Клеточная мембрана – многофункциональный барьер клетки

  1. Определение и состав

Клеточная мембрана (плазмалемма, цитолемма, плазматическая мембрана), представляет собой избирательно проницаемый барьер, который окружает и оберегает содержимое клетки от внешней среды. Клеточная мембрана похожа на защитный забор, окружающий дом, обеспечивающий безопасность внутри и регулирующий то, что входит и выходит.

Основным структурным компонентом клеточной мембраны является липидный бислой, который состоит из двух слоев фосфолипидов. Фосфолипиды — амфипатические молекулы, то есть они имеют гидрофильные («любящие воду») и гидрофобные («боящиеся воды») участки. Гидрофильная область — это полярная фосфатная головка, а гидрофобная область состоит из двух неполярных хвостов жирных кислот. В водной среде фосфолипиды самопроизвольно выстраиваются в бислой, где гидрофильные головки обращены наружу, с обеих внешних сторон мембраны, а гидрофобные хвосты — друг к другу, образуя ее внутреннюю часть. Такое расположение создает устойчивый барьер между внутренней и внешней средой клетки. Кроме того, клеточная мембрана содержит белки, холестерин и углеводы, которые способствуют поддержанию ее структуры и функционирования.

Холестерин действует как термочувствительный привратник, поддерживая текучесть ограждения. Молекулы холестерина распределены в липидном бислое и играют решающую роль в регулировании текучести и стабильности мембраны. Холестерин имеет полярную гидроксильную группу и неполярный углеводородный хвост, что позволяет ему взаимодействовать как с полярными головками, так и с неполярными хвостами фосфолипидов. При высоких температурах холестерин снижает текучесть мембраны, ограничивая движение фосфолипидов, а при низких температурах он предотвращает чрезмерное застывание мембраны, препятствуя плотной «упаковке» цепей жирных кислот.

Мембранные белки являются важнейшими компонентами клеточной мембраны и могут быть классифицированы как интегральные либо периферические. Они отвечают за различные функции, такие как транспорт, коммуникация, адгезия и ферментативная активность. Распределение и расположение мембранных белков в липидном бислое способствуют созданию мозаичного аспекта модели «Жидкая мозаика» (см. ч. 5).

Углеводы — еще один важный компонент клеточной мембраны, преимущественно встречающийся в виде гликопротеинов (углеводы, присоединенные к белкам), с некоторым количеством в виде гликолипидов (углеводы, присоединенные к липидам). Эти углеводные цепи расположены на внеклеточной стороне мембраны и играют роль в распознавании клеток, адгезии и иммунных реакциях.

  1. Функции

Клеточная мембрана выполняет несколько важнейших функций, которые можно сравнить с функциями охранной системы, в том числе:

— Избирательная проницаемость (контроль входа и выхода). Она регулирует прохождение веществ внутрь и наружу клетки, позволяя только определенным молекулам пересекать мембрану. Эта избирательная проницаемость имеет решающее значение для поддержания внутренней среды и обеспечения надлежащего функционирования клетки. Липидный бислой образует барьер, непроницаемый для большинства полярных и заряженных молекул (например, белки и ионы), в то время как небольшие неполярные молекулы могут проходить легко (например, холестерин и его производные). Мембранные белки, такие как каналы и транспортеры, облегчают прохождение определенных ионов и полярных молекул через мембрану, способствуя избирательной проницаемости.

— Клеточная сигнализация (прием сообщений извне). Мембрана содержит рецепторные белки, которые принимают сигналы от других клеток или из окружающей среды, позволяя клетке реагировать на внешние раздражители. Эти рецепторы могут связываться с сигнальными молекулами, такими как гормоны или нейротрансмиттеры, и инициировать каскад внутриклеточных событий, которые в конечном итоге приводят к клеточному ответу. Этот процесс, известный как передача сигнала, необходим для координации клеточной деятельности и обеспечения надлежащей связи между клетками.

— Клеточная адгезия (соединение с соседями). Позволяет клеткам прикрепляться друг к другу или к компонентам внеклеточного матрикса, что имеет решающее значение для формирования и поддержания тканей. Обеспечивается различными мембранными белками, такими как кадгерины, интегрины и селектины, которые могут взаимодействовать с другими клетками или компонентами внеклеточного матрикса. Клеточная адгезия необходима для таких процессов, как эмбриональное развитие, заживление ран и иммунные реакции.

— Поддержание формы и целостности клетки (сохранение структуры). Мембрана обеспечивает структурную опору и помогает поддерживать форму клетки. Цитоскелет, сеть белковых филаментов внутри клетки, взаимодействует с мембранными белками для поддержания формы клетки и обеспечения механической прочности. Кроме того, липидный бислой и связанные с ним белки способствуют гибкости и эластичности мембраны, позволяя клетке противостоять изменениям в окружающей среде.

— Трансдукция энергии. Клеточная мембрана участвует в процессах передачи энергии, таких как выработка АТФ (аденозинтрифосфата) в митохондриях и хлоропластах. Мембранные белки, участвующие в цепи переноса электронов, играют решающую роль в этих процессах, способствуя переносу электронов и протонов через мембрану, что в конечном итоге приводит к синтезу АТФ.

  1. Транспортные механизмы

Клеточная мембрана обеспечивает транспорт веществ с помощью различных механизмов (подобно различным способам пересечения забора). Выделяют пассивный, активный и везикулярный механизмы. Рассмотрим их по очереди.

— Пассивный транспорт (это как проход через открытые ворота, происходящий без затрат энергии в естественном потоке людей) не требует энергии и опирается на градиент концентрации транспортируемого вещества (из области высокой плотности в область низкой). Например:

a. Простая диффузия. Небольшие неполярные молекулы, такие как кислород и углекислый газ, могут проходить непосредственно через липидный бислой по градиенту концентрации.

b. Облегченная диффузия. Полярные или заряженные молекулы, такие как глюкоза и ионы, нуждаются в помощи мембранных белков, таких как каналы или переносчики, чтобы пересечь мембрану по градиенту концентрации.

c. Осмос. Перемещение молекул воды через мембрану по градиенту концентрации, обычно через специализированные каналы, называемые аквапоринами.

— Активный транспорт (это как использование подъемника с электроприводом для перемещения против потока, затрачивающий энергию для работы) требует энергии, обычно в форме аденозинтрифосфата (АТФ), для перемещения веществ против их градиента концентрации. Например:

a. Первичный активный транспорт. Предполагает непосредственное использование АТФ для переноса веществ через мембрану. Примером является натрий-калиевый насос, который использует АТФ для переноса ионов натрия из клетки и ионов калия в клетку.

b. Вторичный активный транспорт. Полагается на электрохимический градиент, созданный первичным активным транспортом, для перемещения других веществ через мембрану. Этот процесс можно разделить на симпортный (оба вещества движутся в одном направлении) и антипортный (вещества движутся в противоположных направлениях). Примером вторичного активного транспорта является глюкозо-натриевый симпортер, который использует градиент натрия для переноса глюкозы в клетку.

— Везикулярный транспорт использует мембранные везикулы для переноса веществ через мембрану (это можно сравнить со специально оборудованным лифтом). Этот процесс можно разделить на эндоцитоз (поглощение веществ в клетку) и экзоцитоз (высвобождение веществ из клетки). Примеры эндоцитоза включают фагоцитоз (поглощение твердых частиц), пиноцитоз (поглощение жидкости и растворенных веществ) и рецептор-опосредованный эндоцитоз (избирательное поглощение определенных молекул через взаимодействие рецептор-лиганд).

  1. Мембранные белки

Мембранные белки играют важнейшую роль в функционировании клеточной мембраны. Они похожи на различные инструменты и приспособления, прикрепленные к ограждению. Клеточная мембрана содержит большое количество белков, обычно около 50% объема мембраны. Их можно разделить на две категории:

— Интегральные белки (подобны встроенным элементам). Эти белки встроены в липидный бислой и могут охватывать всю мембрану (трансмембранные белки) или быть частично встроенными. Интегральные белки часто имеют гидрофобные участки, которые взаимодействуют с гидрофобными хвостами фосфолипидов, что позволяет им стабильно закрепляться в мембране. Некоторые интегральные белки могут также иметь гидрофильные области, которые выходят в водную среду по обе стороны мембраны, что позволяет им взаимодействовать с полярными или заряженными молекулами. Примеры интегральных белков включают ионные каналы, протонные насосы и рецепторы, связанные с g-белком (G-белки представляют собой семейство белков, которые действуют как молекулярные переключатели внутри клеток и участвуют в передаче сигналов от различных раздражителей снаружи клетки внутрь ее).

— Периферические белки (подобны съемным приспособлениям). Эти белки лишь временно прикрепляются к клеточной мембране, с которой они связаны. Они прикрепляются к интегральным мембранным белкам или проникают в периферические области липидного двойного слоя. Периферические белки обычно имеют гидрофильные участки, которые взаимодействуют с полярными головками фосфолипидов или гидрофильными участками интегральных белков. Они могут быть легко удалены из мембраны без нарушения ее структуры. Примеры периферических белков — ферменты, гормоны.

Мембранные белки выполняют различные функции (роль ворот, приемников сигналов, монтажного клея для стыковки разных участков и домов, и т. д.):

a. Транспортеры способствуют перемещению веществ через мембрану либо посредством пассивных, либо активных транспортных механизмов.

b. Каналы образуют поры в мембране, через которые могут проходить определенные ионы или молекулы.

c. Рецепторы связываются с сигнальными молекулами, такими как гормоны или нейротрансмиттеры, и запускают внутриклеточные сигнальные пути.

d. Ферменты катализируют химические реакции на поверхности мембраны или внутри самой мембраны.

e. Структурные компоненты обеспечивают механическую устойчивость и поддерживают форму и целостность клетки.

f. Молекулы клеточной адгезии опосредуют взаимодействия между клеткой и клеткой или клеткой и внеклеточным матриксом, которые необходимы для формирования и поддержания тканей.

  1. Модель жидкой мозаики

Одной из первых вех в исследовании клеточных мембран стала разработка С. Дж. Зингером и Г. Л. Николсоном в 1972 году модели жидкой мозаики. Эта модель является важной концепцией для понимания фундаментальных свойств клеточных мембран и их роли в функционировании клетки. Согласно этой модели, мембрана представляет собой текучую структуру, в которой липиды и белки могут перемещаться латерально (с боковых сторон по отношению к центру) внутри липидного бислоя. Эта текучесть необходима для таких функций мембраны, как межклеточная коммуникация, транспорт и соединение клеток. Степень текучести зависит от нескольких факторов, включая состав липидов, наличие холестерина и температуру.

При этом компоненты клеточной мембраны распределены не равномерно, а образуют сложную и динамичную структуру. Мембранные белки, например, можно найти разбросанными по всему липидному бислою, причем некоторые из них охватывают всю мембрану (трансмембранные белки), а другие частично встроены или слабо прикреплены к поверхности мембраны (интегральные и периферические белки, соответственно). Углеводы, часто в форме гликопротеинов или гликолипидов, также являются частью мозаики и играют роль в распознавании клеток, адгезии и иммунных реакциях. Например, классификация крови по типам A, B и O зависит от вида гликопротеина, расположенного на поверхности эритроцитов.

С годами модель жидкой мозаики была уточнена и расширена, в нее были включены новые данные и представления о структуре и функции мембраны.

  1. Научные открытия и их влияние на терапию заболеваний

За прошедшие годы ученые глубже изучили роль различных мембранных белков, таких как ионные каналы, транспортеры и рецепторы. Эти исследования раскрыли сложные механизмы, с помощью которых клетки взаимодействуют с окружающей средой и поддерживают гомеостаз (способность системы сохранять постоянство). Например, открытие рецепторов, связанных с G-белками (GPCRs), оказало глубокое влияние на наше понимание клеточной сигнализации и привело к разработке многочисленных лекарств, нацеленных на эти рецепторы, для лечения таких заболеваний, как гипертония, астма и депрессия. В 2012 году американский ученый Брайан Кобилка совместно с Робертом Лефковицем стали лауреатами Нобелевской премии по химии за открытия, раскрывающие работу рецепторов, связанных с G-белком. В частности, группе Б.Кобилки удалось определить молекулярную структуру β2-адренергических рецепторов.

Совершенствование методов микроскопии, таких как электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия, позволило ученым визуализировать клеточную мембрану и ее компоненты со все более высоким разрешением. Эти методы визуализации позволили получить ценные сведения об организации и взаимодействии мембранных белков и липидов, что углубило наше понимание функционирования мембраны.

Изучение механизмов мембранного транспорта также сыграло решающую роль в разработке новых методов лечения. Например, открытие белка муковисцидозного трансмембранного регулятора проводимости (CFTR) и его роли в транспорте ионов хлора привело к разработке целевых методов лечения муковисцидоза — опасного для жизни генетического заболевания.

Кроме того, исследования молекул клеточной адгезии, таких как интегрины и кадгерины, пролили свет на процессы миграции клеток, развитие тканей и метастазирование рака. Эти знания позволили разработать терапевтические стратегии, направленные на подавление инвазии опухолевых клеток и метастазирования у больных раком.

В заключение следует отметить, что работа многих ученых значительно расширила наше понимание тонкостей клеточной мембраны. Их достижения не только углубили наши знания о клеточной биологии, но и послужили основой для разработки новых методов лечения множества болезней. По мере продолжения исследований мы можем ожидать дальнейших открытий, которые расширят наши возможности в диагностике, лечении и профилактике различных заболеваний.

Материал подготовила:
С. Корнецкая

См. также:

— «Многоликая нейроглия: типы и функции глиальных клеток»
https://osnauka.ru/mnogolikaya-nejrogliya-tipy-i-funktsii-glialnyh-kletok

— «Нейропластичность мозга: научный и исторический обзор»
https://osnauka.ru/nejroplastichnost-mozga-nauchnyj-i-istoricheskij-obzor

— «Анатомическое строение мозга: краткий обзор»
https://osnauka.ru/anatomicheskoe-stroenie-mozga-kratkij-obzor

— «Крупномасштабные сети мозга и оркестр сознания»
https://osnauka.ru/krupnomasshtabnye-seti-mozga-i-orkestr-soznaniya

— «Нейрохимические вещества: типы, функции и различия»
ч.1 https://osnauka.ru/nejrohimicheskie-veshhestva-tipy-funktsii-i-razlichiya-chast-1
ч.2 https://osnauka.ru/nejrohimicheskie-veshhestva-tipy-funktsii-i-razlichiya-chast-2

— «Клеточные рецепторы (основные типы, структура, функции, фармакология)»
https://osnauka.ru/kletochnye-retseptory-osnovnye-tipy-struktura-funktsii-farmakologiya

— «Нейротрансмиттеры (принципы работы, жизненный цикл, баланс)»
https://osnauka.ru/nejrotransmittery-printsipy-raboty-zhiznennyj-tsikl-balans

— «Нейроны: крошечные супергерои (строение, принципы работы, типы)»
https://osnauka.ru/nejrony-kroshechnye-supergeroi-stroenie-printsipy-raboty-tipy

— «Строение и функции клеток»
https://osnauka.ru/stroenie-i-funktsii-kletok

Любовь Николаева

2023-05-31 08:19:16#15222

А если вся глюкоза будет израсходована организмом, новая не будет поступать. Из за этого произойдёт большой слив воды из организма. Интересно откуда воду выжмет?)

Артём Синин

[Любовь], если весь запас глюкозы в организме будет исчерпан и новая глюкоза не будет поступать, организм начнет использовать другие источники энергии. Например, в случае голодания или интенсивной физической нагрузки организм может начать расщеплять жиры и белки для выработки энергии.

Но не очень понятно, каким образом это должно быть связано с обезвоживанием? (Осмос — это пассивный процесс, он не требует АТФ).

Любовь Николаева

[Артём], насколько знаю, одна молекула глюкозы держит 3 или 4 молекулы воды. Глюкоза уходит, и вода из организма тоже.

Артём Синин

[Любовь], Вы путаете глюкозу и гликоген. Гликоген — это полисахарид, содержащий молекулы глюкозы, который используется организмом для хранения энергии. Когда организму требуется энергия, гликоген может быть расщеплен до глюкозы. Но запасы воды в гликогене незначительны, по сравнению с внутриклеточным запасом организма (порядка 2/3 всей воды), и они не расходуются при расщеплении гликогена, а просто освобождаются и метаболизируются, т. е. используются далее. Таким образом, исчерпание запасов глюкозы, как и расщепление всего гликогена — не будут иметь значительного влияния на общий уровень гидратации организма.

Любовь Николаева

[Артём], но обезвожевание все равно при этом происходит. Проверено на собственном опыте) Просто мне интересно откуда вода скидывается при этом.

Артём Синин

[Любовь], о каком конкретно опыте идет речь? В каких ситуациях Вы регистрируете обезвоживание?

Любовь Николаева

[Артём],это была диета. Смысл как раз был, чтобы вывести гликоген из организма, и когда его запасы заканчиваются, организм переходит на другие источники энергии. Вот тогда было очень сильное обезвожевание, пережила полчаса паники, когда в ногах нет сил, даже держать тело, а в руках стакан))) несколько стаканов с гималайской солью, восстановили баланс. Даже фруктов нельзя было, чтобы организм из их глюкозу не выжал))

Артём Синин

[Любовь], через сколько часов или дней после начала этой диеты возник данный эффект? И какую пищу Вы принимали? Присутствовал ли элемент голодания?




[Выполнение квеста]
Юлия Шестопалова

2023-06-01 14:19:09#15230

Пп5-70%

Выбор между красным и жёлтым. Вопрос был задан в 5 утра. Уснула. Во сне: смотрела клип, в клипе мальчик азиат пел рэп в каком-то подвале, возле ржавой лестницы, рядом на полу лежало около 20ти ярких жёлтых резиновых тапочек. Явно сюда не вписывались. Поставила на жёлтый. Выпал желтый.




Добавить комментарий