Каково строение биологических мембран в связи с выполняемыми функциями - Клетка - структурная и функциональная единица жизни - ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

Плазматическая мембрана, или плазмалемма, — наиболее постоянная, основная, универсальная для всех клеток система поверхностного аппарата. Она представляет собой тончайшую (10 нм) пленку, покрывающую всю клетку. Плазмалемма состоит из молекул липидов (фосфолипидов, сфинголипидов, холестерина) и белков (рис. 5). Эти молекулы удерживаются с помощью гидрофильногидрофобных взаимодействий.

Рисунок 5. Схема строения плазматической мембраны: А — трехмерная модель; Б — плоскостное изображение: 1 — белки, примыкающие к липидному слою (а), погруженные в него (5) или пронизывающие его насквозь (в); 2— слои молекул липидов; 3 — гликопротеиды; 4— гликолипиды; 5— гидрофильный канал, функционирующий как пора

Молекулы липидов расположены в два ряда — гидрофобными концами внутрь, гидрофильными головками к внутренней и внешней водной среде. В отдельных местах бислой липидов пронизан белковыми молекулами, образуя поры, через которые проходят водорастворимые вещества. Другие белковые молекулы пронизывают бислой липидов наполовину с одной или другой стороны. На поверхности мембран эукариотических клеток имеются периферические белки. В состав плазматической мембраны эукариотических клеток входят также полисахариды. Их короткие, сильно разветвленные молекулы ковалентно связаны с белками (образуя гликопротеины) или липидами (образуя гликолипиды). Содержание полисахаридов в мембранах составляет 2—10 % по массе. Полисахаридный слой толщиной 10—20 нм, покрывающий сверху плазмалемму животных клеток, получил название гликокаликс.

Все клеточные мембраны представляют собой подвижные текучие структуры: поскольку молекулы липидов и белков не связаны между собой ковалентными связями, они способны достаточно быстро перемещаться в плоскости мембраны.

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 и, следовательно, по характеру имеющихся в них рецепторов. В связи с этим каждый тип клеток характеризуется индивидуальностью, которая определяется в основном гликопротеинами. Разветвленные цепи гликопротеинов, выступающие из клеточной мембраны, участвуют в распознавании факторов внешней среды, а также во взаимном узнавании родственных клеток. Например, яйцеклетка и сперматозоид узнают друг друга по гликопротеинам клеточной поверхности, которые подходят друг к другу как отдельные элементы цельной структуры. Такое взаимное узнавание — необходимый этап, предшествующий оплодотворению. Подобное явление наблюдается в процессе дифференцировки тканей. В этом случае сходные по строению клетки с помощью распознающих участков плазмалеммы правильно ориентируются по отношению друг к другу, 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, служат в качестве рецепторов для получения и преобразования химических сигналов из окружающей среды.

Важнейшим свойством мембраны является избирательная проницаемость. Это означает, что молекулы и ионы проходят через нее с различной скоростью, и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Плазматическая мембрана функционирует 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 из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже. Диффузный транспорт веществ осуществляется при участии белков мембраны, в которых имеются молекулярные поры (вода, ионы), либо при участии липидной фазы (для жирорастворимых веществ).

Облегченная диффузия — специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой и переносят их через мембрану.

Активный транспорт. Этот механизм сопряжен с затратами энергии и служит для переноса веществ против их градиента концентрации. Он осуществляется специальными белками- переносчиками, образующими так называемые ионные насосы. Наиболее изученным является Na⁺/K⁺-Hacoc в клетках животных, активно выкачивающий ионы Na⁺ наружу, поглощая при этом ионы К⁺. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация К⁺ и меньшая Na⁺, чем в окружающей среде. На этот процесс затрачивается энергия АТФ.

В результате активного транспорта с помощью мембранного насоса происходит также регуляция в клетке концентрации Mg²⁺ и Са²⁺.

В сочетании с активным транспортом ионов в клетку через цитоплазматическую мембрану проникают различные сахара, нуклеотиды, аминокислоты.

Макромолекулы, такие как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липопротеидные комплексы и др., сквозь клеточные мембраны, в отличие от ионов и небольших молекул проходят через специальные поровые комплексы, встроенные в мембрану, а также посредством эндоцитоза. При эндоцитозе определенный участок плазмалеммы захватывает, как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую за счет впячивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль соединяется с лизосомой, ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.

Эндоцитоз разделяют на фагоцитоз (захват и поглощение твердых частиц) и пиноцитоз (поглощение жидкости). Путем эндоцитоза осуществляется питание гетеротрофных протестов, защитные реакции организмов (лейкоциты поглощают чужеродные частицы) и др.

Процесс, обратный эндоцитозу, — экзоцитоз (экзо — наружу). Благодаря ему клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выводится в окружающую среду. Так выделяются пищеварительные ферменты, гормоны, гемицеллюлоза и др.

Биологические мембраны как основные структурные элементы клетки отграничивают большинство ее органелл. Они 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.

Таким образом, биологические мембраны выполняют следующие функции:

1) отграничение содержимого клетки от внешней среды и содержимого органелл от гиалоплазмы;

2) транспорт веществ в клетку и из нее, из гиалоплазмы в органеллы и наоборот;

3) получение и преобразование сигналов из окружающей среды, узнавание веществ, клеток и т.д. (рецепторная функция);

4) обеспечение примембранных химических процессов (каталитическая функция);

5) преобразование энергии.