Строение и функции биологических мембран. Транспорт веществ через мембрану

Биологические мембраны - морфо-функциональные образования, отграничивающие содержимое клетки живых организмов от внешней для неё среды и жидкостные компартменты внутри клетки, имеющие общий план строения и сходные функции.

1855 год. К. фон Негели обнаружил, что неповрежденные клетки изменяют свой объем при изменении осмотического давления окружающей среды.

У растительных клеток и бактерий при их погружении в гипертонический раствор наблюдается плазмолиз - отставание клеточной (плазматической)мембраны от клеточной оболочки (стенки клетки) при уменьшении объёма протопласта.

Фон Моль и К. фон Негели ввели термин «мембрана» для объяснения плазмолиза.

Эти опыты убедительно показали наличие на границе клетки полупроницаемой мембраны. Проницаемой для воды и плохо проницаемой для осмотически активных веществ (ионов натрия, хлора и др.)

1972 год. С. Сингер и Дж. Никольсон предложили жидкостно‑мозаичная модель биомембраны.

В рамках этой модели мембрана представляется как фосфолипидный бислой, в который погружены свободно диффундирующие белки.

Мембрана обладает свойствами замкнутости, текучести и асимметричности

Замкнутость

Мембраны всегда образуют замкнутые пространства). Плазматическая мембрана является внешней границей клетки, а также внутренних клеточных компартментов.

Асимметричность

Внешняя и внутренняя поверхности мембраны различаются по составу липидов, белков и наличием гликокаликса на внешней поверхности мембраны.

Текучесть

Липиды, белки и другие составляющие плазматической мембраны движутся в пределах слоя.

Переходы между слоями называются flip-flop, происходят реже, чем в пределах слоя, что обеспечивает наличие свойства асимметричности. Переходы между слоями осуществляют ферменты транслокаторы фосфолипидов

Функции БМ

1)барьерная — обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой. Например, мембрана пероксисом защищает цитоплазму от опасных для клетки пероксидов. Избирательная проницаемость означает, что проницаемость мембраны для различных атомов или молекул зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств. Избирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами.

2)транспортная — через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембраны обеспечивает: доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке оптимального pH и концентрации ионов, которые нужны для работы клеточных ферментов.

3) Частицы, по какой-либо причине неспособные пересечь фосфолипидный бислой (например, из-за гидрофильных свойств, так как мембрана внутри гидрофобна и не пропускает гидрофильные вещества, или из-за крупных размеров), но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортеры) и белки-каналы или путем эндоцитоза.

4) При пассивном транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии по градиенту концентрации путем диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия, при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть канал, пропускающий вещества только одного типа.

5)Активный транспорт требует затрат энергии, так как происходит против градиента концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза, которая активно вкачивает в клетку ионы калия (K+) и выкачивают из неё ионы натрия (Na+).

6)матричная — обеспечивает определенное взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие.

7)механическая — обеспечивает автономность клетки, ее внутриклеточных структур, также соединение с другими клетками (в тканях). Большую роль в обеспечение механической функции имеют клеточные стенки, а у животных — межклеточное вещество.

8)энергетическая — при фотосинтезе в хлоропластах и клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки;

9)рецепторная — некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает те или иные сигналы).

Например, гормоны, циркулирующие в крови, действуют только на такие клетки-мишени, у которых есть соответствующие этим гормонам рецепторы. Нейромедиаторы (химические вещества, обеспечивающие проведение нервных импульсов) тоже связываются с особыми рецепторными белками клеток-мишеней.

10)ферментативная — мембранные белки нередко являются ферментами. Например, плазматические мембраны эпителиальных клеток кишечника содержат пищеварительные ферменты.

11)осуществление генерации и проведения биопотенциалов.

Транспорт веществ через мембрану: общие вопросы

Характеризуя тот или иной вид транспорта мы должны выяснить три основных момента:

• меняется ли архитектоника мембраны?

• происходит ли непосредственно при этом процессе гидролиз АТФ?

• сопряжён ли транспорт вещества с транспортом других веществ?

выделяют следующие виды транспорта:

• с изменением архитектоники мембраны и без изменения архитектоники мембраны.

• активный и пассивный

• унипорт и котранспорт