23.7: Клітинні мембрани - структура та транспорт

Цілі навчання

• Визначте відмінні характеристики мембранних ліпідів.
• Опишіть мембранні компоненти і як вони розташовані.

Всі живі клітини оточені клітинною мембраною. Клітини рослин (рис.\(\PageIndex{1A}\)) І клітини тварин (рис.\(\PageIndex{1B}\)) містять клітинне ядро, яке також оточене мембраною і зберігає генетичну інформацію для клітини. Все між клітинною мембраною та ядерною мембраною, включаючи внутрішньоклітинні рідини та різні субклітинні компоненти, такі як мітохондрії та рибосоми, називається цитоплазмою. Мембрани всіх клітин мають принципово схожу будову, але мембранна функція надзвичайно різниться від одного організму до іншого і навіть від однієї клітини до іншої всередині одного організму. Це різноманітність виникає в основному через наявність різних білків і ліпідів в мембрані.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): (А) Ідеалізована рослинна клітина. Не всі показані тут структури зустрічаються в кожному типі рослинних клітин. (Б) Ідеалізована клітина тварин. Структури, показані тут, рідко будуть знайдені в одній клітині тварин.

Ліпіди в клітинних мембранах дуже полярні, але мають подвійні характеристики: частина ліпідів іонна і тому розчиняється у воді, тоді як решта має вуглеводневу структуру і тому розчиняється в неполярних речовині. Часто іонну частину називають гідрофільною, що означає «любляча воду», а неполярна частина - гідрофобною, що означає «боязнь води» (відштовхується водою). Молекули, які мають як полярну, так і неполярну частини, називаються амфіпатичними. Коли дозволяється вільно плавати у воді, ліпіди спонтанно скупчуються в різних розташуваннях: міцели, ліпосоми, моношари або бішари (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Агрегація мембранних ліпідів. У полярних розчинниках, таких як вода, амфіпатичні ліпіди будуть об'єднувати полярні голови та неполярні хвости, утворюючи моношари, бішари, міцели та ліпосоми.

Міцели - це агрегати, в яких хвости вуглеводнів ліпідів - будучи гідрофобними - спрямовані до центру збірки та подалі від навколишньої води, тоді як гідрофільні головки спрямовані назовні, контактуючи з водою. Кожна міцелла може містити тисячі ліпідних молекул. Полярні ліпіди також можуть утворювати моношар, шар однієї молекули товщиною на поверхні води. Полярні голови звернені в воду, а неполярні хвости стирчать в повітря. Бішари - це подвійні шари ліпідів, розташовані так, що гідрофобні хвости затиснуті між внутрішньою поверхнею і зовнішньою поверхнею, що складається з гідрофільних головок. Гідрофільні головки контактують з водою по обидва боки бішару, тоді як хвости, секвестовані всередині бішару, не мають контакту з водою. Бішари, як це, складають кожну клітинну мембрану (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Принципова схема клітинної мембрани. Мембрана, що охоплює типову тваринну клітину, являє собою фосфоліпідний бішар з вбудованими молекулами холестерину і білка. Короткі олігосахаридні ланцюги кріпляться до зовнішньої поверхні.

У двошаровому внутрішньому просторі гідрофобні хвости (тобто жирні кислотні частини молекул ліпідів) взаємодіють за допомогою сил дисперсії. Взаємодії послаблюються наявністю ненасичених жирних кислот. В результаті мембранні компоненти вільно млин приблизно до певної міри, а мембрана описується як рідина.

Мембранні протеїни

Якби мембрани були складені лише з ліпідів, дуже мало іонів або полярних молекул могло пройти через їх гідрофобну «сендвіч-начинку», щоб увійти або залишити будь-яку клітину. Однак певні заряджені та полярні види перетинають мембрану, за допомогою білків, які рухаються в ліпідному бішарі. Два основних класи білків в клітинній мембрані - це інтегральні білки, які охоплюють гідрофобну внутрішню частину бішару, і периферичні білки, які більш вільно пов'язані з поверхнею ліпідного бішару (рис.\(\PageIndex{3}\)). Периферичні білки можуть бути приєднані до інтегральних білків, до полярних головних груп фосфоліпідів або до обох водневим зв'язком і електростатичними силами.

Транспорт через клітинні мембрани

Плазмові мембрани повинні дозволяти певним речовинам потрапляти та залишати клітину, а також запобігати потраплянню деяких шкідливих матеріалів та виходу деяких необхідних матеріалів. Іншими словами, плазматичні мембрани вибірково проникні —вони пропускають одні речовини, але не інші. Якби вони втратили цю вибірковість, клітина більше не змогла б підтримувати себе, і вона була б знищена. Деякі клітини вимагають більшої кількості конкретних речовин, ніж інші клітини; вони повинні мати спосіб отримання цих матеріалів з позаклітинних рідин. Це може відбуватися пасивно, так як певні матеріали рухаються взад-вперед, або ж осередок може мати спеціальні механізми, що полегшують транспортування. Деякі матеріали настільки важливі для клітини, що вона витрачає частину своєї енергії, гідролізуючи аденозинтрифосфат (АТФ), для отримання цих матеріалів. Червоні кров'яні клітини використовують частину своєї енергії, роблячи саме це. Всі клітини витрачають більшу частину своєї енергії на підтримку дисбалансу іонів натрію і калію між внутрішньою і зовнішньою частиною клітини.

Існує два основних види транспорту через мембрани. Пасивний транспорт є природним явищем і не вимагає від клітини докласти будь-яку свою енергію для здійснення руху. При пасивному транспорті речовини переміщаються з області більш високої концентрації в область меншої концентрації. Активні транспортні механізми вимагають використання енергії клітини, як правило, у вигляді аденозинтрифосфату (АТФ). Якщо речовина повинна рухатися в клітину проти її градієнта концентрації - тобто якщо концентрація речовини всередині клітини перевищує її концентрацію у позаклітинній рідині (і навпаки) - клітина повинна використовувати енергію для переміщення речовини.