Войти
Поперечный разрез структуры, которые могут быть образованы фосфолипидами в водном растворе A биологическая мембрана, биомембрана или клеточная мембрана, представляет собой селективно проницаемую мембрану, который отделяет ячейку от внешней среды или создает внутриклеточные компартменты. Биологические мембраны в виде эукариотических клеточных мембран состоят из фосфолипидного бислоя со встроенными, интегральными и периферическими белками. используется для связи и транспортировки химикатов и ионов. Основная масса липида в клеточной мембране обеспечивает жидкий матрикс для белков, которые вращаются и диффундируют в боковом направлении для физиологического функционирования. Белки адаптированы к среде с высокой текучестью мембран среды липидного бислоя с наличием кольцевой липидной оболочки, состоящей из липидных молекул, плотно связанных с поверхностью интегральные мембранные белки. Клеточные мембраны отличаются от изолирующих тканей, образованных слоями клеток, такими как слизистые оболочки, базальные мембраны и серозные мембраны.
Модель жидкой мембраны бислоя фосфолипидов. Липидный бислой состоит из двух слоев - внешнего листка и внутреннего листка. Компоненты бислоя неравномерно распределены между двумя поверхностями, чтобы создать асимметрию между внешней и внутренней поверхностями. Эта асимметричная организация важна для клеточных функций, таких как передача сигналов. Асимметрия биологической мембраны отражает разные функции двух створок мембраны. Как видно на жидкой модели мембраны фосфолипидного бислоя, внешний и внутренний листок мембраны асимметричны по своему составу. Некоторые белки и липиды располагаются только на одной поверхности мембраны, а не на другой.
• И плазматическая мембрана, и внутренние мембраны имеют цитозольную и экзоплазматическую стороны. • Эта ориентация сохраняется во время переноса через мембрану - белки, липиды, гликоконъюгаты, обращенные к просвету ER и Гольджи, экспрессируются на внеклеточной стороне плазмы. мембрана. В эукариотических клетках новые фосфолипиды производятся ферментами, связанными с той частью мембраны эндоплазматического ретикулума, которая обращена к цитозолю. Эти ферменты, которые используют свободные жирные кислоты в качестве субстратов, откладывают все вновь образованные фосфолипиды в цитозольную половину бислоя. Чтобы мембрана в целом росла равномерно, половина новых молекул фосфолипидов должна быть перенесена на противоположный монослой. Этот перенос катализируется ферментами, называемыми флиппазами. В плазматической мембране флиппазы селективно переносят специфические фосфолипиды, так что разные типы концентрируются в каждом монослое.
Однако использование селективных флиппаз - не единственный способ вызвать асимметрию в липидных бислоях. В частности, другой механизм действует для гликолипидов - липидов, которые демонстрируют наиболее яркое и последовательное асимметричное распределение в клетках животных.
Биологическая мембрана состоит из липидов с гидрофобными хвостами и гидрофильными головы. Гидрофобные хвосты представляют собой углеводородные хвосты, длина и насыщенность которых важны для характеристики ячейки. Липидные рафты возникают, когда липидные частицы и белки объединяются в домены в мембране. Они помогают организовать компоненты мембраны в локализованные области, которые участвуют в определенных процессах, таких как передача сигнала.
Красные кровяные тельца или эритроциты имеют уникальный липидный состав. Двойной слой эритроцитов состоит из холестерина и фосфолипидов в равных весовых пропорциях. Мембрана эритроцитов играет решающую роль в свертывании крови. В бислое красных кровяных телец находится фосфатидилсерин. Обычно это происходит на цитоплазматической стороне мембраны. Однако он переворачивается на внешнюю мембрану, чтобы использовать его во время свертывания крови.
Фосфолипидные бислои содержат разные белки. Эти мембранные белки имеют различные функции и характеристики и катализируют различные химические реакции. Интегральные белки охватывают мембраны с разными доменами с каждой стороны. Интегральные белки прочно связаны с липидным бислоем и не могут легко отделиться. Они диссоциируют только при химической обработке, разрушающей мембрану. Периферические белки не похожи на интегральные белки тем, что они слабо взаимодействуют с поверхностью бислоя и могут легко отделяться от мембраны. Периферические белки расположены только на одной стороне мембраны и создают асимметрию мембраны.
| ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КЛАСС | ПРИМЕР БЕЛКА | СПЕЦИАЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ |
|---|---|---|
| Транспортеры | Насос Na + | активно выкачивает Na + из клетки и K + в |
| Якорях | интегринах | связывают внутриклеточные актиновые филаменты с белками внеклеточного матрикса |
| Рецепторы | тромбоцитарный фактор роста рецептор | связывает внеклеточный PDGF и, как следствие, генерирует внутриклеточные сигналы, которые заставляют клетку расти и делиться |
| Ферменты | аденилатциклаза | катализирует выработку внутриклеточной сигнальной молекулы циклического АМФ в ответ на внеклеточные сигналы |
Олигосахариды - сахаросодержащие полимеры. В мембране они могут быть ковалентно связаны с липидами с образованием гликолипидов или ковалентно связаны с белками с образованием гликопротеинов. Мембраны содержат сахаросодержащие липидные молекулы, известные как гликолипиды. В бислое сахарные группы гликолипидов обнажены на поверхности клетки, где они могут образовывать водородные связи. Гликолипиды являются наиболее ярким примером асимметрии липидного бислоя. Гликолипиды выполняют огромное количество функций в биологической мембране, которые в основном являются коммуникативными, включая распознавание клеток и клеточную адгезию. Гликопротеины - это интегральные белки. Они играют важную роль в иммунном ответе и защите.
Фосфолипидный бислой образуется из-за агрегации мембранных липидов в водных растворах. Агрегация вызывается гидрофобным эффектом, когда гидрофобные концы контактируют друг с другом и изолированы от воды. Такое расположение максимизирует водородные связи между гидрофильными головками и водой, сводя к минимуму неблагоприятный контакт между гидрофобными хвостами и водой. Увеличение доступных водородных связей увеличивает энтропию системы, создавая самопроизвольный процесс.
Биологические молекулы являются амфифильными или амфипатическими, то есть одновременно гидрофобными и гидрофильными. Фосфолипидный бислой содержит заряженные гидрофильные головные группы, которые взаимодействуют с полярной водой. Слои также содержат гидрофобные хвосты, которые встречаются с гидрофобными хвостами дополнительного слоя. Гидрофобные хвосты обычно представляют собой жирные кислоты разной длины. взаимодействия липидов, особенно гидрофобных хвостов, определяют физические свойства липидного бислоя, такие как текучесть.
Мембраны в клетках обычно определяют замкнутые пространства или отсеки, в которых клетки могут поддерживать химическую или биохимическую среду, отличную от внешней. Например, мембрана вокруг пероксисом защищает остальную часть клетки от пероксидов, химических веществ, которые могут быть токсичными для клетки, а клеточная мембрана отделяет клетку от окружающей среды. Пероксисомы - это одна из форм вакуолей, обнаруживаемых в клетке, которые содержат побочные продукты химических реакций внутри клетки. Большинство органелл определяются такими мембранами и называются «мембраносвязанными» органеллами.
Вероятно, наиболее важной особенностью биомембраны является то, что это избирательно проницаемая структура. Это означает, что размер, заряд и другие химические свойства атомов и молекул, пытающихся пересечь его, будут определять, удастся ли им это сделать. Избирательная проницаемость важна для эффективного отделения клетки или органеллы от окружающей среды. Биологические мембраны также обладают определенными механическими или эластичными свойствами, которые позволяют им изменять форму и двигаться по мере необходимости.
Как правило, небольшие гидрофобные молекулы могут легко пересекать бислои фосфолипидов путем простой диффузии.
Частицы, которые необходимы для клеточной функции, но не могут свободно диффундировать через мембрану, проникают через мембранный транспортный белок или принимаются посредством эндоцитоза, когда мембрана позволяет вакуоли присоединяться к ней и выталкивать ее содержимое в клетку. Многие типы специализированных плазматических мембран могут отделять клетку от внешней среды: апикальные, базолатеральные, пресинаптические и постсинаптические, мембраны жгутиков, ресничек, микроворсинок, филоподий и ламеллиподий, сарколемма мышечных клеток, а также специализированные миелиновые и дендритные мембраны нейронов. Плазматические мембраны могут также образовывать различные типы «надрамембранных» структур, такие как кавеолы , постсинаптическая плотность, подосома, инвадоподиум, десмосома, гемидесмосома, фокальная адгезия и межклеточные соединения. Эти типы мембран различаются по липидному и белковому составу.
Разные типы мембран также создают внутриклеточные органеллы: эндосома; гладкая и шероховатая эндоплазматическая сеть; саркоплазматический ретикулум; Аппарат Гольджи; лизосома; митохондрии (внутренняя и внешняя мембраны); ядро (внутренняя и внешняя оболочки); пероксисома ; вакуоль; цитоплазматические гранулы; клеточные везикулы (фагосома, аутофагосома, везикулы, покрытые клатрином, COPI и COPII везикулы) и секреторные везикулы (включая синаптосомы, акросомы, меланосомы и хромаффинные гранулы). Различные типы биологических мембран имеют различный липидный и белковый состав. Состав мембран определяет их физические и биологические свойства. Некоторые компоненты мембран играют ключевую роль в медицине, например, оттокные насосы, которые выкачивают лекарства из клетки.
Гидрофобная сердцевина фосфолипидного бислоя постоянно находится в движении из-за вращений вокруг связей липидных хвостов. Гидрофобные хвосты двухслойного сгибаются и сцепляются друг с другом. Однако из-за водородной связи с водой гидрофильные головные группы демонстрируют меньшее движение, поскольку их вращение и подвижность ограничены. Это приводит к увеличению вязкости липидного бислоя ближе к гидрофильным головкам.
Ниже температуры перехода липидный бислой теряет текучесть, когда высокомобильные липиды демонстрируют меньшее движение, превращаясь в гелеобразное твердое вещество. Температура перехода зависит от таких компонентов липидного бислоя, как длина углеводородной цепи и насыщенность ее жирными кислотами. Температурная зависимость текучести является важным физиологическим атрибутом бактерий и хладнокровных организмов. Эти организмы поддерживают постоянную текучесть, изменяя состав мембранных липидов и жирных кислот в соответствии с различными температурами.
В клетках животных текучесть мембран модулируется включением стерола холестерина. Эта молекула присутствует в особенно больших количествах в плазматической мембране, где она составляет примерно 20% липидов в мембране по массе. Поскольку молекулы холестерина короткие и жесткие, они заполняют пространства между соседними молекулами фосфолипидов, оставленные перегибами в их ненасыщенных углеводородных хвостах. Таким образом, холестерин делает бислой более жестким, делая его более жестким и менее проницаемым.
Для всех клеток текучесть мембран важна по многим причинам. Он позволяет мембранным белкам быстро диффундировать в плоскости бислоя и взаимодействовать друг с другом, что имеет решающее значение, например, в клеточной передаче сигналов. Это позволяет мембранным липидам и белкам диффундировать из участков, где они вставлены в бислой после их синтеза, в другие области клетки. Он позволяет мембранам сливаться друг с другом и смешивать свои молекулы, а также обеспечивает равномерное распределение мембранных молекул между дочерними клетками при делении клетки. Если бы биологические мембраны не были жидкими, трудно представить, как клетки могли бы жить, расти и воспроизводиться.
СМИ, относящиеся к биологическим мембранам на Wikimedia Commons