Структурные и функциональные особенности клеточных мембран

Клетка ограничена от окружающей среды цитоплазматической мембраной. Основу мембраны составляют молекулы липидов, состоящие из головной гидрофильной части, к которой присоединены длинные гидрофобные углеводородные цепи. В воде такие липиды спонтанно формируют двухслойную пленку, в которой гидрофильные группы обращены к водной среде, а гидрофобные углеводородные цепи располагаются в два ряда, образуя безводный липидный слой. В липидный матрикс мембраны встроены молекулы белков. Одни белки закреплены в одном из слоев липидов, другие погружены в оба слоя липидов и выполняют транспортную функцию (рис. 1). Внутри транспортного белка имеется специфический мембранный ионный канал, через который избирательно движутся ионы. В натриевом канале - ионы натрия, в калиевом - ионы калия перемещаются в процессе диффузии по градиенту концентрации (из области с их высокой концентрацией в область с низкой концентрацией). Диффузия – пассивный вид транспорта веществ через клеточную мембрану, не требует затрат энергии (распада высокоэнергетических соединений, например АТФ).

Концентрация ионов калия, натрия, кальция, хлора отличается внутри клетки от внеклеточной среды: в цитоплазме в десятки раз больше калия, за пределами клетки в десятки раз больше натрия, кальция и хлора. Различие концентрации обеспечивается активным транспортом через клеточную мембрану. Мембранные белки могут переносить ионы через мембрану против градиента концентрации, используя энергию (в некоторых клетках на активный транспорт расходуется более половины потребляемой энергии).

В нервных и мышечных клетках наиболее важен Nа/К транспортный белок, который обеспечивает активный сопряженный транспорт (одновременно трех ионов натрия наружу и двух ионов калия внутрь клетки). Na/К белок является АТФазой, т.е. на внутренней поверхности мембраны расщепляет одну молекулу АТФ и использует выделяемую энергию на транспорт трех ионов натрия из клетки и двух ионов калия в клетку.

Суммарно за один цикл клетка теряет один положительный заряд, а за секунду до 600 ионов натрия (рис. 1). Таким образом, Na/К транспортный белок (Na/К насос или Nа/К АТФаза) обеспечивает поток положительных зарядов из клетки, является электрогенным (создает электрический ток через мембрану). В мембранах мышечных клеток функционирует кальциевый насос, обеспечивающий сокращение и расслабление мышцы.

Для транспорта ряда веществ каналы отсутствуют, эти вещества поступают в клетку или покидают ее с помощью эндо – или экзоцитоза, т.е. преодолевают клеточную мембрану в везикулах (пузырьках). Транспорт сахаров и аминокислот в клетку зависит от концентрации натрия (при высоком внутриклеточном содержании натрия транспорт сахаров прекращается).