Функций биологических мембран. Ионные каналы

 

Карагандинский  Государственный Медицинский Университет

Кафедра Физиологии

 

 

 

 

 

 

СРС

 

 

 

Тема: Функций биологических мембран.

 Ионные каналы.

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Демисенов Дулат

ОМ- 278

Проверила: Адиилбекова А.А.

 

 

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).

 Участвуют в преобразовании  энергии.

Современные представления  о строении и функции кл. мембран.

 

В настоящее время  наибольшим признанием пользуется жидкостно-мозаичная  гипотеза строения биологических мембран.

 

Согласно этой гипотезе основу мембраны составляет двойной  слой фосфолипидов с некоторым количеством  др липидов( галаптолипидов, стеринов, жирных кислот и др.), причем липиды располагаются др. к др. своими гидрофобными концами.

 

Липиды: фосфолипиды –  глицерофосфолипиды, сфингофосфолипиды;

Гликолипиды  - цереброзиды, сульфатиды, ганглиозиды;

Стероиды – холестерин (жив), ситостеарин (раст), эргостерин (гриб).

В состав фосфо и гликолипидов входят жирнокислотные радикалы. В  высших растениях преобладает пальмитиновая, олеиновая и липолиевая кислота.

Характерной особенностью биологических мембран является различный состав липидов по обе стороны бислоя.

Липиды, входящие в состав мембранного бислоя, не закреплены жестко, а непрерывно меняются местами. Перемещение липидных молекул бывает 2 типов:

в пределах своего монослоя (например диффузия);

путем перестановки 2 липидных молекул, противостоящих др. др. в 2 монослоях (флип - флоп);

а) сегментальная, б) вращательная, в) латеральная, г) флип – флоп

В жидких слоях липидных мембран находятся специализированные протеиновые комплексы:

интегральные белки (погружены  в липидную фазу и удерживаются гидрофобными связями);

периферические (гидрофильные). Удерживаются на внутренних и внешних  поверхностях мембраны электростатическими  связями, взаимодействуя с гидрофильными головками полярных липидов.

Основную роль в формировании мемб. играют связи: липид – липид, липид-белок, белок-белок. В состав мембран входят белки, выполняющие функции ферментов, насосов, переносчиков, ионных каналов; белки регуляторы и структурные белки.

Интегральные белковые глобулы располагаются в фосфолипидных  слоях мембран ориентированно. Эта ориентация определяется особенностями гидрофильной поверхности каждого белка, локализацией и свойством его гидрофильных участков. На положение белков в мембране оказывают влияние состав фосфолипидов, а так же величина электростатического заряда мембран.

 

Функции мембран. Лабильная структура мембран позволяет выполнять им различные функции: барьерные, транспортные, осмотические, электрические, строительные, энергетические, секреторные, пищеварительные, рецептивно-регуляторные и некоторые др.

Первичным назначением кл. мембран было отделение внутренней среды от внешней. Но одновременно с появлением барьера дол. б. возникнуть механизмы трансмембранного переноса ионов, метаболитов, которые в ходе эволюции постоянно усложнялись.

В жив. кл. различают пассивный (по хим. И электрич. градиенту) и активный транспорт. Пассивный транспорт осуществляется через каналы, фосфолипидную фазу (если вещество растворяется в липиде), с помощью липопротеидов – переносчиков. Активный транспорт осуществляется транспортными АТФ-азами с использованием энергии АТФ.

Осмотическая функция.

Некоторые водоросли, чтобы не быть разорванными, сопротивляются пассивному осмотическому поступлению воды в клетки путем выведения избытка  воды сократительными вакуолями. У  высших растений осмотическое давление на приводит к разрыву клеток, т.к.гидростатическому давлению (тургорному) противостоит противодавление эластически растянутых клеточных структур. Интенсивный напор воды – важный фактор существования растений. Тургор позволяет поддерживать форму неодревесневшим частям растения.

Строительная функция: мембран  заключается в упорядоченности  расположения полиферментных комплексов. Благодаря упорядоченности и  векторности ферментов и транспортных механизмов осуществляется мембранная координация множества биохимических функций, протекающих в клетках. Аккумуляция и трансформация энергии – одна из важных функций мембран. В кл. энергия света трансформируется в энергию АТФ и НАДФ. А они в энергию химических связей органических соединений. Эти соединения, окисляясь затем в цитоплазме и митохондриях, освобождают энергию, необходимую им для выполнения различной работы. В живых кл.энергия может запасаться в 2 формах: в виде высокоэнергетичного соединения и в виде электрохимического мембранного потенциала.

Рецептивно-регуляторная – важнейшая функция. В состав мембран входят хемо -, фото- и механорецепторы белковой природы, чувствительные к действию физ и хим факторов. Эти рецепторы воспринимают сигналы, поступающие из внутренней и внешней среды, обеспечивая адаптивные ответы клеток.