Membrana externa. Membrana celular. Estrutura da membrana celular

A grande maioria dos organismos que vivem na Terra consiste em células que são muito semelhantes em sua composição química, estrutura e funções vitais. O metabolismo e a conversão de energia ocorrem em todas as células. A divisão celular é a base dos processos de crescimento e reprodução dos organismos. Assim, a célula é uma unidade de estrutura, desenvolvimento e reprodução dos organismos.

Uma célula só pode existir como um sistema integral, indivisível em partes. A integridade celular é garantida por membranas biológicas. Uma célula é um elemento de um sistema de categoria superior - um organismo. Partes celulares e organelas, constituídas por moléculas complexas, representam sistemas integrais de categoria inferior.

A célula é um sistema aberto conectado ao meio ambiente pela troca de substâncias e energia. É um sistema funcional no qual cada molécula desempenha funções específicas. A célula tem estabilidade, capacidade de autorregulação e autorreprodução.

A célula é um sistema autônomo. O sistema genético de controle de uma célula é representado por macromoléculas complexas - ácidos nucléicos (DNA e RNA).

Em 1838-1839 Os biólogos alemães M. Schleiden e T. Schwann resumiram o conhecimento sobre a célula e formularam a posição principal da teoria celular, cuja essência é que todos os organismos, tanto vegetais quanto animais, consistem em células.

Em 1859, R. Virchow descreveu o processo de divisão celular e formulou uma das disposições mais importantes da teoria celular: “Cada célula vem de outra célula”. Novas células são formadas como resultado da divisão da célula-mãe, e não de uma substância não celular, como se pensava anteriormente.

A descoberta de ovos de mamíferos pelo cientista russo K. Baer em 1826 levou à conclusão de que a célula está na base do desenvolvimento de organismos multicelulares.

A teoria celular moderna inclui as seguintes disposições:

1) célula - unidade de estrutura e desenvolvimento de todos os organismos;

2) células de organismos de diferentes reinos da natureza viva são semelhantes em estrutura, composição química, metabolismo e manifestações básicas da atividade vital;

3) novas células são formadas como resultado da divisão da célula-mãe;

4) em um organismo multicelular, as células formam tecidos;

5) os órgãos são constituídos por tecidos.

Com a introdução de métodos modernos de pesquisa biológica, física e química na biologia, tornou-se possível estudar a estrutura e o funcionamento de vários componentes da célula. Um dos métodos para estudar células é microscopia. Um microscópio óptico moderno amplia objetos 3.000 vezes e permite ver as maiores organelas celulares, observar o movimento do citoplasma e a divisão celular.

Inventado na década de 40. Século XX Um microscópio eletrônico fornece ampliação de dezenas e centenas de milhares de vezes. Um microscópio eletrônico usa um fluxo de elétrons em vez de luz e campos eletromagnéticos em vez de lentes. Portanto, um microscópio eletrônico produz imagens nítidas com ampliações muito maiores. Usando esse microscópio, foi possível estudar a estrutura das organelas celulares.

A estrutura e composição das organelas celulares são estudadas pelo método centrifugação. Tecidos picados com membranas celulares destruídas são colocados em tubos de ensaio e girados em uma centrífuga em alta velocidade. O método baseia-se no fato de que diferentes organoides celulares têm massa e densidade diferentes. Organelas mais densas são depositadas em um tubo de ensaio em baixas velocidades de centrifugação, menos densas - em altas velocidades. Essas camadas são estudadas separadamente.

Amplamente utilizado método de cultura de células e tecidos, que consiste no fato de que a partir de uma ou mais células em um meio nutriente especial pode-se obter um grupo do mesmo tipo de células animais ou vegetais e até fazer crescer uma planta inteira. Usando este método, você pode obter uma resposta à questão de como vários tecidos e órgãos do corpo são formados a partir de uma célula.

Os princípios básicos da teoria celular foram formulados pela primeira vez por M. Schleiden e T. Schwann. Uma célula é uma unidade de estrutura, atividade vital, reprodução e desenvolvimento de todos os organismos vivos. Para estudar células, são utilizados métodos de microscopia, centrifugação, cultura de células e tecidos, etc.

As células de fungos, plantas e animais têm muito em comum não só na composição química, mas também na estrutura. Ao examinar uma célula ao microscópio, várias estruturas são visíveis nela - organoides. Cada organela desempenha funções específicas. Existem três partes principais em uma célula: a membrana plasmática, o núcleo e o citoplasma (Figura 1).

Membrana de plasma separa a célula e seu conteúdo do ambiente. Na Figura 2 você vê: a membrana é formada por duas camadas de lipídios, e as moléculas de proteínas penetram na espessura da membrana.

Função principal da membrana plasmática transporte. Garante o fluxo de nutrientes para a célula e a remoção de produtos metabólicos dela.

Uma propriedade importante da membrana é permeabilidade seletiva, ou semipermeabilidade, permite que a célula interaja com o meio ambiente: apenas certas substâncias entram e são retiradas dela. Pequenas moléculas de água e algumas outras substâncias penetram na célula por difusão, parcialmente através dos poros da membrana.

Açúcares, ácidos orgânicos e sais são dissolvidos no citoplasma, a seiva celular dos vacúolos de uma célula vegetal. Além disso, sua concentração na célula é muito maior do que no meio ambiente. Quanto maior a concentração dessas substâncias na célula, mais água ela absorve. Sabe-se que a água é constantemente consumida pela célula, com isso a concentração da seiva celular aumenta e a água entra novamente na célula.

A entrada de moléculas maiores (glicose, aminoácidos) na célula é garantida por proteínas transportadoras de membrana, que, combinadas com as moléculas das substâncias transportadas, as transportam através da membrana. Este processo envolve enzimas que decompõem o ATP.

Figura 1. Diagrama generalizado da estrutura de uma célula eucariótica.
(para ampliar a imagem, clique na imagem)

Figura 2. Estrutura da membrana plasmática.
1 - proteínas perfurantes, 2 - proteínas submersas, 3 - proteínas externas

Figura 3. Diagrama de pinocitose e fagocitose.

Moléculas ainda maiores de proteínas e polissacarídeos entram na célula por fagocitose (do grego. fagos- devorando e kitos- vaso, célula) e gotas de líquido - por pinocitose (do grego. pinot- eu bebo e kitos) (Figura 3).

As células animais, diferentemente das células vegetais, são circundadas por uma “capa” macia e flexível formada principalmente por moléculas de polissacarídeos, que, unindo-se a algumas proteínas e lipídios da membrana, circundam a célula por fora. A composição dos polissacarídeos é específica para diferentes tecidos, por isso as células “reconhecem” umas às outras e se conectam entre si.

As células vegetais não possuem esse “revestimento”. Eles têm uma membrana plasmática repleta de poros acima deles. membrana celular, consistindo predominantemente de celulose. Através dos poros, fios de citoplasma se estendem de célula em célula, conectando as células umas às outras. É assim que a comunicação entre as células é alcançada e a integridade do corpo é alcançada.

A membrana celular nas plantas desempenha o papel de um esqueleto forte e protege a célula contra danos.

A maioria das bactérias e todos os fungos possuem membrana celular, apenas sua composição química é diferente. Nos fungos, consiste em uma substância semelhante à quitina.

As células de fungos, plantas e animais têm estrutura semelhante. Uma célula tem três partes principais: o núcleo, o citoplasma e a membrana plasmática. A membrana plasmática é composta por lipídios e proteínas. Garante a entrada de substâncias na célula e sua liberação da célula. Nas células das plantas, fungos e na maioria das bactérias existe uma membrana celular acima da membrana plasmática. Desempenha uma função protetora e desempenha o papel de esqueleto. Nas plantas, a parede celular consiste em celulose e, nos fungos, é feita de uma substância semelhante à quitina. As células animais são cobertas por polissacarídeos que proporcionam contatos entre células do mesmo tecido.

Você sabia que a parte principal da célula é citoplasma. Consiste em água, aminoácidos, proteínas, carboidratos, ATP e íons de substâncias inorgânicas. O citoplasma contém o núcleo e as organelas da célula. Nele, as substâncias se movem de uma parte da célula para outra. O citoplasma garante a interação de todas as organelas. As reações químicas acontecem aqui.

Todo o citoplasma é permeado por finos microtúbulos proteicos que formam citoesqueleto celular, graças ao qual mantém uma forma constante. O citoesqueleto celular é flexível, pois os microtúbulos são capazes de mudar de posição, mover-se de uma extremidade e encurtar da outra. Várias substâncias entram na célula. O que acontece com eles na gaiola?

Nos lisossomos - pequenas vesículas de membrana redonda (ver Fig. 1), moléculas de substâncias orgânicas complexas são decompostas em moléculas mais simples com a ajuda de enzimas hidrolíticas. Por exemplo, as proteínas são decompostas em aminoácidos, os polissacarídeos em monossacarídeos, as gorduras em glicirina e ácidos graxos. Para esta função, os lisossomos são frequentemente chamados de “estações digestivas” da célula.

Se a membrana dos lisossomos for destruída, as enzimas neles contidas podem digerir a própria célula. Portanto, os lisossomos são às vezes chamados de “armas que matam células”.

A oxidação enzimática de pequenas moléculas de aminoácidos, monossacarídeos, ácidos graxos e álcoois formados nos lisossomos em dióxido de carbono e água começa no citoplasma e termina em outras organelas - mitocôndria. As mitocôndrias são organelas em forma de bastonete, filiformes ou esféricas, delimitadas do citoplasma por duas membranas (Fig. 4). A membrana externa é lisa e a interna forma dobras - cristas, que aumentam sua superfície. A membrana interna contém enzimas que participam da oxidação de substâncias orgânicas em dióxido de carbono e água. Isso libera energia que é armazenada pela célula nas moléculas de ATP. Portanto, as mitocôndrias são chamadas de “centrais elétricas” da célula.

Na célula, as substâncias orgânicas não são apenas oxidadas, mas também sintetizadas. A síntese de lipídios e carboidratos é realizada no retículo endoplasmático - EPS (Fig. 5), e de proteínas - nos ribossomos. O que é EPS? Trata-se de um sistema de túbulos e cisternas cujas paredes são formadas por uma membrana. Eles permeiam todo o citoplasma. As substâncias se movem através dos canais RE para diferentes partes da célula.

Existe EPS suave e áspero. Na superfície do RE liso, carboidratos e lipídios são sintetizados com a participação de enzimas. A rugosidade do ER é dada pelos pequenos corpos redondos localizados nele - ribossomos(ver Fig. 1), que estão envolvidos na síntese de proteínas.

A síntese de substâncias orgânicas também ocorre em plastídios, que são encontrados apenas em células vegetais.

Arroz. 4. Esquema da estrutura das mitocôndrias.
1.- membrana externa; 2.- membrana interna; 3.- dobras da membrana interna - cristas.

Arroz. 5. Esquema da estrutura do EPS bruto.

Arroz. 6. Diagrama da estrutura de um cloroplasto.
1.- membrana externa; 2.- membrana interna; 3.- conteúdo interno do cloroplasto; 4.- dobras da membrana interna, reunidas em “pilhas” e formando grana.

Em plastídios incolores - leucoplastos(do grego leucos- branco e plastos- criado) o amido se acumula. Os tubérculos de batata são muito ricos em leucoplastos. As cores amarela, laranja e vermelha são atribuídas às frutas e flores. cromoplastos(do grego cromo- cor e plastos). Eles sintetizam pigmentos envolvidos na fotossíntese - carotenóides. Na vida vegetal, é especialmente importante cloroplastos(do grego cloro- esverdeado e plastos) - plastídios verdes. Na Figura 6 você vê que os cloroplastos são cobertos por duas membranas: uma externa e uma interna. A membrana interna forma dobras; entre as dobras há bolhas empilhadas - grãos. Granas contêm moléculas de clorofila, que estão envolvidas na fotossíntese. Cada cloroplasto possui cerca de 50 grãos dispostos em padrão xadrez. Este arranjo garante a iluminação máxima de cada face.

No citoplasma, proteínas, lipídios e carboidratos podem se acumular na forma de grãos, cristais e gotículas. Esses inclusão- reserva nutrientes que são consumidos pela célula conforme a necessidade.

Nas células vegetais, alguns dos nutrientes de reserva, bem como os produtos de degradação, acumulam-se na seiva celular dos vacúolos (ver Fig. 1). Eles podem representar até 90% do volume de uma célula vegetal. As células animais possuem vacúolos temporários que ocupam no máximo 5% do seu volume.

Arroz. 7. Esquema da estrutura do complexo de Golgi.

Na Figura 7 você vê um sistema de cavidades rodeadas por uma membrana. Esse complexo de Golgi, que desempenha diversas funções na célula: participa do acúmulo e transporte de substâncias, sua retirada da célula, formação dos lisossomos e da membrana celular. Por exemplo, moléculas de celulose entram na cavidade do complexo de Golgi, que, por meio de vesículas, movem-se para a superfície celular e são incluídas na membrana celular.

A maioria das células se reproduz por divisão. Participando deste processo centro celular. Consiste em dois centríolos rodeados por citoplasma denso (ver Fig. 1). No início da divisão, os centríolos movem-se em direção aos pólos da célula. Deles emanam fios de proteínas, que se conectam aos cromossomos e garantem sua distribuição uniforme entre as duas células-filhas.

Todas as organelas celulares estão intimamente interligadas. Por exemplo, as moléculas de proteína são sintetizadas nos ribossomos, são transportadas através dos canais ER para diferentes partes da célula e as proteínas são destruídas nos lisossomos. Moléculas recém-sintetizadas são usadas para construir estruturas celulares ou se acumulam no citoplasma e nos vacúolos como nutrientes de reserva.

A célula está cheia de citoplasma. O citoplasma contém o núcleo e várias organelas: lisossomos, mitocôndrias, plastídios, vacúolos, RE, centro celular, complexo de Golgi. Eles diferem em sua estrutura e funções. Todas as organelas do citoplasma interagem entre si, garantindo o funcionamento normal da célula.

Tabela 1. ESTRUTURA CELULAR

O papel mais importante na atividade vital e na divisão das células de fungos, plantas e animais pertence ao núcleo e aos cromossomos nele localizados. A maioria das células desses organismos possui um único núcleo, mas também existem células multinucleadas, como as células musculares. O núcleo está localizado no citoplasma e tem formato redondo ou oval. É coberto por uma concha composta por duas membranas. O envelope nuclear possui poros por onde ocorre a troca de substâncias entre o núcleo e o citoplasma. O núcleo é preenchido com suco nuclear, no qual estão localizados os nucléolos e os cromossomos.

Nucléolos- são “oficinas de produção” de ribossomos, que são formados a partir do RNA ribossômico produzido no núcleo e de proteínas sintetizadas no citoplasma.

A principal função do núcleo - armazenamento e transmissão de informações hereditárias - está associada a cromossomos. Cada tipo de organismo possui seu próprio conjunto de cromossomos: um certo número, forma e tamanho.

Todas as células do corpo, exceto as células sexuais, são chamadas somático(do grego soma- corpo). As células de um organismo da mesma espécie contêm o mesmo conjunto de cromossomos. Por exemplo, em humanos, cada célula do corpo contém 46 cromossomos, na mosca da fruta Drosophila - 8 cromossomos.

As células somáticas, via de regra, possuem um conjunto duplo de cromossomos. É chamado diplóide e é denotado por 2 n. Então, uma pessoa tem 23 pares de cromossomos, ou seja, 2 n= 46. As células sexuais contêm metade dos cromossomos. É solteiro ou haplóide, conjunto. Pessoa tem 1 n = 23.

Todos os cromossomos nas células somáticas, ao contrário dos cromossomos nas células germinativas, estão emparelhados. Os cromossomos que compõem um par são idênticos entre si. Os cromossomos emparelhados são chamados homólogo. Os cromossomos que pertencem a pares diferentes e diferem em forma e tamanho são chamados não homólogo(Fig. 8).

Em algumas espécies, o número de cromossomos pode ser o mesmo. Por exemplo, o trevo vermelho e as ervilhas têm 2 n= 14. No entanto, seus cromossomos diferem em forma, tamanho e composição de nucleotídeos das moléculas de DNA.

Arroz. 8. Conjunto de cromossomos em células de Drosophila.

Arroz. 9. Estrutura cromossômica.

Para compreender o papel dos cromossomos na transmissão da informação hereditária, é necessário familiarizar-se com sua estrutura e composição química.

Os cromossomos de uma célula que não se divide parecem fios longos e finos. Antes da divisão celular, cada cromossomo consiste em duas fitas idênticas - cromátide, que estão conectados entre as cinturas da cintura - (Fig. 9).

Os cromossomos são compostos de DNA e proteínas. Como a composição de nucleotídeos do DNA varia entre as espécies, a composição dos cromossomos é única para cada espécie.

Cada célula, exceto as bacterianas, possui um núcleo no qual estão localizados os nucléolos e os cromossomos. Cada espécie é caracterizada por um determinado conjunto de cromossomos: número, forma e tamanho. Nas células somáticas da maioria dos organismos o conjunto de cromossomos é diplóide, nas células sexuais é haplóide. Cromossomos emparelhados são chamados de homólogos. Os cromossomos são compostos de DNA e proteínas. As moléculas de DNA garantem o armazenamento e a transmissão de informações hereditárias de célula para célula e de organismo para organismo.

Depois de trabalhar nesses tópicos, você deverá ser capaz de:

1. Explique em quais casos um microscópio óptico (estrutura) ou um microscópio eletrônico de transmissão deve ser usado.
2. Descreva a estrutura da membrana celular e explique a relação entre a estrutura da membrana e sua capacidade de trocar substâncias entre a célula e seu ambiente.
3. Definir os processos: difusão, difusão facilitada, transporte ativo, endocitose, exocitose e osmose. Indique as diferenças entre esses processos.
4. Nomeie as funções das estruturas e indique em quais células (vegetais, animais ou procarióticas) elas estão localizadas: núcleo, membrana nuclear, nucleoplasma, cromossomos, membrana plasmática, ribossomo, mitocôndria, parede celular, cloroplasto, vacúolo, lisossomo, retículo endoplasmático liso (agranular) e rugoso (granular), centro celular, aparelho de Golgi, cílio, flagelo, mesossoma, pili ou fímbrias.
5. Cite pelo menos três sinais pelos quais uma célula vegetal pode ser distinguida de uma célula animal.
6. Liste as diferenças mais importantes entre células procarióticas e eucarióticas.

Ivanova TV, Kalinova GS, Myagkova A.N. "Biologia Geral". Moscou, "Iluminismo", 2000

• Tópico 1. "Membrana plasmática". §1, §8 páginas 5;20
• Tópico 2. "Gaiola". §8-10 pp. 20-30
• Tópico 3. "Célula procariótica. Vírus." §11 pp.31-34

A membrana celular é uma película ultrafina na superfície de uma célula ou organela celular, consistindo de uma camada bimolecular de lipídios com proteínas e polissacarídeos incorporados.

Funções da membrana:

• · Barreira - proporciona metabolismo regulado, seletivo, passivo e ativo com o meio ambiente. Por exemplo, a membrana do peroxissomo protege o citoplasma dos peróxidos que são perigosos para a célula. Permeabilidade seletiva significa que a permeabilidade de uma membrana a diferentes átomos ou moléculas depende do seu tamanho, carga elétrica e propriedades químicas. A permeabilidade seletiva garante que a célula e os compartimentos celulares sejam separados do meio ambiente e fornecidos com as substâncias necessárias.
• · Transporte - o transporte de substâncias para dentro e para fora da célula ocorre através da membrana. O transporte através das membranas garante: entrega de nutrientes, remoção de produtos finais metabólicos, secreção de diversas substâncias, criação de gradientes iônicos, manutenção de pH ideal e concentrações iônicas na célula, que são necessárias para o funcionamento das enzimas celulares. Partículas que por algum motivo não conseguem atravessar a bicamada fosfolipídica (por exemplo, devido às propriedades hidrofílicas, já que a membrana interna é hidrofóbica e não permite a passagem de substâncias hidrofílicas, ou devido ao seu grande tamanho), mas necessárias para a célula , pode penetrar na membrana através de proteínas transportadoras especiais (transportadores) e proteínas de canal ou por endocitose. No transporte passivo, as substâncias atravessam a bicamada lipídica sem gastar energia ao longo de um gradiente de concentração por difusão. Uma variante desse mecanismo é a difusão facilitada, na qual uma molécula específica ajuda uma substância a passar através da membrana. Essa molécula pode ter um canal que permite a passagem de apenas um tipo de substância. O transporte ativo requer energia, pois ocorre contra um gradiente de concentração. Existem proteínas de bomba especiais na membrana, incluindo ATPase, que bombeia ativamente íons de potássio (K +) para dentro da célula e bombeia íons de sódio (Na +) para fora dela.
• · matriz - garante uma certa posição relativa e orientação das proteínas da membrana, sua interação ideal.
• · mecânico - garante a autonomia da célula, de suas estruturas intracelulares, bem como a conexão com outras células (nos tecidos). As paredes celulares desempenham um papel importante na garantia da função mecânica e, nos animais, da substância intercelular.
• · energia - durante a fotossíntese nos cloroplastos e a respiração celular nas mitocôndrias, operam em suas membranas sistemas de transferência de energia, dos quais também participam proteínas;
• · receptor - algumas proteínas localizadas na membrana são receptores (moléculas com a ajuda das quais a célula percebe certos sinais). Por exemplo, os hormônios que circulam no sangue atuam apenas nas células-alvo que possuem receptores correspondentes a esses hormônios. Os neurotransmissores (produtos químicos que garantem a condução dos impulsos nervosos) também se ligam a proteínas receptoras especiais nas células-alvo.
• · enzimático - as proteínas da membrana são frequentemente enzimas. Por exemplo, as membranas plasmáticas das células epiteliais intestinais contêm enzimas digestivas.
• · implementação de geração e condução de biopotenciais. Com a ajuda da membrana, uma concentração constante de íons é mantida na célula: a concentração do íon K + dentro da célula é muito maior do que fora, e a concentração de Na + é muito menor, o que é muito importante, pois isso garante a manutenção da diferença de potencial na membrana e a geração de um impulso nervoso.
• · marcação celular - existem antígenos na membrana que atuam como marcadores - “rótulos” que permitem a identificação da célula. Estas são glicoproteínas (isto é, proteínas com cadeias laterais de oligossacarídeos ramificadas ligadas a elas) que desempenham o papel de “antenas”. Devido à miríade de configurações de cadeias laterais, é possível fazer um marcador específico para cada tipo de célula. Com a ajuda de marcadores, as células podem reconhecer outras células e atuar em conjunto com elas, por exemplo, na formação de órgãos e tecidos. Isto também permite que o sistema imunológico reconheça antígenos estranhos.

Algumas moléculas de proteína difundem-se livremente no plano da camada lipídica; no estado normal, partes das moléculas de proteína que emergem em diferentes lados da membrana celular não mudam de posição.

A morfologia especial das membranas celulares determina suas características elétricas, entre as quais as mais importantes são a capacitância e a condutividade.

As propriedades capacitivas são determinadas principalmente pela bicamada fosfolipídica, que é impermeável a íons hidratados e ao mesmo tempo fina o suficiente (cerca de 5 nm) para fornecer separação e armazenamento eficiente de carga e interação eletrostática de cátions e ânions. Além disso, as propriedades capacitivas das membranas celulares são uma das razões que determinam as características temporais dos processos elétricos que ocorrem nas membranas celulares.

A condutividade (g) é o inverso da resistência elétrica e é igual à razão entre a corrente transmembrana total de um determinado íon e o valor que determinou sua diferença de potencial transmembrana.

Várias substâncias podem se difundir através da bicamada fosfolipídica, e o grau de permeabilidade (P), ou seja, a capacidade da membrana celular de passar essas substâncias, depende da diferença nas concentrações da substância difusora em ambos os lados da membrana, sua solubilidade em lipídios e nas propriedades da membrana celular. A taxa de difusão de íons carregados sob condições de campo constante em uma membrana é determinada pela mobilidade dos íons, pela espessura da membrana e pela distribuição dos íons na membrana. Para os não eletrólitos, a permeabilidade da membrana não afeta sua condutividade, uma vez que os não eletrólitos não transportam cargas, ou seja, não podem transportar corrente elétrica.

A condutividade de uma membrana é uma medida de sua permeabilidade iônica. Um aumento na condutividade indica um aumento no número de íons que passam através da membrana.

Uma propriedade importante das membranas biológicas é a fluidez. Todas as membranas celulares são estruturas fluidas móveis: a maioria de suas moléculas lipídicas e proteicas constituintes são capazes de se mover rapidamente no plano da membrana.

Entre Podem ser distinguidas as principais funções da membrana celular: barreira, transporte, enzimática e receptora. A membrana celular (biológica) (também conhecida como membrana plasmática, membrana plasmática ou citoplasmática) protege o conteúdo da célula ou suas organelas do meio ambiente, fornece permeabilidade seletiva para substâncias, nela estão localizadas enzimas, bem como moléculas que podem “capturar ”Vários sinais químicos e físicos.

Esta funcionalidade é garantida pela estrutura especial da membrana celular.

Na evolução da vida na Terra, uma célula geralmente só poderia se formar após o aparecimento de uma membrana, que separou e estabilizou o conteúdo interno e impediu sua desintegração.

Em termos de manutenção da homeostase (autorregulação da relativa constância do ambiente interno) a função de barreira da membrana celular está intimamente relacionada ao transporte.

Pequenas moléculas são capazes de passar pelo plasmalema sem quaisquer “ajudantes”, ao longo de um gradiente de concentração, ou seja, de uma área com alta concentração de uma determinada substância para uma área com baixa concentração. É o caso, por exemplo, dos gases envolvidos na respiração. O oxigênio e o dióxido de carbono se difundem através da membrana celular na direção onde sua concentração é atualmente mais baixa.

Como a membrana é principalmente hidrofóbica (devido à dupla camada lipídica), moléculas polares (hidrofílicas), mesmo as pequenas, muitas vezes não conseguem penetrá-la. Portanto, diversas proteínas de membrana atuam como transportadoras dessas moléculas, ligando-se a elas e transportando-as através do plasmalema.

As proteínas integrais (que permeiam a membrana) geralmente operam com base no princípio de abertura e fechamento de canais. Quando qualquer molécula se aproxima dessa proteína, ela se liga a ela e o canal se abre. Essa ou outra substância passa pelo canal da proteína, após o que sua conformação muda, e o canal se fecha para essa substância, mas pode se abrir para permitir a passagem de outra. A bomba de sódio-potássio funciona com base neste princípio, bombeando íons de potássio para dentro da célula e bombeando íons de sódio para fora dela.

Função enzimática da membrana celular em maior medida realizado nas membranas das organelas celulares. A maioria das proteínas sintetizadas na célula desempenha uma função enzimática. “Postados” na membrana em uma determinada ordem, eles organizam um transportador quando o produto da reação catalisado por uma proteína enzimática passa para a próxima. Este “transportador” é estabilizado por proteínas de superfície do plasmalema.

Apesar da universalidade da estrutura de todas as membranas biológicas (elas são construídas de acordo com um único princípio, são quase idênticas em todos os organismos e em diferentes estruturas celulares de membrana), sua composição química ainda pode diferir. Existem mais líquidos e mais sólidos, alguns têm mais de certas proteínas, outros têm menos. Além disso, os diferentes lados (interno e externo) da mesma membrana também diferem.

A membrana que envolve a célula (citoplasmática) externamente possui muitas cadeias de carboidratos ligadas a lipídios ou proteínas (resultando na formação de glicolipídios e glicoproteínas). Muitos desses carboidratos servem função do receptor, sendo suscetível a determinados hormônios, detectando alterações em indicadores físicos e químicos do ambiente.

Se, por exemplo, um hormônio se conecta ao seu receptor celular, então a parte de carboidrato da molécula receptora muda sua estrutura, seguida por uma mudança na estrutura da parte proteica associada que penetra na membrana. Na etapa seguinte, várias reações bioquímicas são iniciadas ou suspensas na célula, ou seja, seu metabolismo muda e inicia-se uma resposta celular ao “estímulo”.

Além das quatro funções listadas da membrana celular, outras também se distinguem: matriz, energia, marcação, formação de contatos intercelulares, etc. Porém, podem ser consideradas como “subfunções” das já discutidas.

As membranas são estruturas extremamente viscosas e ao mesmo tempo plásticas que circundam todas as células vivas. Funções membranas celulares:

1. A membrana plasmática é uma barreira que mantém as diferentes composições do ambiente extra e intracelular.

2.As membranas formam compartimentos especializados dentro da célula, ou seja, numerosas organelas - mitocôndrias, lisossomos, complexo de Golgi, retículo endoplasmático, membranas nucleares.

3. As enzimas envolvidas na conversão de energia em processos como a fosforilação oxidativa e a fotossíntese estão localizadas nas membranas.

Estrutura e composição das membranas

A base da membrana é uma dupla camada lipídica, cuja formação envolve fosfolipídios e glicolipídios. A bicamada lipídica é formada por duas fileiras de lipídios, cujos radicais hidrofóbicos estão escondidos para dentro, e os grupos hidrofílicos estão voltados para fora e estão em contato com o ambiente aquoso. As moléculas de proteína são, por assim dizer, “dissolvidas” na bicamada lipídica.

Estrutura dos lipídios da membrana

Os lipídios da membrana são moléculas anfifílicas, porque a molécula possui uma região hidrofílica (cabeças polares) e uma região hidrofóbica, representada por radicais hidrocarbonetos de ácidos graxos, que formam espontaneamente uma bicamada. As membranas contêm três tipos principais de lipídios - fosfolipídios, glicolipídios e colesterol.

A composição lipídica é diferente. O conteúdo de um lipídeo específico é aparentemente determinado pela variedade de funções desempenhadas por esses lipídios nas membranas.

Fosfolipídios. Todos os fosfolipídios podem ser divididos em dois grupos - glicerofosfolipídios e esfingofosfolipídios. Os glicerofosfolipídios são classificados como derivados do ácido fosfatídico. Os glicerofosfolipídios mais comuns são fosfatidilcolinas e fosfatidiletanolaminas. Os esfingofosfolipídios são baseados no aminoálcool esfingosina.

Glicolipídios. Nos glicolipídeos, a parte hidrofóbica é representada pelo álcool ceramida, e a parte hidrofílica é representada por um resíduo de carboidrato. Dependendo do comprimento e da estrutura da parte do carboidrato, os cerebrosídeos e os gangliosídeos são diferenciados. As “cabeças” polares dos glicolipídios estão localizadas na superfície externa das membranas plasmáticas.

Colesterol (CS). CS está presente em todas as membranas das células animais. Sua molécula consiste em um núcleo hidrofóbico rígido e uma cadeia de hidrocarbonetos flexível. O único grupo hidroxila na posição 3 é a “cabeça polar”. Para uma célula animal, a proporção molar média de colesterol/fosfolipídios é de 0,3 a 0,4, mas na membrana plasmática essa proporção é muito maior (0,8 a 0,9). A presença de colesterol nas membranas reduz a mobilidade dos ácidos graxos, reduz a difusão lateral dos lipídios e, portanto, pode afetar as funções das proteínas da membrana.

Propriedades da membrana:

1. Permeabilidade seletiva. A bicamada fechada confere uma das principais propriedades da membrana: é impermeável à maioria das moléculas solúveis em água, uma vez que não se dissolvem em seu núcleo hidrofóbico. Gases como oxigênio, CO 2 e nitrogênio têm a capacidade de penetrar facilmente nas células devido ao pequeno tamanho de suas moléculas e à fraca interação com solventes. Moléculas de natureza lipídica, como hormônios esteróides, também penetram facilmente na bicamada.

2. Liquidez. As membranas são caracterizadas pela liquidez (fluidez), pela capacidade de movimentação de lipídios e proteínas. Dois tipos de movimentos fosfolipídicos são possíveis: cambalhota (chamada de “flip-flop” na literatura científica) e difusão lateral. No primeiro caso, as moléculas de fosfolipídios que se opõem na camada bimolecular viram (ou dão cambalhotas) uma em direção à outra e mudam de lugar na membrana, ou seja, o exterior torna-se o interior e vice-versa. Esses saltos estão associados ao consumo de energia. Mais frequentemente, são observadas rotações em torno do eixo (rotação) e difusão lateral - movimento dentro da camada paralela à superfície da membrana. A velocidade de movimento das moléculas depende da microviscosidade das membranas, que, por sua vez, é determinada pelo conteúdo relativo de ácidos graxos saturados e insaturados na composição lipídica. A microviscosidade é menor se predominarem ácidos graxos insaturados na composição lipídica e maior se o teor de ácidos graxos saturados for alto.

3. Assimetria de membrana. As superfícies de uma mesma membrana diferem na composição de lipídios, proteínas e carboidratos (assimetria transversal). Por exemplo, as fosfatidilcolinas predominam na camada externa e as fosfatidiletanolaminas e fosfatidilserinas predominam na camada interna. Os componentes carboidratos das glicoproteínas e glicolipídios chegam à superfície externa, formando uma estrutura contínua chamada glicocálice. Não há carboidratos na superfície interna. Proteínas - os receptores hormonais estão localizados na superfície externa da membrana plasmática, e as enzimas que eles regulam - adenilato ciclase, fosfolipase C - na superfície interna, etc.

Proteínas de membrana

Os fosfolipídios da membrana atuam como solvente para as proteínas da membrana, criando um microambiente no qual estas podem funcionar. As proteínas representam 30 a 70% da massa das membranas. O número de proteínas diferentes na membrana varia de 6-8 no retículo sarcoplasmático a mais de 100 na membrana plasmática. São enzimas, proteínas de transporte, proteínas estruturais, antígenos, incluindo antígenos do principal sistema de histocompatibilidade, receptores para várias moléculas.

Com base na sua localização na membrana, as proteínas são divididas em integrais (parcialmente ou totalmente imersas na membrana) e periféricas (localizadas em sua superfície). Algumas proteínas integrais atravessam a membrana uma vez (glicoforina), outras atravessam a membrana muitas vezes. Por exemplo, o fotorreceptor retinal e o receptor β 2 -adrenérgico atravessam a bicamada 7 vezes.

Proteínas periféricas e domínios de proteínas integrais, localizados na superfície externa de todas as membranas, são quase sempre glicosilados. Os resíduos de oligossacarídeos protegem a proteína da proteólise e também estão envolvidos no reconhecimento ou adesão do ligante.

A membrana celular tem uma estrutura bastante complexa, que pode ser visualizado com um microscópio eletrônico. Grosso modo, consiste em uma dupla camada de lipídios (gorduras), na qual vários peptídeos (proteínas) estão incorporados em diferentes locais. A espessura total da membrana é de cerca de 5 a 10 nm.

A estrutura geral da membrana celular é universal para todo o mundo vivo. No entanto, as membranas animais contêm inclusões de colesterol, que determinam a sua rigidez. As diferenças entre as membranas de diferentes reinos de organismos dizem respeito principalmente às formações supramembranosas (camadas). Portanto, nas plantas e nos fungos existe uma parede celular acima da membrana (na parte externa). Nas plantas consiste principalmente em celulose e nos fungos consiste principalmente em quitina. Nos animais, a camada supramembrana é chamada de glicocálice.

Outro nome para a membrana celular Membrana citoplasmática ou membrana plasmática.

Um estudo mais aprofundado da estrutura da membrana celular revela muitas de suas características relacionadas às funções que desempenha.

A bicamada lipídica é composta principalmente de fosfolipídios. São gorduras, cuja extremidade contém um resíduo de ácido fosfórico que possui propriedades hidrofílicas (ou seja, atrai moléculas de água). A segunda extremidade do fosfolipídio são cadeias de ácidos graxos que possuem propriedades hidrofóbicas (não formam ligações de hidrogênio com a água).

As moléculas de fosfolipídios na membrana celular estão dispostas em duas fileiras, de modo que suas “extremidades” hidrofóbicas ficam para dentro e suas “cabeças” hidrofílicas ficam para fora. O resultado é uma estrutura bastante forte que protege o conteúdo da célula do ambiente externo.

As inclusões proteicas na membrana celular são distribuídas de forma desigual, além de serem móveis (já que os fosfolipídios da bicamada possuem mobilidade lateral). A partir da década de 70 do século XX começaram a falar sobre estrutura em mosaico fluido da membrana celular.

Dependendo de como a proteína está incluída na membrana, distinguem-se três tipos de proteínas: integrais, semi-integrais e periféricas. As proteínas integrais passam por toda a espessura da membrana e suas extremidades se projetam em ambos os lados. Eles desempenham principalmente uma função de transporte. Nas proteínas semi-integrais, uma extremidade está localizada na espessura da membrana e a outra vai para fora (do lado externo ou interno). Desempenhar funções enzimáticas e receptoras. As proteínas periféricas são encontradas na superfície externa ou interna da membrana.

As características estruturais da membrana celular indicam que ela é o principal componente do complexo da superfície celular, mas não o único. Seus outros componentes são a camada supramembrana e a camada submembrana.

O glicocálice (camada supramembrana dos animais) é formado por oligossacarídeos e polissacarídeos, além de proteínas periféricas e partes salientes de proteínas integrais. Os componentes do glicocálice desempenham uma função receptora.

Além do glicocálix, as células animais também apresentam outras formações supramembranosas: muco, quitina, perilema (semelhante a membrana).

A estrutura supramembranar em plantas e fungos é a parede celular.

A camada submembranar da célula é o citoplasma superficial (hialoplasma) com o sistema contrátil de suporte da célula incluído nele, cujas fibrilas interagem com proteínas incluídas na membrana celular. Vários sinais são transmitidos através dessas conexões moleculares.