ЦИТОЛЕММА. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН
Все биологические мембраны, включая плазматическую мембрану (цитолемму) и внутренние клеточные мембраны, состоят из липидных и белковых молекул, образующих несколько слоев.
Основной структурой любой биологической мембраны является непрерывный двойной слой липидных молекул – липидный бислой (рис. 3). Он обеспечивает непроницаемость мембраны для большинства водорастворимых молекул. Липиды составляют около 50% массы плазматической мембраны. Их молекулы имеют гидрофильную (любящую воду) головку и гидрофобные (боящиеся воды) концы. Липидные молекулы располагаются в мембранах таким образом, что гидрофобные концы находятся между двумя слоями, образованными гидрофильными головками.
Молекулы белков не образуют в мембранах сплошного слоя, они располагаются в слоях липидов, погружаясь в них на разную глубину. В плазматической мембране количество белков составляет половину ее массы.
Углеводы на поверхности мембраны представлены полисахаридными цепочками, которые прикреплены к мембранным белкам и липидам. Масса углеводов в плазматической мембране колеблется от 2 до 10% от ее массы.
Рис. 3. Схема строения цитолеммы: 1 – липиды, 2 – гидрофобная зона липидных молекул, 3 – белковые молекулы, 4 – полисахариды гликокаликса.
Углеводы располагаются на внешней поверхности клеточной мембраны, которая не контактирует с цитоплазмой. Углеводы на клеточной поверхности образуют надмембранный слой – гликокаликс, принимающий участие в процессах межклеточного узнавания.
Функция плазматической мембраны. Одна из основных жизненно важных функций плазматической мембраны – транспортная функция. Она обеспечивает поступление в клетку питательных и энергетических веществ, выведение продуктов обмена и биологически активных веществ (секретов), регулирует прохождение в клетку и из клетки различных ионов.
Существуют несколько механизмов для поступления веществ в клетку и выхода их из клетки: диффузия, активный транспорт, экзо- или эндоцитоз.
Диффузия – это движение молекул или ионов из области с высокой их концентрацией в область с более низкой концентрацией. За счет диффузии осуществляется транспорт через мембраны молекул кислорода и углекислого газа. Ионы и молекулы глюкозы, аминокислот, жирных кислот диффундируют через мембраны медленно.
Направление диффузии ионов определяется двумя факторами: один из этих факторов – их концентрация, другой – электрический заряд. Ионы обычно перемещаются в область с противоположным зарядом, отталкиваясь из области с одноименным зарядом, диффундируют из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Активный транспорт – это перенос молекул или ионов через мембраны с потреблением энергии против градиента концентрации. Энергия (расщепление АТФ) необходима потому, что вещества должны двигаться вопреки их естественному стремлению диффундировать в противоположном направлении. Примером активного транспорта ионов является натрий-калиевый насос (Na+, K+-насос). С внутренней стороны мембраны к ней поступают ионы Na+, АТФ, а с наружной – ионы К+. На
каждые два полученных клеткой иона К+ из клетки выводится три иона Na+. Вследствие этого содержимое клетки становится более отрицательно заряженным по отношению к внешней среде, а между двумя поверхностями мембраны возникает разность потенциалов.
Перенос через мембрану крупных молекул нуклеотидов, аминокислот и т. д. осуществляют мембранные транспортные белки: белки-переносчики и каналообразующие белки. Белки-переносчики, связываясь с молекулой вещества, переносят его через мембрану. Этот процесс может быть как пассивным, так и активным. Каналообразующие белки формируют заполненные тканевой жидкостью поры, которые пронизывают липидный бислой. Эти каналы имеют ворота, открывающиеся на короткое время в ответ на специфические процессы, происходящие на мембране.
Эндоцитоз и экзоцитоз – это два процесса, посредством которых осуществляется перенос макромолекул и крупных частиц через мембрану в клетку (эндоцитоз) либо из клетки (экзоцитоз). При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки. Оказавшись в пузырьках, частицы или жидкость переносятся внутрь клетки.
Экзоцитоз – процесс, обратный эндоцитозу. Это процесс, при котором содержимое транспортных или секретируемых пузырьков выделяется во внеклеточное пространство. При этом пузырьки проходят через мембрану и раскрываются на ее поверхности.
Клеточная мембрана обладает также большим количеством чувствительных образований – рецепторов, способных воспринимать воздействия различных химических и физических раздражителей.
Межклеточные соединения (соединения мембран) обеспечивают передачу химических и электрических сигналов, участвуют во взаимоотношениях клеток друг с другом. Существуют простые, плотные, щелевидные и синаптические межклеточные соединения. В простых соединениях цитолеммы двух клеток соприкасаются. В местах плотных межклеточных соединений цитолеммы двух клеток максимально сближены, местами сливаются, образуя как бы одну мембрану. При щелевидных соединениях между двумя цитолеммами имеется очень узкая щель (2 – 3 нм). Синаптические соединения (синапсы) характерны для контактов нервных клеток друг с другом. В них сигнал (нервный импульс) способен передаваться только в одном направлении.
С помощью контактов клетки соединяются с соседними клетками или внеклеточными структурами. Плотные контакты делают невозможным прохождение через них даже небольших молекул.
Щелевидные контакты и синапсы в наибольшей степени обеспечивают передачу химических и электрических сигналов, поэтому их называют коммуникантными контактами клеток.
1. Из каких молекул построены биологические мембраны? Как эти молекулы расположены в мембранах?
2. Дайте характеристику транспортной функции плазматической мембраны. Назовите и опишите виды транспорта через мембрану.
3. Назовите известные вам межклеточные соединения. Какие функции они выполняют?