Клітинна мембрана: її будова та функції

Ні для кого не секрет, що всі живі істоти на нашій планеті, складаються з клітин, цих незліченних «атомів» органічної матерії. Клітини ж в свою чергу оточені спеціальною захисною оболонкою – мембраною, що грає дуже важливу роль в життєдіяльності клітини, причому функції клітинної мембрани не обмежуються лише захистом клітини, а являють собою складний механізм, що бере участь в розмноженні, харчуванні, регенерації клітини.

Визначення

Саме слово «мембрана» з латини перекладається як «плівка», хоча мембрана являє собою не просто свого роду плівку, в яку загорнута клітина, а сукупність двох плівок, з’єднаних між собою і таких, що володіють різними властивостями. Насправді клітинна мембрана це тришарова ліпопротеїнова (жиро-білкова) оболонка, що відокремлює кожну клітину від сусідніх клітин і навколишнього середовища, і здійснює керований обмін між клітинами і навколишнім середовищем, так звучить академічне визначення того, що являє собою клітинна мембрана.

Значення мембрани просто величезне, адже вона не просто відокремлює одну клітину від іншої, але й забезпечує взаємодію клітини, як з іншими клітинами, так і навколишнім середовищем.

Історія дослідження

Важливий внесок у дослідження клітинної мембрани був зроблений двома німецькими вченими Гортером і Гренделем в далекому 1925 році. Саме тоді їм вдалося провести складний біологічний експеримент над червоними кров’яними тільцями – еритроцитами, в ході яких вчені отримали так звані «тіні», порожні оболонки еритроцитів, які склали в одну стопку і виміряли площу поверхні, а також вирахували кількість ліпідів у них. На підставі отриманої кількості ліпідів вчені прийшли до висновку, що їх вистачає на подвійний шар клітинної мембрани.

У 1935 році ще одна пара дослідників клітинної мембрани, на цей раз американці Даніель та Доусон після цілої серії довгих експериментів встановили наявність білка на клітинній мембрані. Інакше ніяк не можна було пояснити, чому мембрана володіє таким високим показником поверхневого натягу. Вчені дотепно представили модель клітинної мембрани у вигляді сендвіча, в якому роль хліба грають однорідні ліпіди-білкові шари, а між ними замість масла – порожнеча.

У 1950 році з появою електронного мікроскопа теорію Даніеля та Доусона вдалося підтвердити вже практичними спостереженнями – на мікрофотографіях клітинної мембрани були чітко видні шари з ліпідних і білкових головок і також порожній простір між ними.

У 1960 році американський біолог Дж. Робертсон розробив теорію про трьохшарову будові клітинних мембран, яка довгий час вважалася єдиною вірною, але з подальшим розвитком науки, стали з’являтися сумніви в її непогрішності. Так, наприклад, з точки зору термодинаміки клітинам було б складно і трудомістко транспортувати необхідні корисні речовини через весь «сендвіч»

І тільки в 1972 році американські біологи С. Сінгер та Р. Ніколсон змогли пояснити нестиковки теорії Робертсона з допомогою нової рідинно-мозаїчної моделі клітинної мембрани. Зокрема, вони встановили, що клітинна мембрана не однорідна за своїм складом, більш того – асиметрична та наповнена рідиною. До того ж клітини перебувають у постійному русі. А горезвісні білки, які входять до складу клітинної мембрани мають різні будови та функції.

Малюнок клітинної мембрани.

Властивості та функції

Тепер давайте розберемо, які функції виконує клітинна мембрана:

Бар’єрна функція клітинної мембрани – мембрана як справжній прикордонник, стоїть на сторожі кордонів клітини, затримуючи, не пропускаючи шкідливі або просто невідповідні молекули

Транспортна функція клітинної мембрани – мембрана є не тільки прикордонником біля воріт клітини, але й своєрідним митним пропускним пунктом, через неї постійно проходить обмін корисними речовинами з іншими клітинами і навколишнім середовищем.

Матрична функція – саме клітинна мембрана визначає розташування органоїдів клітини відносно один одного, регулює взаємодію між ними.

Механічна функція – відповідає за відокремлення однієї клітини від іншої і паралельно за правильне з’єднання клітин одна з одною, за формування їх в однорідну тканину.

Захисна функція клітинної мембрани є основою для побудови захисного щита клітини. У природі прикладом цієї функції може бути тверда деревина, щільна шкірка, захисний панцир у черепахи, все це завдяки захисній функції мембрани.

Енергетична функція – фотосинтез і клітинне дихання були б неможливі без участі білка, що міститься в клітинній мембрані. Саме через білкові канали відбувається важливий клітинний енергообмін, у цьому полягають головні функції білка на клітинній мембрані.

Рецепторна функція – і знову повертаємося до білків мембрани, крім власне енергообміну вони мають ще одну дуже важливу функцію – вони служать рецепторами клітинної мембрани, завдяки яким клітина отримує сигнал від гормонів і нейромедіаторів. Все це необхідне для нормального перебігу гормональних процесів і проведення нервового імпульсу.

Ферментативна функція – ще одна важлива функція, здійснювана деякими білками клітини. Наприклад, завдяки цій функції в епітелії кишечнику відбувається синтез травних ферментів.

Також крім всього цього через клітинну мембрану здійснюється клітинний обмін, який може відбуватися трьома різними реакціями:

• – Фагоцитоз – це клітинний обмін, при якому вбудовані в мембрану клітини-фагоцити захоплюють і перетравлюють різні поживні речовини.
• Піноцитоз – являє собою процес захоплення мембраною клітини, дотичні з нею молекули рідини. Для цього на поверхні мембрани утворюються спеціальні вусики, які ніби оточують краплю рідини, утворюючи бульбашки, які згодом «ковтаються» мембраною.
• Екзоцитоз – являє собою зворотний процес, коли клітина через мембрану виділяє секреторну функціональну рідину на поверхню.

Будова

У клітинній мембрані є ліпіди трьох класів:

• фосфоліпіди (представляють собою комбінацію жирів і фосфору),
• гликолипиды (являють собою комбінацію жирів та вуглеводів),
• холестерол.

Фосфоліпіди і гліколіпіди в свою чергу складаються з гідрофільної голівки, у яку відходять два довгих гідрофобних хвостика. Холестерол ж займає простір між цими хвостиками, не даючи їм згинатися, все це в деяких випадках робить мембрану певних клітин досить жорсткою. Крім всього цього молекули холестеролу впорядковують структуру клітинної мембрани.

Але як би там не було, а найважливішою частиною будови клітинної мембрани є білок, точніше різні білки, які відіграють різні важливі ролі. Незважаючи на різноманітність білків, що містяться в мембрані є щось, що їх об’єднує – навколо всіх білків мембрани розташовані анулярні ліпіди. Анулярні ліпіди – це особливі структуровані жири, які служать своєрідною захисною оболонкою для білків, без якої вони б просто не працювали.

Структура клітинної мембрани має три шари: основу клітинної мембрани становить однорідний рідкий біліпідний шар. Білки ж покривають його з обох сторін на зразок мозаїки. Саме білки крім описаних вище функцій також грають роль своєрідних каналів, по яких проходять крізь мембрану речовини, здатні проникнути через рідкий шар мембрани. До таких належать, наприклад, іони калію та натрію, для їх проникнення через мембрану природою передбачені спеціальні іонні канали клітинних мембран. Іншими словами білки забезпечують проникність клітинних мембран.

Якщо дивитися на клітинну мембрану через мікроскоп, ми побачимо шар ліпідів, утворений маленькими кулястими молекулами по якому плавають немов по морю білки. Тепер ви знаєте, які речовини входять до складу клітинної мембрани.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.

Сторінка про автора

Ця стаття доступна англійською мовою – Cell Membrane.