Membrana celular - a estrutura e função da membrana celular

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Membrana celular - a estrutura e função da membrana celular
Membrana celular - a estrutura e função da membrana celular
Anonim

Membrana Celular

membrana celular
membrana celular

Todos os organismos vivos na Terra são compostos de células, e cada célula é cercada por uma casca protetora - uma membrana. No entanto, as funções da membrana não se limitam a proteger organelas e separar uma célula da outra. A membrana celular é um mecanismo complexo que está diretamente envolvido na reprodução, regeneração, nutrição, respiração e muitas outras funções importantes da célula.

O termo "membrana celular" tem sido usado por cerca de cem anos. A palavra "membrana" na tradução do latim significa "filme". Mas no caso de uma membrana celular, seria mais correto falar de uma combinação de dois filmes conectados um ao outro de uma certa maneira, além disso, lados diferentes desses filmes possuem propriedades diferentes.

A membrana celular (citolema, plasmalema) é uma membrana de três camadas de lipoproteína (proteína de gordura) que separa cada célula das células vizinhas e do meio ambiente, e realiza uma troca controlada entre as células e o meio ambiente.

O fator decisivo nesta definição não é que a membrana celular separe uma célula da outra, mas que ela garanta sua interação com outras células e com o meio ambiente. A membrana é uma estrutura da célula muito ativa e em constante trabalho, na qual muitas funções são atribuídas pela natureza. Em nosso artigo, você aprenderá tudo sobre a composição, estrutura, propriedades e funções da membrana celular, bem como o perigo que representa para a saúde humana os distúrbios no funcionamento das membranas celulares.

História da pesquisa de membranas celulares

Em 1925, dois cientistas alemães, Gorter e Grendel, foram capazes de realizar um experimento complexo em glóbulos vermelhos humanos, eritrócitos. Usando choque osmótico, os pesquisadores obtiveram as chamadas "sombras" - conchas vazias de glóbulos vermelhos, depois as colocaram em uma pilha e mediram a área da superfície. O próximo passo foi calcular a quantidade de lipídios na membrana celular. Usando acetona, os cientistas isolaram os lipídios das "sombras" e determinaram que eles eram apenas o suficiente para uma dupla camada contínua.

No entanto, durante o experimento, dois erros graves foram cometidos:

  • O uso de acetona não permite que todos os lipídios sejam isolados das membranas;
  • A área da superfície das "sombras" foi calculada pelo peso seco, o que também está incorreto.

Como o primeiro erro deu um menos nos cálculos, e o segundo deu um positivo, o resultado geral acabou sendo surpreendentemente preciso, e os cientistas alemães trouxeram a descoberta mais importante para o mundo científico - a bicamada lipídica da membrana celular.

Em 1935 outra dupla de pesquisadores, Danielle e Dawson, após longos experimentos com filmes bilípides chegaram à conclusão sobre a presença de proteínas nas membranas celulares. Não havia outra maneira de explicar por que esses filmes têm uma tensão superficial tão alta. Os cientistas apresentaram ao público um modelo esquemático de uma membrana celular, semelhante a um sanduíche, onde camadas homogêneas de lipídio-proteína desempenham o papel de fatias de pão, e entre elas, em vez de óleo, há um vazio.

Em 1950, com a ajuda do primeiro microscópio eletrônico, a teoria de Danielly-Dawson foi parcialmente confirmada - microfotografias da membrana celular mostraram claramente duas camadas compostas de lipídios e proteínas cabeças, e entre elas há um espaço transparente preenchido apenas com caudas de lipídios e proteínas.

Em 1960, guiado por esses dados, o microbiologista americano J. Robertson desenvolveu uma teoria sobre a estrutura de três camadas das membranas celulares, que por muito tempo foi considerada a único verdadeiro. No entanto, à medida que a ciência se desenvolveu, mais e mais dúvidas surgiram sobre a homogeneidade dessas camadas. Do ponto de vista da termodinâmica, essa estrutura é extremamente desfavorável - seria muito difícil para as células transportar substâncias para dentro e para fora de todo o "sanduíche". Além disso, foi comprovado que as membranas celulares de diferentes tecidos possuem diferentes espessuras e métodos de fixação, que se devem a diferentes funções dos órgãos.

Em 1972 microbiologistas S. D. Cantora e G. L. Nicholson foi capaz de explicar todas as inconsistências da teoria de Robertson com a ajuda de um novo modelo de mosaico fluido da membrana celular. Os cientistas descobriram que a membrana é heterogênea, assimétrica, cheia de fluido e suas células estão em constante movimento. E as proteínas que compõem sua composição possuem estrutura e finalidade diferenciadas, além disso, estão localizadas de forma diferente em relação à camada bilipídica da membrana.

Existem três tipos de proteínas nas membranas celulares:

  • Peripheral - fixado na superfície do filme;
  • Semi-integral – penetra parcialmente na camada bilípides;
  • Integral – penetra completamente na membrana.

As proteínas periféricas são conectadas às cabeças dos lipídios da membrana por meio de interação eletrostática, e nunca formam uma camada contínua, como se acreditava anteriormente. E as proteínas semi-integrais e integrais servem para transportar oxigênio e nutrientes para dentro da célula, bem como para remover produtos de decomposição dela, e para várias outras funções importantes, sobre as quais você aprenderá mais tarde.

Propriedades e funções da membrana celular

Propriedades e funções da membrana celular
Propriedades e funções da membrana celular

A membrana celular desempenha as seguintes funções:

  • Barrier - a permeabilidade da membrana para diferentes tipos de moléculas não é a mesma. Para contornar a membrana celular, a molécula deve ter um certo tamanho, propriedades químicas e elétricas carregar. Moléculas nocivas ou inadequadas, devido à função de barreira da membrana celular, simplesmente não podem entrar na célula. Por exemplo, com a ajuda da reação de peroxis, a membrana protege o citoplasma de peróxidos perigosos;
  • Transporte - passagem passiva, ativa, regulada e seletiva através da membrana. O metabolismo passivo é adequado para substâncias e gases solúveis em gordura que consistem em moléculas muito pequenas. Tais substâncias penetram e saem da célula sem gasto de energia, livremente, por difusão. A função de transporte ativo da membrana celular é ativada quando necessário, mas substâncias difíceis de transportar precisam ser transportadas para dentro ou para fora da célula. Por exemplo, aqueles com um grande tamanho molecular, ou incapazes de atravessar a camada bilípides devido à hidrofobicidade. Em seguida, as bombas de proteínas começam a funcionar, incluindo a ATPase, que é responsável pela absorção de íons de potássio na célula e pela ejeção de íons de sódio dela. O transporte regulado é essencial para as funções de secreção e fermentação, como quando as células produzem e secretam hormônios ou suco gástrico. Todas essas substâncias saem das células por canais especiais e em um determinado volume. E a função de transporte seletivo está associada às próprias proteínas integrais que penetram na membrana e servem de canal para entrada e saída de tipos de moléculas estritamente definidos;
  • Matriz - a membrana celular determina e fixa a localização das organelas em relação umas às outras (núcleo, mitocôndria, cloroplastos) e regula a interação entre elas;
  • Mecânica - garante a restrição de uma célula da outra e, ao mesmo tempo, a conexão correta das células em um tecido homogêneo e a resistência dos órgãos à deformação;
  • Protetor - tanto em plantas como em animais, a membrana celular serve de base para a construção de uma estrutura protetora. Um exemplo é madeira dura, casca densa, espinhos espinhosos. No reino animal, também existem muitos exemplos da função protetora das membranas celulares - casco de tartaruga, casco quitinoso, cascos e chifres;
  • Energia - os processos de fotossíntese e respiração celular seriam impossíveis sem a participação das proteínas da membrana celular, pois é através dos canais proteicos que as células trocam energia;
  • Receptor- proteínas construídas na membrana celular podem ter outra função importante. Eles servem como receptores através dos quais a célula recebe um sinal de hormônios e neurotransmissores. E isso, por sua vez, é necessário para a condução dos impulsos nervosos e o curso normal dos processos hormonais;
  • Enzymatic é outra função importante inerente a algumas proteínas da membrana celular. Por exemplo, no epitélio intestinal, as enzimas digestivas são sintetizadas com a ajuda de tais proteínas;
  • Biopotencial - a concentração de íons potássio dentro da célula é muito maior do que fora, e a concentração de íons sódio, pelo contrário, fora é maior que dentro. Isso explica a diferença de potencial: dentro da célula a carga é negativa, fora é positiva, o que contribui para o movimento de substâncias para dentro e para fora da célula em qualquer um dos três tipos de metabolismo - fagocitose, pinocitose e exocitose;
  • Labeling - na superfície das membranas celulares existem os chamados "labels" - antígenos que consistem em glicoproteínas (proteínas com cadeias laterais de oligossacarídeos ramificadas ligadas a elas). Como as cadeias laterais podem ter uma enorme variedade de configurações, cada tipo de célula recebe seu próprio rótulo exclusivo que permite que outras células do corpo as reconheçam “à vista” e respondam a elas corretamente. É por isso que, por exemplo, células imunes humanas, macrófagos, reconhecem facilmente um estranho que entrou no corpo (infecção, vírus) e tentam destruí-lo. O mesmo acontece com células doentes, mutantes e velhas - o rótulo em sua membrana celular muda e o corpo se livra delas.

A troca celular ocorre através das membranas e pode ser realizada usando três tipos principais de reações:

  • Fagocitose é um processo celular no qual células fagocíticas embutidas na membrana capturam e digerem partículas sólidas de nutrientes. No corpo humano, a fagocitose é realizada por membranas de dois tipos de células: granulócitos (leucócitos granulares) e macrófagos (células assassinas do sistema imunológico);
  • Pinocitose - o processo de captura da superfície da membrana celular de moléculas de fluido em contato com ela. Para a nutrição pelo tipo de pinocitose, a célula cresce saliências finas e fofas na forma de antenas em sua membrana, que, por assim dizer, cercam uma gota de líquido e uma bolha é obtida. Primeiro, essa vesícula se projeta acima da superfície da membrana e depois é “engolida” - se esconde dentro da célula e suas paredes se fundem com a superfície interna da membrana celular. A pinocitose ocorre em quase todas as células vivas;
  • Exocitose é um processo inverso no qual vesículas com um fluido funcional secretor (enzima, hormônio) são formadas dentro da célula, e deve de alguma forma ser removida da célula para o meio Ambiente. Para fazer isso, a vesícula primeiro se funde com a superfície interna da membrana celular, depois se projeta para fora, explode, expele o conteúdo e novamente se funde com a superfície da membrana, desta vez do lado de fora. A exocitose ocorre, por exemplo, nas células do epitélio intestinal e do córtex adrenal.

Estrutura da membrana celular

As membranas celulares contêm três classes de lipídios:

  • Fosfolipídios;
  • Glicolipídios;
  • Colesterol.
A estrutura da membrana celular
A estrutura da membrana celular

Fosfolipídios (combinação de gorduras e fósforo) e glicolipídios (combinação de gorduras e carboidratos), por sua vez, consistem em uma cabeça hidrofílica, da qual se estendem duas longas caudas hidrofóbicas. Mas o colesterol às vezes ocupa o espaço entre essas duas caudas e não permite que elas se dobrem, o que torna as membranas de algumas células rígidas. Além disso, as moléculas de colesterol regulam a estrutura das membranas celulares e impedem a transferência de moléculas polares de uma célula para outra.

Mas o componente mais importante, como você pode ver na seção anterior sobre as funções das membranas celulares, são as proteínas. Sua composição, finalidade e localização são muito diversas, mas há algo em comum que os une: os lipídios anulares estão sempre localizados ao redor das proteínas das membranas celulares. São gorduras especiais que são claramente estruturadas, estáveis, possuem mais ácidos graxos saturados em sua composição e são liberadas das membranas junto com as proteínas “patrocinadas”. Este é um tipo de escudo protetor pessoal para proteínas, sem o qual elas simplesmente não funcionariam.

A estrutura da membrana celular é de três camadas. Uma camada bilípides líquida relativamente homogênea fica no meio, e as proteínas a cobrem em ambos os lados com uma espécie de mosaico, penetrando parcialmente na espessura. Ou seja, seria errado pensar que as camadas proteicas externas das membranas celulares são contínuas. As proteínas, além de suas funções complexas, são necessárias na membrana para passar dentro das células e transportar para fora delas as substâncias que não conseguem penetrar na camada de gordura. Por exemplo, íons potássio e sódio. Para eles, são fornecidas estruturas especiais de proteínas - canais iônicos, que discutiremos com mais detalhes abaixo.

Se você observar a membrana celular através de um microscópio, poderá ver uma camada de lipídios formada pelas menores moléculas esféricas, sobre as quais, como o mar, flutuam grandes células proteicas de vários formatos. Exatamente as mesmas membranas dividem o espaço interno de cada célula em compartimentos nos quais o núcleo, os cloroplastos e as mitocôndrias estão confortavelmente localizados. Se não houvesse “salas” separadas dentro da célula, as organelas ficariam juntas umas às outras e não seriam capazes de desempenhar suas funções corretamente.

Cell é um conjunto de organelas estruturadas e separadas por membranas, que está envolvida em um complexo de processos energéticos, metabólicos, informativos e reprodutivos que garantem a atividade vital do organismo.

Como você pode ver nesta definição, a membrana é o componente funcional mais importante de qualquer célula. Seu significado é tão grande quanto o do núcleo, mitocôndrias e outras organelas celulares. E as propriedades únicas da membrana devem-se à sua estrutura: é constituída por duas películas coladas de forma especial. Moléculas de fosfolipídios na membrana estão localizadas com cabeças hidrofílicas para fora e caudas hidrofóbicas para dentro. Portanto, um lado do filme é molhado pela água, enquanto o outro não. Assim, esses filmes são conectados uns aos outros com os lados não molháveis para dentro, formando uma camada bilipídica cercada por moléculas de proteína. Esta é a própria estrutura “sanduíche” da membrana celular.

Canais iônicos das membranas celulares

Vamos considerar com mais detalhes o princípio de operação dos canais iônicos. Para que são necessários? O fato é que apenas substâncias lipossolúveis podem penetrar livremente através da membrana lipídica - são gases, álcoois e gorduras. Assim, por exemplo, nos glóbulos vermelhos há uma troca constante de oxigênio e dióxido de carbono e, para isso, nosso corpo não precisa recorrer a nenhum truque adicional. Mas e quando se torna necessário transportar soluções aquosas, como sais de sódio e potássio, através da membrana celular?

Seria impossível pavimentar o caminho para tais substâncias na camada bilipídica, já que os orifícios imediatamente se apertariam e se colariam de volta, tal é a estrutura de qualquer tecido adiposo. Mas a natureza, como sempre, encontrou uma saída para a situação e criou estruturas especiais de transporte de proteínas.

Existem dois tipos de proteínas condutoras:

  • Transporters – proteínas de bomba semi-integrais;
  • Channelformers – proteínas integrais.

Proteínas do primeiro tipo são parcialmente imersas na camada bilipídica da membrana celular, e olham para fora com a cabeça e, na presença da substância certa, começam a se comportar como uma bomba: atraem uma molécula e sugá-lo para dentro da célula. E as proteínas do segundo tipo, integrais, têm uma forma alongada e estão localizadas perpendicularmente à camada bilipídica da membrana celular, penetrando-a por completo. Através deles, como através de túneis, substâncias que são incapazes de passar pela gordura se movem para dentro e para fora da célula. É através dos canais iônicos que os íons de potássio penetram na célula e se acumulam nela, enquanto os íons de sódio, pelo contrário, são trazidos para fora. Existe uma diferença de potenciais elétricos, tão necessários para o bom funcionamento de todas as células do nosso corpo.

[Vídeo instrucional] A estrutura da membrana plasmática da célula:

As conclusões mais importantes sobre a estrutura e funções das membranas celulares

Teoria sempre parece interessante e promissora se puder ser utilmente aplicada na prática. A descoberta da estrutura e das funções das membranas celulares do corpo humano permitiu aos cientistas fazer um verdadeiro avanço na ciência em geral e na medicina em particular. Não é por acaso que nos debruçamos sobre os canais iônicos com tantos detalhes, porque é aqui que está a resposta para uma das perguntas mais importantes do nosso tempo: por que as pessoas adoecem cada vez mais com a oncologia?

Câncer ceifa cerca de 17 milhões de vidas em todo o mundo todos os anos e é a quarta principal causa de todas as mortes. Segundo a OMS, a incidência de câncer está aumentando constantemente e, até o final de 2020, poderá chegar a 25 milhões por ano.

O que explica a verdadeira epidemia de câncer e o que a função das membranas celulares tem a ver com isso? Você dirá: o motivo está em más condições ambientais, desnutrição, maus hábitos e hereditariedade pesada. E, claro, você estará certo, mas se falarmos sobre o problema com mais detalhes, o motivo é a acidificação do corpo humano. Os fatores negativos listados acima levam à ruptura das membranas celulares, inibem a respiração e a nutrição.

Onde deveria haver um mais, um menos é formado e a célula não pode funcionar normalmente. Mas as células cancerosas não precisam de oxigênio ou de um ambiente alcalino - elas são capazes de usar um tipo de nutrição anaeróbica. Portanto, em condições de f alta de oxigênio e níveis de pH fora de escala, as células saudáveis sofrem mutações, querendo se adaptar ao ambiente, e se tornam células cancerígenas. É assim que uma pessoa tem câncer. Para evitar isso, você só precisa beber água limpa suficiente diariamente e abandonar os agentes cancerígenos nos alimentos. Mas, como regra, as pessoas estão bem cientes dos produtos nocivos e da necessidade de água de qualidade, e não fazem nada - eles esperam que os problemas os contornem.

Conhecendo as características da estrutura e funções das membranas celulares de diferentes células, os médicos podem usar essas informações para fornecer efeitos terapêuticos direcionados e direcionados no corpo. Muitas drogas modernas, entrando em nosso corpo, estão procurando o "alvo" certo, que pode ser canais iônicos, enzimas, receptores e biomarcadores de membranas celulares. Este método de tratamento permite obter melhores resultados com efeitos colaterais mínimos.

Os antibióticos de última geração, quando entram na corrente sanguínea, não matam todas as células consecutivas, mas procuram exatamente as células do patógeno, focando em marcadores em suas membranas celulares. Os mais novos medicamentos anti-enxaqueca, os triptanos, apenas contraem os vasos cerebrais inflamados, enquanto quase não têm efeito sobre o coração e o sistema circulatório periférico. E reconhecem os vasos necessários precisamente pelas proteínas de suas membranas celulares. Existem muitos exemplos, então podemos dizer com confiança que o conhecimento sobre a estrutura e as funções das membranas celulares é a base do desenvolvimento da ciência médica moderna e salva milhões de vidas todos os anos.

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