Всі живі організми на Землі складаються з клітин, а кожна клітина оточена захисною оболонкою - мембраною. Однак функції мембрани не обмежуються захистом органоїдів і відділенням однієї клітини від іншого. Клітинна мембрана являє собою складний механізм, безпосередньо бере участь в розмноженні, регенерації, харчуванні, диханні і багатьох інших важливих функціях клітини.
Термін "клітинна мембрана" використовується вже близько ста років. Саме слово "мембрана" в перекладі з латині означає "плівка". Але в разі в клітинної мембраною правильніше буде говорити і сукупності двох плівок, з'єднаних між собою певним чином, причому, різні сторони цих плівок мають різні властивості.
Клітинна мембрана (цитолемма, плазмалемма) - це тришарова ліпопротеїнова (жиро-білкова) оболонка, яка відокремлює кожну клітину від сусідніх клітин і навколишнього середовища, і що здійснює керований обмін між клітинами і навколишнім середовищем.
Вирішальне значення в цьому визначенні має не те, що клітинна оболонка відокремлює одну клітку від іншої, а то, що вона забезпечує її взаємодію іншими клітинами і навколишнім середовищем. Мембрана - вельми активна, постійно діюча структура клітини, на яку природою покладено безліч функцій. З нашої статті ви дізнаєтеся все про склад, будову, властивості і функції клітинної мембрани, а також про ту небезпеку, яку представляють для здоров'я людини порушення в роботі клітинних мембран.
Зміст статті:
- Історія дослідження клітинної мембрани
- Властивості і функції клітинної мембрани
- Будова клітинної мембрани
- Найважливіші висновки про будову і функції клітинних мембран
Історія дослідження клітинної мембрани
У 1925 році двоє німецьких вчених, Гортер і Грендель, змогли провести складний експеримент над червоними кров'яними тільцями людської крові, еритроцитами. За допомогою осмотичного удару дослідники отримали так звані "тіні" - порожні оболонки еритроцитів, потім склали їх в одну стопку і виміряли площу поверхні. Наступним кроком стало обчислення кількості ліпідів в клітинній мембрані. За допомогою ацетону вчені виділили ліпіди з "тіней" і визначили, що їх якраз вистачає на подвійний суцільний шар.
Однак в ході експерименту було допущено дві грубі помилки:
Використання ацетону не дозволяє виділити з мембран абсолютно все ліпіди;
Площа поверхні "тіней" була вирахувана по сухому вазі, що теж неправильно.
Оскільки перша помилка давала мінус в розрахунках, а друга - плюс, загальний результат виявився на подив точним, і німецькі вчені принесли в науковий світ найважливіше відкриття - ліпідний бішар клітинної мембрани.
У 1935 році інша пара дослідників, Даніелла і Доусон, після довгих експериментів над біліпідний плівками прийшли до висновку про присутність в клітинних мембранах білків. Інакше ніяк не можна було пояснити, чому ці плівки мають такий високий показником поверхневого натягу. Вчені представили увазі громадськості схематичну модель клітинної мембрани, схожу на сендвіч, де роль шматочків хліба грають однорідні липидно-білкові шари, а між ними замість масла - порожнеча.
У 1950 році за допомогою першого електронного мікроскопа теорію Даніелла-Доусона вдалося частково підтвердити - на мікрофотографіях клітинної мембрани були чітко видні два шари, що складаються з ліпідних і білкових головок, а між ними прозоре простір, заповнений лише хвостиками ліпідів і білків.
У 1960 році, керуючись цими даними, американський мікробіолог Дж. Робертсон розробив теорію про тришаровому будові клітинних мембран, яка довгий час вважалася єдино вірною. Однак у міру розвитку науки народжувалося все більше сумнівів щодо однорідності цих шарів. З точки зору термодинаміки така будова вкрай невигідно - клітинам було б дуже складно транспортувати речовини всередину і назовні через весь "бутерброд". Крім того, було доведено, що клітинні мембрани різних тканин мають різну товщину і спосіб кріплення, що обумовлено різними функціями органів.
У 1972 році мікробіологи С.Д. Сінгер і Г.Л. Ніколсон змогли пояснити всі нестиковки теорії Робертсона за допомогою нової, рідинно-мозаїчної моделі клітинної мембрани. Вчені встановили, що мембрана неоднорідна, ассиметрична, наповнена рідиною, і її клітини перебувають у постійному русі. А білки, що входять до її складу, мають різну будову і призначення, крім того, вони по-різному розташовуються відносно билипидного шару мембрани.
У складі клітинних мембран присутні білки трьох видів:
Периферичні - кріпляться на поверхні плівки;
Полуінтегральние - частково проникають всередину билипидного шару;
Інтегральні - повністю пронизують мембрану.
Периферичні білки пов'язані з головками мембранних ліпідів за допомогою електростатичного взаємодії, і вони ніколи не утворюють суцільний шар, як прийнято було вважати ранее.А полуінтегральние і інтегральні білки служать для транспортування всередину клітини кисню і поживних речовин, а також для виведення з неї продуктів розпаду і ще для декількох важливих функцій, про які ви дізнаєтеся далі.
Детальніше: Біологічні функції ліпідів
Властивості і функції клітинної мембрани
Клітинна мембрана виконує наступні функції:
Бар'єрну - проникність мембрани для різних типів молекул неодінакова.Чтоби минути оболонку клітини, молекула повинна мати певний розмір, хімічні властивості і електричний заряд. Шкідливі або невідповідні молекули, завдяки бар'єрної функції клітинної мембрани, просто не можуть проникнути всередину клітини. Наприклад, за допомогою реакції пероксисом мембрана захищає цитоплазму від небезпечних для неї пероксидов;
Транспортну - крізь мембрану проходить пасивний, активний, регульований і виборчий обмін. Пасивний обмін підходить для жиророзчинних речовин і газів, що складаються з дуже маленьких молекул. Такі речовини проникають всередину і виходять з клітини без витрат енергії, вільно, методом дифузії. Активна транспортна функція клітинної мембрани задіюється тоді, коли в клітку або з неї потрібно провести необхідні, але важко транспортуються речовини. Наприклад, що володіють великим розміром молекул, або нездатні перетнути біліпідний шар через гидрофобности. Тоді починають працювати білки-насоси, в тому числі АТФаза, яка відповідає за всмоктування в клітку іонів калію і викидання з неї іонів натрію. Регульований транспортний обмін необхідний для здійснення функцій секреції і ферментації, наприклад, коли клітини виробляють і виділяють гормони або шлунковий сік. Всі ці речовини виходять з клітин через спеціальні канали і в заданому обсязі. А виборча транспортна функція пов'язана з тими самими інтегральними білками, які пронизують мембрану і служать каналом для входу і виходу строго визначених типів молекул;
Матричну - клітинна мембрана визначає і фіксує розташування органоїдів відносно один одного (ядра, мітохондрій, хлоропластів) і регулює взаємодію між ними;
Механічну - забезпечує обмеження однієї клітини від іншого, і, в той же час, - правильне з'єднання клітин в однорідну тканину і стійкість органів до деформації;
Захисну - як у рослин, так і у тварин, клітинна мембрана служить основою для побудови захисного каркаса. Прикладом можуть служити тверда деревина, щільна шкірка, колючі шипи. У тваринному світі теж багато прикладів захисної функції клітинних мембран - черепашачий панцир, хітинова оболонка, копита і роги;
Енергетичну - процеси фотосинтезу і клітинного дихання були б неможливі без участі білків клітинної мембрани, адже саме за допомогою білкових каналів клітини обмінюються енергією;
Рецепторную- білки, вбудовані в клітинну мембрану, можуть володіти ще однією важливою функцією. Вони служать рецепторами, завдяки яким клітина отримує сигнал від гормонів і нейромедіаторів. А це, в свою чергу, необхідно для проведення нервових імпульсів і нормального перебігу гормональних процесів;
Ферментативну - ще одна важлива функція, притаманна деяким білкам клітинних мембран. Наприклад, в епітелії кишечника за допомогою таких білків синтезуються травні ферменти;
Біопотенціальную - концентрація іонів калію всередині клітини значно вище, ніж зовні, а концентрація іонів натрію, навпаки, зовні більше, ніж усередині. Цим і пояснюється різниця потенціалів: всередині клітини заряд негативний, в зовні позитивний, що сприяє руху речовин всередину клітини і назовні при будь-якому з трьох типів обміну - фагоцитозі, Піноцитоз і екзоцитозу;
Маркувальну - на поверхні клітинних мембран є так звані "ярлики" - антигени, що складаються з глікопротеїнів (білків з приєднаними до них розгалуженими олігосахарідним бічними ланцюгами). Оскільки бічні ланцюги можуть мати безліч конфігурацій, кожен тип клітин отримує свій унікальний ярлик, який дозволяє іншим клітинам організму дізнаватися їх "в обличчя" і правильно на них реагувати. Ось чому, наприклад, імунні клітини людини, макрофаги, без праці розпізнають чужака, який проник в організм (інфекцію, вірус) і намагаються його знищити. Те ж саме відбувається з хворими, мутують і старими клітинами - ярлик на їх клітинній мембрані змінюється, і організм позбавляється від них.
Клітинний обмін відбувається через мембрани, і може здійснюватися за допомогою трьох основних типів реакцій:
Фагоцитоз - клітинний процес, при якому вбудовані в мембрану клітини-фагоцити захоплюють і перетравлюють тверді частинки поживних речовин. У людському організмі фагоцитоз здійснюється мембранами двох типів клітин: гранулоцитів (зернистих лейкоцитів) і макрофагів (імунних клітин-вбивць);
Пиноцитоз - процес захоплення поверхнею клітинної мембрани стикаються з нею молекул рідини. Для харчування по типу пиноцитоза клітина вирощує на своїй мембрані тонкі пухнасті вирости в формі вусиків, які як би оточують крапельку рідини, і виходить бульбашка. Спочатку цей пухирець випинається над поверхнею мембрани, а потім "проковтує" - ховається всередину клітини, і його стінки зливаються вже з внутрішньою поверхнею клітинної мембрани. Пиноцитоз проходить майже у всіх живих клітинах;
Екзоцитоз - зворотний процес, при якому всередині клітини утворюються бульбашки з секреторною функціональної рідиною (ферментом, гормоном), і її необхідно якось вивести з клітки в навколишнє середовище. Для цього пухирець спочатку зливається з внутрішньою поверхнею клітинної мембрани, потім випинається назовні, лопається, рятує вміст і знову зливається з поверхнею мембрани, на цей раз вже з зовнішньої сторони. Екзоцитоз проходить, наприклад, в клітинах кишкового епітелію і кори надниркових залоз.
Будова клітинної мембрани
Клітинні мембрани містять ліпіди трьох класів:
фосфоліпіди;
гліколіпіди;
холестерол.
Фосфоліпіди (комбінація жирів і фосфору) і гліколіпіди (комбінація жирів і вуглеводів), в свою чергу, складаються з гідрофільної голівки, від якої відходять два довгих гідрофобних хвостика. А ось холестерол іноді займає простір між цими двома хвостиками і не дає їм згинатися, що робить мембрани деяких клітин жорсткими. Крім того, молекули холестеролу впорядковують структуру клітинних мембран і перешкоджають переходу полярних молекул з однієї клітини в іншу.
Але найважливішою складовою, як видно з попереднього розділу про функції клітинних мембран, є білки. Їх склад, призначення та розташування вельми різноманітні, але є щось спільне, що всіх їх об'єднує: навколо білків клітинних мембран завжди розташовані аннулярная ліпіди. Це особливі жири, які чітко структуровані, стійкі, мають в своєму складі більше насичених жирних кислот, і виділяються з мембран разом з "підшефними" білками. Це свого роду персональна захисна оболонка для білків, без якої вони б просто не працювали.
Структура клітинної мембрани тришарова. Посередині пролягає щодо однорідний рідкий біліпідний шар, а білки покривають його з обох сторін подобою мозаїки, частково проникаючи в товщу. Тобто, неправильно було б думати, що зовнішні білкові шари клітинних мембран безперервні. Білки, крім своїх складних функцій, потрібні в мембрані для того, щоб пропускати всередину клітин і транспортувати з них назовні ті речовини, які не здатні проникнути крізь жировий шар. Наприклад, іони калію і натрію. Для них передбачені спеціальні білкові структури - іонні канали, докладніше про які ми розповімо далі.
Якщо поглянути на клітинну мембрану через мікроскоп, то можна побачити шар ліпідів, утворений дрібними кулястими молекулами, за яким, як по морю, плавають великі білкові клітини різної форми. Точно такі ж мембрани ділять внутрішній простір кожної клітини на відсіки, в яких затишно розташовуються ядро, хлоропласти і мітохондрії. Не будь всередині клітини окремих "кімнат", органели б злиплися один з одним і не змогли б виконувати свої функції правильно.
Клітка - це структурована і відмежована за допомогою мембран сукупність органоїдів, яка бере участь в комплексі енергетичних, метаболічних, інформаційних та репродуктивних процесів, що забезпечують життєдіяльність організму.
Як видно з цього визначення, мембрана є найважливішою функціональною складовою будь-якої клітини. Її значення так само велика, як значення ядра, мітохондрій і інших клітинних органел. А унікальні властивості мембрани обумовлені її будовою: вона складається з двох пленочек, зліплених між собою особливим чином. Молекули фосфоліпідів в мембрані розташовані гідрофільними головками назовні, а гідрофобними хвостами всередину. Тому одна сторона пленочки змочується водою, а інша - ні. Так ось, ці пленочки з'єднуються один з одним несмачіваемих сторонами всередину, утворюючи біліпідний шар, оточений молекулами білків. Це і є те саме "бутербродне" будова клітинної мембрани.
Іонні канали клітинних мембран
Розглянемо більш докладно принцип роботи іонних каналів. Для чого вони потрібні? Справа в тому, що крізь ліпідний мембрану безперешкодно можуть проникати тільки жиророзчинні речовини - це гази, спирти і самі жири. Так, наприклад, в червоних кров'яних тільцях постійно відбувається обмін кисню і вуглекислого газу, і для цього нашому організму не доводиться вдаватися до жодних додаткових хитрувань. Але як же бути, коли виникає необхідність в транспортуванні крізь клітинну мембрану водних розчинів, таких, як солі натрію і калію?
Прокласти в біліпідний шарі шлях для таких речовин було б неможливо, оскільки отвори б тут же затягнулися і злиплися назад, така вже структура будь-жирової тканини. Але природа, як завжди, знайшла вихід із ситуації, і створила спеціальні білкові транспортні структури.
Існує два типи провідних білків:
Транспортери - полуінтегральние білки-насоси;
Каналоформери - інтегральні білки.
Білки першого типу частково занурені в біліпідний шар клітинної мембрани, а голівкою визирають назовні, і в присутності потрібного речовини вони починають вести себе, як насос: притягають молекулу і всмоктують її всередину клітини. А білки другого типу, інтегральні, мають витягнуту форму і розташовуються перпендикулярно біліпідний шару клітинної мембрани, пронизуючи її наскрізь. За ним, як по тунелях, в клітку і з клітки рухаються речовини, нездатні проходити крізь жир. Саме через іонні канали всередину клітини проникають іони калію і накопичуються в ній, а іони натрію, навпаки, виводяться назовні. Виникає різниця електричних потенціалів, так необхідна для правильної роботи всіх клітин нашого організму.
Найважливіші висновки про будову і функції клітинних мембран
Теорія завжди виглядає цікавою і перспективною, якщо її можна з користю застосувати на практиці. Відкриття будови і функцій клітинних мембран людського організму дозволило ученимсовершіть справжній прорив в науці в цілому, і в медицині зокрема. Ми не випадково так докладно зупинилися на іонні канали, адже саме тут криється відповідь на одне з найважливіших питань сучасності: чому люди все частіше хворіють на онкологію?
Рак щорічно забирає близько 17 мільйонів життів у всьому світі, і є четвертою за частотою причиною всіх смертей. За даними ВООЗ, захворюваність на онкологію неухильно збільшується, і до кінця 2020 року може досягти 25 мільйонів в рік.
Чим пояснюється справжня епідемія раку, і причому тут функції клітинних мембран? Ви скажете: причина в погану екологічну обстановку, неправильному харчуванні, шкідливі звички і важкої спадковості. І, звичайно, будете праві, але якщо говорити про проблему більш предметно, то причина в закислення людського організму. Перераховані вище негативні фактори призводять до порушення роботи клітинних мембран, пригнічують дихання і харчування.
Там, де повинен бути плюс, утворюється мінус, і клітина не може нормально функціонувати. А ось раковим клітинам не потрібні ні кисень, ні лужне середовище - вони здатні використовувати анаеробний тип харчування. Тому в умовах кисневого голодування і зашкалює рівня pH здорові клітини мутують, бажаючи пристосуватися до навколишнього середовища, і стають раковими клітинами. Так людина і захворює онкологією. Щоб цього уникнути, потрібно всього лише вживати достатню кількість чистої води щодня, і відмовитися від канцерогенів в їжі. Але, як правило, люди прекрасно знають про шкідливі продуктах і потреби в якісній воді, і нічого не роблять - сподіваються, що біда обійде їх стороною.
Знаючи особливості будови і функцій клітинних мембран різних клітин, лікарі можуть використовувати ці відомості для надання спрямованого, адресноготерапевтіческого впливу на організм. Багато сучасні лікарські препарати, потрапляючи в наше тіло, шукають потрібну "мішень", в якості якої можуть виступати іонні канали, ферменти, рецептори і біомаркери клітинних мембран. Такий спосіб лікування дозволяє домогтися більш високих результатів при мінімальних побічних ефектах.
Антибіотики останнього покоління при попаданні в кров не вбивають все клітини поспіль, а шукають саме клітини збудника, орієнтуючись на маркери в його клітинних оболонках. Новітні препарати проти мігрені, тріптани, звужують тільки запалені судини головного мозку, при цьому майже ніяк не впливаючи на серце і периферичну кровоносну систему. І дізнаються вони потрібні судини саме по білках їх клітинних мембран. Таких прикладів безліч, тому можна з упевненістю сказати, що знання про будову і функції клітинних оболонок лежить в основі розвитку сучасної медичної науки, і рятує мільйони життів щороку.