Клітинні мембрани. Транспорт речовин через плазмалему

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство охорони здоров'я України

Національний медичний університет імені О.О. Богомольця

Кафедра біології

Реферат з дисципліни: «Біологія з основами генетики»

На тему: «Клітинні мембрани. Транспорт речовин через плазмалему»

Виконала:

Студентка фармацевтичного

факультету (заочна форма навчання)

група 1Б, 1 курс

Бондаренко Катерина Олександрівна

Київ 2016



Зміст

1. Клітинна мембрана, її структура та функції

1.1 Хімічний склад клітинної мембрани

1.2 Структура клітинної мембрани

1.3 Функції клітинної мембрани

2. Рецептори клітин

2.1 Електрогенні рецептори

2.2 Ядерні рецептори

3. Транспорт речовин через плазмалему

3.1 Транспорт невеликих молекул. Пасивний та активний транспорт

3.2 Транспорт решти великих молекул. Ендо- та екзоцитоз

Висновок

Список використаної літератури



1. Клітинна мембрана, її структура та функції

Усі клітини еукаріотів сформовані системою мембран (від лат. мембрана - шкірка, плівка), які забезпечують їхнє нормальне функціонування.

Клітинна мембрана, також плазмалема, плазматична або цитоплазматична мембрана - зовнішня оболонка живої клітини, яка відокремлює цитоплазму клітини від навколишнього середовища. Складається з двох шарів (бішару) ліпідів, а також містить білки і вуглеводи (мал. 1).

Малюнок 1. Схема будови клітинної мембрани тваринної клітини

Клітинна мембрана є напівпроникним бар'єром, що вибірково пропускає молекули всередину клітини та з неї назовні. Структури мембрани підтримують сталий вміст води, іонів, речовин всередині клітини. Плазмалема часто містить додаткові утворення для руху, захисту, живлення, взаємодії з іншими клітинами. плазмема фосфоліпід клітинний

1.1 Хімічний склад клітинної мембрани

Основу клітинної мембрани складають фосфоліпіди (мал. 2) - це сфінгомієліни (у нервовій тканині), фосфатидиламіни, фосфогліцериди, фосфоінозитиди.

Малюнок 2. Схема фосфоліпіду

Мембрана тваринної клітини містить похідні холестеролу. Фосфоліпіди орієнтовані гідрофільними голівками назовні мембрани, а гідрофобними хвостами - до середини. Ліпіди розташовані у мембрані нерівномірно, зовнішній та внутрішній шар розрізняються за складом, що має значення при багатьох клітинних процесах, зокрема апоптозі (запрограмованій клітинній смерті, як, наприклад, буває при онкозахворюваннях).

Також відрізняються спеціальні утворення - ліпідні рафти, більш структуровані й упаковані плотніше, ніж оточуючий їх ліпідний бішар, але при цьому здатні вільно в ньому пересуватися (мал. 3).

Малюнок 3. Схема будови ліпідного рафта: 1 -- мембрана поза рафтом; 2 -- ліпідний рафт; 3 -- трансмембранний білок, асоційований з рафтом; 4 -- нерафтовий мембранний білок; 5 -- модификації гліколіпідів або глікопротеїдів шляхом гліколізування; 6 -- GPI-заякіренний білок; 7 -- холестерол; 8 -- гліколіпід

Білки мембрани можуть пронизувати її наскрізь, знаходитися на позаклітинній поверхні або кріпитися на цитоплазматичному боці (див. малюнок 1). Трансмембранні домени білків гідрофобні, часто утворюють альфа-спіралі. Серед мембранних білків багато рецепторів, іонних каналів, іонних насосів, білків клітинної адгезії, транспортних білків (про які мова буде іти дещо згодом).

Позаклітинні ділянки білків і деяких фосфоліпідів вкриті залишками вуглеводів. Це шестивуглецеві цукри, нейрамінова кислота тощо.

1.2 Структура клітинної мембрани

Структура клітинної мембрани найкраще представлена «рідкомозаїчною моделлю» (мал. 4). Ця модель, запропонована 1972 року Д. Сінгером та Г. Ніколсоном й відома також як модель Сінгера-Ніколсона, припускає, що клітинна мембрана складається з подвійного ліпідного шару, в який занурені молекули протеїнів, що забезпечують виконання значної частини типових функцій мембрани.

Малюнок 4. Схема рідкомозаїчної моделі Сінгера-Ніколсона: 1 - вуглеводні фрагменти глікопротеїдів; 2 - ліпідний бішар; 3 - інтегральний білок; 4 - «голівки» фосфоліпідів; 5 - периферичний білок; 6 - холестерол; 7 - жирнокислотні «хвости» фосфоліпідів

Внаслідок рідиноподібності ліпідів, що утворюють мембрану, занурені в ліпідний шар протеїни є досить рухливими. Початкову модель, що передбачала випадковий розподіл протеїнів та їхнє вільне переміщення, згодом було переглянуто (Сімон та Іконен, 1997) на користь моделі мембрани, всередині подвійного ліпідного шару якої є менш рідкі ділянки, що містять сфінголіпіди та холестерол і беруть участь в утворенні міжклітинних сигналів для накопичення специфічних протеїнів. Крім того, рухливість протеїнів може бути обмежена протеїн-протеїновими чи протеїн-ліпідними зв'язками або взаємодією протеїнів із цитоскелетом, міжклітинним матриксом чи суміжними клітинами.

1.3 Функції клітинної мембрани

Усі клітинні мембрани є рухливими текучими структурами, оскільки молекули ліпідів і білків не пов'язані між собою ковалентними зв'язками і здатні досить швидко переміщатися в площини мембрани. Завдяки цьому мембрани можуть змінювати свою конфігурацію, тобто мають плинність.

Мембрани - структури дуже динамічні. Вони швидко відновлюються після ушкодження, а також розтягуються і стискаються при клітинних рухах.

Плазматична мембрана дозволяє потрапляти до клітини певним молекулам та іонам, наприклад, глюкозі, амінокислотам і ліпідам. Це напіврідкий шар молекул, зокрема протеїнів і фосфоліпідів, деякі з яких постійно рухаються, надаючи мембрані рухливості. Завдяки тому, що клітинна мембрана вибірково проникна до певних речовин, таких як іони, та може регулювати свою проникність завдяки роботі різних рецепторів та іонних каналів, клітинна мембрана має різницю заряду між внутрішньою та зовнішньою сторонами. Створюється мембранний потенціал спокою (різниця потенціалів між зовнішньою та внутрішньою сторонами мембрани в умовах, коли клітина не збуджена) (мал. 5), що відмінний від нуля у всіх живих клітинах. Зміна мембранного потенціалу є основою функціонування нервових та інших збудливих клітин.

Малюнок 5. Схема формування мембранного потенціалу спокою

Отже, цитоплазматична мембрана виконує наступні функції:

Захисна. Мембрана обмежує цитоплазму від міжклітинного простору, а більшість клітинних органоїдів - від цитоплазми. Захищає від проникнення сторонніх речовин, підтримує гомеостаз клітини.

Формування гідрофобної зони. Гідрофобна зона є основним бар'єром, що запобігає проникненню більшості речовин. Ряд найважливих метаболічних процесів перебігає тільки в неполярному середовищі.

Транспортна. Перенесення речовин через біомембрани. Мембрана забезпечує вибіркове переміщення молекул та іонів, створює трансмембранну різницю електричного потенціалу.

Основні типи перенесення речовин:

1) пасивний (осмос, проста дифузія, полегшена дифузія);

2) активне переміщення речовин проти градієнта концентрацій;

3) ендо- й екзоцитоз.

Утворення органел. Мембранні органели забезпечують одночасний перебіг багатьох різноспрямованих метаболічних процесів.

Утворення міжклітинних контактів. Біомембрани можуть створювати такі види контактів:

1) простий контакт (зближення мембран клітин на відстань 15-20 нм);

2) щільний замикаючий контакт, непроникний для макромолекул та іонів (злиття ділянок плазмолеми сусідніх клітин);

3) десмосоми (ділянки ущільнення між клітинами, що утворюють механічні зв'язки);

4) щілинний контакт;

5) синаптичний контакт (нервові клітини). Контакти важливі для взаємодії клітин і утворення тканин

Компартментація клітини. Система внутрішніх мембран розділяє вміст клітини на відсіки (компартменти) за допомогою бішару ліпідів. У них зосереджені визначені молекули, необхідні для виконання певних функцій.

Отже, компартментація - це просторове розмежування клітини внутрішніми мембранами на відсіки, що дозволяє здійснювати перебіг багатьох біохімічних реакцій (часто протилежно спрямованих) одночасно і незалежно одна від одної. Усі мембранні органели є внутрішньоклітинними компартментами, яких в еукаріотичній клітині близько половини від загального об'єму.

Внутрішні мембрани еукаріотичної клітини роблять можливою функціональну спеціалізацію різних частин клітини, що є вирішальним фактором у роз'єднанні безлічі процесів, що одночасно проходять у клітині.

Виділяють наступні клітинні компартменти:

· ядро (внутрішня складова ядра)

· простір цистерн ендоплазматичної сітки.

· апарат Гольджі

· лізосоми

· мітохондрії (розподілені на два компартменти -- матрикс та міжмембраний прострір)

· хлоропласти (у вищих рослин розподілені на три компартменти -- міжмембранний простір, строму та внутршню порожнину тилакоїдів)

· цитозоль

Ядро містить основну частину спадкового матеріалу і є головним місцем синтезу ДНК і РНК. Цитоплазма, що оточує ядро, складається з цитозолю та розташованих у ньому цитоплазматичних органел. Об'єм цитозолю становить більше половини від загального об'єму клітини. Саме в ньому синтезуються білки і перебігає більшість метаболічних реакцій, в яких одні молекули руйнуються, а інші утворюються, забезпечують необхідні будівельні блоки. Близько половини всіх мембран клітини обмежують схожі на лабіринт порожнини ендоплазматичного ретикулуму (ЕПР). На зверненому до цитозолю боці ЕПР знаходиться багато рибосом. Рибосоми беруть участь у синтезі різних білків, призначених для секреції або для інших органел. В ЕПР також синтезуються ліпіди для клітини. Вважається, що всі цистерни зернистого і гладенького ЕПР зв'язані між собою й утворюють єдиний великий компартмент. Комплекс Гольджі складається з розміщених один над одним сплощених мембранних мішечків, що називаються цистернами Гольджі; він одержує з ЕПР білки, ліпіди і відправляє ці молекули в різні ділянки клітини, піддаючи їх модифікаціям. Мітохондрії і хлоропласти рослинних клітин виробляють велику частину АТФ, що використовується для всіх видів роботи клітини. Лізосоми містять ферменти, що руйнують органели, а також частки і молекули, поглинені клітиною ззовні шляхом ендоцитозу. Нарешті, пероксисоми беруть участь у процесах нейтралізації пероксиду водню та інших токсичних метаболітів.

Рецепторна. Наявність у мембрані різноманітних рецепторів, що сприймають хімічні сигнали від гормонів, медіаторів та інших біологічно активних речовин, зумовлює здатність змінювати метаболічну активність клітини.



2. Рецептори клітин

Мембранні рецептори -- це білкові молекули (білки) або глікопротеїди, що містяться на поверхні клітини (ззовні або всередині клітинної мембрани) та специфічно реагують зміною своєї просторової конфігурації на приєднання до них молекули хімічної сполуки (гормону або нейромедіатора), тобто на гормональний сигнал, що проходить до середини клітини за допомогою вторинних посередників або трансмембранних іонних каналів або, як їх ще називають, месенджерів (на відміну від первинних посередників -- позаклітинних).

Хімічна речовина, що специфічно з'єднується з рецептором, називається лігандом цього рецептора. У відповідь на приєднання ліганду чи фізичний стимул багато мембранних рецепторів ініціюють синтез або деградацію внутрішньоклітинних малих молекул, що зв'язуються із цитоплазматичними рецепторами.

Таким чином, зміна конформації молекули-рецептора призводить до запуску каскадів молекулярних подій. Білок-рецептор активується і починає виконувати функцію сам або ж активує інші молекули, які передають сигнал до кінцевого ефектора. Цим ефектором може бути інший білок, який починає виконувати нову функцію, або геном клітини, який змінює свою активність і впливає на роботу ансамблів білків. Чим далі від рецептора знаходиться ефектор, тим довший молекулярний каскад може бути задіяний.

Вторинні посередники найчастіше здійснюють функцію через активацію протеїнкіназ та фосфатаз, які через механізм фосфорилювання білків змінюють їх активність.

Фосфорилювання -- процес приєднання фосфатної групи (PO₄) до якого-небудь субстрату. У живих клітинах фосфорилювання надзвичайно важливе для протікання цілого ряду процесів.

Зокрема фосфорилювання або дефосфорилювання білка часто регулює його функціональну активність (активує або деактивує його). Ферменти, якими здійснюються ці процеси, називаються кіназами (або фосфотрансферазами та фосфатазами відповідно).

Основним класом мембранних білків є рецептори, зв'язані з G-білками. G-білки активують або пригнічують роботу кіназ.

Також вторинним посередником можуть виступати іони кальцію, що входять через кальцієві канали плазматичної мембрани або через І3Ф-активовані кальцієві канали ендоплазматичної сітки та активують, наприклад, білки м'язового скорочення.

2.1 Електрогенні рецептори

Значна кількість рецепторів, особливо у постсинаптичних мембранах нервових і м'язових клітин, при з'єднанні з лігандом відкриває або закриває «ворота» каналу для проходження іонного струму. Струм може викликати деполяризацію мембрани, збуджуючи клітину, або гіперполяризацію для процесів гальмування, а кальцій, що входить через такі рецепторні канали, може виступати як вторинний посередник.

2.2 Ядерні рецептори

Цитоплазматичні та ядерні рецептори після утворення комплексу ліганд-рецептор мігрують до хроматину ядра, де виконують роль факторів транскрипції.



3. Транспорт речовин через плазмалему

Ліпідний бішар практично непроникний для більшості полярних водорозчинних молекул, оскільки внутрішня частина його гідрофобна. Завдяки такому бар'єру запобігається втрата водорозчинного вмісту клітини. Різні речовини мають неоднакову здатність проникати через цей бар'єр.

Великі макромолекули (білки, жири) та їх агрегати не можуть проникати крізь мембрану. Для перенесення існує "макромеханізм" - захоплення клітиною і доставка в певному напрямку (ендоцитоз і екзоцитоз). Невеликі молекули переносяться за допомогою спеціальних молекулярних механізмів через мембрану: шляхом пасивного й активного транспорту.

3.1 Транспорт невеликих молекул. Пасивний та активний транспорт

Є два типи транспорту молекул через мембрану: пасивний і активний.

Пасивний транспорт - переміщення невеликих полярних (СО₂, Н₂О) і неполярних (О₂, N) молекул за градієнтом концентрації або електрохімічним градієнтом без витрати енергії. Пасивний транспорт забезпечується за участю рухомих мембранних білків-переносників, зміною просторової структури білків, які перетинають мембрану, та через канали у мембрані (мал. 6.)

Малюнок 6. Схема пасивного транспорту

Існують різні форми пасивного транспорту:

1. Дифузія - процес, за якого речовини проникають крізь певні ділянки і пори мембран унаслідок їхньої різної концентрації по обидва її боки (Мал. 7). Цей процес відбувається без витрат енергії у результаті хаотичного теплового руху молекул.

Малюнок 7. Схема транспорту через мембрану за допомогою дифузії.

2. Полегшена дифузія, за участю компонентів мембрани (канали і переносники) переважно в одному напрямку (у клітину) за градієнтом концентрації без витрат енергії, характеризується вибірковістю до речовин.

3. Осмос - процес дифузії розчинника (Н₂О) через напівпроникну мембрану за концентраційним градієнтом із високої концентрації розчинника у бік з низькою концентрацією.

Клітина має два класи мембранних транспортних білків, що формують наскрізні шляхи через гідрофобний шар: численні білки-переносники й іонні канали.

Білки-переносники - це складні глобулярні білки, що мають спорідненість до певних молекул, забезпечують їх перенесення через мембрану.

Іонні канали - складаються із кількох зв'язаних мж собою білкових субодиниць, що формують у мембрані велику пору. Через неї за електрохімічним градієнтом проходять іони.

Активний транспорт - перенесення молекул через мембрану за допомогою спеціальних білків проти концентраційного або електрохімічного градієнта з використанням енергії АТФ. Білки-переносники є одночасно ферментами і називаються АТФ-азами.

Механізм активного транспорту найкраще вивчений для натрій-калієвого насоса (Na + /K +-нaсоса) - транспортного процесу, який викачує іони натрію через мембрану клітини назовні і в той же час закачує в клітку іони калію. Цей насос відповідає за підтримання різної концентрації іонів натрію і калію по обидві сторони мембрани, а також за наявність негативного електричного потенціалу всередині клітин.

Розглянемо роботу насоса. Коли 2 іони калію зв'язуються з білком-переносником зовні і 3 іони натрію зв'язуються з ним всередині, активується АТФ-азная функція білка. Це веде до розщеплення 1 молекули АТФ до АДФ з виділенням енергії високоенергетичної фосфатної зв'язку. Вважають, що ця звільнена енергія викликає хімічне і конформационное зміна молекули білка-переносника, в результаті 3 іони натрію переміщаються назовні, а 2 іони калію - всередину клітини (мал. 8).

Малюнок 8. Схема активного транспорту

3.2 Транспорт решти великих молекул. Ендо- та екзоцитоз

Ендоцитоз - складний активний процес поглинання клітиною великих молекул, часток, мікроорганізмів. Різновиди: піноцитоз, фагоцитоз, опосередкований рецепторами ендоцитоз.

Піноцитоз - поглинання рідини та розчинених речовин з утворенням специфічних мембранних пухирців.

Фагоцитоз - поглинання твердих часток (мікроорганізмів, часток клітин). При цьому утворюються великі щільні ендоцитозні пухирці - фагосоми, які зливаються з лізосомами і формують фаголізосоми. (мал..9).

Малюнок 9. Фагоцитоз

Опосередкований рецепторами ендоцитоз характеризується поглинанням із позаклітинної рідини певних макромолекул.

Екзоцитоз - процес виведення макромолекул, при якому внутрішньоклітинні секреторні пухирці зливаються з плазмолемою і їх вміст виводиться з клітини.

При ендоцитозі ділянка плазматичної мембрани втягується і замикається. Утворюється ендоцитозний пухирець, що містить поглинений матеріал. При екзоцитозі мембрана секреторних пухирців зливається з плазматичною мембраною і вміст вивільняється в позаклітинний простір.



Висновок

Отже, клітинні мембрани відіграють важливу роль із кількох причин:

· по-перше, плазматична мембрана відмежовує внутрішній вміст клітини від навколишнього середовища й забезпечує рецепторну функцію -- тобто, сприйняття хімічних та деяких фізичних подразнень; через плазматичну мембрану до клітини надходять необхідні речовини і видаляються продукти метаболізму;

· по-друге, внутрішні мембрани клітини поділяють її на окремі відсіки -- компартменти, кожен із яких призначено для певних метаболічних шляхів, а деякі хімічні реакції можуть відбуватися тільки на самих мембранах.



Список використаної літератури

1. «Molecular Biology of the Cell» (видання 4) (англ.) (див. «Молекулярна біологія клітини»). Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Garland, 2002. [C.1-2; C. 6-8]

2. «The molecular organization of cell membranes», «Progress in Biophysics and Molecular Biology». Finеan J. В. 1966 [C.1-2]

3. «Биология клетки», пер. с англ. Робертис Э., Новинский В., Саэс Ф. Москва, 1967 [C.1-2]

4. «Біологічні мембрани: методи дослідження структури та функцій.» Київський національний університет імені Тараса Шевченка. Л.І. Остапченко, І.В. Михайлик. [C.2-6]

5. «Введение в клеточную биологию». Ченцов Ю.С.-- Москва, 2004. [C.6-7]

6. «Вступ у клінічну фармакологію. Рецептори клітинних мембран», Доцент, канд. мед. наук, Шоріков Є.І. [C.6-8]

7. «Медична біологія.: Підручник для ВМНЗ ІІІ-IV р.а.» Пішак В. П., Бажора Ю. І. [C.8-12]

8. «Мембрана живой клетки; Структура и функция клетки», пер. с англ. Робертсон Дж. Москва, 1964 [C.1-2]

9. «Молекулярная биология клетки» - В 3-х т. Пер. с англ. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Д. Ж. и др. Москва: Мир, 1994. [C.6-8]

10. «Руководство по цитологии.» Москва-Ленинград, 1965 [C.1-2]

11. «Цитология и общая эмбриология». Під ред. Е.Ф. Барінова, Ю.Б. Чайковського. -- Київ, 2010 [C.6-7]

Размещено на Allbest.ru

...