Биологические мембраны (биомембраны)

Цитоплазма растительной клетки отделена от клеточной стенки плазматической мембраной - плазмалеммой. Подобные мембраны окружают и органеллы клетки. Пластиды, митохондрии, ядро окружены оболочкой, состоящей из двух мембран. ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоль окружены одной мембраной. К немембранным органеллам клетки относятся рибосомы.

Функции биомембран:

1. отделяют клеточное содержимое от внешней среды;

2. регулируют обмен веществ между клеткой и средой;

3. делят клетки на отсеки, предназначенные для тех или иных специализированных метаболических реакций;

4. некоторые химические реакции (световые реакции фотосинтеза в хлоропластах, синтез АТФ в митохондриях, синтез полисахаридов белковыми системами плазмалеммы) протекают на самих мембранах;

5. на мембранах располагаются рецепторные участки для распознавания внешних сигналов.

Средняя толщина биомембран около 5 - 10 нм. Основную массу химических веществ биомембран составляют белки и липиды.

Молекулы липидов состоят из полярной (гидрофильной) части – головы и неполярной (гидрофобной) части – двух хвостов.

Сегодня большинство ученых разделяют жидкостно-мозаичную модель строения мембран, предложенную в 1972 году Сингером и Николсоном (рис. 8).

Рис. 8. Схема строения биологической мембраны: 1 – периферический белок; 2 – белок, полупогруженный в липидный слой; 3 - белковая молекула, пронизывающая липидный бислой насквозь; 4 - гидрофильный канал (пора); 5 - полярная (гидрофильная) часть – голова молекулы липида; 6 - неполярная (гидрофобная) часть – два хвоста молекулы липида; 7 – липидный бислой; 8 - углеводная «антенна».

Согласно этой модели липиды образуют двойной слой (бислой). Глобулы белков могут располагаться в слоях липидов по-разному:

1. по периферии липидного бислоя (на наружной и внутренней поверхности мембраны), свободно плавают в липидном море (периферические белки);

2. ряд белков наполовину погружен в липидный слой;

3. отдельные белковые частицы пронзают бислой насквозь, содержат гидрофильный канал (пору) и, по-видимому, работают как ионные насосы.

Нередко белковая или липидная молекулы соединены с углеводной разветвленной цепью, направленной наружу. При этом образуется гликолипидный (углевод + липид) или гликопротеиновый (углевод + белок) комплекс. Это т.н. «антенны», выполняющие информационную функцию распознавания внешних сигналов, благодаря чему клетки правильно ориентируются и образуют ткани.

Жидкостно-мозаичная модель строения плазмалеммы получила блестящее подтверждение благодаря методу мгновенного замораживания-скалывания.

Одной из важных функций мембран является транспорт веществ. Хотя толщина мембран мала, они служат барьером для ионов и молекул, в особенности для полярных молекул, поскольку неполярные липиды мембраны эти вещества отталкивают.

Транспорт веществ через биомембраны важен, так как:

1. обеспечивает постоянство рН и ионной концентрации внутри клетки, необходимых для работы клеточных ферментов;

2. поставляет питательные вещества, служащие источником энергии и «сырьем» для образования клеточных компонентов;

3. обеспечивает вывод токсичных отходов;

4. обеспечивает секрецию полезных веществ.

Виды транспорта веществ через биомембраны

Пассивный транспорт идет без затрат энергии АТФ: · по градиенту концентрации (оттуда, где концентрация вещества велика – туда, где она мала); · по электрическому градиенту (при переносе заряженной частицы на противоположно заряженную сторону мембраны). Пассивный транспорт осуществляется путем простой диффузии и облегченной диффузии: а) Простая диффузия идет через липидный бислой. Так транспортируются неполярные жирорастворимые молекулы б) Облегченная диффузия идет с участием белковых молекул-переносчиков (транспортных белков), переплывающих липидный бислой, а также через гидрофильные каналы в белковых молекулах. Так транспортируются полярные молекулы и ионы

Активный транспорт идет с затратами энергии АТФ против градиента концентрации и электрического градиента (см. пояснения к рис. 9)

Пояснения к рисунку:

А. Ион Na⁺ в цитоплазме соединяется с молекулой транспортного белка. Форма иона Na⁺ соответствует форме контактной площадки транспортного белка, к которой присоединяется ион Na⁺.

Б. Реакция с участием АТФ, в результате которой фосфатная группа (Р) присоединяется к белку (белок фосфорилируется), а АДФ высвобождается.

В. Фосфорилирование транспортного белка вызывает изменение его структуры (конформации). Изменяется форма контактной площадки, белок не может удерживать ион Na⁺, что приводит к его высвобождению за пределами клетки.