Sejtmembrán – a sejtmembrán szerkezete és funkciója

Tartalomjegyzék:

Sejtmembrán – a sejtmembrán szerkezete és funkciója
Sejtmembrán – a sejtmembrán szerkezete és funkciója
Anonim

Sejtmembrán

sejt membrán
sejt membrán

A Föld összes élő szervezete sejtekből áll, és minden sejtet egy védőburok – egy membrán – vesz körül. A membrán funkciói azonban nem korlátozódnak az organellumok védelmére és az egyik sejt elválasztására a másiktól. A sejtmembrán egy összetett mechanizmus, amely közvetlenül részt vesz a szaporodásban, a regenerációban, a táplálkozásban, a légzésben és a sejt sok más fontos funkciójában.

A "sejtmembrán" kifejezést körülbelül száz éve használják. A "membrán" szó latin fordításban "filmet" jelent. De egy sejtmembrán esetében helyesebb lenne két, egymással bizonyos módon összekapcsolt film kombinációjáról beszélni, ráadásul ezeknek a filmeknek a különböző oldalai eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek.

A sejtmembrán (citolemma, plazmalemma) egy háromrétegű lipoprotein (zsírfehérje) membrán, amely minden sejtet elválaszt a szomszédos sejtektől és a környezettől, és szabályozott cserét végez a sejtek és a környezet között.

Ebben a meghatározásban nem az a döntő tényező, hogy a sejtmembrán elválasztja az egyik sejtet a másiktól, hanem az, hogy biztosítja annak kölcsönhatását más sejtekkel és a környezettel. A membrán a sejt nagyon aktív, folyamatosan működő szerkezete, amelyre a természet számos funkciót rendelt. Cikkünkből mindent megtudhat a sejtmembrán összetételéről, szerkezetéről, tulajdonságairól és funkcióiról, valamint arról, hogy a sejtmembránok működésének zavarai milyen veszélyt jelentenek az emberi egészségre.

Sejtmembránkutatás története

1925-ben két német tudós, Gorter és Grendel összetett kísérletet tudott végezni emberi vörösvértesteken, eritrocitákon. Az ozmotikus sokk segítségével a kutatók megkapták az úgynevezett "árnyékokat" - a vörösvértestek üres héját, majd egy kupacba helyezték őket, és megmérték a felületet. A következő lépés a sejtmembránban lévő lipidek mennyiségének kiszámítása volt. A tudósok aceton segítségével elkülönítették a lipideket az „árnyéktól”, és megállapították, hogy azok éppen elegendőek egy dupla folyamatos réteghez.

A kísérlet során azonban két durva hibát követtek el:

  • Az aceton használata nem teszi lehetővé az összes lipid izolálását a membránokból;
  • Az „árnyékok” felületét száraz tömeg alapján számítottuk ki, ami szintén hibás.

Mivel az első hiba mínuszt, a második pedig pluszt adott, az összesített eredmény meglepően pontosnak bizonyult, és a német tudósok elhozták a tudományos világba a legfontosabb felfedezést - a lipid kettős réteget. a sejtmembrán.

1935-ben egy másik kutatópáros, Danielle és Dawson a bilipid filmeken végzett hosszú kísérletek után arra a következtetésre jutott, hogy fehérjék vannak jelen a sejtmembránokban. Nem lehetett másképp megmagyarázni, hogy ezeknek a filmeknek miért van ilyen nagy felületi feszültsége. A tudósok a nyilvánosság elé tárták a sejtmembrán sematikus, szendvicshez hasonló modelljét, ahol a homogén lipid-fehérje rétegek kenyérszeletek szerepét töltik be, és olaj helyett üresség van közöttük.

1950-ben, az első elektronmikroszkóp segítségével a Danielly-Dawson elmélet részben igazolódott - a sejtmembránról készült mikrofotók egyértelműen két lipidből és fehérjéből álló réteget mutattak fejek, és közöttük egy átlátszó tér van, amelyet csak lipidek és fehérjék farka tölt meg.

1960-ban J. Robertson amerikai mikrobiológus ezektől az adatoktól vezérelve kidolgozott egy elméletet a sejtmembránok háromrétegű szerkezetéről, amelyet sokáig a sejtmembránoknak tartottak. egyetlen igazat. A tudomány fejlődésével azonban egyre több kétség született e rétegek homogenitását illetően. A termodinamika szempontjából egy ilyen szerkezet rendkívül kedvezőtlen - nagyon nehéz lenne a sejtek számára anyagokat szállítani be és ki a teljes „szendvicsen” keresztül. Ezenkívül bebizonyosodott, hogy a különböző szövetek sejtmembránjai eltérő vastagságúak és eltérő rögzítési módokkal rendelkeznek, ami a szervek különböző funkcióinak köszönhető.

1972-ben mikrobiológusok S. D. Singer és G. L. Nicholson képes volt megmagyarázni Robertson elméletének minden következetlenségét a sejtmembrán új, folyadékmozaik modelljének segítségével. A tudósok azt találták, hogy a membrán heterogén, aszimmetrikus, tele van folyadékkal, sejtjei pedig állandó mozgásban vannak. Az összetételét alkotó fehérjék pedig más szerkezetű és rendeltetésűek, ráadásul a membrán bilipid rétegéhez képest eltérően helyezkednek el.

A sejtmembránokban háromféle fehérje található:

  • Periféria - a film felületéhez rögzítve;
  • Félintegrál – részben behatol a bilipid rétegbe;
  • Integral – teljesen áthatol a membránon.

A perifériás fehérjék elektrosztatikus kölcsönhatás révén kapcsolódnak a membránlipidek fejéhez, és soha nem alkotnak folytonos réteget, ahogy azt korábban hitték. A félig integrált és integrált fehérjék pedig az oxigén és a tápanyagok sejtbe szállítására, valamint a bomlástermékek eltávolítására szolgálnak, és számos más fontos funkciót töltenek be, amelyekről később megtudhatja.

A sejtmembrán tulajdonságai és funkciói

A sejtmembrán tulajdonságai és funkciói
A sejtmembrán tulajdonságai és funkciói

A sejtmembrán a következő funkciókat látja el:

  • Barrier - a membrán permeabilitása a különböző típusú molekulák számára nem azonos. A sejtmembrán megkerüléséhez a molekulának bizonyos mérettel, kémiai tulajdonságokkal és elektromossággal kell rendelkeznie díj. A káros vagy nem megfelelő molekulák a sejtmembrán barrier funkciója miatt egyszerűen nem tudnak bejutni a sejtbe. Például a peroxisz reakció segítségével a membrán megvédi a citoplazmát a veszélyes peroxidoktól;
  • Transport - passzív, aktív, szabályozott és szelektív csere áthalad a membránon. A passzív anyagcsere a zsírban oldódó anyagok és nagyon kis molekulákból álló gázok számára alkalmas. Az ilyen anyagok energiafelhasználás nélkül, szabadon, diffúzió útján behatolnak a sejtbe és onnan ki. A sejtmembrán aktív transzport funkciója szükség esetén aktiválódik, de nehezen szállítható anyagokat kell bevinni a sejtbe vagy onnan ki. Például azok, amelyek nagy molekulaméretűek, vagy nem képesek átjutni a bilipid rétegen a hidrofóbitás miatt. Ekkor kezdenek működni a fehérjepumpák, köztük az ATPáz, amely a káliumionok sejtbe történő felszívódásáért és a nátriumionok onnan történő kilökődéséért felelős. A szabályozott transzport elengedhetetlen a szekréciós és fermentációs funkciókhoz, például amikor a sejtek hormonokat vagy gyomornedvet termelnek és választanak ki. Mindezek az anyagok speciális csatornákon és adott térfogatban hagyják el a sejteket. A szelektív transzport funkció pedig azokhoz a nagyon integrált fehérjékhez kapcsolódik, amelyek áthatolnak a membránon, és csatornaként szolgálnak a szigorúan meghatározott típusú molekulák be- és kilépéséhez;
  • Matrix - a sejtmembrán meghatározza és rögzíti az organellumok egymáshoz viszonyított elhelyezkedését (nukleusz, mitokondriumok, kloroplasztiszok) és szabályozza a köztük lévő kölcsönhatást;
  • Mechanikus - biztosítja az egyik sejt elzárását a másiktól, és ezzel egyidejűleg a sejtek homogén szövetté való helyes összekapcsolását és a szervek deformációval szembeni ellenállását;
  • Védő - növényekben és állatokban egyaránt a sejtmembrán szolgál alapul a védőkeret felépítéséhez. Ilyen például a kemény fa, a sűrű héj, a szúrós tövisek. Az állatvilágban is számos példa van a sejtmembránok védő funkciójára – teknőspáncél, kitinhéj, paták és szarvak;
  • Energia - a fotoszintézis és a sejtlégzés folyamatai lehetetlenek lennének a sejtmembránfehérjék részvétele nélkül, mert a sejtek a fehérjecsatornákon keresztül cserélnek energiát;
  • Receptor- a sejtmembránba épített fehérjéknek egy másik fontos funkciója is lehet. Receptorként szolgálnak, amelyen keresztül a sejt jelet kap a hormonoktól és a neurotranszmitterektől. Ez pedig szükséges az idegimpulzusok vezetéséhez és a hormonális folyamatok normális lefolyásához;
  • Enzimatikus egy másik fontos funkció, amely egyes sejtmembránfehérjékben rejlik. Például a bélhámban emésztőenzimek szintetizálódnak ilyen fehérjék segítségével;
  • Biopotenciál - a káliumionok koncentrációja a sejten belül sokkal magasabb, mint kívül, és a nátriumionok koncentrációja, éppen ellenkezőleg, kívül nagyobb, mint belül. Ez magyarázza a potenciálkülönbséget: a sejten belül a töltés negatív, kívül pozitív, ami hozzájárul az anyagoknak a sejtbe és kifelé történő mozgásához az anyagcsere három típusa - fagocitózis, pinocitózis és exocitózis - bármelyikében;
  • Címkézés - a sejtmembránok felületén úgynevezett "címkék" találhatók - glikoproteinekből álló antigének (a hozzájuk kapcsolódó elágazó oligoszacharid oldalláncokkal rendelkező fehérjék). Mivel az oldalláncok nagyon sokféle konfigurációval rendelkezhetnek, minden sejttípus saját egyedi címkét kap, amely lehetővé teszi, hogy a test többi sejtje „látásból” felismerje őket, és helyesen reagáljon rájuk. Éppen ezért például az emberi immunsejtek, a makrofágok könnyen felismerik a szervezetbe került idegent (fertőzés, vírus), és megpróbálják elpusztítani. Ugyanez történik a beteg, mutáns és öreg sejtekkel – a sejtmembránjukon lévő címke megváltozik, és a szervezet megszabadul tőlük.

A sejtcsere a membránokon keresztül megy végbe, és három fő reakciótípussal hajtható végre:

  • A fagocitózis egy sejtfolyamat, amelyben a membránba ágyazott fagocita sejtek felfogják és megemésztik a tápanyagok szilárd részecskéit. Az emberi szervezetben a fagocitózist kétféle sejt membránja hajtja végre: granulociták (szemcsés leukociták) és makrofágok (immungyilkos sejtek);
  • Pinocitózis - a sejtmembrán felületének megragadásának folyamata a vele érintkező folyadékmolekulákból. A pinocitózis típusa szerinti táplálkozáshoz a sejt vékony, bolyhos kinövéseket növeszt antennák formájában a membránján, amelyek mintegy körülvesznek egy csepp folyadékot, és buborékot kapnak. Először is, ez a vezikula kinyúlik a membrán felszíne fölé, majd „lenyeli” - a sejt belsejében rejtőzik, és falai egyesülnek a sejtmembrán belső felületével. Pinocytosis szinte minden élő sejtben előfordul;
  • Exocytosis egy fordított folyamat, melynek során a sejtben szekréciós funkcionális folyadékkal (enzimmel, hormonnal) rendelkező hólyagok képződnek, amelyeket valamilyen módon el kell távolítani a sejtből a környezet. Ehhez a vezikula először összeolvad a sejtmembrán belső felületével, majd kidudorodik, felrobban, kilöki a tartalmát, és ismét összeolvad a membrán felületével, ezúttal kívülről. Az exocitózis például a bélhám és a mellékvesekéreg sejtjeiben megy végbe.

A sejtmembrán szerkezete

A sejtmembránok három lipidosztályt tartalmaznak:

  • foszfolipidek;
  • Glikolipidek;
  • Koleszterin.
A sejtmembrán szerkezete
A sejtmembrán szerkezete

A foszfolipidek (zsírok és foszfor kombinációja) és a glikolipidek (zsírok és szénhidrátok kombinációja) egy hidrofil fejből állnak, amelyből két hosszú hidrofób farok nyúlik ki. De a koleszterin néha elfoglalja a két farok közötti teret, és nem engedi meghajolni, ami egyes sejtek membránjait merevvé teszi. Ezenkívül a koleszterinmolekulák szabályozzák a sejtmembránok szerkezetét, és megakadályozzák a poláris molekulák egyik sejtből a másikba való átvitelét.

De a legfontosabb összetevő, amint az előző, a sejtmembránok funkcióiról szóló részből kiderül, a fehérjék. Összetételük, rendeltetésük és elhelyezkedésük igen változatos, de van valami közös, ami mindegyiket egyesíti: a gyűrűs lipidek mindig a sejtmembránok fehérjéi körül helyezkednek el. Ezek speciális zsírok, amelyek világos szerkezetűek, stabilak, több telített zsírsavat tartalmaznak összetételükben, és a "szponzorált" fehérjékkel együtt szabadulnak fel a membránokból. Ez egyfajta személyi védőburok a fehérjék számára, amelyek nélkül egyszerűen nem működnének.

A sejtmembrán szerkezete háromrétegű. Középen egy viszonylag homogén folyékony bilipid réteg található, amelyet mindkét oldalról fehérjék fednek be egyfajta mozaikkal, részben behatolva a vastagságba. Azaz téves lenne azt gondolni, hogy a sejtmembránok külső fehérjerétegei folytonosak. A fehérjékre amellett, hogy összetett funkcióik vannak, a membránban van szükség ahhoz, hogy bejussanak a sejtek belsejébe, és kiszállítsák azokat az anyagokat, amelyek nem képesek áthatolni a zsírrétegen. Például kálium- és nátriumionok. Számukra speciális fehérjestruktúrákat biztosítanak - ioncsatornákat, amelyeket az alábbiakban részletesebben tárgyalunk.

Ha mikroszkóppal nézzük a sejtmembránt, láthatunk egy lipidréteget, amelyet a legkisebb gömb alakú molekulák alkotnak, amelyen a tengerhez hasonlóan különböző alakú, nagy fehérjesejtek úsznak. Pontosan ugyanazok a membránok osztják fel az egyes sejtek belső terét olyan rekeszekre, amelyekben a sejtmag, a kloroplasztiszok és a mitokondriumok kényelmesen elhelyezkednek. Ha nem lennének külön „szobák” a sejtben, az organellumok összetapadnának egymással, és nem tudnák megfelelően ellátni funkcióikat.

A

Sejt membránokkal felépített és elválasztott organellumok halmaza, amely a szervezet létfontosságú tevékenységét biztosító energia-, anyagcsere-, információs és szaporodási folyamatok komplexumában vesz részt..

Amint ebből a definícióból látható, a membrán minden sejt legfontosabb funkcionális összetevője. Jelentősége akkora, mint a sejtmagé, a mitokondriumoké és más sejtszervecseké. A membrán egyedi tulajdonságait pedig a szerkezete adja: két, különleges módon egymáshoz tapadt fóliából áll. A foszfolipidek molekulái a membránban hidrofil fejekkel kifelé, hidrofób farokkal befelé helyezkednek el. Ezért a fólia egyik oldalát a víz nedvesíti, míg a másikat nem. Tehát ezek a filmek nem nedvesíthető oldalukkal befelé kapcsolódnak egymáshoz, fehérjemolekulákkal körülvett bilipid réteget képezve. Ez a sejtmembrán „szendvics” szerkezete.

Sejtmembránok ioncsatornái

Tekintsük részletesebben az ioncsatornák működési elvét. Mire kellenek? A tény az, hogy csak a zsírban oldódó anyagok tudnak szabadon áthatolni a lipidmembránon - ezek maguk a gázok, alkoholok és zsírok. Így például a vörösvértestekben folyamatos az oxigén és a szén-dioxid csere, és ehhez szervezetünknek nem kell további trükkökhöz folyamodnia. De mi van akkor, ha szükségessé válik vizes oldatok, például nátrium- és káliumsók szállítása a sejtmembránon keresztül?

A bilipid rétegben lehetetlen lenne utat nyitni az ilyen anyagoknak, hiszen a lyukak azonnal összehúzódnának és visszatapadnának, ilyen a zsírszövet szerkezete. De a természet, mint mindig, megtalálta a kiutat a helyzetből, és különleges fehérjetranszport struktúrákat hozott létre.

Kétféle vezető fehérje létezik:

  • Transporters – félig integrált pumpafehérjék;
  • Channelformers – integrált fehérjék.

Az első típusú fehérjék részben elmerülnek a sejtmembrán bilipid rétegében, fejükkel kinéznek, és megfelelő anyag jelenlétében pumpaszerűen kezdenek viselkedni: vonzzák a molekulát. és szívja be a cellába. A második típusú, integrált fehérjék pedig hosszúkás alakúak, és a sejtmembrán bilipid rétegére merőlegesen helyezkednek el, át- és áthatolva. Rajtuk keresztül, akárcsak alagutakon keresztül, a zsíron át nem tudó anyagok bejutnak a sejtbe és onnan ki. Az ioncsatornákon keresztül a káliumionok behatolnak a sejtbe, és felhalmozódnak benne, míg a nátriumionok éppen ellenkezőleg, kikerülnek. Különböznek az elektromos potenciálok, amelyek annyira szükségesek testünk összes sejtjének megfelelő működéséhez.

[Oktató videó] A sejt plazmamembránjának szerkezete:

A legfontosabb következtetések a sejtmembránok szerkezetéről és funkcióiról

Az elmélet mindig érdekesnek és ígéretesnek tűnik, ha hasznosan alkalmazható a gyakorlatban. Az emberi test sejtmembránjainak szerkezetének és funkcióinak felfedezése lehetővé tette a tudósok számára, hogy valódi áttörést érjenek el a tudományban általában, és különösen az orvostudományban. Nem véletlen, hogy ilyen részletesen foglalkoztunk az ioncsatornákkal, hiszen itt rejlik a válasz korunk egyik legfontosabb kérdésére: miért betegednek meg egyre gyakrabban az emberek onkológiában?

A rák évente körülbelül 17 millió emberéletet követel világszerte, és a halálozások negyedik leggyakoribb oka. A WHO szerint a rák előfordulása folyamatosan növekszik, és 2020 végére elérheti az évi 25 milliót.

Mi magyarázza a rák valódi járványát, és mi köze a sejtmembránok funkciójához? Azt fogja mondani: az ok a rossz környezeti feltételek, az alultápláltság, a rossz szokások és a súlyos öröklődés. És persze igazad lesz, de ha részletesebben beszélünk a problémáról, akkor az emberi szervezet elsavasodása az oka. A fent felsorolt negatív tényezők a sejtmembránok megzavarásához vezetnek, gátolják a légzést és a táplálkozást.

Ahol plusznak kell lennie, ott mínusz keletkezik, és a cella nem tud normálisan működni. De a rákos sejteknek nincs szükségük sem oxigénre, sem lúgos környezetre - képesek anaerob típusú táplálkozásra. Ezért az oxigénhiány és a skálán kívüli pH-értékek között az egészséges sejtek mutálódnak, alkalmazkodni akarnak a környezethez, és rákos sejtekké válnak. Így lesz rákos az ember. Ennek elkerülése érdekében elegendő mennyiségű tiszta vizet kell inni naponta, és fel kell hagynia a rákkeltő anyagokat az élelmiszerekben. Ám általában az emberek tisztában vannak a káros termékekkel és a minőségi víz szükségességével, és nem tesznek semmit – remélik, hogy a baj elkerüli őket.

A különböző sejtek sejtmembránjainak szerkezetének és funkcióinak ismeretében az orvosok ezt az információt felhasználhatják arra, hogy célzott, célzott terápiás hatásokat fejtsenek ki a szervezetben. Számos modern gyógyszer a szervezetünkbe kerülve keresi a megfelelő "célpontot", amely ioncsatornák, enzimek, receptorok és sejtmembránok biomarkerei lehetnek. Ezzel a kezelési módszerrel jobb eredményeket érhet el minimális mellékhatással.

A legújabb generációs antibiotikumok a véráramba kerülve nem pusztítják el az összes sejtet egymás után, hanem pontosan a kórokozó sejtjeit keresik, a sejtmembránjában lévő markerekre fókuszálva. A legújabb migrénellenes szerek, a triptánok csak a gyulladt agyi ereket szűkítik össze, miközben a szívre és a perifériás keringési rendszerre szinte semmilyen hatást nem gyakorolnak. A szükséges ereket pedig pontosan sejtmembránjaik fehérjéi alapján ismerik fel. Sok ilyen példa van, így bátran kijelenthetjük, hogy a sejtmembránok szerkezetének és funkcióinak ismerete a modern orvostudomány fejlődésének hátterében áll, és minden évben életek millióit menti meg.