Свойства мембраны : образование компартмента (замкнутого пространства), избирательная проницаемость, асимметричность строения, текучесть.
Функции мембраны :
. транспорт веществ в клетку и из клетки, газообмен;
. рецепторная; контакты между клетками в многоклеточном организме (одномембранные структуры, наружная
мембрана в митохондриях, наружная и внутренняя мембрана ядра);
. граница между наружной и внутренней средой клетки;
. модифицированные складки мембраны образуют многие органеллы клетки (мезосома).
Основа мембран — липидный бислой (см. рис. 1). Липидные молекулы имеют двойственную природу, проявляющуюся в том, как они ведут себя по отношению к воде. Липиды состоят из полярной (т.е. гидрофильной, обладает сродством к воде) головы и двух неполярных (гидрофобных) хвостов. Все молекулы ориентированы одинаково: головы молекул — в воде, а углеводородные хвосты — над ее поверхностью.
Рис. 1. Строение плазматической мембраны
Белковые молекулы как бы «растворены» в липидном бислое мембраны. Они могут находиться только на наружной или только на внутренней поверхности мембраны или лишь частично погружены в липидный бислой.
Функции белков в мембранах :
. дифференцировка клеток в ткани (гликопротеины);
. транспорт крупных молекул (поры и каналы, насосы);
. способствование восстановлению повреждений мембраны, доставляя фосфолипиды;
. катализ реакций, происходящих на мембранах;
. взаимная связь внутренних частей клетки с окружающим пространством;
. поддержание структуры мембран;
. получение и преобразование химических сигналов из окружающей среды (рецепторы).
Транспорт веществ через мембрану
В зависимости от необходимости использования энергии для осуществления транспорта веществ различают пассивный транспорт, который идет без расходования АТФ, и активный транспорт, в ходе которого расходуется АТФ.В основе пассивного транспорта лежит разность концентраций и зарядов. При этом вещества перемещаются из области с более высокой концентрацией в область с более низкой, т.е. по градиенту концентрации. Если молекула заряжена, то на ее транспорт влияет и электрический градиент. Скорость транспорта зависит от величины градиента. Способы пассивного транспорта через мембрану:
. простая диффузия — непосредственно через липидный слой (газы, неполярные или малые незаряженные полярные молекулы). Диффузия воды через мембраны — осмос;
. диффузия через мембранные каналы — транспорт заряженных молекул и ионов;
. облегченная диффузия — транспорт веществ с помощью специальных транспортных белков (сахара, аминокислоты, нуклеотиды).
Активный транспорт происходит против электрохимического градиента с помощью белков — переносчиков. Одна из таких систем называется натрий-калиевый насос, или натрийкалиевая АТФаза (рис. 8). Этот белок замечателен тем, что на него тратится колоссальное количество АТФ — примерно треть АТФ, синтезируемой в клетке. Это белок, который переносит через мембрану внутрь ионы калия, а наружу — ионы натрия. В результате получается, что натрий накапливается снаружи клеток.
Рис. 8. Калийнатриевый насос
Фазы работы насоса:
. с внутренней стороны мембраны к белку-насосу поступают ионы натрия и молекула АТФ, а с наружной — ионы калия;
. ионы натрия соединяются с молекулой белка и белок приобретает АТФ-азную активность, т.е. способность вызывать гидролиз АТФ, сопровождающийся освобождением энергии, приводящей в движение насос;
. фосфат, освободившийся при гидролизе АТФ, присоединяется к белку;
. конформационные изменения белка, он оказывается неспособным удерживать ионы натрия, и они высвобождаются и выходят за пределы клетки;
. белок присоединяет ионы калия;
. фосфат от белка отщепляется и конформация белка вновь изменяется;
. высвобождение ионов калия внутрь клетки;
. белок возобновляет способность присоединять ионы натрия.
За один цикл работы насос выкачивает из клетки 3 ионы натрия и закачивается 2 иона калия. Снаружи накапливается положительный заряд. При этом внутри клетки заряд отрицательный. В результате любой положительный ион может быть перенесен через мембрану сравнительно легко просто за счет того, что есть разность зарядов. Так, через натрий-зависимый белок для транспорта глюкозы присоединяет ион натрия и молекулу глюкозы снаружи, а дальше за счет того, что ион натрия притягивается внутрь, белок с легкостью переносит и натрий и глюкозу внутрь. На этом же принципе основано то, что нервные клетки имеют такое же распределение зарядов, и это позволят пропустить внутрь натрий и очень быстро создать изменение заряда, называемое нервным импульсом.
Крупные молекулы поступают через мембрану в ходе эндоцитоза. При этом мембрана образует впячивание, края ее сливаются, и происходит отшнуровывание в цитоплазму везикул — одномембранных мешочков. Различают два типа эндоцитоза: фагоцитоз (поглощение крупных твердых частиц) и пыноцитоз (поглощение растворов).
Экзоцитоз — процесс выведения различных веществ из клетки. При этом везикулы сливаются с плазматической мембраной, и их содержимое выводится за пределы клетки.
Имеет толщину 8-12 нм, поэтому рассмотреть ее в световой микроскоп невозможно. Строение мембраны изучают при помощи электронного микроскопа.
Плазматическая мембрана образована двумя слоями липидов – билипидным слоем, или бислоем. Каждая молекула состоит из гидрофильной головки и гидрофобного хвоста, причем в биологических мембранах липиды расположены головками наружу, хвостами внутрь.
В билипидный слой погружены многочисленные молекулы белков. Одни из них находятся на поверхности мембраны (внешней или внутренней), другие пронизывают мембрану .
Функции плазматической мембраны
Мембрана защищает содержимое клетки от повреждений, поддерживает форму клетки, избирательно пропускает необходимые вещества внутрь клетки и выводит продукты обмена, а также обеспечивает связь клеток между собой.
Барьерную, отграничительную функцию мембраны обеспечивает двойной слой липидов. Он не дает содержимому клетки растекаться, смешиваться с окружающей средой или межклеточной жидкостью, и препятствует проникновению в клетку опасных веществ.
Ряд важнейших функций цитоплазматической мембраны осуществляется за счет погруженных в нее белков. При помощи белков-рецепторов может воспринимать различные раздражения на свою поверхность. Транспортные белки образуют тончайшие каналы, по которым внутрь клетки и из нее проходят ионы калия, кальция, и другие ионы малого диаметра. Белки-ферменты обеспечивают процессы жизнедеятельности в самой клетке.
Крупные пищевые частицы, не способные пройти через тонкие мембранные каналы, попадают внутрь клетки путем фагоцитоза или пиноцитоза. Общее название этим процессам – эндоцитоз.
Как происходит эндоцитоз – проникновение крупных пищевых частиц в клетку
Пищевая частица соприкасается с наружной мембраной клетки, и в этом месте образуется впячивание. Затем частица, окруженная мембраной, попадает внутрь клетки, образуется пищеварительная вакуоль, и внутрь образовавшегося пузырька проникают пищеварительные ферменты.
Лейкоциты крови, способные захватывать и переваривать чужеродные бактерии, называются фагоцитами.
В случае пиноцитоза впячиванием мембраны захватываются не твердые частицы, а капельки жидкости с растворенными в ней веществами. Этот механизм является одним из основных путей проникновения веществ в клетку.
Клетки растений, покрытые поверх мембраны твердым слоем клеточной стенки, не способны к фагоцитозу.
Процесс, обратный эндоцитозу, – экзоцитоз. Синтезированные в клетке вещества (к примеру, гормоны) упаковываются в мембранные пузырьки, подходят к мембране, встраиваются в нее, и содержимое пузырька выбрасывается из клетки. Таким образом клетка может избавляться и от ненужных продуктов обмена.
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.
Вконтакте
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.
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;
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.
Мы начнем гистологию с изучения эукариотической клетки, являющейся самой простой системой, наделенной жизнью. При исследовании клетки в световом микроскопе мы получаем информацию о ее размере, форме, и эта информация связана с наличием у клеток ограниченных мембраной границ. С развитием электронной микроскопии (ЭМ) наши представления о мембране, как о четко ограниченной линии раздела между клеткой и окружающей средой изменились, ибо оказалось, что на поверхности клетки имеется сложная структура, состоящая из следующих 3-х компонентов :
1. Надмембранный компонент (гликокаликс) (5 - 100 нм);
2. Плазматическая мембрана (8 - 10 нм);
3. Подмембранный компонент (20 - 40 нм).
При этом 1 и 3 компоненты вариабельны и зависят от типа клеток, наиболее статичным представляется строение плазматической мембраны, которую мы и рассмотрим.
Плазматическая мембрана. Изучение плазмолеммы в условиях ЭМ привело к заключению об однотипности ее структурной организации, при которой она имеет вид триламинарной линии, где внутренний и наружный слои электронноплотные, а расположенный между ними - более широкий слой представляется электроннопрозрачным. Такой тип структурной организации мембраны свидетельствует об ее химической гетерогенности. Не касаясь дискуссии по этому вопросу, оговорим, что плазмолемма состоит из трех типов веществ: липидов, белков и углеводов.
Липиды , входящие в состав мембран, обладают амфифильными свойствами за счет присутствия в их составе как гидрофильных, так и гидрофобных групп. Амфипатический характер липидов мембраны способствует образованию липидного бислоя. При этом в фосфолипидах мембраны выделяют два домена:
а) фосфатная - голова молекулы, химические свойства этого домена определяют его растворимость в воде и его называют гидрофильным;
б) ацильные цепи , представляющие собой этерифицированные жирные кислоты - это гидрофобный домен .
Типы мембранных липидов : основным классом липидов биологических мембран являются фосфолипиды, они формируют каркас биологической мембраны. См. рис.1
Рис. 1: Типы мембранных липидов
Биомембраны - это двойной слой амфифильных липидов (липидный бислой). В водной среде такие амфифильные молекулы самопроизвольно образуют бислой, в котором гидрофобные части молекул ориентированы друг к другу, а гидрофильные к воде. См. рис. 2
Рис. 2: Схема строения биомембраны
В состав мембран входят липиды следующих типов:
1. Фосфолипиды ;
2. Сфинголипиды - “головки” + 2 гидрофобных “хвоста”;
3. Гликолипиды.
Холестерин (ХЛ) - находится в мембране в основном в срединной зоне бислоя, он амфифилен и гидрофобный (за исключением одной гидроксигруппы). Липидный состав влияет на свойства мембран: отношение белок/липиды близок 1:1, однако миелиновые оболочки обогащены липидами, а внутренние мембраны - белками.
Способы упаковки амфифильных липидов :
1. Бислои (липидная мембрана);
2. Липосомы - это пузырек с двумя слоями липидов, при этом как внутренняя, так и наружная поверхности являются полярны;
3. Мицеллы - третий вариант организации амфифильных липидов - пузырек, стенка которого образована одним слоем липидов, при этом их гидрофобные концы обращены к центру мицеллы и их внутренняя среда является не водной, агидрофобной .
Наиболее распространенной формой упаковки молекул липидов является образование ими плоского бислоя мембран. Липосомы и мицеллы - это скорые транспортные формы, обеспечивающие перенос веществ в клетку и из нее. В медицине липосомы используют для переноса водорастворимых, а мицеллы - для переноса жирорастворимых веществ.
Белки мембраны
1. Интегральные (включены в липидные слои);
2. Периферические. См. рис. 3
Интегральные (трансмембранные белки):
1. Монотопные - (например, гликофорин. Они пересекают мембрану 1 раз), и являются рецепторами, при этом их наружный - внеклеточный домен - относится к распознающей части молекулы;
2.Политопные - многократно пронизывают мембрану - это тоже рецепторные белки, но они активизируют путь передачи сигнала внутрь клетки;
3.Мембранные белки, связанные с липидами ;
4. Мембранные белки , связанные с углеводами .
Рис. 3: Белки мембраны
Периферические белки:
Не погружены в липидный бислой и не соединены с ним ковалентно. Они удерживаются за счет ионных взаимодействий. Периферические белки ассоциированы с интегральными белками в мембране за счет взаимодействия - белок-белковые взаимодействия.
1. Спектрин , который расположен на внутренней поверхности клетки;
2.Фибронектин , локализован на наружной поверхности мембраны.
Белки - обычно составляют до 50% массы мембраны. При этом интегральные белки выполняют следующие функции:
а) белки ионных каналов;
б) рецепторные белки.
А периферические мембранные белки (фибриллярные, глобулярные) выполняют следующие функции:
а) наружные (рецепторные и адгезионные белки);
б) внутренние - белки цитоскелета (спектрин, анкирин), белки системы вторых посредников.
Ионные каналы - это сформированные интегральными белками каналы, они формируют небольшую пору, через которую по электрохимическому градиенту проходят ионы. Наиболее известные каналы - это каналы для Nа, К, Са, Сl.
Существуют и водные каналы - это аквопорины (эритроциты, почка, глаз).
Надмембранный компонент - гликокаликс, толщина 50 нм. Это углеводные участки гликопротеинов и гликолипидов, обеспечивающие отрицательный заряд. Под ЭМ - это рыхлый слой умеренной плотности, покрывающий наружную поверхность плазмолеммы. В состав гликокаликса помимо углеводных компонентов входят периферические мембранные белки (полуинтегральные). Функциональные участки их находятся в надмембранной зоне - это иммуноглобулины. См. рис. 4
Функция гликокаликса:
1. Играют рольрецепторов ;
2. Межклеточное узнавание ;
3. Межклеточные взаимодействия (адгезивные взаимодействия);
4. Рецепторы гистосовместимости ;
5. Зона адсорбции ферментов (пристеночное пищеварение);
6. Рецепторы гормонов .
Рис. 4: Гликокаликс и подмембранные белки
Подмембранный компонент - самая наружная зона цитоплазмы, обычно обладает относительной жесткостью и эта зона особенно богата филаментами (d = 5-10 нм). Предполагают, что интегральные белки, входящие в состав клеточной мембраны, прямо или косвенно связаны с актиновыми филаментами, лежащими в подмембранной зоне. При этом экспериментально доказано, что при агрегации интегральных белков, находящийся в этой зоне актин и миозин также агрегируют, что указывает на участие актиновых филамент в регуляции формы клетки.
Мембрана состоит из двух слоев липидных молекул (бислой), в который встроены белки. К некоторым липидным и белковым молекулам присоединены углеводы. Их немного. Толщина мембраны около 10 нм (0,00001 мм). Основную часть мембраны составляет непрерывный слой фосфолипидных молекул. В этот жидкий слой погружены молекулы различных по строению и функций белковых молекул. Белки не полностью покрывают липидный бислой, а располагаются в нём по отдельности или группами. В целом это напоминает мозаику (рис. 2. Б. В). В связи с этим принятая в настоящее время модель мембраны носит название жидкостно-мозаичная . Белки способны перемещаться по липидному слою. Перемещаются и молекулы липидного слоя. Понятно, что движение молекул мембраны меняет физико-химические характеристики последней, а это, в свою очередь, меняет функциональные характеристики мембраны. Необходимо отметить, что плазматическая мембрана большинства клеток не имеет форму идеального шара. Наоборот, она имеет множество выступов, углублений, которые постоянно меняют свою форму и величину. Полученные в последнее время результаты внесли некоторые коррективы в теорию строение мембран. Было показано, что не все мембранные белки способны к движению, а некоторые участки мембран отличаются по своей структуре от классического липидного бислоя.
Молекула фосфолипида имеет вид головки с двумя хвостиками (рис. 2 А). Головка (глицерин) растворима в воде, гидрофильна, хвостики (жирные кислоты) нерастворимы в воде, гидрофобны. Поэтому, находясь в воде, молекулы самопроизвольно занимают определённое положение по отношению к водной фазе. Отталкиваясь от молекул воды, хвостики располагаются в глубине липидного слоя, а водорастворимые головки обращены к внешней и внутренней водной среде (рис. 2. Б). Бислой липидов носит название матрикс. Особо следует отметить наличие в мембранах клеток липидов, хвостик которых содержит жирные кислоты, имеющие в своей структуре двойные связи, расположенные через CH 2 -группу (– СН = СН – СН = СН – СН –) . Такие жирные кислоты называют ненасыщенными. Эти кислоты наиболее всего подвержены воздействию активных форм кислорода (АФК), которые постоянно присутствуют в организме всех живых существ. Их количество особенно возрастает при различных заболеваниях. Это может привести к неблагоприятным последствиям, о чём мы скажем ниже.
Вкрапленные в матрикс белки (рис. 2 В) располагаются по-разному. Одни на внутренней и наружной поверхности липидного слоя – примембранные или поверхностные белки, другие полупогружены в мембрану – полуинтегральные белки, третьи пронизывают всю мембрану – интегральные белки. Обычно полуинтегральные и интегральные белки объединяют одним термином – внутренние белки, поскольку их трудно отличить друг от друга. Чаще всего в мембранах встречаются интегральные белки. Они могут быть представлены, как одной молекулой и выполнять какую-либо одну функцию, так и группой (ансамблем) белков. Каждый участник ансамбля выполняет строго определённую роль. Эти комплексы также выполняют одну или несколько конечных функций.
Рис. 2. Схематическое строение плазматической мембраны.
Следует отметить, что интегральные и поверхностные белки-ферменты, функционирующие в мембране, достаточно часто меняют своё положение. В некоторых случаях сложно определить к какому типу (поверхностные или интегральные) относится тот или иной белок мембраны. Например, фермент фосфолипаза А, осаждаясь на мембрану, является поверхностным белком, но затем она активируется, становится интегральным белком и, взаимодействуя с липидами бислоя, образует из них арахидоновую кислоту (рис.3). Последняя покидает мембрану и превращается в другие активные соединения, которые участвуют в развитии различных патологических процессов.
Na + , K + - АТФ-аза Адренорецептор Аденилатциклаза
Ca 2+ -АТФ-аза
Фосфолипаза
Na + , K + Сa 2+ Арахидоновая
кислота G-белок Гликоген
Рис. 3. Гипотетическая схема локализации некоторых мембранных белков
Напротив, белки, участвующие в перемещении веществ через мембрану – например, белки, принимающие участие в облегчённой диффузии Na + , K + - АТФ-аза или Ca 2+ -АТФ-аза, как правило, не меняют своё положение, функционируя как интегральные белки (рис. 3). И, наконец, как мы уже говорили, в мембране могут находиться сложные комплексы из нескольких белков, связанных в единый ансамбль одной задачей. К таким комплексам относятся белки, принимающие участие в проведении информационного сигнала через мембрану (рис.3). К последним относится комплекс, содержащий три белка - адренорецептор, G-белок и аденилатциклазу. Все эти белки имеют существенное значение в нормальной жизнедеятельности клетки и при патологии. Об этом мы расскажем ниже.
Кроме липидов и белков в мембране имеются углеводы, но они располагаются не как самостоятельные компоненты, а как составные части липидов (гликолипиды) или белков (гликопротеинов). Углеводы располагаются на наружной поверхности плазмалеммы.