Биологические мембраны, их свойства и функции

Биологические мембраны, их свойства и функции 

 Строение биологических  мембран. Одной из основных  особенностей всех эукариотических клеток является изобилие и сложность строения внутренних мембран. Мембраны отграничивают цитоплазму от окружающей среды, а также формируют оболочки ядер, митохондрий и пластид. Они образуют лабиринт эндоплазматического ретикулума и уплощенных пузырьков в виде стопки, составляющих комплекс Гольджи. Мембраны образуют лизосомы, крупные и мелкие вакуоли растительных и грибных клеток, пульсирующие вакуоли простейших. Все эти структуры представляют собой компартменты (отсеки), предназначенные для тех или иных специализированных процессов и циклов. Следовательно, без мембран существование клетки невозможно.

Плазматическая мембрана, или плазмалемма, — наиболее постоянная, основная, универсальная для всех клеток мембрана. Она представляет собой тончайшую (около 10 нм) пленку, покрывающую всю клетку. Плазмалемма состоит из молекул белков и фосфолипидов (рис. 1.6).

 Молекулы фосфолипидов  расположены в два ряда —  гидрофобными концами внутрь, гидрофильными  головками к внутренней и внешней  водной среде. В отдельных местах  бислой (двойной слой) фосфолипидов насквозь пронизан белковыми молекулами (интегральные белки). Внутри таких белковых молекул имеются каналы — поры, через которые проходят водорастворимые вещества. Другие белковые молекулы пронизывают бислой липидов наполовину с одной или с другой стороны (полуинтегральные белки). На поверхности мембран эукариотических клеток имеются периферические белки. Молекулы липидов и белков удерживаются благодаря гидрофильно-гидрофобным взаимодействиям.

Рис. 1.6. Схема строения мембраны: а — трехмерная модель; б — плоскостное изображение; 1 — белки, примыкающие к липидному слою (А), погруженные в него (Б) или пронизывающие его насквозь (В); 2 — слои молекул липидов; 3 — гликопротеины; 4 — гликолипиды; 5 — гидрофильный канал, функционирующий как пора.

 В состав плазматической  мембраны эукариотических клеток входят также полисахариды. Их короткие, сильно разветвленные молекулы ковалентно связаны с белками, образуя гликопротеины, или с липидами (гликолипиды). Содержание полисахаридов в мембранах составляет 2-—10% по массе. Полисахаридный слой толщиной 10—20 нм, покрывающий сверху плазмалемму животных клеток, получил название гликокаликс.

Свойства и функции  мембран. Все клеточные мембраны представляют собой подвижные текучие  структуры, поскольку молекулы липидов  и белков не связаны между собой  ковалентными связями и способны достаточно быстро перемещаться в плоскости  мембраны. Благодаря этому мембраны могут изменять свою конфигурацию, т. е. обладают текучестью.

 Мембраны — структуры  очень динамичные. Они быстро  восстанавливаются после повреждения,  а также растягиваются и сжимаются  при клеточных движениях. 

 Мембраны разных типов  клеток существенно различаются  как по химическому составу,  так и по относительному содержанию  в них белков, гликопротеинов, липидов,  а следовательно, и по характеру имеющихся в них рецепторов. Каждый тип клеток поэтому характеризуется индивидуальностью, которая определяется в основном гликопротеинами. Разветвленные цепи гликопротеинов, выступающие из клеточной мембраны, участвуют в распознавании факторов внешней среды, а также во взаимном узнавании родственных клеток. Например, яйцеклетка и сперматозоид узнают друг друга по гликопротеинам клеточной поверхности, которые подходят друг к другу как отдельные элементы цельной структуры. Такое взаимное узнавание — необходимый этап, предшествующий оплодотворению.

 Подобное явление наблюдается  в процессе дифференцировки тканей. В этом случае сходные по  строению клетки с помощью  распознающих участков плазмалеммы  правильно ориентируются относительно  друг друга, обеспечивая тем  самым их сцепление и образование  тканей. С распознаванием связана  и регуляция транспорта молекул  и ионов через мембрану, а также  иммунологический ответ, в котором  гликопротеины играют роль антигенов.  Сахара, таким образом, могут функционировать  как информационные молекулы (подобно  белкам и нуклеиновым кислотам). В мембранах содержатся также  специфические рецепторы, переносчики  электронов, преобразователи энергии,  ферментные белки. Белки участвуют  в обеспечении транспорта определенных  молекул внутрь клетки или  из нее, осуществляют структурную  связь цитоскелета с клеточными мембранами или же служат в качестве рецепторов для получения и преобразования химических сигналов из окружающей среды.

 Важнейшим свойством  мембраны является также избирательная  проницаемость. Это значит, что  молекулы и ионы проходят через  нее с различной скоростью,  и чем больше размер молекул,  тем меньше скорость прохождения  их через мембрану. Это свойство  определяет плазматическую мембрану  как осмотический барьер. Максимальной  проникающей способностью обладает  вода и растворенные в ней  газы; значительно медленнее проходят  сквозь мембрану ионы. Диффузия  воды через мембрану называется  осмосом. 

 Существует несколько  механизмов транспорта веществ  через мембрану.

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 называемые ионные насосы. Наиболее изученным является Na-/К--насос в клетках животных, активно выкачивающих ионы Na+ наружу, поглощая при этом ионы К-. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация К- и меньшая Na+ по сравнению с окружающей средой. На этот процесс затрачивается энергия АТФ.

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

 В процессе активного  транспорта ионов в клетку  через цитоплазматическую мембрану  проникают различные сахара, нуклеотиды, аминокислоты.

 Макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов,  липопротеидные комплексы и др. сквозь клеточные мембраны не  проходят, в отличие от ионов  и мономеров. Транспорт макромолекул, их комплексов и частиц внутрь клетки происходит совершенно иным путем — посредством эндоцитоза. При эндоцитозе {эндо... — внутрь) определенный участок плазмалеммы захватывает и как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую вследствие впячивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль соединяется с лизосомой, ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.

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

 Таким образом, биологические  мембраны как основные структурные  элементы клетки служат не  просто физическими границами,  а представляют собой динамичные  функциональные поверхности. На  мембранах органелл осуществляются  многочисленные биохимические процессы, такие как активное поглощение  веществ, преобразование энергии,  синтез АТФ и др.

Функции биологических мембран  следующие:

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

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

 Выполняют роль рецепторов (получение и преобразование сигналов  из окружающей среды, узнавание  веществ клеток и т. д.).

 Являются катализаторами (обеспечение примембранных химических процессов).