Všechny živé organismy na Zemi jsou tvořeny buňkami a každá buňka je obklopena ochrannou membránou - membránou. Membránové funkce však nejsou omezeny na ochranu organoidů a oddělení jedné buňky od druhé. Buněčná membrána je komplexní mechanismus, který se přímo podílí na reprodukci, regeneraci, výživě, respiraci a mnoha dalších důležitých funkcích buňky..
Termín "buněčná membrána" se používá asi sto let. Slovo "membrána" v překladu z latiny znamená "film". Avšak v případě buněčné membrány bude správnější hovořit o totality dvou filmů propojených určitým způsobem a různé strany těchto filmů mají různé vlastnosti.
Buněčná membrána (cytolemma, plazmatická membrána) je třívrstvá membrána lipoproteinů (tuk-protein), která odděluje každou buňku od okolních buněk a prostředí a provádí řízenou výměnu mezi buňkami a prostředím.
Klíčovou v této definici není to, že buněčná stěna odděluje jednu buňku od druhé, ale zajišťuje její interakci s jinými buňkami a prostředím. Membrána je velmi aktivní, neustále fungující buněčná struktura, na které příroda má mnoho funkcí. Z našeho článku se dozvíte vše o složení, struktuře, vlastnostech a funkcích buněčné membrány, stejně jako o nebezpečí, které lidské zdraví způsobuje lidské membrány..
Obsah článku:
- Historie výzkumu buněčné membrány
- Vlastnosti a funkce buněčné membrány
- Struktura buněčné membrány
- Nejdůležitější závěry o struktuře a funkci buněčných membrán
Historie výzkumu buněčné membrány
V roce 1925 byli dva němečtí vědci, Gorter a Grendel, schopni provést nejkomplikovanější experiment na červených krvinkách lidské krve, červených krvinek. Pomocí osmotického úderu získali vědci takzvané "stíny" - prázdné skořápky červených krvinek, pak je složily do jednoho zásobníku a měřily plochu. Dalším krokem bylo vypočítat množství lipidů v buněčné membráně. S pomocí acetonu vědci izolovali tuky z "stínů" a rozhodli, že jsou dostačující pro dvojitou spojitou vrstvu.
Během experimentu však došlo k dvěma hrubým chybám:
Použití acetonu neumožňuje izolovat absolutně všechny lipidy z membrán;
Plocha "stínů" byla vypočítána jako sušina, což je také špatné.
Protože první chyba způsobila mínus ve výpočtech a druhá - plus, celkový výsledek byl překvapivě přesný a němečtí vědci přinesli vědeckému světu nejdůležitější objev - lipidovou dvojvrstvu buněčné membrány.
V roce 1935 dal další dělníci Danielle a Dawson po dlouhých experimentech na bilipidových filmech dojít k závěru, že proteiny jsou přítomny v buněčných membránách. V opačném případě nebylo možné vysvětlit, proč mají tyto filmy takové vysoké povrchové napětí. Vědci představili veřejnosti schematický model buněčné membrány, podobně jako sendvič, kde homogenní vrstvy lipidových proteinů hrají roli kusů chleba a mezi nimi místo másla, prázdnoty.
V roce 1950, s použitím prvního elektronového mikroskopu, byla teorie Danielieho-Dawsona částečně potvrzena - mikrofotografie buněčné membrány jasně ukázaly, že dvě vrstvy sestávají z lipidových a proteinových hlav, a mezi nimi průhledný prostor naplněný pouze ocasy lipidů a bílkovin.
V roce 1960 americký mikrobiolog J. Robertson, vedený těmito daty, vyvinul teorii třívrstvé struktury buněčných membrán, která byla po dlouhou dobu považována za jedinou správnou. Nicméně, jak se věda vyvíjela, stále více a více pochybností se rodí o homogenitě těchto vrstev. Z hlediska termodynamiky je taková struktura mimořádně nevýhodná - pro buňky by bylo velmi obtížné přepravovat látky uvnitř a ven celým sendvičem. Kromě toho bylo prokázáno, že buněčné membrány různých tkání mají odlišnou tloušťku a způsob připojení, kvůli různým funkcím orgánů.
V roce 1972, mikrobiologové SD Singer a G.L. Nicholson dokázal vysvětlit všechny nesrovnalosti Robertsonovy teorie pomocí nového kapalně mozaikového modelu buněčné membrány. Vědci zjistili, že membrána je heterogenní, asymetrická, plná tekutiny a její buňky jsou v neustálém pohybu. A bílkoviny obsažené v jejím složení mají jinou strukturu a účel, kromě toho jsou odlišně umístěny vzhledem k bilipidové vrstvě membrány.
Buněčné membrány obsahují tři typy proteinů:
Periferní - namontovaný na povrchu fólie;
Semi-integrál - částečně proniká do bilipidové vrstvy;
Integrální - plně protáhněte membránu.
Periferní proteiny jsou spojeny s hlavami membránových lipidů elektrostatickou interakcí a nikdy nevytvářejí souvislou vrstvu, jak se dříve běžně domnívalo. A částečně integrální a integrální proteiny slouží k transportu kyslíku a živin do buňky a k odstranění produktů rozkladu pro několik důležitých funkcí, o kterých se dozvíte později.
Číst dále: Biologické funkce lipidů
Vlastnosti a funkce buněčné membrány
Membrána buněk provádí následující funkce:
Bariérová membránová permeabilita u různých typů molekul není stejná. Pro obejití buněčné membrány musí mít molekula určitou velikost, chemické vlastnosti a elektrický náboj. Škodlivé nebo nevhodné molekuly, vzhledem k bariérové funkci buněčné membrány, prostě nemohou proniknout do buňky. Například pomocí peroxisové reakce membrána chrání cytoplazmu před peroxidy, které jsou pro ni nebezpečné;
Transport - membránou prochází pasivní, aktivní, regulovaná a selektivní výměna. Pasivní výměna je vhodná pro látky rozpustné v tucích a plyny sestávající z velmi malých molekul. Takové látky pronikají dovnitř a opouštějí buňku bez energie, volně, difúzí. Aktivní přenos buněčné membrány se aktivuje, když je nutné provést potřebné, ale obtížně přepravované látky do buňky nebo ven z buňky. Například s velkými molekulami, nebo není schopen překročit bilipidovou vrstvu kvůli hydrofobicitě. Poté začínají pracovat proteiny čerpadla, včetně ATPázy, která je zodpovědná za absorpci draselných iontů do buňky a vylučování sodíkových iontů z nich. Regulovaná přenosová výměna je nezbytná pro funkce sekrece a fermentace, například když buňky produkují a vylučují hormony nebo žaludeční šťávy. Všechny tyto látky opouštějí buňky prostřednictvím speciálních kanálů a v daném objemu. A selektivní transportní funkce je spojena s velmi integrálními proteiny, které pronikají do membrány a slouží jako kanál pro vstup a výstup z dobře definovaných typů molekul;
Matrix - buněčná membrána určuje a upravuje uspořádání organoidů vůči sobě (jádro, mitochondrie, chloroplasty) a reguluje vzájemnou interakci mezi nimi;
Mechanická - zajišťuje omezení jedné buňky od druhé a současně správné spojení buněk do homogenní tkáně a odolnost orgánů vůči deformaci;
Ochranná - jak u rostlin, tak u zvířat slouží buněčná membrána jako základ pro konstrukci ochranné konstrukce. Příkladem je masivní dřevo, hustá kůže, trnité trny. Ve světě živočichů existuje také řada příkladů ochranných funkcí buněčných membrán - plášť želvy, chitinous shell, kopyta a rohy;
Energetické - procesy fotosyntézy a buněčného dýchání by nebyly možné bez účasti buněčných membránových proteinů, protože prostřednictvím proteinových kanálů buňky vyměňují energii;
Receptorové proteiny obsažené v buněčné membráně mohou mít další důležitou funkci. Slouží jako receptory, díky nimž buňka přijímá signál z hormonů a neurotransmiterů. A to je zase nezbytné pro vedení nervových impulzů a normální průběh hormonálních procesů;
Enzymatická - další důležitá funkce vlastněná určitým proteinům buněčných membrán. Například v intestinálním epitelu se syntetizují trávicí enzymy za použití takových proteinů;
Biopotenciál - koncentrace iontů draslíku v buňce je výrazně vyšší než venku a koncentrace iontů sodíku, naopak, je větší než uvnitř. To vysvětluje potenciální rozdíl: uvnitř buňky je náboj negativní, navenek to je pozitivní, což podporuje pohyb látek do a z buňky během kteréhokoliv ze tří typů metabolismu - fagocytóza, pinocytóza a exocytóza;
Označeno - na povrchu buněčných membrán jsou tzv. "Štítky" - antigeny sestávající z glykoproteinů (proteiny s připojenými rozvětvenými oligosacharidovými postranními řetězci). Vzhledem k tomu, že postranní řetězy mohou mít obrovskou rozmanitost konfigurací, každý typ buňky získá svůj vlastní jedinečný štítek, který umožňuje ostatním buňkám těla rozpoznat je "zrakem" a na ně správně reagovat. To je důvod, proč například lidské imunitní buňky, makrofágy, snadno rozpoznají cizince, který vstoupil do těla (infekce, virus), a pokusili se je zničit. Totéž se děje s nemocnými, mutovanými a starými buňkami - značka na jejich buněčné membráně se mění a tělo se jim zbaví..
Buněčný metabolismus probíhá prostřednictvím membrány a může být prováděn pomocí tří hlavních typů reakcí:
Fagocytóza je buněčný proces, ve kterém jsou fagocytární buňky zabaleny do membrány a zachycují pevné částice živin. V lidském těle se fagocytóza provádí membránami dvou typů buněk: granulocyty (granulární leukocyty) a makrofágy (imunitní buňky);
Pinocytóza je proces zachycení povrchu buněčné membrány molekul kapaliny v kontaktu s ním. Pro výživu ve způsobu pinocytózy buňka na své membráně roste tenké nadýchané výrůstky ve formě antény, které obklopují kapičku kapaliny a získává se bublina. Nejprve tato bublina vyčnívá nad povrch membrány a pak "polkne" - skrývající se uvnitř buňky a její stěny se spojují s vnitřním povrchem buněčné membrány. Pinocytóza se vyskytuje téměř ve všech živých buňkách;
Exocytóza je reverzní proces, při kterém se v buňce vytvářejí bubliny s sekreční funkční tekutinou (enzymem, hormonem) a musí se nějak vyjmout z buňky do prostředí. Za tímto účelem se bublina nejprve spojí s vnitřním povrchem buněčné membrány, poté vybuchne, roztrhá, vysune obsah a znovu se spojí s povrchem membrány, tentokrát zvenčí. Exocytóza se vyskytuje například v buňkách intestinálního epitelu a kůře nadledvin.
Struktura buněčné membrány
Buněčné membrány obsahují lipidy tří tříd:
Fosfolipidy;
Glykolipidy;
Cholesterol.
Fosfolipidy (kombinace tuku a fosforu) a glykolipidů (kombinace tuků a sacharidů) sestávají z hydrofilní hlavy, ze které odcházejí dva dlouhé hydrofobní chvosty. Ale cholesterol někdy zabírá prostor mezi těmito dvěma ocasy a neumožňuje je ohýbat, což způsobuje, že membrány některých buněk jsou tuhé. Molekuly cholesterolu navíc uspořádají strukturu buněčných membrán a zabraňují přechodu polárních molekul z jedné buňky do druhé..
Nejdůležitější složkou, jak lze vidět z předchozí části týkající se funkcí buněčných membrán, jsou proteiny. Jejich složení, účel a umístění jsou velmi rozmanité, ale existuje něco společného, které je spojuje: prstencové lipidy jsou vždy umístěny kolem proteinů buněčných membrán. Jedná se o speciální tuky, které jsou jasně strukturované, stabilní, obsahují více nasycených mastných kyselin v jejich složení a uvolňují se z membrán spolu s "patched" bílkovinami. Jedná se o druh osobního ochranného krytu na bílkoviny, bez kterého by prostě nefungovaly.
Struktura buněčné membrány je třívrstvá. Ve středu leží poměrně homogenní tekutá bilipidová vrstva a proteiny ji pokrývají na obou stranách s podobností s mozaikou, částečně pronikající do tloušťky. To znamená, že by bylo nesprávné si myslet, že vnější proteinové vrstvy buněčné membrány jsou spojité. Bielkoviny jsou vedle svých komplexních funkcí potřeba v membráně, aby se dostaly do buněk a transportovaly z nich látky, které nemohou proniknout do tukové vrstvy. Například ionty draslíku a sodíku. Pro ně existují speciální proteinové struktury - iontové kanály, o nichž budeme popsat níže.
Pokud se podíváte na buněčnou membránu mikroskopem, můžete vidět vrstvu lipidů tvořených malými sférickými molekulami, podél kterých se jako v moři vznáší velké buňky bílkovin různých tvarů. Přesně tytéž membrány rozdělují vnitřní prostor každé buňky do oddělení, ve které jsou jádro, chloroplasty a mitochondrie pohodlně umístěny. Nebuďte uvnitř buněk jednotlivých "místností", organely by se vzájemně držely a nemohly by správně plnit své funkce..
Buňka je sada organoidů strukturovaných a vymezených pomocí membrán, která se podílí na komplexu energie, metabolických, informačních a reprodukčních procesů, které zajišťují životně důležitou aktivitu organismu..
Jak lze vidět z této definice, membrána je nejdůležitější funkční složkou libovolné buňky. Jeho hodnota je stejně velká jako hodnota jádra, mitochondrie a dalších buněčných organel. A jedinečné vlastnosti membrány jsou dány svou strukturou: skládá se ze dvou speciálně vytvořených dvou filmů. Molekuly fosfolipidů v membráně jsou umístěny hydrofilními hlavami a uvnitř jsou hydrofobní konce. Proto je jedna strana fólie navlhčena vodou a druhá není. Takže tyto filmy jsou navzájem propojeny stranami, které nejsou navlhčeny, čímž vzniká bilipidová vrstva obklopená proteinovými molekulami. Jedná se o velmi "sendvičovou" strukturu buněčné membrány.
Iontové kanály buněčných membrán
Zvažme podrobněji princip fungování iontových kanálů. O čem jsou? Faktem je, že pouze tukové látky rozpustné - plyny, alkoholy a samotné tuky - mohou volně pronikat přes lipidovou membránu. Například v červených krvinkách se neustále vyměňují kyslík a oxid uhličitý, a proto se naše tělo nemusí uchýlit k žádným dalším trikům. Ale co když je potřeba transportovat vodní roztoky přes buněčnou membránu, jako jsou sodné a draselné soli??
Bylo by nemožné připravit cestu pro tyto látky v bilipidové vrstvě, jelikož by se otvory okamžitě uzdravily a slepily se, což je struktura jakékoli tukové tkáně. Ale příroda, jako vždy, našla cestu ven ze situace a vytvořila speciální transportní struktury bílkovin.
Existují dva typy vodivých proteinů:
Dopravníky - čerpadla s částečnou integritou;
Channelformers - integrální proteiny.
Bielkoviny prvního typu jsou částečně ponořeny do bilipidové vrstvy buněčné membrány a hlava vypadá ven a za přítomnosti požadované látky se začnou chovat jako čerpadlo: vytáhnou molekulu a nasávají ji uvnitř buňky. A proteiny druhého typu, integrální, mají podlouhlý tvar a jsou umístěny kolmo k bilipidové vrstvě buněčné membrány a pronikají přes ni. Látky, které nejsou schopné procházet tukem, se po nich pohybují, jako kdyby přes tunely, do buňky a ven z buňky. Prostřednictvím iontových kanálů do buňky pronikají a hromadí se ionty draslíku, zatímco ionty sodíku jsou naopak vyvedeny. Existuje rozdíl v elektrických potenciálech, které jsou nezbytné pro správné fungování všech buněk našeho těla..
Nejdůležitější závěry o struktuře a funkci buněčných membrán
Teorie vždy vypadá zajímavě a slibně, pokud to může být užitečně provedeno v praxi. Objev struktury a funkcí buněčných membrán lidského těla umožnil vědcům udělat skutečný průlom ve vědě obecně a zejména v medicíně. Není náhodou, že jsme v iontových kanálech tak podrobně zastavili, protože zde je odpověď na jednu z nejdůležitějších otázek našeho dne: proč lidé stále častěji onkologicky nemocí?
Rakovina každoročně zabije zhruba 17 milionů lidí a je čtvrtou nejčastější příčinou všech úmrtí. Podle WHO se incidence onkologie neustále zvyšuje a do konce roku 2020 by mohla dosáhnout 25 milionů ročně..
Co vysvětluje současnou epidemii rakoviny a kde funguje buněčná membrána? Říkáte: důvodem jsou špatné podmínky prostředí, špatná výživa, špatné návyky a závažná dědičnost. A samozřejmě budete mít pravdu, ale pokud hovoříme o problému podrobněji, důvodem je okyselování lidského těla. Výše uvedené negativní faktory vedou k narušení buněčných membrán, inhibují dýchání a výživu..
Tam, kde by měl být plus, vznikne mínus a buňka nemůže fungovat normálně. Ale rakovinové buňky nepotřebují ani kyslík, ani alkalické prostředí - jsou schopny používat anaerobní druh potravy. Proto v podmínkách hladovění kyslíkem a hladiny pH přesahující hranice, zdravé buňky se mění, chtějí se přizpůsobit životnímu prostředí a stávají se rakovinnými buňkami. Takto se člověk onkologicky nemocí. Abyste tomu zabránili, stačí spotřebovat dostatečně čistou vodu denně a zanechat v jídle karcinogeny. Ale zpravidla si lidé dobře uvědomují škodlivé produkty a potřebu kvalitní vody a nic neudělají - doufají, že jim problémy přenesou.
Při znalosti struktury a funkcí buněčných membrán různých buněk mohou lékaři tuto informaci použít k tomu, aby poskytli cílené terapeutické účinky na tělo. Mnoho moderních léků, které se dostávají do našeho těla, hledají požadovaný "cíl", který může působit jako iontové kanály, enzymy, receptory a biomarkery buněčných membrán. Tato metoda léčby umožňuje dosáhnout lepších výsledků s minimálními vedlejšími účinky..
Nejnovější generace antibiotik nezabije všechny buňky v řadě, když vstupují do krve, ale jsou to buňky patogenu, které hledají a zaměřují se na markery v buněčných stěnách. Nejnovější anti-migrénové léky, triptany, omezují pouze zanícené mozkové cévy a nemají téměř žádný vliv na srdeční a periferní oběhový systém. A ony rozpoznají nezbytné nádoby přesně bílkovinami svých buněčných membrán. Existuje mnoho takových příkladů, takže je bezpečné říci, že znalosti o struktuře a funkci buněčných membrán jsou základem vývoje moderní lékařské vědy a každoročně šetří miliony životů..