Svi živi organizmi na Zemlji sačinjeni su od stanica, a svaka stanica je okružena zaštitnom membranom - membranom. Međutim, funkcije membrana nisu ograničene na zaštitu organoida i odvajanje jedne stanice od druge. Stanična membrana je složeni mehanizam koji je izravno uključen u reprodukciju, regeneraciju, prehranu, disanje i mnoge druge važne funkcije stanice..
Izraz "stanična membrana" koristi se oko stotinu godina. Riječ "membrana" u prijevodu s latinskog znači "film". Ali u slučaju stanične membrane, ispravnije je govoriti o ukupnosti dvaju filmova međusobno povezanih na određen način, a različite strane tih filmova imaju različita svojstva..
Stanična membrana (citoleme, plazma membrana) je troslojna lipoproteinska (masti-protein) membrana koja odvaja svaku stanicu od susjednih stanica i okoliša i provodi kontroliranu razmjenu između stanica i okoliša.
Ključno u ovoj definiciji nije da stanična stijenka odvaja jednu ćeliju od druge, nego da osigurava njezinu interakciju s drugim stanicama i okolinom. Membrana je vrlo aktivna, stalno radna struktura stanica, na kojoj priroda ima mnoge funkcije. Iz našeg članka saznat ćete sve o sastavu, strukturi, svojstvima i funkcijama stanične membrane, kao io opasnosti koju ljudske membrane uzrokuju ljudskom zdravlju..
Sadržaj članka:
- Povijest istraživanja stanične membrane
- Svojstva i funkcije stanične membrane
- Struktura stanične membrane
- Najvažniji zaključci o strukturi i funkciji staničnih membrana
Povijest istraživanja stanične membrane
Godine 1925., dva njemačka znanstvenika, Gorter i Grendel, uspjela su provesti najsloženiji eksperiment na crvenim krvnim stanicama ljudske krvi, crvenih krvnih stanica. Pomoću osmotskog štrajka, istraživači su dobili tzv. "Sjene" - prazne ljuske crvenih krvnih stanica, koje su ih zatim presavili u jednu hrpu i izmjerili površinu. Sljedeći korak bio je izračunati količinu lipida u staničnoj membrani. Uz pomoć acetona znanstvenici su izolirali lipide iz "sjena" i utvrdili da su oni dovoljni za dvostruki kontinuirani sloj.
Međutim, tijekom eksperimenta napravljene su dvije velike pogreške:
Uporaba acetona ne dopušta izoliranje apsolutno svih lipida iz membrana;
Površina "sjena" izračunata je suhom težinom, što je također pogrešno.
Budući da je prva pogreška dala minus u izračunima, a drugi - plus, ukupni rezultat bio je iznenađujuće točan, a njemački znanstvenici donijeli su znanstvenom svijetu najvažnije otkriće - lipidni dvosloj stanične membrane.
Godine 1935, još jedan par istraživača, Danielle i Dawson, nakon dugih eksperimenata na filmovima bilipida, došli su do zaključka da su proteini prisutni u staničnim membranama. Inače, nije bilo načina da se objasni zašto ti filmovi imaju tako visoku površinsku napetost. Znanstvenici su javnosti predstavili shematski model stanične membrane, sličan sendviču, gdje homogeni lipidno-proteinski slojevi igraju ulogu komada kruha, a između njih umjesto maslaca praznina.
Godine 1950., koristeći prvi elektronski mikroskop, Danielie-Dawsonova teorija je djelomično potvrđena - mikrografije stanične membrane jasno pokazuju dva sloja koji se sastoje od lipidnih i proteinskih glava, a između njih je prozirni prostor ispunjen samo repovima lipida i proteina.
Američki mikrobiolog J. Robertson 1960. godine, vođen tim podacima, razvio je teoriju o troslojnoj strukturi staničnih membrana, koja se dugo vremena smatrala jedinom ispravnom. Međutim, kako se znanost razvijala, sve se više sumnjalo u homogenost ovih slojeva. S točke gledišta termodinamike, takva struktura je iznimno nepovoljna - ćelije bi bilo vrlo teško prenijeti tvari unutar i izvan cijelog sendviča. Osim toga, dokazano je da stanične membrane različitih tkiva imaju različitu debljinu i način pričvršćivanja zbog različitih funkcija organa..
Godine 1972. mikrobiolozi SD Singer i G.L. Nicholson je uspio objasniti sve nedosljednosti Robertsonove teorije uz pomoć novog, tekuće-mozaičkog modela stanične membrane. Znanstvenici su otkrili da je membrana heterogena, asimetrična, ispunjena tekućinom, a njezine su stanice u stalnom pokretu. A proteini uključeni u njegov sastav imaju različitu strukturu i svrhu, a osim toga, oni su različito locirani u odnosu na bilipidni sloj membrane..
Stanične membrane sadrže proteine tri vrste:
Periferno - montirano na površinu filma;
Polu-integralni - djelomično prodiru u sloj bilipida;
Integral - potpuno prožima membranu.
Periferni proteini povezani su s glavama membranskih lipida putem elektrostatske interakcije i nikad ne tvore kontinuirani sloj, kao što se ranije smatralo, a polu-integralni i integralni proteini služe za transport kisika i hranjivih tvari u stanicu, kao i za uklanjanje proizvoda razgradnje. za nekoliko važnih značajki o kojima ćete saznati kasnije.
Pročitajte više: Biološke funkcije lipida
Svojstva i funkcije stanične membrane
Stanična membrana obavlja sljedeće funkcije:
Propusnost barijere - membrane za različite vrste molekula nije ista: Za zaobilaženje stanične membrane, molekula mora imati određenu veličinu, kemijska svojstva i električni naboj. Štetne ili neprikladne molekule, zbog barijere stanične membrane, jednostavno ne mogu prodrijeti u stanicu. Primjerice, pomoću peroksične reakcije membrana štiti citoplazmu od peroksida koji su opasni za njega;
Transport - kroz membranu prolazi pasivna, aktivna, regulirana i selektivna razmjena. Pasivna zamjena pogodna je za tvari i plinove koji su topljivi u mastima i koji se sastoje od vrlo malih molekula. Takve tvari prodiru unutra i napuštaju ćeliju bez energije, slobodno, difuzijom. Aktivna transportna funkcija stanične membrane aktivira se kada je potrebno provesti potrebne, ali teško transportirane tvari u ili iz stanice. Na primjer, s velikim molekulama, ili nesposobnim za prelazak dvoslojnog sloja zbog hidrofobnosti. Tada počnu raditi proteini pumpi, uključujući ATPazu, koja je odgovorna za apsorpciju kalijevih iona u stanicu i izbacivanje natrijevih iona iz nje. Regulirana razmjena transporta neophodna je za funkcije izlučivanja i fermentacije, na primjer, kada stanice proizvode i izlučuju hormone ili želučani sok. Sve te tvari napuštaju stanice putem posebnih kanala iu određenom volumenu. Funkcija selektivnog transporta povezana je s vrlo integralnim proteinima koji prožimaju membranu i služe kao kanal za ulazak i izlazak iz dobro definiranih tipova molekula;
Matrica - stanična membrana određuje i fiksira raspored organoida međusobno (jezgre, mitohondrije, kloroplaste) i regulira interakciju između njih;
Mehanički - osigurava ograničenje jedne stanice iz druge, a istodobno i ispravno povezivanje stanica u homogeno tkivo i otpornost organa na deformaciju;
Zaštitna - i kod biljaka i kod životinja, stanična membrana služi kao osnova za izgradnju zaštitnog okvira. Primjer je masivno drvo, gusta koža, trnoviti trnje. U životinjskom svijetu postoje i mnogi primjeri zaštitne funkcije staničnih membrana - ljuske kornjača, chitinous školjke, kopita i rogova;
Energetski - procesi fotosinteze i staničnog disanja bili bi nemogući bez sudjelovanja proteina stanične membrane, jer pomoću proteinskih kanala stanice razmjenjuju energiju;
Proteinski receptori ugrađeni u staničnu membranu mogu imati drugu važnu funkciju. Oni služe kao receptori, zahvaljujući kojima stanica prima signal od hormona i neurotransmitera. A to je nužno za provođenje nervnih impulsa i normalan tijek hormonskih procesa;
Enzimatski - još jedna važna funkcija svojstvena određenim proteinima staničnih membrana. Na primjer, u epitelu crijeva, probavni enzimi se sintetiziraju pomoću takvih proteina;
Biopotencijal - koncentracija kalijevih iona unutar stanice znatno je viša od vanjske, a koncentracija natrijevih iona, naprotiv, izvan je veća nego unutar. To objašnjava potencijalnu razliku: unutar stanice, naboj je negativan, izvana pozitivan, što potiče kretanje tvari ui iz stanice tijekom bilo koje od tri vrste metabolizma - fagocitoza, pinocitoza i egzocitoza;
Označeno - na površini staničnih membrana postoje takozvani "naljepnice" - antigeni koji se sastoje od glikoproteina (proteini s pridruženim razgranatim bočnim lancima oligosaharida). Budući da bočni lanci mogu imati veliku raznolikost konfiguracija, svaki tip stanice dobiva svoju vlastitu jedinstvenu oznaku, koja omogućuje drugim stanicama tijela da ih prepoznaju “po viđenju” i da na njih reagiraju ispravno. Zato, na primjer, ljudske imunološke stanice, makrofagi, lako prepoznaju autsajdera koji je ušao u tijelo (infekcija, virus) i pokuša ga uništiti. Isto se događa s bolesnim, mutiranim i starim stanicama - oznaka na staničnoj membrani se mijenja i tijelo ih se oslobađa..
Stanični metabolizam događa se kroz membranu i može se provesti pomoću tri glavne vrste reakcija:
Fagocitoza je stanični proces u kojem fagocitne stanice ugrađene u membranu hvataju i razgrađuju čvrste čestice hranjivih tvari. U ljudskom tijelu, fagocitozu provode membrane dvije vrste stanica: granulociti (granularni leukociti) i makrofagi (stanice imunoloških ubojica);
Pinocitoza je proces hvatanja površine stanične membrane molekula tekućine u dodiru s njom. Za prehranu na način pinocytosis, stanica raste u tankim pahuljastim izdancima u obliku antena na svojoj membrani, koja, kao što je, okružuje kapljicu tekućine, i dobiva se mjehurić. Prvo, ovaj se mjehur nadvija nad površinom membrane, a zatim "proguta" - skrivajući se unutar stanice, a njegovi se zidovi stapaju s unutarnjom površinom stanične membrane. Pinocitoza se javlja u gotovo svim živim stanicama;
Egzocitoza je obrnuti proces u kojem se unutar stanice stvaraju mjehurići s sekretornom funkcionalnom tekućinom (enzim, hormon) i ona se mora nekako ukloniti iz stanice u okolinu. Da bi to učinio, mjehurić se prvo stapa s unutarnjom površinom stanične membrane, zatim izbočuje, puca, izbacuje sadržaj i ponovno se spaja s površinom membrane, ovaj put izvana. Egzocitoza se javlja, na primjer, u stanicama crijevnog epitela i nadbubrežne kore.
Struktura stanične membrane
Stanične membrane sadrže lipide triju klasa:
fosfolipidi;
glikolipide;
holesterol.
Fosfolipidi (kombinacija masti i fosfora) i glikolipidi (kombinacija masti i ugljikohidrata), zauzvrat, sastoje se od hidrofilne glave, iz koje odlaze dva duga hidrofobna repa. No, kolesterol ponekad zauzima prostor između ova dva repa i ne dopušta im da se savijaju, što čini membrane nekih stanica krutim. Osim toga, molekule kolesterola određuju strukturu staničnih membrana i sprječavaju prijelaz polarnih molekula iz jedne stanice u drugu..
Ali najvažnija komponenta, kao što se može vidjeti iz prethodnog odjeljka o funkcijama staničnih membrana, su proteini. Njihov sastav, namjena i položaj vrlo su raznovrsni, ali postoji nešto zajedničko što ih sve ujedinjuje: kružni lipidi su uvijek smješteni oko proteina staničnih membrana. To su posebne masti koje su jasno strukturirane, stabilne, imaju više zasićenih masnih kiselina u svom sastavu i oslobađaju se iz membrana zajedno s "skrpanim" proteinima. To je vrsta osobne zaštitne ljuske za proteine, bez koje oni jednostavno ne bi radili.
Struktura stanične membrane je troslojna. U sredini se nalazi relativno homogeni sloj tekućeg bilipida, a proteini ga obostrano pokrivaju sličnim mozaiku, djelomično prodirući u debljinu. To jest, bilo bi pogrešno misliti da su vanjski proteinski slojevi stanične membrane kontinuirani. Proteini, osim njihovih složenih funkcija, potrebni su u membrani kako bi prešli u stanice i prenijeli iz njih one tvari koje nisu u stanju prodrijeti u masni sloj. Na primjer, kalijevi i natrijevi ioni. Za njih postoje posebne proteinske strukture - ionski kanali, o kojima ćemo dalje govoriti.
Ako pogledate staničnu membranu pomoću mikroskopa, možete vidjeti sloj lipida formiranih sitnim sferičnim molekulama, uz koje, kao iu moru, lebde velike proteinske stanice različitih oblika. Upravo iste membrane razdvajaju unutarnji prostor svake stanice u odjeljke u kojima se udobno nalazi jezgra, kloroplasti i mitohondriji. Ne budite unutar stanica pojedinačnih "soba", organele bi se držale jedna uz drugu i ne bi mogle pravilno obavljati svoje funkcije..
Stanica je skup organoida strukturiranih i razgraničenih uz pomoć membrana, koja sudjeluje u kompleksu energetskih, metaboličkih, informacijskih i reproduktivnih procesa koji osiguravaju vitalnu aktivnost organizma..
Kao što se može vidjeti iz ove definicije, membrana je najvažnija funkcionalna komponenta bilo koje stanice. Njegova vrijednost je jednaka vrijednosti jezgre, mitohondrija i drugih staničnih organela. Jedinstvena svojstva membrane posljedica su njezine strukture: sastoji se od dva filma koja su zajedno oblikovana na poseban način. Molekule fosfolipida u membrani su smještene hidrofilne glave i unutar njih hidrofobni repovi. Dakle, jedna strana filma je navlažena vodom, a druga nije. Dakle, ovi filmovi su međusobno povezani s nevlaženim stranama prema unutra, tvoreći sloj bilipida okružen proteinskim molekulama. To je vrlo "sendvič" struktura stanične membrane.
Ionski kanali staničnih membrana
Razmotrimo detaljnije princip djelovanja ionskih kanala. Za što su oni? Činjenica je da samo masnoće topljive tvari - plinovi, alkoholi i same masti - mogu slobodno prodrijeti kroz lipidnu membranu. Primjerice, u crvenim krvnim zrncima konstantno se izmjenjuju kisik i ugljični dioksid, a za to naše tijelo ne mora pribjeći nikakvim dodatnim trikovima. Ali što je onda kad postoji potreba za transportom vodenih otopina kroz staničnu membranu, kao što su natrijeve i kalijeve soli??
Bilo bi nemoguće utrti put takvim tvarima u sloju bilipida, jer bi se rupe odmah zarastale i držale zajedno, kao što je struktura bilo kojeg masnog tkiva. Ali priroda je, kao i uvijek, pronašla izlaz iz situacije i stvorila posebne prometne strukture.
Postoje dvije vrste vodljivih proteina:
Transporteri - polukompletne proteinske crpke;
Kanalizatori - integralni proteini.
Proteini prvog tipa djelomično su uronjeni u bilipidni sloj stanične membrane, a glava gleda van, au prisutnosti željene tvari počinju se ponašati poput pumpe: izvlače molekulu i usisavaju je unutar stanice. Proteini drugog tipa, integralni, imaju izduženi oblik i smješteni su okomito na sloj bilipida stanične membrane, prodirući kroz njega. Tvari koje nisu u stanju proći kroz masnoću, kreću se duž njih, kao kroz tunele, u ćeliju i van stanice. Kroz ionske kanale u ćeliju u nju prodiru i nakupljaju kalijevi ioni, dok se natrijevi ioni naprotiv izvlače. Postoji razlika u električnim potencijalima, tako potrebnim za ispravan rad svih stanica u našem tijelu..
Najvažniji zaključci o strukturi i funkciji staničnih membrana
Teorija uvijek izgleda zanimljivo i obećavajuće, ako se može korisno provesti u praksi. Otkriće strukture i funkcija staničnih membrana ljudskog tijela omogućilo je znanstvenicima da ostvare pravi napredak u znanosti općenito, a posebno u medicini. Nije slučajno da smo se tako detaljno zaustavili na ionskim kanalima, jer upravo ovdje leži odgovor na jedno od najvažnijih pitanja našeg vremena: zašto ljudi sve više boluju od onkologije?
Rak ubija oko 17 milijuna ljudi širom svijeta svake godine, te je četvrti najčešći uzrok svih smrtnih slučajeva. Prema WHO, učestalost onkologije stalno raste, a do kraja 2020. mogla bi dosegnuti 25 milijuna godišnje..
Što objašnjava trenutnu epidemiju raka i gdje funkcionira stanična membrana? Reći ćete: razlog su loši uvjeti okoliša, loša prehrana, loše navike i teška nasljednost. I, naravno, biti ćete u pravu, ali ako detaljnije govorimo o problemu, razlog je zakiseljavanje ljudskog tijela. Navedeni negativni čimbenici dovode do poremećaja stanične membrane, sprečavaju disanje i prehranu..
Tamo gdje bi trebao biti plus, formira se minus, a stanica ne može normalno funkcionirati. Ali stanice raka ne trebaju ni kisik ni alkalnu okolinu - mogu koristiti anaerobni tip hrane. Stoga, u uvjetima gladovanja kisikom i razine pH koja prelazi granice, zdrave stanice mutiraju, žele se prilagoditi okolini i postati stanice raka. Tako osoba postaje bolesna s onkologijom. Da biste to izbjegli, trebate svakodnevno konzumirati dovoljno čiste vode i odustati od kancerogenih tvari u hrani. No, u pravilu, ljudi su svjesni štetnih proizvoda i potrebe za kvalitetnom vodom, i ne čine ništa - nadaju se da će ih nevolje proći.
Poznavajući strukturu i funkcije staničnih membrana različitih stanica, liječnici mogu upotrijebiti ove informacije za ciljane, ciljane terapijske učinke na tijelo. Mnogi moderni lijekovi, koji ulaze u naše tijelo, traže željenu "metu", koja može djelovati kao ionski kanali, enzimi, receptori i biomarkeri staničnih membrana. Ova metoda liječenja omogućuje postizanje boljih rezultata uz minimalne nuspojave..
Najnovija generacija antibiotika ne ubija sve stanice u nizu kada ulaze u krv, ali to su stanice patogena koje traže, fokusirajući se na markere u staničnim stijenkama. Najnoviji lijekovi protiv migrene, triptani, sužavaju samo upaljene moždane žile, a gotovo nimalo ne djeluju na srce i periferni cirkulacijski sustav. I oni će prepoznati potrebne krvne žile upravo pomoću proteina njihovih staničnih membrana. Ima mnogo takvih primjera, tako da se može sa sigurnošću reći da znanje o strukturi i funkcijama staničnih membrana podupire razvoj moderne medicinske znanosti i svake godine štedi milijune života..