Wszystkie żywe organizmy na Ziemi składają się z komórek, a każda komórka jest otoczona ochronną membraną - membraną. Jednak funkcje błonowe nie ograniczają się do ochrony organoidów i oddzielania jednej komórki od drugiej. Błona komórkowa jest złożonym mechanizmem, który jest bezpośrednio zaangażowany w rozmnażanie, regenerację, odżywianie, oddychanie i wiele innych ważnych funkcji komórki..
Termin "błona komórkowa" był używany od około stu lat. Słowo "membrana" w tłumaczeniu z łaciny oznacza "film". Ale w przypadku błony komórkowej bardziej poprawne będzie mówienie o całości dwóch filmów połączonych w pewien sposób, a różne strony tych filmów mają różne właściwości.
Błona komórkowa (cytolemma, membrana plazmatyczna) to trójwarstwowa membrana lipoproteinowa (tłuszcz-białko), która oddziela każdą komórkę od sąsiednich komórek i otoczenia oraz przeprowadza kontrolowaną wymianę między komórkami a otoczeniem.
Kluczowe w tej definicji nie jest to, że ściana komórki oddziela jedną komórkę od drugiej, ale zapewnia jej interakcję z innymi komórkami i otoczeniem. Membrana jest bardzo aktywną, stale działającą strukturą komórkową, na której natura ma wiele funkcji. Z naszego artykułu dowiesz się wszystkiego o składzie, strukturze, właściwościach i funkcjach błony komórkowej, a także o niebezpieczeństwie, jakie ludzkie membrany powodują dla zdrowia ludzkiego..
Treść artykułu:
- Historia badań błony komórkowej
- Właściwości i funkcje błony komórkowej
- Struktura błony komórkowej
- Najważniejsze wnioski dotyczące struktury i funkcji błon komórkowych
Historia badań błony komórkowej
W 1925 roku dwaj niemieccy naukowcy, Gorter i Grendel, byli w stanie przeprowadzić najbardziej skomplikowany eksperyment na czerwonych krwinkach ludzkiej krwi, krwinkach czerwonych. Za pomocą uderzenia osmotycznego naukowcy uzyskali tak zwane "cienie" - puste muszle krwinek czerwonych, a następnie złożyli je na jednym stosie i zmierzyli powierzchnię. Następnym krokiem było obliczenie ilości lipidów w błonie komórkowej. Przy pomocy acetonu naukowcy wyizolowali lipidy z "cieni" i ustalili, że wystarczy im podwójna ciągła warstwa.
Jednak podczas eksperymentu popełniono dwa poważne błędy:
Zastosowanie acetonu nie pozwala na izolowanie absolutnie wszystkich lipidów z błon;
Powierzchnia "cieni" została obliczona na podstawie suchej masy, która również jest błędna.
Ponieważ pierwszy błąd dawał minus w obliczeniach, a drugi - plus, ogólny wynik był zaskakująco dokładny, a niemieccy naukowcy przekazali światu naukowemu najważniejsze odkrycie - podwójną warstwę lipidową błony komórkowej.
W 1935 r. Inna para badaczy, Danielle i Dawson, po długich eksperymentach na filmach bilipidowych, doszła do wniosku, że białka obecne są w błonach komórkowych. W przeciwnym razie nie było sposobu, aby wyjaśnić, dlaczego te filmy mają tak wysokie napięcie powierzchniowe. Naukowcy przedstawili społeczeństwu schematyczny model błony komórkowej, podobny do kanapki, w której jednorodne warstwy lipidowo-białkowe odgrywają rolę kawałków chleba, a między nimi zamiast masła, pustka.
W 1950 roku, używając pierwszego mikroskopu elektronowego, teoria Danielie-Dawson została częściowo potwierdzona - mikrofotografie błony komórkowej wyraźnie wykazały dwie warstwy składające się z głowic lipidowych i białkowych, a między nimi przezroczysta przestrzeń wypełniona tylko ogonami lipidów i białek.
W 1960 roku, kierując się tymi danymi, amerykański mikrobiolog J. Robertson opracował teorię trójwarstwowej struktury błon komórkowych, która przez długi czas była uważana za jedyną właściwą. Jednak w miarę rozwoju nauki rodziło się coraz więcej wątpliwości dotyczących homogeniczności tych warstw. Z punktu widzenia termodynamiki taka konstrukcja jest wyjątkowo niekorzystna - komórki będą bardzo trudno przenosić substancje wewnątrz i na zewnątrz przez całą kanapkę. Ponadto wykazano, że błony komórkowe różnych tkanek mają różną grubość i sposób mocowania, ze względu na różne funkcje narządów.
W 1972 roku mikrobiolodzy SD Piosenkarz i G.L. Nicholson był w stanie wyjaśnić wszystkie niekonsekwencje teorii Robertsona za pomocą nowego, płynnego modelu mozaiki błony komórkowej. Naukowcy odkryli, że membrana jest niejednorodna, asymetryczna, wypełniona płynem, a jej komórki są w ciągłym ruchu. A białka zawarte w jego składzie mają różną strukturę i cel, ponadto są one rozmieszczone w różny sposób w stosunku do warstwy bilipidowej membrany.
Błony komórkowe zawierają białka trzech typów:
Urządzenie peryferyjne - zamontowane na powierzchni folii;
Pół-integralne - częściowo wnikają w warstwę bilipidową;
Całka - całkowicie przenika membranę.
Białka obwodowe są związane z głowami lipidów błony przez oddziaływanie elektrostatyczne i nigdy nie tworzą ciągłej warstwy, jak powszechnie sądzono wcześniej. A pół-integralne i integralne białka służą do transportu tlenu i składników odżywczych do komórki, jak również do usuwania produktów rozkładu i więcej dla kilku ważnych funkcji, o których dowiesz się później.
Czytaj więcej: Biologiczne funkcje lipidów
Właściwości i funkcje błony komórkowej
Błona komórkowa spełnia następujące funkcje:
Bariera - przepuszczalność membrany dla różnych typów cząsteczek nie jest taka sama Aby ominąć błonę komórkową, cząsteczka musi mieć określoną wielkość, właściwości chemiczne i ładunek elektryczny. Szkodliwe lub nieodpowiednie cząsteczki, ze względu na funkcję barierową błony komórkowej, po prostu nie mogą przeniknąć do komórki. Na przykład, stosując reakcję peroksydacji, membrana chroni cytoplazmę przed niebezpiecznymi dla niej nadtlenkami;
Transport - przez membranę przechodzi pasywna, aktywna, regulowana i selektywna wymiana. Wymiana pasywna jest odpowiednia dla substancji rozpuszczalnych w tłuszczach i gazów składających się z bardzo małych cząsteczek. Takie substancje przenikają do wnętrza i opuszczają komórkę bez energii, swobodnie, przez dyfuzję. Aktywna funkcja transportu błony komórkowej jest aktywowana, gdy konieczne jest przeprowadzenie niezbędnych, ale trudnych transportowanych substancji do lub z komórki. Na przykład w przypadku dużych cząsteczek lub niezdolnych do przekroczenia warstwy bilipidowej z powodu hydrofobowości. Następnie zaczynają działać białka pompy, w tym ATPaza, która jest odpowiedzialna za wchłanianie jonów potasu do komórki i wyrzucanie z niej jonów sodu. Regulowana wymiana transportowa jest niezbędna dla funkcji sekrecji i fermentacji, na przykład gdy komórki wytwarzają i wydzielają hormony lub sok żołądkowy. Wszystkie te substancje opuszczają komórki przez specjalne kanały i w danej objętości. A funkcja transportu selektywnego jest związana z bardzo integralnymi białkami, które przenikają przez membranę i służą jako kanał do wejścia i wyjścia dobrze zdefiniowanych typów cząsteczek;
Matrix - błona komórkowa określa i ustala układ organoidów względem siebie (jądro, mitochondria, chloroplasty) i reguluje interakcje między nimi;
Mechaniczne - zapewnia ograniczenie jednej komórki od drugiej, a jednocześnie prawidłowe połączenie komórek w jednorodną tkankę i odporność narządów na odkształcenia;
Ochronne - zarówno w roślinach, jak i zwierzętach, błona komórkowa służy jako podstawa do budowy szkieletu ochronnego. Przykładem jest drewno lite, gęsta skóra, cierniste kolce. W świecie zwierzęcym istnieje wiele przykładów ochronnej funkcji błon komórkowych - skorupy żółwia, chitynowej skorupy, kopyt i rogów;
Energetyczne - procesy fotosyntezy i oddychania komórkowego nie byłyby możliwe bez udziału białek błony komórkowej, ponieważ poprzez kanały białkowe komórki wymieniają energię;
Receptorowe białka wbudowane w błonę komórkową mogą pełnić inną ważną funkcję. Służą one jako receptory, dzięki czemu komórka otrzymuje sygnał od hormonów i neuroprzekaźników. A to z kolei jest niezbędne do przewodzenia impulsów nerwowych i normalnego przebiegu procesów hormonalnych;
Enzymatyczny - inna ważna funkcja nieodłączna w niektórych białkach błon komórkowych. Na przykład w nabłonku jelitowym syntetyzuje się enzymy trawienne przy użyciu takich białek;
Biopotencjał - stężenie jonów potasu w komórce jest znacznie wyższe niż na zewnątrz, a stężenie jonów sodu, na odwrót, na zewnątrz jest większe niż w środku. Wyjaśnia to potencjalną różnicę: wewnątrz komórki ładunek jest ujemny, na zewnątrz jest dodatni, co promuje ruch substancji do i z komórki podczas dowolnego z trzech rodzajów metabolizmu - fagocytozy, pinocytozy i egzocytozy;
Oznaczone - na powierzchni błon komórkowych są tak zwane "znaczniki" - antygeny składające się z glikoprotein (białka z przyłączonymi rozgałęzionymi łańcuchami bocznymi oligosacharydów). Ponieważ łańcuchy boczne mogą mieć ogromną różnorodność konfiguracji, każdy typ komórki otrzymuje swoją własną unikalną etykietę, która pozwala innym komórkom ciała rozpoznać je "z widzenia" i odpowiednio na nie zareagować. Dlatego na przykład ludzkie komórki odpornościowe, makrofagi, łatwo rozpoznają kogoś z zewnątrz, który wszedł w ciało (infekcję, wirusa) i próbują go zniszczyć. To samo dzieje się z chorymi, zmutowanymi i starymi komórkami - etykietą zmian w błonie komórkowej i organizm się ich pozbywa..
Metabolizm komórkowy zachodzi poprzez błonę i może być przeprowadzony przy użyciu trzech głównych typów reakcji:
Fagocytoza jest procesem komórkowym, w którym komórki fagocytarne wbudowane w membranę wychwytują i trawią cząstki stałe składników odżywczych. W ludzkim organizmie fagocytoza jest przeprowadzana przez membrany dwóch typów komórek: granulocytów (ziarniste leukocyty) i makrofagów (komórki odpornościowe);
Pinocytoza to proces wychwytywania powierzchni błony komórkowej molekuł płynów w kontakcie z nią. W celu odżywienia w postaci pinocytozy komórka rozwija cienkie, puszyste odrosty w postaci anten na swojej membranie, która otacza kroplę cieczy i powstaje bąbelek. Po pierwsze, bąbelek ten wybrzusza się nad powierzchnią membrany, a następnie "połknie" - ukrywając się w komórce, a jej ściany łączą się z wewnętrzną powierzchnią błony komórkowej. Pinocytoza występuje w prawie wszystkich żywych komórkach;
Egzocytoza jest procesem odwrotnym, w którym w komórce powstają bąbelki z wydzielinowym płynem funkcjonalnym (enzymem, hormonem) i musi ona w jakiś sposób zostać usunięta z komórki do środowiska. Aby to zrobić, bąbel najpierw łączy się z wewnętrzną powierzchnią błony komórkowej, następnie wybrzusza się, pęka, wyrzuca zawartość i ponownie łączy się z powierzchnią membrany, tym razem z zewnątrz. Egzocytoza występuje na przykład w komórkach nabłonka jelitowego i korze nadnerczy.
Struktura błony komórkowej
Błony komórkowe zawierają lipidy z trzech klas:
Fosfolipidy;
Glikolipidy;
Cholesterol.
Fosfolipidy (połączenie tłuszczu i fosforu) i glikolipidy (połączenie tłuszczów i węglowodanów) składają się z kolei z hydrofilowej głowy, z której odchodzą dwie długie hydrofobowe ogony. Ale cholesterol czasami zajmuje przestrzeń między tymi dwoma ogonami i nie pozwala im się zginać, co powoduje, że membrany niektórych komórek są sztywne. Ponadto cząsteczki cholesterolu porządkują strukturę błon komórkowych i zapobiegają przechodzeniu molekuł polarnych z jednej komórki do drugiej..
Ale najważniejszym składnikiem, jak widać z poprzedniej sekcji na temat funkcji błon komórkowych, są białka. Ich skład, przeznaczenie i lokalizacja są bardzo zróżnicowane, ale jest coś wspólnego, które łączy je wszystkie: pierścieniowe lipidy są zawsze zlokalizowane wokół białek błon komórkowych. Są to specjalne tłuszcze, które są wyraźnie uporządkowane, stabilne, mają więcej nasyconych kwasów tłuszczowych w swoim składzie i są uwalniane z błon razem z białkami "załatanymi". Jest to rodzaj osobistej ochronnej powłoki dla białek, bez której po prostu by nie działały.
Struktura błony komórkowej jest trójwarstwowa. W środku znajduje się stosunkowo jednorodna płynna warstwa bilipidowa, a białka pokrywają ją po obu stronach podobieństwem do mozaiki, częściowo penetrując do grubości. To znaczy, błędem byłoby myśleć, że zewnętrzne warstwy białkowe w błonie komórkowej są ciągłe. Białka, oprócz ich złożonych funkcji, są potrzebne w membranie, aby przejść do komórek i transportować z nich substancje, które nie są w stanie przeniknąć do warstwy tłuszczowej. Na przykład jony potasowe i sodowe. Dla nich istnieją specjalne struktury białkowe - kanały jonowe, o których więcej opiszemy poniżej.
Jeśli spojrzysz na błonę komórkową przez mikroskop, zobaczysz warstwę lipidów tworzoną przez maleńkie sferyczne cząsteczki, wzdłuż których, podobnie jak w morzu, pływają duże komórki białkowe o różnych kształtach. Dokładnie te same membrany dzielą wewnętrzną przestrzeń każdej komórki na przedziały, w których jądro, chloroplasty i mitochondria są wygodnie zlokalizowane. Nie należy przebywać w komórkach poszczególnych "pokoi", organelle będą się trzymać ze sobą i nie będą w stanie prawidłowo wykonywać swoich funkcji..
Komórka jest zbiorem organoidów uporządkowanych i odgraniczonych za pomocą membran, które biorą udział w kompleksie procesów energetycznych, metabolicznych, informacyjnych i reprodukcyjnych, które zapewniają żywotną aktywność organizmu..
Jak wynika z tej definicji, membrana jest najważniejszym funkcjonalnym składnikiem każdej komórki. Jego wartość jest równie duża jak wartość jądra, mitochondriów i innych organelli komórkowych. Unikalne właściwości membrany wynikają z jej struktury: składa się ona z dwóch folii uformowanych razem w specjalny sposób. Cząsteczki fosfolipidów w błonie znajdują się w głowach hydrofilowych, a wewnątrz wewnątrz ogony hydrofobowe. Dlatego jedna strona folii jest zwilżona wodą, a druga nie. Zatem folie te są połączone ze sobą nie zwilżonymi bokami do wewnątrz, tworząc warstwę bilipidową otoczoną cząsteczkami białka. Jest to bardzo "kanapkowa" struktura błony komórkowej.
Kanały jonowe błon komórkowych
Rozważmy bardziej szczegółowo zasadę działania kanałów jonowych. Do czego one służą? Faktem jest, że tylko substancje rozpuszczalne w tłuszczach - gazy, alkohole i same tłuszcze - mogą swobodnie przenikać przez błonę lipidową. Na przykład w czerwonych krwinkach tlen i dwutlenek węgla są stale wymieniane, a do tego nasze ciało nie musi uciekać się do żadnych dodatkowych sztuczek. Ale co się dzieje, gdy istnieje potrzeba transportu roztworów wodnych przez błonę komórkową, takich jak sole sodowe i potasowe??
Niemożliwe byłoby utorowanie drogi takim substancjom w warstwie bilipidowej, ponieważ otwory natychmiast się zagoją i sklejają, na przykład struktura dowolnej tkanki tłuszczowej. Ale przyroda, jak zawsze, znalazła wyjście z sytuacji i stworzyła specjalne struktury transportu białka.
Istnieją dwa rodzaje przewodzących białek:
Przenośniki - pół-integralne pompy białkowe;
Channelformers - integralne białka.
Białka pierwszego typu są częściowo zanurzone w warstwie bilipidowej błony komórkowej, a głowa wygląda, aw obecności pożądanej substancji zaczynają zachowywać się jak pompa: wyciągają cząsteczkę i wciągają ją do wnętrza komórki. Białka drugiego rodzaju, integralne, mają wydłużony kształt i są usytuowane prostopadle do warstwy bilipidowej błony komórkowej, przenikając przez nią. Substancje, które nie są w stanie przejść przez tłuszcz, poruszają się wzdłuż nich, jak przez tunele, do komórki i poza nią. To przez kanały jonowe w komórce jony potasu wnikają i gromadzą się w nim, podczas gdy jony sodu, wręcz przeciwnie, są wyprowadzane. Istnieje różnica potencjałów elektrycznych, tak potrzebna do prawidłowego funkcjonowania wszystkich komórek naszego ciała..
Najważniejsze wnioski dotyczące struktury i funkcji błon komórkowych
Teoria zawsze wygląda interesująco i obiecująco, jeśli można ją z pożytkiem zastosować w praktyce. Odkrycie struktury i funkcji błon komórkowych ludzkiego ciała pozwoliło naukowcom dokonać prawdziwego przełomu w nauce w ogóle, aw medycynie w szczególności. To nie przypadek, że zatrzymaliśmy się w kanałach jonowych tak szczegółowo, ponieważ to właśnie tutaj znajduje się odpowiedź na jedno z najważniejszych pytań naszych czasów: dlaczego ludzie coraz częściej chorują na onkologię??
Rak każdego roku zabija około 17 milionów ludzi na świecie i jest czwartą najczęstszą przyczyną wszystkich zgonów. Według Światowej Organizacji Zdrowia częstość występowania onkologii stale rośnie, a do końca 2020 roku może osiągnąć 25 milionów rocznie..
Co tłumaczy obecną epidemię raka i gdzie działa funkcja błon komórkowych? Powiecie: przyczyną są złe warunki środowiskowe, złe odżywianie, złe nawyki i poważna dziedziczność. I, oczywiście, będziesz miał rację, ale jeśli mówimy o problemie bardziej szczegółowo, powodem jest zakwaszenie ludzkiego ciała. Powyższe negatywne czynniki prowadzą do rozerwania błon komórkowych, hamowania oddychania i odżywiania..
Tam, gdzie powinien być plus, powstaje minus, a komórka nie może normalnie funkcjonować. Jednak komórki nowotworowe nie potrzebują ani tlenu, ani środowiska alkalicznego - są w stanie używać beztlenowej żywności. Dlatego w warunkach głodu tlenu i poziomu pH wykraczającego poza poziom, zdrowe komórki mutują, chcąc przystosować się do otoczenia i stać się komórkami nowotworowymi. W ten sposób zachoruje na onkologię. Aby tego uniknąć, wystarczy codziennie spożywać wystarczającą ilość czystej wody i porzucać substancje rakotwórcze w żywności. Ale z reguły ludzie dobrze zdają sobie sprawę ze szkodliwych produktów i zapotrzebowania na wodę wysokiej jakości i nie robią nic - mają nadzieję, że kłopoty miną ich.
Znając strukturę i funkcje błon komórkowych różnych komórek, lekarze mogą wykorzystywać te informacje, aby zapewnić ukierunkowane, ukierunkowane działanie terapeutyczne na organizm. Wiele nowoczesnych leków, dostających się do naszego organizmu, szuka pożądanego "celu", który może działać jako kanały jonowe, enzymy, receptory i biomarkery błon komórkowych. Ta metoda leczenia pozwala osiągnąć lepsze wyniki przy minimalnych efektach ubocznych..
Najnowsza generacja antybiotyków nie zabija wszystkich komórek z rzędu, kiedy dostają się one do krwi, ale są to komórki patogenu, które szukają, koncentrując się na markerach w ścianach komórkowych. Najnowsze leki przeciwmigrenowe, tryptany, ograniczają jedynie zapalenie naczyń mózgowych, nie wywierając prawie żadnego wpływu na serce i obwodowy układ krążenia. I rozpoznają niezbędne naczynia dokładnie przez białka ich błon komórkowych. Istnieje wiele takich przykładów, więc można bezpiecznie powiedzieć, że wiedza na temat struktury i funkcji błon komórkowych leży u podstaw rozwoju współczesnej medycyny i co roku ratuje miliony istnień ludzkich..