Všetky živé organizmy na Zemi sú tvorené bunkami a každá bunka je obklopená ochrannou membránou - membránou. Membránové funkcie však nie sú obmedzené na ochranu organoidov a oddelenie jednej bunky od druhej. Bunková membrána je komplexný mechanizmus, ktorý sa priamo podieľa na reprodukcii, regenerácii, výžive, dýchaní a mnohých ďalších dôležitých funkciách bunky..
Termín "bunková membrána" sa používa asi sto rokov. Slovo "membrána" v preklade z latinčiny znamená "film". Avšak v prípade bunkovej membrány bude správnejšie hovoriť o celku dvoch filmov, ktoré sú navzájom prepojené a rôzne strany týchto fólií majú iné vlastnosti.
Bunková membrána (cytolemma, plazmatická membrána) je trojvrstvová lipoproteínová (tuk-proteínová) membrána, ktorá oddeľuje každú bunku od susedných buniek a prostredia a vykonáva riadenú výmenu buniek a prostredia.
Rozhodujúce v tejto definícii nie je, že bunková stena oddeľuje jednu bunku od druhej, ale zabezpečuje jej interakciu s inými bunkami a životným prostredím. Membrána je veľmi aktívna, neustále pracujúca bunková štruktúra, na ktorej príroda má mnoho funkcií. Z nášho článku sa dozviete všetko o zložení, štruktúre, vlastnostiach a funkciách bunkovej membrány, ako aj o nebezpečenstve, ktoré ľudské zdravie spôsobuje ľudské membrány..
Obsah článku:
- História výskumu bunkových membrán
- Vlastnosti a funkcie bunkovej membrány
- Štruktúra bunkovej membrány
- Najdôležitejšie závery o štruktúre a funkcii bunkových membrán
História výskumu bunkových membrán
V roku 1925 dokázali dvaja nemeckí vedci Gorter a Grendel uskutočniť najkomplikovanejší experiment na červených krvinkách ľudskej krvi, červených krviniek. Pomocou osmotického štrajku získali vedci tzv. "Tiene" - prázdne škrupiny červených krviniek, potom ich zložili v jednej hromadě a merali povrch. Ďalším krokom bolo vypočítať množstvo lipidov v bunkovej membráne. Pomocou acetónu vedci oddelili lipidy z "tieňov" a zistili, že sú dosť dosť pre dvojitú súvislú vrstvu.
Počas experimentu však boli urobené dve chyby:
Použitie acetónu neumožňuje izolovať absolútne všetky lipidy z membrán;
Plocha "tieňov" bola vypočítaná ako sušina, čo je tiež nesprávne.
Keďže prvá chyba priniesla mínus vo výpočtoch a druhá - plus, celkový výsledok bol prekvapujúco presný a nemeckí vedci priniesli vedeckému svetu najdôležitejším objavom - lipidovú dvojvrstvu bunkovej membrány.
V roku 1935 dal ďalší pár výskumníkov Danielle a Dawson po dlhých pokusoch s bilipidovými filmami dospieť k záveru, že proteíny sú prítomné v bunkových membránach. Inak nebolo možné vysvetliť, prečo majú tieto filmy také vysoké povrchové napätie. Vedci predstavili verejnosti schematický model bunkovej membrány podobnej sendvičovi, kde homogénne vrstvy lipidového proteínu zohrávajú úlohu kúskov chleba a medzi nimi miesto masla, prázdnoty.
V roku 1950 s použitím prvého elektrónového mikroskopu sa teória Danielieho Dawsona čiastočne potvrdila - mikrofotografie bunkovej membrány jasne ukázali dve vrstvy pozostávajúce z lipidových a proteínových hláv a medzi nimi priehľadný priestor naplnený len koncami lipidov a proteínov.
V roku 1960, na základe týchto údajov, americký mikrobiológ J. Robertson vyvinul teóriu trojvrstvovej štruktúry bunkových membrán, ktorá bola dlho považovaná za jedinú správnu. Keďže sa veda rozvíjala, stále viac a viac pochybností sa vyskytovali o homogenite týchto vrstiev. Z hľadiska termodynamiky je takáto štruktúra mimoriadne nevýhodná - pre bunky by bolo veľmi ťažké prepravovať látky dovnútra a von cez celý sendvič. Okrem toho sa preukázalo, že bunkové membrány rôznych tkanív majú rôznu hrúbku a spôsob pripojenia kvôli rôznym funkciám orgánov.
V roku 1972, mikrobiológovia SD Singer a G.L. Nicholson dokázal vysvetliť všetky nekonzistentnosti Robertsonovej teórie pomocou nového tekuto-mozaikového modelu bunkovej membrány. Vedci zistili, že membrána je heterogénna, asymetrická, naplnená tekutinou a jej bunky sú v neustálom pohybe. A bielkoviny obsiahnuté vo svojom zložení majú inú štruktúru a účel, navyše sú odlišne umiestnené vzhľadom na bilipidovú vrstvu membrány.
Bunkové membrány obsahujú tri typy proteínov:
Periférne - namontované na povrchu fólie;
Semi-integrál - čiastočne preniká do bilipidovej vrstvy;
Integrálne - úplne preniknúť do membrány.
Periférne proteíny sa spájajú s hlavami membránových lipidov elektrostatickou interakciou a nikdy nevytvárajú spojitú vrstvu, ako sa to bežne predpokladalo skôr. Semi-integrálne a integrálne proteíny slúžia na prepravu kyslíka a živín do bunky, ako aj na odstránenie rozkladných produktov a ďalšie pre niekoľko dôležitých funkcií, o ktorých sa dozviete neskôr.
Čítať ďalej: Biologické funkcie lipidov
Vlastnosti a funkcie bunkovej membrány
Bunková membrána vykonáva nasledujúce funkcie:
Bariérová membránová permeabilita pre rôzne typy molekúl nie je rovnaká: Aby sa obišla bunková membrána, molekula musí mať určitú veľkosť, chemické vlastnosti a elektrický náboj. Škodlivé alebo nevhodné molekuly, kvôli bariérovej funkcii bunkovej membrány, jednoducho nemôžu preniknúť do bunky. Napríklad pri použití peroxisovej reakcie membrána chráni cytoplazmu pred peroxidmi, ktoré sú pre ňu nebezpečné;
Transport - cez membránu prechádza pasívnou, aktívnou, regulovanou a selektívnou výmenou. Pasívna výmena je vhodná pre látky rozpustné v tukoch a plyny pozostávajúce z veľmi malých molekúl. Takéto látky prenikajú dovnútra a nechávajú bunku bez energie, voľne, difúziou. Aktívna funkcia prenosu bunkovej membrány sa aktivuje, keď je potrebné vykonať nevyhnutné, ale ťažko prepravované látky do bunky alebo z bunky. Napríklad s veľkými molekulami, alebo nie je schopný prekročiť bilipidovú vrstvu kvôli hydrofóbnosti. Potom začnú pracovať proteínové pumpy, vrátane ATPázy, ktorá je zodpovedná za absorpciu draselných iónov do bunky a vylučovanie sodíkových iónov z neho. Regulovaná transportná výmena je nevyhnutná pre funkcie sekrécie a fermentácie, napríklad keď bunky produkujú a vylučujú hormóny alebo žalúdočnú šťavu. Všetky tieto látky opúšťajú bunky prostredníctvom špeciálnych kanálov av danom objeme. A selektívna transportná funkcia je spojená s veľmi integrálnymi proteínmi, ktoré prenikajú do membrány a slúžia ako kanál na vstup a výstup z dobre definovaných typov molekúl;
Matrix - bunková membrána určuje a fixuje usporiadanie organoidov voči sebe (jadro, mitochondria, chloroplasty) a reguluje interakciu medzi nimi;
Mechanické - zabezpečuje obmedzenie jednej bunky od druhej a súčasne správne pripojenie buniek do homogénneho tkaniva a odolnosť orgánov voči deformácii;
Ochranné - ako u rastlín, tak aj pri zvieratách, bunková membrána slúži ako základ pre vytvorenie ochranného rámca. Príkladom je masívne drevo, hustá koža, trnité trny. Vo svete zvierat je tiež veľa príkladov ochranných funkcií bunkových membrán - korytnačka, chitínová škrupina, kopytá a rohy;
Energetické - procesy fotosyntézy a bunkového dýchania by nebolo možné bez účasti bunkových membránových proteínov, pretože bunky si vymieňajú energiu cez proteínové kanály;
Receptorové proteíny vložené do bunkovej membrány môžu mať ďalšiu dôležitú funkciu. Slúžia ako receptory, vďaka čomu bunka dostáva signál z hormónov a neurotransmiterov. A to zase je nevyhnutné pre vedenie nervových impulzov a normálny priebeh hormonálnych procesov;
Enzymatická - ďalšia dôležitá funkcia, ktorá je vlastná niektorým proteínom bunkových membrán. Napríklad v intestinálnom epiteli sa tráviace enzýmy syntetizujú použitím takýchto proteínov;
Biopotenciál - koncentrácia draslíkových iónov vnútri bunky je výrazne vyššia ako vonkajšia a koncentrácia sodíkových iónov, naopak, je väčšia ako vnútri. To vysvetľuje potenciálny rozdiel: vo vnútri bunky je náboj negatívny, na vonkajšej strane je pozitívny, čo podporuje pohyb látok do a z bunky počas ktoréhokoľvek z troch typov metabolizmu - fagocytóza, pinocytóza a exocytóza;
Označené - na povrchu bunkových membrán sú tzv. "Štítky" - antigény pozostávajúce z glykoproteínov (proteíny s pripojenými rozvetvenými oligosacharidovými vedľajšími reťazcami). Vzhľadom na to, že postranné reťazce môžu mať obrovskú rozmanitosť konfigurácií, každý typ bunky dostane svoj vlastný jedinečný štítok, ktorý umožňuje iným bunkám tela rozpoznať ich "zrakom" a správne reagovať na ne. To je dôvod, prečo napríklad ľudské imunitné bunky, makrofágy, ľahko rozpoznajú outsiderov, ktorí vstúpili do tela (infekcia, vírus) a pokúsili sa ich zničiť. To isté sa deje s chorými, mutovanými a starými bunkami - značka na ich bunkovej membráne sa mení a telo sa ich zbaví..
Bunkový metabolizmus prebieha prostredníctvom membrány a môže sa uskutočniť pomocou troch hlavných typov reakcií:
Fagocytóza je bunkový proces, v ktorom fagocytové bunky zapadajú do membrány a zachytávajú tuhé častice živín. V ľudskom tele sa fagocytóza uskutočňuje membránami dvoch typov buniek: granulocytov (granulárnych leukocytov) a makrofágov (bunky imunitného zabíjača);
Pinocytóza je proces zachytenia povrchu bunkovej membrány molekúl tekutiny v kontakte s ním. Pre výživu v podobe pinocytózy bunka rastie tenkými nadýchanými výrastmi vo forme antény na svojej membráne, ktorá, akoby, obklopuje kvapôčku kvapaliny a získava sa bublina. Po prvé, táto bublina vyduchuje nad povrch membrány a potom "prehltne" - skrýva sa vnútri bunky a jej steny sa spájajú s vnútorným povrchom bunkovej membrány. Pinocytóza sa vyskytuje takmer vo všetkých živých bunkách;
Exokytóza je reverzný proces, pri ktorom sa vo vnútri bunky vytvárajú bubliny s vylučujúcou funkčnou tekutinou (enzýmom, hormónom) a musí sa nejakým spôsobom odstrániť z bunky do prostredia. Za týmto účelom sa bublina najskôr zlúči s vnútorným povrchom bunkovej membrány, potom vybuchne, roztrhne, vysunie obsah a znova sa spojí s povrchom membrány, tentoraz z vonkajšej strany. Exokytóza sa vyskytuje napríklad v bunkách črevného epitelu a kôry nadobličiek.
Štruktúra bunkovej membrány
Bunkové membrány obsahujú lipidy troch tried:
fosfolipidov;
glykolipidy;
cholesterol.
Fosfolipidy (kombinácia tuku a fosforu) a glykolipidy (kombinácia tukov a sacharidov) pozostávajú z hydrofilnej hlavy, z ktorej odchádzajú dva dlhé hydrofóbne chvosty. Ale cholesterol občas zaberá priestor medzi týmito dvoma chvostmi a nedovoľuje ich ohýbať, čo robí membrány niektorých buniek tuhými. Navyše molekuly cholesterolu usporiadajú štruktúru bunkových membrán a zabraňujú prechodu polárnych molekúl z jednej bunky do druhej..
Najdôležitejšou zložkou, ako je zrejmé z predchádzajúcej časti o funkciách bunkových membrán, sú proteíny. Ich zloženie, účel a umiestnenie sú veľmi rozdielne, ale existuje niečo spoločné, ktoré ich spája: prstencové lipidy sú vždy umiestnené okolo proteínov bunkových membrán. Ide o špeciálne tuky, ktoré sú jasne štruktúrované, stabilné, obsahujú viac nasýtených mastných kyselín v ich zložení a uvoľňujú sa z membrán spolu s "patched" proteínmi. Je to druh osobného ochranného krytu na proteíny, bez ktorého by jednoducho nefungovali.
Štruktúra bunkovej membrány je trojvrstvová. Uprostred je relatívne homogénna kvapalná bilipidová vrstva a proteíny ju pokrývajú na oboch stranách podobnou ako mozaika, ktorá čiastočne preniká do hrúbky. To znamená, že by bolo nesprávne si myslieť, že vonkajšie proteínové vrstvy bunkovej membrány sú kontinuálne. Bielkoviny okrem ich komplexných funkcií sú potrebné v membráne, aby prešli do buniek a transportovali z nich tie látky, ktoré nie sú schopné preniknúť do mastnej vrstvy. Napríklad ióny draslíka a sodíka. Pre nich existujú špeciálne bielkovinové štruktúry - iónové kanály, o ktorých budeme opisovať nižšie.
Ak sa pozriete na bunkovú membránu mikroskopom, môžete vidieť vrstvu lipidov vytvorených malými sférickými molekulami, pozdĺž ktorých, ako v mori, plávajú veľké bielkovinové bunky rôznych tvarov. Presne tie isté membrány rozdeľujú vnútorný priestor každej bunky na oddelenia, v ktorých sa pohodlne nachádza jadro, chloroplasty a mitochondrie. Neumiestňujte sa do buniek jednotlivých miestností, organely by sa držali spolu a nebudú môcť správne plniť svoje funkcie..
Bunka je súbor organoidov štruktúrovaných a vymedzených pomocou membrán, ktoré sa podieľajú na komplexe energetických, metabolických, informačných a reprodukčných procesov, ktoré zabezpečujú životne dôležitú činnosť organizmu..
Ako je zrejmé z tejto definície, membrána je najdôležitejšou funkčnou zložkou akejkoľvek bunky. Jeho hodnota je rovnako veľká ako hodnota jadra, mitochondrie a iných bunkových organelov. A unikátne vlastnosti membrány sú spôsobené jej štruktúrou: pozostávajú z dvoch filmov, ktoré sú špeciálne tvarované spoločne. Molekuly fosfolipidov v membráne sú umiestnené v hydrofilných hlavách a vo vnútri sú hydrofóbne chvosty. Preto je jedna strana fólie navlhčená vodou a druhá nie. Takže tieto filmy sú navzájom prepojené stranami, ktoré nie sú navlhčené dovnútra, čím vytvárajú bilipidovú vrstvu obklopenú proteínovými molekulami. To je veľmi "sendvičová" štruktúra bunkovej membrány.
Iónové kanály bunkových membrán
Pozrime sa podrobnejšie na princíp fungovania iónových kanálov. Za čo sú? Faktom je, že len tukové látky rozpustné - plyny, alkoholy a samotné tuky - môžu voľne preniknúť cez lipidovú membránu. Napríklad v červených krvinkách sú kyslík a oxid uhličitý neustále vymenené a preto sa naše telo nemusí uchýliť k žiadnym ďalším trikom. Ale čo keď je potreba transportovať vodné roztoky cez bunkovú membránu, ako sú sodné a draselné soli??
Bolo by nemožné pripraviť cestu pre takéto látky v bilipidovej vrstve, pretože dierky by sa ihneď vyliečili a držali spolu, čo je štruktúra akéhokoľvek tukového tkaniva. Ale príroda, ako vždy, našla cestu zo situácie a vytvorila špeciálne transportné štruktúry bielkovín.
Existujú dva typy vodivých proteínov:
Dopravníky - čerpadlá s čiastočným integráciou;
Channelformers - integrálne proteíny.
Proteíny prvého typu sú čiastočne ponorené do bilipidovej vrstvy bunkovej membrány a hlava vyzerá von a v prítomnosti požadovanej látky sa začnú správať ako čerpadlo: ťahajú molekulu a vysávajú ju vnútri bunky. A proteíny druhého druhu, integrálne, majú predĺžený tvar a sú umiestnené kolmo na bilipidovú vrstvu bunkovej membrány a prechádzajú cez ňu. Látky, ktoré nie sú schopné prechádzať cez tuky, sa pohybujú pozdĺž nich, napríklad cez tunely, do bunky a mimo bunky. Je to cez iónové kanály do bunky, že draselné ióny prenikajú a hromadia sa v ňom, zatiaľ čo ióny sodíka sú naopak vyvedené. Existuje rozdiel v elektrických potenciáloch, ktorý je potrebný na správnu činnosť všetkých buniek nášho tela..
Najdôležitejšie závery o štruktúre a funkcii bunkových membrán
Teória vždy vyzerá zaujímavo a sľubne, ak sa dá užitočne dať do praxe. Objav štruktúry a funkcií bunkových membrán ľudského tela umožnil vedcom urobiť skutočný prelom vo vede vo všeobecnosti a najmä v medicíne. Nie je náhodou, že sme sa v takých detailoch zastavili na iónových kanáloch, pretože tu je odpoveď na jednu z najdôležitejších otázok nášho času: prečo ľudia čoraz viac dostávajú rakovinu??
Rakovina každoročne zabíja približne 17 miliónov ľudí na celom svete a je štvrtou najčastejšou príčinou všetkých úmrtí. Podľa WHO sa incidencia onkológie neustále zvyšuje a do konca roka 2020 by mohla dosiahnuť 25 miliónov ročne..
Čo vysvetľuje súčasnú epidémiu rakoviny a kde funguje bunková membrána? Poviete: dôvodom sú zlé environmentálne podmienky, zlá výživa, zlé návyky a ťažká dedičnosť. A samozrejme budete mať pravdu, ale ak hovoríme o probléme podrobnejšie, dôvodom je okyslenie ľudského tela. Vyššie uvedené negatívne faktory vedú k narušeniu bunkových membrán, inhibujú dýchanie a výživu..
Tam, kde by malo dôjsť k zvýšeniu, vznikne mínus a bunka nemôže fungovať normálne. Ale rakovinové bunky nepotrebujú ani kyslík ani alkalické prostredie - sú schopné používať anaeróbny typ potravy. Preto v podmienkach hladovania kyslíkom a hladiny pH presahujúcej hranice sa zdravé bunky mutujú, chcú prispôsobiť sa životnému prostrediu a stávajú sa rakovinovými bunkami. Takto sa človek stane chorým v onkológii. Aby ste tomu zabránili, stačí spotrebovať dostatok čistej vody denne a zanechať v potravinách karcinogény. Ale spravidla ľudia dobre vedia o škodlivých produktoch a potrebe kvalitnej vody a nerobia nič - dúfajú, že ich problémy prenesú.
Poznávajúc štruktúru a funkcie bunkových membrán rôznych buniek, lekári môžu použiť tieto informácie na poskytnutie cielených, cielených terapeutických účinkov na telo. Veľa moderných liekov, ktoré sa dostávajú do nášho tela, hľadajú požadovaný cieľ, ktorý môže pôsobiť ako iónové kanály, enzýmy, receptory a biomarkery bunkových membrán. Táto metóda liečby umožňuje dosiahnuť lepšie výsledky s minimálnymi vedľajšími účinkami..
Najnovšia generácia antibiotík nezabije všetky bunky v rade, keď vstúpia do krvi, ale sú to bunky patogénu, ktoré hľadajú a zameriavajú sa na markery v bunkových stenách. Najnovšie lieky proti migréne, triptány, zužujú iba zapálené mozgové cievy a majú takmer žiadny vplyv na srdce a periférny obehový systém. A ony rozpoznajú nevyhnutné cievy presne bielkovinami svojich bunkových membrán. Existuje veľa takýchto príkladov, takže je bezpečné povedať, že vedomosti o štruktúre a funkcii bunkových membrán sú základom rozvoja modernej lekárskej vedy a každoročne šetrí milióny životov..