Клеточные мембраны.
Клеточные мембраны играют важную роль по ряду причин. Они отделяют клеточное содержимое от внешней среды. Регулируют обмен между клеткой и средой и делят клетки на отсеки, или компартменты, предназначенные для тез или иных специализированных метаболических путей. Некоторые химические реакции, в частности световые реакции фотосинтеза, окислительное фосфорилирование при дыхании в митохондриях, протекают на мембранах.
Здесь же на мембранах располагаются участки для распознавания внешних стимулов (гормонов или других химических веществ), поступающих из окружающей среды или из другой части самого организма. Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: через них медленно диффундируют глюкоза. Аминокислоты, жирные кислоты, глицерол и ионы, причем, сами мембраны в известной мере активно регулируют этот процесс – одни вещества пропускают, а другие нет. Мембраны состоят почти целиком из белков и липидов (бислой липида между двумя слоями белка). Это модель была описана Давсоном и Даниели в 1959 году. В 1972 Сингер и Николсон предложили жидкостно-мозаичную модель мембраны, согласно которой белковые молекулы, плавающие в жидком липидном бислое, образуют в нем как бы своеобразную мозаику.
Белки в клетке являются переносчиками веществ, например, ионы калия переносятся только будучи связанными с белками. Предполагается, что в белковых молекулах имеются гидрофильные каналы или поры. Эти поры пронизывают мембрану, так, что по ним сквозь мембрану могут проходить полярные молекулы, которые без таких пор пройти бы не могли – липидный компонент мембраны не пропустил бы их в клетку. В мембранах содержаться ферментные белки, специфические рецепторы, переносчики электронов, преобразователи энергии.
Общая характеристика клеточных мембран
1. Разные типы мембран различаются по своей толщине. Но в большинстве случаев толщина мембран 5-10 нм;
2. Мембраны – это липопротеиновые структуры. К некоторым липидным и белковым молекулам на внешних поверхностях присоединены углеводные компоненты.
3. Липиды спонтанно образуют бислой. Это объясняется тем, что их молекулы имеют полярные головы и неполярные хвосты.
4. Мембранные белки выполняют разнообразные функции.
5. Гликозильные группы связаны с механизмом распознавания.
6. Две стороны мембраны могут различаться и по составу и по свойствам.
7. Мембранные липиды и белки быстро диффундируют в латеральном направлении.
Мембранные системы внутриклеточных органелл.
Примерно половина объема клетки занята органеллами. Изолированными от цитозоля мембранами. Общая поверхность мембран внутриклеточных органелл по крайней мере в 10 раз превышает поверхность плазматической мембраны. Наиболее широко распространенная мембранная система – эндоплазматический ретикулум, представляющий собой сеть сильно извитых трубочек или мешковидных вытянутых структур; большие участки эндоплазматического ретикулума усеяны рибосомами; такой ретикулум получил название гранулярного, или шероховатого. Аппарат Гольджи также состоит из мембрансвязных лимелл, от которых отрываются пузырьки, или везикулы. Лизосомы - это небольшие специализированные везикулы. Во всех этих разнообразных органеллах мембрана содержит специфические наборы ферментов4 внутри органелл накапливаются особые продукты обмена, используемые для осуществления различных функций органелл.
Ядро и митохондрии окружены двумя мембранами. Ядро ответственно за кинетический контроль метаболизма; складчатая внутренняя мембрана митохондрий – место окислительного метаболизма; здесь синтезируются АТФ.
Транспорт через мембраны клеток осуществляется путем диффузии, осмоса, экзо- и эндоцитоза. Первые 2 носят пассивный характер, т.е. не требуют затрат энергии, два последних связаны с расходом энергии.
Транспорт важен по ряду причин. Транспорт обеспечивает поддержание в клетке соответствующего рН и надлежащей ионной концентрации, необходимых для эффективной работы клеточных ферментов; он поставляет питательные вещества, которые служат источником энергии, а также сырьем для образования клеточных компонентов; от него зависят выведение из клетки токсичных отходов, секреция полезных различных веществ, и, наконец, создание ионных градиентов, необходимых для нервной и мышечной активности.
Активный транспорт – это сопряженный с потреблением энергии перенос молекул или ионов через мембрану против градиента концентрации. Энергия требуется потому, что вещество должно двигаться вопреки своему естественному стремлению диффундировать в противоположном направлении. Движение это однонаправленное, тогда как диффузия обратима.
Для ионов направление диффузии определяется двумя факторами: концентрация и заряд. Ионы обычно диффундируют из области с высокой их концентрацией в область с низкой концентрацией. Противоположные заряды притягиваются, и отталкиваются одноименные, т.е. движутся по электрохимическому градиенту. Диффузия – это наиболее важный процесс, благодаря которому большая часть молекул в водных растворах перемещается на небольшие расстояния. Множество веществ свободно диффундируют через липидные мембраны, в особенности вода и растворенные газы, такие, как кислород и углекислый газ. Это касается таких веществ как мочевина, этанол, а вот сахар с трудом диффундирует через липидный слой. Липидные слои практически непроницаемы для заряженных частиц. Эти вещества преодолевают мембрану через поры, образованные транспортными белками, погруженными в мембрану. Внутри этих белков имеется заполненный водой канал диаметром менее 1нм, через который могут диффундировать малые молекулы. Они движутся по градиенту концентрации, и если они несут заряд, то их движение по каналам регулируется также мембранным потенциалом. Диффузия описывается первым законом диффузии Фика:
dm/dt = DA/d(c1-c2) = DA/d Δ c,
D – коэффициент диффузии, постоянный для данного вещества, растворителя и температуры
с – концентрации веществ
A – площадь поверхности
d– толщина мембраны
Активный транспорт ионов – это их перемещение против электрохимического градиента. Показано, что в клетках между двумя сторонами плазматической мембраны поддерживается разность потенциалов. Почти во всех клетках содержимое клетки внутри заряжено отрицательно по отношению к внешней среде. Поэтому катионы обычно стремятся в клетку, а анионы клеткой отталкиваются. Во внеклеточных и внутриклеточных жидкостях из ионов преобладают ионы натрия, калия и хлора. Натрий-калиевый насос приводится в движение АТФ. Более 1/3 АТФ потребляется клеткой на перекачивание натрия и калия. Насос – это особый белок. Локализующийся в мембране таким образом. Что он пронизывает всю ее толщу. С внутренней стороны к нему поступают натрий и АТФ. А с наружной – калий.
Эндоцитоз и экзоцитоз – это 2 активных процесса. Различают два типа эндоцитоза:
1. Фагоцитоз – поглощение твердых частиц.
2. Пиноцитоз – поглощение жидкого материала.
Экзоцитоз – процесс выведения веществ из клетки.