Будова та функції біологічних мембран. Транспорт речовин через біологічні мембрани

Мембрана - це надтонка структура, що утворює поверхні органоїдів та клітини в цілому. Всі мембрани мають подібну будову та пов'язані в одну систему.

Хімічний склад

Мембрани клітини хімічно однорідні і складаються з білків та ліпідів різних груп:

• фосфоліпідів;
• галактоліпідів;
• сульфоліпідів.

Також до їх складу входять нуклеїнові кислоти, полісахариди та інші речовини.

Фізичні властивості

При нормальній температурі мембрани знаходяться в рідкокристалічному стані і постійно коливається. Їх в'язкість близька до в'язкості олії.

Мембрана здатна до відновлення, міцна, еластична та має пори. Товщина мембран 7 – 14 нм.

ТОП-4 статтіякі читають разом з цією

Для великих молекул мембрана непроникна. Дрібні молекули та іони можуть проходити через пори та саму мембрану під дією різниці концентрацій з різних боків мембрани, а також за допомогою транспортних білків.

Модель

Зазвичай будова мембран описується за допомогою рідинно-мозаїчної моделі. Мембрана має каркас - два ряди ліпідних молекул, щільно, як цеглини, що прилягають одна до одної.

Мал. 1. Біологічна мембрана типу сендвіч.

З обох боків поверхня ліпідів покрита білками. Мозаїчна картина утворюється нерівномірно розподіленими поверхні мембрани молекулами білків.

За рівнем зануреності в біліпідний шар білкові молекули ділять на три групи:

• трансмембранні;
• занурені;
• поверхневі.

Білки забезпечують основну властивість мембрани - її вибіркову проникність для різних речовин.

Типи мембран

Усі мембрани клітини з локалізації можна розділити на такі типи:

• зовнішня;
• ядерна;
• мембрани органоїдів

Зовнішня цитоплазматична мембрана, чи плазмолема, є межею клітини. Поєднуючись з елементами цитоскелета, вона підтримує її форму та розміри.

Мал. 2. Цитоскелет.

Ядерна мембрана, або каріолема, є межею ядерного вмісту. Вона побудована із двох мембран, дуже схожих на зовнішню. Зовнішня мембрана ядра пов'язана з мембранами ендоплазматичної мережі (ЕПС) і через пори з внутрішньою мембраною.

Мембрани ЕПС пронизують всю цитоплазму, утворюючи поверхні, у яких йде синтез різних речовин, зокрема мембранних білків.

Мембрани органоїдів

Мембранну будову має більшість органоїдів.

З однієї мембрани збудовано стінки:

• комплексу Гольджі;
• вакуолей;
• лізосом.

Пластиди та мітохондрії побудовані з двох шарів мембран. Їхня зовнішня мембрана гладка, а внутрішня утворює безліч складок.

Особливостями фотосинтетичних мембран хлоропластів є вбудовані молекули хлорофілу.

Тварини клітини мають поверхні зовнішньої мембрани вуглеводний шар, званий гликокаликсом.

Мал. 3. Глікокалікс.

Найбільш розвинений глікоколікс у клітинах кишкового епітелію, де він створює умови для травлення та захищає плазмолемму.

Таблиця «Будова клітинна мембрана»

Що ми дізналися?

Ми розглянули будову та функції клітинної мембрани. Мембрана є селективним (виборчим) бар'єром клітини, ядра та органоїдів. Будова клітинної мембрани описується рідинно-мозаїчною моделлю. Згідно з цією моделлю, в подвійний шар ліпідів в'язкої консистенції вбудовані білкові молекули.

Тест на тему

Оцінка доповіді

Середня оцінка: 4.5. Усього отримано оцінок: 270.

Клітинна мембрана- це оболонка клітини, що виконує такі функції: поділ вмісту клітини та зовнішнього середовища, вибірковий транспорт речовин (обмін із зовнішнім для клітини середовищем), місце протікання деяких біохімічних реакцій, об'єднання клітин у тканини та рецепція.

Клітинні мембрани поділяють на плазматичні (внутрішньоклітинні) та зовнішні. Основна властивість будь-якої мембрани – напівпроникність, тобто здатність пропускати лише певні речовини. Це дозволяє здійснювати вибірковий обмін між клітиною та зовнішнім середовищем або обмін між компартментами клітини.

Плазматичні мембрани – це ліпопротеїнові структури. Ліпіди спонтанно утворюють бислой (подвійний шар), а мембранні білки «плавають» у ньому. У мембранах є кілька тисяч різних білків: структурні, переносники, ферменти та ін. Між білковими молекулами є пори, крізь які проходять гідрофільні речовини (безпосередньому їх проникненню в клітину заважає ліпідний бішар). До деяких молекул на поверхні мембрани приєднані глікозильні групи (моносахариди та полісахариди), які беруть участь у процесі розпізнавання клітин при утворенні тканин.

Мембрани відрізняються своєю товщиною, зазвичай вона становить від 5 до 10 нм. Товщина визначається розмірами молекули амфіфільного ліпіду та становить 5,3 нм. Подальше збільшення товщини мембрани обумовлено розмірами мембранних білкових комплексів. Залежно від зовнішніх умов (регулятором є холестерол) структура бислоя може змінюватися отже він стає щільнішим чи рідким - від цього залежить швидкість переміщення речовин уздовж мембран.

До клітинних мембран відносять: плазмолему, каріолему, мембрани ендоплазматичної мережі, апарату Гольджі, лізосом, пероксисом, мітохондрій, включень тощо.

Ліпіди не розчиняються у воді (гідрофобність), але добре розчиняються в органічних розчинниках та жирах (ліпофільність). Склад ліпідів у різних мембранах неоднаковий. Наприклад, плазматична мембрана містить багато холестерину. З ліпідів у мембрані найчастіше зустрічаються фосфоліпіди (гліцерофосфатиди), сфінгомієліни (сфінголіпіди), гліколіпіди та холестерин.

Фосфоліпіди, сфінгомієліни, гліколіпіди складаються з двох функціонально різних частин: гідрофобної неполярної, яка не несе зарядів – «хвости», що складаються з жирних кислот, та гідрофільної, що містить заряджені полярні «головки» – спиртові групи (наприклад, гліцерин).

Гідрофобна частина молекули зазвичай складається із двох жирних кислот. Одна з кислот гранична, а друга ненасичена. Це визначає здатність ліпідів спонтанно утворювати двошарові (біліпідні) мембранні структури. Ліпіди мембран виконують такі функції: бар'єрну, транспортну, мікрооточення білків, електричний опір мембрани.

Мембрани відрізняються одна від одної набором білкових молекул. Багато мембранних білків складаються з ділянок, багатих на полярні (несучі заряд) амінокислоти, і ділянок з неполярними амінокислотами (гліцином, аланіном, валіном, лейцином). Такі білки в ліпідних шарах мембран розташовуються так, що їх неполярні ділянки занурені в «жирну» частину мембрани, де знаходяться гідрофобні ділянки ліпідів. Полярна (гідрофільна) частина цих білків взаємодіє з головками ліпідів і звернена у бік водної фази.

Біологічні мембрани мають спільні властивості:

мембрани - замкнуті системи, які не дозволяють вмісту клітини та її компартментів змішуватись. Порушення цілісності мембрани може призвести до загибелі клітин;

поверхнева (площинна, латеральна) рухливість. У мембранах йде безперервне переміщення речовин поверхнею;

асиметрія мембрани Будова зовнішнього та поверхневого шарів хімічно, структурно та функціонально неоднорідна.

Мембрани біологічні.
Термін "мембрана" (лат. membrana - шкірка, плівка) почали використовувати більше 100 років тому для позначення клітинного кордону, що служить, з одного боку, бар'єром між вмістом клітини та зовнішнім середовищем, а з іншого - напівпроникною перегородкою, через яку можуть проходити вода та деякі речовини. Однак цим функції мембрани не вичерпуються,оскільки біологічні мембрани становлять основу структурної організації клітини.
Будова мембрани. Відповідно до цієї моделі основної мембрани є ліпідний бислой, в якому гідрофобні хвости молекул звернені всередину, а гідрофільні головки назовні. Ліпіди представлені фосфоліпідпмі - похідними гліцерину або сфінгозину. З ліпідним шаром пов'язані білки. Інтегральні (транмембрані) білки пронизують мембрану наскрізь і міцно з нею пов'язані; переферичні не пронизують та пов'язані з мембраною менш міцно. Функції мембранних білків: підтримка структури мембран, отримання та перетворення сигналів з окр. середовища, транспорт деяких речовин, каталіз реакцій, що відбуваються на мембранах Товщина мембрани становить від 6 до 10 нм.

Властивості мембрани:
1. Плинність. Мембрана не є жорсткою структурою- більша частина білків і ліпідів, що входять до її складу, може переміщатися в площині мембран.
2. Асиметрія. Склад зовнішнього та внутрішнього шарів як білків, так і ліпідів різний. Крім того, плазматичні мембрани тварин клітин зовні мають шар глікопротеїнів (глікоколікс, що виконує сигнальну та рецепторні функції, а також має значення для об'єднання клітин у тканини)
3. Полярність. Зовнішня сторона мембрани несе позитивний заряд, а внутрішня негативний.
4. Виборча проникність. Мембрани живих клітин пропускають, крім води, лише певні молекули та іони розчинених речовин. іони розчинених речовин.)

Зовнішня клітинна мембрана (плазмалема) – ультрамікроскопічна плівка товщиною 7.5нм, що складається з білків, фосфоліпідів та води. Еластична плівка, що добре змочується водою і цілісність, що швидко відновлюється після пошкодження. Має універсальну будову, типову для всіх біологічних мембран. Прикордонне положення цієї мембрани, її участь у процесах виборчої проникності, піноцитоз, фагоцитоз, виведення продуктів виділення та синтез, у взаємозв'язку з сусідніми клітинами та захист клітин від пошкоджень робить її роль виключно важливою. Тварини зовні від мембрани іноді бувають покриті тонким шаром, що складається з полісахаридів і білків, - глікокаліксом. У рослинних клітин зовні від клітинної мембрани знаходиться міцна, що створює зовнішню опору та підтримує форму клітини клітинна стінка. Вона складається з клітковини (целюлози)-нерозчинного у воді полісахариду.

Клітинна мембрана

Зображення клітинної мембрани. Маленькі блакитні та білі кульки відповідають гідрофобним «головкам» фосфоліпідів, а приєднані до них лінії – гідрофільним «хвостам». На малюнку показані лише інтегральні мембранні білки (червоні глобули та жовті спіралі). Жовті овальні точки всередині мембрани - молекули холестеролу Жовто-зелені ланцюжки бусинок на зовнішній стороні мембрани - ланцюжки олігосахаридів

Біологічна мембрана включає і різні білки: інтегральні (пронизують мембрану наскрізь), напівінтегральні (занурені одним кінцем у зовнішній або внутрішній ліпідний шар), поверхневі (розташовані на зовнішній або прилеглі до внутрішньої сторони мембрани). Деякі білки є точками контакту клітинної мембрани з цитоскелетом усередині клітини і клітинною стінкою (якщо вона є) зовні. Деякі з інтегральних білків виконують функцію іонних каналів, різних транспортерів та рецепторів.

Функції

• бар'єрна - забезпечує регульований, вибірковий, пасивний та активний обмін речовин із навколишнім середовищем. Наприклад, мембрана пероксисом захищає цитоплазму від небезпечних для клітин пероксидів. Виборча проникність означає, що проникність мембрани для різних атомів або молекул залежить від їх розмірів, електричного заряду та хімічних властивостей. Виборча проникність забезпечує відокремлення клітини та клітинних компартментів від навколишнього середовища та постачання їх необхідними речовинами.
• транспортна - через мембрану відбувається транспорт речовин у клітину та з клітини. Транспорт через мембрани забезпечує: доставку поживних речовин, видалення кінцевих продуктів обміну, секрецію різних речовин, створення іонних градієнтів, підтримання у клітині оптимального та концентрації іонів, які потрібні для роботи клітинних ферментів.
  Частки, з якоїсь причини нездатні перетнути фосфоліпідний бішар (наприклад, через гідрофільні властивості, оскільки мембрана всередині гідрофобна і не пропускає гідрофільні речовини, або через великі розміри), але необхідні для клітини, можуть проникнути крізь мембрану через спеціальні білки-переносники (транспортери) та білки-канали або шляхом ендоцитозу.
  При пасивному транспорті речовини перетинають ліпідний бислой без витрат енергії градієнтом концентрації шляхом дифузії. Варіантом цього механізму є полегшена дифузія, при якій речовині допомагає пройти через мембрану будь-яка специфічна молекула. Ця молекула може мати канал, що пропускає речовини тільки одного типу.
  Активний транспорт потребує витрат енергії, оскільки відбувається проти градієнта концентрації. На мембрані існують спеціальні білки-насоси, у тому числі АТФаза, яка активно вкачує в клітину іони калію (K+) та викачують з неї іони натрію (Na+).
• матрична - забезпечує певне взаєморозташування та орієнтацію мембранних білків, їх оптимальну взаємодію.
• механічна - забезпечує автономність клітини, її внутрішньоклітинних структур, а також з'єднання з іншими клітинами (у тканинах). Велику роль у забезпечення механічної функції мають клітинні стінки, а у тварин – міжклітинна речовина.
• енергетична - при фотосинтезі в хлоропластах та клітинному диханні у мітохондріях у їх мембранах діють системи перенесення енергії, у яких також беруть участь білки;
• рецепторна – деякі білки, що знаходяться в мембрані, є рецепторами (молекулами, за допомогою яких клітина сприймає ті чи інші сигнали).
  Наприклад, гормони, що циркулюють у крові, діють тільки на такі клітини-мішені, які мають відповідні цим гормонам рецептори. Нейромедіатори (хімічні речовини, що забезпечують проведення нервових імпульсів) також зв'язуються з особливими білками рецепторів клітин-мішеней.
• ферментативно-мембранні білки нерідко є ферментами. Наприклад, плазматичні мембрани епітеліальних клітин кишківника містять травні ферменти.
• здійснення генерації та проведення біопотенціалів.
  За допомогою мембрани в клітині підтримується постійна концентрація іонів: концентрація іону К+ усередині клітини значно вища, ніж зовні, а концентрація Na+ значно нижча, що дуже важливо, оскільки це забезпечує підтримку різниці потенціалів на мембрані та генерацію нервового імпульсу.
• маркування клітини – на мембрані є антигени, що діють як маркери – «ярлики», що дозволяють пізнати клітину. Це глікопротеїни (тобто білки з приєднаними до них розгалуженими олігосахаридними бічними ланцюгами), що відіграють роль «антен». Через незліченну безліч конфігурації бічних ланцюгів можна створити для кожного типу клітин свій спеціальний маркер. За допомогою маркерів клітини можуть розпізнавати інші клітини і діяти відповідно до них, наприклад, при формуванні органів і тканин. Це дозволяє імунній системі розпізнавати чужорідні антигени.

Структура та склад біомембран

Мембрани складаються з ліпідів трьох класів: фосфоліпіди, гліколіпіди та холестерол. Фосфоліпіди та гліколіпіди (ліпіди з приєднаними до них вуглеводами) складаються з двох довгих гідрофобних вуглеводневих «хвостів», які пов'язані із зарядженою гідрофільною «головою». Холестерол надає мембрані жорсткості, займаючи вільний простір між гідрофобними хвостами ліпідів і не дозволяючи їм згинатися. Тому мембрани з малим вмістом холестеролу гнучкіші, а з більшим - жорсткіші і тендітніші. Також холестерол служить «стопором», що перешкоджає переміщенню полярних молекул з клітини та клітину. Важливу частину мембрани становлять білки, що пронизують її та відповідають за різноманітні властивості мембран. Їх склад та орієнтація у різних мембранах різняться.

Клітинні мембрани часто асиметричні, тобто шари відрізняються за складом ліпідів, перехід окремої молекули з одного шару до іншого (так званий фліп-флоп) Утруднений.

Мембранні органели

Це замкнені одиночні або пов'язані одна з одною ділянки цитоплазми, відокремлені від гіалоплазми мембранами. До одномембранних органелів належать ендоплазматична мережа, апарат Гольджі, лізосоми, вакуолі, пероксисоми; до двомембранних - ядро, мітохондрії, пластиди. Будова мембран різних органел відрізняється за складом ліпідів та мембранних білків.

Виборча проникність

Клітинні мембрани мають вибіркову проникність: через них повільно дифундують глюкоза, амінокислоти, жирні кислоти, гліцерол та іони, причому самі мембрани певною мірою активно регулюють цей процес - одні речовини пропускають, а інші ні. Існує чотири основні механізми для надходження речовин у клітину або виведення їх з клітини назовні: дифузія, осмос, активний транспорт та екзо-або ендоцитоз. Два перші процеси носять пасивний характер, тобто не вимагають витрат енергії; два останні - активні процеси, пов'язані із споживанням енергії.

Виборча проникність мембрани під час пасивного транспорту обумовлена ​​спеціальними каналами - інтегральними білками. Вони пронизують мембрану наскрізь, утворюючи своєрідний прохід. Для елементів K, Na та Cl є свої канали. Щодо градієнта концентрації молекули цих елементів рухаються в клітину та з неї. При подразненні канали іонів натрієвих розкриваються, і відбувається різке надходження в клітину іонів натрію. У цьому відбувається дисбаланс мембранного потенціалу. Після цього мембранний потенціал відновлюється. Канали калію завжди відкриті, через них у клітину повільно потрапляють іони калію.

Див. також

Література

• Антонов В. Ф., Смирнова О. М., Шевченко О. В.Ліпідні мембрани під час фазових переходів. – М.: Наука, 1994.
• Генніс Р.Біомембрани. Молекулярна структура та функції: переклад з англ. = Біомеmbranes. Molecular structure and function (Роберт Б. Gennis). – 1-е видання. – М.: Світ, 1997. – ISBN 5-03-002419-0
• Іванов Ст Р., Берестовський Т. М.Ліпідний бислой біологічних мембран. – М.: Наука, 1982.
• Рубін А. Б.Біофізика, підручник у 2 тт. - 3-тє видання, виправлене та доповнене. – М.: видавництво Московського університету, 2004. –

Клітинна мембрана - це площинна структура, з якої побудовано клітину. Вона є у всіх організмів. Її унікальні властивості забезпечують життєдіяльність клітин.

Види мембран

Можна виділити три види клітинних мембран:

• зовнішня;
• ядерна;
• мембрани органоїдів

Зовнішня цитоплазматична мембрана створює межі клітини. Її не треба плутати з клітинною стінкою або оболонкою, що є у рослин, грибів та бактерій.

Відмінність клітинної стінки від клітинної мембрани значно більшої товщині і переважання захисної функції над обмінної. Мембрана знаходиться під клітинною стінкою.

Ядерна мембрана відокремлює від цитоплазми вміст ядра.

ТОП-4 статтіякі читають разом з цією

Серед органоїдів клітини є такі, форма яких утворена однією або двома мембранами:

• мітохондрії;
• пластиди;
• вакуолі;
• комплекс Гольджі;
• лізосоми;
• Ендоплазматична мережа (ЕПС).

Будова мембрани

За сучасними уявленнями структура клітинної мембрани описується за допомогою рідинно-мозаїчної моделі. Основу мембрани становить біліпідний шар - два рівні молекул ліпідів, що утворюють площину. По обидва боки на біліпідному шарі розташовані молекули білків. Деякі білки занурені у біліпідний шар, деякі проходять через нього.

Мал. 1. Клітинна мембрана.

Тварини клітини лежить на поверхні мембрани мають комплекс вуглеводів. Під час вивчення клітини під мікроскопом зазначено, що мембрана перебуває у постійному русі і неоднорідна за будовою.

Мембрана є мозаїкою і в морфологічному, і в функціональному сенсі, тому що її різні ділянки містять різні речовини та мають різні фізіологічні властивості.

Властивості та функції

Будь-яка прикордонна структура здійснює захисні та обмінні функції. Це стосується всіх видів мембран.

Здійсненню даних функцій сприяють такі властивості, як:

• пластичність;
• висока здатність до відновлення;
• напівпроникність.

Властивість напівпроникності полягає в тому, що одні речовини не пропускаються мембраною, інші пропускаються вільно. Так здійснюється контролююча функція мембрани.

Також зовнішня мембрана забезпечує зв'язок між клітинами за рахунок численних виростів та виділення клеючої речовини, що заповнює міжклітинний простір.

Транспорт речовин через мембрану

Надходження речовин через зовнішню мембрану йде такими шляхами:

• через пори за допомогою ферментів;
• через мембрану безпосередньо;
• піноцитоз;
• фагоцитоз.

Першими двома способами транспортуються іони та дрібні молекули. Великі молекули надходять у клітину шляхом піноцитозу (у рідкому стані) та фагоцитозу (у твердому вигляді).

Мал. 2. Схема піно-і фагоцитозу.

Мембрана охоплює харчову частинку і замикає їх у травну вакуоль.

Вода та іони проходять у клітину без витрат енергії, пасивним транспортом. Великі молекули переміщуються активним транспортом із витратою енергетичних ресурсів.

Внутрішньоклітинний транспорт

Від 30% до 50% об'єму клітини займає ендоплазматична мережа. Це своєрідна система порожнин і каналів, що пов'язує всі частини клітини та забезпечує впорядковане внутрішньоклітинне транспортування речовин.

Оцінка доповіді

Середня оцінка: 4.7. Усього отримано оцінок: 190.