Die Struktur der Membran einer tierischen Zelle. Funktionen, Bedeutung und Aufbau der Plasmamembran

Die Zellmembran (Plasmamembran) ist eine dünne, semipermeable Membran, die Zellen umgibt.

Funktion und Rolle der Zellmembran

Seine Funktion besteht darin, die Integrität des Inneren zu schützen, indem es einige lebenswichtige Substanzen in die Zelle lässt und andere daran hindert, einzudringen.

Es dient auch als Grundlage für die Bindung an einige Organismen und an andere. Somit gibt die Plasmamembran auch die Form der Zelle vor. Eine weitere Funktion der Membran besteht darin, das Zellwachstum durch Gleichgewicht und zu regulieren.

Bei der Endozytose werden durch die Aufnahme von Substanzen Lipide und Proteine aus der Zellmembran entfernt. Bei der Exozytose verschmelzen Vesikel, die Lipide und Proteine enthalten, mit der Zellmembran, wodurch die Zellgröße zunimmt. und Pilzzellen haben Plasmamembranen. Interne werden beispielsweise auch von Schutzmembranen umschlossen.

Zellmembranstruktur

Die Plasmamembran besteht hauptsächlich aus einer Mischung von Proteinen und Lipiden. Je nach Lage und Rolle der Membran im Körper können Lipide 20 bis 80 Prozent der Membran ausmachen, der Rest sind Proteine. Während Lipide dazu beitragen, die Membran flexibel zu machen, steuern und erhalten Proteine die Zellchemie und helfen beim Transport von Molekülen durch die Membran.

Membranlipide

Phospholipide sind der Hauptbestandteil von Plasmamembranen. Sie bilden eine Lipiddoppelschicht, in der sich die hydrophilen (wasserangezogenen) „Kopf“-Regionen spontan organisieren, um dem wässrigen Zytosol und der extrazellulären Flüssigkeit zu widerstehen, während die hydrophoben (wasserabweisenden) „Schwanz“-Regionen vom Zytosol und der extrazellulären Flüssigkeit abgewandt sind. Die Lipiddoppelschicht ist semipermeabel, sodass nur einige Moleküle durch die Membran diffundieren können.

Cholesterin ist ein weiterer Lipidbestandteil tierischer Zellmembranen. Cholesterinmoleküle werden selektiv zwischen Membranphospholipiden verteilt. Dies trägt dazu bei, die Zellmembranen steif zu halten, indem verhindert wird, dass Phospholipide zu dicht gepackt werden. Cholesterin fehlt in pflanzlichen Zellmembranen.

Glykolipide befinden sich auf der Außenfläche von Zellmembranen und sind über eine Kohlenhydratkette mit diesen verbunden. Sie helfen der Zelle, andere Zellen im Körper zu erkennen.

Membranproteine

Die Zellmembran enthält zwei Arten assoziierter Proteine. Periphere Membranproteine sind extern und durch Interaktion mit anderen Proteinen mit ihr verbunden. Integrale Membranproteine werden in die Membran eingeführt und passieren diese größtenteils. Auf beiden Seiten davon befinden sich Teile dieser Transmembranproteine.

Plasmamembranproteine haben verschiedene Funktionen. Strukturproteine geben den Zellen Halt und Form. Membranrezeptorproteine unterstützen Zellen bei der Kommunikation mit ihrer äußeren Umgebung durch den Einsatz von Hormonen, Neurotransmittern und anderen Signalmolekülen. Transportproteine, wie z. B. globuläre Proteine, transportieren Moleküle durch erleichterte Diffusion durch Zellmembranen. An Glykoproteine ist eine Kohlenhydratkette gebunden. Sie sind in die Zellmembran eingebettet und helfen beim Austausch und Transport von Molekülen.

Um die Prozesse zu verstehen, die die Existenz elektrischer Potentiale in lebenden Zellen gewährleisten, ist es zunächst notwendig, den Aufbau der Zellmembran und ihre Eigenschaften zu verstehen.

Derzeit genießt das von S. Singer und G. Nicholson 1972 vorgeschlagene Fluid-Mosaik-Modell der Membran die größte Anerkennung. in die Umwelt aquatische Umgebung(Abb. 2.9).

Membranproteine sind auf der Membranoberfläche lokalisiert oder können unterschiedlich tief in der hydrophoben Zone eingebettet sein. Einige Proteine durchdringen die Membran durch und durch, und auf beiden Seiten der Zellmembran befinden sich unterschiedliche hydrophile Gruppen desselben Proteins. Proteine, die in der Plasmamembran vorkommen, spielen eine große Rolle wichtige Rolle: Sie sind an der Bildung von Ionenkanälen beteiligt, fungieren als Membranpumpen und Träger verschiedener Stoffe und können auch eine Rezeptorfunktion ausüben.

Die Hauptfunktionen der Zellmembran: Barriere, Transport, Regulierung, Katalyse.

Die Barrierefunktion besteht darin, die Diffusion wasserlöslicher Verbindungen durch die Membran zu begrenzen, was notwendig ist, um Zellen vor fremden, toxischen Substanzen zu schützen und einen relativ konstanten Gehalt an verschiedenen Substanzen in den Zellen aufrechtzuerhalten. So kann die Zellmembran die Diffusion verschiedener Substanzen um das 100.000- bis 10.000.000-fache verlangsamen.

Reis. 2.9.

Gezeigt werden globuläre Integralproteine, die in eine Lipiddoppelschicht eingebettet sind. Einige Proteine sind Ionenkanäle, andere (Glykoproteine) enthalten Oligosaccharid-Seitenketten, die an der Zellerkennung untereinander und im Interzellulargewebe beteiligt sind. Cholesterinmoleküle grenzen eng an die Phospholipidköpfe an und fixieren die angrenzenden Bereiche der „Schwänze“. Die inneren Bereiche der Schwänze des Phospholipidmoleküls sind in ihrer Bewegung nicht eingeschränkt und für die Fluidität der Membran verantwortlich (Bretscher, 1985).

In der Membran befinden sich Kanäle, durch die Ionen eindringen. Kanäle sind potenzialabhängig und potenzialunabhängig. Potentialgesteuerte Kanäle offen, wenn sich die Potentialdifferenz ändert, und potenzialunabhängig(hormonreguliert) werden bei der Interaktion von Rezeptoren mit Substanzen geöffnet. Durch Tore können Kanäle geöffnet oder geschlossen werden. In die Membran sind zwei Arten von Toren eingebaut: Aktivierung(in der Tiefe des Kanals) und Inaktivierung(auf der Oberfläche des Kanals). Das Tor kann einen von drei Zuständen haben:

offener Zustand (beide Tortypen sind offen);
geschlossener Zustand (Aktivierungstor geschlossen);
Inaktivierungszustand (Inaktivierungstore sind geschlossen). Andere charakteristisches Merkmal Membranen ist die Fähigkeit, anorganische Ionen selektiv zu übertragen, Nährstoffe sowie verschiedene Stoffwechselprodukte. Es gibt Systeme zur passiven und aktiven Übertragung (Transport) von Stoffen. Passiv Der Transport erfolgt über Ionenkanäle mit oder ohne Hilfe von Trägerproteinen treibende Kraft ist der Unterschied der elektrochemischen Potentiale von Ionen zwischen dem intra- und extrazellulären Raum. Die Selektivität von Ionenkanälen wird durch ihre geometrischen Parameter und die chemische Natur der Gruppen bestimmt, die die Kanalwände und die Kanalmündung auskleiden.

Derzeit sind die Kanäle mit selektiver Permeabilität für Na + , K + , Ca 2+ -Ionen sowie für Wasser (die sogenannten Aquaporine) am besten untersucht. Der Durchmesser von Ionenkanälen beträgt verschiedenen Studien zufolge 0,5–0,7 nm. Der Durchsatz der Kanäle kann verändert werden; 10 7 - 10 8 Ionen pro Sekunde können einen Ionenkanal passieren.

Aktiv Der Transport erfolgt unter Energieaufwand und erfolgt durch sogenannte Ionenpumpen. Ionenpumpen sind molekulare Proteinstrukturen, die in eine Membran eingebettet sind und den Transfer von Ionen in Richtung eines höheren elektrochemischen Potentials durchführen.

Der Betrieb der Pumpen erfolgt aufgrund der Energie der ATP-Hydrolyse. Derzeit sind Na + /K + - ATPase, Ca 2+ - ATPase, H + - ATPase, H + /K + - ATPase, Mg 2+ - ATPase, die die Bewegung von Na +, K +, Ca 2+, H +, Mg 2+-Ionen isoliert oder konjugiert (Na + und K +; H + und K +) gewährleisten, gut untersucht. Der molekulare Mechanismus des aktiven Transports ist noch nicht vollständig aufgeklärt.

Universelle biologische Membran besteht aus einer Doppelschicht aus Phospholipidmolekülen mit einer Gesamtdicke von 6 Mikrometern. In diesem Fall sind die hydrophoben Schwänze der Phospholipidmoleküle nach innen gerichtet, einander zugewandt, und die polaren hydrophilen Köpfe sind nach außen von der Membran gerichtet, in Richtung Wasser. Lipide sorgen für die wichtigsten physikalisch-chemischen Eigenschaften von Membranen, insbesondere für deren Flüssigkeit bei Körpertemperatur. In dieser Lipiddoppelschicht sind Proteine eingebettet.

Sie sind unterteilt in Integral(die gesamte Lipiddoppelschicht durchdringen), halbintegral(dringen bis zur Hälfte der Lipiddoppelschicht ein) oder Oberfläche (befindet sich auf der inneren oder äußeren Oberfläche der Lipiddoppelschicht).

Gleichzeitig sind Proteinmoleküle mosaikartig in der Lipiddoppelschicht angeordnet und können aufgrund der Fluidität der Membranen wie Eisberge im „Lipidmeer“ „schwimmen“. Entsprechend ihrer Funktion können diese Proteine sein strukturell(eine bestimmte Struktur der Membran beibehalten), Rezeptor(zur Bildung von Rezeptoren für biologisch aktive Substanzen), Transport(Den Stofftransport durch die Membran durchführen) und enzymatisch(Bestimmte katalysieren chemische Reaktionen). Dies ist derzeit die bekannteste flüssiges Mosaikmodell Die biologische Membran wurde 1972 von Singer und Nikolson vorgeschlagen.

Membranen erfüllen in der Zelle eine abgrenzende Funktion. Sie unterteilen die Zelle in Kompartimente, Kompartimente, in denen Prozesse und chemische Reaktionen unabhängig voneinander ablaufen können. Beispielsweise sind die aggressiven hydrolytischen Enzyme der Lysosomen, die die meisten organischen Moleküle abbauen können, durch eine Membran vom Rest des Zytoplasmas getrennt. Im Falle seiner Zerstörung kommt es zur Selbstverdauung und zum Zelltod.

Da verschiedene biologische Zellmembranen einen gemeinsamen Strukturplan haben, unterscheiden sie sich in ihrer Struktur chemische Zusammensetzung, Organisation und Eigenschaften, abhängig von den Funktionen der Strukturen, die sie bilden.

Plasmamembran, Struktur, Funktionen.

Das Zytolemma ist die biologische Membran, die die Außenseite der Zelle umgibt. Dies ist die dickste (10 nm) und komplex organisierte Zellmembran. Es basiert auf einer universellen biologischen Membran, die außen abgedeckt ist Glykokalyx und von innen, von der Seite des Zytoplasmas, Submembranschicht(Abb.2-1B). Glykokalyx(3–4 nm dick) wird durch die äußeren Kohlenhydratabschnitte komplexer Proteine dargestellt – Glykoproteine und Glykolipide, aus denen die Membran besteht. Diese Kohlenhydratketten fungieren als Rezeptoren, die dafür sorgen, dass die Zelle benachbarte Zellen und Interzellularsubstanz erkennt und mit ihnen interagiert. Zu dieser Schicht gehören auch Oberflächen- und semiintegrale Proteine, deren funktionelle Stellen in der Supramembranzone liegen (z. B. Immunglobuline). Die Glykokalyx enthält Histokompatibilitätsrezeptoren, Rezeptoren für viele Hormone und Neurotransmitter.

Submembran, kortikale Schicht gebildet aus Mikrotubuli, Mikrofibrillen und kontraktilen Mikrofilamenten, die Teil des Zytoskeletts der Zelle sind. Die Submembranschicht behält die Form der Zelle bei, sorgt für ihre Elastizität und sorgt für Veränderungen an der Zelloberfläche. Dadurch ist die Zelle an Endo- und Exozytose, Sekretion und Bewegung beteiligt.

Zytolemma erfüllt ein Haufen Funktionen:

1) abgrenzend (das Zytolemma trennt, grenzt die Zelle von ihr ab Umfeld und stellt seine Verbindung mit der äußeren Umgebung her);

2) Erkennung anderer Zellen durch diese Zelle und Bindung an sie;

3) Erkennung der interzellulären Substanz durch die Zelle und Bindung an ihre Elemente (Fasern, Basalmembran);

4) Transport von Substanzen und Partikeln in das und aus dem Zytoplasma;

5) Interaktion mit Signalmolekülen (Hormone, Mediatoren, Zytokine) aufgrund des Vorhandenseins spezifischer Rezeptoren für sie auf ihrer Oberfläche;

sorgt für Zellbewegung (Bildung von Pseudopodien) aufgrund der Verbindung des Zytolemmas mit den kontraktilen Elementen des Zytoskeletts.

Das Zytolemma enthält zahlreiche Rezeptoren, durch die biologisch aktive Substanzen ( Liganden, Signalmoleküle, erste Botenstoffe: Hormone, Mediatoren, Wachstumsfaktoren) wirken auf die Zelle. Rezeptoren sind genetisch bedingte makromolekulare Sensoren (Proteine, Glyko- und Lipoproteine), die in das Zytolemma eingebaut oder innerhalb der Zelle lokalisiert sind und auf die Wahrnehmung spezifischer Signale chemischer oder physikalischer Natur spezialisiert sind. Biologisch aktive Substanzen verursachen bei der Interaktion mit dem Rezeptor eine Kaskade biochemischer Veränderungen in der Zelle, die sich in eine spezifische physiologische Reaktion (Änderung der Zellfunktion) umwandeln.

Alle Rezeptoren haben einen gemeinsamen Strukturplan und bestehen aus drei Teilen: 1) Supramembran, die mit einer Substanz (Ligand) interagiert; 2) intramembranös, führt die Signalübertragung durch und 3) intrazellulär, eingetaucht in das Zytoplasma.

Arten von interzellulären Kontakten.

Das Zytolemma ist auch an der Bildung spezieller Strukturen beteiligt - interzelluläre Verbindungen, Kontakte, die eine enge Interaktion zwischen benachbarten Zellen ermöglichen. Unterscheiden einfach Und Komplex interzelluläre Verbindungen. IN einfach An interzellulären Übergängen nähern sich die Zytolemmen der Zellen in einem Abstand von 15–20 nm aneinander und die Moleküle ihrer Glykokalyx interagieren miteinander (Abb. 2–3). Manchmal dringt der Vorsprung des Zytolemmas einer Zelle in die Vertiefung der Nachbarzelle ein und bildet gezackte und fingerartige Verbindungen (Verbindungen „wie ein Schloss“).

Komplex Es gibt verschiedene Arten von interzellulären Verbindungen: verriegeln, befestigen Und Kommunikation(Abb. 2-3). ZU Verriegelung Verbindungen umfassen enger Kontakt oder Sperrzone. Gleichzeitig bilden die integralen Proteine der Glykokalyx benachbarter Zellen in ihren apikalen Teilen eine Art Maschennetz entlang des Umfangs benachbarter Epithelzellen. Dadurch werden interzelluläre Lücken verschlossen und von der äußeren Umgebung abgegrenzt (Abb. 2-3).

Reis. 2-3. Verschiedene Arten interzellulärer Verbindungen.

Einfache Verbindung.
Enge Verbindung.
Klebeband.
Desmosom.
Hemidesmosom.
Geschlitzter (Kommunikations-)Anschluss.
Mikrovilli.

(Laut Yu. I. Afanasiev, N. A. Yurina).

ZU Verlinkung, Verankerungsmassen umfassen Klebstoff Gürtel Und Desmosomen. Klebeband befindet sich um die apikalen Teile der Zellen eines einschichtigen Epithels. In dieser Zone interagieren die integralen Glykokalyx-Glykoproteine benachbarter Zellen miteinander, und Submembranproteine, einschließlich Bündel von Aktin-Mikrofilamenten, nähern sich ihnen aus dem Zytoplasma. Desmosomen (Haftflecken)– paarige Strukturen mit einer Größe von etwa 0,5 µm. In ihnen interagieren die Glykoproteine des Zytolemmas benachbarter Zellen eng, und von der Seite der Zellen in diesen Bereichen werden Bündel von Zwischenfilamenten des Zellzytoskeletts in das Zytolemma eingewebt (Abb. 2-3).

ZU Kommunikationsverbindungen verweisen Gap Junctions (Nexus) und Synapsen. Nexus haben eine Größe von 0,5-3 Mikrometern. In ihnen laufen die Zytolemmen benachbarter Zellen bis zu 2-3 nm zusammen und verfügen über zahlreiche Ionenkanäle. Durch sie können Ionen von einer Zelle zur anderen gelangen und so beispielsweise Erregungen zwischen Myokardzellen übertragen. Synapsen sind charakteristisch für das Nervengewebe und kommen zwischen Nervenzellen sowie zwischen Nerven- und Effektorzellen (Muskel, Drüse) vor. Sie haben einen synaptischen Spalt, in dem beim Übergang eines Nervenimpulses vom präsynaptischen Teil der Synapse ein Neurotransmitter freigesetzt wird, der einen Nervenimpuls an eine andere Zelle überträgt (weitere Einzelheiten finden Sie im Kapitel „Nervengewebe“).

Die Zellmembran, auch Plasmalemma, Zytolemma oder Plasmamembran genannt, ist eine molekulare Struktur, die von Natur aus elastisch ist und aus verschiedenen Proteinen und Lipiden besteht. Es trennt den Inhalt jeder Zelle von der äußeren Umgebung, reguliert dadurch deren Schutzeigenschaften und sorgt außerdem für einen Austausch zwischen der äußeren Umgebung und dem direkt inneren Inhalt der Zelle.

Plasma Membran

Das Plasmalemma ist ein Septum, das sich im Inneren direkt hinter der Schale befindet. Es unterteilt die Zelle in bestimmte Kompartimente, die auf Kompartimente oder Organellen gerichtet sind. Sie enthalten spezielle Umweltbedingungen. Zellenwand bedeckt die gesamte Zellmembran vollständig. Es sieht aus wie eine Doppelschicht aus Molekülen.

Grundinformation

Die Zusammensetzung des Plasmalemmas besteht aus Phospholipiden oder, wie sie auch genannt werden, komplexen Lipiden. Phospholipide bestehen aus mehreren Teilen: einem Schwanz und einem Kopf. Experten bezeichnen hydrophobe und hydrophile Teile: je nach Struktur einer tierischen oder pflanzlichen Zelle. Die Abschnitte, die als Kopf bezeichnet werden, zeigen zur Innenseite der Zelle und die Schwänze zeigen zur Außenseite. Plasmalemme sind in ihrer Struktur unveränderlich und ähneln sich sehr verschiedene Organismen; Die häufigste Ausnahme dürften Archaeen sein, bei denen die Trennwände aus verschiedenen Alkoholen und Glycerin bestehen.

Plasmalemma-Dicke ca. 10 nm.

Es gibt Trennwände, die sich außen oder außerhalb des an die Membran angrenzenden Teils befinden – sie werden oberflächlich genannt. Einige Proteinarten können eine Art Kontaktstelle für die Zellmembran und -hülle sein. Im Inneren der Zelle befinden sich das Zytoskelett und die Außenwand. Bestimmte Typen Integrale Proteine können als Kanäle in Ionentransportrezeptoren (parallel zu Nervenenden) verwendet werden.

Bei Verwendung Elektronenmikroskop Dann können Sie Daten erhalten, auf deren Grundlage Sie ein Diagramm der Struktur aller Teile der Zelle sowie der Hauptkomponenten und Schalen erstellen können. Der obere Apparat wird aus drei Subsystemen bestehen:

komplexer Supramembraneinschluss;
der Muskel-Skelett-Apparat des Zytoplasmas, der einen Submembranteil haben wird.

Dieser Apparat kann dem Zytoskelett der Zelle zugeschrieben werden. Das Zytoplasma mit Organellen und dem Zellkern wird als Kernapparat bezeichnet. Unter der Zellmembran befindet sich die Zytoplasma- oder mit anderen Worten die Plasmazellmembran.

Das Wort „Membran“ kommt vom lateinischen Wort membrum, das mit „Haut“ oder „Hülle“ übersetzt werden kann. Der Begriff wurde vor mehr als 200 Jahren vorgeschlagen und häufiger als Zellränder bezeichnet. Zu der Zeit, als die Verwendung verschiedener elektronischer Geräte begann, wurde jedoch festgestellt, dass Plasmazytolemmas viele verschiedene Elemente der Membran bilden.

Elemente sind meistens strukturell, wie zum Beispiel:

Mitochondrien;
Lysosomen;
Plastiden;
Partitionen.

Eine der ersten Hypothesen zur molekularen Zusammensetzung des Plasmalemmas wurde 1940 von einem wissenschaftlichen Institut in Großbritannien aufgestellt. Bereits 1960 stellte William Roberts der Welt die Hypothese „Über die Elementarmembran“ vor. Sie ging davon aus, dass alle Plasmamembranen einer Zelle aus bestimmten Teilen bestehen, tatsächlich werden sie nach einem allgemeinen Prinzip für alle Organismenreiche gebildet.

In den frühen siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts wurden zahlreiche Daten entdeckt, auf deren Grundlage Wissenschaftler aus Australien 1972 ein neues Mosaik-Flüssigkeits-Modell der Zellstruktur vorschlugen.

Die Struktur der Plasmamembran

Das Modell von 1972 ist bis heute allgemein anerkannt. Das ist in moderne Wissenschaft Verschiedene mit der Schale arbeitende Wissenschaftler stützen sich auf die theoretische Arbeit „Die Struktur der biologischen Membran des Fluid-Mosaik-Modells“.

Proteinmoleküle sind mit der Lipiddoppelschicht verbunden und durchdringen die gesamte Membran vollständig – integrale Proteine (einer der gebräuchlichen Namen ist Transmembranproteine).

Die Hülle in der Zusammensetzung enthält verschiedene Kohlenhydratkomponenten, die wie ein Polysaccharid oder eine Saccharidkette aussehen. Die Kette wiederum wird durch Lipide und Proteine verbunden. Ketten, die durch Proteinmoleküle verbunden sind, werden Glykoproteine genannt, und Lipidmoleküle werden Glykoside genannt. Kohlenhydrate befinden sich auf der Außenseite der Membran und wirken in tierischen Zellen als Rezeptoren.

Glykoprotein – sind ein Komplex supramembranärer Funktionen. Es wird auch Glykokalyx genannt (von den griechischen Wörtern glik und kalyx, was „süß“ und „Becher“ bedeutet). Der Komplex fördert die Zelladhäsion.

Funktionen der Plasmamembran

Barriere

Hilft dabei, die inneren Bestandteile der Zellmasse von den äußeren Substanzen zu trennen. Schützt den Körper vor dem Eindringen verschiedener ihm fremder Substanzen und trägt zur Aufrechterhaltung des intrazellulären Gleichgewichts bei.

Transport

Die Zelle verfügt über einen eigenen „passiven Transport“ und nutzt diesen zur Reduzierung des Energieverbrauchs. Die Transportfunktion funktioniert in folgenden Prozessen:

Endozytose;
Exozytose;
Natrium- und Kaliumstoffwechsel.

Auf der Außenseite der Membran befindet sich ein Rezeptor, an dessen Stelle die Vermischung von Hormonen und verschiedenen regulatorischen Molekülen stattfindet.

Passiver Transport Ein Prozess, bei dem ein Stoff ohne Energieaufwand eine Membran passiert. Mit anderen Worten: Die Substanz wird von einem Bereich der Zelle mit hoher Konzentration zu der Seite transportiert, wo die Konzentration niedriger ist.

Es gibt zwei Arten:

einfache Diffusion- in kleinen neutralen Molekülen H2O, CO2 und O2 und einigen hydrophoben organischen Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht inhärent und passieren dementsprechend Membranphospholipide problemlos. Diese Moleküle können die Membran durchdringen, bis der Konzentrationsgradient stabil und unverändert ist.
Erleichterte Diffusion- charakteristisch für verschiedene Moleküle des hydrophilen Typs. Sie können auch einem Konzentrationsgradienten folgend die Membran passieren. Der Prozess wird jedoch mit Hilfe verschiedener Proteine durchgeführt, die in der Membran spezifische Kanäle für ionische Verbindungen bilden.

aktiven Transport- Dies ist die Bewegung verschiedener Komponenten durch die Membranwand im Gegensatz zu einem Gradienten. Eine solche Übertragung erfordert einen erheblichen Aufwand an Energieressourcen in der Zelle. Meistens ist der aktive Verkehr die Hauptquelle des Energieverbrauchs.

Es gibt mehrere Sorten aktiver Transport unter Beteiligung von Trägerproteinen:

Natrium-Kalium-Pumpe. Beschaffung der notwendigen Mineralien und Spurenelemente durch die Zelle.
Endozytose- ein Prozess, bei dem die Zelle feste Partikel (Phagozytose) oder verschiedene Tropfen einer Flüssigkeit (Pinozytose) einfängt.
Exozytose- der Prozess, durch den bestimmte Partikel aus der Zelle an die äußere Umgebung abgegeben werden. Der Prozess ist ein Gegengewicht zur Endozytose.

Der Begriff „Endozytose“ kommt von den griechischen Wörtern „enda“ (von innen) und „ketosis“ (Becher, Gefäß). Der Prozess charakterisiert die Aufnahme der äußeren Zusammensetzung durch die Zelle und wird bei der Produktion von Membranvesikeln durchgeführt. Dieser Begriff wurde 1965 vom belgischen Zytologieprofessor Christian Bales vorgeschlagen, der die Aufnahme verschiedener Substanzen durch Säugetierzellen sowie Phagozytose und Pinozytose untersuchte.

Phagozytose

Tritt auf, wenn eine Zelle bestimmte feste Partikel oder lebende Zellen einfängt. Und Pinozytose ist ein Prozess, bei dem Flüssigkeitströpfchen von der Zelle eingefangen werden. Phagozytose (von den griechischen Wörtern für „Verschlinger“ und „Gefäß“) ist der Prozess, bei dem sehr kleine Objekte von Wildtieren sowie feste Teile verschiedener einzelliger Organismen gefangen und verzehrt werden.

Die Entdeckung des Prozesses gehört einem Physiologen aus Russland – Wjatscheslaw Iwanowitsch Mechnikow, der den Prozess direkt bestimmte, indem er verschiedene Tests mit Seesternen und winzigen Daphnien durchführte.

Die Ernährung einzelliger heterotropher Organismen basiert auf ihrer Fähigkeit, verschiedene Partikel zu verdauen und einzufangen.

Mechnikov beschrieb den Algorithmus zur Aufnahme von Bakterien durch eine Amöbe und das allgemeine Prinzip der Phagozytose:

Adhäsion – Adhäsion von Bakterien an der Zellmembran;
Absorption;
die Bildung eines Vesikels mit einer Bakterienzelle;
Blasenbildung der Blase.

Auf dieser Grundlage besteht der Prozess der Phagozytose aus folgenden Phasen:

Das absorbierte Partikel wird an der Membran befestigt.
Umgeben des absorbierten Partikels durch die Membran.
Die Bildung eines Membranvesikels (Phagosom).
Ablösung eines Membranvesikels (Phagosom) in das Zellinnere.
Assoziation von Phagosom und Lysosom (Verdauung) sowie interne Bewegung von Partikeln.

Es kann eine vollständige oder teilweise Verdauung beobachtet werden.

Bei einer teilweisen Verdauung entsteht meist ein Restkörper, der einige Zeit in der Zelle verbleibt. Die nicht verdauten Reste werden der Zelle durch Exozytose entzogen (evakuiert). Im Laufe der Evolution trennte sich diese phagozytische Neigungsfunktion allmählich und wanderte von verschiedenen einzelligen Zellen zu spezialisierten Zellen (z. B. Verdauungszellen bei Hohltieren und Schwämmen) und dann zu speziellen Zellen bei Säugetieren und Menschen.

Lymphozyten und Leukozyten im Blut sind für die Phagozytose prädisponiert. Der Prozess der Phagozytose selbst erfordert einen hohen Energieaufwand und ist direkt mit der Aktivität der äußeren Zellmembran und des Lysosoms verbunden, die Verdauungsenzyme enthalten.

Pinozytose

Pinozytose ist das Einfangen einer Flüssigkeit durch die Oberfläche einer Zelle verschiedene Substanzen. Die Entdeckung des Phänomens der Pinozytose gehört dem Wissenschaftler Fitzgerald Lewis. Dieses Ereignis fand im Jahr 1932 statt.

Pinozytose ist einer der Hauptmechanismen, durch die makromolekulare Verbindungen in die Zelle gelangen, beispielsweise verschiedene Glykoproteine oder lösliche Proteine. Pinozytotische Aktivität wiederum ist ohne sie nicht möglich physiologischer Zustand Zellen und hängt von seiner Zusammensetzung und der Zusammensetzung der Umgebung ab. Die aktivste Pinozytose können wir bei Amöben beobachten.

Beim Menschen wird Pinozytose in Darmzellen, in Gefäßen, Nierentubuli und auch in wachsenden Eizellen beobachtet. Um den Prozess der Pinozytose darzustellen, der mit Hilfe menschlicher Leukozyten durchgeführt wird, kann eine Vorwölbung der Plasmamembran vorgenommen werden. In diesem Fall werden die Teile geschnürt und getrennt. Der Prozess der Pinozytose erfordert den Energieaufwand.

Schritte im Prozess der Pinozytose:

Auf dem äußeren Zellplasmalemma bilden sich dünne Auswüchse, die die Flüssigkeitstropfen umgeben.
Dieser Abschnitt der Außenhülle wird dünner.
Bildung eines membranösen Vesikels.
Die Mauer durchbricht (scheitert).
Das Vesikel wandert im Zytoplasma und kann mit verschiedenen Vesikeln und Organellen verschmelzen.

Exozytose

Der Begriff kommt von den griechischen Wörtern „exo“ – extern, extern und „cytosis“ – ein Gefäß, eine Schüssel. Der Prozess besteht in der Freisetzung bestimmter Partikel durch den Zellteil in die äußere Umgebung. Der Prozess der Exozytose ist das Gegenteil der Pinozytose.

Bei der Ökozytose verlassen Bläschen intrazellulärer Flüssigkeit die Zelle und gelangen zur äußeren Membran der Zelle. Der Inhalt der Vesikel kann nach außen abgegeben werden und die Zellmembran verschmilzt mit der Hülle der Vesikel. Somit entstehen die meisten makromolekularen Verbindungen auf diese Weise.

Exozytose erfüllt eine Reihe von Aufgaben:

Abgabe von Molekülen an die äußere Zellmembran;
Transport von Substanzen durch die Zelle, die für das Wachstum und eine Vergrößerung der Membranfläche benötigt werden, beispielsweise bestimmte Proteine oder Phospholipide;
Lösen oder Verbinden verschiedener Teile;
Ausscheidung schädlicher und toxischer Produkte, die beim Stoffwechsel entstehen, beispielsweise Salzsäure, die von den Zellen der Magenschleimhaut abgesondert wird;
Transport von Pepsinogen sowie von Signalmolekülen, Hormonen oder Neurotransmittern.

Spezifische Funktionen biologischer Membranen:

Erzeugung eines Impulses, der auf Nervenebene innerhalb der Neuronenmembran auftritt;
Synthese von Polypeptiden sowie Lipiden und Kohlenhydraten des rauen und glatten Netzwerks des endoplasmatischen Retikulums;
Veränderung der Lichtenergie und ihre Umwandlung in chemische Energie.

Video

In unserem Video erfahren Sie viel Interessantes und Nützliches über den Aufbau der Zelle.

Das Studium der Struktur von Organismen sowie von Pflanzen, Tieren und Menschen ist der Zweig der Biologie, der Zytologie genannt wird. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass der Inhalt der darin befindlichen Zelle recht komplex ist. Es ist vom sogenannten Oberflächenapparat umgeben, der die äußere Zellmembran und supramembranäre Strukturen umfasst: Glykokalyx und Mikrofilamente, Häutchen und Mikrotubuli, die seinen Submembrankomplex bilden.

In diesem Artikel untersuchen wir die Struktur und Funktionen der äußeren Zellmembran, die Teil des Oberflächenapparats verschiedener Zelltypen ist.

Welche Funktionen hat die äußere Zellmembran?

Wie bereits beschrieben, ist die äußere Membran Teil des Oberflächenapparats jeder Zelle, der ihren inneren Inhalt erfolgreich trennt und die Zellorganellen davor schützt widrige Bedingungen Außenumgebung. Eine weitere Funktion besteht darin, den Stoffaustausch zwischen dem Zellinhalt und der Gewebeflüssigkeit sicherzustellen. Daher transportiert die äußere Zellmembran Moleküle und Ionen, die in das Zytoplasma gelangen, und hilft auch, Giftstoffe und Überschüsse zu entfernen giftige Substanzen aus der Zelle.

Die Struktur der Zellmembran

Membranen oder Plasmalemmas verschiedener Zelltypen unterscheiden sich stark voneinander. Hauptsächlich die chemische Struktur sowie der relative Gehalt an Lipiden, Glykoproteinen, Proteinen in ihnen und dementsprechend die Art der Rezeptoren in ihnen. Das Äußerliche, das in erster Linie durch die individuelle Zusammensetzung der Glykoproteine bestimmt wird, ist an der Erkennung von Umweltreizen und an den Reaktionen der Zelle selbst auf deren Handlungen beteiligt. Einige Arten von Viren können mit Proteinen und Glykolipiden von Zellmembranen interagieren und dadurch in die Zelle eindringen. Herpes- und Influenzaviren können zum Aufbau ihrer Schutzhülle dienen.

Und Viren und Bakterien, die sogenannten Bakteriophagen, heften sich an die Zellmembran und lösen diese an der Kontaktstelle mit Hilfe eines speziellen Enzyms auf. Dann dringt ein Molekül viraler DNA in das entstandene Loch ein.

Merkmale der Struktur der Plasmamembran von Eukaryoten

Denken Sie daran, dass die äußere Zellmembran die Transportfunktion übernimmt, also die Übertragung von Stoffen in die äußere Umgebung und aus ihr heraus. Um einen solchen Prozess durchzuführen, ist eine spezielle Struktur erforderlich. Tatsächlich ist das Plasmalemma ein konstantes, universelles System des Oberflächenapparats für alle. Dabei handelt es sich um einen dünnen (2–10 Nm), aber ziemlich dichten Mehrschichtfilm, der die gesamte Zelle bedeckt. Seine Struktur wurde 1972 von Wissenschaftlern wie D. Singer und G. Nicholson untersucht und sie erstellten auch ein Flüssigkeitsmosaikmodell der Zellmembran.

Die wichtigsten chemischen Verbindungen, aus denen es besteht, sind geordnete Proteinmoleküle und bestimmte Phospholipide, die in einer flüssigen Lipidumgebung verstreut sind und einem Mosaik ähneln. Somit besteht die Zellmembran aus zwei Lipidschichten, deren unpolare hydrophobe „Schwänze“ sich innerhalb der Membran befinden und deren polare hydrophile Köpfe dem Zytoplasma der Zelle und der Interzellularflüssigkeit zugewandt sind.

Die Lipidschicht wird von großen Proteinmolekülen durchdrungen, die hydrophile Poren bilden. Durch sie werden wässrige Lösungen von Glucose und Mineralsalzen transportiert. Einige Proteinmoleküle befinden sich sowohl auf der Außen- als auch auf der Innenfläche des Plasmalemmas. So sind an der äußeren Zellmembran in den Zellen aller kernhaltigen Organismen Kohlenhydratmoleküle gebunden kovalente Bindungen mit Glykolipiden und Glykoproteinen. Der Kohlenhydratgehalt in Zellmembranen liegt zwischen 2 und 10 %.

Die Struktur des Plasmalemmas prokaryotischer Organismen

Die äußere Zellmembran in Prokaryoten erfüllt ähnliche Funktionen wie die Plasmamembranen von Zellen von Kernorganismen, nämlich: die Wahrnehmung und Übertragung von Informationen aus der äußeren Umgebung, den Transport von Ionen und Lösungen in die Zelle hinein und aus ihr heraus und den Schutz des Zytoplasmas vor Fremdreagenzien von außen. Es kann Mesosomen bilden – Strukturen, die entstehen, wenn das Plasmalemma in die Zelle hineinragt. Sie können Enzyme enthalten, die an Stoffwechselreaktionen von Prokaryoten beteiligt sind, beispielsweise an der DNA-Replikation und der Proteinsynthese.

Mesosomen enthalten auch Redoxenzyme, während Photosynthese-Enzyme Bakteriochlorophyll (in Bakterien) und Phycobilin (in Cyanobakterien) enthalten.

Die Rolle der Außenmembranen bei interzellulären Kontakten

Um weiterhin die Frage zu beantworten, welche Funktionen die äußere Zellmembran erfüllt, wollen wir uns mit ihrer Rolle in Pflanzenzellen befassen. In Pflanzenzellen bilden sich Poren in den Wänden der äußeren Zellmembran, die in die Zelluloseschicht übergehen. Durch sie ist der Austritt des Zytoplasmas der Zelle nach außen möglich; solche dünnen Kanäle werden Plasmodesmen genannt.

Dank ihnen ist die Verbindung zwischen benachbarten Pflanzenzellen sehr stark. In menschlichen und tierischen Zellen werden die Kontaktstellen zwischen benachbarten Zellmembranen Desmosomen genannt. Sie sind charakteristisch für Endothel- und Epithelzellen und kommen auch in Kardiomyozyten vor.

Hilfsformationen des Plasmalemmas

Verstehen Sie, was anders ist Pflanzenzellen Bei Tieren hilft es, die Strukturmerkmale ihrer Plasmamembranen zu untersuchen, die davon abhängen, welche Funktionen die äußere Zellmembran erfüllt. Darüber befindet sich in tierischen Zellen eine Glykokalyxschicht. Es wird durch Polysaccharidmoleküle gebildet, die mit Proteinen und Lipiden der äußeren Zellmembran verbunden sind. Dank der Glykokalyx kommt es zu einer Adhäsion (Verklebung) zwischen Zellen, die zur Bildung von Gewebe führt. Daher ist sie an der Signalfunktion des Plasmalemmas beteiligt – der Erkennung von Umweltreizen.

Wie erfolgt der passive Transport bestimmter Stoffe durch Zellmembranen?

Wie bereits erwähnt, ist die äußere Zellmembran am Prozess des Stofftransports zwischen der Zelle und der äußeren Umgebung beteiligt. Es gibt zwei Arten des Transports durch das Plasmalemma: passiven (Diffusion) und aktiven Transport. Die erste umfasst Diffusion, erleichterte Diffusion und Osmose. Die Bewegung von Stoffen entlang des Konzentrationsgradienten hängt in erster Linie von der Masse und Größe der Moleküle ab, die die Zellmembran passieren. Beispielsweise lösen sich kleine unpolare Moleküle leicht in der mittleren Lipidschicht des Plasmalemmas, bewegen sich durch diese hindurch und landen im Zytoplasma.

große Moleküle organische Substanz dringen mit Hilfe spezieller Trägerproteine in das Zytoplasma ein. Sie sind artspezifisch und transportieren sie in Kombination mit einem Partikel oder Ion passiv entlang eines Konzentrationsgradienten durch die Membran (passiver Transport), ohne Energie aufzuwenden. Dieser Prozess liegt einer Eigenschaft des Plasmalemmas wie der selektiven Permeabilität zugrunde. Energie im Gange ATP-Moleküle wird nicht genutzt und von der Zelle für andere Stoffwechselreaktionen gespeichert.

Aktiver Transport chemischer Verbindungen durch das Plasmalemma

Da die äußere Zellmembran den Transfer von Molekülen und Ionen aus der äußeren Umgebung in die Zelle und zurück gewährleistet, wird es möglich, die Dissimilationsprodukte, bei denen es sich um Giftstoffe handelt, nach außen, also in die Interzellularflüssigkeit, abzutransportieren. erfolgt gegen einen Konzentrationsgradienten und erfordert den Einsatz von Energie in Form von ATP-Molekülen. Dabei handelt es sich auch um Trägerproteine, sogenannte ATPasen, die ebenfalls Enzyme sind.

Ein Beispiel für einen solchen Transport ist die Natrium-Kalium-Pumpe (Natriumionen gelangen vom Zytoplasma in die äußere Umgebung und Kaliumionen werden in das Zytoplasma gepumpt). Die Epithelzellen des Darms und der Nieren sind dazu in der Lage. Varianten dieser Übertragungsmethode sind die Prozesse der Pinozytose und der Phagozytose. Nach der Untersuchung der Funktionen der äußeren Zellmembran kann somit festgestellt werden, dass heterotrophe Protisten sowie Zellen höherer tierischer Organismen, beispielsweise Leukozyten, zur Pino- und Phagozytose fähig sind.

Bioelektrische Prozesse in Zellmembranen

Es wurde festgestellt, dass zwischen der Außenfläche des Plasmalemmas (sie ist positiv geladen) und der Parietalschicht des Zytoplasmas, die negativ geladen ist, ein Potentialunterschied besteht. Es wurde Ruhepotential genannt und ist allen lebenden Zellen innewohnend. Und das Nervengewebe verfügt nicht nur über ein Ruhepotential, sondern ist auch in der Lage, schwache Bioströme zu leiten, was als Erregungsprozess bezeichnet wird. Die äußeren Membranen von Nervenzellen-Neuronen, die von Rezeptoren gereizt werden, beginnen ihre Ladung zu ändern: Natriumionen dringen massiv in die Zelle ein und die Oberfläche des Plasmalemmas wird elektronegativ. Und die Parietalschicht des Zytoplasmas erhält aufgrund eines Überschusses an Kationen positive Ladung. Dies erklärt, warum die äußere Zellmembran des Neurons neu aufgeladen wird, was eine Reizleitung bewirkt. Nervenimpulse dem Erregungsprozess zugrunde liegen.