Плазматическая мембрана: характеристики, строение и функции. Строение и химический состав плазматической мембраны


Плазматическая мембрана: функции, строение :: SYL.ru

Клетка давно определена как структурная единица всего живого. И это действительно так. Ведь миллиарды этих структур, словно кирпичики, образуют растения и животных, бактерий и микроорганизмов, человека. Каждый орган, ткань, система организма - все выстроено из клеток.

Поэтому очень важно знать все тонкости ее внутреннего строения, химического состава и протекающих биохимических реакций. В данной статье рассмотрим, что представляет собой плазматическая мембрана, функции, которые она выполняет, и строение.

Органеллы клетки

Органеллами называются мельчайшие структурные части, находящие внутри клетки и обеспечивающие ее строение и жизнедеятельность. К ним относится множество разных представителей:

  1. Плазматическая мембрана.
  2. Ядро и ядрышки с хромосомным материалом.
  3. Цитоплазма с включениями.
  4. Лизосомы.
  5. Митохондрии.
  6. ЭПС (эндоплазматический ретикулум).
  7. Комплекс Гольджи.
  8. Рибосомы.
  9. Вакуоли и хлоропласты, если клетка растительная.

Каждая из перечисленных структур имеет свое сложное строение, сформирована ВМС (высокомолекулярными веществами), выполняет строго определенные функции и принимает участие в комплексе биохимических реакций, обеспечивающих жизнедеятельность всего организма в целом.

Общее строение мембраны

Строение плазматической мембраны изучалось еще с XVIII века. Именно тогда впервые была обнаружена ее способность выборочно пропускать или задерживать вещества. С развитием микроскопии исследование тонкой структуры и строения мембраны стало более возможным, и поэтому на сегодняшний день о ней известно практически все.

Синонимом ее основному названию является плазмалемма. Состав плазматической мембраны представлен тремя основными видами ВМС:

  • белки;
  • липиды;
  • углеводы.

Соотношение этих соединений и расположение может варьироваться у клеток разных организмов (растительной, животной или бактериальной).

Жидкостно-мозаичная модель строения

Многие ученые пытались высказывать предположения о том, каким образом располагаются липиды и белки в мембране. Однако только в 1972 г. учеными Сингером и Николсоном была предложена актуальная и сегодня модель, отражающая строение плазматической мембраны. Она названа жидкостно-мозаичной, и суть ее состоит в следующем: различные типы липидов располагаются в два слоя, ориентируясь гидрофобными концами молекул внутрь, а гидрофильными наружу. При этом вся структура, подобно мозаике, пронизана неодинаковыми типами белковых молекул, а также небольшим количеством гексоз (углеводов).

Вся предполагаемая система находится в постоянной динамике. Белки способны не просто пронизывать билипидный слой насквозь, но и ориентироваться у одной из его сторон, встраиваясь внутрь. Или вообще свободно "гулять" по мембране, меняя местоположение.

Доказательствами в защиту и оправданность этой теории служат данные микроскопического анализа. На черно-белых фотографиях явно видны слои мембраны, верхний и нижний одинаково темные, а средний более светлый. Также проводился ряд опытов, доказывающих, что слои основаны именно липидами и белками.

Белки плазматической мембраны

Если рассматривать процентное соотношение липидов и белков в мембране растительной клетки, то оно будет примерно одинаковое - 40/40%. В животной плазмалемме до 60% приходится на белки, в бактериальной - до 50%.

Плазматическая мембрана состоит из разных видов белков, и функции каждого из них также специфические.

1. Периферические молекулы. Это такие белки, которые ориентированы на поверхности внутренней или наружной частей бислоя липидов. Основные типы взаимодействий между структурой молекулы и слоем следующие:

  • водородные связи;
  • ионные взаимодействия или солевые мостики;
  • электростатическое притяжение.

Сами периферические белки - растворимые в воде соединения, поэтому их отделить от плазмалеммы без повреждений несложно. Какие вещества относятся к этим структурам? Самое распространенное и многочисленное - фибриллярный белок спектрин. Его в массе всех мембранных белков может быть до 75% у отдельных клеточных плазмалемм.

Зачем они нужны и как зависит от них плазматическая мембрана? Функции следующие:

  • формирование цитоскелета клетки;
  • поддержание постоянной формы;
  • ограничение излишней подвижности интегральных белков;
  • координация и осуществление транспорта ионов через плазмолемму;
  • могут соединяться с олигосахаридными цепями и участвовать в рецепторной передаче сигналов от мембраны и к ней.

2. Полуинтегральные белки. Такими молекулами называются те, что погружены в липидный бислой полностью или наполовину, на различную глубину. Примерами могут служить бактериородопсин, цитохромоксидаза и другие. Их называют также "заякоренными" белками, то есть будто прикрепленными внутри слоя. С чем они могут контактировать и за счет чего укореняются и удерживаются? Чаще всего благодаря специальным молекулам, которыми могут быть миристиновые или пальмитиновые кислоты, изопрены или стерины. Так, например, в плазмалемме животных встречаются полуинтегральные белки, связанные с холестерином. У растений и бактерий таких пока не обнаружено.

3. Интегральные белки. Одни из самых важных в плазмолемме. Представляют собой структуры, формирующие что-то вроде каналов, пронизывающих оба липидных слоя насквозь. Именно по этим путям осуществляются поступления многих молекул внутрь клетки, таких, которые липиды не пропускают. Поэтому основная роль интегральных структур - формирование ионных каналов для транспорта.

Существует два типа пронизывания липидного слоя:

  • монотопное - один раз;
  • политопное - в нескольких местах.

К разновидностям интегральных белков можно отнести такие, как гликофорин, протеолипиды, протеогликаны и другие. Все они нерастворимы в воде и тесно встроены в липидный слой, поэтому извлечь их без повреждения структуры плазмалеммы невозможно. По своему строению эти белки глобулярные, гидрофобный конец их расположен внутри липидного слоя, а гидрофильный - над ним, причем может возвышаться над всей структурой. За счет каких взаимодействий интегральные белки удерживаются внутри? В этом им помогают гидрофобные притяжения к радикалам жирных кислот.

Таким образом, существует целый ряд разных белковых молекул, которые включает в себя плазматическая мембрана. Строение и функции этих молекул можно объединить в несколько общих пунктов.

  1. Структурные периферические белки.
  2. Каталитические белки-ферменты (полуинтегральные и интегральные).
  3. Рецепторные (периферические, интегральные).
  4. Транспортные (интегральные).

Липиды плазмалеммы

Жидкий бислой липидов, которыми представлена плазматическая мембрана, может быть очень подвижным. Дело в том, что разные молекулы могут из верхнего слоя переходить в нижний и наоборот, то есть структура динамична. Такие переходы имеют свое название в науке - "флип-флоп". Образовалось оно от названия фермента, катализирующего процессы перестройки молекул внутри одного монослоя или из верхнего в нижний и обратно, флипазы.

Количество липидов, которое содержит клеточная плазматическая мембрана, примерно такое же, как число белков. Видовое разнообразие широко. Можно выделить такие основные группы:

  • фосфолипиды;
  • сфингофосполипиды;
  • гликолипиды;
  • холестерол.

К первой группе фосфолипидов относятся такие молекулы, как глицерофосфолипиды и сфингомиелины. Эти молекулы составляют основу бислоя мембраны. Гидрофобные концы соединений направлены внутрь слоя, гидрофильные - наружу. Примеры соединений:

  • фосфатидилхолин;
  • фосфатидилсерин;
  • кардиолипин;
  • фосфатидилинозитол;
  • сфингомиелин;
  • фосфатидилглицерин;
  • фосфатидилэтаноламин.

Для изучения данных молекул применяется способ разрушения слоя мембраны в некоторых частях фосфолипазой - специальным ферментом, катализирующим процесс распада фосфолипидов.

Функции перечисленных соединений следующие:

  1. Обеспечивают общую структуру и строение бислоя плазмалеммы.
  2. Соприкасаются с белками на поверхности и внутри слоя.
  3. Определяют агрегатное состояние, которое будет иметь плазматическая мембрана клетки при различных температурных условиях.
  4. Участвуют в ограниченной проницаемости плазмолеммы для разных молекул.
  5. Формируют разные типы взаимодействий клеточных мембран друг с другом (десмосома, щелевидное пространство, плотный контакт).

Сфингофосфолипиды и гликолипиды мембраны

Сфингомиелины или сфингофосфолипиды по своей химической природе - производные аминоспирта сфингозина. Наравне с фосфолипидами принимают участие в образовании билипидного слоя мембраны.

К гликолипидам относится гликокаликс - вещество, во многом определяющее свойства плазматической мембраны. Это желеподобное соединение, состоящее в основном из олигосахаридов. Гликокаликс занимает 10% от общей массы плазмалеммы. С этим веществом напрямую связана плазматическая мембрана, строение и функции, которые она выполняет. Так, например, гликокаликс осуществляет:

  • маркерную функцию мембраны;
  • рецепторную;
  • процессы пристеночного переваривания частиц внутри клетки.

Следует заметить, что наличие липида гликокаликса характерно только для животных клеток, но не для растительных, бактериальных и грибов.

Холестерол (стерин мембраны)

Является важной составной частью бислоя клетки у млекопитающих животных. В растительных не встречается, в бактериальных и грибах тоже. С химической точки зрения представляет собой спирт, циклический, одноатомный.

Равно как и остальные липиды, обладает свойствами амфифильности (наличие гидрофильного и гидрофобного конца молекулы). В мембране играет важную роль ограничителя и контролера текучести бислоя. Также участвует в выработке витамина D, является соучастником формирования половых гормонов.

В растительных же клетках присутствуют фитостеролы, которые не участвуют в образовании животных мембран. По некоторым данным известно, что эти вещества обеспечивают устойчивость растений к некоторым видам заболеваний.

Плазматическая мембрана образована холестеролом и другими липидами в общем взаимодействии, комплексе.

Углеводы мембраны

Данная группа веществ составляет примерно около 10% от общего состава соединений плазмалеммы. В простом виде моно-, ди-, полисахариды не встречаются, а только в форме гликопротеидов и гликолипидов.

Функции их заключаются в осуществлении контроля над внутри- и межклеточными взаимодействиями, поддержании определенной структуры и положения молекул белков в мембране, а также осуществлении рецепции.

Основные функции плазмалеммы

Очень велика роль, которую играет в клетке плазматическая мембрана. Функции ее многогранны и важны. Рассмотрим их подробнее.

  1. Отграничивает содержимое клетки от окружающей среды и защищает его от внешних воздействий. Благодаря наличию мембраны поддерживается на постоянном уровне химический состав цитоплазмы, ее содержимое.
  2. Плазмалемма содержит ряд белков, углеводов и липидов, которые придают и поддерживают определенную форму клетки.
  3. Мембрану имеет каждая клеточная органелла, которая называется мембранной везикулой (пузырьком).
  4. Компонентный состав плазмалеммы позволяет ей исполнять роль "стражника" клетки, осуществляя выборочный транспорт внутрь нее.
  5. Рецепторы, ферменты, биологически активные вещества функционируют в клетке и проникают в нее, сотрудничают с ее поверхностной оболочкой только благодаря белкам и липидам мембраны.
  6. Через плазмалемму осуществляется транспортировка не только соединений различной природы, но и ионов, важных для жизнедеятельности (натрий, калий, кальций и другие).
  7. Мембрана поддерживает осмотическое равновесие вне и внутри клетки.
  8. При помощи плазмалеммы осуществляется перенос ионов и соединений различной природы, электронов, гормонов из цитоплазмы в органеллы.
  9. Через нее же происходит поглощение солнечного света в виде квантов и пробуждение сигналов внутри клетки.
  10. Именно данной структурой осуществляется генерация импульсов действия и покоя.
  11. Механическая защита клетки и ее структур от небольших деформаций и физических воздействий.
  12. Адгезия клеток, то есть сцепление, и удержание их рядом друг с другом также осуществляется благодаря мембране.

Очень тесно взаимосвязана клеточная плазмалемма и цитоплазма. Плазматическая мембрана находится в тесном контакте со всеми веществами и молекулами, ионами, которые проникают внутрь клетки и свободно располагаются в вязкой внутренней среде. Данные соединения пытаются проникнуть внутрь всех клеточных структур, но барьером служит как раз мембрана, которая способна осуществлять разные типы транспорта через себя. Либо вообще не пропускать некоторые типы соединений.

Типы транспорта через клеточный барьер

Транспорт через плазматическую мембрану осуществляется несколькими способами, которые объединяет одна общая физическая особенность - закон диффузии веществ.

  1. Пассивный транспорт или диффузия и осмос. Подразумевает свободное перемещение ионов и растворителя через мембрану по градиенту из области с высокой концентрацией в область с низкой. Не требует расхода энергии, так как протекает сам по себе. Так происходит действие натрий-калиевого насоса, смена кислорода и углекислого газа при дыхании, выход глюкозы в кровь и так далее. Очень распространено такое явление, как облегченная диффузия. Данный процесс подразумевает наличие какого-либо вещества-помощника, которое цепляет нужное соединение и протаскивает за собой по белковому каналу или через липидный слой внутрь клетки.
  2. Активный транспорт подразумевает затраты энергии на процессы поглощения и выведения через мембрану. Есть два основных способа: экзоцитоз - выведение молекул и ионов наружу. Эндоцитоз - захватывание и проведение внутрь клетки твердых и жидких частиц. В свою очередь, второй способ активного транспорта включает в себя две разновидности процесса. Фагоцитоз, который заключается в заглатывании везикулой мембраны твердых молекул, веществ, соединений и ионов и проведение их внутрь клетки. При протекании данного процесса образуются крупные везикулы. Пиноцитоз, напротив, заключается в поглощении капелек жидкостей, растворителей и других веществ и проведении их внутрь клетки. Он подразумевает формирование пузырьков малых размеров.

Оба процесса - пиноцитоз и фагоцитоз - играют большую роль не только в осуществлении транспорта соединений и жидкостей, но и в защите клетки от обломков отмерших клеток, микроорганизмов и вредных соединений. Можно сказать, что эти способы активного транспорта также являются и вариантами иммунологической защиты клетки и ее структур от разных опасностей.

www.syl.ru

Химический состав, строение и функции клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны

Количество просмотров публикации Химический состав, строение и функции клеточных мембран. Транспорт веществ через мембраны - 1436

Постоянные клеточные структуры, которые выполняют определённые функции, обеспечивая тем самым процессы жизнедеятельности клетки, на­зываютсяорганеллами. Одной из важнейших клеточных органелл являет­ся ееплазматическая мембрана — тонкая пленка; покрывающая всю клетку.

Плазматическая мембрана клетки настолько тонка, что она не видна в световой микроскоп, тем не менее о ее существовании ученые знали задол­го до того, как она была изучена при помощи электронного микроскопа. Еще в начале нашего столетия Овертон предположил, что клеточная мембрана содержит большое количество липидов, так как скорость проникно­вения многих веществ в клетку прямо пропорциональна их растворимости в липидах. Вещества растворяются в мембране, проходят сквозь нее и ока­пываются по другую ее сторону. Позже ученым удалось доказать, что мо­лекулы липидов, входящие в состав плазматической, мембраны, расположе­ны в два слоя, так как липиды, выделœенные из мембран эритроцитов, распределяясь по поверхности воды слоем толщиной в одну молекулу, за­нимают поверхность в два раза большую, чем суммарная поверхность ис­ходных эритроцитов. Сегодня общепринятой считается жидкостно-мозаичная модель строения плазматической мембраны. Молекулы липидов расположены в мембране в два слоя таким образом, что их непо­лярные водоотталкивающие концы находятся в глубинœе мембраны, а полярные водорастворимые концы обращены к внутренней и внешней водной среде. В мембрану вкраплены различные белковые молекулы. Некоторые из них находятся на внешней или на внутренней поверхности липидной ча­сти мембраны; другие пронизывают всю толщу мембраны насквозь, третьи — погружены в липидный слой частично. Жидкостно-мозаичной эту мо­дель строения плазматической мембраны клетки называют потому, что мно­гие из входящих в ее состав белки не остаются на месте, а как бы плавают в жидких липидных слоях, образуя своего рода мозаику. К некото­рым белкам, находящимся на наружной стороне мембраны, присоединœены углеводы; такие белки называют гликопротеидами. Белки, гликопротеиды и липиды плазматических мембран в клетках раз­личных типов неодинаковы, в связи с этим каждый тип клеток имеет как бы свой ʼʼярлыкʼʼ, на котором ʼʼтекстʼʼ записан в основном гликопротеидами, высту­пающими из клеточных мембран. Известно, к примеру, что у человека эрит­роциты разных групп крови отличаются друг от друга. Природой углеводов, присоединœенных к белкам, находящимся на поверхности плазматических мембран этих клеток. Яйцеклетка и сперматозоид узнают друг друга погликопротеидам, находящимся на поверхности плазматической мембраны, которые подходят друг к другу, как отдельные элементы головоломки. Бла­годаря гликопротеидам поверхностного слоя мембраны клетки, принадле­жащие к одному типу, удерживаются вместе, образуя ткани. Между молекулами белков в плазматической мембране имеются поры (канальцы), заполненные водой.

Функции плазматической мембраны важны и разнообразны. В первую очередь, она отграничивает содержимое клетки от внешней среды, опреде­ляя ее форму и размеры; будучи плотной и эластичной, мембрана защища­ет клетку от физических и химических повреждений, делает возможным контакт и взаимодействие клеток в тканях и органах. Но, пожалуй, одной из самых важных функций плазматической мембраны является обеспечение обмена веществ между клеткой и внешней средой. Благодаря избиратель­ной способности плазматическая мембрана пропускает в клетку из внешней среды только те вещества, которые ей в данный момент необходимы, и выводит из клетки только ненужные продукты обмена веществ. Существует четыре базовых механизма поступления веществ в клетку или выхода из нее наружу: диффузия, осмос, активный транспорт и эндо- или экзоцитоз. Диффузия и осмос не требуют затраты энергии, т. е. являются пассивными процессами, тогда как два последних механизма —- активные, потому что связаны с затратой энергии. Пассивный транспорт веществ в обе стороны через плазматическую мембрану может осуществляться как через ее поры, так и при помощи молекул — переносчиков, роль которых выполняют мо­лекулы белков. В корне диффузии лежит процесс хаотического теплово­го движения молекул, при котором они перемещаются от большей концен­трации к меньшей. Движение через плазматическую мембрану веществ при помощи молекул-переносчиков еще называют облегченной диффузией, так как он по скорости превышает первый. Переносчик, функционирующий в

плазматической мембране, на одной ее стороне соединяется с молекулой или ионом, а на другой — отдает их, пройдя с ними вместе короткий путь через мембрану. Примером облегченной диффузии может служить проникновение в клетку глюкозы, что позволяет клетке поглощать данный простой углевод быстрее, чем он мог бы диффундировать через поры клеточной мембраны.

Осмосом называют особый тип диффузии воды через плазматическую мембрану, при котором молекулы воды движутся из области менее концен­трированных растворов в (солей и сахаров) к области более концентриро­ванных, как бы стремясь выровнять эти концентрации. Так, согласно зако­ну осмоса, клетки корней растений поглощают воду из почвы, в которой концентрация веществ меньше, чем в самих клетках. В случае если же в окружаю­щей клетку среде концентрация растворенных веществ выше, или если сре­дой для клетки служит практически сухой воздух, то она теряет воду и сморщивается, как это бывает, когда растения привядают в сухой жаркий день. С оттоком воды содержимое клеток сжимается и отходит от клеточ­ных стенок (такое состояние клеток называютплазмолизом).

В случае если, однако, увядшее растение поместить в воду, то она вновь будет поступать в клетки, которые, насыщаясь водой, снова станут упругими — перейдут в состояние, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ принято называтьдеплазмолизом.

Многие животные клетки (к примеру, эритроциты крови), в случае если помес­тить их в чистую воду или в очень разбавленный раствор, лопаются, пото­му что у них, в отличие от клеток растений, отсутствуют так называемые клеточные стенки, а тонкие плазматические мембраны не могут в полной мере противостоять осмотическому давлению.

Активный транспорт веществ или ионов через плазматическую мемб­рану, в отличие от пассивного, связан с затратой энергии.

Примером активного транспорта является механизм перемещения ионов Na+ иК+ через плазматическую мембрану, который принято называтьнатрий-калиевым насосом. Ионы Na+ и К+ способны свободно перемещаться через поры клетки, что является основанием для предположения, что их концен­трации по обе стороны мембраны в соответствии с законом диффузии дол­жны быть одинаковыми. При этом на самом делœе, в случае если клетка жива, то концентрация ионов натрия (Na+) за ее пределами всœегда выше, чем внутри клетки, а концентрация ионов калия (К+) наоборот, выше внутри клетки, чем в окружающей ее среде. Это происходит потому, что параллельно с диффузией названных выше ионов действует и механизм активного их транспорта через плазматическую мембрану клетки, который связан с зат­ратой энергии АТФ.

Механизм действия натрий-калиевого насоса можно представить следу­ющим образом. Нам уже известно, что в состав плазматической мембра­ны клетки входят молекулы белков, пронизывающие ее насквозь. Предста­вим себе одну из молекул такого белка; его пространственная структура предполагает наличие канала, конфигурация которого может изменяться в

зависимости от того, какой из ионов (Na+ или К+) по нему передвигается. Одновременно данный белок служит и ферментом, благодаря действию кото­рого освобождается энергия макроэргических связей АТФ, расходуемая на активный перенос ионов через мембрану.

На каждые два поглощенных иона калия, которые проходят в клетку по каналу белка-фермента͵ приходится по три выведенных из клетки иона на­трия. По этой причине содержимое ее становится более отрицательным по отноше­нию к внешней среде, и между двумя сторонами плазматической мембра­ны возникает разность потенциалов, что является обязательным условием для жизнедеятельности клетки. Когда клетка умирает, натрий-калиевый на­сос перестает действовать, и концентрация ионов (Na+ и К+) выравнивает­ся по обе стороны плазматической мембраны.

С непосредственным участием мембраны связаны два активных процес­са — фагоцитоз и пиноцитоз, посредством которых различные вещества и материалы транспортируются через плазматическую мембрану в клетки (эндоцитоз) либо из них (экзоцитоз). Приэндоцитозе плазматическая мемб­рана образует выпячивания, или выросты, которые затем, отшнуровываясь, превращаются в вакуоли (наполненные жидкостью мембранные мешочки). Эндоцитоз бывает двух видов: фагоцитоз и пиноцитоз.Фагоцитоз — это поглощение клеткой твердых частиц. Существуют клетки, специфической функцией которых является фагоцитоз. Οʜᴎ называются фагоцитами. Неко­торые из них служат форменными элементами крови.Пиноцитоз — это поглощение клеткой жидких веществ. Механизм пиноцитоза тот же, что и фагоцитоза. Наиболее характерен он для амебоидных клеток (лейкоциты, клетки зародыша) и для клеток, участвующих в водно-солевом обмене ве­ществ (клетки печени, почек).Экзоцитоз — процесс, обратный эндоцитозу. Его функция — выведение из клеток различных веществ и материалов. Из пищеварительных вакуолей удаляются непереваренные частицы, а из секре­торных клеток путем ʼʼобратного пиноцитозаʼʼ выводится их жидкий секрет, к примеру, такой как слюна.

Помимо плазматической мембраны, в эукариотических клетках имеется система так называемыхвнутриклеточных мембран, из которых постро­ены органеллы клеток и которые, будучи связанными между собой, делят ци­топлазму на отдельные участки, или компартменты, что способствует разоб­щению химических процессов, одновременно протекающих в клетке, и тем самым снижает вероятность того, что эти процессы будут мешать друг дру­гу. К примеру, плазматическая мембрана клетки тесно связана, а в определœен­ных местах представляет собой единое целое с мембранами такой органел­лы, как эндоплазматическая сеть, которые, в свою очередь, связаны с мембранами целого ряда других органелл, такими как комплекс Гольджи, лизосомы, ядерная оболочка и другими. Все клеточные мембраны имеют

такое же строение и такой же химический состав, как и плазматическая мем­брана, всœе вместе они образуют единую мембранную систему клетки.

У клеток прокариот, грибов и растений плазматическая мембрана сна­ружи покрыта так называемой клеточной стенкой, строение и химический состав которой отличаются у названных выше систематических групп орга­низмов. У клеток растений клеточная стенка состоит из целлюлозы — проч­ного нерастворимого в воде полисахарида. Клеточная стенка грибов чаще всœего построена из хитина, который тоже является полисахаридом, а у боль­шинства бактерий она представляет собой слой высокомолекулярного ве­щества муреина. Клеточные стенки пронизаны порами, выстланными изнут­ри мембранами, через них осуществляется связь клеток с внешней средой, а также друг с другом при помощи цитоплазматических мостиков. У живот­ных клеток клеточная стенка отсутствует. Над плазматической мембраной у них расположен гликокаликс — тонкий слой, состоящий из гликопротеи- дов (соединœений белков с углеводами) я частично из гликолипидов (соеди­нений липидов с углеводами). Поскольку данный слой очень тонкий, он не вы­полняет опорной функции, присущей клеточным стенкам растений, грибов и прокариот.

ВОПРОСЫ:

referatwork.ru

13. Биологические мембраны клетки. Их свойства, строение и функции.

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.

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 распознава-нии факторов внешней среды, а также во взаимном узнавании родственных клеток. Например, яйцеклетка и сперматозоид узнают друг друга по гликопротеинам клеточной поверхности, которые подходят другкдругу как отдельные элементы цельной структуры. Такое взаимное узнавание — необходимый этап, предшествующий оплодотворению.

Подобное явление наблюдается в процессе дифференциров-ки 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.

Диффузия —проникновение веществ через мембрану по градиенту концентрации {из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже). Диффузный транспорт веществ (воды, ионов) осуществляется при участии белков мембраны, в которых имеются молекулярные поры, либо при участии липидной фазы (для жирорастворимых веществ).

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 называемыеионные 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 Mg2-и Са2+.

В процессе активного транспорта ионов в клетку через цито-плазматическую мембрану проникают различные сахара, нукле-отиды, 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 эндоци-тозе {эндо... — внутрь) определенный участок плазмалеммы захватывает и как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую вследствие впя-чивания 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 пу-

зырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Гак выводятся пищеварительные ферменты, гормоны, гемицел-люлоза 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:

  1. Отграничивают содержимое клетки от внешней среды и содержимое органелл от цитоплазмы.

  2. Обеспечивают транспорт веществ в клетку и из нее, из цитоплазмы в органеллы и наоборот.

  3. Выполняют роль рецепторов (получение и преобразование сит-налов из окружающей среды, узнавание веществ клеток и т. д.).

  4. Являются катализаторами (обеспечение примембранных химических процессов).

  5. Участвуют в преобразовании энергии.

studfiles.net

основные сведения, строение и функции

Клеточная мембрана, которую также называют плазмалемма, цитолемма или же плазматическая мембрана — является молекулярной структурой, эластичной по своей природе, которая состоит из различных белков и липидов. Она отделяет содержание любой клетки от внешней среды, тем самым регулируя ее защитные свойства, а также обеспечивает обмен между внешней средой и непосредственно внутренним содержимым клетки.

плазматическая мембрана

Плазматическая мембрана

Плазмалемма — это перегородка, находящаяся внутри, непосредственно за оболочкой. Она делит клетку на определенные отсеки, которые направлены на компартменты или же органеллы. В них содержатся специализированные условия среды. Клеточная стенка полностью закрывает всю клеточную мембрану. Она выглядит как двойной слой молекул.

Основные сведения

Состав плазмалеммы — это фосфолипиды или же, как их еще называют, сложные липиды. Фосфолипиды имеют несколько частей: хвост и головку. Специалисты называют гидрофобные и гидрофильные части: в зависимости от строения животной или растительной клетки. Участки, которые именуются головкой — обращены внутрь клетки, а хвосты — наружу. Плазмалеммы по структуре являются инвариабельными и очень похожи у различных организмов; чаще всего исключение могут составить археи, у которых перегородки состоят из различных спиртов и глицерина.

Толщина плазмалеммы приблизительно 10 нм.

В малом содержании в состав биологической мембраны входят некоторые виды белков. Например, белки которые пронизывают всю мембрану насквозь, их называют интегральными. Мембраны, которые входят в состав и внешнего, и во внутреннего слоя (слой чаще всего бывает липидным), называются полуинтегральными.

Существуют перегородки, которые находятся на внешней стороне или же снаружи части, вплотную прилегающей к мембране — их называют поверхностными. Некоторые виды белка могут быть своеобразными контактными точками для клеточной мембраны и оболочки. Внутри клетки находится цитоскелет и наружная стенка. Определенные виды интегрального белка могут быть использованы как каналы в ионных транспортных рецепторах (параллельно с нервными окончаниями).

Если использовать электронный микроскоп, то можно получить данные, на основе которых можно построить схему строения всех частей клетки, а также основных составляющих и оболочек. Верхний аппарат будет состоять из трех субсистем:

  • комплексное надмембранное включение;
  • плазматическая мембрана;
  • опорно-сократительный аппарат цитоплазмы, который будет иметь субмембранную часть.

К данному аппарату можно отнести цитоскелет клетки. Цитоплазма с органоидами и ядром называется — ядерный аппарат. Цитоплазматическая или, по-другому, плазматическая клеточная мембрана, находится под клеточной оболочкой.

Слово «мембрана» произошло от латинского слова membrum, которое можно перевести как «кожа» или «оболочка». Термин предложили более 200 лет назад и им чаще называли края клетки, но в период, когда началось использование различного электронного оборудования, установили, что плазматические цитолеммы составляют множество различных элементов оболочки.

Элементы чаще всего структурные, такие как:

  • митохондрии;
  • лизосомы;
  • пластиды;
  • перегородки.

плазматическая мембрана

Одна из первых гипотез относительно молекулярного состава плазмалеммы была выдвинута в 1940 году научным институтом Великобритании. Уже в 1960 году Уильям Робертс предложил миру гипотезу «Об элементарной мембране». Она предполагала, что все плазмалеммы клетки состоят из определенных частей, по сути, являются сформированными по общему принципу для всех царств организмов.

В начале семидесятых годов XX века было открыто множество данных,  на основании которых в 1972 году ученые из Австралии предложили новую мозаично-жидкостную модель строения клеток.

Строение плазматической мембраны

Модель 1972-го года является общепризнанной и по сей день. То есть в современной науке, различные ученые, работающие с оболочкой, опираются на теоретический труд «Строение биологической мембраны жидкостно-мозаичной модели».

Молекулы белков связаны с липидным бислоем и пронизывают всю мембрану полностью — интегральные белки (одно из общепринятых названий — это трансмембранные белки).

Оболочка в составе имеет различные углеводные компоненты, которые будут выглядеть как полисахаридная или сахаридная цепь. Цепь, в свою очередь, будет соединена липидами и белком. Соединенные молекулами белка цепи называются гликопротеинами, а молекулами липидов — гликозидами. Углеводы находятся на внешней стороне мембраны и выполняют функции рецепторов в клетках животного происхождения.

Гликопротеин — представляют собой комплекс надмембранных функций. Его еще называют гликокаликс (от греческих слов глик и каликс, что в переводе означает «сладкий» и «чашка»). Комплекс способствует адгезии клеток.

плазматическая мембрана

Функции плазматической мембраны

Барьерная

Помогает отделить внутренние составляющие клеточной массы от тех веществ, которые находятся извне. Предохраняет организм от попадания различных веществ, которые будут являться для него чужеродными, и помогает поддерживать внутриклеточный баланс.

Транспортная

Клетка имеет свой «пассивный транспорт» и использует его для уменьшения расхода энергии. Транспортная функция работает в следующих процессах:

  • эндоцитоз;
  • экзоцитоз;
  • натриевый и калиевый обмен.

На внешней стороне мембраны находится рецептор, на участке которого происходит смешивание гормонов и различных регуляторных молекул.

Пассивный транспорт — процесс, при котором вещество проходит через мембрану, при этом энергия не затрачивается. Иными словами, вещество  доставляется из области клетки с высокой концентрацией, в ту сторону, где концентрация будет более низкая.

Существует два вида:

  • Простая диффузия — присуща маленьким нейтральным молекулам h3O, CO2 и О2 и некоторыми гидрофобным органическим веществам с низкой молекулярной массой и соответственно без проблем проходят через фосфолипиды мембраны. Эти молекулы могут проникать через мембрану вплоть до того времени, пока градиент концентрации будет стабилен и неизменен.
  • Облегченная диффузия — характерна для различных молекул гидрофильного типа. Они также могут проходить через мембрану согласно градиенту концентрации. Однако, процесс будет осуществляться с помощью различных белков, которые будут образовывать специфические каналы ионных соединений в мембране.

Активный транспорт — это перемещение различных составляющих через стенку мембраны в противовес градиенту. Такое перенесение требует значительных затрат энергетических ресурсов в клетке. Чаще всего именно активный транспорт является основным источником потребления энергии.

Выделяют несколько разновидностей активного транспорта при участии белков-переносчиков:

  • Натриево-калиевый насос. Получение клеткой необходимых минералов и микроэлементов.
  • Эндоцитоз — процесс, при котором происходит захват клеткой твердых частиц (фагоцитоз) или же различных капель любой жидкости (пиноцитоз).
  • Экзоцитоз — процесс, при котором происходит выделение из клетки определенных частиц во внешнюю окружающую среду. Процесс является противовесом эндоцитоза.

Термин «эндоцитоз» произошел от греческих слов «энда» (изнутри) и «кетоз» (чаша, вместилище). Процесс характеризует захват внешнего состава клеткой и осуществляется при производстве мембранных пузырьков. Этот термин был предложен в 1965 году профессором цитологии из Бельгии Кристианом Бэйлсом, он изучал поглощение различных веществ клетками млекопитающих, а также фагоцитоз и пиноцитоз.

Фагоцитоз

Происходит при захвате клеткой определенных твердых частиц или же живых клеток. А пиноцитоз — это процесс, при котором капли жидкости захватываются клеткой. Фагоцитоз (от греческих слов «пожиратель» и «вместилище») — процесс при котором очень маленькие объекты живой природы захватываются и поглощаются, так же как и твердые части различных одноклеточных организмов.

Открытие процесса принадлежит физиологу из России — Вячеславу Ивановичу Мечникову, который определил непосредственно процесс, при этом он проводил различные испытания с морскими звездами и крошечными дафниями.

В основе питания одноклеточных гетеротрофных организмов лежит их способность переваривать, а также захватывать различные частицы.

Мечников описал алгоритм поглощения бактерии амебой и общий принцип фагоцитоза:

  • адгезия — прилипание бактерий к мембране клетки;
  • поглощение;
  • образование пузырька с бактериальной клеткой;
  • откупоривание пузырька.

Исходя из этого, процесс фагоцитоза состоит из таких этапов:

  1. Поглощаемая частица крепится к мембране.
  2. Окружение поглощаемой частицы мембраной.
  3. Образование мембранного пузырька (фагосома).
  4. Открепление мембранного пузырька (фагосомы) во внутреннюю часть клетки.
  5. Объединение фагосомы и лизосомы (переваривание), а также внутреннее перемещение частиц.

Можно наблюдать полное или частичное переваривание.

В случае частичного переваривания чаще всего образуется остаточное тельце, которое будет находиться внутри клетки некоторое время. Те остатки, которые будут непереварены, изымаются (эвакуируются) из клетки путем экзоцитоза. В процессе эволюции эта функция предрасположенности к фагоцитозу постепенно отделилась и перешла от различных одноклеточных к специализированным клеткам (таким как пищеварительная у кишечнополостных и губок), а после к особым клеткам у млекопитающих и человека.

К фагоцитозу предрасположены лимфоциты и лейкоциты в крови. Сам процесс фагоцитоза нуждается в больших затратах энергии и напрямую объединен с активностью внешней клеточной мембраны и лизосомы, при которых находятся пищеварительные ферменты.

Пиноцитоз

Пиноцитоз — это захват поверхностью клетки какой-либо жидкости, в которой находятся различные вещества. Открытие явления пиноцитоза принадлежит ученому Фицджеральду Льюису. Произошло это событие в 1932 году.

Пиноцитоз — это один из основных механизмов, при котором в клетку попадают высокомолекулярные соединения, например, различные гликопротеины или же растворимые белки. Пиноцитозная активность, в свою очередь, невозможна без физиологического состояния клетки и зависит от ее состава и состава окружающей среды. Самый активный пиноцитоз мы можем наблюдать у амебы.

У человека пиноцитоз наблюдается в клетках кишечника, в сосудах, почечных канальцах, а также в растущих ооцитах. Для того чтобы изобразить процесс пиноцитоза, которой будет осуществляться с помощью лейкоцитов человека, можно сделать выпячивание плазматической мембраны. При этом части будут отшнуровываться и отделяться. Процесс пиноцитоза нуждается в затрате энергии.

Этапы процесса пиноцитоза:

  1. На наружной клеточной плазмалемме появляются тонкие наросты, которые окружают капли жидкости.
  2. Этот участок внешней оболочки становится тоньше.
  3. Образование мембранного пузырька.
  4. Стенка прорывается (проваливается).
  5. Пузырек перемещается в цитоплазме и может слиться с различными пузырьками и органоидами.

Экзоцитоз

Термин произошел от греческих слов «экзо» — наружный, внешний и «цитоз» — сосуд, чаша. Процесс заключается в выделении клеточной частью определенных частиц во внешнюю среду. Процесс экзоцитоза является противоположным пиноцитозу.

В процессе экоцитоза из клетки выходят пузырьки внутриклеточной жидкости и переходят на внешнюю мембрану клетки. Содержимое внутри пузырьков может выделяться наружу, а мембрана клетки сливается с оболочкой пузырьков. Таким образом, большинство макромолекулярных соединений будет происходить именно этим способом.

Экзоцитоз выполняет ряд задач:

  • доставка молекул на внешнюю клеточную мембрану;
  • транспортировка по всей клетке веществ, которые будут нужны для роста и увеличения площади мембраны, например, определенных белков или же фосфолипидов;
  • освобождение или соединение различных частей;
  • выведение вредных и токсических продуктов, которые появляются при метаболизме, например, соляной кислоты секретируемой клетками слизистой оболочки желудка;
  • транспортировка пепсиногена, а также сигнальных молекул, гормонов или нейромедиаторов.

Специфические функции биологических мембран:

  • генерация импульса, происходящего на нервном уровне, внутри мембраны нейрона;
  • синтез полипептидов, а также липидов и углеводов шероховатой и гладкой сети эндоплазматической сетки;
  • изменение световой энергии и ее преобразование в энергию химическую.

Видео

Из нашего видео вы узнаете много интересного и полезного о строении клетки.

liveposts.ru

основные свойства, строение и функции плазмолеммы

Строение мембраныСтроение 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

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:

  1. Липиды располагаются в два слоя, составляя основу клеточной стенки;
  2. Гидрофильные концы липидных молекул расположены внутрь, а гидрофобные — наружу;
  3. Внутри эта структура имеет слой протеинов, которые пронизывают липиды подобно мозаике;
  4. 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:

  1. Функции мембраныБарьерная функция обеспечивает клетке обмен веществ с окружающим пространством. Этот обмен является регулируемым, избирательным и может быть как пассивным, так и активным.
  2. Транспортная функция заключается в том, что мембрана осуществляет транспорт веществ как в клетку, так и из нее. Таким образом в клетку поставляются питательные вещества, а наружу выводятся продукты метаболизма. Благодаря транспортной функции происходит поддержание в клетке определенного уровня рН, создается ионный градиент и производится секреция различных веществ, необходимых для жизнедеятельности организма.
  3. Матричная функция обеспечивает белкам определенную локализацию и ориентацию, благодаря чему осуществляется их оптимальное взаимодействие.
  4. Механическая функция обеспечивает клеткам автономность внутриклеточных образований и одновременно контакт с другими клетками. Немаловажная роль в этом взаимодействии отводится межклеточному веществу.
  5. Энергетическая функция заключается в переносе белками мембраны энергии в процессе фотосинтеза и клеточном митохондриальном дыхании.
  6. Рецепторная функция осуществляется за счет некоторых белков-рецепторов. Эти сложные молекулы помогают летке воспринимать те или иные сигналы. В качестве примера можно привести гормоны или нейромедиаторы, которые воздействуют на определенные белки-рецепторы клеток-мишеней.
  7. Ферментативная функция обеспечивается также за счет белков цитоплазматической мембраны. Часть этих белков могут служить ферментами. К примеру, плазмалеммы кишечного эпителия содержат пищеварительные ферменты.
  8. Насосная функция плазмолеммы заключается в выработке и проведении потенциалов. Благодаря мембране в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов калия и натрия. Это позволяет поддерживать разность потенциалов и проведение нервного импульса.
  9. Маркерная функция осуществляется благодаря белкам-антигенам, которые позволяют распознавать «свои» и «чужие» клетки. Эти маркеры состоят из белков с присоединенными к ним олигосахаридными цепями. С помощью этих маркеров клетки могут распознавать друг друга в процессе построения тканей, а также при работе иммунной системы организма.

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:

  1. Диффузия;
  2. Осмос;
  3. Экзоцитоз;
  4. Эндоцитоз;
  5. Активный транспорт;

Плазматическая мембранаДиффузия 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:

  1. Пассивный — диффузия и осмос;
  2. Активный;
  3. Транспорт в мембранной упаковке;

Рассмотрим эти механизмы более подробно.

Пассивный

Пассивный транспортК 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

Активный транспорт 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

Что такое плазматическая мембранаЭкзоцитозом 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.

obrazovanie.guru

Строение плазматической мембраны в подробностях

Клетки растений, грибов и животных состоят из таких трех компонентов, как ядро, цитоплазма с расположенными в ней органоидами и включениями и плазматическая мембрана. Ядро отвечает за хранение генетического материала, записанного на ДНК, а также управляет всеми процессами клетки. Цитоплазма содержит в себе органоиды, каждый из которых имеет свои функции, такие как, например, синтез органических веществ, клеточное дыхание, клеточное пищеварение и т. д. А о последнем компоненте мы поговорим подробнее в этой статье.

Говоря простым языком, это оболочка. Однако она не всегда полностью непроницаемая. Почти всегда допускается транспорт определенных веществ сквозь мембрану.

В цитологии мембраны можно разделить на два основных типа. Первый – это плазматическая мембрана, которая покрывает клетку. Второй – это мембраны органоидов. Существуют органеллы, которые обладают одной или двумя мембранами. К одномембранным относятся комплекс Гольджи, эндоплазматический ретикулум, вакуоли, лизосомы. К двумембранным принадлежат пластиды и митохондрии.

Также мембраны могут быть и внутри органоидов. Обычно это производные внутренней мембраны двумембранных органоидов.строение плазматической мембраны

Как устроены мембраны двумембранных органоидов?

У пластид и митохондрий две оболочки. Внешняя мембрана обоих органоидов гладкая, а вот внутренняя образует необходимые для функционирования органоида структуры.

Так, оболочка митохондрий обладает выступами вовнутрь – кристами или гребнями. На них и происходит цикл химических реакций, необходимых для клеточного дыхания.

Производными внутренней мембраны хлоропластов являются дискообразные мешочки – тилакоиды. Они собраны в стопки – граны. Объединяются отдельные граны между собой с помощью ламелл – длинных структур, также образованных из мембран.

Строение мембран одномембранных органоидов

У таких органелл мембрана одна. Она обычно представляет собой гладкую оболочку, состоящую из липидов и белков.

Особенности строения плазматической мембраны клетки

Мембрана состоит из таких веществ как липиды и белки. Строение плазматической мембраны предусматривает ее толщину в 7-11 нанометров. Основную массу мембраны составляют липиды.что такое мембрана в биологии

Строение плазматической мембраны предусматривает наличие в ней двух слоев. Первый — двойной слой фосфолипидов, а второй — слой белков.

Липиды плазматической мембраны

Липиды, которые входят в состав плазматической мембраны, делятся на три группы: стероиды, сфингофосфолипиды и глицерофосфолипиды. Молекула последних имеет в своем составе остаток трехатомного спирта глицерола, в котором атомы гидрогена двух гидроксильных групп замещены цепочками жирных кислот, а атом гидрогена третьей гидроксильной группы — остатком фосфорной кислоты, к которому, в свою очередь, присоединяется остаток одного из азотистых оснований.

Молекулу глицерофосфолипидов можно разделить на две части: головку и хвостики. Головка гидрофильна (т. е. растворяется в воде), а хвостики — гидрофобны (они отталкивают воду, зато растворяются в органических растворителях). Благодаря такому строению молекулу глицерофосфолипидов можно назвать амфифильной, т. е. и гидрофобной, и гидрофильной одновременно.

Сфингофосфолипиды похожи по химическому строению на глицерофосфолипиды. Но они отличаются от упомянутых выше тем, что в своем составе вместо остатка глицерола имеют остаток спирта сфингозина. Их молекулы также обладают головками и хвостиками.

На картинке ниже хорошо видна схема строения плазматической мембраны.

строение плазматической мембраны клетки

Белки плазматической мембраны

Что касается белков, входящих в строение плазматической мембраны, то это в основном гликопротеины.

В зависимости от расположения в оболочке их можно разделить на две группы: периферические и интегральные. Первые — это те, которые находятся на поверхности мембраны, а вторые — те, которые пронизывают всю толщину оболочки и находятся внутри липидного слоя.

В зависимости от функций, которые выполняют белки, их можно разделить на четыре группы: ферменты, структурные, транспортные и рецепторные.

особенности строения плазматической мембраны

Все белки, которые находятся в структуре плазматической мембраны, химически не связаны с фосфолипидами. Поэтому они могут свободно перемещаться в основном слое мембраны, собираться в группы и т. д. Вот почему строение плазматической мембраны клетки нельзя назвать статичным. Оно динамично, так как все время изменяется.

Какую роль выполняет клеточная оболочка?

Строение плазматической мембраны позволяет ей справляться с пятью функциями.

Первая и основная — ограничение цитоплазмы. Благодаря этому клетка обладает постоянной формой и размером. Выполнение данной функции обеспечивается за счет того, что плазматическая мембрана крепкая и эластичная.

Вторая роль — обеспечение межклеточных контактов. Благодаря своей эластичности плазматические мембраны животных клеток могут образовывать выросты и складки в местах их соединения.

Следующая функция клеточной оболочки — транспортная. Она обеспечивается за счет специальных белков. Благодаря им нужные вещества могут быть транспортированы в клетку, а ненужные — утилизироваться из нее.

схема строения плазматической мембраны

Кроме того, плазматическая мембрана выполняет ферментативную функцию. Она также осуществляется благодаря белкам.

И последняя функция — сигнальная. Благодаря тому что белки под воздействием определенных условий могут изменять свою пространственную структуру, плазматическая мембрана может посылать клетки сигналы.

Теперь вы знаете все о мембранах: что такое мембрана в биологии, какими они бывают, как устроены плазматическая мембрана и мембраны органоидов, какие функции они выполняют.

fb.ru

Строение, свойства и функции наружной плазматической мембраны

Строение, свойства и функции наружной плазматической мембраны. Наружная плазматическая мембрана является обязательно составной частью любой клетки. Она служит барьером, который обособляет содержимое клетки от внешней среды и обеспечивает ее целостность. Она обеспечивает взаимодействие клетки с другими клетками организма. Особенности химического состава, строения и функционирования наружной плазматической мембраны создают для клетки возможность существования как единой целостной структуры, открытой системы, обменивающейся с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Целостность самой мембраны поддерживается структурными компонентами цитоплазмы клетки. Основные понятия.

Клеточная мембрана Избирательная проницаемость Экзоцитоз

Липиды Самосборка мембраны Трансцитоз

Липидные слои Пассивный транспорт Ионный канал

Интегральные белки Активный транспорт Осмос

Поверхностные белки Диффузия Микроворсинки

Глицерофосфолипиды Облегченная диффузия Гликокаликс

Межклеточные контакты Эндоцитоз Белок-переносчик

Жидкостно-мозаичная модель Пиноцитоз Адгезия

Асимметрия мембраны Фагоцитоз Холестерин

Опосредованный рецепторами эндоцитоз Липосома Амфифильность

Рецепторный белок Сигнальный путь Лиганд

Амфипатичные молекулы Транспортный белок

  1. Химический состав, строение и свойства наружной плазматической мембраны.
    1. Липиды и углеводы мембраны.

Основу любой клеточной мембраны составляет двойной липидный слой. Липидные слои не являются плоскими, они всегда изгибаются, замыкаясь сами на себя, устраняя свободные края и образуя полые структуры – пузырьки, вакуоли, вытянутые мешкообразные структуры и т.п. Эти особенности строения мембраны обусловлены особенностями строения молекул липидов и их взаимодействием с полярными молекулами воды.

Липиды представляют собой обширную группу химических соединений, которая объединяет разные по строению вещества, но обладающие одним общим свойством – гидрофобностью. Характерным примером гидрофобной молекулы является триацилглицерин, или триацилглицерид – производное трехатомного спирта глицерина и трех жирных кислот (рис.1). Рис.1 Триацилглицерин.

1 – остаток глицерина

2-4 – остатки трех насыщенных жирных кислот

Молекулы триацилглицерола не растворяются в воде; молекулы воды, взаимодействуя друг с другом многочисленными водородными связями, оттесняют молекулы липидов и те оказываются вместе друг с другом, формируя скопление гидрофобных молекул, окруженное молекулами воды. Создается впечатление, что они взаимодействуют друг с другом особыми – гидрофобными – связями. Таких связей не существует в природе; этим термином обозначают поведение липидов в окружении молекул воды: полярные молекулы воды, взаимодействуя друг с другом, ''подталкивают'' неполярные молекулы друг к другу.

В группу липидов включают следующие химические соединения:

1) Жирные кислоты: насыщенные (олеиновая, пальмитолеиновая) и ненасыщенные, содержащие двойные связи (линолевая, арахидоновая).

2) Мыла - соли жирных кислот

3) Триацилглицерины, или нейтральные жиры (рис.1), которые являются важными компонентами пищи челевека. В состав природных жиров обычно входят жирные кислоты с четным числом атомов углерода.

4) Фосфолипиды – липиды, содержащие не только жирные кислотиы и спирт, но и остаток фосфорной кислоты, с которым часто связаны азотсодержащие соединения и моносахариды.

а) Фосфоглицериды – похожие на триацилглицерины вещества, у которых вместо одной жирной кислоты расположен остаток фосфорной кислоты, связанный с остатком низкомолекулярного химического соединения, таким как этаноламин, холин, серин, инозит и т.п. (рис.2а)

Рис.2. Фосфатидилхолин (лецитин)– один из фосфолипидов мембраны.

1 – гидрофобные остатки жирных кислот

2 – полярная гидрофильная химическая группировка, способная взаимодействовать с полярными молекулами воды. Обычно одна из жирных кислот фосфоглицеридов является насыщенной, а другая – ненасыщенной, то есть содержащей двойные связи.

б) сфингофосфолипиды – производные многоатомного аминоспирта сфингозина, с которым связаны остатки фосфорной кислоты и жирной кислот, а также остатки холина в сфингомиелине и галактозы или глюкозы - в цереброзиде. Миелин оболочек, окружающих и изолирующих многие нервные волокна, состоит, в основном, из сфингомиелина.

Молекулы фосфолипидов имеют две группы участков: гидрофобные и гидрофильные. Вещества, обладающие одновременно и гидрофобными, и гидрофильными химическими группами, называются амфипатическими, а свойство молекулы иметь в своем составе как гидрофильные, так и гидрофобные группы, называется амфифильностью. При описании строения мембраны фосфоглицериды принято изображать в виде полярной ''головки'' и двух неполярных ''хвостов'' (рис.2б). Полярные ''головки'' фосфоглицеридов взаимодействуют с молекулами воды, а неполярные ''хвосты'' подталкиваются молекулами воды друг к другу. В результате этого фосфолипиды располагаются в два слоя, в которых их полярные головки обращены к водной среде – межклеточной жидкости и цитоплазме, а неполярные хвосты оттесняются в центральную область мембраны (рис.3, 4). 1

6

7

3 5

2

4

Рис.3. Подвижность липидов наружной плазматической мембраны.

1 – перемещение вдоль слоя

2 – вращение вокруг своей оси

3 – колебательные движения гидрофобных участков

4 – полярные молекулы воды

5 – двойной липидный слой

6 – полярная головка фосфолипида

7 – гидрофобные хвосты фосфолипида Липиды одного слоя обнаруживают высокую подвижность (рис.3): их гидрофобные участки совершают колебательные движения, а сами фосфолипиды очень быстро вращаются вокруг своей оси и перемещаются вдоль слоя, в котором они находятся. Благодаря этому липидные слои ведут себя как густая маслянистая жидкость, то есть обладают определенной текучестью. Чрезвычайно редко липиды переходят из слоя в слой. Межклеточная среда

2 2

3 4 5 3 5

1 6

11

10

12

9

7 8 13 7 8 14 цитоплазма

Рис.4. Схема строения наружной плазматической мембраны животной клетки.

1 – интегральный белок наружного слоя

2 – олигосахарид, ковалентно связанный с белком

3 – периферический белок наружного слоя

4 – интегральный белок, пронизывающий мембрану насквозь

5 – олигосахарид, ковалентно связанный с липидом

6 - полярная головка фосфолипида

7 – периферический белок внутреннего слоя

8 – интегральный белок внутреннего слоя мембраны

9 – гидрофобные хвосты фосфолипида

10 – двойной липидный слой

11 – наружный липидный слой

12 – внутренний липидный слой

13 – холестерин

14 – молекулы воды

5)Гликолипиды – производные сфингозина, с которым связана жирная кислота и разветвленные олигосахариды. В эту группу входит сиаловая кислота и химические соединения, обусловливающие принадлежность человека к той или иной группе крови системы АВО. Гликолипиды всегда располагаются во внешнем слое плазматической мембраны и их углеводная часть находится во внешней для клетки среде (рис.4).

6) Стероиды – производные фенантрена,с которым соединено циклопентановое кольцо. Эта группа включает в себя холестерин (рис.5), желчные кислоты, гормоны коры надпочечников,половые гормоны, витамины группы D и другие важные для организма вещества.

Рис.5. Холестерин.

1 – гидрофильный участок молекулы

2 – гидрофобный участок молекулы

Холестерин является одним из главных компонентов плазматической мембраны (рис.3,6). Гидрофильная группа ОН- холестерина взаимодействует с полярной головкой мембранного фосфолипида , а его гидрофобная углеводородная цепь располагается между гидрофобными хвостами фосфолипидов. Холестерин скрепляет фосфолипидный слой и препятствует плотной упаковке гидрофобных хвостов, повышая тем самым текучесть мембраны.

Рис.6. Взаимодействие холестерина с фосфолипидами мембраны.

1 – гидрофильный участок фосфолипида

2 – остаток ненасыщенной жирной кислоты

3 – гидрофобный участок холестерина

4 – гидрофильный участок холестерина

5 – остаток насыщенной жирной кислоты

Для наружной мембраны всех организмов характерна асимметрия химического состава липидов. Так, гликолипиды всегда расположены во внешнем слое; здесь же расположена большая часть сфингомиелина и фосфатидилхолина. Фосфатидилсерин, несущий суммарный отрицательный заряд, расположен, в основном, во внутреннем слое мембраны; здесь же находится фосфатидилинозитол, участвующий в трансмембранной передачи внешнего сигнала в цитоплазму клетки. Асимметричное расположение разных липидов в каждом слое мембраны очень важно для функции клетки и поддерживается специальными механизмами, в которых участвуют транспортные белки и ферменты.

Двойной липидный слой подобен двумерной жидкости, в которой молекулы липидов перемещаются в пределах своего слоя. Липидный бислой обычно устраняет свободные края, замыкаясь сам на себя. По этой причине двойные липидные слои способны спонтанно формироваться, самопроизвольно восстанавливаться при повреждениях, сливаться при тесном контакте. Благодаря такой способности липидных слоев происходит слияние клеток, образование и слияние транспортных пузырьков при эндо- и пиноцитозе.

Важнейшим свойством липидного бислоя является текучесть, вязкость. Текучесть двойного липидного слоя характеризуется следующим образом:

а) текучесть повышается при увеличении числа двойных связей в жирных кислотах мембранных липидов: в месте расположения двойной связи жирная кислота формирует излом, что препятствует плотной упаковке молекул

б) текучесть возрастает при уменьшении числа углеводородных групп (СН2) в жирных кислотах

в) при увеличении количества холестерина текучесть сначала уменьшается, а затем – увеличивается

г) текучесть меньше в гидрофильной области липидного бислоя и больше – в гидрофобной области

д) текучессть увеличивается при повышении температуры.

Липидные слои обладают достаточной прочностью и гибкостью, что особенно важно при изменении формы и при движении клеток, при делении тела клетки во время митоза и мейоза, при формировании многих межклеточных контактов.

Липиды встраиваются в мембрану определенным образом, объединяются в группы, формируя участки с различными свойствами и функциональными возможностями. Такие области могут возникать только в одном из двух слоев липидного бислоя. Поэтому мембрана содержит не однородный липидный бислой, а представляет собой своеобразную мозаику из областей разного состава липидов с разными свойствами, позволяющим им выполнять разные функции.

Липиды мембраны служат средой, в которой расположены и функционируют мембранные белки. Липиды мембраны участвуют в регуляции активности мембранных белков.

Липидные слои мембраны практически непроницаемы для сильно полярных молекул, которых много в цитоплазме. Это позволяет липидному бислою осуществлять свою главную функцию – служить барьером, препятствующим утечке компонентов цитоплазмы.

Некоторые мембранные липиды участвуют в передаче сигналов: фосфатидилинозитол, эйкозаноиды – производные всех жирных кислот, содержащих 20 атомов углерода ( простагландины и лейкотриены)

Эйкозаноиды участвуют в болевых и температурных реакциях, регуляции артериального давления, сокращения матки при родах, регуляции цикла сна и бодрствования, в воспалительных реакциях, в том числе при таких патологических процессах как ревматоидный артрит и псориаз. Существуют заболевания, обусловленные нарушением образования мембранных липидов. Например, при болезни Тея-Сакса и Гоше нарушается обмен гликосфинголипидов и накопление продуктов их частичного расщепления вызывает тяжелое поражение нервной системы.

2.2. Белки мембран. Большая часть мембранных белков погружена в липидный бислой почти перпендикулярно и расположена в ней мозаично (рис.4). В мембране различают два типа белков:

а) периферические белки

б) интегральные белки.

Периферические белки расположены на поверхности мембраны и связаны с ней в основном ионными связями. Эти белки легко отделяются от мембраны. У большинства клеток, за исключением клеток крови, снаружи расположен белок фибронектин. На внутренней поверхности большинства клеточных мембран, особенно в эритроцитах, расположен белок спектрин.

Интегральные белки или погружены в толщу липидного бислоя, или пронизывают его насквозь (трансмембранные белки). Все интегральные белки можно выделить из мембраны, только разрушив ее. Интегральные белки амфипатичны: в их молекулах четко выделяются гидрофобные и гидрофильные участки. Гидрофобные участки расположены в толще мембраны, а гидрофильные – обычно на внешней и внутренней поверхностях мембраны. Расположение мембранных белков соответствует максимально эффективному их взаимодействию с липидныи бислоем. Участки белков, расположенные в гидрофобной среде внутренней части мембраны, имеют вид -спирали. Обычно N-конец белков находится во внешней для клетке среде, а С-конец – в цитоплазме (рис.7). Многие интегральные белки перемещаются в плоскости мембраны. Это имеет место при группировке рецепторов, при эндоцитозе.

1

2

Nh4+-

3

4

-COO-

5

Рис.7. Расположение участков интегрального белка в мембране.

1 - углевод

2 - N-концевой гидрофильный участок белка

3 –липидный бислой

4 – внутримембранный гидрофобный участок белка в виде -спирали

5 –С- концевой гидрофильный участок белка

Многие трансмембранные белки только один раз пересекают мембрану (рис.7). Многие из них являются рецепторами. Они обычно имеют три участка:

а) наружный, или внеклеточный участок, который узнает сигнальную молекулу, например, молекулу гормона;

б) внутримембранный участок;

в) цитоплазматический, или внутриклеточный, участок, который содержит каталитический центр; активация этого участка сопровождается его фосфорилированием.

Многие трансмембранные белки несколько раз пересекают мембрану. Большинство из них относится к рецепторам, участвующим в передаче сигнала с поверхности клетки внутрь клетки. Многие из них 7 раз пересекают мембрану. К таким белкам относятся 2-адреноэргический рецептор, родопсин палочек сетчатки глаза. Важная особенность этих белков – использование специальных G-белков для трансмембранной передачи сигнала. G-белки используют в качестве источника энергии ГТФ.

Часть периферических и интегральных белков присутствуют в мембранах всех клеток и являются компонентом мембранного цитоскелета.

В многоклеточном организме разные стороны одной и той же клетки различаются по составу мембранных белков. Клетки разных тканей также различаются по составу мембранных белков.

Для мембраны характерна асимметрия расположения белков: одни белки расположены в наружном слое, а другие во внутреннем. Функциональный свойства мембран обусловлены белками, входящими в ее состав. По биологической роли мембранные белки разделяют на три группы:

а) ферменты

б) рецепторные белки – трансмембранные белки, которые способны специфически связываться с информационными молекулами и передавать сигналы внутрь клетки

в) структурные белки.

Некоторые рецепторные белки и ферменты осуществляют перенос ионов, химических соединений или осуществляют трансмембранный перенос сигнала, приходящего к клетке.

Со многими белками ковалентно связаны небольшие разветвленные олигосахариды, участвующие в молекулярном узнавании и межклеточных взаимодействиях. Олигосахариды, связанные с липидами и белками, являются основным компонентом примембранной области клетки, называемой гликокаликсом.

Со стороны цитоплазмы расположена другая примембранная область – кортикальный слой, содержащий фибриллярные элементы цитоплазмы – микрофиламенты и микротрубочки, а также вспомогательные белки, которые связывают эти структуры с наружной мембраной.

Высокая подвижность липидного бислоя и мозаичность расположения в нем белков дали название модели, хорошо описывающей строение, свойства и функции мембраны – жидкостно-мозаичная модель (рис.8).

Рис.8. Мозаичное расположение белков в липидном бислое мембраны.

1 – интегральный белок, пронизывающий мембрану

2 – липидный бислой

3 – интегральный белок наружного слоя

Липиды, белки и олигосахариды наружной мембраны придают ей ряд важных свойств:

  • эластичность
  • гибкость
  • упругость
  • способность к самосборке и росту
  • избирательная проницаемость.
- асимметричность химического состава
  • полярность мембраны: имеются разноименные электрические заряды на разных сторонах мембраны
  • способность к молекулярному узнаванию химических соединений.

konesh.ru