Ако виждаш това съобщение, значи уебсайтът ни има проблем със зареждането на външни ресурси.

If you're behind a web filter, please make sure that the domains *.kastatic.org and *.kasandbox.org are unblocked.

Основно съдържание

Структура на плазмената мембрана

Модел на течната мозайка на плазмената мембрана. Протеинови, липидни и въглехидратни компоненти на мембраната.

Въведение

Всяка клетка в тялото ти е обградена с малко мехурче от мембрана. Мембраната има консистенция на олио за салата1. Първият път, когато прочетох този факт, не му повярвах особено много! Олиото за салата изглежда като много деликатна преграда между клетката и външния свят. За щастие се оказва, че плазмената мембрана е много добре пригодена за своята функция дори и да има текстура на салатено олио.
Каква точно е нейната работа? Плазмената мембрана не само определя границите на клетката, но ѝ позволява и контролирано взаимодействие с околната среда. Клетките трябва да могат да отказват, приемат и отделят различни вещества в точно определени количества. Освен това трябва да могат да комуникират с други клетки, да се идентифицират и да споделят информация.
За да изпълнява тези функции, плазмената мембрана се нуждае от липиди, които образуват полупропускилива мембрана между клетката и нейната среда. На мембраната ѝ трябват и белтъци, които участват в мембранния транспорт и клетъчната комуникация, трябват ѝ и въглехидрати (захари и захарни вериги), които допълват белтъците и липидите и помагат на клетките да се разпознават едни други.
Тук ще разгледаме по-подробно различните компоненти на плазмената мембрана, ще научим за техните роли и разнообразие, както и за това как те работят заедно, за да създадат гъвкавата, чувствителна и сигурна преграда на клетката.

Течностно-мозаечен модел на мембраната

Моделът за структурата на плазмената мембрана, приет днес, се нарича течностно-мозаичен и е предложен за пръв път през 1972 г. Този модел се е променял с времето, но все още дава добра основна представа за структурата и поведението на мембраните на много клетки.
Според течностно-мозаечния модел плазмената мембрана е мозайка от различни компоненти - основно фосфолипиди, холестерол и белтъци, които се движат свободно и плавно в равнината на мембраната. С други думи едно изображение на мембрана като това по-долу е просто кадър от динамичен процес, в който фосфолипидите и белтъците постоянно се разминават и движат едни спрямо други.
Интересно е, че благодарение на тази флуидност, ако вкараме много тънка игла в клетката, мембраната ще се разтвори около иглата, а щом извадим иглата, мембраната съвсем лесно ще се затвори отново.
Изображение модифицирано от ОупънСтакс Биология.
Основните компоненти на плазмената мембрана са липидите (фосфолипиди и холестерол), протеини и въглехидратни групи, които са прикрепени към някои от липидите и протеините.
  • Фосфолипидът е липид, изграден от глицерол, две опашки мастни киселини и фосфатна "глава". Биологичните мембрани обикновено са изградени от два фосфолипидни слоя, в които опашките сочат навътре – това нареждане се нарича фосфолипиден двуслой.
  • Холестеролът, друг липид, състоящ се от четири кондензирани въглеродни пръстена, се намира заедно с фосфолипидите в сърцевината на мембраната.
  • Мембранните протеини могат да се простират до средата на плазмената мембрана, да пресичат мембраната изцяло, или да са свободно прикрепени към вътрешната или външната ѝ страна.
  • Въглехидратните групи са налични само върху външната повърхност на плазмената мембрана и са прикрепени към протеини, така наречените гликопротеини, или към липиди, т.нар. гликолипиди.
Съотношението на протеини, липиди и въглехидрати в плазмената мембрана е различно за различните видове клетки. За една типична човешка клетка протеините съставляват около 50 процента от масата, липидите (от всички видове) възлизат на около 40 процента, а останалите 10 процента се падат на въглехидратите.

Фосфолипиди

Фосфолипидите, подредени в двоен слой, съставляват основната структура на плазмената мембрана. Те са добре пригодени за тази роля, тъй като са амфипатични, което означава, че имат и хидрофилни, и хидрофобни участъци.
Изображение: ОупънСтакс Биология.
Хидрофилната част от фосфолипида (тази, която харесва водата) е разположена в главата на фосфолипида и съдържа отрицателно заредена фосфатна група, както и допълнителна малка група, която може да бъде различен вид, затова е означена с “R“. Групата R също може да е заредена или полярна. Хидрофилните глави на фосфолипидите в мембраната сочат навън и са в контакт с течността във вътрешността на клетката и извън нея. Тъй като водата е полярна молекула, тя лесно образува електростатични взаимодействия (на основата за заряди) с главите на фосфолипидите.
Хидрофобната, или “страхуващата се от водата" част от фосфолипида, се състои от неговите дълги, неполярни опашки мастни киселини. Опашките мастни киселини могат лесно да взаимодействат с други неполярни молекули, но ​​взаимодействат слабо с вода. Поради това е енергийно по-благоприятно за фосфолипидите да "подвият" своите опашки мастни киселини далеч във вътрешността на мембраната, където те са защитени от заобикалящата вода. Фосфолипидният двоен слой, образуван от тези взаимодействия, създава добра бариера между вътрешността и външността на клетката, защото водата и други полярни или заредени вещества не могат лесно да преминат през хидрофобната сърцевина на мембраната.
Изображение: модификация на работа от ОупънСтакс Биология, първоначално от Мариана Руиз Вилареал.
Амфипатичната природа на фосфолипидите ги прави подходящи не само за изграждане на двойния слой на мембраната. Всъщност те могат спонтанно да образуват двоен слой при точните условия! Във вода или във воден разтвор фосфолипидите се подреждат така, че хидрофобните опашки са насочени една към друга, а хидрофилните глави сочат навън. Ако фосфолипидите имат малки опашки, те могат да образуват мицел (малка еднослойна сфера), но ако имат по-обемни опашки, фосфолипидите могат да формират липозома (сфера от два слоя фосфолипиди, с празнина в средата)2.

Протеини

Белтъците са вторият основен компонент на плазмените мембрани, Има две основни категории мембранни белтъци: интегрални и периферни.
Изображение, модифицирано от Оупънстакс, Биология, оригинално от Foobar/Wikimedia Commons.
Интегралните мембранни белтъци, както подсказва името им, са интегрирани в мембраната. Те имат поне един хидрофобен участък, чрез който се прикрепват към хидрофобната вътрешност на двойния фосфолипиден слой. Някои навлизат само в част от мембраната, докато други се простират от единия край на мембраната до другия и са в контакт с вътреклетъчната течност и с околната среда1. Белтъци, който преминават през целия двоен слой на мембраната, се наричат трансмембранни белтъци.
Частите от интегралния мембранен белтък, които се намират в мембраната, са хидрофобни, а тези, които са в контакт с цитоплазмата или с извънклетъчната течност, са хидрофилни. Трансмембранните белтъци могат да преминават през мембраната само веднъж, но могат да имат и до 12 различни участъци, които пронизват мембраната. Типичният сегмент, пронизващ мембраната, се състои от 20-25 хидрофобни аминокиселини, организирани в алфа-спирала. Но не всички трансмембранни белтъци съответстват на този модел. Някои интегрални мембранни белтъци образуват канал, който пропуска йони или други малки молекули да преминат през мембраната, както е показано по-долу.
_Изображение: "Компоненти и структура: Фигура 1," от колеж Оупънстакс, Биология (CC BY 3.0)._
Периферните мембранни белтъци се намират на външната или вътрешната повърхност на мембраната, закрепени за интегрални белтъци или за фосфолипиди. За разлика от интегралните мембранни белтъци, периферните мембранни белтъци не навлизат в хидрофобната вътрешност на мембраната и са по-слабо закрепени за мембраната.

Въглехидрати

Въглехидратите са третият основен компонент на плазмената мембрана. Най-често те се намират върху външната повърхност на клетките и са свързани с белтъци, с които формират гликопротеини, или с липиди, с които образуват гликолипиди. Тези въглехидратни вериги се състоят от 2-60 монозахаридни мономери и могат да бъдат прави или разклонени.
Заедно с мембранните белтъци въглехидратите формират отличителни клетъчни маркери, нещо като молекулярни лични карти, благодарение на които клетките се разпознават. Тези маркери са много важни за имунната система, защото позволяват на имунните клетки да различават собствените клетки на тялото, които не трябва да бъдат атакувани, от чуждите клетки или тъкани, които трябва да атакуват.

Течно състояние на мембраната

Структурата на опашките на фосфолипидите, изградени от мастни киселини, е важна за свойствата на мембраната и най-вече за това колко течна е тя.
Наситените мастни киселини нямата двойни връзки (те са наситени с водородни атоми), затова най-често те имат прави вериги. Ненаситените мастни киселини, от друга страна, съдържат една или повече двойни връзки, което често води до извивка във веригата. (Можеш да видиш пример за извита ненаситена опашка на диаграмата, показваща структурата на фосфолипидите в началото на тази статия.) Опашките на фосфолипидите, изградени от наситените и ненаситените мастни киселини, се държат различно при ниски температури:
  • При по-ниски температури правите опашки на наситените мастни киселини могат да се наредят близо една до друга, създавайки плътна и сравнително устойчива мембрана.
  • Фосфолипидите, които имат опашки, съдържащи ненаситени мастни киселини, не могат да се наредят толкова нагъсто заради извитата структура на опашките. По тази причина мембрана, която съдържа ненаситени фосфолипиди, ще остане течна и при по-ниски температури в сравнение с мембрана, изградена от наситени фосфолипиди.
Повечето клетъчни мембрани са изградени от микс от фосфолипиди, някои с две наситени (прави) опашки, други с една наситена и една ненаситена (извита) опашка. Много организми като рибите например, могат да се пригодят физиологично към среда с по-ниска температура като променят съотношението на ненаситени мастни киселини в мембраните си. За повече информация за наситените и ненаситените мастни киселини виж статията за липиди.
Освен фосфолипидите животните имат и допълнителен мембранен компонент, който поддържа течността на мембраната. Холестеролът е друг вид липид, който е вграден между фосфолипидите на мембраната. Той помага за намаляване на влиянието на температурата върху течността на мембраната.
Изображение: "Холестерол" от BorisTM (обществено достояние).
При ниски температура холестеролът увеличава течността на мембраната като пречи на фосфолипидите да се наредят много нагъсто. А при високи температури холестеролът намалява течността на мембраната3,4. По този начин холестеролът разширява диапазона от температури, в който мембраната запазва функционалното си и здравословно течно състояние.

Компонентите на плазмената мембрана

КомпонентРазположение
ФосфолипидиОсновна тъкан на мембраната
ХолестеролНамира се между хидрофобните опашки на мембранните фосфолипиди
Интегрални протеиниВградени във фосфолипидния двоен слой; могат да се или да не се простират и през двата слоя
Периферни протеиниНа вътрешната или външната повърхност на фосфолипидния двоен слой, но не вградени в неговата хидрофобна сърцевина
ВъглехидратиПрикрепени към протеини или липиди на извънклетъчната страна на мембраната (образувайки гликопротеини и гликолипиди)
Таблица, модифицирана от ОупънСтакс Биология.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.