Non è un segreto che tutti gli esseri viventi sul nostro pianeta siano costituiti da cellule, queste innumerevoli "" sostanze organiche. Le cellule, a loro volta, sono circondate da uno speciale guscio protettivo: una membrana, che svolge un ruolo molto importante nella vita della cellula, e le funzioni della membrana cellulare non si limitano alla sola protezione della cellula, ma rappresentano un complesso meccanismo coinvolto nella riproduzione, nutrizione e rigenerazione della cellula.
Cos'è una membrana cellulare
La stessa parola "membrana" è tradotta dal latino come "film", sebbene una membrana non sia solo una sorta di film in cui è avvolta una cellula, ma una combinazione di due film collegati tra loro e con proprietà diverse. Infatti, la membrana cellulare è una membrana lipoproteica (grasso-proteina) a tre strati che separa ciascuna cellula dalle cellule vicine e dall'ambiente e svolge uno scambio controllato tra le cellule e l'ambiente, questa è la definizione accademica di ciò che una membrana cellulare È.
L’importanza della membrana è semplicemente enorme, perché non solo separa una cellula dall’altra, ma garantisce anche l’interazione della cellula sia con le altre cellule che con l’ambiente.
Storia della ricerca sulla membrana cellulare
Un importante contributo allo studio della membrana cellulare fu dato da due scienziati tedeschi Gorter e Grendel nel 1925. Fu allora che riuscirono a condurre un complesso esperimento biologico sui globuli rossi - eritrociti, durante il quale gli scienziati ottennero le cosiddette "ombre", gusci vuoti di eritrociti, che impilarono in una pila e misurarono la superficie, oltre a calcolare la quantità di lipidi in essi contenuti. In base alla quantità di lipidi ottenuti, gli scienziati sono giunti alla conclusione che essi sono contenuti proprio nel doppio strato della membrana cellulare.
Nel 1935, un'altra coppia di ricercatori sulla membrana cellulare, questa volta gli americani Daniel e Dawson, dopo una serie di lunghi esperimenti, stabilirono il contenuto proteico nella membrana cellulare. Non c'era altro modo per spiegare perché la membrana avesse una tensione superficiale così elevata. Gli scienziati hanno abilmente presentato un modello di membrana cellulare sotto forma di un sandwich, in cui il ruolo del pane è svolto da strati lipidici e proteici omogenei e tra loro, invece del petrolio, c'è il vuoto.
Nel 1950, con l'avvento dell'elettronica, la teoria di Daniel e Dawson fu confermata da osservazioni pratiche: nelle micrografie della membrana cellulare erano chiaramente visibili gli strati delle teste lipidiche e proteiche e anche lo spazio vuoto tra di loro.
Nel 1960, il biologo americano J. Robertson sviluppò una teoria sulla struttura a tre strati delle membrane cellulari, che per lungo tempo fu considerata l'unica vera, ma con l'ulteriore sviluppo della scienza iniziarono a sorgere dubbi sulla sua infallibilità. Quindi, ad esempio, sarebbe difficile e dispendioso in termini di lavoro per le cellule trasportare i nutrienti necessari attraverso l’intero “sandwich”
E solo nel 1972, i biologi americani S. Singer e G. Nicholson furono in grado di spiegare le incongruenze nella teoria di Robertson utilizzando un nuovo modello a mosaico fluido della membrana cellulare. In particolare, hanno scoperto che la membrana cellulare non è omogenea nella sua composizione, inoltre è asimmetrica e piena di liquido. Inoltre, le cellule sono in costante movimento. E le famigerate proteine che fanno parte della membrana cellulare hanno strutture e funzioni diverse.
Proprietà e funzioni della membrana cellulare
Ora diamo un'occhiata a quali funzioni svolge la membrana cellulare:
La funzione barriera della membrana cellulare fa sì che la membrana sia una vera e propria guardia di confine, che vigila sui confini della cellula, ritardando e impedendo il passaggio di molecole dannose o semplicemente inappropriate.
Funzione di trasporto della membrana cellulare: la membrana non è solo una guardia di frontiera all'ingresso della cellula, ma anche una sorta di posto di controllo doganale; attraverso di essa vengono costantemente scambiate sostanze utili con altre cellule e con l'ambiente.
Funzione matrice: è la membrana cellulare che determina la posizione reciproca e regola l'interazione tra loro.
Funzione meccanica - è responsabile della separazione di una cellula dall'altra e, allo stesso tempo, del corretto collegamento delle cellule tra loro, per formarle in un tessuto omogeneo.
La funzione protettiva della membrana cellulare è la base per la costruzione dello scudo protettivo della cellula. In natura un esempio di questa funzione può essere il legno duro, una buccia densa, un guscio protettivo, tutto dovuto alla funzione protettiva della membrana.
La funzione enzimatica è un'altra importante funzione svolta da alcune proteine nella cellula. Ad esempio, grazie a questa funzione, nell'epitelio intestinale avviene la sintesi degli enzimi digestivi.
Inoltre, oltre a tutto ciò, attraverso la membrana cellulare avviene lo scambio cellulare, che può avvenire in tre diverse reazioni:
- La fagocitosi è uno scambio cellulare in cui le cellule fagocitarie incorporate nella membrana catturano e digeriscono vari nutrienti.
- La pinocitosi è il processo di cattura da parte della membrana cellulare di molecole liquide a contatto con essa. Per fare ciò, sulla superficie della membrana si formano appositi viticci, che sembrano circondare una goccia di liquido, formando una bolla, che viene successivamente “inghiottita” dalla membrana.
- L'esocitosi è un processo inverso quando una cellula rilascia un fluido funzionale secretorio sulla superficie attraverso la membrana.
Struttura della membrana cellulare
Nella membrana cellulare esistono tre classi di lipidi:
- fosfolipidi (che sono una combinazione di grassi e fosforo),
- glicolipidi (una combinazione di grassi e carboidrati),
- colesterolo
Fosfolipidi e glicolipidi, a loro volta, sono costituiti da una testa idrofila, nella quale si estendono due lunghe code idrofobiche. Il colesterolo occupa lo spazio tra queste code, impedendo loro di piegarsi; tutto ciò, in alcuni casi, rende la membrana di alcune cellule molto rigida. Oltre a tutto ciò, le molecole di colesterolo organizzano la struttura della membrana cellulare.
Comunque sia, la parte più importante della struttura della membrana cellulare sono le proteine, o meglio diverse proteine che svolgono diversi ruoli importanti. Nonostante la diversità delle proteine contenute nella membrana, c'è qualcosa che le unisce: i lipidi anulari si trovano attorno a tutte le proteine della membrana. I lipidi anulari sono grassi strutturati speciali che fungono da sorta di guscio protettivo per le proteine, senza il quale semplicemente non funzionerebbero.
La struttura della membrana cellulare ha tre strati: la base della membrana cellulare è uno strato bilipido liquido omogeneo. Le proteine lo ricoprono su entrambi i lati come un mosaico. Sono le proteine, oltre alle funzioni sopra descritte, che svolgono anche il ruolo di particolari canali attraverso i quali passano attraverso la membrana le sostanze che non sono in grado di penetrare attraverso lo strato liquido della membrana. Tra questi rientrano ad esempio gli ioni potassio e sodio; per la loro penetrazione attraverso la membrana la natura mette a disposizione speciali canali ionici nelle membrane cellulari. In altre parole, le proteine garantiscono la permeabilità delle membrane cellulari.
Se osserviamo la membrana cellulare al microscopio, vedremo uno strato di lipidi formato da piccole molecole sferiche su cui nuotano le proteine, come nel mare. Ora sai quali sostanze compongono la membrana cellulare.
Video sulla membrana cellulare
E infine un video didattico sulla membrana cellulare.
Cellula- un'unità strutturale e funzionale autoregolante di tessuti e organi. La teoria cellulare della struttura di organi e tessuti fu sviluppata da Schleiden e Schwann nel 1839. Successivamente, con l'aiuto della microscopia elettronica e dell'ultracentrifugazione, è stato possibile chiarire la struttura di tutti i principali organelli delle cellule animali e vegetali (Fig. 1).
Riso. 1. Schema della struttura di una cellula animale
Le parti principali di una cellula sono il citoplasma e il nucleo. Ogni cellula è circondata da una membrana molto sottile che ne limita il contenuto.
La membrana cellulare si chiama membrana plasmatica ed è caratterizzato da permeabilità selettiva. Questa proprietà consente ai nutrienti e agli elementi chimici necessari di penetrare nella cellula e ai prodotti in eccesso di lasciarla. La membrana plasmatica è costituita da due strati di molecole lipidiche contenenti proteine specifiche. I principali lipidi di membrana sono i fosfolipidi. Contengono fosforo, una testa polare e due code non polari di acidi grassi a catena lunga. I lipidi di membrana comprendono il colesterolo e gli esteri del colesterolo. In conformità con il modello strutturale del mosaico liquido, le membrane contengono inclusioni di molecole proteiche e lipidiche che possono mescolarsi rispetto al doppio strato. Ogni tipo di membrana di qualsiasi cellula animale ha una propria composizione lipidica relativamente costante.
Le proteine di membrana si dividono in due tipi in base alla loro struttura: integrali e periferiche. Le proteine periferiche possono essere rimosse dalla membrana senza distruggerla. Esistono quattro tipi di proteine di membrana: proteine di trasporto, enzimi, recettori e proteine strutturali. Alcune proteine di membrana hanno attività enzimatica, altre legano determinate sostanze e ne facilitano il trasporto nella cellula. Le proteine forniscono diverse vie per il movimento delle sostanze attraverso le membrane: formano grandi pori costituiti da diverse subunità proteiche che consentono alle molecole d'acqua e agli ioni di spostarsi tra le cellule; formano canali ionici specializzati per il movimento di alcuni tipi di ioni attraverso la membrana in determinate condizioni. Le proteine strutturali sono associate allo strato lipidico interno e forniscono il citoscheletro della cellula. Il citoscheletro fornisce resistenza meccanica alla membrana cellulare. In varie membrane le proteine rappresentano dal 20 all'80% della massa. Le proteine di membrana possono muoversi liberamente sul piano laterale.
La membrana contiene anche carboidrati che possono essere legati covalentemente a lipidi o proteine. Esistono tre tipi di carboidrati di membrana: glicolipidi (gangliosidi), glicoproteine e proteoglicani. La maggior parte dei lipidi di membrana sono allo stato liquido e hanno una certa fluidità, cioè la capacità di spostarsi da un'area all'altra. Sul lato esterno della membrana ci sono siti recettori che legano vari ormoni. Altre aree specifiche della membrana non sono in grado di riconoscere e legare alcune proteine e vari composti biologicamente attivi che sono estranei a queste cellule.
Lo spazio interno della cellula è pieno di citoplasma, nel quale hanno luogo la maggior parte delle reazioni catalizzate dagli enzimi del metabolismo cellulare. Il citoplasma è costituito da due strati: quello interno, chiamato endoplasma, e quello periferico, ectoplasma, che ha un'elevata viscosità ed è privo di granuli. Il citoplasma contiene tutti i componenti di una cellula o organello. I più importanti degli organelli cellulari sono il reticolo endoplasmatico, i ribosomi, i mitocondri, l'apparato di Golgi, i lisosomi, i microfilamenti e microtubuli, i perossisomi.
Reticolo endoplasmaticoè un sistema di canali e cavità interconnessi che penetrano nell'intero citoplasma. Assicura il trasporto di sostanze dall'ambiente e all'interno delle cellule. Il reticolo endoplasmatico funge anche da deposito per gli ioni Ca 2+ intracellulari e funge da sito principale della sintesi lipidica nella cellula.
Ribosomi - particelle sferiche microscopiche con un diametro di 10-25 nm. I ribosomi si trovano liberamente nel citoplasma o attaccati alla superficie esterna delle membrane del reticolo endoplasmatico e della membrana nucleare. Interagiscono con l'RNA messaggero e di trasporto e in essi avviene la sintesi proteica. Sintetizzano proteine che entrano nelle cisterne o nell'apparato del Golgi e vengono poi rilasciate all'esterno. I ribosomi, liberamente localizzati nel citoplasma, sintetizzano le proteine utilizzabili dalla cellula stessa, mentre i ribosomi associati al reticolo endoplasmatico producono proteine che vengono escrete dalla cellula. I ribosomi sintetizzano varie proteine funzionali: proteine trasportatrici, enzimi, recettori, proteine citoscheletriche.
Apparato del Golgi formato da un sistema di tubuli, cisterne e vescicole. È associato al reticolo endoplasmatico e le sostanze biologicamente attive che entrano qui vengono immagazzinate in forma compattata in vescicole secretorie. Questi ultimi vengono costantemente separati dall'apparato di Golgi, trasportati nella membrana cellulare e si fondono con essa, e le sostanze contenute nelle vescicole vengono rimosse dalla cellula attraverso il processo di esocitosi.
Lisosomi - particelle circondate dalla membrana che misurano 0,25-0,8 micron. Contengono numerosi enzimi coinvolti nella scomposizione di proteine, polisaccaridi, grassi, acidi nucleici, batteri e cellule.
Perossisomi formati dal reticolo endoplasmatico liscio, assomigliano ai lisosomi e contengono enzimi che catalizzano la decomposizione del perossido di idrogeno, che viene scomposto sotto l'influenza di perossidasi e catalasi.
Mitocondri contengono membrane esterne ed interne e sono la “stazione energetica” della cellula. I mitocondri sono strutture rotonde o allungate con una doppia membrana. La membrana interna forma pieghe che sporgono nei mitocondri - creste. In essi avviene la sintesi di ATP, l'ossidazione dei substrati del ciclo di Krebs e si verificano molte reazioni biochimiche. Le molecole di ATP prodotte nei mitocondri si diffondono in tutte le parti della cellula. I mitocondri contengono una piccola quantità di DNA, RNA e ribosomi e con la loro partecipazione avviene il rinnovamento e la sintesi di nuovi mitocondri.
Microfilamenti Sono sottili filamenti proteici costituiti da miosina e actina e formano l'apparato contrattile della cellula. I microfilamenti sono coinvolti nella formazione di pieghe o sporgenze della membrana cellulare, nonché nel movimento di varie strutture all'interno delle cellule.
Microtubuli costituiscono la base del citoscheletro e ne forniscono la forza. Il citoscheletro conferisce alle cellule il loro aspetto e la forma caratteristici e funge da sito per l'attacco degli organelli intracellulari e di vari corpi. Nelle cellule nervose, fasci di microtubuli sono coinvolti nel trasporto di sostanze dal corpo cellulare alle estremità degli assoni. Con la loro partecipazione, il fuso mitotico funziona durante la divisione cellulare. Svolgono il ruolo di elementi motori nei villi e nei flagelli negli eucarioti.
Nucleoè la struttura principale della cellula, partecipa alla trasmissione dei caratteri ereditari e alla sintesi delle proteine. Il nucleo è circondato da una membrana nucleare contenente numerosi pori nucleari attraverso i quali vengono scambiate varie sostanze tra il nucleo e il citoplasma. Al suo interno c'è un nucleolo. È stato stabilito l'importante ruolo del nucleolo nella sintesi dell'RNA ribosomiale e delle proteine istoniche. Le restanti parti del nucleo contengono cromatina, costituita da DNA, RNA e un numero di proteine specifiche.
Funzioni della membrana cellulare
Le membrane cellulari svolgono un ruolo fondamentale nella regolazione del metabolismo intracellulare e intercellulare. Hanno permeabilità selettiva. La loro struttura specifica consente loro di svolgere funzioni di barriera, trasporto e regolamentazione.
Funzione barriera si manifesta nel limitare la penetrazione dei composti disciolti nell'acqua attraverso la membrana. La membrana è impermeabile alle grandi molecole proteiche e agli anioni organici.
Funzione normativa membrane è quello di regolare il metabolismo intracellulare in risposta a influenze chimiche, biologiche e meccaniche. Vari influssi vengono percepiti da speciali recettori di membrana con un conseguente cambiamento nell'attività enzimatica.
Funzione di trasporto attraverso le membrane biologiche può essere effettuato passivamente (diffusione, filtrazione, osmosi) oppure mediante trasporto attivo.
Diffusione - movimento di un gas o di una sostanza solubile lungo una concentrazione ed un gradiente elettrochimico. La velocità di diffusione dipende dalla permeabilità della membrana cellulare, nonché dal gradiente di concentrazione per le particelle scariche e dai gradienti elettrici e di concentrazione per le particelle cariche. Diffusione semplice avviene attraverso il doppio strato lipidico o attraverso canali. Le particelle cariche si muovono secondo un gradiente elettrochimico, mentre le particelle scariche si muovono secondo un gradiente chimico. Ad esempio, l'ossigeno, gli ormoni steroidei, l'urea, l'alcool, ecc. penetrano attraverso lo strato lipidico della membrana per semplice diffusione. Vari ioni e particelle si muovono attraverso i canali. I canali ionici sono formati da proteine e sono divisi in canali con cancello e canali senza cancello. A seconda della selettività si distingue tra cavi ionoselettivi, che consentono il passaggio di un solo ione, e canali che non hanno selettività. I canali hanno un orifizio e un filtro selettivo, mentre i canali controllati hanno un meccanismo di gate.
Diffusione facilitata - un processo in cui le sostanze vengono trasportate attraverso una membrana utilizzando speciali proteine di trasporto di membrana. In questo modo gli aminoacidi e i monosaccaridi penetrano nella cellula. Questo tipo di trasporto avviene molto rapidamente.
Osmosi - movimento dell'acqua attraverso la membrana da una soluzione con pressione osmotica inferiore a una soluzione con pressione osmotica maggiore.
Trasporto attivo - trasporto di sostanze contro gradiente di concentrazione mediante ATPasi di trasporto (pompe ioniche). Questo trasferimento avviene con il dispendio di energia.
Le pompe Na + /K + -, Ca 2+ - e H + - sono state maggiormente studiate. Le pompe si trovano sulle membrane cellulari.
Un tipo di trasporto attivo è endocitosi E esocitosi. Utilizzando questi meccanismi vengono trasportate sostanze più grandi (proteine, polisaccaridi, acidi nucleici) che non possono essere trasportate attraverso i canali. Questo trasporto è più comune nelle cellule epiteliali intestinali, nei tubuli renali e nell’endotelio vascolare.
A Nell'endocitosi, le membrane cellulari formano invaginazioni nella cellula che, una volta rilasciate, si trasformano in vescicole. Durante l'esocitosi, le vescicole con il loro contenuto vengono trasferite sulla membrana cellulare e si fondono con essa, e il contenuto delle vescicole viene rilasciato nell'ambiente extracellulare.
Struttura e funzioni della membrana cellulare
Per comprendere i processi che garantiscono l'esistenza dei potenziali elettrici nelle cellule viventi, è necessario prima comprendere la struttura della membrana cellulare e le sue proprietà.
Attualmente, il più accettato è il modello a mosaico liquido della membrana, proposto da S. Singer e G. Nicholson nel 1972. La membrana è basata su un doppio strato di fosfolipidi (bilayer), i cui frammenti idrofobici della molecola sono immersi nello spessore della membrana, e i gruppi idrofili polari sono orientati verso l'esterno, quelli. nell’ambiente acquatico circostante (Fig. 2).
Le proteine di membrana sono localizzate sulla superficie della membrana o possono essere incorporate a profondità variabili nella zona idrofobica. Alcune proteine attraversano la membrana e diversi gruppi idrofili della stessa proteina si trovano su entrambi i lati della membrana cellulare. Le proteine presenti nella membrana plasmatica svolgono un ruolo molto importante: partecipano alla formazione dei canali ionici, svolgono il ruolo di pompe di membrana e trasportatori di varie sostanze e possono svolgere anche una funzione recettoriale.
Le principali funzioni della membrana cellulare: barriera, trasporto, regolazione, catalitica.
La funzione barriera è quella di limitare la diffusione dei composti idrosolubili attraverso la membrana, necessaria per proteggere le cellule da sostanze estranee e tossiche e mantenere un contenuto relativamente costante di varie sostanze all'interno delle cellule. Pertanto, la membrana cellulare può rallentare la diffusione di varie sostanze di 100.000-10.000.000 di volte.
Riso. 2. Schema tridimensionale del modello a mosaico liquido della membrana di Singer-Nicholson
Sono raffigurate proteine integrali globulari incorporate in un doppio strato lipidico. Alcune proteine sono canali ionici, altre (glicoproteine) contengono catene laterali di oligosaccaridi che sono coinvolte nel riconoscimento delle cellule tra loro e nel tessuto intercellulare. Le molecole di colesterolo sono strettamente adiacenti alle teste dei fosfolipidi e fissano le sezioni adiacenti delle “code”. Le sezioni interne delle code della molecola fosfolipidica non sono limitate nel loro movimento e sono responsabili della fluidità della membrana (Bretscher, 1985)
La membrana contiene canali attraverso i quali penetrano gli ioni. I canali possono essere dipendenti dalla tensione o indipendenti dal potenziale. Canali dipendenti dalla tensione aperto quando la differenza potenziale cambia, e potenziale indipendente(regolati dagli ormoni) si aprono quando i recettori interagiscono con le sostanze. I canali possono essere aperti o chiusi grazie ai cancelli. Nella membrana sono incorporati due tipi di porte: Attivazione(nel profondo del canale) e inattivazione(sulla superficie del canale). Il cancello può trovarsi in uno dei tre stati:
- stato aperto (entrambi i tipi di cancelli sono aperti);
- stato chiuso (cancello di attivazione chiuso);
- stato di inattivazione (cancello di inattivazione chiuso).
Un'altra caratteristica delle membrane è la capacità di trasportare selettivamente ioni inorganici, sostanze nutritive e vari prodotti metabolici. Esistono sistemi di trasferimento (trasporto) passivo e attivo di sostanze. Passivo il trasporto avviene attraverso canali ionici con o senza l'aiuto di proteine trasportatrici e la sua forza trainante è la differenza nel potenziale elettrochimico degli ioni tra lo spazio intra ed extracellulare. La selettività dei canali ionici è determinata dai suoi parametri geometrici e dalla natura chimica dei gruppi che rivestono le pareti del canale e la sua imboccatura.
Attualmente i canali più studiati sono quelli selettivamente permeabili agli ioni Na+, K+, Ca 2+ ed anche all'acqua (le cosiddette acquaporine). Il diametro dei canali ionici, secondo vari studi, è 0,5-0,7 nm. La capacità del canale può variare; 10 7 - 10 8 ioni al secondo possono passare attraverso un canale ionico.
Attivo il trasporto avviene con dispendio di energia ed è effettuato dalle cosiddette pompe ioniche. Le pompe ioniche sono strutture proteiche molecolari incorporate in una membrana che trasportano gli ioni verso un potenziale elettrochimico più elevato.
Le pompe funzionano utilizzando l'energia dell'idrolisi dell'ATP. Attualmente, Na+/K+ - ATPasi, Ca 2+ - ATPasi, H + - ATPasi, H + /K + - ATPasi, Mg 2+ - ATPasi, che assicurano rispettivamente il movimento degli ioni Na +, K +, Ca 2+ , sono stati ben studiati , H+, Mg 2+ isolati o coniugati (Na+ e K+; H+ e K+). Il meccanismo molecolare del trasporto attivo non è completamente compreso.
La membrana cellulare è la struttura che ricopre l'esterno della cellula. È chiamato anche citolemma o plasmalemma.
Questa formazione è costituita da uno strato bilipidico (doppio strato) con proteine integrate al suo interno. I carboidrati che compongono il plasmalemma sono allo stato legato.
La distribuzione dei componenti principali del plasmalemma è la seguente: più della metà della composizione chimica sono proteine, un quarto è occupato da fosfolipidi e un decimo è colesterolo.
Membrana cellulare e suoi tipi
La membrana cellulare è un film sottile, la cui base è costituita da strati di lipoproteine e proteine.
Secondo la localizzazione si distinguono gli organelli di membrana, che hanno alcune caratteristiche nelle cellule vegetali e animali:
- mitocondri;
- nucleo;
- reticolo endoplasmatico;
- Complesso del Golgi;
- lisosomi;
- cloroplasti (nelle cellule vegetali).
C'è anche una membrana cellulare interna ed esterna (plasmolemma).
Struttura della membrana cellulare
La membrana cellulare contiene carboidrati che la ricoprono sotto forma di glicocalice. Questa è una struttura sopra-membrana che svolge una funzione di barriera. Le proteine che si trovano qui sono allo stato libero. Le proteine non legate partecipano alle reazioni enzimatiche, fornendo la scomposizione extracellulare delle sostanze.
Le proteine della membrana citoplasmatica sono rappresentate dalle glicoproteine. In base alla loro composizione chimica, le proteine che sono completamente incluse nello strato lipidico (per tutta la sua lunghezza) sono classificate come proteine integrali. Anche periferico, non raggiungendo una delle superfici del plasmalemma.
I primi funzionano come recettori, legandosi a neurotrasmettitori, ormoni e altre sostanze. Le proteine di inserzione sono necessarie per la costruzione di canali ionici attraverso i quali avviene il trasporto di ioni e substrati idrofili. Questi ultimi sono enzimi che catalizzano le reazioni intracellulari.
Proprietà fondamentali della membrana plasmatica
Il doppio strato lipidico impedisce la penetrazione dell'acqua. I lipidi sono composti idrofobici rappresentati nella cellula dai fosfolipidi. Il gruppo fosfato è rivolto verso l'esterno ed è costituito da due strati: quello esterno, diretto verso l'ambiente extracellulare, e quello interno, che delimita il contenuto intracellulare.
Le aree solubili in acqua sono chiamate teste idrofile. I siti degli acidi grassi sono diretti all'interno della cellula, sotto forma di code idrofobiche. La parte idrofobica interagisce con i lipidi vicini, garantendo il loro attaccamento reciproco. Il doppio strato ha permeabilità selettiva in diverse aree.
Quindi al centro la membrana è impermeabile al glucosio e all'urea; qui passano liberamente le sostanze idrofobiche: anidride carbonica, ossigeno, alcol. Importante è il colesterolo; il contenuto di quest'ultimo determina la viscosità del plasmalemma.
Funzioni della membrana cellulare esterna
Le caratteristiche delle funzioni sono brevemente elencate nella tabella:
| Funzione della membrana | Descrizione |
| Ruolo di barriera | Il plasmalemma svolge una funzione protettiva, proteggendo il contenuto della cellula dagli effetti di agenti estranei. Grazie alla particolare organizzazione di proteine, lipidi e carboidrati è assicurata la semipermeabilità del plasmalemma. |
| Funzione del recettore | Le sostanze biologicamente attive vengono attivate attraverso la membrana cellulare nel processo di legame ai recettori. Pertanto, le reazioni immunitarie sono mediate attraverso il riconoscimento di agenti estranei da parte dell'apparato recettore cellulare localizzato sulla membrana cellulare. |
| Funzione di trasporto | La presenza di pori nel plasmalemma consente di regolare il flusso delle sostanze nella cellula. Il processo di trasferimento avviene passivamente (senza consumo di energia) per i composti a basso peso molecolare. Il trasporto attivo è associato al dispendio di energia rilasciata durante la degradazione dell'adenosina trifosfato (ATP). Questo metodo avviene per il trasferimento di composti organici. |
| Partecipazione ai processi digestivi | Le sostanze si depositano sulla membrana cellulare (assorbimento). I recettori si legano al substrato, spostandolo nella cellula. Si forma una bolla che giace liberamente all'interno della cellula. Unendosi, tali vescicole formano lisosomi con enzimi idrolitici. |
| Funzione enzimatica | Gli enzimi sono componenti essenziali della digestione intracellulare. Le reazioni che richiedono la partecipazione di catalizzatori si verificano con la partecipazione di enzimi. |
Qual è l'importanza della membrana cellulare
La membrana cellulare è coinvolta nel mantenimento dell'omeostasi a causa dell'elevata selettività delle sostanze che entrano ed escono dalla cellula (in biologia questa è chiamata permeabilità selettiva).
Le escrescenze del plasmalemma dividono la cellula in compartimenti (compartimenti) responsabili dell'esecuzione di determinate funzioni. Membrane appositamente progettate corrispondenti al modello del mosaico fluido garantiscono l'integrità della cellula.
Membrana cellulare detta anche membrana plasmatica (o citoplasmatica) e plasmalemma. Questa struttura non solo separa il contenuto interno della cellula dall'ambiente esterno, ma fa anche parte della maggior parte degli organelli cellulari e del nucleo, separandoli a loro volta dallo ialoplasma (citosol), la parte viscosa-liquida del citoplasma. Accettiamo di chiamare membrana citoplasmatica quello che separa il contenuto della cella dall'ambiente esterno. I restanti termini denotano tutte le membrane.
La struttura della membrana cellulare (biologica) si basa su un doppio strato di lipidi (grassi). La formazione di tale strato è associata alle caratteristiche delle loro molecole. I lipidi non si dissolvono in acqua, ma si condensano a modo loro. Una parte di una singola molecola lipidica è una testa polare (è attratta dall'acqua, cioè idrofila), e l'altra è una coppia di lunghe code non polari (questa parte della molecola è respinta dall'acqua, cioè idrofoba). Questa struttura di molecole fa sì che “nascondano” la coda dall'acqua e rivolgano la testa polare verso l'acqua.
Di conseguenza, si forma un doppio strato lipidico in cui le code non polari sono verso l'interno (una di fronte all'altra) e le teste polari sono verso l'esterno (verso l'ambiente esterno e il citoplasma). La superficie di tale membrana è idrofila, ma al suo interno è idrofoba.
Nelle membrane cellulari, tra i lipidi predominano i fosfolipidi (appartengono ai lipidi complessi). Le loro teste contengono un residuo di acido fosforico. Oltre ai fosfolipidi, ci sono i glicolipidi (lipidi + carboidrati) e il colesterolo (correlato agli steroli). Quest'ultimo conferisce rigidità alla membrana, trovandosi nel suo spessore tra le code dei restanti lipidi (il colesterolo è completamente idrofobo).
A causa dell'interazione elettrostatica, alcune molecole proteiche si attaccano alle teste lipidiche cariche, che diventano proteine della membrana superficiale. Altre proteine interagiscono con le code non polari, sono parzialmente sepolte nel doppio strato o penetrano attraverso di esso.
Pertanto, la membrana cellulare è costituita da un doppio strato di lipidi, proteine superficiali (periferiche), incorporate (semi-integrali) e permeanti (integrali). Inoltre, alcune proteine e lipidi sulla parte esterna della membrana sono associati a catene di carboidrati.
Questo modello a mosaico fluido della struttura della membranaè stato proposto negli anni '70 del XX secolo. In precedenza, veniva assunto un modello di struttura a sandwich, secondo il quale il doppio strato lipidico si trova all'interno e all'interno e all'esterno la membrana è ricoperta da strati continui di proteine superficiali. Tuttavia, l’accumulo di dati sperimentali ha confutato questa ipotesi.
Lo spessore delle membrane nelle diverse cellule è di circa 8 nm. Le membrane (anche i lati diversi di una) differiscono l'una dall'altra nella percentuale di diversi tipi di lipidi, proteine, attività enzimatica, ecc. Alcune membrane sono più liquide e più permeabili, altre sono più dense.
Le rotture della membrana cellulare si uniscono facilmente a causa delle proprietà fisico-chimiche del doppio strato lipidico. Nel piano della membrana si muovono i lipidi e le proteine (a meno che non siano ancorate al citoscheletro).
Funzioni della membrana cellulare
La maggior parte delle proteine immerse nella membrana cellulare svolgono una funzione enzimatica (sono enzimi). Spesso (specialmente nelle membrane degli organelli cellulari) gli enzimi si trovano in una certa sequenza in modo che i prodotti della reazione catalizzati da un enzima passino al secondo, poi al terzo, ecc. Si forma un trasportatore che stabilizza le proteine di superficie, perché non lo fanno consentire agli enzimi di galleggiare lungo il doppio strato lipidico.
La membrana cellulare svolge una funzione di delimitazione (barriera) dall'ambiente e allo stesso tempo funzioni di trasporto. Possiamo dire che questo è il suo scopo più importante. La membrana citoplasmatica, avendo forza e permeabilità selettiva, mantiene la costanza della composizione interna della cellula (la sua omeostasi e integrità).
In questo caso, il trasporto delle sostanze avviene in vari modi. Il trasporto lungo un gradiente di concentrazione comporta il movimento di sostanze da una zona a concentrazione maggiore a una zona a concentrazione minore (diffusione). Ad esempio, i gas (CO 2 , O 2 ) si diffondono.
Esistono anche trasporti contro gradiente di concentrazione, ma con consumo di energia.
Il trasporto può essere passivo e facilitato (quando è aiutato da qualche tipo di vettore). Per le sostanze liposolubili è possibile la diffusione passiva attraverso la membrana cellulare.
Esistono proteine speciali che rendono le membrane permeabili agli zuccheri e ad altre sostanze idrosolubili. Tali trasportatori si legano alle molecole trasportate e le trascinano attraverso la membrana. Ecco come viene trasportato il glucosio all'interno dei globuli rossi.
Le proteine filettanti si combinano per formare un poro per il movimento di alcune sostanze attraverso la membrana. Tali trasportatori non si muovono, ma formano un canale nella membrana e funzionano in modo simile agli enzimi, legando una sostanza specifica. Il trasferimento avviene a causa di un cambiamento nella conformazione delle proteine, con conseguente formazione di canali nella membrana. Un esempio è la pompa sodio-potassio.
La funzione di trasporto della membrana cellulare eucariotica si realizza anche attraverso l'endocitosi (ed esocitosi). Grazie a questi meccanismi, grandi molecole di biopolimeri, anche cellule intere, entrano nella cellula (e ne escono). L'endo- e l'esocitosi non sono caratteristici di tutte le cellule eucariotiche (i procarioti non ce l'hanno affatto). Pertanto, l'endocitosi si osserva nei protozoi e negli invertebrati inferiori; nei mammiferi, leucociti e macrofagi assorbono sostanze e batteri nocivi, ovvero l'endocitosi svolge una funzione protettiva per l'organismo.
L'endocitosi è divisa in fagocitosi(il citoplasma avvolge particelle di grandi dimensioni) e pinocitosi(catturando goccioline di liquido con sostanze disciolte in esso). Il meccanismo di questi processi è approssimativamente lo stesso. Le sostanze assorbite sulla superficie delle cellule sono circondate da una membrana. Si forma una vescicola (fagocitica o pinocitica) che poi si sposta nella cellula.
L'esocitosi è la rimozione di sostanze dalla cellula (ormoni, polisaccaridi, proteine, grassi, ecc.) da parte della membrana citoplasmatica. Queste sostanze sono contenute in vescicole di membrana che si adattano alla membrana cellulare. Entrambe le membrane si uniscono e il contenuto appare all'esterno della cellula.
La membrana citoplasmatica svolge una funzione di recettore. Per fare ciò, sul suo lato esterno si trovano strutture in grado di riconoscere uno stimolo chimico o fisico. Alcune delle proteine che penetrano nel plasmalemma sono collegate dall'esterno a catene di polisaccaridi (formando glicoproteine). Questi sono particolari recettori molecolari che catturano gli ormoni. Quando un particolare ormone si lega al suo recettore, cambia la sua struttura. Ciò a sua volta innesca il meccanismo di risposta cellulare. In questo caso, i canali possono aprirsi e alcune sostanze possono iniziare a entrare o uscire dalla cellula.
La funzione dei recettori delle membrane cellulari è stata ben studiata in base all'azione dell'ormone insulina. Quando l'insulina si lega al suo recettore glicoproteico, viene attivata la parte intracellulare catalitica di questa proteina (enzima adenilato ciclasi). L'enzima sintetizza l'AMP ciclico dall'ATP. Già attiva o sopprime vari enzimi del metabolismo cellulare.
La funzione recettoriale della membrana citoplasmatica comprende anche il riconoscimento delle cellule vicine dello stesso tipo. Tali cellule sono attaccate tra loro tramite vari contatti intercellulari.
Nei tessuti, con l'aiuto dei contatti intercellulari, le cellule possono scambiare informazioni tra loro utilizzando sostanze a basso peso molecolare appositamente sintetizzate. Un esempio di tale interazione è l'inibizione del contatto, quando le cellule smettono di crescere dopo aver ricevuto l'informazione che lo spazio libero è occupato.
I contatti intercellulari possono essere semplici (le membrane di cellule diverse sono adiacenti tra loro), bloccanti (invaginazioni della membrana di una cellula nell'altra), desmosomi (quando le membrane sono collegate da fasci di fibre trasversali che penetrano nel citoplasma). Inoltre, esiste una variante dei contatti intercellulari dovuta a mediatori (intermediari) - sinapsi. In essi, il segnale viene trasmesso non solo chimicamente, ma anche elettricamente. Le sinapsi trasmettono segnali tra le cellule nervose e dalle cellule nervose a quelle muscolari.
L'esterno della cellula è ricoperto da una membrana plasmatica (o membrana cellulare esterna) spessa circa 6-10 nm.
La membrana cellulare è una pellicola densa di proteine e lipidi (principalmente fosfolipidi). Le molecole lipidiche sono disposte in modo ordinato - perpendicolare alla superficie, in due strati, in modo che le loro parti che interagiscono intensamente con l'acqua (idrofile) siano dirette verso l'esterno e le loro parti inerti all'acqua (idrofobiche) siano dirette verso l'interno.
Le molecole proteiche si trovano in uno strato non continuo sulla superficie della struttura lipidica su entrambi i lati. Alcuni di essi sono immersi nello strato lipidico, altri lo attraversano formando aree permeabili all'acqua. Queste proteine svolgono varie funzioni: alcune sono enzimi, altre sono proteine di trasporto coinvolte nel trasferimento di determinate sostanze dall'ambiente al citoplasma e nella direzione opposta.
Funzioni fondamentali della membrana cellulare
Una delle principali proprietà delle membrane biologiche è la permeabilità selettiva (semipermeabilità)- alcune sostanze le attraversano con difficoltà, altre facilmente e anche in concentrazioni più elevate, quindi nella maggior parte delle cellule la concentrazione di ioni Na all'interno è significativamente inferiore rispetto all'ambiente. La relazione opposta è tipica degli ioni K: la loro concentrazione all'interno della cellula è maggiore che all'esterno. Pertanto, gli ioni Na tendono sempre a penetrare nella cellula e gli ioni K tendono sempre ad uscire. L'equalizzazione delle concentrazioni di questi ioni è impedita dalla presenza nella membrana di un sistema speciale che svolge il ruolo di una pompa, che pompa gli ioni Na fuori dalla cellula e contemporaneamente pompa gli ioni K all'interno.
La tendenza degli ioni Na a spostarsi dall'esterno verso l'interno viene utilizzata per trasportare zuccheri e amminoacidi nella cellula. Con la rimozione attiva degli ioni Na dalla cellula, si creano le condizioni per l'ingresso di glucosio e amminoacidi al suo interno.
In molte cellule le sostanze vengono assorbite anche mediante fagocitosi e pinocitosi. A fagocitosi la membrana esterna flessibile forma una piccola depressione nella quale cade la particella catturata. Questo recesso aumenta e, circondata da un tratto della membrana esterna, la particella si immerge nel citoplasma della cellula. Il fenomeno della fagocitosi è caratteristico delle amebe e di alcuni altri protozoi, nonché dei leucociti (fagociti). Le cellule assorbono i liquidi contenenti le sostanze necessarie per la cellula in modo simile. Questo fenomeno è stato chiamato pinocitosi.
Le membrane esterne delle diverse cellule differiscono significativamente sia nella composizione chimica delle proteine e dei lipidi, sia nel loro relativo contenuto. Sono queste caratteristiche che determinano la diversità nell'attività fisiologica delle membrane di varie cellule e il loro ruolo nella vita di cellule e tessuti.
Il reticolo endoplasmatico della cellula è collegato alla membrana esterna. Con l'aiuto delle membrane esterne vengono effettuati vari tipi di contatti intercellulari, ad es. comunicazione tra le singole cellule.
Molti tipi di cellule sono caratterizzati dalla presenza sulla loro superficie di un gran numero di sporgenze, pieghe e microvilli. Contribuiscono sia ad un aumento significativo della superficie cellulare che a un miglioramento del metabolismo, nonché a connessioni più forti tra le singole cellule e tra loro.
Le cellule vegetali hanno membrane spesse all'esterno della membrana cellulare, chiaramente visibili al microscopio ottico, costituite da fibra (cellulosa). Creano un forte sostegno per i tessuti vegetali (legno).
Alcune cellule animali hanno anche una serie di strutture esterne situate sopra la membrana cellulare e hanno natura protettiva. Un esempio è la chitina delle cellule tegumentarie degli insetti.
Funzioni della membrana cellulare (brevemente)
| Funzione | Descrizione |
|---|---|
| Barriera protettiva | Separa gli organelli cellulari interni dall'ambiente esterno |
| Normativa | Regola il metabolismo tra il contenuto interno della cellula e l'ambiente esterno |
| Divisione (compartimentalizzazione) | Divisione dello spazio interno della cella in blocchi indipendenti (compartimenti) |
| Energia | - Accumulo e trasformazione dell'energia; - reazioni leggere della fotosintesi nei cloroplasti; - Assorbimento e secrezione. |
| Recettore (informativo) | Partecipa alla formazione dell'eccitazione e alla sua conduzione. |
| Il motore | Esegue il movimento della cellula o delle sue singole parti. |
