Структура и функция мембран

Мембраны окружают всю цитоплазму и отграничивают ее от окружающей среды, а также. образуют оболочки всех органоидов и включений клетки: ядра, митохондрий, лизосом, аппарата Гольджи, эндоплазматического ретикулума.

В настоящее время большинство ученых придержи­вается представления о структуре мембран в виде жидкостно - мозаичной модели. В соответствии с этой моделью, структурную основу мембраны образует двойной слой фосфолипидов инкрустированный белками. Липиды при физиологических условиях находятся жидком агрегатном состоянии. Это позволяет сравнить мембрану с фосфолипидным морем, по которому плавают белковые "айсберги". При этом согласно современным представлениям количество белков и липидов во всех мембранах должно быть примерно одинаковым. Тот факт, что не вся поверхность мембран покрыта белками, показал и метод ядерного магнитного резонанса.

Кроме фосфолипидов и белков в мембранах содержится много холестирина. Есть также гликолипиды, гликопротеиды и другие вещества.

Хорошая проницаемость мембран большинства клеток для воды и многих водорастворимых веществ позволяет предположить существование в мембранах особых отверстий — пор. Диаметр пор определяется косвенным путем по размеру водорастворимых молекул, которые еще способны проникать через мембрану. С помощью этого и других методов было установлено, что у большинства клеток диаметр пор составляет 0,35—0,8 нм. Поры могут иметь структуру длинного извитого канальца. Количество пор в мембране невелико. В эритроцитах, например, вся площадь, приходящаяся на их долю, со­ставляет примерно 0,06 % от общей поверхности мембраны.

Поры изнутри выстланы слоем молекул белка. Полярные группы молекул белка направлены в сторону отверстия поры, а неполярные вступают во взаимодействие с молекулами липидов. Благодаря на­личию полярных групп в порах они обычно обладают электрическим зарядом, что оказывает большое влияние на процесс проникновения растворенных частиц через поры.

Мембрана представляет собой элементарную структуру клеток. Мембраны образуют клеточные оболочки и оболочки органоидов клетки. Мембраны различных органоидов отличаются химическим составом и толщиной. Например, оболочки митохондрий, состоящие из пяти слоев белков и липидов, представляют собой дубликатуру элементарной мембраны.

В некотором отношении очень интересны мембраны лизосом. Как известно, лизосомы содержат ферменты, разлагающие все наиболее важные вещества клетки. Эти ферменты не могут только разлагать и переваривать свою собственную мембрану. При разрушении мембраны лизосом ферменты выходят в цитоплазму и наблюдается явление аутолиза—самопереваривания клетки.

Основные функции биологических мембран.

Из всех функций биологических мембран можно выделить три основные функции:

- барьерную, обеспечивающую избирательный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой. Избирательный означает, что одни вещества переносятся через мембрану, другие - нет; регулируемый - проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от различных факторов, например, функционального состояния клетки;

- матричная - обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков;

- механическая - обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур.

Кроме того, мембраны выполняют и другие функции:

- энергетическую - синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов;

- генерацию и проведение биопотенциалов;

- рецепторную (механическую, акустическую, обонятельную, зрительную, химическую, терморецепцию) и многие другие функции.

Общая площадь биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров, чем объясняется огромная их роль во всех процессах жизнедеятельности.

В клетках протекает сложнейшая сеть биохимических превращений, состоящая из тысяч отдельных реакций. Все эти реакции должны быть тем или иным способом отграничены друг от друга. Мембраны производят деление клетки на отдельные участки, фазы, где и протекают различные реакции. И в самом деле, мембрана, как правило, располагается на границе раздела двух фаз: наружная плазматическая мембрана отделяет внутреннюю среду клетки от наружной; мембраны митохондрий отделяют их матрикс от собственной цитоплазмы; мембраны ядра—кариоплазму от цитоплазмы; мембра­ны цитоплазматического ретикулума — содержимое ци­стерн от цитоплазмы и т.д. Все эти фазы отличаются друг от друга физико-химическими показателями: рН, концентрацией ионов, наличием ферментов, количеством воды, кислорода и т. д. Благодаря тому что мембраны создают границы раздела, возможно существование многих биохимических реакций.

Помимо того, что мембраны создают границы раздела между различными фазами, они принимают непосредственное участие во всех процессах обмена веществ, которые обусловливают жизнедеятельность клеток. Различного рода мембранные структуры в организмах составляют колоссальную поверхность—десятки тысяч квадратных метров. Такая обширная структурная систе­ма указывает на ее важное функциональное значение. Во всех мембранных структурах имеются ферментные системы. Во внутренней мембране митохондрий и эндо-плазматическогоретикулума сосредоточены такие окис­лительные ферменты, как дегидрогеназы, флавины, цитохромы. В мембранных образованиях находятся также фосфатазы, ферменты активного переноса веществ (транслоказы, пермеазы), липолитические ферменты.

Приведенные данные убедительно свидетельствуют о том, что поверхность мембран представляет собой то место в клетке, где протекает большинство биохимических реакций На это оказывает и тот факт, что фермент АТФ-аза, играющий ключевую роль в обмене веществ, локализован в основном на мембранах (кроме актомиозина, находящегося в саркоплазме).

Наконец, функция мембран заключается еще и в том, что они координируют и регулируют биохимические и биофизические процессы в клетках. Сейчас становится все более очевидным, что мембраны являются своеобразным устройством, воспринимающим сигналы, поступающие извне, и преобразующим их в команды, регулирующие обмен веществ внутри клетки. В выполнении данной функции большое значение имеет такое свойство мембран, как проницаемость. В результате изменения проницаемости меняется скорость поступления и выведения веществ, изменяются стационарные концентрации реагирующих веществ в клетках и, следовательно, скорости биохимических и биофизических процессов. На важное значение проницаемости мембран в регуляции обмена веществ указывает тот факт, что многие гормоны (инсулин, адренокортикотропный гормон, минерало-кортикоиды, антидиуретический гормон) оказывают биологическое действие путем изменения проницаемости клеточных мембран.

Нормальное состояние мембран клетки нарушается при многих заболеваниях, в особенности связанных с нарушениями гормонального и витаминного баланса организма. Обнаружены увеличение проницаемости мембран лизосом и выход в цитоплазму лизосомных ферментов пригипервитаминозе А, авитаминозе Е, при гипоксии, действии ионизирующих излучений, стрептолизина, эндотоксинов и т п. Кортизон и гидрокортизон, напротив, способны стабилизировать мембраны лизосом, что, возможно, является одной из причин противовоспалительного действия этих соединений.

Биосинтез белка

Биосинтез белков в клетках представляет собой последовательность реакций матричного типа, в ходе которых последовательная передача наследственной информации с одного типа молекул на другой приводит к образованию полипептидов с генетически обусловленной структурой.

Прежде всего, для синтеза необходим «строительный материал» - аминокислоты. Некоторые из них вырабатываются организмом. Другие же можно получить только с пищей, они называются незаменимыми.

Общее число аминокислот – двадцать, но за счет огромного числа вариантов, в которых можно их располагать в длинной цепочке, молекулы белков очень разнообразны. Эти кислоты похожи между собой по структуре, но отличаются радикалами.

Именно свойства этих частей каждой аминокислоты определяют, в какую структуру «свернется» получившаяся цепочка, будет ли она образовывать четвертичную структуру с другими цепями, и какими свойствами будет обладать получившаяся макромолекула. –

Процесс биосинтеза белка не может протекать просто в цитоплазме, для него нужна рибосома. Эта органелла состоит из двух субъединиц – большой и малой. В состоянии покоя они разобщены, но как только начинается синтез, они сразу соединяются и начинают работать.

Для того чтобы принести аминокислоту к рибосоме, нужна специальная РНК, называемая транспортной. Для сокращения ее обозначают т-РНК. Эта одноцепочечная молекула в виде клеверного листа способна прицепить одну аминокислоту к своему свободному концу и переправить ее к месту синтеза белка. Еще одна РНК, участвующая в синтезе белка, называется матричной (информационной). Она несет в себе не менее важный компонент синтеза – код, в котором четко прописано, когда какую аминокислоту цеплять к образующейся цепочке белка. Эта молекула имеет одноцепочечное строение, состоит из нуклеотидов, так же как и ДНК.

Информацию о составе белка м-РНК получает от главного хранителя генетического кода – ДНК. Процесс чтения дезоксирибонуклеиновой кислоты и синтеза м-РНК называется транскрипцией. Он происходит в ядре, откуда получившаяся м-РНК отправляется к рибосоме. Сама же ДНК из ядра не выходит, ее задача - только сохранить генетический код и передать его дочерней клетке во время деления.

Инициация – начало процесса Это начальная стадия трансляции, в которой малая субъединица рибосомы соединяется с самой первой т-РНК. Эта рибонуклеиновая кислота несет на себе аминокислоту – метионин. Трансляция всегда начинается именно с этой аминокислоты, так как стартовым кодоном является АУГ, который и кодирует этот первый мономер в белковой цепи. Для того чтобы рибосома узнала стартовый кодон и не начала синтез с середины гена, где последовательность АУГ тоже может оказаться, вокруг начального кодона располагается специальная последовательность нуклеотидов. Именно по ним рибосома узнает то место, на которое должна сесть ее малая субъединица. После образования комплекса с м-РНК, стадия инициации заканчивается. И начинается основной этап трансляции.

Элонгация – середина синтеза На этом этапе происходит постепенное наращивание белковой цепочки. Продолжительность элонгации зависит от количества аминокислот в белке.

Первым делом к малой субъединице рибосомы присоединяется большая. И начальная т-РНК оказывается в ней целиком. Снаружи остается только метионин. Далее в большую субъединицу заходит вторая т-РНК, несущая другую аминокислоту. Если второй кодон на м-РНК совпадает с антикодоном на верхушке «клеверного листа», вторая аминокислота присоединяется к первой с помощью пептидной связи. После этого рибосома передвигается по м-РНК ровно на три нуклеотида (один кодон), первая т-РНК отсоединяет от себя метионин и отделяется от комплекса. На ее месте оказывается вторая т-РНК, на конце которой висит уже две аминокислоты. Затем в большую субъединицу входит третья т-РНК и процесс повторяется. Он будет происходить до тех пор, пока рибосома не наткнется на кодон в м-РНК, который сигнализирует об окончании трансляции.

Терминация Этот этап является последним, некоторым он может показаться весьма жестоким. Все молекулы и органеллы, которые так слаженно работали над созданием полипептидной цепочки, останавливаются, как только рибосома наезжает на терминальный кодон. Он не кодирует ни одну аминокислоту, поэтому какая бы т-РНК ни зашла в большую субъединицу, все они будут отвергнуты из-за несоответствия. Тут в дело вступают факторы терминации, которые отделяют готовый белок от рибосомы.

Сама органелла может либо распасться на две субъединицы, либо продолжить свой путь по м-РНК в поисках нового стартового кодона. На одной м-РНК могут находиться сразу несколько рибосом. Каждая из них - на свой стадии трансляции.Только что созданный белок снабжается маркерами, с помощью которых всем будет понятно его место назначения. И по ЭПС он будет отправлен туда, где необходим. Чтобы понять роль биосинтеза белка, необходимо изучить, какие функции он может выполнять. Это зависит от последовательности аминокислот в цепочке. Именно их свойства определяют вторичную, третичную, а иногда и четвертичную (если она существует) структуру белка и его роль в клетке