Το 1972, διατυπώθηκε η θεωρία ότι μια μερικώς διαπερατή μεμβράνη περιβάλλει το κύτταρο και εκτελεί μια σειρά από ζωτικές εργασίες, και η δομή και η λειτουργία των κυτταρικών μεμβρανών είναι σημαντικά ζητήματα σχετικά με την καλή λειτουργία όλων των κυττάρων στο σώμα. Η κυτταρική θεωρία έγινε ευρέως διαδεδομένη τον 17ο αιώνα, μαζί με την εφεύρεση του μικροσκοπίου. Έγινε γνωστό ότι οι φυτικοί και ζωικοί ιστοί αποτελούνται από κύτταρα, αλλά λόγω της χαμηλής ανάλυσης της συσκευής, ήταν αδύνατο να δούμε κανένα εμπόδιο γύρω από το ζωικό κύτταρο. Τον 20ο αιώνα, η χημική φύση της μεμβράνης μελετήθηκε λεπτομερέστερα, διαπιστώθηκε ότι τα λιπίδια αποτελούν τη βάση της.
Δομή και λειτουργία των κυτταρικών μεμβρανών
Η κυτταρική μεμβράνη περιβάλλει το κυτταρόπλασμα των ζωντανών κυττάρων, διαχωρίζοντας φυσικά τα ενδοκυτταρικά συστατικά από το εξωτερικό περιβάλλον. Οι μύκητες, τα βακτήρια και τα φυτά έχουν επίσης κυτταρικά τοιχώματα που παρέχουν προστασία και εμποδίζουν τη διέλευση μεγάλων μορίων. Οι κυτταρικές μεμβράνες παίζουν επίσης ρόλο σεσχηματισμός του κυτταροσκελετού και προσκόλληση στην εξωκυτταρική μήτρα άλλων ζωτικών σωματιδίων. Αυτό είναι απαραίτητο για να συγκρατηθούν μαζί, σχηματίζοντας τους ιστούς και τα όργανα του σώματος. Τα δομικά χαρακτηριστικά της κυτταρικής μεμβράνης περιλαμβάνουν τη διαπερατότητα. Η κύρια λειτουργία είναι η προστασία. Η μεμβράνη αποτελείται από ένα στρώμα φωσφολιπιδίου με ενσωματωμένες πρωτεΐνες. Αυτό το τμήμα εμπλέκεται σε διαδικασίες όπως η κυτταρική προσκόλληση, η αγωγιμότητα των ιόντων και τα συστήματα σηματοδότησης και χρησιμεύει ως επιφάνεια προσάρτησης για πολλές εξωκυτταρικές δομές, συμπεριλαμβανομένου του τοιχώματος, του γλυκοκάλυκα και του εσωτερικού κυτταροσκελετού. Η μεμβράνη διατηρεί επίσης το δυναμικό του κυττάρου ενεργώντας ως επιλεκτικό φίλτρο. Είναι επιλεκτικά διαπερατό σε ιόντα και οργανικά μόρια και ελέγχει την κίνηση των σωματιδίων.
Βιολογικοί μηχανισμοί που αφορούν την κυτταρική μεμβράνη
1. Παθητική διάχυση: Ορισμένες ουσίες (μικρά μόρια, ιόντα), όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και το οξυγόνο (O2), μπορούν να διαχέονται μέσω της πλασματικής μεμβράνης. Το κέλυφος λειτουργεί ως φράγμα σε ορισμένα μόρια και ιόντα που μπορούν να συγκεντρωθούν και στις δύο πλευρές.
2. Διαμεμβρανικό κανάλι και πρωτεΐνη μεταφορέα: Θρεπτικά συστατικά όπως η γλυκόζη ή τα αμινοξέα πρέπει να εισέλθουν στο κύτταρο και ορισμένα μεταβολικά προϊόντα πρέπει να φύγουν.
3. Η ενδοκυττάρωση είναι η διαδικασία με την οποία προσλαμβάνονται τα μόρια. Δημιουργείται μια ελαφρά παραμόρφωση (εισβολή) στην πλασματική μεμβράνη, στην οποία καταπίνεται η προς μεταφορά ουσία. Απαιτείενέργειας και επομένως είναι μια μορφή ενεργητικής μεταφοράς.
4. Εξωκυττάρωση: εμφανίζεται σε διάφορα κύτταρα για την απομάκρυνση των άπεπτων υπολειμμάτων ουσιών που προέρχονται από την ενδοκυττάρωση προκειμένου να εκκρίνουν ουσίες όπως ορμόνες και ένζυμα και να μεταφέρουν την ουσία πλήρως μέσω του κυτταρικού φραγμού.
Μοριακή δομή
Η κυτταρική μεμβράνη είναι μια βιολογική μεμβράνη, που αποτελείται κυρίως από φωσφολιπίδια και διαχωρίζει το περιεχόμενο ολόκληρου του κυττάρου από το εξωτερικό περιβάλλον. Η διαδικασία σχηματισμού συμβαίνει αυθόρμητα υπό κανονικές συνθήκες. Προκειμένου να κατανοηθεί αυτή η διαδικασία και να περιγραφεί σωστά η δομή και οι λειτουργίες των κυτταρικών μεμβρανών, καθώς και οι ιδιότητες, είναι απαραίτητο να εκτιμηθεί η φύση των φωσφολιπιδικών δομών, οι οποίες χαρακτηρίζονται από δομική πόλωση. Όταν τα φωσφολιπίδια στο υδάτινο περιβάλλον του κυτταροπλάσματος φτάσουν σε μια κρίσιμη συγκέντρωση, συνδυάζονται σε μικκύλια, τα οποία είναι πιο σταθερά στο υδάτινο περιβάλλον.
Ιδιότητες μεμβράνης
- Σταθερότητα. Αυτό σημαίνει ότι μετά το σχηματισμό της μεμβράνης είναι απίθανο να καταρρεύσει.
- Δύναμη. Η λιπιδική μεμβράνη είναι αρκετά αξιόπιστη ώστε να εμποδίζει τη διέλευση μιας πολικής ουσίας· τόσο οι διαλυμένες ουσίες (ιόντα, γλυκόζη, αμινοξέα) όσο και πολύ μεγαλύτερα μόρια (πρωτεΐνες) δεν μπορούν να περάσουν από το σχηματιζόμενο όριο.
- Δυναμικός χαρακτήρας. Αυτή είναι ίσως η πιο σημαντική ιδιότητα όταν εξετάζουμε τη δομή του κυττάρου. Η κυτταρική μεμβράνη μπορείυπόκειται σε διάφορες παραμορφώσεις, μπορεί να διπλωθεί και να λυγίσει χωρίς να καταρρεύσει. Κάτω από ειδικές συνθήκες, όπως η σύντηξη κυστιδίων ή η εκβλάστηση, μπορεί να σπάσει, αλλά μόνο προσωρινά. Σε θερμοκρασία δωματίου, τα λιπιδικά του συστατικά βρίσκονται σε συνεχή, χαοτική κίνηση, σχηματίζοντας ένα σταθερό όριο υγρού.
Μοντέλο Υγρού Μωσαϊκού
Μιλώντας για τη δομή και τις λειτουργίες των κυτταρικών μεμβρανών, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι στη σύγχρονη άποψη, η μεμβράνη ως μοντέλο υγρού μωσαϊκού θεωρήθηκε το 1972 από τους επιστήμονες Singer και Nicholson. Η θεωρία τους αντανακλά τρία κύρια χαρακτηριστικά της δομής της μεμβράνης. Οι ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες παρέχουν ένα μωσαϊκό πρότυπο για τη μεμβράνη και είναι ικανές για πλευρική κίνηση εντός επιπέδου λόγω της μεταβλητής φύσης της λιπιδικής οργάνωσης. Οι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες είναι επίσης δυνητικά κινητές. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της δομής της μεμβράνης είναι η ασυμμετρία της. Ποια είναι η δομή ενός κυττάρου; Κυτταρική μεμβράνη, πυρήνας, πρωτεΐνες και ούτω καθεξής. Το κύτταρο είναι η βασική μονάδα της ζωής και όλοι οι οργανισμοί αποτελούνται από ένα ή περισσότερα κύτταρα, το καθένα με ένα φυσικό φράγμα που το χωρίζει από το περιβάλλον του. Αυτό το εξωτερικό όριο του κυττάρου ονομάζεται επίσης πλασματική μεμβράνη. Αποτελείται από τέσσερις διαφορετικούς τύπους μορίων: φωσφολιπίδια, χοληστερόλη, πρωτεΐνες και υδατάνθρακες. Το μοντέλο υγρού μωσαϊκού περιγράφει τη δομή της κυτταρικής μεμβράνης ως εξής: εύκαμπτη και ελαστική, παρόμοια σε συνοχή με το φυτικό έλαιο, έτσι ώστε τα πάνταΤα μεμονωμένα μόρια απλώς επιπλέουν στο υγρό μέσο και είναι όλα ικανά να κινούνται πλάγια μέσα σε αυτό το κέλυφος. Ένα μωσαϊκό είναι κάτι που περιέχει πολλές διαφορετικές λεπτομέρειες. Στην πλασματική μεμβράνη, αντιπροσωπεύεται από φωσφολιπίδια, μόρια χοληστερόλης, πρωτεΐνες και υδατάνθρακες.
Φωσφολιπίδια
Τα φωσφολιπίδια αποτελούν τη βασική δομή της κυτταρικής μεμβράνης. Αυτά τα μόρια έχουν δύο διακριτά άκρα: ένα κεφάλι και μια ουρά. Το άκρο της κεφαλής περιέχει μια φωσφορική ομάδα και είναι υδρόφιλο. Αυτό σημαίνει ότι έλκεται από μόρια νερού. Η ουρά αποτελείται από άτομα υδρογόνου και άνθρακα που ονομάζονται αλυσίδες λιπαρών οξέων. Αυτές οι αλυσίδες είναι υδρόφοβες, δεν τους αρέσει να αναμιγνύονται με μόρια νερού. Αυτή η διαδικασία είναι παρόμοια με αυτή που συμβαίνει όταν ρίχνετε φυτικό λάδι σε νερό, δηλαδή δεν διαλύεται σε αυτό. Τα δομικά χαρακτηριστικά της κυτταρικής μεμβράνης συνδέονται με τη λεγόμενη διπλοστοιβάδα λιπιδίων, η οποία αποτελείται από φωσφολιπίδια. Οι υδρόφιλες φωσφορικές κεφαλές βρίσκονται πάντα εκεί όπου υπάρχει νερό με τη μορφή ενδοκυτταρικού και εξωκυττάριου υγρού. Οι υδρόφοβες ουρές των φωσφολιπιδίων στη μεμβράνη είναι οργανωμένες με τέτοιο τρόπο ώστε να τις κρατούν μακριά από το νερό.
Χοληστερόλη, πρωτεΐνες και υδατάνθρακες
Όταν οι άνθρωποι ακούν τη λέξη "χοληστερόλη", οι άνθρωποι συνήθως πιστεύουν ότι είναι κακή. Ωστόσο, η χοληστερόλη είναι στην πραγματικότητα ένα πολύ σημαντικό συστατικό των κυτταρικών μεμβρανών. Τα μόριά του αποτελούνται από τέσσερις δακτυλίους ατόμων υδρογόνου και άνθρακα. Είναι υδρόφοβα και εμφανίζονται μεταξύ των υδρόφοβων ουρών στη λιπιδική διπλοστιβάδα. Η σημασία τους έγκειταιδιατηρώντας τη συνοχή, ενισχύουν τις μεμβράνες, αποτρέποντας τη διασταύρωση. Τα μόρια χοληστερόλης εμποδίζουν επίσης τις φωσφολιπιδικές ουρές να έρθουν σε επαφή και να σκληρύνουν. Αυτό εγγυάται ρευστότητα και ευελιξία. Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες δρουν ως ένζυμα για να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις, ενεργούν ως υποδοχείς για συγκεκριμένα μόρια ή μεταφέρουν ουσίες μέσω της κυτταρικής μεμβράνης.
Οι υδατάνθρακες, ή σακχαρίτες, βρίσκονται μόνο στην εξωκυτταρική πλευρά της κυτταρικής μεμβράνης. Μαζί σχηματίζουν τον γλυκοκάλυκα. Παρέχει αντικραδασμική προστασία και προστασία στην πλασματική μεμβράνη. Με βάση τη δομή και τον τύπο των υδατανθράκων στον γλυκοκάλυκα, το σώμα μπορεί να αναγνωρίσει τα κύτταρα και να καθορίσει εάν πρέπει να είναι εκεί ή όχι.
Μεμβρανικές πρωτεΐνες
Η δομή της κυτταρικής μεμβράνης ενός ζωικού κυττάρου δεν μπορεί να φανταστεί χωρίς ένα τόσο σημαντικό συστατικό όπως η πρωτεΐνη. Παρόλα αυτά, μπορεί να είναι σημαντικά κατώτερα σε μέγεθος από ένα άλλο σημαντικό συστατικό - τα λιπίδια. Υπάρχουν τρεις κύριες πρωτεΐνες μεμβράνης.
- Ολοκληρωμένο. Καλύπτουν πλήρως το διπλό στρώμα, το κυτταρόπλασμα και το εξωκυτταρικό περιβάλλον. Εκτελούν μια λειτουργία μεταφοράς και σηματοδότησης.
- Περιφερειακό. Οι πρωτεΐνες συνδέονται με τη μεμβράνη με ηλεκτροστατικούς δεσμούς ή δεσμούς υδρογόνου στις κυτταροπλασματικές ή εξωκυτταρικές επιφάνειές τους. Εμπλέκονται κυρίως ως μέσο προσκόλλησης για ενσωματωμένες πρωτεΐνες.
- Διαμεμβρανική. Εκτελούν ενζυματικές και σηματοδοτικές λειτουργίες και επίσης ρυθμίζουν τη βασική δομή της λιπιδικής διπλής στιβάδας της μεμβράνης.
Λειτουργίες βιολογικών μεμβρανών
Το υδρόφοβο αποτέλεσμα, το οποίο ρυθμίζει τη συμπεριφορά των υδρογονανθράκων στο νερό, ελέγχει τις δομές που σχηματίζονται από τα λιπίδια της μεμβράνης και τις πρωτεΐνες της μεμβράνης. Πολλές ιδιότητες των μεμβρανών αποδίδονται από φορείς λιπιδικών διπλών στοιβάδων, οι οποίοι αποτελούν τη βασική δομή για όλες τις βιολογικές μεμβράνες. Οι ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες είναι εν μέρει κρυμμένες στη λιπιδική διπλοστιβάδα. Οι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες έχουν μια εξειδικευμένη οργάνωση αμινοξέων στην κύρια αλληλουχία τους.
Οι πρωτεΐνες της περιφερικής μεμβράνης είναι πολύ παρόμοιες με τις διαλυτές, αλλά είναι επίσης συνδεδεμένες με τη μεμβράνη. Οι εξειδικευμένες κυτταρικές μεμβράνες έχουν εξειδικευμένες κυτταρικές λειτουργίες. Πώς η δομή και οι λειτουργίες των κυτταρικών μεμβρανών επηρεάζουν το σώμα; Η λειτουργικότητα ολόκληρου του οργανισμού εξαρτάται από το πώς είναι διατεταγμένες οι βιολογικές μεμβράνες. Από τα ενδοκυτταρικά οργανίδια, τις εξωκυτταρικές και μεσοκυτταρικές αλληλεπιδράσεις των μεμβρανών, δημιουργούνται οι απαραίτητες δομές για την οργάνωση και την εκτέλεση βιολογικών λειτουργιών. Πολλά δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά είναι κοινά στα βακτήρια, τα ευκαρυωτικά κύτταρα και τους ιούς με περίβλημα. Όλες οι βιολογικές μεμβράνες είναι χτισμένες σε μια λιπιδική διπλοστιβάδα, η οποία καθορίζει την παρουσία μιας σειράς κοινών χαρακτηριστικών. Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες έχουν πολλές συγκεκριμένες λειτουργίες.
- Έλεγχος. Οι πλασματικές μεμβράνες των κυττάρων ορίζουν τα όρια της αλληλεπίδρασης του κυττάρου με το περιβάλλον.
- Μεταφορές. Οι ενδοκυτταρικές μεμβράνες των κυττάρων χωρίζονται σε πολλά λειτουργικά μπλοκ με διαφορετικάεσωτερική σύνθεση, καθεμία από τις οποίες υποστηρίζεται από την απαραίτητη λειτουργία μεταφοράς σε συνδυασμό με τη διαπερατότητα ελέγχου.
- Μεταγωγή σήματος. Η σύντηξη μεμβράνης παρέχει έναν μηχανισμό για την ενδοκυτταρική φυσαλιδώδη ειδοποίηση και αποτρέπει την ελεύθερη είσοδο διαφόρων ειδών ιών στο κύτταρο.
Έννοια και συμπεράσματα
Η δομή της εξωτερικής κυτταρικής μεμβράνης επηρεάζει ολόκληρο το σώμα. Διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην προστασία της ακεραιότητας επιτρέποντας τη διείσδυση μόνο επιλεγμένων ουσιών. Είναι επίσης μια καλή βάση για την αγκύρωση του κυτταροσκελετού και του κυτταρικού τοιχώματος, που βοηθά στη διατήρηση του σχήματος του κυττάρου. Τα λιπίδια αποτελούν περίπου το 50% της μεμβρανικής μάζας των περισσότερων κυττάρων, αν και αυτό ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο της μεμβράνης. Η δομή της εξωτερικής κυτταρικής μεμβράνης των θηλαστικών είναι πιο περίπλοκη, περιέχει τέσσερα κύρια φωσφολιπίδια. Μια σημαντική ιδιότητα των λιπιδικών διπλών στοιβάδων είναι ότι συμπεριφέρονται σαν ένα δισδιάστατο ρευστό στο οποίο τα μεμονωμένα μόρια μπορούν ελεύθερα να περιστρέφονται και να κινούνται πλευρικά. Αυτή η ρευστότητα είναι μια σημαντική ιδιότητα των μεμβρανών, η οποία καθορίζεται ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη λιπιδική σύνθεση. Λόγω της δομής του υδρογονανθρακικού δακτυλίου, η χοληστερόλη παίζει ρόλο στον προσδιορισμό της ρευστότητας των μεμβρανών. Η επιλεκτική διαπερατότητα των βιολογικών μεμβρανών σε μικρά μόρια επιτρέπει στο κύτταρο να ελέγχει και να διατηρεί την εσωτερική του δομή.
Λαμβάνοντας υπόψη τη δομή του κυττάρου (κυτταρική μεμβράνη, πυρήνας κ.λπ.), μπορούμε να συμπεράνουμε ότιότι το σώμα είναι ένα αυτορυθμιζόμενο σύστημα που δεν μπορεί να βλάψει τον εαυτό του χωρίς εξωτερική βοήθεια και θα αναζητά πάντα τρόπους αποκατάστασης, προστασίας και σωστής λειτουργίας κάθε κυττάρου.
