів жирних кислот.
Таким чином, існує цілий ряд різних білкових молекул, які включає в себе плазматична мембрана. Будову і функції цих молекул можна об'єднати в кілька спільних пунктів.
- Структурні периферичні білки.
- Каталітичні білки-ферменти (полуінтегральние та інтегральні).
- Рецепторні (периферичні, інтегральні).
- Транспортні (інтегральні).
Ліпіди плазмалемми
Рідкий бислой ліпідів, якими представлена плазматична мембрана, може бути дуже рухливим. Справа в тому, що різні молекули можуть з верхнього шару переходити в нижній і навпаки, тобто структура динамічна. Такі переходи мають свою назву в науці - "фліп-флоп". Утворилося воно від назви ферменту, що каталізує процеси перебудови молекул усередині одного моношару або з верхнього в нижній і назад, фліпази.
Кількість ліпідів, яке містить клітинна плазматична мембрана, приблизно таке ж, як число білків. Видове різноманіття широко. Можна виділити такі основні групи:
- фосфоліпіди;
- сфінгофосполіпіди;
- гліколіпіди;
- холестерол.
До першої групи фосфоліпідів відносяться такі молекули, як гліцерофосфоліпіди і сфінгомієліни. Ці молекули складають основу бислоя мембрани. Гідрофобні кінці з'єднань направлені всередину шару, гідрофільні - назовні. Приклади сполук:
- фосфатидилхолин;
- фосфатіділсерін;
- кардіоліпін;
- фосфатидилинозитол;
- сфінгомієлін;
- фосфатидилгліцерин;
- фосфатидилетаноламін.
Для вивчення даних молекул застосовується спосіб руйнування шару мембрани в деяких частинах фосфоліпазою - спеціальним ферментом, що каталізує процес розпаду фосфоліпідів.
Функції перерахованих з'єднань наступні:
- Забезпечують загальну структуру і будову бислоя плазмалемми.
- Стикаються з білками на поверхні і всередині шару.
- Визначають агрегатний стан, яке матиме плазматична мембрана клітини при різних температурних умовах.
- Беруть участь у обмеженою проникності плазмолеми для різних молекул.
- Формують різні типи взаємодій клітинних мембран один з одним (десмосоми, щілиноподібні простір, щільний контакт).
Сфінгофосфоліпіди і гліколіпіди мембрани
Сфінгомієліни або сфінгофосфоліпіди за своєю хімічною природою - похідні аміноспірта сфингозина. Нарівні з фосфоліпідами беруть участь в утворенні билипидного шару мембрани.
До гликолипидов відноситься гликокаликс - речовина, багато в чому визначальний властивості плазматичної мембрани. Це желеподобним з'єднання, що складається в основному з олигосахаридов. Гликокаликс займає 10% від загальної маси плазмалемми. З цією речовиною безпосередньо пов'язана плазматична мембрана, будова та функції, які вона виконує. Так, наприклад, гликокаликс здійснює:
- маркерну функцію мембрани;
- рецепторну;
- процеси пристінкового перетравлення частинок всередині клітини.
Слід зауважити, що наявність липида гликокаликса характерно тільки для тварин клітин, але не для рослинних, бактеріальних і грибів.
Холестерол (стерин мембрани)
Є важливою складовою частиною бислоя клітини у ссавців тварин. У рослинних не зустрічається, в бактеріальних і грибах теж. З хімічної точки зору являє собою спирт, циклічний, одноатомний.
Так само як і решта ліпіди, має властивості амфіфільних (наявність гідрофільного і гідрофобного кінця молекули). У мембрані відіграє важливу роль обмежувача і контролера плинності бислоя. Також бере участь у виробленні вітаміну D, є співучасником формування статевих гормонів.
У рослинних ж клітинах присутні фітостероли, які не беруть участь в утворенні тварин мембран. За деякими даними відомо, що ці речовини забезпечують стійкість рослин до деяких видів захворювань.
Плазматична мембрана утворена холестеролом та іншими ліпідами в загальному взаємодії, комплексі.
Вуглеводи мембрани
Дана група речовин становить приблизно близько 10% від загального складу з'єднань плазмалемми. У простому вигляді моно-, ди-, полісахариди не зустрічаються, а тільки у формі глікопротеїдів і гліколіпідів.
Функції їх полягають у здійсненні контролю над внутрішньо- і міжклітинної взаємодії, підтримці певної структури і положення молекул білків в мембрані, а також здійсненні рецепції.
Основні функції плазмалемми
Дуже велика роль, яку відіграє в клітці плазматична мембрана. Функції її багатогранні і важливі. Розглянемо їх детальніше.
- Відмежовує вміст клітини від довкілля і захищає його від зовнішніх впливів. Завдяки наявності мембрани підтримується на постійному рівні хімічний склад цитоплазми, її вміст.
- Плазмалемма містить ряд білків, вуглеводів і ліпідів, які надають і підтримують певну форму клітини.
- Мембрану має кожна клітинна органела, яка називається мембранної везикулою (бульбашкою).
- Компонентний склад плазмалемми дозволяє їй виконувати роль "стражника" клітини, здійснюючи вибірковий транспорт всередину неї.
- Рецептори, ферменти, біологічно активні речовини функціонують в клітці і проникають в неї, співпрацюють з її поверхневої оболонкою тільки завдяки білкам і липидам мембрани.
- Через плазмалемму здійснюється транспортування не тільки сполук різної природи, а й іонів, важливих для життєдіяльності (натрій, калій, кальцій та інші).
- Мембрана підтримує осмотичний рівновагу поза і всередині клітини.
- За допомогою плазмалемми здійснюється перенесення іонів і сполук різної природи, електронів, гормонів з цитоплазми в органели.
- Через неї ж відбувається поглинання сонячного світла у вигляді квантів і пробудження сигналів усередині клітини.
- Саме даною структурою здійснюється генерація імпульсів дії і спокою.
- Механічний захист клітини і її структур від невеликих деформацій і фізичних впливів.
- Адгезія клітин, тобто зчеплення, і утримання їх поруч один з одним також здійснюється завдяки мембрані.
Дуже тісно взаємопов'язана клітинна плазмалемма і цитоплазма. Плазматична мембрана перебуває в тісному контакті з усіма речовинами і молекулами, іонами, які проникають всередину клітини і вільно розташовуються у в'язкій внутрішньому середовищі. Дані сполуки намагаються проникнути всередину всіх клітинних структур, але бар'єром служить якраз мембрана, яка здатна здійснювати різні типи транспорту через себе. Або взагалі не пропускати деякі типи з'єднань.
Типи транспорту через клітинний бар'єр
Транспорт черезплазматичну мембрану здійснюється декількома способами, які об'єднує одна загальна фізична особливість - закон дифузії речовин.
- Пасивний транспорт або дифузія і осмос. Увазі вільне переміщення іонів і розчинника через мембрану по градієнту з області з високою концентрацією в область з низькою. Не вимагає витрати енергії, так як протікає сам по собі. Так відбувається дія натрій-калієвого насоса, зміна кисню і вуглекислого газу при диханні, вихід глюкози в кров і так далі. Дуже поширене таке явище, як полегшена дифузія. Даний процес має на увазі наявність певної речовини-помічника, яке чіпляє потрібне з'єднання та протягує за собою за білковим каналу або через ліпідний шар всередину клітини.
- Активний транспорт увазі витрати енергії на процеси поглинання і виведення через мембрану. Є два основних способи: екзоцитоз - виведення молекул та іонів назовні. Ендоцитоз - загарбання і проведення всередину клітини твердих і рідких частинок. У свою чергу, другий спосіб активного транспорту включає в себе два різновиди процесу. Фагоцитоз, який полягає в заковтуванні везикулою мембрани твердих молекул, речовин, з'єднань та іонів і проведення їх всередину клітини. При протіканні даного процесу утворюються великі везикули. Пиноцитоз, навпаки, полягає в поглинанні крапельок рідин, розчинників та інших речовин і проведенні їх всередину клітини. Він передбачає формування бульбашок малих розмірів.
Обидва процеси - пиноцитоз і фагоцитоз - відіграють велику роль не тільки в здійсненні транспорту з'єднань і рідин, але і в захисті клітини від уламків відмерлих клітин, мікроорганізмів і шкідливих сполук. Можна сказати, що ці способи активного транспорту також є і варіантами імунологічного захисту клітини та її структур від різних небезпек.
