غشاء الخلية
صورة لغشاء الخلية. تتوافق الكرات الصغيرة الزرقاء والبيضاء مع "رؤوس" الدهون الفوسفاتية الكارهة للماء، وتتوافق الخطوط المرتبطة بها مع "الذيول" المحبة للماء. يوضح الشكل بروتينات الغشاء المتكاملة فقط (الكريات الحمراء والحلزونات الصفراء). نقاط بيضاوية صفراء داخل الغشاء - جزيئات الكولسترول. سلاسل من الخرزات الصفراء والخضراء على السطح الخارجي للغشاء - سلاسل من السكريات قليلة التعدد تشكل الكأس السكري.
يشتمل الغشاء البيولوجي أيضًا على بروتينات مختلفة: متكاملة (تخترق الغشاء من خلاله)، وشبه متكاملة (مغمورة عند أحد طرفيه في الطبقة الدهنية الخارجية أو الداخلية)، وسطحية (تقع على الجانب الخارجي أو المجاور للجوانب الداخلية للغشاء). بعض البروتينات هي نقاط الاتصال بين غشاء الخلية والهيكل الخلوي داخل الخلية، وجدار الخلية (إذا كان هناك واحد) في الخارج. تعمل بعض البروتينات المتكاملة كقنوات أيونية وناقلات ومستقبلات مختلفة.
المهام
- الحاجز - يضمن عملية التمثيل الغذائي المنظم والانتقائي والسلبي والنشط مع البيئة. على سبيل المثال، يحمي غشاء البيروكسيسوم السيتوبلازم من البيروكسيدات التي تشكل خطرا على الخلية. النفاذية الانتقائية تعني أن نفاذية الغشاء للذرات أو الجزيئات المختلفة تعتمد على حجمها وشحنتها الكهربائية وخصائصها الكيميائية. تضمن النفاذية الانتقائية فصل الخلية والأقسام الخلوية عن البيئة وتزويدها بالمواد الضرورية.
- النقل - يتم نقل المواد من وإلى الخلية عبر الغشاء. يضمن النقل عبر الأغشية: توصيل العناصر الغذائية، وإزالة المنتجات الأيضية النهائية، وإفراز المواد المختلفة، وإنشاء التدرجات الأيونية، والحفاظ على تركيزات الأيونات المثلى في الخلية والتي تعتبر ضرورية لعمل الإنزيمات الخلوية.
الجسيمات التي لا تستطيع لأي سبب من الأسباب عبور طبقة ثنائية الفسفوليبيد (على سبيل المثال، بسبب خصائصها المحبة للماء، حيث أن الغشاء الداخلي كاره للماء ولا يسمح بمرور المواد المحبة للماء، أو بسبب حجمها الكبير)، ولكنها ضرورية للخلية ، يمكن أن يخترق الغشاء من خلال بروتينات حاملة خاصة (الناقلات) وبروتينات القناة أو عن طريق الالتقام الخلوي.
في النقل السلبي، تعبر المواد الطبقة الدهنية الثنائية دون إنفاق الطاقة على طول تدرج التركيز عن طريق الانتشار. أحد أشكال هذه الآلية هو تسهيل الانتشار، حيث يساعد جزيء معين المادة على المرور عبر الغشاء. قد يحتوي هذا الجزيء على قناة تسمح بمرور نوع واحد فقط من المواد.
يتطلب النقل النشط طاقة لأنه يحدث مقابل تدرج التركيز. توجد بروتينات مضخة خاصة على الغشاء، بما في ذلك ATPase، الذي يضخ بنشاط أيونات البوتاسيوم (K+) إلى داخل الخلية ويضخ أيونات الصوديوم (Na+) خارجها. - المصفوفة - تضمن موقعًا نسبيًا معينًا واتجاهًا لبروتينات الغشاء وتفاعلها الأمثل.
- الميكانيكية - يضمن استقلالية الخلية، وهياكلها داخل الخلايا، وكذلك الاتصال مع الخلايا الأخرى (في الأنسجة). تلعب جدران الخلايا دورًا رئيسيًا في ضمان الوظيفة الميكانيكية، وفي الحيوانات، المادة بين الخلايا.
- الطاقة - أثناء عملية التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء والتنفس الخلوي في الميتوكوندريا، تعمل أنظمة نقل الطاقة في أغشيتها، والتي تشارك فيها البروتينات أيضًا؛
- المستقبل - بعض البروتينات الموجودة في الغشاء هي مستقبلات (جزيئات تستقبل الخلية من خلالها إشارات معينة).
على سبيل المثال، تعمل الهرمونات المنتشرة في الدم فقط على الخلايا المستهدفة التي لديها مستقبلات تتوافق مع هذه الهرمونات. ترتبط الناقلات العصبية (المواد الكيميائية التي تضمن توصيل النبضات العصبية) أيضًا ببروتينات مستقبلات خاصة في الخلايا المستهدفة. - الأنزيمية - بروتينات الغشاء غالبا ما تكون إنزيمات. على سبيل المثال، تحتوي الأغشية البلازمية للخلايا الظهارية المعوية على إنزيمات هضمية.
- تنفيذ توليد وتوصيل القدرات الحيوية.
بمساعدة الغشاء، يتم الحفاظ على تركيز ثابت للأيونات في الخلية: تركيز أيون K+ داخل الخلية أعلى بكثير منه خارجها، وتركيز Na+ أقل بكثير، وهو أمر مهم للغاية، لأن هذا يضمن الحفاظ على فرق الجهد على الغشاء وتوليد دفعة عصبية. - وضع علامات على الخلية - توجد مستضدات على الغشاء تعمل كعلامات - "علامات" تسمح بالتعرف على الخلية. هذه هي البروتينات السكرية (أي البروتينات ذات السلاسل الجانبية المتفرعة من السكريات قليلة السكاريد المرتبطة بها) والتي تلعب دور "الهوائيات". بسبب التكوينات التي لا تعد ولا تحصى من السلاسل الجانبية، فمن الممكن عمل علامة محددة لكل نوع من الخلايا. وبمساعدة العلامات، يمكن للخلايا التعرف على الخلايا الأخرى والعمل بالتنسيق معها، على سبيل المثال، في تكوين الأعضاء والأنسجة. وهذا يسمح أيضًا لجهاز المناعة بالتعرف على المستضدات الأجنبية.
هيكل وتكوين الأغشية الحيوية
تتكون الأغشية من ثلاث فئات من الدهون: الدهون الفوسفاتية، والجليكوليبيدات، والكولسترول. تتكون الدهون الفسفورية والجليكوليبيدات (الدهون المرتبطة بالكربوهيدرات) من ذيلين هيدروكربونيين طويلين كارهين للماء متصلين برأس مشحون محب للماء. يمنح الكوليسترول الغشاء صلابة عن طريق احتلال المساحة الحرة بين ذيول الدهون الكارهة للماء ومنعها من الانحناء. لذلك، تكون الأغشية ذات المحتوى المنخفض من الكوليسترول أكثر مرونة، والأغشية ذات المحتوى العالي من الكوليسترول أكثر صلابة وهشاشة. يعمل الكوليسترول أيضًا بمثابة "سدادة" تمنع حركة الجزيئات القطبية من الخلية إلى الخلية. يتكون جزء مهم من الغشاء من البروتينات التي تخترقه وتكون مسؤولة عن الخصائص المختلفة للأغشية. يختلف تكوينها واتجاهها باختلاف الأغشية.
غالبًا ما تكون أغشية الخلايا غير متماثلة، أي أن الطبقات تختلف في تكوين الدهون، وانتقال الجزيء الفردي من طبقة إلى أخرى (ما يسمى نعال الشاطئ) أمر صعب.
العضيات الغشائية
وهي عبارة عن أقسام مغلقة مفردة أو مترابطة من السيتوبلازم، مفصولة عن الهيالوبلازم بواسطة الأغشية. تشمل العضيات ذات الغشاء الواحد الشبكة الإندوبلازمية، وجهاز جولجي، والجسيمات الحالة، والفجوات، والبيروكسيسومات؛ لمضاعفة الأغشية - النواة، الميتوكوندريا، البلاستيدات. يختلف هيكل أغشية العضيات المختلفة في تكوين الدهون وبروتينات الغشاء.
النفاذية الاختيارية
تتمتع أغشية الخلايا بنفاذية انتقائية: ينتشر الجلوكوز والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية والجلسرين والأيونات ببطء من خلالها، والأغشية نفسها، إلى حد ما، تنظم هذه العملية بنشاط - تمر بعض المواد عبرها، لكن البعض الآخر لا يمر بها. هناك أربع آليات رئيسية لدخول المواد إلى الخلية أو إخراجها من الخلية إلى الخارج: الانتشار، والتناضح، والنقل النشط، والإخراج الخارجي أو الالتقام الخلوي. العمليتان الأوليان سلبيتان بطبيعتهما، أي أنهما لا تحتاجان إلى طاقة؛ العمليتان الأخيرتان هما عمليتان نشطتان مرتبطتان باستهلاك الطاقة.
ترجع النفاذية الانتقائية للغشاء أثناء النقل السلبي إلى قنوات خاصة - بروتينات متكاملة. إنهم يخترقون الغشاء مباشرة، ويشكلون نوعا من الممر. العناصر K و Na و Cl لها قنواتها الخاصة. بالنسبة لتدرج التركيز، تتحرك جزيئات هذه العناصر داخل وخارج الخلية. عند التهيج، تنفتح قنوات أيونات الصوديوم ويحدث تدفق مفاجئ لأيونات الصوديوم إلى الخلية. في هذه الحالة، يحدث خلل في إمكانات الغشاء. وبعد ذلك يتم استعادة إمكانات الغشاء. تكون قنوات البوتاسيوم مفتوحة دائمًا، مما يسمح لأيونات البوتاسيوم بالدخول ببطء إلى الخلية.
أنظر أيضا
الأدب
- أنتونوف في.ف.، سميرنوفا إي.إن.، شيفتشينكو إي.في.الأغشية الدهنية خلال التحولات المرحلة. - م: العلوم، 1994.
- جينيس ر.الأغشية الحيوية. التركيب الجزيئي والوظائف: الترجمة من الإنجليزية. = الأغشية الحيوية. التركيب الجزيئي والوظيفة (بقلم روبرت ب. جينيس). - الطبعة الأولى. - م: مير، 1997. - ISBN 5-03-002419-0
- إيفانوف في جي، بيريستوفسكي تي إن.طبقة ثنائية الدهون من الأغشية البيولوجية. - م: ناوكا، 1982.
- روبن أ.ب.الفيزياء الحيوية، كتاب مدرسي في مجلدين. - الطبعة الثالثة، مصححة وموسعة. - م: دار النشر بجامعة موسكو، 2004. -
فرع علم الأحياء المسمى علم الخلايا يدرس بنية الكائنات الحية، وكذلك النباتات والحيوانات والبشر. لقد وجد العلماء أن محتويات الخلية الموجودة بداخلها معقدة للغاية. إنه محاط بما يسمى بالجهاز السطحي، والذي يتضمن غشاء الخلية الخارجي، وهياكل الغشاء فوق: الجليكوكليكس وكذلك الخيوط الدقيقة، والحبيبات، والأنابيب الدقيقة التي تشكل مجمع الغشاء تحته.
في هذه المقالة سوف ندرس بنية ووظائف غشاء الخلية الخارجي، وهو جزء من الجهاز السطحي لأنواع مختلفة من الخلايا.
ما هي الوظائف التي يؤديها غشاء الخلية الخارجي؟
كما هو موضح سابقًا، يعد الغشاء الخارجي جزءًا من الجهاز السطحي لكل خلية، والذي يفصل محتوياتها الداخلية بنجاح ويحمي العضيات الخلوية من الظروف البيئية المعاكسة. وظيفة أخرى هي ضمان التمثيل الغذائي بين محتويات الخلية وسائل الأنسجة، فيقوم غشاء الخلية الخارجي بنقل الجزيئات والأيونات التي تدخل إلى السيتوبلازم، كما يساعد على إزالة النفايات والمواد السامة الزائدة من الخلية.
هيكل غشاء الخلية
تختلف الأغشية، أو الأغشية البلازمية، لأنواع مختلفة من الخلايا بشكل كبير عن بعضها البعض. بشكل رئيسي، من خلال تركيبها الكيميائي، وكذلك المحتوى النسبي للدهون والبروتينات السكرية والبروتينات، وبالتالي طبيعة المستقبلات الموجودة فيها. ويشارك الجزء الخارجي، الذي يتم تحديده بشكل أساسي من خلال التركيب الفردي للبروتينات السكرية، في التعرف على المحفزات البيئية وفي تفاعلات الخلية نفسها مع أفعالها. يمكن لبعض أنواع الفيروسات أن تتفاعل مع البروتينات والجليكوليبيدات الموجودة في أغشية الخلايا، ونتيجة لذلك تخترق الخلية. يمكن استخدام فيروسات الهربس والأنفلونزا لبناء قشرتها الواقية.
والفيروسات والبكتيريا، التي تسمى العاثيات، تلتصق بغشاء الخلية وتذيبها عند نقطة التلامس باستخدام إنزيم خاص. ثم يمر جزيء الحمض النووي الفيروسي إلى الحفرة الناتجة.
ملامح هيكل غشاء البلازما في حقيقيات النوى
ولنتذكر أن غشاء الخلية الخارجي يؤدي وظيفة النقل، أي نقل المواد داخل وخارج الخلية إلى البيئة الخارجية. لتنفيذ مثل هذه العملية، مطلوب هيكل خاص. في الواقع، البلازماليما هي نظام عالمي دائم للأجهزة السطحية. إنه فيلم رقيق (2-10 نانومتر) ولكنه متعدد الطبقات كثيف جدًا ويغطي الخلية بأكملها. تمت دراسة بنيتها في عام 1972 من قبل علماء مثل د.سينغر وجي.نيكلسون، وقاموا أيضًا بإنشاء نموذج فسيفساء سائل لغشاء الخلية.
المركبات الكيميائية الرئيسية التي تشكلها هي جزيئات مرتبة من البروتينات وبعض الدهون الفوسفاتية، والتي تكون مدمجة في وسط دهني سائل وتشبه الفسيفساء. وبالتالي، يتكون غشاء الخلية من طبقتين من الدهون، حيث توجد "ذيول" غير قطبية كارهة للماء داخل الغشاء، وتواجه الرؤوس القطبية المحبة للماء سيتوبلازم الخلية والسائل بين الخلايا.
يتم اختراق الطبقة الدهنية بواسطة جزيئات بروتينية كبيرة تشكل مسام محبة للماء. ومن خلالها يتم نقل المحاليل المائية للجلوكوز والأملاح المعدنية. توجد بعض جزيئات البروتين على الأسطح الخارجية والداخلية للبلازما. وهكذا، على غشاء الخلية الخارجي في خلايا جميع الكائنات الحية ذات النوى توجد جزيئات الكربوهيدرات المرتبطة بروابط تساهمية بالجليكوليبيدات والبروتينات السكرية. يتراوح محتوى الكربوهيدرات في أغشية الخلايا من 2 إلى 10٪.
هيكل البلازما للكائنات بدائية النواة
يؤدي غشاء الخلية الخارجي في بدائيات النوى وظائف مشابهة للأغشية البلازمية لخلايا الكائنات النووية، وهي: إدراك ونقل المعلومات الواردة من البيئة الخارجية، ونقل الأيونات والمحاليل داخل وخارج الخلية، وحماية السيتوبلازم من الأجسام الغريبة. الكواشف من الخارج. يمكن أن تشكل الجسيمات المتوسطة - الهياكل التي تنشأ عندما يتم اختراق غشاء البلازما في الخلية. قد تحتوي على إنزيمات تشارك في التفاعلات الأيضية لبدائيات النوى، على سبيل المثال، تكرار الحمض النووي وتخليق البروتين.
تحتوي الجسيمات المتوسطة أيضًا على إنزيمات الأكسدة والاختزال، وتحتوي مواد البناء الضوئي على بكتيريا كلوروفيل (في البكتيريا) وفيكوبيلين (في البكتيريا الزرقاء).
دور الأغشية الخارجية في الاتصالات بين الخلايا
لمواصلة الإجابة على سؤال ما هي الوظائف التي يؤديها غشاء الخلية الخارجي، دعونا نتناول دورها. في الخلايا النباتية، تتشكل المسام في جدران غشاء الخلية الخارجي، والتي تمر إلى طبقة السليلوز. من خلالها، يمكن لسيتوبلازم الخلية الخروج إلى الخارج، وتسمى هذه القنوات الرقيقة بلازموديسماتا.
وبفضلهم، فإن العلاقة بين الخلايا النباتية المجاورة قوية جدًا. في الخلايا البشرية والحيوانية، تسمى نقاط الاتصال بين أغشية الخلايا المتجاورة الديسموسومات. وهي مميزة للخلايا البطانية والظهارية، وتوجد أيضًا في الخلايا العضلية القلبية.
التشكيلات المساعدة للبلازما
إن فهم كيفية اختلاف الخلايا النباتية عن الخلايا الحيوانية يساعد في دراسة السمات الهيكلية لأغشيتها البلازمية، والتي تعتمد على وظائف غشاء الخلية الخارجي. وفوقه في الخلايا الحيوانية توجد طبقة من الجليكالوكسي. يتكون من جزيئات السكاريد المرتبطة بالبروتينات والدهون الموجودة في غشاء الخلية الخارجي. بفضل الجليكوكليكس، يحدث الالتصاق (الالتصاق معًا) بين الخلايا، مما يؤدي إلى تكوين الأنسجة، وبالتالي فهو يشارك في وظيفة الإشارة للبلازما - التعرف على المحفزات البيئية.
كيف يتم النقل السلبي لبعض المواد عبر أغشية الخلايا؟
كما ذكرنا سابقاً فإن غشاء الخلية الخارجي يشارك في عملية نقل المواد بين الخلية والبيئة الخارجية. هناك نوعان من النقل عبر البلازما: السلبي (الانتشار) والنقل النشط. الأول يشمل الانتشار، والانتشار الميسر، والتناضح. تعتمد حركة المواد على طول تدرج التركيز، في المقام الأول، على كتلة وحجم الجزيئات التي تمر عبر غشاء الخلية. على سبيل المثال، تذوب الجزيئات الصغيرة غير القطبية بسهولة في الطبقة الدهنية الوسطى من البلازما، وتتحرك عبرها وتنتهي في السيتوبلازم.
تخترق جزيئات كبيرة من المواد العضوية السيتوبلازم بمساعدة بروتينات حاملة خاصة. لديهم خصوصية الأنواع، وعند الاتصال بجسيم أو أيون، يتم نقلهم بشكل سلبي عبر الغشاء على طول تدرج التركيز دون إنفاق الطاقة (النقل السلبي). تكمن هذه العملية في أساس خاصية البلازما مثل النفاذية الانتقائية. خلال هذه العملية، لا يتم استخدام طاقة جزيئات ATP، وتقوم الخلية بحفظها لتفاعلات التمثيل الغذائي الأخرى.
النقل النشط للمركبات الكيميائية من خلال البلازما
نظرًا لأن غشاء الخلية الخارجي يضمن نقل الجزيئات والأيونات من البيئة الخارجية إلى الخلية والعودة، يصبح من الممكن إزالة منتجات التفكيك، وهي السموم، من الخارج، أي إلى السائل بين الخلايا. يحدث ضد تدرج التركيز ويتطلب استخدام الطاقة في شكل جزيئات ATP. كما أنه يتضمن بروتينات حاملة تسمى ATPases، وهي أيضًا إنزيمات.
مثال على هذا النقل هو مضخة الصوديوم والبوتاسيوم (تنتقل أيونات الصوديوم من السيتوبلازم إلى البيئة الخارجية، ويتم ضخ أيونات البوتاسيوم إلى السيتوبلازم). الخلايا الظهارية في الأمعاء والكلى قادرة على ذلك. أصناف طريقة النقل هذه هي عمليات احتساء الخلايا والبلعمة. وهكذا، بعد دراسة الوظائف التي يؤديها غشاء الخلية الخارجي، يمكن إثبات أن الطلائعيات غيرية التغذية، وكذلك خلايا الكائنات الحيوانية العليا، على سبيل المثال، الكريات البيض، قادرة على عمليات البلعمة والبلعمة.
العمليات الكهربائية الحيوية في أغشية الخلايا
لقد ثبت أن هناك فرق جهد بين السطح الخارجي للغشاء البلازمي (ذو الشحنة الموجبة) وطبقة جدار السيتوبلازم ذات الشحنة السالبة. وكان يطلق عليها إمكانات الراحة، وهي متأصلة في جميع الخلايا الحية. والأنسجة العصبية لا تتمتع بإمكانية الراحة فحسب، بل إنها قادرة أيضًا على إجراء تيارات حيوية ضعيفة، وهو ما يسمى بعملية الإثارة. تبدأ الأغشية الخارجية للخلايا العصبية - الخلايا العصبية، التي تتلقى تهيجًا من المستقبلات، في تغيير الشحنات: تدخل أيونات الصوديوم بشكل كبير إلى الخلية ويصبح سطح البلازما سالبًا للكهرباء. والطبقة القريبة من الجدار من السيتوبلازم، بسبب وجود فائض من الكاتيونات، تتلقى شحنة موجبة. وهذا ما يفسر سبب إعادة شحن غشاء الخلية الخارجي للخلية العصبية، مما يتسبب في توصيل النبضات العصبية التي تكمن وراء عملية الإثارة.
خلية- وحدة هيكلية ووظيفية ذاتية التنظيم للأنسجة والأعضاء. تم تطوير النظرية الخلوية لبنية الأعضاء والأنسجة بواسطة شلايدن وشوان في عام 1839. وفي وقت لاحق، بمساعدة المجهر الإلكتروني والطرد المركزي الفائق، كان من الممكن توضيح بنية جميع العضيات الرئيسية للخلايا الحيوانية والنباتية (الشكل 1). 1).
أرز. 1. مخطط تركيب الخلية الحيوانية
الأجزاء الرئيسية للخلية هي السيتوبلازم والنواة. كل خلية محاطة بغشاء رقيق جداً يحد من محتوياتها.
يسمى غشاء الخلية غشاء بلازميويتميز بالنفاذية الانتقائية. تسمح هذه الخاصية بدخول العناصر الغذائية والعناصر الكيميائية الضرورية إلى داخل الخلية، وخروج المنتجات الزائدة منها. يتكون الغشاء البلازمي من طبقتين من جزيئات الدهون التي تحتوي على بروتينات محددة. الدهون الغشائية الرئيسية هي الدهون الفوسفاتية. أنها تحتوي على الفوسفور، ورأس قطبي وذيلين غير قطبيين من الأحماض الدهنية طويلة السلسلة. وتشمل الدهون الغشائية استرات الكولسترول والكوليسترول. وفقًا لنموذج الفسيفساء السائل للهيكل، تحتوي الأغشية على شوائب من البروتين وجزيئات الدهون التي يمكن أن تختلط بالنسبة للطبقة الثنائية. كل نوع من غشاء أي خلية حيوانية له تركيبة دهنية ثابتة نسبيًا.
تنقسم البروتينات الغشائية إلى نوعين حسب بنيتها: متكاملة ومحيطية. يمكن إزالة البروتينات المحيطية من الغشاء دون تدميرها. هناك أربعة أنواع من البروتينات الغشائية: بروتينات النقل، والإنزيمات، والمستقبلات، والبروتينات الهيكلية. بعض البروتينات الغشائية لها نشاط إنزيمي، بينما بعضها الآخر يربط مواد معينة ويسهل نقلها إلى داخل الخلية. توفر البروتينات عدة مسارات لحركة المواد عبر الأغشية: فهي تشكل مسام كبيرة تتكون من عدة وحدات فرعية من البروتين تسمح لجزيئات الماء والأيونات بالتحرك بين الخلايا؛ تشكل قنوات أيونية متخصصة في حركة أنواع معينة من الأيونات عبر الغشاء تحت ظروف معينة. ترتبط البروتينات الهيكلية بطبقة الدهون الداخلية وتوفر الهيكل الخلوي للخلية. يوفر الهيكل الخلوي القوة الميكانيكية لغشاء الخلية. في الأغشية المختلفة، تمثل البروتينات من 20 إلى 80٪ من الكتلة. يمكن لبروتينات الغشاء أن تتحرك بحرية في المستوى الجانبي.
يحتوي الغشاء أيضًا على الكربوهيدرات التي يمكن ربطها تساهميًا بالدهون أو البروتينات. هناك ثلاثة أنواع من الكربوهيدرات الغشائية: الجليكوليبيدات (الجانجليوسيدات)، والبروتينات السكرية، والبروتيوغليكان. معظم الدهون الغشائية تكون في حالة سائلة ولها سيولة معينة، أي. القدرة على الانتقال من منطقة إلى أخرى. يوجد على الجانب الخارجي للغشاء مواقع مستقبلات تربط الهرمونات المختلفة. لا تستطيع مناطق محددة أخرى من الغشاء التعرف على بعض البروتينات والمركبات النشطة بيولوجيًا المختلفة والغريبة عن هذه الخلايا وربطها.
يمتلئ الفضاء الداخلي للخلية بالسيتوبلازم، حيث تحدث معظم تفاعلات التمثيل الغذائي الخلوي المحفزة بالإنزيم. يتكون السيتوبلازم من طبقتين: الطبقة الداخلية، وتسمى الإندوبلازم، والطبقة المحيطية، وهي الطبقة الخارجية، وهي ذات لزوجة عالية وخالية من الحبيبات. يحتوي السيتوبلازم على جميع مكونات الخلية أو العضية. وأهم عضيات الخلية هي الشبكة الإندوبلازمية، والريبوسومات، والميتوكوندريا، وجهاز جولجي، والجسيمات الحالة، والخيوط الدقيقة، والأنابيب الدقيقة، والبيروكسيسومات.
الشبكة الأندوبلازميةهو نظام من القنوات والتجاويف المترابطة التي تخترق السيتوبلازم بأكمله. ويضمن نقل المواد من البيئة وداخل الخلايا. تعمل الشبكة الإندوبلازمية أيضًا كمستودع لأيونات Ca 2+ داخل الخلايا وتعمل كموقع رئيسي لتخليق الدهون في الخلية.
الريبوسومات -جسيمات كروية مجهرية يبلغ قطرها 10-25 نانومتر. توجد الريبوسومات بحرية في السيتوبلازم أو متصلة بالسطح الخارجي لأغشية الشبكة الإندوبلازمية والغشاء النووي. تتفاعل مع الحمض النووي الريبوزي الرسول والنقل، ويحدث فيها تخليق البروتين. يقومون بتركيب البروتينات التي تدخل الصهاريج أو جهاز جولجي ثم يتم إطلاقها للخارج. تقوم الريبوسومات، الموجودة بحرية في السيتوبلازم، بتصنيع البروتين لتستخدمه الخلية نفسها، وتنتج الريبوسومات المرتبطة بالشبكة الإندوبلازمية البروتين الذي يتم إفرازه من الخلية. تقوم الريبوسومات بتصنيع بروتينات وظيفية مختلفة: البروتينات الحاملة، والإنزيمات، والمستقبلات، والبروتينات الهيكلية الخلوية.
جهاز جولجييتكون من نظام من الأنابيب والصهاريج والحويصلات. يرتبط بالشبكة الإندوبلازمية، ويتم تخزين المواد النشطة بيولوجيًا التي تدخل هنا بشكل مضغوط في الحويصلات الإفرازية. ويتم فصل الأخير باستمرار عن جهاز جولجي، ونقله إلى غشاء الخلية والاندماج معه، ويتم إزالة المواد الموجودة في الحويصلات من الخلية من خلال عملية الإخراج الخلوي.
الجسيمات المحللة -جزيئات محاطة بغشاء بقياس 0.25-0.8 ميكرون. أنها تحتوي على العديد من الإنزيمات المشاركة في تحلل البروتينات والسكريات والدهون والأحماض النووية والبكتيريا والخلايا.
البيروكسيسوماتتتكون من الشبكة الإندوبلازمية الملساء، تشبه الليزوزومات وتحتوي على إنزيمات تحفز تحلل بيروكسيد الهيدروجين، الذي يتحلل تحت تأثير البيروكسيداز والكاتلاز.
الميتوكوندرياتحتوي على أغشية خارجية وداخلية وهي "محطة الطاقة" للخلية. الميتوكوندريا عبارة عن هياكل مستديرة أو ممدودة ذات غشاء مزدوج. يشكل الغشاء الداخلي طيات بارزة في الميتوكوندريا - أعراف. يحدث فيها تخليق ATP، وتحدث أكسدة ركائز دورة كريبس والعديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية. تنتشر جزيئات ATP المنتجة في الميتوكوندريا إلى جميع أجزاء الخلية. تحتوي الميتوكوندريا على كمية صغيرة من الحمض النووي، والحمض النووي الريبي (RNA)، والريبوسومات، وبمشاركتها يحدث تجديد وتركيب الميتوكوندريا الجديدة.
خيوط دقيقةوهي عبارة عن خيوط بروتينية رقيقة تتكون من الميوسين والأكتين وتشكل الجهاز الانقباضي للخلية. وتشارك الخيوط الدقيقة في تكوين طيات أو نتوءات غشاء الخلية، وكذلك في حركة الهياكل المختلفة داخل الخلايا.
أنابيب مجهريةتشكل أساس الهيكل الخلوي وتوفر قوته. يمنح الهيكل الخلوي الخلايا مظهرها وشكلها المميز ويعمل كموقع لربط العضيات داخل الخلايا والأجسام المختلفة. في الخلايا العصبية، تشارك حزم من الأنابيب الدقيقة في نقل المواد من جسم الخلية إلى نهايات المحاور. بمشاركتهم، يعمل المغزل الانقسامي أثناء انقسام الخلايا. إنهم يلعبون دور العناصر الحركية في الزغابات والسوط في حقيقيات النوى.
جوهرهو الهيكل الرئيسي للخلية، ويشارك في نقل الخصائص الوراثية وفي تخليق البروتينات. يحيط بالنواة غشاء نووي يحتوي على العديد من المسام النووية التي يتم من خلالها تبادل المواد المختلفة بين النواة والسيتوبلازم. هناك نواة بداخلها. تم تحديد الدور الهام للنوية في تخليق الحمض النووي الريبي الريباسي وبروتينات الهيستون. تحتوي الأجزاء المتبقية من النواة على الكروماتين، الذي يتكون من DNA وRNA وعدد من البروتينات المحددة.
وظائف غشاء الخلية
تلعب أغشية الخلايا دورًا حاسمًا في تنظيم عملية التمثيل الغذائي داخل الخلايا وبين الخلايا. لديهم نفاذية انتقائية. هيكلها المحدد يسمح لها بتوفير وظائف الحاجز والنقل والتنظيم.
وظيفة الحاجزيتجلى في الحد من تغلغل المركبات الذائبة في الماء عبر الغشاء. الغشاء غير منفذ لجزيئات البروتين الكبيرة والأنيونات العضوية.
الوظيفة التنظيميةتهدف الأغشية إلى تنظيم عملية التمثيل الغذائي داخل الخلايا استجابة للتأثيرات الكيميائية والبيولوجية والميكانيكية. يتم إدراك التأثيرات المختلفة بواسطة مستقبلات غشائية خاصة مع تغيير لاحق في نشاط الإنزيم.
وظيفة النقلمن خلال الأغشية البيولوجية يمكن أن تتم بشكل سلبي (الانتشار، الترشيح، التناضح) أو باستخدام النقل النشط.
انتشار -حركة غاز أو مادة قابلة للذوبان على طول التركيز والتدرج الكهروكيميائي. ويعتمد معدل الانتشار على نفاذية غشاء الخلية، وكذلك تدرج التركيز للجسيمات غير المشحونة، والتدرج الكهربائي وتدرج التركيز للجسيمات المشحونة. انتشار بسيطيحدث من خلال طبقة ثنائية الدهون أو من خلال القنوات. تتحرك الجسيمات المشحونة وفق التدرج الكهروكيميائي، وتتحرك الجسيمات غير المشحونة وفق التدرج الكيميائي. على سبيل المثال، يخترق الأكسجين والهرمونات الستيرويدية واليوريا والكحول وما إلى ذلك الطبقة الدهنية للغشاء عن طريق الانتشار البسيط. تتحرك الأيونات والجزيئات المختلفة عبر القنوات. تتكون القنوات الأيونية من البروتينات وتنقسم إلى قنوات مسورة وغير مسورة. اعتمادًا على الانتقائية، يتم التمييز بين الكابلات الانتقائية الأيونية، والتي تسمح بمرور أيون واحد فقط، والقنوات التي لا تتمتع بالانتقائية. تحتوي القنوات على فتحة ومرشح انتقائي، والقنوات التي يتم التحكم فيها لها آلية بوابة.
نشر الميسر -عملية يتم فيها نقل المواد عبر الغشاء باستخدام بروتينات خاصة لنقل الغشاء. وبهذه الطريقة، تخترق الأحماض الأمينية والسكريات الأحادية الخلية. يحدث هذا النوع من النقل بسرعة كبيرة.
التنافذ -حركة الماء عبر الغشاء من محلول ذو ضغط أقل إلى محلول ذو ضغط أسموزي أعلى.
النقل النشط -نقل المواد ضد تدرج التركيز باستخدام ATPases النقل (المضخات الأيونية). يحدث هذا النقل مع إنفاق الطاقة.
وقد تمت دراسة مضخات Na + /K + - وCa 2+ - وH + إلى حد أكبر. تقع المضخات على أغشية الخلايا.
نوع من النقل النشط هو الالتقامو طرد خلوي.وباستخدام هذه الآليات، يتم نقل المواد الأكبر (البروتينات والسكريات والأحماض النووية) التي لا يمكن نقلها عبر القنوات. هذا النقل أكثر شيوعًا في الخلايا الظهارية المعوية، والأنابيب الكلوية، والبطانة الوعائية.
فيفي الالتقام الخلوي، تشكل أغشية الخلايا غزوات داخل الخلية، والتي، عند إطلاقها، تتحول إلى حويصلات. أثناء خروج الخلايا، يتم نقل الحويصلات بمحتوياتها إلى غشاء الخلية وتندمج معها، ويتم إطلاق محتويات الحويصلات في البيئة خارج الخلية.
هيكل ووظائف غشاء الخلية
لفهم العمليات التي تضمن وجود الإمكانات الكهربائية في الخلايا الحية، عليك أولا أن تفهم بنية غشاء الخلية وخصائصه.
حاليًا، النموذج الأكثر قبولًا على نطاق واسع هو نموذج الفسيفساء السائل للغشاء، الذي اقترحه S. Singer وG. Nicholson في عام 1972. يعتمد الغشاء على طبقة مزدوجة من الدهون الفوسفاتية (طبقة ثنائية)، الأجزاء الكارهة للماء من الجزيء هي مغمورة في سمك الغشاء، والمجموعات المحبة للماء القطبية موجهة نحو الخارج، تلك. في البيئة المائية المحيطة (الشكل 2).
يتم موضعة بروتينات الغشاء على سطح الغشاء أو يمكن تضمينها في أعماق متفاوتة في المنطقة الكارهة للماء. تمتد بعض البروتينات عبر الغشاء، وتوجد مجموعات مختلفة محبة للماء من نفس البروتين على جانبي غشاء الخلية. تلعب البروتينات الموجودة في غشاء البلازما دورًا مهمًا للغاية: فهي تشارك في تكوين القنوات الأيونية، وتلعب دور مضخات الغشاء وناقلات المواد المختلفة، ويمكنها أيضًا أداء وظيفة المستقبل.
الوظائف الرئيسية لغشاء الخلية: الحاجز، والنقل، والتنظيمية، والتحفيزية.
تتمثل وظيفة الحاجز في الحد من انتشار المركبات القابلة للذوبان في الماء عبر الغشاء، وهو أمر ضروري لحماية الخلايا من المواد السامة الغريبة والحفاظ على محتوى ثابت نسبيًا من المواد المختلفة داخل الخلايا. وبالتالي، يمكن لغشاء الخلية أن يبطئ انتشار المواد المختلفة بمقدار 100.000 إلى 10.000.000 مرة.
أرز. 2. رسم تخطيطي ثلاثي الأبعاد لنموذج الفسيفساء السائل لغشاء سنجر-نيكلسون
تم تصوير البروتينات المتكاملة الكروية المضمنة في طبقة ثنائية الدهون. بعض البروتينات عبارة عن قنوات أيونية، والبعض الآخر (البروتينات السكرية) تحتوي على سلاسل جانبية قليلة السكاريد تشارك في التعرف على الخلايا فيما بينها وفي الأنسجة بين الخلايا. تكون جزيئات الكوليسترول متاخمة بشكل وثيق لرؤوس الفسفوليبيد وتثبت الأجزاء المجاورة من "الذيول". الأجزاء الداخلية لذيول جزيء الفسفوليبيد ليست محدودة في حركتها وهي المسؤولة عن سيولة الغشاء (بريتشر، 1985)
يحتوي الغشاء على قنوات تخترق الأيونات من خلالها. يمكن أن تكون القنوات معتمدة على الجهد أو مستقلة عن بعضها البعض. القنوات التي تعتمد على الجهدمفتوح عندما يتغير الفرق المحتمل، و مستقلة محتملة(منظم للهرمونات) مفتوح عندما تتفاعل المستقبلات مع المواد. يمكن فتح القنوات أو إغلاقها بفضل البوابات. تم بناء نوعين من البوابات في الغشاء: التنشيط(في عمق القناة) و تعطيل(على سطح القناة). يمكن أن تكون البوابة في إحدى الحالات الثلاث:
- الحالة المفتوحة (كلا النوعين من البوابات مفتوحة)؛
- حالة مغلقة (بوابة التنشيط مغلقة)؛
- حالة التعطيل (بوابة التعطيل مغلقة).
السمة المميزة الأخرى للأغشية هي القدرة على نقل الأيونات غير العضوية والمواد المغذية والمنتجات الأيضية المختلفة بشكل انتقائي. هناك أنظمة النقل السلبي والنشط (النقل) للمواد. سلبييحدث النقل عبر القنوات الأيونية بمساعدة أو بدون مساعدة البروتينات الحاملة، والقوة الدافعة له هي الفرق في الإمكانات الكهروكيميائية للأيونات بين الفضاء داخل وخارج الخلية. يتم تحديد انتقائية القنوات الأيونية من خلال معلماتها الهندسية والطبيعة الكيميائية للمجموعات المبطنة لجدران القناة وفمها.
في الوقت الحالي، أكثر القنوات التي تمت دراستها جيدًا هي تلك التي تكون نفاذية انتقائية لأيونات Na +، K +، Ca 2+ وكذلك للماء (ما يسمى aquaporins). قطر القنوات الأيونية، وفقا لدراسات مختلفة، هو 0.5-0.7 نانومتر. يمكن أن تختلف سعة القناة؛ 10 7 - 10 8 أيونات في الثانية يمكن أن تمر عبر قناة أيونية واحدة.
نشيطيحدث النقل مع استهلاك الطاقة ويتم بواسطة ما يسمى بالمضخات الأيونية. المضخات الأيونية عبارة عن هياكل بروتينية جزيئية مدمجة في غشاء ينقل الأيونات نحو إمكانات كهروكيميائية أعلى.
تعمل المضخات باستخدام طاقة التحلل المائي ATP. حاليًا، Na+/K+ - ATPase، Ca 2+ - ATPase، H + - ATPase، H + /K + - ATPase، Mg 2+ - ATPase، والتي تضمن حركة أيونات Na +، K +، Ca 2+، على التوالي. ، تمت دراستها جيدًا، H+، Mg 2+ معزولة أو مترافقة (Na+ وK+، H+ وK+). الآلية الجزيئية للنقل النشط ليست مفهومة بالكامل.
ضمن يمكن تمييز الوظائف الرئيسية لغشاء الخلية: الحاجز والنقل والإنزيمية والمستقبلات. يحمي الغشاء الخلوي (البيولوجي) (المعروف أيضًا باسم غشاء البلازما أو البلازما أو الغشاء السيتوبلازمي) محتويات الخلية أو عضياتها من البيئة، ويوفر نفاذية انتقائية للمواد، وتوجد عليها الإنزيمات، وكذلك الجزيئات التي يمكنها "التقاط ” إشارات كيميائية وفيزيائية مختلفة.
يتم ضمان هذه الوظيفة من خلال البنية الخاصة لغشاء الخلية.
في تطور الحياة على الأرض، لا يمكن للخلية عمومًا أن تتشكل إلا بعد ظهور الغشاء، الذي يفصل ويثبت المحتويات الداخلية ويمنعها من التفكك.
من حيث الحفاظ على التوازن (التنظيم الذاتي للثبات النسبي للبيئة الداخلية) ترتبط الوظيفة الحاجزة لغشاء الخلية ارتباطًا وثيقًا بالنقل.
تستطيع الجزيئات الصغيرة المرور عبر البلازما دون أي "مساعدات"، على طول تدرج التركيز، أي من منطقة ذات تركيز عالٍ من مادة معينة إلى منطقة ذات تركيز منخفض. وهذا هو الحال، على سبيل المثال، بالنسبة للغازات المشاركة في التنفس. ينتشر الأكسجين وثاني أكسيد الكربون عبر غشاء الخلية في الاتجاه الذي يكون فيه تركيزهما أقل حاليًا.
نظرًا لأن الغشاء في الغالب كاره للماء (بسبب الطبقة الدهنية المزدوجة)، فإن الجزيئات القطبية (المحبة للماء)، حتى الصغيرة منها، لا يمكنها في كثير من الأحيان اختراقه. لذلك، يعمل عدد من البروتينات الغشائية كحاملات لهذه الجزيئات، حيث ترتبط بها وتنقلها عبر البلازما.
غالبًا ما تعمل البروتينات المتكاملة (المتخللة بالغشاء) على مبدأ فتح وإغلاق القنوات. عندما يقترب أي جزيء من هذا البروتين، فإنه يرتبط به وتنفتح القناة. تمر هذه المادة أو تلك عبر القناة البروتينية، وبعد ذلك يتغير شكلها، وتغلق القناة أمام هذه المادة، ولكنها يمكن أن تنفتح لتسمح بمرور مادة أخرى. وتعمل مضخة الصوديوم والبوتاسيوم على هذا المبدأ، حيث تضخ أيونات البوتاسيوم إلى داخل الخلية وتضخ أيونات الصوديوم خارجها.
الوظيفة الأنزيمية لغشاء الخليةتتحقق إلى حد كبير على أغشية عضيات الخلية. معظم البروتينات التي يتم تصنيعها في الخلية تؤدي وظيفة إنزيمية. "بالجلوس" على الغشاء بترتيب معين، يقومون بتنظيم الناقل عندما ينتقل منتج التفاعل المحفز بواسطة بروتين إنزيمي واحد إلى التالي. يتم تثبيت هذا "الناقل" بواسطة البروتينات السطحية للبلازما.
على الرغم من عالمية بنية جميع الأغشية البيولوجية (فهي مبنية على مبدأ واحد، فهي متطابقة تقريبًا في جميع الكائنات الحية وفي هياكل الخلايا الغشائية المختلفة)، إلا أن تركيبها الكيميائي قد يختلف. هناك أنواع أكثر سيولة وأكثر صلابة، وبعضها يحتوي على بروتينات معينة أكثر، والبعض الآخر يحتوي على كمية أقل. بالإضافة إلى ذلك، تختلف الجوانب المختلفة (الداخلية والخارجية) لنفس الغشاء أيضًا.
يحتوي الغشاء الذي يحيط بالخلية (السيتوبلازم) من الخارج على العديد من سلاسل الكربوهيدرات المرتبطة بالدهون أو البروتينات (مما يؤدي إلى تكوين الجليكوليبيدات والبروتينات السكرية). العديد من هذه الكربوهيدرات تخدم وظيفة المستقبل، التعرض لهرمونات معينة، والكشف عن التغيرات في المؤشرات الفيزيائية والكيميائية في البيئة.
على سبيل المثال، إذا اتصل أحد الهرمونات بمستقبله الخلوي، فإن الجزء الكربوهيدراتي من جزيء المستقبل يغير بنيته، يليه تغيير في بنية الجزء البروتيني المرتبط به والذي يخترق الغشاء. وفي المرحلة التالية، تبدأ أو تتوقف تفاعلات كيميائية حيوية مختلفة في الخلية، أي يتغير التمثيل الغذائي فيها، وتبدأ الاستجابة الخلوية لـ"المحفز".
بالإضافة إلى الوظائف الأربع المدرجة لغشاء الخلية، هناك وظائف أخرى تتميز أيضًا: المصفوفة، والطاقة، ووضع العلامات، وتكوين الاتصالات بين الخلايا، وما إلى ذلك. ومع ذلك، يمكن اعتبارها "وظائف فرعية" لتلك التي تم النظر فيها بالفعل.
الغشاء الخلوي الخارجي (البلازما، السيلولما، الغشاء البلازمي) للخلايا الحيوانيةمغطاة من الخارج (أي من الجانب الذي لا يتلامس مع السيتوبلازم) بطبقة من سلاسل قليلات السكاريد المرتبطة تساهميًا ببروتينات الغشاء (البروتينات السكرية) وبدرجة أقل بالدهون (الدهون السكرية). ويسمى هذا طلاء غشاء الكربوهيدرات مركب السكر.الغرض من الجليكوكليكس ليس واضحًا تمامًا بعد؛ هناك افتراض بأن هذا الهيكل يشارك في عمليات التعرف بين الخلايا.
في الخلايا النباتيةتوجد فوق غشاء الخلية الخارجي طبقة سليلوزية كثيفة ذات مسام، يتم من خلالها التواصل بين الخلايا المجاورة من خلال الجسور السيتوبلازمية.
في الخلايا الفطرعلى رأس البلازما - طبقة كثيفة الكيتين.
ش بكتيريا – مورينا.
خصائص الأغشية البيولوجية
1. القدرة على التجميع الذاتيبعد التأثيرات المدمرة. يتم تحديد هذه الخاصية من خلال الخواص الفيزيائية والكيميائية لجزيئات الفسفوليبيد، والتي تتجمع معًا في محلول مائي بحيث تتكشف الأطراف المحبة للماء للجزيئات إلى الخارج، وتنتهي النهايات الكارهة للماء إلى الداخل. يمكن بناء البروتينات في طبقات فوسفورية جاهزة. القدرة على التجميع الذاتي مهمة على المستوى الخلوي.
2. شبه نفاذية(الانتقائية في نقل الأيونات والجزيئات). يضمن الحفاظ على ثبات التركيب الأيوني والجزيئي في الخلية.
3. سيولة الغشاء. الأغشية ليست هياكل صلبة؛ فهي تتقلب باستمرار بسبب الحركات الدورانية والاهتزازية لجزيئات الدهون والبروتين. وهذا يضمن معدل أعلى من العمليات الأنزيمية وغيرها من العمليات الكيميائية في الأغشية.
4. شظايا الغشاء ليس لها نهايات حرة، لأنها تغلق في الفقاعات.
وظائف غشاء الخلية الخارجي (البلازما)
الوظائف الرئيسية للبلازما هي ما يلي: 1) الحاجز، 2) المستقبل، 3) التبادل، 4) النقل.
1. وظيفة الحاجز.يتم التعبير عنها في حقيقة أن غشاء البلازما يحد من محتويات الخلية، ويفصلها عن البيئة الخارجية، والأغشية داخل الخلايا تقسم السيتوبلازم إلى خلايا تفاعل منفصلة. مقصورات.
2. وظيفة الاستقبال.من أهم وظائف البلازما هو ضمان اتصال (اتصال) الخلية مع البيئة الخارجية من خلال جهاز المستقبلات الموجود في الأغشية، وهو ذو طبيعة بروتينية أو بروتينية سكرية. وتتمثل الوظيفة الرئيسية لتشكيلات مستقبلات البلازما في التعرف على الإشارات الخارجية، والتي بفضلها يتم توجيه الخلايا بشكل صحيح وتشكيل الأنسجة أثناء عملية التمايز. ترتبط وظيفة المستقبلات بنشاط الأنظمة التنظيمية المختلفة، فضلاً عن تكوين الاستجابة المناعية.
وظيفة التبادليتم تحديده من خلال محتوى بروتينات الإنزيم في الأغشية البيولوجية، والتي تعتبر محفزات بيولوجية. يختلف نشاطها اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني للبيئة ودرجة الحرارة والضغط وتركيز كل من الركيزة والإنزيم نفسه. تحدد الإنزيمات شدة التفاعلات الرئيسية التمثيل الغذائي، فضلا عناتجاه.
وظيفة النقل للأغشية.يسمح الغشاء بالاختراق الانتقائي للمواد الكيميائية المختلفة داخل الخلية وخارجها إلى البيئة. نقل المواد ضروري للحفاظ على الرقم الهيدروجيني المناسب والتركيز الأيوني المناسب في الخلية، مما يضمن كفاءة الإنزيمات الخلوية. يوفر النقل العناصر الغذائية التي تعمل كمصدر للطاقة وكذلك المواد اللازمة لتكوين المكونات الخلوية المختلفة. تعتمد عليها إزالة النفايات السامة من الخلية وإفراز المواد المفيدة المختلفة وإنشاء التدرجات الأيونية اللازمة للنشاط العصبي والعضلي. يمكن أن تؤدي التغيرات في معدل نقل المواد إلى اضطرابات في عمليات الطاقة الحيوية والمياه المالحة التمثيل الغذائي والإثارة وغيرها من العمليات. تصحيح هذه التغييرات يكمن وراء عمل العديد من الأدوية.
هناك طريقتان رئيسيتان لدخول المواد إلى الخلية وخروجها إلى البيئة الخارجية؛
النقل السلبي
النقل النشط.
النقل السلبييتبع تدرج تركيز كيميائي أو كهروكيميائي دون إنفاق طاقة ATP. إذا كان جزيء المادة المنقولة ليس له أي شحنة، فإن اتجاه النقل السلبي يتحدد فقط من خلال الفرق في تركيز هذه المادة على جانبي الغشاء (تدرج التركيز الكيميائي). إذا كان الجزيء مشحونًا، فإن نقله يتأثر بكل من تدرج التركيز الكيميائي والتدرج الكهربائي (جهد الغشاء).
يشكل كلا التدرجين معًا التدرج الكهروكيميائي. يمكن تنفيذ النقل السلبي للمواد بطريقتين: الانتشار البسيط والانتشار الميسر.
مع انتشار بسيطيمكن لأيونات الملح والماء أن تخترق قنوات انتقائية. تتشكل هذه القنوات بواسطة بروتينات معينة عبر الغشاء تشكل مسارات نقل من طرف إلى طرف تكون مفتوحة بشكل دائم أو لفترة قصيرة فقط. تخترق جزيئات مختلفة من الحجم والشحنة المقابلة للقنوات قنوات انتقائية.
هناك طريقة أخرى للانتشار البسيط - وهي نشر المواد من خلال طبقة ثنائية الدهون، والتي من خلالها تمر المواد القابلة للذوبان في الدهون والماء بسهولة. الطبقة الدهنية الثنائية غير منفذة للجزيئات المشحونة (الأيونات)، وفي الوقت نفسه، يمكن للجزيئات الصغيرة غير المشحونة أن تنتشر بحرية، وكلما كان الجزيء أصغر، كلما تم نقله بشكل أسرع. يتم تفسير المعدل المرتفع إلى حد ما لانتشار الماء عبر الطبقة الدهنية الثنائية بدقة من خلال صغر حجم جزيئاتها ونقص الشحنة.
مع سهولة الانتشاريشمل نقل المواد البروتينات - الناقلات التي تعمل وفقًا لمبدأ "بينج بونج". يوجد البروتين في حالتين مطابقتين: في حالة "البونج"، تكون مواقع الارتباط للمادة المنقولة مفتوحة على السطح الخارجي للطبقة الثنائية، وفي حالة "البينج"، تكون نفس المواقع مفتوحة على الجانب الآخر. هذه العملية قابلة للعكس. من أي جانب سيكون موقع ربط المادة مفتوحًا في لحظة معينة يعتمد على تدرج تركيز هذه المادة.
وبهذه الطريقة، تمر السكريات والأحماض الأمينية عبر الغشاء.
مع الانتشار الميسر، يزيد معدل نقل المواد بشكل ملحوظ مقارنة بالانتشار البسيط.
بالإضافة إلى البروتينات الحاملة، تشارك بعض المضادات الحيوية في تسهيل الانتشار، على سبيل المثال، غراميسيدين وفالينوميسين.
لأنها توفر النقل الأيوني، فإنها تسمى الأيونات.
النقل النشط للمواد في الخلية.هذا النوع من النقل يكلف دائمًا الطاقة. مصدر الطاقة اللازمة للنقل النشط هو ATP. من السمات المميزة لهذا النوع من النقل أنه يتم بطريقتين:
باستخدام إنزيمات تسمى ATPases؛
النقل في التغليف الغشائي (الالتقام الخلوي).
في يحتوي الغشاء الخلوي الخارجي على بروتينات إنزيمية مثل ATPases،وظيفتها توفير النقل النشط الأيونات ضد تدرج التركيز.وبما أنها توفر النقل الأيوني، فإن هذه العملية تسمى مضخة الأيونات.
هناك أربعة أنظمة نقل أيونية رئيسية معروفة في الخلايا الحيوانية. ثلاثة منها توفر النقل من خلال الأغشية البيولوجية: Na + و K +، Ca +، H +، والرابع - نقل البروتونات أثناء عمل سلسلة الجهاز التنفسي الميتوكوندريا.
مثال على آلية النقل الأيوني النشط مضخة الصوديوم والبوتاسيوم في الخلايا الحيوانية.فهو يحافظ على تركيز ثابت لأيونات الصوديوم والبوتاسيوم في الخلية، وهو ما يختلف عن تركيز هذه المواد في البيئة: عادة، يكون عدد أيونات الصوديوم في الخلية أقل من البيئة، وأيونات البوتاسيوم أكثر.
ونتيجة لذلك، ووفقا لقوانين الانتشار البسيط، يميل البوتاسيوم إلى مغادرة الخلية، وينتشر الصوديوم إلى داخل الخلية. على النقيض من الانتشار البسيط، تقوم مضخة الصوديوم والبوتاسيوم بضخ الصوديوم باستمرار إلى خارج الخلية وإدخال البوتاسيوم: مقابل كل ثلاثة جزيئات من الصوديوم يتم إطلاقها، هناك جزيئين من البوتاسيوم يتم إدخالهما إلى الخلية.
يتم ضمان نقل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم بواسطة ATPase المعتمد، وهو إنزيم موضعي في الغشاء بطريقة تخترق سمكه بالكامل، ويدخل الصوديوم وATP إلى هذا الإنزيم من داخل الغشاء، والبوتاسيوم من الخارج.
يحدث نقل الصوديوم والبوتاسيوم عبر الغشاء نتيجة للتغيرات التوافقية التي يخضع لها ATPase المعتمد على الصوديوم والبوتاسيوم، والذي يتم تنشيطه عند زيادة تركيز الصوديوم داخل الخلية أو البوتاسيوم في البيئة.
لتزويد هذه المضخة بالطاقة، يعد التحلل المائي ATP ضروريًا. يتم ضمان هذه العملية بواسطة نفس الإنزيم، ATPase المعتمد على الصوديوم والبوتاسيوم. علاوة على ذلك، فإن أكثر من ثلث الـ ATP الذي تستهلكه الخلية الحيوانية أثناء الراحة يتم إنفاقه على تشغيل مضخة الصوديوم والبوتاسيوم.
يؤدي انتهاك الأداء السليم لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم إلى أمراض خطيرة مختلفة.
وتتجاوز كفاءة هذه المضخة 50%، وهو ما لا تحققه أحدث الآلات التي صنعها الإنسان.
يتم تشغيل العديد من أنظمة النقل النشطة بواسطة الطاقة المخزنة في التدرجات الأيونية بدلاً من التحلل المائي المباشر لـ ATP. تعمل جميعها كأنظمة نقل مشترك (تعزيز نقل المركبات ذات الوزن الجزيئي المنخفض). على سبيل المثال، يتم تحديد النقل النشط لبعض السكريات والأحماض الأمينية إلى الخلايا الحيوانية من خلال تدرج أيون الصوديوم، وكلما زاد تدرج أيون الصوديوم، زاد معدل امتصاص الجلوكوز. وعلى العكس من ذلك، إذا انخفض تركيز الصوديوم في الفضاء بين الخلايا بشكل ملحوظ، يتوقف نقل الجلوكوز. في هذه الحالة، يجب أن ينضم الصوديوم إلى بروتين نقل الجلوكوز المعتمد على الصوديوم، والذي يحتوي على موقعين مرتبطين: أحدهما للجلوكوز والآخر للصوديوم. تسهل أيونات الصوديوم التي تخترق الخلية إدخال البروتين الحامل إلى الخلية مع الجلوكوز. يتم ضخ أيونات الصوديوم التي تدخل الخلية مع الجلوكوز مرة أخرى بواسطة ATPase المعتمد على الصوديوم والبوتاسيوم، والذي، من خلال الحفاظ على تدرج تركيز الصوديوم، يتحكم بشكل غير مباشر في نقل الجلوكوز.
نقل المواد في عبوات غشائية.لا يمكن للجزيئات الكبيرة من البوليمرات الحيوية أن تخترق البلازما بواسطة أي من الآليات الموصوفة أعلاه لنقل المواد إلى الخلية. يتم التقاطها بواسطة الخلية وامتصاصها في التغليف الغشائي، وهو ما يسمى الالتقام. وينقسم هذا الأخير رسميا إلى البلعمة واحتساء الخلايا. امتصاص الجسيمات من قبل الخلية هو البلعمةوالسائل - احتساء الخلايا. خلال الالتقام، يتم ملاحظة المراحل التالية:
استقبال المادة الممتصة عن طريق المستقبلات في غشاء الخلية.
غزو الغشاء بتكوين فقاعة (حويصلة) ؛
فصل الحويصلة الداخلية عن الغشاء مع استهلاك الطاقة – تشكيل يبلوعواستعادة سلامة الغشاء.
اندماج الجسيم البلعمي مع الليزوزوم وتكوينه البلعمية (فجوة هضمية) حيث يحدث هضم الجزيئات الممتصة؛
إزالة المواد غير المهضومة في الجسيم الحال من الخلية ( طرد خلوي).
في عالم الحيوان الالتقامهي طريقة مميزة لتغذية العديد من الكائنات وحيدة الخلية (على سبيل المثال، الأميبا)، ومن بين العديد من الكائنات الخلوية، يوجد هذا النوع من هضم جزيئات الطعام في خلايا الأديم الباطن للتجويفات المعوية. أما بالنسبة للثدييات والبشر، فلديهم نظام شبكي نسيجي بطاني من الخلايا مع القدرة على الالتقام الخلوي. ومن الأمثلة على ذلك كريات الدم البيضاء وخلايا كوبفر الكبدية. ويصف الأخير ما يسمى بالشعيرات الدموية الجيبية للكبد ويلتقط مختلف الجزيئات الأجنبية العالقة في الدم. طرد خلوي- هذه أيضًا طريقة لإزالة الركيزة التي يفرزها من خلية كائن متعدد الخلايا، وهي ضرورية لوظيفة الخلايا والأنسجة والأعضاء الأخرى.
