Строение и функции биологической мембраны
Наиболее изученной мембраной является наружная мембрана клетки, или плазмалемма. Мембраны состоят из липидов, белков и углеводов. Липиды в мембране лежат в два слоя. Внутри мембраны находятся гидрофобные части молекулы («хвосты»), а снаружи — гидрофильные («головки»). С липидами мембраны связаны белки. Часть белков погружена в мембрану. Такие белки называют интегральными или трансмембранными. Другие белки лежат на мембране. Их называют периферическими белками. Углеводы мембраны связаны с липидами и белками. Функции мембран: ограничивающая, барьерная (избирательная проницаемость), транспортная, рецепторная, каталитическая (ферментативная), энергетическая и др. Одна из центральных функций М. б. - транспорт веществ через них и регуляция этого процесса. Она сопряжена с такими важнейшими биологическими явлениями, как постоянство внутриклеточного состава ионов, возбуждение и проведение нервного импульса, запасание и трансформация энергии, процессы метаболизма и т. п.
Мембранный транспорт делят на активный и пассивный.
( Строение и функции биологической мембраны )
Активный транспорт протекает с затратой энергии АТФ. Он осуществляется с помощью специальных белков-насосов. Эти белки перекачивают через мембрану ионы К+, Na+, Са2+ и другие, что способствует транспорту важнейших органических веществ, а также возникновению нервных импульсов и т. д.
Активный транспорт.
Имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТФ. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na+ и K+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+ - K+ - насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К+ выше, чем Na+.
Пассивный транспорт происходит без затраты энергии. С помощью пассивного транспорта в клетку попадает вода, кислород, азот, углекислый газ, многие ионы.
Помимо этих двух типов транспорта поглощение веществ возможно путем фагоцитоза и пиноцитоза. При этом мембрана образует впячивания, а затем формирует мембранные пузырьки, в которых заключены поглощаемые объекты. Затем содержимое этих пузырьков расщепляется ферментами клетки и все необходимое проходит через мембрану. Фагоцитоз протекает в основном в животных клетках, так как клетки растений и грибов окружены прочными клеточными оболочками.
Цитоплазма — это внутреннее содержимое клетки. В неё погружены все органоиды клетки, ядро и продукты жизнедеятельности клетки. Цитоплазма связывает все части клетки между собой, в ней протекают многочисленные реакции обмена веществ. Жидкая часть цитоплазмы без органоидов называется гиалоплазмой. Продукты жизнедеятельности клетки — это запасные вещества, вакуоли и клеточная стенка. Цитоплазма отделяется от окружающей среды и делится на отсеки мембранами, то есть клеткам присуще мембранное строение.
Цитоплазма-содержимое клетки, не включающее ядро, включающее цитозоль и органеллы и ограниченное клеточной мембраной.
Цитоплазма (cytoplasma; греч. kytos вместилище, здесь - клетка + plasma вылепленное, оформленное) -термин в 1882 г. предложил Страсбургер (E.Strasburger).
Обозначает внеядерную часть клетки, отграниченную от окружающей среды плазматической мембраной.
Органоиды — это постоянные компоненты клетки, которые выполняют определенные функции. Их делят по наличию мембран на мембранные и немембранные (рибосомы, микротрубочки, микрофиламенты и клеточный центр). Мембранные органоиды делятся на одномембранные (эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи и лизосомы) и двумембранные (митохондрии, пластиды и ядро). Органоиды (от орган и греч. éidos — вид), постоянные структуры животных и растительных клеток. Каждый О. осуществляет определённые функции, жизненно необходимые для клеток. Т. о., любое проявление жизнедеятельности клетки — следствие согласованной работы её взаимосвязанных компонентов, особенно О. К О. относят митохондрии, Гольджи комплекс, клеточный центр, эндоплазматическую сеть, рибосомы, цитоплазматические микротрубочки и др., а в растительных клетках, кроме того, — пластиды, сферосомы и др. Вопрос о лизосомах как О. дискуссионен. Термин "О." объясняется сопоставлением этих компонентов клетки с органами многоклеточного организма. О. противопоставляют временным включениям клетки, которые появляются и исчезают в процессе обмена веществ.
Митохондрии — двумембранные органоиды. Наружная мембрана митохондрий гладкая, а внутренняя имеет выросты — кристы. Кристы увеличивают площадь поверхности мембран для протекания химических реакций, в ходе которых синтезируется АТФ. Пространство внутри митохондрий заполнено матриксом. Матрикс — это основное вещество митохондрий. В матриксе находятся молекула ДНК и рибосомы, в нем протекает аэробный этап дыхания. Функция митохондрий — синтез АТФ. Митохондрии представляют собой окруженные двойной мембраной органеллы , специализирующиеся на синтезе ATP - путем транспорта электронов и окислительного фосфорилирования. (рис 21-1). Хотя они имеют свою собственную ДНК и аппарат белкового синтеза, большинство их белков кодируется клеточной ДНК и поступает из цитозоля. Более того, каждый поступивший в органеллу белок должен достичь определенного субкомпартмента, в котором он функционирует. В митохондриях имеется четыре субкомпартмента: митохондриальный матрикс , внутренняя мембрана , межмембранное пространство и внешняя мембрана , обращенная к цитозолю.
Пластиды — двумембранные органоиды, характерные только для растительных клеток. Внутреннее пространство пластид заполнено стромой. В строме находится система мембранных пузырьков — тилакоидов, которые собраны в стопки — граны. В строме находится собственная ДНК и рибосомы. Существует три вида пластид: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Хлоропласты — это зеленые пластиды, которые содержат хлорофилл. Функция хлоропластов — фотосинтез. Световые реакции фотосинтеза протекают на мембранах тилакоидов, на которых закреплены молекулы хлорофилла, а темновые реакции — в строме, где содержатся многочисленные ферменты. Хромопласты — это желтые, оранжевые и красные пластиды, которые содержат каротиноиды. Они придают окраску цветкам, плодам и даже корнеплодам моркови. Лейкопласты — это белые или бесцветные пластиды. Функция лейкопластов — запасающая. Они запасают крахмал, белки или масло. Пластиды — органоиды эукариотических растений и некоторых фотосинтезирующих простейших. Покрыты двойной мембраной и имеют в своём составе множество копий кольцевой ДНК. Совокупность пластид клетки образует пластидом. По окраске и выполняемой функции выделяют три основных типа пластид:
Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум (ЭР) — это одномембранный органоид, представляющий собой сеть мембранных каналов и полостей. Существует два вида ЭПС — шероховатая и гладкая. Шероховатая ЭПС несет рибосомы. Ее основная функция — синтез белков. Гладкая ЭПС не несет рибосом. Ее функция — синтез липидов и углеводов, образование лизосом, транспорт и запасание веществ. Эндоплазматическая сеть (биол.), внутриклеточный органоид, представленный системой плоских цистерн, канальцев и пузырьков, ограниченных мембранами; обеспечивает главным образом передвижение веществ из окружающей среды в цитоплазму и между внутриклеточными структурами. Впервые Э. с. была выявлена в 1945 американским ученым К. Портером и другим методом электронной микроскопии. Расположена обычно в прилежащей к ядру цитоплазме (эндоплазме, отсюда название) всех клеток (кроме эритроцитов) эукариотных (см. Эукариоты) организмов. Строение и количество элементов Э. с. зависят от функциональной активности клетки, стадии клеточного цикла и дифференцировки. Толщина мембран Э. с. 5—6 нм, ширина просвета между мембранами 70—500 нм. Анализ микросомной фракции гомогената клеток (см. Микросомы) показал, что мембраны Э. с. состоят из белков, липидов и ряда ферментов. Различают 2 типа Э. с. — гранулярную, к мембранам которой прикреплены рибосомы, и агранулярную. Между обоими типами есть переходы. Гранулярная Э. с. принимает участие в синтезе белка; введение в организм меченых аминокислот показало, что благодаря прикреплению рибосом к мембранам значительно возрастает эффективность синтеза. Наибольшего развития гранулярная Э. с. достигает в активно синтезирующих клетках, продукты которых (белки секреторных гранул, сывороточные белки) выводятся из клетки. А гранулярная Э. с. принимает участие в синтезе и транспорте липидов, стероидов, в синтезе и распаде гликогена, в процессе нейтрализации различных токсических и лекарственных веществ, например люминала, кодеина. Она хорошо развита в клетках надпочечников, обкладочных клетках слизистой желудка. Обоим типам Э. с. свойственны накопление продуктов синтеза в просветах мембран и их транспорт в зону Гольджи комплекса. Специализированная форма Э. с. — саркоплазматическая сеть поперечнополосатых мышц — играет важную роль во внутриклеточном проведении возбуждения.
Комплекс Гольджи, или аппарат Гольджи — одномембранный органоид, который образован системой плоских цистерн, канальцев и отшнуровывающихся от них пузырьков. Функции АГ — модификация белков, которые поступают из ЭПС, а также транспорт веществ по клетке, обновление ее структур и образование лизосом.
Лизосомы — небольшие одномембранные органоиды, в которых содержатся гидролитические ферменты, участвующие во внутриклеточном пищеварении. Лизосомы принимают активное участие в процессе фагоцитоза, а также в процессах самоуничтожения клетки.
Рибосомы — небольшие немембранные органоиды, состоящие из двух субъединиц — большой и малой. В состав субъединиц рибосом входят р-РНК и белок. Рибосомы находятся в цитоплазме, на шероховатой эндоплазматической сети, в митохондриях и пластидах. Функция рибосом — синтез белка.
Микротрубочки образованы белком тубулином. Они придают клетке форму и объем, направляют транспорт веществ по клетке, участвуют в движении клетки и принимают участие в делении генетического материала.
Микрофиламенты образованы белком актином. Они также придают форму и объем клетке, участвуют в движении клетки и ее делении. Микротрубочки и микрофиламенты образуют внутренний скелет клетки — цитоскелет.
Элементы цитоскелета входят в состав клеточного центра, а также жгутиков и ресничек, с помощью которых осуществляется движение одноклеточных животных, сперматозоидов и т. д.
Клеточный центр — немембранный органоид, который встречается только в животных клетках вблизи ядра. Клеточный центр состоит из двух центриолей и лучистой сферы. Каждая центриоль образована девятью группами микротрубочек, собранных по три. Клеточный центр принимает участие в процессах деления наследственного материала клетки.
Ядро — крупный двумембранный органоид. Оно окружено ядерной оболочкой, пронизанной порами, через которые происходит транспорт веществ. Внутреннее пространство ядра заполнено ядерным соком, в который погружены хроматин и ядрышко. Функции ядра — хранение и передача наследственной информации, а также контроль жизнедеятельности клетки.
Хроматином называют образования в неделящемся ядре в виде глыбок, гранул и нитей, окрашиваемых некоторыми красителями. Хроматин представляет собой комплекс ДНК с белками. В отличие от прокариот, у эукариот молекулы ядерной ДНК не замкнуты в кольцо и называются хромосомами. Хромосомы становятся видны только в делящемся ядре в результате уплотнения хроматина.
Хромосома — это палочковидное тело, которое делится центромерой (первичной перетяжкой) на плечи. В начале деления хромосомы удвоены и состоят из двух дочерних хромосом — хроматид, скрепленных в центромере.
Для клеток организма каждого биологического вида характерно постоянное число хромосом. Например, у человека их 46.
Совокупность признаков хромосомного набора организма называется кариотипом.
Набор хромосом соматических клеток называют диплоидным (2п) или двойным, а набор хромосом половых клеток — гаплоидным (п) или одинарным. Соответственно количество ДНК соматических клеток обозначается как 2с, а половых — с. Генетическая формула соматических клеток записывается как 2п2с, а половых — 1n1c.
Хромосомы содержат гены — участки ДНК, несущие наследственную информацию. Количество генов у человека пока точно неизвестно, однако считают, что оно не превышает 30 000. Каждая клетка несет всю наследственную информацию организма, но в ней работает только небольшая их часть.
Ядрышко — немембранная структура, в которой синтезируется р-РНК, и происходит сборка субъединиц рибосом, выходящих затем в цитоплазму.
|
