Властивості та функції мембран

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. Подивіться, діти, на малюнок 5. Що ви бачите?

Мал. 5 Клітинна мембрана

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

Мембрани різних типів клітин істотно розрізняються як по хімічному складу, так і за відносним змістом в них білків, глікопротеїнів, ліпідів, а отже, і по характеру наявних в них рецепторів. Кожен тип клітин тому характеризується індивідуальністю, яка визначається в основному глікопротеїнами. Розгалужені ланцюги глікопротеїнів, виступаючі з клітинної мембрани, беруть участь в розпізнанні чинників зовнішнього середовища, а також у взаємному пізнаванні споріднених клітин.

Мал. 6 Проникнення речовин через мембрану.

З розпізнаванням пов'язана і регуляція транспорту молекул і іонів через мембрану, а також імунологічна відповідь, в якій глікопротеїни грають роль антигенів. У мембранах містяться також специфічні рецептори, переносники електронів, перетворювачі енергії, ферментні білки. Білки беруть участь в забезпеченні транспорту певних молекул всередину клітини або з неї, здійснюють структурний зв'язок цитоскелета з клітинними мембранами або ж служать в якості рецепторів для отримання і перетворенняхімічних сигналів з оточуючої середи.

Найважливішою властивістю мембрани є також виборча проникність. Це означає, що молекули та іони проходять через неї з різною швидкістю, і чим більше розмір молекул, тим менше швидкість проходження їх через мембрану. Ця властивість визначає плазматичну мембрану як осмотичний бар'єр. Діти, подивіться на малюнок 6 та 7, щоб зрозуміти, процес проникнення (дифузії).

Мал. 7 Дифузія

Максимальну проникаючу здатність має вода і розчинені в ній гази; значно повільніше проходять крізь мембрану іони. Дифузія води через мембрану називається осмосом. Давайте роздивимося цей процес на відео.

Відео 2 «Проникнення води через мембрану»

Існує декілька механізмів транспорту речовин через мембрану.

Дифузія - проникнення речовин через мембрану по градієнту концентрації (з області, де їх концентрація вища, в область, де їх концентрація нижче). Дифузний транспорт речовин (води, іонів) здійснюється за участю білків мембрани, в яких є молекулярні пори, або за участю ліпідної фази (для жиророзчинних речовин).
При полегшеній дифузії спеціальні мембранні білки-переносники вибірково зв'язу

Активний транспорт зв'язаний з витратами енергії і служить для перенесення речовин проти їх градієнта концентрації. Він здійснюється спеціальними білками-переносниками, що утворюють так звані іонні насоси. Найбільш вивченим є Na-/ К- -насос в клітинах тварин, таких, що активно викачують іони Na назовні, поглинаючи при цьому іони К. Завдяки цьому в клітині підтримується велика концентрація К і менша Na в порівнянні з довкіллям. На цей процес витрачається енергія АТФ. Учні, давайте розглянемо малюнок 7. Який процес там зображений?

Мал. 8 Калій-натрієвий насос

В результаті активного транспорту за допомогою мембранного насоса в клітині відбувається також регуляція концентрації Mg2 -и Са2. В процесі активного транспорту іонів в клітину через цитоплазматичну мембрану проникають різні цукри, нуклеотиди, амінокислоти.

Макромолекули білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпопротеїдні комплекси та ін. Діти, давайте подивимося наступне відео.

Відео 3 «Калій-натрієвий насос» Транспорт макромолекул, їх комплексів і часток всередину клітини відбувається абсолютно іншим шляхом - за допомогою ендоцитоза. При ендоцитозі певна ділянка плазмалеми захоплює і як би обволікає позаклітинний матеріал, укладаючи його в мембранну вакуоль, що виникла внаслідок вп`ячування мембрани. Надалі така вакуоль з'єднується з лізосомою, ферменти якої розщеплюють макромолекули до мономерів.

Процес, зворотний ендоцитозу, - екзоцитоз. Завдяки йому клітина виводить внутрішньоклітинні продукти або неперетравлені залишки, що знаходяться у вакуолі або бульбашки. Бульбашка підходить до цитоплазматичної мембрани, зливається з нею, а його вміст виділяється в довкілля. Так виводяться травні ферменти, гормони, гемицеллюлоза та ін.

Функції біологічних мембран наступні:

1. Відмежовують вміст клітини від зовнішнього середовища і вміст органел від цитоплазми.

2. Забезпечують транспорт речовин в клітину і з неї, з цитоплазми в органели і навпаки.

3. Виконують роль рецепторів (отримання і перетворення сигналів з довкілля, пізнавання речовин клітин і т. д.).

4. Є каталізаторами (забезпечення примембранних хімічних процесів).

5. Беруть участь в перетворенні енергії.

Давайте схематично розглянемо функції мембран на відео.

Відео 4 «Функції мембран»

Система мембран клітини. Усі клітини сформовані системою біологічних мембран (від лат. мембрана – шкірка, плівка) Мембрани відокремлюють внутрішнє середовище, поділяють його на функціональні зони.
Клітинні мембрани складаються з ліпідів, білків і вуглеводів. Молекули ліпідів розташовані у два шари: їхні гідрофільні «голівки» (ортофосфатні групи) обернені до зовнішнього та внутрішнього боку мембрани. А гідрофобні «хвости», що складаються з ланцюжків жирних кислот, обернені всередину Основним функціональним компонентом біологічних мембран є білки. Одні з молекул білків розташовані або на зовнішній, або на внутрішній поверхні мембран, тому їх називають поверхневими.
З такими білками, розташованими на внутрішньому боці мембрани, пов’язані мікронитки цитоскелета. Інші молекули білків заглиблені в товщу мембрани на різну глибину, їх називають внутрішніми. Особливі білкові молекули перетинають мембрану наскрізь, зв’язуючи зовнішню та внутрішню її по верхні. Вуглеводи входять до складу мембран виключно у вигляді комплексних сполук з молекулами білків або ліпідів.
Така модель будови біологічних мембран дістала назву рідинно-мозаїчної. Молекули білків або їхні частини часто сполучені мікроскопічними канальцями.
Молекули, які входять до складу мембран, здатні до переміщень. Завдяки цьому мембрани швидко поновлюються за незначних пошкоджень. Клітина не витрачає багато енергії на збереження цілісності своєї мембрани, адже її молекули з’єднані за принципом, за яким утримуються разом молекули жиру, – гідрофобним частинам молекул згідно із законами термодинаміки «вигідніше» розташовуватися близько одна до одної.
Плазматична мембрана, яка оточує цитоплазму, міцна та еластична, бо визначає розміри клітини. Вона виконує насамперед захисну функцію: оберігає внутрішнє середовище клітини від несприятливих впливів. Зокрема, серед мембранних білків є такі, що здатні зв’язувати антигени (мікроорганізми і речовини, які клітина сприймає як чужорідні) і тим самим запобігати їхньому проникненню в клітину. От же, плазматична мембрана є однією з ланок захисних реакцій організму. Інша її функція – забезпечення обміну речовин з навколишнім середовищем. Плазматична мембрана характеризується напівпроникністю: одні сполуки можуть швидко проходити через неї, інші – повільніше або взагалі не можуть пройти через неї. Сполуки, необхідні для життєдіяльності клітин, а також продукти обміну речовин проникають через плазматичну мембрану за допомогою пасивного чи активного транспорту. У біологічних мембранах відбуваються процеси, пов’язані зі сприйняттям інформації, яка надходить з навколишнього середовища, формуванням і передачею збудження, перетворенням енергії, захистом від проникнення хвороботворних мікроорганізмів та іншими проявами життєдіяльності клітин, органів і організму в цілому.

Мембрани здійснюють сигнальну функцію. Так, у плазматичну мембрану вбудовані сигнальні білки, здатні у відповідь на дію різних факторів навколишнього середовища змінювати свою просторову структуру і внаслідок цього передавати сигнали до клітини. Отже, особливості будови плазматичної мембрани забезпечують подразливість організмів, тобто їхню здатність сприймати подразники і певним чином на них відповідати.
Зовнішня та внутрішня по верхні мембрани можуть бути заряджені по-різному: на одному боці присутній позитивний заряд, на іншому – негативний. Це має важливе значення для здійснення активного транспорту певних молекул і подразливості клітини. Плазматичні мембрани забезпечують міжклітинні контакти в багатоклітинних організмах. Так, у місцях контакту двох тваринних клітин мембрани кожної з них здатні утворювати складки або вирости. Вони на дають міжклітинному сполученню особливих міцності та пружності.
Плазматичні мембрани також беруть участь у рості та поділі клітин.
Важлива роль біологічних мембран і в процесах взаємоперетворення різних форм енергії: механічної (наприклад, рух джгутиків, війок), електричної (формування мембранного потенціалу та нервового імпульсу), хімічної (синтез багатих на енергію сполук).