غشاء الخلية - هيكل ووظيفة غشاء الخلية

جدول المحتويات:

غشاء الخلية - هيكل ووظيفة غشاء الخلية
غشاء الخلية - هيكل ووظيفة غشاء الخلية
Anonim

خلية غشاء

غشاء الخلية
غشاء الخلية

تتكون جميع الكائنات الحية على الأرض من خلايا ، وكل خلية محاطة بقشرة واقية - غشاء. ومع ذلك ، فإن وظائف الغشاء لا تقتصر على حماية العضيات وفصل خلية عن أخرى. غشاء الخلية عبارة عن آلية معقدة تشارك بشكل مباشر في التكاثر والتجديد والتغذية والتنفس والعديد من الوظائف المهمة الأخرى للخلية.

مصطلح "غشاء الخلية" يُستخدم منذ حوالي مائة عام. كلمة "غشاء" في الترجمة من اللاتينية تعني "فيلم". لكن في حالة غشاء الخلية ، سيكون من الأصح الحديث عن مزيج من فيلمين متصلين ببعضهما البعض بطريقة معينة ، علاوة على ذلك ، فإن الجوانب المختلفة لهذه الأفلام لها خصائص مختلفة.

غشاء الخلية (الغشاء الخلوي ، غشاء البلازما) هو غشاء من ثلاث طبقات من البروتين الدهني (بروتين دهني) يفصل كل خلية عن الخلايا المجاورة والبيئة ، ويقوم بتبادل متحكم فيه بين الخلايا والبيئة.

العامل الحاسم في هذا التعريف ليس أن غشاء الخلية يفصل خلية عن أخرى ، ولكنه يضمن تفاعلها مع الخلايا الأخرى والبيئة. الغشاء عبارة عن هيكل خلية نشط للغاية يعمل باستمرار ، حيث يتم تعيين العديد من الوظائف بواسطة الطبيعة. من خلال مقالتنا ، سوف تتعلم كل شيء عن تكوين غشاء الخلية وبنيته وخصائصه ووظائفه ، فضلاً عن الخطر الذي يشكله على صحة الإنسان من خلال الاضطرابات في أداء أغشية الخلايا.

تاريخ أبحاث غشاء الخلية

في عام 1925 ، تمكن عالمان ألمانيان ، جورتر وجريندل ، من إجراء تجربة معقدة على خلايا الدم الحمراء البشرية ، كريات الدم الحمراء.باستخدام الصدمة التناضحية ، حصل الباحثون على ما يسمى بـ "الظلال" - قذائف فارغة من خلايا الدم الحمراء ، ثم وضعوها في كومة واحدة وقاسوا مساحة السطح. كانت الخطوة التالية هي حساب كمية الدهون في غشاء الخلية. باستخدام الأسيتون ، عزل العلماء الدهون من "الظلال" وقرروا أنها كافية فقط لطبقة مزدوجة مستمرة.

ومع ذلك ، أثناء التجربة ، تم ارتكاب خطأين فادحين:

  • لا يسمح استخدام الأسيتون بعزل جميع الدهون من الأغشية ؛
  • تم حساب مساحة سطح "الظلال" بالوزن الجاف ، وهو أيضًا غير صحيح.

نظرًا لأن الخطأ الأول أعطى علامة سالبة في الحسابات ، والثاني أعطى علامة زائد ، اتضح أن النتيجة الإجمالية كانت دقيقة بشكل مدهش ، وقد جلب العلماء الألمان أهم اكتشاف للعالم العلمي - طبقة ثنائية الدهون من غشاء الخلية.

في عام 1935توصل زوج آخر من الباحثين ، دانييل وداوسون ، بعد تجارب طويلة على الأفلام ثنائية الدهون ، إلى استنتاج حول وجود البروتينات في أغشية الخلايا.لم تكن هناك طريقة أخرى لشرح سبب ارتفاع التوتر السطحي في هذه الأفلام. قدم العلماء للجمهور نموذجًا تخطيطيًا لغشاء الخلية ، يشبه الساندويتش ، حيث تلعب طبقات البروتين الدهني المتجانسة دور شرائح الخبز ، وبينها بدلاً من الزيت يوجد فراغ.

في عام 1950، بمساعدة المجهر الإلكتروني الأول ، تم تأكيد نظرية دانييلي داوسون جزئيًا - أظهرت الصور المجهرية لغشاء الخلية بوضوح طبقتين تتكونان من الدهون والبروتين ، وبينهم مساحة شفافة مليئة فقط بذيول الدهون والبروتينات.

في عام 1960، مسترشدًا بهذه البيانات ، طور عالم الأحياء الدقيقة الأمريكي جي.روبرتسون نظرية حول البنية ثلاثية الطبقات لأغشية الخلايا ، والتي كانت تعتبر لفترة طويلة بمثابة فقط صحيح. ومع ذلك ، مع تطور العلم ، ولدت المزيد والمزيد من الشكوك حول تجانس هذه الطبقات. من وجهة نظر الديناميكا الحرارية ، فإن مثل هذه البنية غير مواتية للغاية - سيكون من الصعب جدًا على الخلايا نقل المواد داخل وخارج "الشطيرة" بأكملها.بالإضافة إلى ذلك ، فقد ثبت أن أغشية الخلايا للأنسجة المختلفة لها سماكات مختلفة وطرق ربط مختلفة ، والتي ترجع إلى وظائف مختلفة للأعضاء.

في عام 1972علماء الأحياء الدقيقة S. D. سينجر و ج. كان نيكلسون قادرًا على شرح جميع التناقضات في نظرية روبرتسون بمساعدة نموذج فسيفساء سائل جديد لغشاء الخلية. وجد العلماء أن الغشاء غير متجانس وغير متماثل ومليء بالسائل وأن خلاياه في حركة مستمرة. والبروتينات التي يتألف منها تركيبها لها بنية وهدف مختلفان ، بالإضافة إلى أنها تقع بشكل مختلف بالنسبة للطبقة ثنائية الشحوم من الغشاء.

هناك ثلاثة أنواع من البروتينات في أغشية الخلايا:

  • Peripheral- تعلق على سطح الفيلم ؛
  • شبه متكامل- يخترق جزئيًا الطبقة ثنائية الدهون ؛
  • Integral- تخترق الغشاء تمامًا.

ترتبط البروتينات الطرفية برؤوس الدهون الغشائية من خلال التفاعل الكهروستاتيكي ، ولا تشكل أبدًا طبقة مستمرة ، كما كان يُعتقد سابقًا.وتعمل البروتينات شبه المتكاملة والمتكاملة على نقل الأكسجين والمواد المغذية إلى الخلية ، بالإضافة إلى إزالة نواتج الاضمحلال منها ، ولعدة وظائف مهمة أخرى ستتعرف عليها لاحقًا.

خصائص ووظائف غشاء الخلية

خصائص ووظائف غشاء الخلية
خصائص ووظائف غشاء الخلية

يؤدي غشاء الخلية الوظائف التالية:

  • Barrier- نفاذية الغشاء لأنواع مختلفة من الجزيئات ليست هي نفسها. لتجاوز غشاء الخلية ، يجب أن يكون للجزيء حجم معين وخصائص كيميائية وكهربائية تكلفة. الجزيئات الضارة أو غير الملائمة ، بسبب وظيفة الحاجز لغشاء الخلية ، ببساطة لا تستطيع دخول الخلية. على سبيل المثال ، بمساعدة تفاعل البيروكسيس ، يحمي الغشاء السيتوبلازم من البيروكسيدات الخطرة ؛
  • النقل- التبادل السلبي والنشط والمنظم والانتقائي يمر عبر الغشاء.الأيض السلبي مناسب للمواد القابلة للذوبان في الدهون والغازات التي تتكون من جزيئات صغيرة جدًا. تخترق هذه المواد داخل الخلية وخارجها دون إنفاق للطاقة ، بحرية ، عن طريق الانتشار. يتم تنشيط وظيفة النقل النشط لغشاء الخلية عند الضرورة ، ولكن يجب نقل المواد التي يصعب نقلها داخل الخلية أو خارجها. على سبيل المثال ، أولئك الذين لديهم حجم جزيئي كبير ، أو غير قادرين على عبور الطبقة ثنائية الشحوم بسبب كره الماء. ثم تبدأ مضخات البروتين في العمل ، بما في ذلك ATPase ، وهو المسؤول عن امتصاص أيونات البوتاسيوم في الخلية وطرد أيونات الصوديوم منها. النقل المنظم ضروري لوظائف الإفراز والتخمير ، مثل عندما تنتج الخلايا وتفرز الهرمونات أو العصارة المعدية. كل هذه المواد تخرج من الخلايا من خلال قنوات خاصة وفي حجم معين. وترتبط وظيفة النقل الانتقائي بالبروتينات المتكاملة للغاية التي تخترق الغشاء وتعمل كقناة لدخول وخروج أنواع محددة بدقة من الجزيئات ؛
  • Matrix- يحدد غشاء الخلية ويثبت موقع العضيات بالنسبة لبعضها البعض (النواة ، الميتوكوندريا ، البلاستيدات الخضراء) وينظم التفاعل بينهما ؛
  • ميكانيكي- يضمن تقييد خلية من خلية أخرى ، وفي الوقت نفسه ، الاتصال الصحيح للخلايا بنسيج متجانس ومقاومة الأعضاء للتشوه ؛
  • الحماية- في كل من النباتات والحيوانات ، يعمل غشاء الخلية كأساس لبناء إطار وقائي. مثال على ذلك الخشب الصلب ، قشر كثيف ، أشواك شائكة. في المملكة الحيوانية ، هناك أيضًا العديد من الأمثلة على الوظيفة الوقائية لأغشية الخلايا - قوقعة السلحفاة ، والصدفة الكيتينية ، والحوافر والقرون ؛
  • الطاقة- ستكون عمليات التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي مستحيلة بدون مشاركة بروتينات غشاء الخلية ، لأنه من خلال قنوات البروتين تتبادل الخلايا الطاقة ؛
  • المستقبل- قد يكون للبروتينات الموجودة في غشاء الخلية وظيفة أخرى مهمة.وهي تعمل كمستقبلات تستقبل الخلية من خلالها إشارة من الهرمونات والناقلات العصبية. وهذا بدوره ضروري لتوصيل النبضات العصبية والمسار الطبيعي للعمليات الهرمونية ؛
  • الإنزيميةهي وظيفة أخرى مهمة متأصلة في بعض بروتينات غشاء الخلية. على سبيل المثال ، في ظهارة الأمعاء ، يتم تصنيع الإنزيمات الهاضمة بمساعدة هذه البروتينات ؛
  • Biopotential- تركيز أيونات البوتاسيوم داخل الخلية أعلى بكثير منه في الخارج ، وتركيز أيونات الصوديوم ، على العكس من ذلك ، في الخارج أكبر من الداخل. هذا يفسر الاختلاف المحتمل: داخل الخلية تكون الشحنة سالبة ، وخارجها موجبة ، مما يساهم في حركة المواد داخل الخلية وخارجها في أي من أنواع التمثيل الغذائي الثلاثة - البلعمة ، والتضخم ، والإخراج الخلوي ؛
  • Labeling- يوجد على سطح أغشية الخلايا ما يسمى ب "الملصقات" - مستضدات تتكون من بروتينات سكرية (بروتينات ذات سلاسل جانبية قليلة السكاريد متفرعة متصلة بها).نظرًا لأن السلاسل الجانبية يمكن أن تحتوي على مجموعة كبيرة ومتنوعة من التكوينات ، فإن كل نوع من الخلايا يتلقى تسمية فريدة خاصة به تسمح للخلايا الأخرى في الجسم بالتعرف عليها "عن طريق البصر" والاستجابة لها بشكل صحيح. لهذا السبب ، على سبيل المثال ، تتعرف الخلايا المناعية البشرية ، الضامة ، بسهولة على شخص أجنبي دخل الجسم (عدوى ، فيروس) ومحاولة تدميره. يحدث الشيء نفسه مع الخلايا المريضة والمتحورة والقديمة - يتغير الملصق الموجود على غشاء الخلية ويتخلص منها الجسم.

يحدث تبادل الخلايا عبر الأغشية ، ويمكن إجراؤه باستخدام ثلاثة أنواع رئيسية من التفاعلات:

  • البلعمةهي عملية خلوية يتم فيها التقاط الخلايا البلعمية المضمنة في الغشاء وهضم الجزيئات الصلبة من العناصر الغذائية. في جسم الإنسان ، تتم عملية البلعمة بواسطة أغشية من نوعين من الخلايا: الخلايا الحبيبية (الكريات البيض الحبيبية) والضامة (الخلايا القاتلة المناعية) ؛
  • Pinocytosis- عملية التقاط سطح غشاء الخلية لجزيئات السوائل الملامسة له. للتغذية حسب نوع كثرة الخلايا ، تنمو الخلية نواتج رقيقة رقيقة على شكل هوائيات على غشاءها ، والتي ، كما كانت ، تحيط بقطرة من السائل ، ويتم الحصول على فقاعة. أولاً ، تبرز هذه الحويصلة فوق سطح الغشاء ، ثم "تبتلع" - تختبئ داخل الخلية ، وتندمج جدرانها مع السطح الداخلي لغشاء الخلية. يحدث كثرة الخلايا في جميع الخلايا الحية تقريبًا ؛
  • خروج الخلاياهي عملية عكسية تتشكل فيها حويصلات بسائل إفرازي وظيفي (إنزيم ، هرمون) داخل الخلية ، ويجب إزالتها بطريقة ما من الخلية إلى داخل الخلية. بيئة. للقيام بذلك ، تندمج الحويصلة أولاً مع السطح الداخلي لغشاء الخلية ، ثم تنتفخ للخارج ، وتنفجر ، وتطرد المحتويات وتندمج مرة أخرى مع سطح الغشاء ، وهذه المرة من الخارج. يحدث خروج الخلايا ، على سبيل المثال ، في خلايا الظهارة المعوية والقشرة الكظرية.

هيكل غشاء الخلية

تحتوي أغشية الخلايا على ثلاث فئات من الدهون:

  • الفوسفوليبيد ؛
  • شحميات سكرية ؛
  • كوليسترول.
هيكل غشاء الخلية
هيكل غشاء الخلية

الفسفوليبيدات (مزيج من الدهون والفوسفور) وجليكوليبيدات (مزيج من الدهون والكربوهيدرات) ، بدورها ، تتكون من رأس محب للماء ، يمتد منه ذيلان طويلين كارهين للماء. لكن الكوليسترول أحيانًا يحتل الفراغ بين هذين الذيلين ولا يسمح لهما بالانحناء ، مما يجعل أغشية بعض الخلايا صلبة. بالإضافة إلى ذلك ، تنظم جزيئات الكوليسترول بنية أغشية الخلايا وتمنع انتقال الجزيئات القطبية من خلية إلى أخرى.

لكن المكون الأكثر أهمية ، كما ترون من القسم السابق حول وظائف أغشية الخلايا ، هو البروتينات.إن تكوينها والغرض منها وموقعها متنوع للغاية ، ولكن هناك شيء مشترك يوحدهم جميعًا: توجد دائمًا الدهون الحلقية حول بروتينات أغشية الخلايا. وهي دهون خاصة منظمة بشكل واضح ومستقرة وتحتوي على المزيد من الأحماض الدهنية المشبعة في تركيبها ، ويتم إطلاقها من الأغشية جنبًا إلى جنب مع البروتينات "المدعومة". هذا نوع من الغلاف الواقي الشخصي للبروتينات ، والتي بدونها ببساطة لن تعمل.

هيكل غشاء الخلية ثلاثي الطبقات. توجد طبقة سائلة متجانسة نسبيًا في الوسط ، وتغطيها البروتينات على كلا الجانبين بنوع من الفسيفساء ، تخترق السماكة جزئيًا. بمعنى أنه سيكون من الخطأ الاعتقاد بأن طبقات البروتين الخارجية لأغشية الخلايا مستمرة. البروتينات ، بالإضافة إلى وظائفها المعقدة ، ضرورية في الغشاء لكي تمر داخل الخلايا وتنقل منها المواد التي لا تستطيع اختراق الطبقة الدهنية. على سبيل المثال ، أيونات البوتاسيوم والصوديوم. بالنسبة لهم ، يتم توفير هياكل بروتينية خاصة - القنوات الأيونية ، والتي سنناقشها بمزيد من التفصيل أدناه.

إذا نظرت إلى غشاء الخلية من خلال مجهر ، يمكنك أن ترى طبقة من الدهون تكونت من أصغر الجزيئات الكروية ، والتي تطفو عليها ، مثل البحر ، خلايا بروتينية كبيرة بأشكال مختلفة. تقسم الأغشية نفسها المساحة الداخلية لكل خلية إلى أجزاء حيث توجد النواة والبلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا بشكل مريح. إذا لم تكن هناك "غرف" منفصلة داخل الخلية ، فإن العضيات ستلتصق ببعضها البعض ولن تكون قادرة على أداء وظائفها بشكل صحيح.

الخليةعبارة عن مجموعة من العضيات منظمة ومفصولة بأغشية ، والتي تشارك في مجموعة معقدة من عمليات الطاقة والتمثيل الغذائي والمعلوماتية والإنجابية التي تضمن النشاط الحيوي للكائن الحي

كما ترى من هذا التعريف ، فإن الغشاء هو أهم مكون وظيفي لأي خلية. أهميته كبيرة مثل أهمية النواة والميتوكوندريا وعضيات الخلية الأخرى.وترجع الخصائص الفريدة للغشاء إلى هيكله: فهو يتكون من فيلمين ملتصقين معًا بطريقة خاصة. توجد جزيئات الفسفوليبيد في الغشاء برؤوس محبة للماء إلى الخارج وذيول كارهة للماء إلى الداخل. لذلك ، أحد جوانب الفيلم مبلل بالماء ، بينما الآخر غير مبلل. لذلك ، ترتبط هذه الأفلام ببعضها البعض بجوانب غير قابلة للبلل إلى الداخل ، وتشكل طبقة ثنائية الشحوم محاطة بجزيئات بروتينية. هذا هو هيكل غشاء الخلية "شطيرة".

القنوات الأيونية لأغشية الخلايا

دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في مبدأ تشغيل القنوات الأيونية. ما الذي يحتاجون إليه؟ الحقيقة هي أن المواد القابلة للذوبان في الدهون فقط هي التي يمكنها اختراق الغشاء الدهني بحرية - وهذه هي الغازات والكحول والدهون نفسها. لذلك ، على سبيل المثال ، يوجد في خلايا الدم الحمراء تبادل مستمر للأكسجين وثاني أكسيد الكربون ، ولهذا لا يضطر جسمنا إلى اللجوء إلى أي حيل إضافية. لكن ماذا عن متى يصبح من الضروري نقل المحاليل المائية ، مثل أملاح الصوديوم والبوتاسيوم ، عبر غشاء الخلية؟

سيكون من المستحيل تمهيد الطريق لمثل هذه المواد في الطبقة ثنائية الدهون ، حيث أن الثقوب ستتشدد على الفور وتلتصق ببعضها البعض ، مثل بنية أي نسيج دهني. لكن الطبيعة ، كما هو الحال دائمًا ، وجدت طريقة للخروج من الموقف وأنشأت هياكل نقل البروتين الخاصة.

هناك نوعان من البروتينات الموصلة:

  • الناقلات- بروتينات المضخة شبه المتكاملة ؛
  • محولات القنوات- بروتينات متكاملة.

بروتينات من النوع الأول مغمورة جزئيًا في الطبقة ثنائية الشحم من غشاء الخلية ، وتنظر برأسها ، وفي وجود المادة الصحيحة تبدأ بالتصرف كمضخة: فهي تجذب الجزيء وامتصاصه في الزنزانة. والبروتينات من النوع الثاني ، متكامل ، لها شكل ممدود وتقع بشكل عمودي على الطبقة ثنائية الشحميات من غشاء الخلية ، وتخترقها من خلالها ومن خلالها. من خلالهم ، كما هو الحال من خلال الأنفاق ، تنتقل المواد غير القادرة على المرور عبر الدهون إلى داخل الخلية وخارجها.من خلال القنوات الأيونية ، تخترق أيونات البوتاسيوم الخلية وتتراكم فيها ، بينما يتم إخراج أيونات الصوديوم ، على العكس من ذلك. هناك فرق في الجهد الكهربائي ، لذا فهو ضروري لعمل جميع خلايا الجسم بشكل صحيح.

[فيديو تعليمي] بنية الغشاء البلازمي للخلية:

أهم الاستنتاجات حول بنية ووظائف أغشية الخلايا

تبدو النظرية دائمًا مثيرة للاهتمام وواعدة إذا كان من الممكن تطبيقها بشكل مفيد في الممارسة العملية. سمح اكتشاف بنية ووظائف أغشية الخلايا في جسم الإنسان للعلماء بإحداث اختراق حقيقي في العلوم بشكل عام وفي الطب بشكل خاص. ليس من قبيل المصادفة أننا ركزنا على القنوات الأيونية بمثل هذه التفاصيل ، لأنه هنا تكمن الإجابة على أحد أهم الأسئلة في عصرنا: لماذا يمرض الناس بشكل متزايد بسبب الأورام؟

يودي السرطان بحياة حوالي 17 مليون شخص في جميع أنحاء العالم كل عام وهو رابع سبب رئيسي لجميع الوفيات. وبحسب منظمة الصحة العالمية ، فإن حالات الإصابة بالسرطان في ازدياد مطرد ، وبحلول نهاية عام 2020 قد تصل إلى 25 مليون في السنة.

ما الذي يفسر الوباء الحقيقي للسرطان ، وما علاقة وظيفة أغشية الخلايا به؟ ستقولون: السبب في الظروف البيئية السيئة وسوء التغذية والعادات السيئة والوراثة الثقيلة. وبالطبع ستكون على حق ، لكن إذا تحدثنا عن المشكلة بمزيد من التفصيل ، فإن السبب هو تحمض جسم الإنسان. العوامل السلبية المذكورة أعلاه تؤدي إلى تمزق أغشية الخلايا وتثبيط التنفس والتغذية.

حيث يجب أن يكون هناك علامة زائد ، يتم تشكيل ناقص ، ولا يمكن للخلية أن تعمل بشكل طبيعي. لكن الخلايا السرطانية لا تحتاج إلى أكسجين أو بيئة قلوية - فهي قادرة على استخدام نوع من التغذية اللاهوائية. لذلك ، في ظروف تجويع الأكسجين ومستويات الأس الهيدروجيني خارج النطاق ، تتحور الخلايا السليمة ، وترغب في التكيف مع البيئة ، وتصبح خلايا سرطانية. هذه هي الطريقة التي يصاب بها الإنسان بالسرطان. لتجنب ذلك ، تحتاج فقط إلى شرب كمية كافية من الماء النظيف يوميًا ، والتخلي عن المواد المسرطنة في الطعام.لكن ، كقاعدة عامة ، يدرك الناس جيدًا المنتجات الضارة والحاجة إلى مياه جيدة ، ولا يفعلون شيئًا - يأملون أن تتخطى المشكلة.

معرفة ميزات بنية ووظائف أغشية الخلايا للخلايا المختلفة ، يمكن للأطباء استخدام هذه المعلومات لتوفير تأثيرات علاجية مستهدفة وموجهة على الجسم. تبحث العديد من الأدوية الحديثة ، التي تدخل أجسامنا ، عن "الهدف" الصحيح ، والذي يمكن أن يكون قنوات أيونية ، وإنزيمات ، ومستقبلات ، ومؤشرات حيوية لأغشية الخلايا. تسمح لك طريقة العلاج هذه بتحقيق نتائج أفضل مع الحد الأدنى من الآثار الجانبية.

أحدث جيل من المضادات الحيوية ، عندما تدخل مجرى الدم ، لا تقتل جميع الخلايا على التوالي ، ولكن ابحث عن خلايا العامل الممرض بالضبط ، مع التركيز على العلامات الموجودة في أغشية الخلايا. أحدث الأدوية المضادة للصداع النصفي ، أدوية التريبتان ، تعمل فقط على تضييق الأوعية الدموية الملتهبة ، بينما لا تؤثر تقريبًا على القلب والجهاز الدوري المحيطي.ويتعرفون على الأوعية الضرورية بدقة عن طريق بروتينات أغشية خلاياهم. هناك العديد من هذه الأمثلة ، لذلك يمكننا القول بثقة أن المعرفة حول بنية ووظائف أغشية الخلايا تكمن وراء تطور العلوم الطبية الحديثة ، وتنقذ ملايين الأرواح كل عام.