Строение биологических мембран в связи с выполняемыми функциями

Плазматическая мембрана, или плазмалемма, — наиболее постоянная, основная, универсальная для всех клеток система поверхностного аппарата. Она представляет собой тончайшая (10 нм) пленку, покрывающую всю клетку. Плазмалемма сад стоит из молекул белков и фосфолипидов. Эти молекулы удерживаются с помощью гидрофильно-гидрофобных взаимодействий.

Молекулы фосфолипидов расположены в два ряда — гидрофобными концами внутрь, гидрофильными головками к внутренней и внешней водной среде. В отдельных местах бислой фосфолипидов пронизан белковыми молекулами, образуя поры, через которые проходят водорастворимые вешества. 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 гликопротеиды) 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, гликопротеидов, липидов и, следовательно, по характеру имеющихся в них рецепторов. В связи с чем каждый тип клеток характеризуется индивидуальностью» которая определяется в основном гликопротеидами. Разветвленные цепи гликопротеидов, 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 гликопротеидам 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 гликопротеиды 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 по градиенту концентрации (из области, где их концентрата 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+-нacoc 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 не проходят, в отличие от ионов и мономеров. Транспорт макромолекул, их комплексов и частиц внутрь клетки происходит совершенно иным путем — 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, или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Так выделяются пищеварительные ферменту 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 цитоплазмы;
  2. Транспорт веществ в клетку и из нее, из цитоплазмы 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.