Свойства плазматической мембраны кратко
Обновлено: 07.07.2024
Клеточная мембрана (плазмалемма или плазмолемма)
Определение понятия
Клеточная мембрана (синонимы: плазмалемма, плазмолемма, цитоплазматическая мембрана, биомембрана) - это тройная липопротеиновая (т.е. "жиро-белковая") оболочка, отделяющая клетку от окружающей среды и осуществлящая управляемый обмен и связь между клеткой и окружающей её средой.
Главное в этом определении - не то, что мембрана отделяет клетку от среды, а как раз то, что она соединяет клетку с окружающей средой. Мембрана - это активная структура клетки, она постоянно работает.
Биологическая мембрана - это ультратонкая бимолекулярная пленка фосфолипидов, инкрустированная белками и полисахаридами. Эта клеточная структура лежит в основе барьерных, механических и матричных свойств живого организма (Антонов В.Ф., 1996).
Образное представление о мембране
Мне клеточная мембрана представляетсся в виде решетчатого забора с множеством дверей в нём, который окружает некую территорию. Всякая мелкая живность может через этот забор свободно перемещаться туда и обратно. Но более крупные посетители могут входить только через двери, да и то не всякие. У разных посетителей ключи только от своих дверей, и через чужие двери они проходить не могут. Так вот через этот забор постоянно идут потоки посетителей туда и обратно, потому что главная функция мембраны-забора двойная: отделять территорию от окружающего пространства и в то же время соединять её с окружающим пространством. Для этого и существует в заборе множество отверстий и дверей - транспортных механизмов мембраны!
Свойства мембраны
2. Полупроницаемость (частичная проницаемость).
3. Избирательная (синоним: селективная) проницаемость.
4. Активная проницаемость (синоним: активный транспорт).
5. Управляемая проницаемость.
Как видим, основное свойство мембраны - это её проницаемость по отношению к различным веществам.
6. Фагоцитоц и пиноцитоз.
8. Наличие электрических и химических потенциалов, точнее разности потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны. Образно можно сказать, что "мембрана превращает клетку в "электрическую батарейку" с помощью управления ионными потоками" . Подробности: смотреть тут .
9. Изменения электрического и химического потенциала.
10. Раздражимость. Специальные молекулярные рецепторы, находящиеся на мембране, могут соединяться с сигнальными (управляющими) веществами, вследствие чего может меняться состояние мембраны и всей клетки. Молекулярные рецепторы запускают биохимические реакции в ответ на соединение с ними лигандов (управляющих веществ). Важно отметить, что сигнальное вещество воздействует на рецептор снаружи, а изменения продолжаются внутри клетки. Получается, что мембрана передала информацию из окружающей среды во внутреннюю среду клетки.
11. Каталитическая ферментативная активность. Ферменты могут быть встроены в мембрану или связаны с её поверхностью (как внутри, так и снаружи клетки), и там они осуществляют свою ферментативную деятельность.
12. Изменение формы поверхности и её площади. Это позволяет мембране образовывать выросты наружу или, наоборот, впячивания внутрь клетки.
13. Способность образовывать контакты с другими клеточными мембранами.
14. Адгезия - способность прилипать к твёрдым поверхностям.
Краткий список свойств мембраны
- Проницаемость.
- Эндоцитоз, экзоцитоз, трансцитоз.
- Потенциалы.
- Раздражимость.
- Ферментная активность.
- Контакты.
- Адгезия.
Функции мембраны
1. Неполная изоляция внутреннего содержимого от внешней среды.
2. Главное в работе клеточной мембраны - это обмен различными веществами между клеткой и межклеточной средой. Этому служит такое свойство мембраны как проницаемость. Кроме того, мембрана регулирует этот обмен за счёт того, что регулирует свою проницаемость.
3. Ещё одна важная функция мембраны - создание разности химических и электрических потенциалов между её внутренней и наружной сторонами. За счёт этого внутри клетка имеет отрицательный электрический потенциал - потенциал покоя.
4. Через мембрану осуществляется также информационный обмен между клеткой и окружающей её средой. Специальные молекулярные рецепторы, расположенные на мембране, могут связываться с управляющими веществами (гормонами, медиаторами, модуляторами) и запускать в клетке биохимические реакции, приводящие к различным изменениям в работе клетки или в её структурах.
Видео: Строение мембраны клетки
Видеолекция: Подробно о строении мембраны и транспорте
Строение мембраны
Клеточная мембрана имеет универсальное трёхслойное строение. Её срединный жировой слой является сплошным, а верхний и нижний белковые слои покрывают его в виде мозаики из отдельных белковых участков. Жировой слой является основой, обеспечивающей обособление клетки от окружающей среды, изолирующей её от окружающей среды. Сам по себе он очень плохо пропускает водорастворимые вещества, но легко пропускает жирорастворимые. Поэтому проницаемость мембраны для водорастворимых веществ (например, ионов), приходится обеспечивать специальными белковыми структурами - транспортёрами и ионными каналами. Зато важнейшие для всего живого газы - кислород и углекислый газ - легко перемещаются через мембрану как внутрь клетки, так и наружу.
Ниже представлены микрофотографии реальных клеточных мембран контактирующих клеток, полученные с помощью электронного микроскопа, а также схематический рисунок, показывающий трёхслойность мембраны и мозаичность её белковых слоёв. Для увеличения изображения кликните на него.
Отдельное изображение внутреннего липидного (жирового) слоя клеточной мембраны, пронизанного интегральными встроенными белками. Верхний и нижний белковые слои удалены, чтобы не мешать рассмотрению липидного двойного слоя
Рисунок выше: Неполное схематичное изображение клеточной мембраны (клеточной оболочки), приведённое в Википедии.
Учтите, что наружный и внутренний слои поверхностных белков здесь с мембраны сняты, чтобы нам лучше был виден центральный жировой двойной липидный слой. В реальной клеточной мембране сверху и снизу по жировой плёночке (мелкие шарики на рисунке) плавают большие белковые "острова", и мембрана получается более толстой, трёхслойной: белок-жир-белок. Так что она на самом деле похожа на сэндвич из двух белковых "кусков хлеба" с жирным слоем "масла" посередине, т.е. имеет трёхслойное строение, а не двухслойное.
Стенки этого мешочка образованы двойной жировой (липидной) плёночкой, облепленной изнутри и снаружи белками — клеточной мембраной. Поэтому говорят, что мембрана имеет трёхслойное строение: белки-жиры-белки. Внутри клетки также есть множество подобных жировых мембран, которые делят её внутреннее пространство на отсеки (=компартменты). Такими же мембранами окружены клеточные органеллы: ядро, митохондрии, хлоропласты. Так что мембрана - это универсальная молекулярная структура, свойственная всем клеткам и всем живым организмам.
Слева - уже не реальная, а искусственная модель кусочка биологической мембраны: это мгновенный снимок жирового фосфолипидного бислоя (т.е. двойного слоя) в процессе его молекулярно-динамического моделирования. Показана расчётная ячейка модели - 96 молекул ФХ (фосфатидилхолина) и 2304 молекулы воды, всего 20544 атомов.
Справа - наглядная модель одиночной молекулы того самого липида, из которых как раз и собирается мембранный липидный бислой. Вверху у него гидрофильная (водолюбивая) головка, а снизу - два гидрофобных (боящихся воды) хвостика. У этого липида есть простое название: 1-стероил-2-докозагексаеноил-Sn-глицеро-3-фосфатидилхолин (18:0/22:6(n-3)cis ФХ), но вам нет нужды его запоминать, если вы только не планируете довести своего преподавателя до обморока глубиной своих познаний.
Можно дать и более точное научное определение клетке:
Клетка – это ограниченная активной мембраной, упорядоченная, структурированная неоднородная система биополимеров, участвующих в единой совокупности обменных, энергетических и информационных процессов, и также осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.
Внутри клетка также пронизана мембранами, а между мембранами находится не вода, а вязкий гель/золь изменяемой плотности. Поэтому взаимодействующие молекулы в клетке не плавают свободно, как в пробирке с водным раствором, а в основном сидят (иммобилизованы) на полимерных структурах цитоскелета или внутриклеточных мембранах. И химические реакции поэтому проходят внутри клетки почти как в твердом теле, а не в жидкости. Наружная мембрана, окружающая клетку, также облеплена ферментами и молекулярными рецепторами, что делает её очень активной частью клетки.
Клеточная мембрана (плазмалемма, плазмолемма) - это активная оболочка, отделяющая клетку от окружающей среды и связывающая её с окружающей средой. © Сазонов В.Ф., 2016.
Из этого определения мембраны следует, что она не просто ограничивает клетку, а активно работает , связывая её с окружающей её средой.
Мембранные липиды
В состав липидов мембран входят в основном фосфолипиды, сфингомиелины и холестерин, а также в меньших количествах гликолипиды.
С химической точки зрения фосфолипид состоит из четырёх частей: глицерина, двух жирных кислот с длинной углеводородной цепью, фосфорной кислоты и особой для каждого фосфолипида группы, которую принято называть характеристической группой. Трёхатомный спирт глицерин связывает через сложно-эфирную связь две жирные кислоты и остаток фосфорной кислоты, к которой присоединена характеристическая группа (например, этаноламин).
fosfolipid.jpg
Рис. ___. Структурная формула фосфатидилэтаноламина как пример амфифильной (гидрофобной/гидрофильной) молекулы фосфолипида. Кроме этаноламина характеристической группой фосфолипида может быть также холин, инозитол, серин и некоторые другие молекулы.
fosfatidilholin.jpg
Мембранная плёночка является двойной, т. е. она состоит из двух липидных плёночек, слипшихся друг с другом с помощью своих липидных "хвостиков". Поэтому в учебниках пишут, что основа клеточной мембраны состоит из двух липидных слоёв (или из "бислоя", т.е. двойного слоя). У каждого отдельно взятого липидного слоя одна сторона может смачиваться водой, а другая — не может. Так вот, эти плёночки слипаются друг с другом именно своими несмачивающимися сторонами. Примерно так можно соединить две щётки, направив их щетиной друг к другу и слегка придавив.
Мембранные белки
Белки мембраны включены в липидный двойной слой двумя способами:
- Гидрофильные радикалы аминокислот поверхностных мембранных белков связаны нековалентными связями с гидрофильной поверхностью липидного бислоя.
- Интегральные мембранные белки погружены в гидрофобную область бислоя.
Интегральные белки различаются по степени погруженности в гидрофобную часть бислоя. Они могут располагаться по обеим сторонам мембраны и при этом либо частично погружаются в мембрану, либо располагаются трансмембранно. Погруженная часть интегральных белков содержит большое количество аминокислот с гидрофобными радикалами, которые обеспечивают гидрофобное взаимодействие с липидами мембран. Гидрофобные взаимодействия поддерживают определенную ориентацию белков в мембране. Гидрофильная выступающая часть белка не может переместиться в гидрофобный слой. Часть мембранных белков ковалентно связана с моносахаридными остатками или олигосахаридными цепями и представляет собой гликопротеины. В отличие от нерастворимых фибриллярных белков растворимые белки имеют почти сферическую (глобулярную) форму. Глобулярным белкам свойственна высокоупорядоченная пространственная структура (конформация), которая способствует выполнению специфических биологических функций (Албертс и соавт., 1994).
Мембрана бактерий
Оболочка прокариотической клетки грамотрицательных бактерий состоит из нескольких слоёв, показанных на рисунке ниже.
Слои оболочки грамотрицательных бактерий:
1. Внутренняя трёхслойная цитоплазматическая мембрана, которая соприкасается с цитоплазмой.
2. Клеточная стенка, которая состоит из муреина.
3. Наружная трёхслойная цитоплазматическая мембрана, которая имеет такую же систему липидов с белковыми комплексами, как и внутренняя мембрана.
Общение грамотрицательных бактериальных клеток с внешним миром через такую сложную трёхступенчатую структуру не даёт им преимущества в выживании в суровых условиях по сравнению с грамположительным бактериями, имеющими менее мощную оболочку. Они точно так же плохо переносят высокие температуры, повышенную кислотность и перепады давления.
Видеолекция: Плазматическая мембрана. Е.В. Шеваль, к.б.н.
Видеолекция: Мембрана как клеточная граница. А. Иляскин
Важность ионных каналов мембраны
Легко понять, что через мембранную жировую плёнку могут проникать в клетку только жирорастворимые вещества. Это жиры, спирты, газы. Например, в эритроцитх прямо через мембрану легко проходят внутрь и наружу кислород и углекислый газ. А вот вода и водорастворимые вещества (например, ионы) просто так через мембрану не могут пройти внутрь любой клетки. Это значит, что для них нужны специальные отверстия. Но если просто сделать отверстие в жировой плёнке, то оно тут же затянется обратно. Что же делать? Выход в природе был найден: надо сделать специальные белковые транспортные структуры и протянуть их сквозь мембрану. Именно так и получаются каналы для пропускания не растворимых в жире веществ - ионные каналы мембраны клетки.
Итак, для придания своей мембране дополнительных свойства проницаемости для полярных молекул (ионов и воды) клетка синтезирует в цитоплазме специальные белки, которые затем встраиваются в мембрану. Они бывают двух типов: белки-транспортёры (например, транспортные АТФазы) и белки-каналоформеры (образователи каналов). Эти белки встраиваются в двойной жировой слой мембраны и формируют транспортные структуры в виде транспортёров или в виде ионных каналов . Через эти транспортные структуры теперь могут проходить различные водорастворимые вещества, которые по-другому проходить сквозь жировую мембранную плёнку не могут.
Выводы
1. В целом, мембрана получается трёхслойной:
Но есть ещё рыхлый наружный слой - гликокаликс, который образуют торчащие из мембраны гликопротеины. Они являются молекулярными рецепторами, с которыми связываются сигнальные управляющие вещества.
2. В мембрану встроены специальные белковые структуры, обеспечивающие её протицаемость для ионов или других веществ. Не надо забывать, что в некоторых местах жировое море пронизано интегральными белками насквозь. И именно интегральные белки образуют специальные транспортные структуры клеточной мембраны (смотрите раздел 1_2 Транспортные механизмы мембраны). Через них вещества попадают внутрь клетки, а также выводятся из клетки наружу.
3. С любой стороны мембраны (наружной и внутренней), а также внутри мембраны могут располагаться белки-ферменты, которые влияют и на состояние самой мембраны и на жизнь всей клетки.
Так что мембрана клетки - это активная изменчивая структура, которая активно работает в интересах всей клетки и связывает её с окружающим миром, а не просто является "защитной оболочкой". Это - самое важное, что надо знать про клеточную мембрану.
В медицине мембранные белки зачастую используются как “мишени” для лекарственных средств. В качестве таких мишеней выступают рецепторы, ионные каналы, ферменты, транспортные системы. В последнее время кроме мембраны мишенью для лекарственных веществ становятся также гены, спрятанные в клеточном ядре.
Видео: Введение в биофизику клеточной мембраны: Структура мембран 1 (Владимиров Ю.А.)
Видео: История, строение и функции клеточной мембраны: Структура мембран 2 (Владимиров Ю.А.)
Большинство живых организмов на планете состоит из клеток. Каждая клетка имеет несколько частей, включений, стенок. Однако наиболее важное значение имеет плазматическая мембрана. Ее также называют клеточной или цитоплазматической, цитолеммой или плазмалеммой. Для того чтобы понять ее необходимость, стоит изучить химический состав и основные функции.
- История изучения
- Химический состав
- Основные функции
- Другие возможности
- Структура цитолеммы
- Значение клеточной оболочки
История изучения
- ацетон не помогает выделить абсолютно все жиры из цитоплазматической мембраны;
- площадь цитолеммы была определена неправильно, поскольку мембраны были сухими.
Несмотря на эти нарушения, случайным образом результат оказался верным, что позволило открыть двойной слой или бислой. Далее исследования специалистов продолжились. Они обратили внимание на натяжение выделенных пленок. Мембраны не могли быть такими жесткими, поэтому появилась теория, что они содержат белки, позволяющие сохранять упругость и эластичность. В 1935 году американские ученые пришли к выводу, что схема строения плазматической мембраны напоминает сандвич, то есть имеется липидный бислой, с двух сторон окруженный белковыми прослойками.
В 1950-х годах теория была подтверждена во время первых микроскопических исследований. В 1960 году Дж. Робертсон сформулировал теорию строения биологической мембраны, которая утверждала, что все оболочки в клетках состоят из трех слоев. Однако теория сандвича или бутерброда была опровергнута, поскольку появились другие факты.
Первым из них стали сведения о глобулярности мембраны. Помимо этого, специалисты определили, что во время микроскопического исследования структура пленки во многом зависит от способа ее фиксации. Следующим открытием, опровергающим теорию сандвича, было изучение сперматозоида, во время которого появилось подтверждение, что даже в одной клетке структура мембраны на разных участках отличается.
Последним опровержением стало выявление белков непосредственно внутри мембраны, тогда как теория бутерброда предполагала их нахождение за ее пределами. Подобные выводы в 1972 году использовал Сингер и Николсон, создавая мозаичную модель строения цитолеммы. На ней было отчетливо видно, что внутри пленки имеется большое количество белков, но молекулы встречаются и за пределами бислоя.
Химический состав
Плазмалемма или клеточная мембрана представляет собой молекулярную эластическую структуру, состоящую из большого количества липидов, а также белков. Она позволяет отделить клетку от других жидкостей в организме, предотвратить ее повреждение, принимает участие в метаболических процессах. Помимо этого, цитолемма помогает разделить камеры клетки для обеспечения ее нормального функционирования.
Химический состав плазматический мембраны в основном представлен фосфолипидами, но присутствуют и другие молекулы. Этот вид липидов относится к сложным, поэтому специалисты долгое время не могли точно определить состав цитолеммы. Каждый фосфолипид имеет гидрофильную часть и гидрофобную. Первая представляет собой голову молекулы и обращена наружу, вторая — хвост и обращена внутрь.
У большинства живых организмов на планете химический состав мембраны очень похож, как и ее структура. Однако существуют исключения. У некоторых организмов она образована глицерином и другими спиртами. Белки внутри биологической оболочки могут быть разными. Наиболее часто встречаются следующие:
- Интегральные протеины пронизывают пленку насквозь, поэтому могут быть внутри и снаружи клетки. Их количество в составе наибольшее.
- Полуинтегральные белки могут быть погружены одной частью во внешний или внутренний слой, выполняют функцию соединения мембраны с цитоскелетом.
- Поверхностные располагаются на пленке или ее внутреннем слое, не погружаются в него.
Наиболее важными считаются интегральные, ведь они могут выполнять роль транспортных включений и рецепторов. Иногда такие протеины выступают в роли ионных каналов, поддерживают постоянство внешней и внутренней среды.
В первые годы изучения цитолеммы специалисты не разделяли протеины на разные группы, считая их одинаково необходимыми и выполняющими одни и те же функции. Однако сегодня, благодаря развитию технологий и появлению современных микроскопов, можно с уверенностью сказать, что строение мембраны довольно сложное, даже у простых растительных клеток.
Основные функции
Основным свойством плазматической мембраны является элементарное поддержание постоянства внутренней среды клетки и обеспечение ее бесперебойного функционирования. Помимо этого, она выполняет и другие функции:
- Барьерная. Обеспечивает активные обменные процессы и безопасное контактирование с внешней средой. Некоторые оболочки защищают клетку от опасных компонентов, которые могут ее повредить или уничтожить. Дополнительно барьер обеспечивает избирательную проницаемость, то есть попадание за пленку каких-либо атомов будет зависеть от их размера и толщины цитолеммы. Благодаря этому, возможно сохранение целостности наружной ткани, поверхности самой пленки.
- Транспортная. Имеет важное значение, ведь благодаря ей осуществляется транспорт разных веществ в клетку и выделяются продукты распада из нее. Помимо этого, способность переносить конкретные компоненты осуществляет поддержание оптимального кислотно-щелочного равновесия, а также ионного состава. Последнее важно для обработки некоторых ферментов. Транспорт может быть пассивным и активным. Первый не требует затрат энергии, происходит медленно, второй сопровождается значительными энергетическими потерями, но протекает быстро.
- Энергетическая. Также играет важную роль. Структурные особенности клетки не имеют значения, поскольку в каждой плазмалемме имеются белки, отвечающие за перенос энергии и входящие в состав специальных систем для обеспечения этого процесса. При снижении их концентрации происходит нарушение метаболизма, провоцирующее другие отрицательные изменения.
- Рецепторная. Во многом зависит от количества интегральных белков в оболочке. Если их недостаточно, клетка не в состоянии воспринимать сигналы, теряется способность узнавания того или иного импульса, а также главная особенность — реакция, возникающая в ответ на изменения на поверхности мембраны.
В отличие от других способностей оболочки, рецепторная играет определяющую роль. Многие гормоны, циркулирующие в крови человека, животного и других организмов, способны воздействовать только на те частицы, в которых имеются специальные белки, выполняющие рецепторную функцию. Если в плазмолемме их нет, все процессы нарушаются. Дополнительно такие протеины могут участвовать в проведении нервного импульса, связываясь с нейромедиаторами.
Другие возможности
Помимо основных функций цитоплазматической мембраны, имеются дополнительные, которые изучены не так подробно, но играют важную роль. Матричная обеспечивает взаимодействие всех протеинов для более эффективного метаболизма в клетке и оболочке. Это позволяет построить новую пленку в случае ее повреждения.
Механическая функция также важна. Она позволяет обеспечить автономность клетки и всех ее структур разного типа, поддержать связь между разными единицами тканей и предотвратить их разрыв. Клеточные стенки играют определяющую роль в обеспечении механической защиты. У животных эту работу выполняет межклеточное вещество.
Ферментативная функция осуществляется не в каждой цитолемме, поскольку некоторые клетки лишены специальных веществ. Однако в эпителиальных единицах тонкого кишечника человека и других млекопитающих содержится довольно большое количество пищеварительных ферментов, принимающих непосредственное участие в процессе переработки пищи.
Генерация и проведение потенциалов играет важную роль. Благодаря наличию цитолеммы, в клетке постоянно поддерживается определенное количество ионов калия и натрия. Первых в клетке гораздо больше, чем снаружи, вторых больше за пределами единицы и меньше внутри. Если изучить характеристику этих ионов в сравнительной таблице, можно увидеть, что они выполняют важнейшие функции, а при изменении концентрации наблюдается расстройство метаболических процессов.
Маркировка клетки также осуществляется с участием цитоплазматической мембраны. На каждой из них во время микроскопического исследования можно увидеть антигены, выполняющие роль ярлыков или антенн. Благодаря этому, клетки с одинаковой маркировкой могут узнавать друг друга и действовать сообща при возникновении такой необходимости. Именно антенны позволяют клеткам иммунной системы распознавать чужеродные антигены и действовать против них для обеспечения защиты организма.
Благодаря дополнительным возможностям плазмоллемы, возможно существование всех клеток внутри одного организма и их постоянное взаимодействие.
Структура цитолеммы
Существуют более жесткие оболочки и эластичные, мягкие, в которых количество холестерола снижено. Помимо этого, вещество служит барьером, препятствуя переходу из клетки в клетку полярных молекул. Состав и ориентация протеинов в каждой мембране отличается, но специалисты определили, что без них пленка существовать не может.
В структуру плазмалеммы также входят аннулярные жиры, располагающиеся в непосредственной близости от протеинов и выделяющиеся вместе с ними из клетки. Без этих липидов протеины оболочки не могут выполнять свои функции. В большинстве случаев плазматическая мембрана асимметрична, то есть в разных ее частях количество липидов и протеинов отличается.
Каждая оболочка имеет органеллы. Они представляют собой участки цитоплазмы, связанные между собой. Наиболее часто встречаются следующие органеллы:
- комплекс Гольджи;
- вакуоли;
- эндоплазматическая сеть; .
Разные клетки обладают индивидуальным составом органелл, но некоторые из них присутствуют в подавляющем большинстве единиц ткани. Благодаря своей структуре, мембраны способны к избирательной проницаемости. Некоторые вещества проходят через них свободно, другие — нет. Процесс регулируется самой оболочкой. Он может быть пассивным и активным. В первом случае в реакцию вступают интегральные белки, во втором требуются значительные энергетические затраты.
Значение клеточной оболочки
Если внимательно изучить строение и функции плазматической оболочки, можно понять ее роль и значение в нормальном функционировании всего организма. После получения точных сведений о работе мембраны ученые смогли подтвердить ее необходимость и первостепенную роль в организме.
Все органы животных и человека состоят из клеток, поэтому палазмалемма имеет наиболее важное значение для всего организма. При ее повреждении клетка неспособна нормально существовать, нарушается целая цепь процессов. Именно поэтому специалисты и сегодня изучают цитоплазматическую мембрану, ее функции и процессы, в которых она принимает участие.
Строение биологических мембран. Одной из основных особенностей всех эукариотических клеток является изобилие и сложность строения внутренних мембран. Мембраны отграничивают цитоплазму от окружающей среды, а также формируют оболочки ядер, митохондрий и пластид. Они образуют лабиринт эндоплазматического ретикулума и уплощенных пузырьков в виде стопки, составляющих комплекс Гольджи. Мембраны образуют лизосомы, крупные и мелкие вакуоли растительных и грибных клеток, пульсирующие вакуоли простейших. Все эти структуры представляют собой компоненты (отсеки), предназначенные для тех или иных специализированных процессов и циклов. Следовательно, без мембран существование клетки невозможно.
Плазматическая мембрана, или плазмалемма, — наиболее постоянная, основная, универсальная для всех клеток мембрана. Она представляет собой тончайшую (около 10 нм) пленку, покрывающую всю клетку. Плазмалемма состоит из молекул белков и фосфолипидов (рис. 1.6).
Молекулы фосфолипидов расположены в два ряда — гидрофобными концами внутрь, гидрофильными головками к внутренней и внешней водной среде. В отдельных местах бислой (двойной слой) фосфолипидов насквозь пронизан белковыми молекулами (интегральные белки). Внутри таких белковых молекул имеются каналы — поры, через которые проходят водорастворимые вещества. Другие белковые молекулы пронизывают бислой липидов наполовину с одной или с другой стороны (полуинтегральные белки). На поверхности мембран эукариотических клеток имеются периферические белки. Молекулы липидов и белков удерживаются благодаря гидрофильно-гидрофобным взаимодействиям.
Рис. 1.6. Схема строения мембраны: а — трехмерная модель; б — плоскостное изображение; 1 — белки, примыкающие к липидному слою (А), погруженные в него (Б) или пронизывающие его насквозь (В); 2 — слои молекул липидов; 3 — гликопротеины; 4 — гликолипиды; 5 — гидрофильный канал, функционирующий как пора.
В состав плазматической мембраны эукариотических клеток входят также полисахариды. Их короткие, сильно разветвленные молекулы ковалентно связаны с белками, образуя гликопротеины, или с липидами (гликолипиды). Содержание полисахаридов в мембранах составляет 2-—10% по массе. Полисахаридный слой толщиной 10—20 нм, покрывающий сверху плазмалемму животных клеток, получил название гликокаликс.
Свойства и функции мембран. Все клеточные мембраны представляют собой подвижные текучие структуры, поскольку молекулы липидов и белков не связаны между собой ковалентными связями и способны достаточно быстро перемещаться в плоскости мембраны. Благодаря этому мембраны могут изменять свою конфигурацию, т. е. обладают текучестью.
Мембраны — структуры очень динамичные. Они быстро восстанавливаются после повреждения, а также растягиваются и сжимаются при клеточных движениях.
Мембраны разных типов клеток существенно различаются как по химическому составу, так и по относительному содержанию в них белков, гликопротеинов, липидов, а следовательно, и по характеру имеющихся в них рецепторов. Каждый тип клеток поэтому характеризуется индивидуальностью, которая определяется в основном гликопротеинами. Разветвленные цепи гликопротеинов, выступающие из клеточной мембраны, участвуют в распознавании факторов внешней среды, а также во взаимном узнавании родственных клеток. Например, яйцеклетка и сперматозоид узнают друг друга по гликопротеинам клеточной поверхности, которые подходят друг к другу как отдельные элементы цельной структуры. Такое взаимное узнавание — необходимый этап, предшествующий оплодотворению.
Подобное явление наблюдается в процессе дифференцировки тканей. В этом случае сходные по строению клетки с помощью распознающих участков плазмалеммы правильно ориентируются относительно друг друга, обеспечивая тем самым их сцепление и образование тканей. С распознаванием связана и регуляция транспорта молекул и ионов через мембрану, а также иммунологический ответ, в котором гликопротеины играют роль антигенов. Сахара, таким образом, могут функционировать как информационные молекулы (подобно белкам и нуклеиновым кислотам). В мембранах содержатся также специфические рецепторы, переносчики электронов, преобразователи энергии, ферментные белки. Белки участвуют в обеспечении транспорта определенных молекул внутрь клетки или из нее, осуществляют структурную связь цитоскелета с клеточными мембранами или же служат в качестве рецепторов для получения и преобразования химических сигналов из окружающей среды.
Важнейшим свойством мембраны является также избирательная проницаемость. Это значит, что молекулы и ионы проходят через нее с различной скоростью, и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Это свойство определяет плазматическую мембрану как осмотический барьер. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы; значительно медленнее проходят сквозь мембрану ионы. Диффузия воды через мембрану называется осмосом.
Существует несколько механизмов транспорта веществ через мембрану.
При облегченной диффузии специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой и переносят их через мембрану по градиенту концентрации.
Активный транспорт сопряжен с затратами энергии и служит для переноса веществ против их градиента концентрации. Он осуществляется специальными белками-переносчиками, образующими так называемые ионные насосы. Наиболее изученным является Na - / К - -насос в клетках животных, активно выкачивающих ионы Na + наружу, поглощая при этом ионы К - . Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация К - и меньшая Na + по сравнению с окружающей средой. На этот процесс затрачивается энергия АТФ.
В результате активного транспорта с помощью мембранного насоса в клетке происходит также регуляция концентрации Mg 2- и Са 2+ .
В процессе активного транспорта ионов в клетку через цитоплазматическую мембрану проникают различные сахара, нуклеотиды, аминокислоты.
Макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липопротеидные комплексы и др. сквозь клеточные мембраны не проходят, в отличие от ионов и мономеров. Транспорт макромолекул, их комплексов и частиц внутрь клетки происходит совершенно иным путем — посредством эндоцитоза. При эндоцитозе — внутрь) определенный участок плазмалеммы захватывает и как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую вследствие впячивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль соединяется с лизосомой, ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.
Процесс, обратный эндоцитозу, — экзоцитоз (экзо. — наружу). Благодаря ему клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Гак выводятся пищеварительные ферменты, гормоны, гемицеллюлоза и др.
Таким образом, биологические мембраны как основные структурные элементы клетки служат не просто физическими границами, а представляют собой динамичные функциональные поверхности. На мембранах органелл осуществляются многочисленные биохимические процессы, такие как активное поглощение веществ, преобразование энергии, синтез АТФ и др.
Функции биологических мембран следующие:
- Отграничивают содержимое клетки от внешней среды и содержимое органелл от цитоплазмы.
- Обеспечивают транспорт веществ в клетку и из нее, из цитоплазмы в органеллы и наоборот.
- Выполняют роль рецепторов (получение и преобразование сигналов из окружающей среды, узнавание веществ клеток и т. д.).
- Являются катализаторами (обеспечение примембранных химических процессов).
- Участвуют в преобразовании энергии.
Источник : Н.А. Лемеза Л.В.Камлюк Н.Д. Лисов "Пособие по биологии для поступающих в ВУЗы"
Строение клеток живых организмов во многом зависит от того, какие функции они выполняют. Однако существует ряд общих для всех клеток принципов архитектуры. В частности, любая клетка имеет снаружи оболочку, которая называется цитоплазматической или плазматической мембраной. Существует и еще одно название — плазмолемма.
- Строение
- Функции
- Избирательная проницаемость
- Транспорт веществ
- Пассивный
- Активный
- В мембранной упаковке
- Экзоцитоз
Строение
Плазматическая мембрана состоит из молекул трех основных видов — протеинов, углеводов и липидов. У разных типов клеток соотношение этих компонентов может различаться.
В 1972 году учеными Николсоном и Сингером был предложена жидкостно-мозаичная модель строения цитоплазматической мембраны. Эта модель послужила ответом на вопрос о строении клеточной мембраны и не утратила своей актуальности и по сей день. Суть жидкостно-мозаичной модели заключается в следующем:
- Липиды располагаются в два слоя, составляя основу клеточной стенки,
- Гидрофильные концы липидных молекул расположены внутрь, а гидрофобные — наружу,
- Внутри эта структура имеет слой протеинов, которые пронизывают липиды подобно мозаике,
- Кроме белков здесь имеется небольшое количество углеводов — гексоз,
Эта биологическая система отличается большой подвижностью. Белковые молекулы могут выстраиваться, ориентируясь к одной из сторон липидного слоя, или же свободно перемещаются и меняют свое положение.
Это интересно: сколько хромосом у нормального человека?
Функции
Несмотря на некоторые различия в строении, плазмолеммы всех клеток обладают набором общих функций. Кроме того, они могут обладать характеристиками, сугубо специфичными для данного вида клеток. Рассмотрим кратко общие основные функции всех клеточных мембран:
Избирательная проницаемость
Основным свойством плазматической мембраны является избирательная проницаемость. Через нее проходят ионы, аминокислоты, глицерол и жирные кислоты, глюкоза. При этом клеточная мембрана пропускает одни вещества и задерживает другие.
Существует несколько видов механизмов транспорта веществ через клеточную мембрану:
- Диффузия,
- Осмос,
- Экзоцитоз,
- Эндоцитоз,
- Активный транспорт,
Диффузия и осмос не требуют энергетических затрат и осуществляются пассивно, остальные виды транспорта — это активные процессы, протекающие с потреблением энергии.
Такое свойство клеточной оболочки во время пассивного транспорта обусловлено наличием специальных интегральных белков. Такие белки-каналы пронизывают плазмолемму и образуют в ней проходы. Ионы кальция, калия и лора передвигаются по таким каналам относительно градиента концентрации.
Транспорт веществ
К основным свойствам плазматической мембраны относят также ее способность транспортировать молекулы разнообразных веществ.
Описаны следующие механизмы переноса веществ через плазмолемму:
- Пассивный — диффузия и осмос,
- Активный,
- Транспорт в мембранной упаковке,
Рассмотрим эти механизмы более подробно.
Пассивный
К пассивным видам транспорта относятся осмос и диффузия. Диффузией называется движение частиц по градиенту концентрации. В этом случае клеточная оболочка выполняет функции осмотического барьера. Скорость диффузии зависит от величины молекул и их растворимости в липидах. Диффузия, в свою очередь, может быть нейтральной (с переносом незаряженных частиц) или облегченной, когда задействуются специальные транспортные белки.
Осмосом называется диффузия через клеточную стенку молекул воды.
Полярные молекулы с большой массой транспортируются с помощью специальных белков — этот процесс получил название облегченной диффузии. Транспортные белки пронизывают клеточную мембрану насквозь и образуют каналы. Все транспортные белки подразделяются на каналообразующие и транспортеры. Проникновение заряженных частиц облегчается благодаря существованию мембранного потенциала.
Активный
Перенос веществ через клеточную оболочку против электрохимического градиента называется активным транспортом. Такой транспорт всегда происходит с участием специальных белков и требует энергии. Транспортные белки имеют специальные участки, которые связываются с переносимым веществом. Чем больше таких участков, тем быстрее и интенсивнее происходит перенос. В процессе переноса белок транспортер претерпевает обратимые структурные изменения, что и позволяет ему выполнять свои функции.
В мембранной упаковке
Молекулы органически веществ с большой массой переносятся через мембрану с образованием замкнутых пузырьков — везикул, которые образует мембрана.
Отличительной чертой везикулярного транспорта является то, что переносимые макрочастицы не смешиваются с другим молекулами клетки или ее органеллами.
Перенос крупных молекул внутрь клетки получил название эндоцитоза. В свою очередь, эндоцитоз подразделяется на два вида — пиноцитоз и фагоцитоз. При этом часть плазматической мембраны клетки образует вокруг переносимых частиц пузырек, называемый вакуолью. Размеры вакуолей при пиноцитозе и фагоцитозе имеют существенные различия.
В процессе пиноцитоза происходит поглощение клеткой жидкостей. Фагоцитоз обеспечивает поглощение крупных частиц, обломков клеточных органелл и даже микроорганизмов.
Экзоцитоз
Экзоцитозом принято называть выведение из клетки веществ. В таком случае вакуоли перемещаются к плазмолемме. Далее стенка вакуоли и плазмолемма начинают слипаться, а затем сливаться. Вещества, которые содержатся в вакуоли, перемещаются в окружающую среду.
Клетки некоторых простейших организмов имеют строго определенные участки для обеспечения такого процесса.
Как эндоцитоз, так и экзоцитоз протекают в клетке при участии фибриллярных компонентов цитоплазмы, которые имеют тесную непосредственную связь с плазмолеммой.
Читайте также: