Технологическая карта урока
Тема: Биологическая мембрана. Транспорт веществ через биологические мембраны.
Класс: 10 класс
Тип урока: урок усвоения новых знаний
Цель: формирование представлений о структуре клеточной мембраны и ее транспортных системах
Задачи:
Образовательные:
познакомить с краткой историей открытия биомембраны;
углубить знания о строении плазматической мембраны;
рассмотреть основные типы транспортных систем клеточной мембаны;
раскрыть значение этим систем в жизни человека.
Развивающие:
способствовать развитию речи учащихся путем постановки вопроса, требующих развернутого и связного ответа.
создать условия для развития произвольного внимания при объяснении нового материала.
способствовать развитию наглядно-образного мышления при демонстрации презентации, наглядных материалов.
Воспитательные:
создать условия для воспитания у учащихся правильной научной картины мира.
умения планировать учебное сотрудничество со сверстниками и учителем.
Основные термины и понятия: клеточная мембрана, пассивный транспорт, диффузия, осмос, активный транспорт, натрий-калиевый насос, белок-пермиаза, везикулярный транспорт, везикула, эндоцитоз, фагоцитоз, пиноцитоз, экзоцитоз.
Методы обучения: словесные (беседа, объяснение), наглядные, частично-поисковые, проблемные, работа с текстом презентации.
Формы обучения: фронтальная
Оборудование: ИКТ презентация «Биологические мембраны»
План урока:
Организационный этап.
Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся.
Актуализация знаний.
Изучение нового материала
Первичная проверка понимания
Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению
Рефлексия
Ход урока:
приветствие;фиксация отсутствующих
Приветствует обучающихся, проверяет их готовность к уроку.
Учащиеся встают, приветствуя учителя, готовятся к уроку
Личностные: самоорганизация
Коммуникативные : планирование учебного сотрудничества с учителем и одноклассниками.
2. Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся
8 мин.
создать условия для возникновения внутренней потребности включения в деятельность
Что изучает наука «цитология»?
Что такое клетка? Как зовут ученого, в результате открытий которого было введено понятие “клетка”?
Все живые организмы на Земле состоят из клеток, а каждая клетка окружена защитной оболочкой – мембраной
Может кто то знает, что означает мембрана?
Какие у вас ассоциации с этим словом?
Само слово «мембрана» в переводе с латыни означает «кожица, пленка». Мембрана – весьма активная, постоянно работающая структура клетки, на которую природой возложено множество функций.
Сегодня мы с вами поговорим об устройстве клеточной мембраны и о том как проходят вещества внутрь клетки и наружу из клетки.
Объяснение для чего необходимы знания строения и свойства клеточной мембраны и транспортных механизмов.
Рассмотрение истории исследования клеточной мембраны.
Ребята, может быть кто то из вас знает какие были модели и какая модель сейчас является общепринятой?
В 1925 году И. Гортер и А. Грендель показали, что клеточная мембрана представляет собой двойной слой (бислой) из молекул липидов.
В 1935 году Дж. Даниэлли и Х. Доусон показали, что в клеточной мембране, помимо липидов, содержатся белки. Так возникла модель «сэндвича», в которой плазматическая мембрана представлялась в виде двух слоев белков, между которыми располагался липидный бислой.
Почему модель мембраны, созданную учеными Давсоном и Даниэли, назвали «модель сэндвича»? (Для справки: сэндвич – закрытый бутерброд).
1972 году С.Д. Сингером и Г.Л. Николсоном была предложена жидкостно-мозаичная модель мембраны
Чем модель клеточной мембраны, созданная учеными Сингером и Николсоном, отличается от модели, созданной Давсоном и Даниэли?
Почему проводится аналогия второй модели с бушующим морем, в котором плавают айсберги? Какое органическое вещество символизирует айсберги, а какое – бушующее море? (где мембранные белки «плавают» в жидком липидном бислое, как айсберги в открытом море. При этом предполагалось, что белки никак не упорядочены и могут свободно перемещаться в мембране).
-Ребята, а попробуйте дать определение клеточной мембране.
Клеточной мембраны её еще называют цитоплазматическая мембрана (плазмалемма) или биомембрана - которая представляет основную, универсальную для всех клеток часть поверхностного аппарата. Ее толщина составляет около 5-10 нм. (нанометров).
Давайте посмотрим на современную модель и ответим, что является основным компонентом?
Вспомните функции белков и свойства липидов.
Строение фосфолипида.
Фосфолипид состоит из полярной гидрофильной головкой и неполярными гидрофобными хвостами, представленные цепями жирных кислот. В цитоплазматической мембране гидрофильные головки обращены к наружной и внутренней сторонам мембраны, а гидрофобные хвосты - внутрь мембраны
С липидным бислоем связаны молекулы белков.
Типы белков клеточной мембраны.
которые могут пронизывать его насквозь их называют интегральные, или трансмембранные, белки, погружаться в него частично - это полуинтегральные белки или примыкать с наружной или внутренней стороны - периферические белки.
Углеводный компонент
В состав мембран может входить углеводный компонент (10%), представленный олигосахаридными или полисахаридными цепочками, связанными с молекулами белков (гликопротеиды) или липидов (гликолипиды). Углеводы располагаются обычно на наружной поверхности мембраны и выполняют рецепторные функции.
Появление мембраны в эволюции - крупнейший ароморфоз. Благодаря этому содержимое клетки стало отграничено от внешней среды.
ПОМНИМ! У животной клетки под оболочкой понимается мембрана + гликокаликс.
У растительных клеток помимо мембраны снаружи имеется еще толстая целлюлозная оболочка - клеточная стенка - выполняет опорную функцию за счет жесткого наружного слоя, придающего клеткам четкую форму.
Называют ассоциации на заданную тему
Учащиеся записывают тему урока
Учащиеся делают необходимые записи в тетради (отмечают современную модель Николсона и Сингера)
Учащиеся высказывают свои предположения
Учащиеся анализируют два типа модели и делают выводы
Записывают определение
Учащиеся анализируют рисунок, называют основные компоненты
Зарисовывают схематично клеточную мембрану.
Учащиеся высказывают свое предположение
Учащиеся зарисовывают строение фосфолипида
Отмечают типы белков
Отмечают углеводные хвостики
Личностные: самоорганизация
Регулятивные: способность регулировать свои действия;
Познавательные : структурирование знаний, самостоятельное создание алгоритмов деятельности при решении поставленной проблем
Коммуникативные : планирование учебного сотрудничества с учителем и одноклассниками;
3. Изучение нового материла
20-25 мин.
Организовать осмысленное восприятие знаний о селекции как науки. Создать условия для развития умения устанавливать причинно-следственные связи между знания уже изученного и нового материала
Свойства мембран .
а) Подвижность .
Липидный бислой по существу – жидкое образование, в пределах плоскости которого молекулы могут свободно передвигаться – “течь” без потери контактов в силу взаимного притяжения (демонстрация перетекание жидкости в стенке мыльного пузыря, висящего на пластмассовой трубочке ). Гидрофобные хвосты могут свободно скользить друг относительно друга.
б) Способность самозамыкаться .
(демонстрация, как при протыкании мыльного пузыря и последующего извлечения иглы целостность его стенки сразу же восстанавливается) . Благодаря этой способности клетки могут сливаться путем слияния их плазматических мембран (например, при развитии мышечной ткани).
в) Избирательная проницаемость . Для того чтобы клетка нормально функционировала должен быть налажен транспорт и пограничный контроль. Плазматическая мембрана охраняют свою клетку как спец.объект. Так например, через двойной слой липидов свободно проходят, а сеть вещества которые проходят через специальные мембранные каналы или белки переносчики
Выделяют ряд важнейших функций, которые выполняют клеточные мембраны:
структурная (входят в состав большинства органоидов);
барьерная (Мембрана отделяет клеточное содержимое от внешней среды, предохраняет клетку от попадания в нее чужеродных веществ и обеспечивает поддержание постоянства внутриклеточной среды) ,
регуляция обменных процессов ;
рецепторная ( На наружной поверхности мембраны расположены рецепторные участки, где происходит связывание гормонов и других регуляторных молекул),
и транспортная.
Представьте, что веществам надо проникнуть в клетку. Для этого необходимо преодолеть плазматическую мембрану. Какие известные способы проникновения веществ вы можете вспомнить?
???????
Различают два основных виды переноса, пассивный и активный. Пассивный еще называют диффузия.
Как вы понимаете, что такое диффузия?
И так, если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т.е. по градиенту концентрации этого вещества) и осуществляется без затрат энергии такой транспорт называют пассивным или диффузным. Он в свою очередь делится на простую и облегченную диффузию, осмос.
При простой диффузии наблюдается самопроизвольное перемещение веществ через мембрану из области, где концентрация этих веществ выше, в область, где их концентрация ниже. Путем простой диффузии через плазмалемму могут проходить небольшие молекулы (например, Н 2 0, 0 2 , С0 2 , мочевина) и ионы. Как правило, это неполярные вещества. Простая диффузия происходит относительно медленно
Для ускорения диффузного транспорта существуют мембранные белки-переносчики.Они избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой (полярные молекулы и ионы) и переносят их через мембрану. Такой тип транспорта называется облегченной диффузией . Скорость переноса веществ при облегченной диффузии во много раз выше, чем при простой.
Вода поглощается клеткой преимущественно путем осмоса. Осмос - это диффузия воды через полупроницаемую мембрану, вызванная разностью концентраций. Осмос как одну из форм диффузии, при которой перемещаются только молекулы воды.
Транспорт, который осуществляется в случае , когда перенос против градиента концентрации -называется пассивным транспортом. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Для активного транспорта имеются специальные насосы, работающие с использованием энергии. Источником энергии часто является АТФ. Активный транспорт имеет решающее значение, поскольку обеспечивает избирательное концентрирование необходимых для жизнедеятельности клетки веществ.
Осуществляют транспорт веществ, специальные механизмы, это ионные насосы или АТФ-азы.
Существует три ионных насоса:
Натрий-калиевые (Na / K – АТФаза)
Кальциевые насосы (Са – АТФаза)
Протонные насосы (H – АТФаза)
Все АТФ-насосы являются трансмембарнными белками - пермеаз. Эти белки могут проводить в одном направлении одно вещество (унипорт - натрий) или несколько веществ одновременно в одном направлении (симпорт – хлор, аминокислоты, сахароза), или же два вещества в противоположном направлении (антипорт – магний, натрий, марганец). Так, глюкоза может входить в клетки симпортно вместе с ионом Na +.
В зависимости от источника используемой энергии активный транспорт подразделяется на два типа: первично активный и вторично активный. Для первично активного транспорта энергия извлекается непосредственно при расщеплении АТФ или некоторых других высокоэнергетических фосфатных соединений. Одним из наиболее распространенных первично-активным транспорт является натрий-калиевый насос (видео).
Вторично активный транспорт обеспечивается вторичной энергией, накопленной в форме разности концентраций побочных веществ, молекул или ионов, по обе стороны клеточной мембраны, созданной первоначально первично активным транспортом . Например, мембрана клеток слизистой оболочки тонкого кишечника содержит белок, осуществляющий перенос (симпорт) глюкозы и Na+ в самые высокие клетки эпителия слизистой оболочки дыхательных путей .
Своеобразной и относительно хорошо изученной разновидностью мембранного транспорта является везикулярный транспорт.
Может кто-то занет как осушествляется такой тип переноса веществ? Что такое везикула? Как вы понимаете?
Везикула – дословно переводится как упакованный мешочек. В зависимости от того, в каком направлении переносятся вещества (в клетку или из нее), различают два вида этого транспорта - эндоцитоз и экзоцитоз.
Эндоцитоз - поглощение клеткой внешних частиц путем образования мембранных пузырьков. Выделяют такие разновидности эндоцитоза как: фагоцитоз и пиноцитоз.
Скажите, что это за процесс фагоцитоз? Где вы с ним встречались раньше?
Фагоцитоз – клеточный процесс, при котором встроенные в мембрану клетки-фагоциты захватывают и переваривают твердые частички питательных веществ. В человеческом организме фагоцитоз осуществляется мембранами двух типов клеток: гранулоцитов (зернистых лейкоцитов) и макрофагов (иммунных клеток-убийц);
Пиноцитоз – процесс захвата поверхностью клеточной мембраны соприкасающихся с нею молекул жидкости.
Экзоцитоз - процесс, обратный
эндоцитозу; из клеток выводятся
непереварившиеся остатки твёрдых
частиц и жидкий секрет.
Учащиеся записывают свойства клеточной мембраны
Записывают функции мембраны
Выдвигают свои мысли о возможности проникновения вещества в клетку
Учащиеся отмечают в тетради виды переноса веществ
Схематично зарисовывают простую диффузию и делают комментарии к рисунку
Схематично зарисовывают облегченную диффузию и делают комментарии к рисунку
Схематично зарисовывают осмос и делают комментарии к рисунку
Делают записи в тетради
Зарисовывают механизм работы натрий-калиевого насоса
Учащиеся высказывают свое предположение
Учащиеся записывают определения и схематично зарисовывают
Личностные: осмысление мотивов своих действий при выполнении заданий; формировать положительное отношение к учению, к познавательной деятельности, желание приобрести новые знания, умения осознавать свои ошибки и стремиться их преодолевать;
Познавательные: умения результативно мыслить и работать с информацией; умение работать с учебником и составлять таблицу; поиск и выделение необходимой информации; умение выявлять сущность, особенности объектов; умение на основе анализа объектов делать выводы;
4.Закрепление полученных знаний
5 мин.
Соотнесение поставленных задач с достигнутым результатом, фиксация нового знания, постановка дальнейших целей
Задание. Проанализируйте предлагаемые ситуации, проведите соответствующие аналогии и ответьте, о каких видах транспорта через мембрану идет речь.
А) Ты стоишь в толпе на автобусной остановке. Подходит пустой автобус. Люди начинают заполнять автобус. Это происходит достаточно легко. На остановке становится более свободно, а автобус равномерно заполнен. (пассивный)
Б) Ты стоишь на остановке один. Подходит переполненный автобус, а тебе нужно непременно уехать. Необходимо поработать локтями, чтобы зайти в автобус. Правда, тебе может помочь кто-то из сердобольных пассажиров .(активный)
Учащиеся анализируют предложенные ситуации делают вывод.
Личностные: самоорганизация
Регулятивные: умения организовывать свою деятельность; планирование своей работы при выполнении задания; контроль за выполнением работы; умение определять успешность своего задания;
Коммуникативные : умение строить речевое высказывание в соответствии с поставленными задачами; умение оформлять свои мысли в устной форме.
5.Домашнее задание
2 мин.
Инструкция по выполнению домашнего задания
Оформить свои записи(определения, схематичные рисунки)
Учащиеся записывают задание в дневник. Задают вопросы по его выполнению.
Личностные: умение оценивать усваиваемое содержание;
Коммуникативные: умения общаться, взаимодействовать со сверстниками и педагогом; умение строить речевое высказывание в соответствии с поставленными задачами; умение оформлять свои мысли в устной форме.
6.Рефлексия
3 мин.
Осмысление процесса и результата деятельности
Учащиеся свое мнение.
Называют основные позиции нового материала и как они их усвоили (что получилось, что не получилось и почему)
Личностные: умение осуществлять анализ собственной деятельности; планирование дальнейших шагов для достижения цели.
Регулятивные: выделение и осознание учащимся того, что уже усвоено и что еще подлежит усвоению, осознание качества и уровня усвоения; умения организовывать свою деятельность; планирование своей работы при выполнении задания
Коммуникативные: способность к критическому мышлению; умение представить себя; выслушивать и принимать во внимание взгляды других людей.
В мембране существуют 2 типа специализированных интегральных белковых систем, которые обеспечивают транспорт ионов через клеточную мембрану: ионные насосы и ионные каналы . То есть, существует 2 принципиальных типа транспорта ионов через мембрану: пассивный и активный.
Ионные насосы и трансмембранные ионные градиенты
Ионные насосы (помпы) – интегральные белки, которые обеспечивают активный перенос ионов против градиента концентрации. Энергией для транспорта служит энергия гидролиза АТФ. Различают Na+ / K+ помпу (откачивает из клетки Na+ в обмен на К+), Ca++ помпу (откачивает из клетки Ca++), Cl– помпу (откачивает из клетки Cl –).
В результате работы ионных насосов создаются и поддерживаются трансмембранные ионные градиенты:
- концентрация Na+, Ca++, Cl – внутри клетки ниже, чем снаружи (в межклеточной жидкости);
- концентрация K+ внутри клетки выше, чем снаружи.
Механизм работы натрий-калиевого насоса. НКН за один цикл переносит 3 иона Na+ из клетки и 2 иона K+ в клетку. Это происходит из-за того, что молекула интегрального белка может находиться в 2 положениях. Молекула белка, образующая канал, имеет активный участок, который связывает либо Na+, либо K+. В положении (конформации) 1 она обращена внутрь клетки и может присоединять Na+. Активируется фермент АТФаза, расщипляющая АТФ до АДФ. Вследствие этого молекула превращается в конформацию 2. В положении 2 она обращена вне клетки и может присоединять K+. Затем конформация вновь меняет и цикл повторяется.
Ионные каналы
Ионные каналы – интегральные белки, которые обеспечивают пассивный транспорт ионов по градиенту концентрации. Энергией для транспорта служит разность концентрации ионов по обе стороны мембраны (трансмембранный ионный градиент).
Неселективные каналы обладают следующими свойствами :
- пропускают все типы ионов, но проницаемость для ионов K+ значительно выше, чем для других ионов;
- всегда находятся в открытом состоянии.
Селективные каналы обладают следующими свойствами :
- пропускают только один вид ионов; для каждого вида ионов существует свой вид каналов;
- могут находиться в одном из 3 состояний: закрытом, активированном, инактивированном.
Избирательная проницаемость селективного канала обеспечивается селективным фильтром, который образован кольцом из отрицательно заряженных атомов кислорода, которое находится в самом узком месте канала.
Изменение состояния канала обеспечивается работой воротного механизма , который представлен двумя белковыми молекулами. Эти белковые молекулы, так называемые активационные ворота и инактивационные ворота, изменяя свою конформацию, могут перекрывать ионный канал.
В состоянии покоя активационные ворота закрыты, инактивационные ворота открыты (канал закрыт). При действии на воротную систему сигнала активационные ворота открываются и начинается транспорт ионов через канал (канал активирован). При значительной деполяризации мембраны клетки инактивационные ворота закрываются и транспорт ионов прекращается (канал инактивирован). При восстановлении уровня потенциала покоя, канал возвращается в исходное (закрытое) состояние.
В зависимости от сигнала, который вызывает открытие активационных ворот, селективные ионные каналы подразделяют на:
- хемочувствительные каналы – сигналом к открытию активационных ворот является изменение конформации ассоциированного с каналом белка-рецептора в результате присоединения к нему лиганда;
- потенциалчувствительные каналы – сигналом к открытию активационных ворот является снижение потенциала покоя (деполяризация) клеточной мембраны до определенного уровня, который называют критическим уровнем деполяризации (КУД).
Поляризация мембраны в состоянии покоя, т.е. возникновение МП, при наличии трансмембранного градиента концентраций ионов объясняется прежде всего выходом по каналам утечки внутриклеточного К+ в окружающую клетку среду. Так, в состоянии физиологического покоя мембрана, например, нервных волокон в 25 раз более проницаема для К+, чем для Na+. Выход положительно заряженных К+ приводит к формированию положительного заряда на наружной поверхности мембраны. Органические анионы - крупномолекулярные соединения, которые несут отрицательный заряд и для которых мембрана клетки непроницаема, придают в этих условиях внутренней поверхности мембраны отрицательный заряд. На степень поляризации мембраны в состоянии покоя оказывает влияние перемещение через нее и других ионов, но в условиях относительного покоя оно невелико.
В состоянии покоя потоки ионов через мембрану, движущиеся по их концентрационным градиентам, в конечном счете должны были бы привести к выравниванию концентрации ионов внутри клетки и в окружающей ее среде. Но в живых клетках этого не происходит, так как в клеточной мембране существует особый молекулярный механизм, который получил название ионного насоса. Так, например, натриево-кали- евый насос обеспечивает выведение из цитоплазмы клетки Na+ и введение в цитоплазму КЛ Ионный насос перемещает ионы против их концентрационного градиента и, следовательно, работает с затратой энергии на преодоление силы градиента. Вместе с тем работа К4-, Na+-Hacoca является еще одним значимым фактором в создании МП. Выкачивая за каждый цикл работы из клетки три Na+ и вводя в клетку лишь два К+, насос формирует внутриклеточный отрицательный заряд, имеющий электрогенное происхождение, суммирующийся с зарядом, связанным с диффузией К+.
Таким образом, возникновение и поддержание МП покоя обусловлено избирательной проницаемостью мембраны клетки для ионов и работой натриево-калиевого насоса.
Мембранный потенциал покоя создает электрическое поле, которое обеспечивает закрытое состояние активационных «ворот» и открытое состояние инактивационных «ворот» натриевых каналов, а также сохранение определенной пространственной организации мембраны.
Пассивный транспорт
________________________
Осмос - движение молекул воды (растворителя) через мембрану из области меньшей в область большей концентрации растворенного вещества. Осмотическим давлением называется то наименьшее давление, которое необходимо приложить к раствору для того, чтобы предотвратить перетекание растворителя через мембрану в раствор с большей концентрацией вещества.
Молекулы растворителя, как и молекулы любого другого вещества, приводятся в движение силой, возникающей вследствие разности химических потенциалов. Когда какое-либо вещество растворяется, химический потенциал растворителя уменьшается. Поэтому в области, где концентрация растворенного вещества выше, химический потенциал растворителя ниже. Таким образом, молекулы растворителя, перемещаясь из раствора с меньшей в раствор с большей концентрацией, движутся в термодинамическом смысле «вниз», «по градиенту».
Объем клеток в значительной степени регулируется количеством содержащейся в них воды. Клетка никогда не находится в состоянии полного равновесия с окружающей средой. Непрерывное движение молекул и ионов через плазматическую мембрану изменяет концентрацию веществ в клетке и, соответственно, осмотическое
давление ее содержимого. Если клетка секретирует какое-либо вещество, то для поддержания неизменной величины осмотического давления она должна либо выделять соответствующее количество воды, либо поглощать эквивалентное количество иного вещества. Поскольку среда, окружающая большинство клеток гипотонична, для клеток важно предотвратить поступление в них больших количеств воды. Поддержание же постоянства объема даже в изотонической среде требует расхода энергии, поэтому в клетке концентрация веществ неспособных к диффузии (белков, нуклеиновых кислот и т.д.) выше, чем в околоклеточной среде. Кроме того, в клетке постоянно накапливаются метаболиты, что нарушает осмотическое равновесие. Необходимость расходования энергии для поддержания постоянства объема легко доказывается в экспериментах с охлаждением или ингибиторами метаболизма. В таких условиях клетки быстро набухают.
Для решения «осмотической проблемы» клетки используют два способа: они откачивают в интерстиций компоненты своего содержимого или поступающую в них воду. В большинстве случаев клетки используют первую возможность - откачку веществ, чаше ионов, используя для этого натриевый насос (см.ниже).
В целом объем клеток, не имеющих жестких стенок, определяется тремя факторами:
а) количеством содержащихся в них и неспособных к проникновению через мембрану веществ;
б) концентрацией в интерстиций соединений, способных проходить через мембрану;
в) соотношением скоростей проникновения и откачки веществ из клетки.
Большую роль в регуляции водного баланса между клеткой и окружающей средой играет эластичность плазматической мембраны, создающей гидростатическое давление, препятствующее поступлению воды в клетку. При наличии разности гидростатических давлений в двух областях среды вода может фильтроваться через поры барьера, разделяющего эти области.
Явления фильтрации лежат в основе многих физиологических процессов, таких, например, как образование первичной мочи в нефроне, обмен воды между кровью и тканевой жидкостью в капиллярах.
Существует несколько видов диффузии.
▲ Простая диффузия через липидный матрикс мембраны, с помощью которой проходят малые неполярные молекулы - 02, N2, этанол, эфир, малые полярные молекулы, не имеющие заряда - мочевина, аммиак, С02, а также жирорастворимые вещества - низкомолекулярные жирные кислоты, гормоны щитовидной железы, стероидные гормоны половых желез и коры надпочечников, витамины А и D3.
ж Простая диффузия через ионные каналы мембраны обеспечивает движение неорганических ионов по концентрационному или электрохимическому градиенту.
а. Облегченная диффузия с помощью переносчиков лежит в основе транспорта большинства полярных молекул соединений среднего размера, не имеющих заряда: глюкозы, аминокислот, нуклеотидов. Как правило, переносчик связывается с определенным веществом или родственной группой веществ. При наличии высоких концентраций вещества возможно ограничение объема и скорости транспорта из-за насыщения переносчиков.
Активный транспорт осуществляет перенос веществ против градиента концентраций и требует затрат энергии. На обеспечение активного транспорта клетки затрачивают от 30 до 70 % энергии, образующейся в процессе жизнедеятельности. Источником энергии для активного транспорта в клетке являются энергия трансмембранных ионных градиентов и энергия связей АТФ. В зависимости от вида используемой для транспорта энергии различают два вида активного транспорта.
ж Первично активный транспорт, создаваемый работой мембранных белков-насосов. Эти белки соединяют в себе свойства транспортной системы для переноса ионов и свойства фермента, расщепляющего АТФ. Получаемая энергия используется насосом для транспорта ионов. В мембранах клеток обнаружены следующие насосы:
К+~, На+-насос\ переносит три Na+ наружу в обмен на два К+ внутрь, т.е. против градиента концентраций; на один цикл работы насоса расходуется 1 мол. АТФ; за счет работы этого насоса создается концентрационный градиент для Na+ и К+, который используется для формирования МП клетки, а также вторичного активного транспорта;
Са2+-насос: встроен как в мембрану клетки, так и в мембраны клеточных органелл; в связи с высокой активностью Са2+ как регулятора многих процессов, протекающих в клетке, его внутриклеточная концентрация должна строго контролироваться; насос откачивает Са2+ во внешнюю среду клетки или во внутриклеточные депо;
Н+-насос, протонный насос, работающий как в наружной мембране, так и в мембранах клеточных органелл; переносит Н+ против градиента концентраций из клетки в окружающую среду, например из обкладочных клеток желудка в желудочный сок или из клеток эпителия почечных канальцев в канальцевую мочу.
Вторично активный транспорт использует для переноса веществ энергию градиента концентрации какого-либо иона, например Na+, созданную за счет работы насоса. Таким способом в клетках слизистой кишки или в канальцах почки транспортируются глюкоза и аминокислоты. Натрий, перемещаясь по электрохимическому градиенту молекулой-переносчиком, одновременно способствует переносу против градиента концентраций глюкозы или аминокислот, связанных с этим же переносчиком.
Разновидностью вторично активного транспорта является работа систем ионного обмена и систем совместного транспорта. Источником энергии для транспорта одного иона является энергия градиента концентраций другого. Транспорт может осуществляться как в клетку, так и из клетки. Описаны следующие разновидности ионообменников:
Na+-, Са2+-обмен обеспечивает выкачивание из клетки Са2+ за счет движения Na+ по электрохимическому градиенту внутрь клетки; механизм работает в нейронах, миоцитах, клетках эпителия и эндокринных;
Na+~, Н+-обмен обеспечивает выведение протонов из клетки в среду за счет энергии градиента натрия; механизм работает в нейронах, клетках печени, мышц, эпителия канальцев нефрона;
С/ -, нсо j - самый высокоскоростной ионообменник, участвующий в транспорте анионов; обеспечивает поглощение эритроцитами образовавшейся в тканях С02 и выход ее из них в виде НС03 в обмен на поступление С1~; механизм работает, помимо эритроцитов, в миоцитах, эпителиальных клетках почки и кишки;
Na+-, К"-, О -симпорт группы ионов в одном направлении; источником энергии может быть градиент концентрации любого из этих ионов; направление транспорта определяется состоянием гомеостаза клетки; механизм работает в эритроцитах человека и связан с необходимостью уменьшения концентрации в клетке этих ионов.
Транспорт макромолекул - белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот - осуществляется путем эндоцитоза и экзоци- тоза.
Эндоцитоз заключается в образовании углубления с последующим отшнуровыванием участка мембраны, с которым контактирует макромолекулярный субстрат. Образовавшиеся эндоцитозные пузырьки транспортируются либо к лизосомам для последующего расщепления вещества лизосомальными ферментами, либо к противоположной стороне клетки и выделяют содержимое путем экзоцитоза. Существует три вида эндоцитоза:
Пиноцитоз - неспецифический захват внеклеточной жидкости с растворенными в ней макромолекулами для использования последних для нужд клетки или для переноса сквозь клетку;
Эндоцитоз, опосредуемый рецепторами, - захват веществ после их взаимодействия с рецепторами мембра-ны; после впячивания мембраны и ее отшнуровыва- ния образовавшиеся эндосомы транспортируются к ли- зосомам для ферментативного расщепления; таким образом инактивируются гормоны, иммуноглобулины, антигены;
Фагоцитоз - захват крупных клеточных частиц специализированными клетками - микро- и макрофагами с последующим перевариванием.
Экзоцитоз - выделение из клетки упакованных в гранулы (пузырьки) субстратов путем слияния мембран гранул с мембраной клетки; так выделяются гормоны, медиаторы, пищеварительные соки.
12345Следующая ⇒
Конспект лекции № 3.
Тема. Субклеточный и клеточный уровни организации живого.
Строение биологических мембран.
Основа биологической мембраны всех живых организмов- это двойная фосфолипидная структура. Фосфолипиды клеточных мембран представляют собой триглицериды, у которых одна из жирных кислот замещена на фосфорную кислоту. Гидрофильные "головки" и гидрофобные "хвостики" фосфолипидных молекул ориентированы так, что возникает два ряда молекул, головки которых прикрывают от воды "хвостики".
В такую фосфолипидную структуру интегрированы разные по величине и форме белки.
Индивидуальные свойства и особенности мембраны определяются преимущественно белками. Разный белковый состав определяет разницу строения и функций органоидов любых видов животных. Влияние состава липидов мембран на их свойства значительно ниже.
Транспорт веществ через биологические мембраны.
Транспорт веществ через мембрану делят на пассивный (без затрат энергии по градиенту концентрации) и активный (с затратами энергии).
Пассивный транспорт: диффузия, облегченная диффузия, осмос.
Диффузия — это движение растворенных в среде частиц из зоны с высокой концентрацией в зону с низкой концентрацией (растворение сахара в воде).
Облегченная диффузия — это диффузия с помощью белка-канала (поступление глюкозы в эритроциты).
Осмос — это движение частиц растворителя из зоны с меньшей концентрацией растворенного вещества в зону с высокой концентрацией (эритроцит в дистиллированной воде набухает и лопается).
Активный транспорт делят на транспорт, связанный с изменением формы мембраны и транспорт белками-ферментами-насосами.
В свою очередь, транспорт, связанный с изменением формы мембран, делят на три вида.
Фагоцитоз — это захват плотного субстрата (лейкоцит-макрофаг захватывает бактерию).
Пиноцитоз — это захват жидкостей (питание клеток зародыша на первых стадиях внутриутробного развития).
Транспорт белками-ферментами-насосами — это передвижение вещества через мембрану с помощью белков-переносчиков, интегрированных в мембрану (транспорт ионов натрия и калия "из" и "в" клетку, соответственно).
По направлению транспорт делят на экзоцитоз (из клетки) и эндоцитоз (в клетку).
Классификация составных частей клетки проводится по различным критериям.
По наличию биологических мембран органоиды делят на двумембранные, одномембранные и немембранные.
По функциям органоиды можно разделить на неспецифические (универсальные) и специфические (специализированные).
По значению при повреждении на жизненноважные и восстановимые.
По принадлежности к разным группам живых существ на растительные и животные.
Мембранные (одно- и двумембранные) органоиды имеют сходное с точки зрения химии строение.
Двумембранные органоиды.
Ядро. Если клетки организма имеют ядро, то их называют эукариотами. Ядерная оболочка имеет две близкорасположенные мембраны. Между ними находится перинуклеарное пространство. В ядерной оболочке есть отверстия — поры. Ядрышки — это части ядра ответственные за синтез РНК. В ядрах некоторых клеток женщин в норме выделяется 1 тельце Барра — неактивная Х-хромосома. При делении ядра становятся заметны все хромосомы. Вне деления хромосомы, как правило, не видны. Ядерный сок — кариоплазма. Ядро обеспечивает хранение и функционирование генетической информации.
Митохондрии. Внутренняя мембрана имеет кристы, которые увеличивают площадь внутренней поверхности для ферментов аэробного окисления. Митохондрии имеют свою ДНК, РНК, рибосомы. Главная функция — завершение окисления и фосфорилирование АДФ
АДФ+Ф=АТФ.
Пластиды (хлоропласты, хромопласты, лейкопласты). Пластиды имеют собственные нуклеиновые кислоты и рибосомы. В строме хлоропластов имеются дискообразные мембраны, собранные в стопки, где находится хлорофилл, ответственный за фотосинтез.
Хромопласты имеют пигменты, которые определяют желтую, красную, оранжевую окраску листьев, цветков и плодов.
Лейкопласты запасают питательные вещества.
Одномембранные органоиды.
Наружная цитоплазматическая мембрана отделяет клетку от внешней среды. Мембрана имеет белки, которые выполняют разные функции. Различают белки-рецепторы, белки-ферменты, белки-насосы, белки-каналы. Наружная мембрана обладает избирательной проницаемостью, обеспечивая транспорт веществ через мембрану.
У некоторых мембран выделяют элементы надмембранного комплекса — клеточная стенка у растений, гликокаликс и микроворсинки клеток эпителия кишечника у людей.
Имеется аппарат контакта с соседними клетками (например, десмосомы) и субмембранный комплекс (фибриллярные структуры), обеспечивающий устойчивость и форму мембраны.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — это система мембран, образующих цистерны и каналы для взаимосвязей внутри клетки.
Различают гранулярную (шероховатую) и гладкую ЭПС.
На гранулярной ЭПС имеются рибосомы, где происходит биосинтез белков.
На гладкой ЭПС синтезируются липиды и углеводы, окисляется глюкоза (бескислородный этап), обезвреживаются эндогенные и экзогенные (ксенобиотики-чужеродные, в том числе, лекарственные) вещества. Для обезвреживания на гладкой ЭПС имеются белки-ферменты, катализирующие 4 главных типа химических реакций: окисление, восстановление, гидролиз, синтез (метилирование, ацетилирование, сульфатирование, глюкуронирование). В содружестве с аппаратом Гольджи ЭПС принимает участие в формировании лизосом, вакуолей и других одномембранных органоидов.
Аппарат Гольджи (пластинчатый комплекс) — это компактная система из плоских мембранных цистерн, дисков, пузырьков, которая тесно связана с ЭПС. Пластинчатый комплекс принимает участие в формировании оболочек (например, для лизосом и секреторных гранул) отграничивающих гидролитические ферменты и другие вещества от содержимого клетки.
Лизосомы — пузырьки с гидролитическими ферментами. Лизосомы активно участвуют во внутриклеточном пищеварении, в фагоцитозе. Они переваривают захваченные клеткой объекты, сливаясь с пиноцитарными и фагоцитарными пузырьками. Могут переваривать собственные изношенные органоиды. Лизосомы фагов обеспечивают иммунную защиту. Лизосомы опасны тем, что при разрушении их оболочки может произойти аутолизис (самопереваривание) клетки.
Пероксисомы — это мелкие одномембранные органоиды, содержащие фермент каталазу, который нейтрализует перекись водорода. Пероксисомы — это органоиды защиты мембран от свободнорадикального перекисного окисления.
Вакуоль — это одномембранные органоиды, характерные для растительных клеток. Их функции связаны с поддержанием тургора и (или) запасанием веществ.
Немембранные органоиды.
Рибосомы — это рибонуклеопротеиды, состоящие из большой и малой субъединиц р-РНК. Рибосомы являются местом сборки белка.
Фибриллярные (нитеобразные) структуры — это микротрубочки, промежуточные филаменты и микрофиламенты.
Микротрубочки. По строению напоминают бусы, нить которых завита в плотную пружину-спираль. Каждая "бусинка" представляет собой белок-тубулин. Диаметр трубочки 24 нм. Микротрубочки — это часть системы каналов, обеспечивающих внутриклеточный транспорт веществ. Они укрепляют цитоскелета, принимают участие в формировании веретена деления, центриолей клеточного центра, базальных телец, ресничек и жгутиков.
Клеточный центр — участок цитоплазмы с двумя центриолями, образованными из 9 триплетов (по 3 микротрубочки). Таким образом, каждая центриоль состоит из 27 микротрубочек. Считается, что клеточный центр является базой для формирования нитей веретена деления клетки.
Базальные тельца — это основания ресничек и жгутиков. На поперечном разрезе реснички и жгутики имеют девять пар микротрубочек по окружности и одну пару в центре, всего 18+2=20 микротрубочек. Реснички и жгутики обеспечивают движение микроорганизмов и клеток (сперматозоиды) в среде их обитания.
Промежуточные филаменты имеют диаметр 8-10 нм. Они обеспечивают функции цитоскелета.
Микрофиламенты с диаметром 5-7 нм преимущественно состоят из белка актина. Во взаимодействии с миозином они отвечают не только за мышечные сокращения, но и за сократительную активность не мышечных клеток. Так, изменения формы мембраны при фагоцитозе и активность микроворсинок объясняют работой микрофиламентов.
Включения — это скопления вещества в клетке, которые не ограничены внутриклеточными мембранами (капли жира, глыбки гликогена).
Деление органоидов на неспецифические (универсальные) и специфические (специализированные) достаточно условно. К органоидам специального назначения относят реснички и жгутики, микроворсинки, мышечные микрофиламенты.
Животные клетки отличаются от растительных отсутствием целлюлозы и клеточной стенки, вакуолей с клеточным соком, пластид. Растительные клетки высших растений не имеют ресничек и жгутиков. У растений нет центриолей.
При повреждении ядра, и митохондрий (отравление цианидами) неизбежна смерть клетки, так как блокирована информация и энергия. Ядро и митохондрии относят к жизненноважным органоидам. При разрушении других органоидов существует принципиальная возможность их восстановления.
12345Следующая ⇒
Похожая информация:
Поиск на сайте:
Мембраны биологические (лат. membrana оболочка, перепонка)- функционально активные поверхностные структуры толщиной в несколько молекулярных слоев, ограничивающие цитоплазму и большинство органелл клетки, а также образующие единую внутриклеточную систему канальцев, складок, замкнутых областей.
Биологические мембраны имеются во всех клетках. Их значение определяется важностью функций, которые они выполняют в процессе нормальной жизнедеятельности, а также многообразием заболеваний и патологических состояний, возникающих при различных нарушениях мембранных функций и проявляющихся практически на всех уровнях организации - от клетки и субклеточных систем до тканей, органов и организма в целом.
Мембранные структуры клетки представлены поверхностной (клеточной, или плазматической) и внутриклеточными (субклеточными) мембранами. Название внутриклеточных (субклеточных) мембран обычно зависит от названия ограничиваемых или образуемых ими структур. Так, различают митохондриальные, ядерные, лизосомные мембраны, мембраны пластинчатого комплекса аппарата Гольджи, эндоплазматического ретикулума, саркоплазматического ретикулума и др. (см. Клетка ). Толщина биологических мембран - 7-10 нм , но их общая площадь очень велика, например, в печени крысы она составляет несколько сот квадратных метров.
Химический состав и строение биологических мембран. Состав биологических мембран зависит от их типа и функций, однако основными составляющими являются липиды и белки, а также углеводы (небольшая, но чрезвычайно важная часть) и вода (более 20% общего веса).
Липиды . В составе биологических мембран обнаружены липиды трех классов: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. В мембранах животных клеток более 50% всех липидов составляют фосфолипиды - глицерофосфолипиды (фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит) и сфингофосфолипиды (производные церамида, сфингомиелин). Гликолипиды представлены цереброзидами, сульфатидами и ганглиозидами, а стероиды - в основном холестерином (около 30%). В липидных компонентах биологических мембран содержатся разнообразные жирные кислоты, однако в мембранах животных клеток преобладают пальмитиновая, олеиновая и стеариновая кислоты. Основную структурную роль в биологических мембранах играют фосфолипиды. Они обладают выраженной способностью формировать двухслойные структуры (бислои) при смешивании с водой, что обусловлено химической структурой фосфолипидов, молекулы которых состоят из гидрофильной части - «головки» (остаток фосфорной кислоты и присоединенная к нему полярная группа, например холин) и гидрофобной части - «хвоста» (как правило, две жирно-кислотные цепи). В водной среде фосфолипиды бислоя расположены таким образом, что жирно-кислотные остатки обращены внутрь бислоя и, следовательно, изолированы от окружающей среды, а гидрофильные «головки» -наоборот, наружу. Липидный бислои представляет собой динамичную структуру: образующие его липиды могут вращаться, двигаться в латеральном направлении и даже переходить из слоя в слой (флип-флоп переход). Такое строение липидного бислоя легло в основу современных представлений о структуре биологических мембран и определяет некоторые важные свойства биологических мембран, например способность служить барьером и не пропускать молекулы веществ, растворенных в воде (рис .). Нарушение структуры бислоя может привести к нарушению барьерной функции мембран.
Холестерин в составе биологических мембран играет роль модификатора бислоя, придавая ему определенную жесткость за счет увеличения плотности «упаковки» молекул фосфолипидов.
Гликолипиды несут разнообразные функции: отвечают за рецепцию некоторых биологически активных веществ, участвуют в дифференцировке ткани, определяют видовую специфичность.
Белки биологических мембран исключительно разнообразны. Молекулярная масса их в большинстве своем составляет 25 000 - 230 000.
Белки могут взаимодействовать с липидным бислоем за счет электростатических и (или) межмолекулярных сил. Они сравнительно легко могут быть удалены из мембраны. К такому типу белков относят цитохром с (молекулярная масса около 13 000), обнаруживаемый на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий.
Эти белки называются периферическими, или наружными. Для других белков, получивших название интегральных, или внутренних, характерно то, что одна или несколько полипептидных цепей оказываются погруженными в бислои или пересекают его, иногда не один раз (например, гликофорин, транспортные АТФ-азы, бактериородопсин). Часть белка, контактирующая с гидрофобной частью липидного бислоя, имеет спиральное строение и состоит из неполярных аминокислот, в силу чего между этими компонентами белков и липидов происходит гидрофобное взаимодействие. Полярные группы гидрофильных аминокислот непосредственно взаимодействуют с примембранными слоями, как с одной, так и с другой стороны бислоя. Молекулы белков, как и молекулы липидов, находятся в динамическом состоянии, для них также характерна вращательная, латеральная и вертикальная подвижность. Она является отражением не только их собственной структуры, но и функциональной активности. что в значительной степени определяется вязкостью липидного бислоя, которая, в свою очередь, зависит от состава липидов, относительного содержания и вида ненасыщенных жирно-кислотных цепей. Этим объясняется узкий температурный диапазон функциональной активности мембраносвязанных белков.
Белки мембран выполняют три основные функции: каталитическую (ферменты), рецепторную и структурную. Однако такое разграничение достаточно условно, и в ряде случаев один и тот же белок может выполнять и репепторную и ферментную функции (например, инсулин).
Число мембранных ферментов в клетке достаточно велико, однако их распределение в различных типах биологических мембран неодинаково. Некоторые ферменты (маркерные) присутствуют только в мембранах определенного типа (например, Na, К-АТФ-аза, 5-нуклеотидаза, аденилатциклаза - в плазматической мембране; цитохром Р-450, НАДФН-дегидрогеназа, цитохром в5 - в мембранах эндоплазматического ретикулума; моноаминоксидаза - в наружной мембране митохондрий, а цитохром С-оксидаза, сукцинат-дегидрогеназа - во внутренней; кислая фосфатаза - в мембране лизосом).
Рецепторные белки, специфически связывая низкомолекулярные вещества (многие гормоны, медиаторы), обратимо меняют свою форму. Эти изменения запускают внутри клетки ответные химические реакции. Таким способом клетка принимает различные сигналы, поступающие из внешней среды.
К структурным белкам относят белки цитоскелета, прилегающие к цитоплазматической стороне клеточной мембраны. В комплексе с микротрубочками и микрофиламентами цитоскелета они обеспечивают противодействие клетки изменению ее объема и создают эластичность. В эту же группу включают ряд мембранных белков, функции которых не установлены.
Углеводы в биологических мембранах находятся в соединении с белками (гликопротеины) и липидами (гликолипиды). Углеводные цепи белков представляют собой олиго- или полисахаридные структуры, в состав которых входят глюкоза, галактоза, нейраминовая кислота, фукоза и манноза. Углеводные компоненты биологических мембран открываются в основном во внеклеточную среду, образуя на поверхности клеточных мембран множество ветвистых образований, являющихся фрагментами гликолипидов или гликопротеидов. Их функции связаны с контролем за межклеточным взаимодействием, поддержанием иммунного статуса клетки, обеспечением стабильности белковых молекул в биологических мембранах. Многие рецепторные белки содержат углеводные компоненты. Примером могут служить антигенные детерминанты групп крови, представленные гликолипидами и гликопротеинами.
Функции биологических мембран. Барьерная функция . Для клеток и субклеточных частиц биологических мембран служат механическим барьером, отделяющим их от внешнего пространства. Функционирование клетки часто сопряжено с наличием значительных механических градиентов на ее поверхности преимущественно вследствие осмотического и гидростатического давления. Основную нагрузку в этом случае несет клеточная стенка, главными структурными элементами которой у высших растений являются целлюлоза, пектин и экстепин, а у бактерий - муреин (сложный полисахарид-пептид). В клетках животных необходимость в жесткой оболочке отсутствует. Некоторую жесткость этим клеткам придают особые белковые структуры цитоплазмы, примыкающие к внутренней поверхности плазматической мембраны.
Перенос веществ через биологические мембраны сопряжен с такими важнейшими биологическими явлениями, как внутриклеточный гомеостаз ионов, биоэлектрические потенциалы, возбуждение и проведение нервного импульса, запасание и трансформация энергии и т.п. (см. Биоэнергетика ). Различают пассивный и активный транспорт (перенос) нейтральных молекул, воды и ионов через биологические мембраны. Пассивный транспорт не связан с затратами энергии, он осуществляется путем диффузии по концентрационным, электрическим или гидростатическим градиентам. Активный транспорт осуществляется против градиентов, связан с затратой энергии (преимущественно энергии гидролиза АТФ) и сопряжен с работой специализированных мембранных систем (мембранных насосов). Различают несколько видов транспорта. Если вещество транспортируется через мембрану независимо от наличия и переноса других соединений, то такой вид транспорта называют юнипортом. Если перенос одного вещества сопряжен с транспортом другого, то говорят о котранспорте, причем однонаправленный перенос называется симпортом, а противоположно направленный - антипортом. В особую группу выделяют перенос веществ путем экзо- и пиноцитоза.
Пассивный перенос может осуществляться путем простой диффузии через липидный бислои мембраны, а также через специализированные образования - каналы. Путем диффузии через мембрану проникают в клетку незаряженные молекулы, хорошо растворимые в липидах, в т.ч. многие яды и лекарственные средства, а также кислород и углекислый газ. Каналы представляют собой липопротеиновые структуры, пронизывающие мембраны. Они служат для переноса определенных ионов и могут находиться в открытом или закрытом состоянии. Проводимость канала зависит от мембранного потенциала, что играет важную роль в механизме генерации и проведения нервного импульса.
В ряде случаев перенос вещества совпадает с направлением градиента, но существенно превосходит по скорости простую диффузию. Этот процесс называют облегченной диффузией; он происходит с участием белков-переносчиков. Процесс облегченной диффузии не нуждается в энергии. Этим способом транспортируются сахара, аминокислоты, азотистые основания. Такой процесс происходит, например, при всасывании сахаров из просвета кишечника клетками эпителия.
Перенос молекул и ионов против электрохимического градиента (активный транспорт) связан со значительными затратами энергии. Часто градиенты достигают больших величин. например, концентрационный градиент водородных ионов на плазматической мембране клеток слизистой оболочки желудка составляет 106, градиент концентрации ионов кальция на мембране саркоплазматического ретикулума - 104, при этом потоки ионов против градиента значительны. В результате затраты энергии на транспортные процессы достигают, например, у человека, более 1/3 всей энергии метаболизма. В плазматических мембранах клеток различных органов обнаружены системы активного транспорта ионов натрия и калия - натриевый насос. Эта система перекачивает натрий из клетки и калий в клетку (антипорт) против их электрохимических градиентов. Перенос ионов осуществляется основным компонентом натриевого насоса - Na+, К+-зависимой АТФ-азой за счет гидролиза АТФ. На каждую гидролизующуюся молекулу АТФ транспортируется три иона натрия и два иона калия. Существуют два типа Са2+-АТФ-аз. Одна из них обеспечивает выброс ионов кальция из клетки в межклеточную среду, другая - аккумуляцию кальция из клеточного содержимого во внутриклеточное депо. Обе системы способны создавать значительный градиент иона кальция. К+, Н+-АТФ-аза обнаружена в слизистой оболочке желудка и кишечника. Она способна транспортировать Н+ через мембрану везикул слизистой оболочки при гидролизе АТФ.
Статья: Транспорт веществ через биологические мембраны
В микросомах слизистой оболочки желудка лягушки найдена аниончувствительная АТФ-аза, способная при гидролизе АТФ осуществлять антипорт бикарбоната и хлорида.
Изложенные механизмы транспорта различных веществ через клеточные мембраны имеют место и в случае их транспорта через эпителий ряда органов (кишечника, почек, легких), который осуществляется через слой клеток (монослой в кишечнике и нефронах), а не через единичную клеточную мембрану. Такой транспорт называют трансцеллюлярным, или трансэпителиальным. Характерной особенностью клеток, например эпителиоцитов кишечника и канальцев нефронов, является то, что апикальная и базальная их мембраны различаются по проницаемости, величине мембранного потенциала и транспортной функции.
Способность генерировать биоэлектрические потенциалы и проводить возбуждение . Возникновение биоэлектрических потенциалов связано с особенностями строения биологических мембран и с деятельностью их транспортных систем, создающих неравномерное распределение ионов по обе стороны мембраны (см. Биоэлектрические потенциалы, Возбуждение ).
Процессы трансформации и запасания энергии протекают в специализированных биологических мембранах и занимают центральное место в энергетическом обеспечении живых систем. Два основных процесса энергообразования - фотосинтез и тканевое дыхание - локализованы в мембранах внутриклеточных органелл высших организмов, а у бактерий - в клеточной (плазматической) мембране (см. Дыхание тканевое ). Фотосинтезирующие мембраны преобразуют энергию света в энергию химических соединений, запасая ее в форме сахаров - основного химического источника энергии для гетеротрофных организмов. При дыхании энергия органических субстратов освобождается в процессе переноса электронов по цепи окислительно-восстановительных переносчиков и утилизируется в процессе фосфорилирования АДФ неорганическим фосфатом с образованием АТФ. Мембраны, осуществляющие фосфорилирование, сопряженное с дыханием, называют сопрягающими (внутренние мембраны митохондрий, клеточные мембраны некоторых аэробных бактерий, мембраны хроматофоров фотосинтезирующих бактерий).
Метаболические функции мембран определяются двумя факторами: во-первых, связью большого числа ферментов и ферментативных систем с мембранами, во-вторых, способностью мембран физически разделять клетку на отдельные отсеки, отграничивая друг от друга метаболические процессы, протекающие в них. Метаболические системы не остаются при этом полностью изолированными. В мембранах, разделяющих клетку, имеются специальные системы, обеспечивающие избирательное поступление субстратов, выделение продуктов, а также движение соединений, обладающих регуляторным действием.
Клеточная рецепция и межклеточные взаимодействия . Под этой формулировкой объединен весьма обширный и разнообразный набор важных функций клеточных мембран, определяющих взаимодействие клетки с окружающей средой и формирование многоклеточного организма как единого целого. Молекулярно-мембранные аспекты клеточной рецепции и межклеточных взаимодействий касаются прежде всего иммунных реакций, гормонального контроля роста и метаболизма, закономерностей эмбрионального развития.
Нарушения структуры и функции биологических мембран . Разнообразие типов биологических мембран, их полифункциональность и высокая чувствительность к внешним условиям порождают необыкновенное разнообразие структурно-функциональных нарушений мембран, возникающих при многих неблагоприятных воздействиях и сопряженных с огромным числом конкретных заболеваний организма как целого. Все это разнообразие нарушений достаточно условно можно подразделить на транспортные, функционально-метаболические и структурные. В общем виде охарактеризовать последовательность возникновения этих нарушений не представляется возможным, и в каждом конкретном случае требуется детальный анализ для выяснения первичного звена в цепи развития структурно-функциональных нарушений мембран. Нарушение транспортных функций мембран, в частности увеличение проницаемости мембран, - общеизвестный универсальный признак повреждения клетки. Нарушением транспортных функций (например, у человека) обусловлено более 20 так называемых транспортных болезней, среди которых почечная глюкозурия, цистинурия, нарушение всасывания глюкозы, галактозы и витамина В12, наследственный сфероцитоз и др. Среди функционально-метаболических нарушений биологические мембраны центральными являются изменения процессов биосинтеза, а также многообразные отклонения в энергообеспечении живых систем. В наиболее общем виде следствием этих процессов является нарушение состава и физико-химических свойств мембран, выпадение отдельных звеньев метаболизма и его извращение, а также снижение уровня жизненно важных энергозависимых процессов (активного транспорта ионов, процессов сопряженного транспорта, функционирования сократительных систем и т.д.). Повреждения ультраструктурной организации биологических мембран выражаются в чрезмерном везикулообразовании, увеличении поверхности плазматических мембран за счет образования пузырей и отростков, слиянии разнородных клеточных мембран, образовании микропор и локальных структурных дефектов.
Библиогр.: Биологические мембраны, под ред. Д.С. Парсонса, пер. с англ., М., 1978; Болдырев А.А. Введение в биохимию мембран, М., 1986, библиогр.; Конев С.В. и Мажуль В.М. Межклеточные контакты. Минск, 1977; Кульберг А.Я. Рецепторы клеточных мембран, М., 1987, библиогр.; Маленков А.Г. и Чуич Г.А. Межклеточные контакты и реакции ткани, М., 1979; Сим Э. Биохимия мембран, пер. с англ., М., 1985, библиогр.; Финеан Дж., Колмэн Р. и Митчелл Р. Мембраны и их функции в клетке, пер. с англ., М., 1977, библиогр.
Внимание! Статья ‘Мембраны биологические ‘ приведена исключительно в ознакомительных целях и не должна применяться для самолечения
Транспорт веществ через плазматическую мембрану
Барьерно-транспортная функция поверхностного аппарата клетки обе-спечивается избирательным переносом ионов, молекул и надмолекулярных структур в клетку и из нее. Транспорт через мембраны обеспечивает доставку питательных веществ и удаление ко-нечных продуктов обмена из клетки, секрецию, создание ионных градиентов и трансмембранного потенциала, под-держание в клетке необходимых значе-ний pH и др.
Механизмы транспорта веществ в клетку и из нее зависят от химиче-ской природы переносимого вещества и его концентрации по обе стороны клеточной мембраны, а также от разме-ров транспортируемых частиц. Малые молекулы и ионы транспортируются через мембрану путем пассивного или активного транспорта. Пере-нос макромолекул и крупных частиц осуществляется посредством транспор-та в «мембранной упаковке», то есть за счет образования окруженных мембра-ной пузырьков.
Пассивным транспортом называет-ся перенос веществ через мембрану по градиенту их концентрации без затра-ты энергии. Такой транспорт осущест-вляется посредством двух основных механизмов: простой диффузии и об-легченной диффузии.
Путем простой диффузии транспор-тируются малые полярные и неполяр-ные молекулы, жирные кислоты и дру-гие низкомолекулярные гидрофобные органические вещества. Транспорт мо-лекул воды через мембрану, осущест-вляемый путем пассивной диффузии, получил название осмоса. Примером простой диффузии служит транспорт газов через плазматическую мембрану эндотелиальных клеток кровеносных капилляров в окружающую их ткане-вую жидкость и обратно.
Гидрофильные молекулы и ионы, не способные самостоятельно прохо-дить через мембрану, транспортируются с помощью специфических мембранных транспортных белков. Такой механизм транспорта получил назва-ние облегченной диффузии.
Существуют два основных клас-са мембранных транспортных белков: белки-переносчики и белки-каналы. Молекулы переносимого вещества, связы-ваясь с белком-переносчиком, вызыва-ют его конформационные изменения, результатом чего служит перенос ука-занных молекул через мембрану. Об-легченная диффузия отличается высо-кой избирательностью по отношению к транспортируемым веществам.
Белки-каналы формируют запол-ненные водой поры, пронизывающие липидный бислой. Когда эти поры от-крыты, неорганические ионы или мо-лекулы транспортируемых веществ проходят сквозь них и таким образом переносятся через мембрану. Ионные каналы обеспечивают перенос при-мерно 106 ионов в секунду, что более чем в 100 раз превышает скорость транспорта, осуществляемого белками-переносчиками.
Большинство белков-каналов име-ет «ворота», которые открываются на короткое время, а затем закрываются. В зависимости от природы канала «во-рота» могут открываться в ответ на свя-зывание сигнальных молекул (лиганд-зависимые воротные каналы), измене-ние мембранного потенциала (потенциал-зависимые воротные каналы) или механическую стимуляцию.
Активным транспортом называ-ется перенос веществ через мембрану против их градиентов концентрации. Он осуществляется с помощью белков-переносчиков и требует затрат энергии, основным источником которой служит АТФ.
Примером активного транспорта, использующего энергию гидролиза АТФ для перекачки ионов Na+ и К+ че-рез мембрану клетки, служит работа натриево-калиевого насоса , обеспечи-вающего создание мембранного по-тенциала на плазматической мембране клеток.
Насос образован встроенными в биологические мембраны специфи-ческими белками-ферментами аденозинтрифосфатазами, катализирующи-ми отщепление остатков фосфорной кислоты от молекулы АТФ. В состав АТФаз входят: ферментный центр, ионный канал и структурные элемен-ты, препятствующие обратной утечке ионов в процессе работы насоса. На работу натриево-калиевого насоса рас-ходуется более 1/3 АТФ, потребляемой клеткой.
В зависимости от способности транспортных белков переносить один или несколько видов молекул и ионов пассивный и активный транспорт под-разделяются на унипорт и копорт, или сопряженный транспорт.
Унипорт - это транспорт, при кото-ром белок-переносчик функционирует только в отношении молекул или ионов одного вида. При копорте, или сопря-женном транспорте, белок-переносчик способен транспортировать одновре-менно два или более видов молекул или ионов. Такие белки-переносчики получили название копортеров , или сопряженных переносчиков. Различают два вида копорта: симпорт и антипорт. В случае симпорта молекулы или ионы транспортируются в одном направле-нии, а при антипорте - в противопо-ложных направлениях. По принципу ан-типорта работает, например, натриево-калиевый насос, активно перекачивая ионы Na+ из клеток, а ионы К+ внутрь клеток против их электрохимических градиентов. Примером симпорта слу-жит реабсорбция клетками почечных канальцев глюкозы и аминокислот из первичной мочи. В первичной моче концентрация Na+ всегда значитель-но выше, чем в цитоплазме клеток по-чечных канальцев, что обеспечивается работой натриево-калиевого насоса. Связывание глюкозы первичной мочи с сопряженным белком-переносчиком открывает Nа+-канал, что сопровожда-ется переносом ионов Na+ из первичной мочи внутрь клетки по градиенту их концентрации, то есть путем пассивного транспорта. Поток ионов Na+, в свою очередь, вызывает изменения конфор-мации белка-переносчика, результатом чего служит транспорт глюкозы в том же направлении, что и ионов Na+: из первичной мочи внутрь клетки. В данном случае для транспорта глюкозы, как можно убедиться, сопряженный переносчик использует энергию гра-диента ионов Na+, создаваемую рабо-той натриево-калиевого насоса. Таким образом, работа натриево-калиевого насоса и сопряженного переносчика, использующего для транспорта глюкозы градиент ионов Na+, позволяет реабсорбировать практически всю глюкозу из первичной мочи и включить ее в об-щий метаболизм организма.
Благодаря избирательному транс-порту заряженных ионов плазмалемма почти всех клеток несет на своей наруж-ной стороне положительный, а на вну-тренней цитоплазматической стороне - отрицательный заряды. В результате этого между обеими сторонами мембра-ны создается разность потенциалов.
Формирование трансмембранного потенциала достигается в основном за счет работы встроенных в плазмалемму транспортных систем: натриево-калиевого насоса и белков-каналов для ионов К+.
Как отмечалось выше, в процес-се работы натриево-калиевого насо-са на каждые два поглощенных клет-кой иона калия из нее выводится три иона натрия. В результате снаружи клеток создается избыток ионов Na+, а внутри - избыток ионов К+. Однако еще более значимый вклад в создание трансмембранного потенциала вносят калиевые каналы, которые в клетках, находящихся в состоянии покоя, всег-да открыты. Благодаря этому ионы К+ выходят по градиенту концентрации из клетки во внеклеточную среду. В ре-зультате этого между двумя сторонами мембраны возникает разность потен-циалов от 20 до 100 мВ. Плазмалемма возбудимых клеток (нервных, мы-шечных, секреторных) наряду с К+- каналами содержит многочисленные Nа+-каналы, которые открываются на короткое время при действии на клетку химических, электрических или других сигналов. Открытие Nа+-каналов вы-зывает изменение трансмембранного потенциала (деполяризацию мембра-ны) и специфический ответ клетки на действие сигнала.
Транспортные белки, которые ге-нерируют разность потенциалов на мембране, называются электрогенными насосами. Натриево-калиевый насос служит главной электрогенной помпой клеток.
Транспорт в мембранной упаковке характеризуется тем, что транспорти-руемые вещества на определенных ста-диях транспорта располагаются внутри мембранных пузырьков, то есть ока-зываются окруженными мембраной. В зависимости от того, в каком направ-лении переносятся вещества (в клетку или из нее), транспорт в мембранной упаковке подразделяется на эндоцитоз и экзоцитоз.
Эндоцитозом называется процесс поглощения клеткой макромолекул и более крупных частиц (вирусов, бак-терий, фрагментов клеток). Эндоцитоз осуществляется путем фагоцитоза и пиноцитоза.
Фагоцитоз - процесс активного за-хвата и поглощения клеткой твердых микрочастиц, размер которых состав-ляет более 1 мкм (бактерий, фрагмен-тов клеток и др.). В ходе фагоцитоза клетка с помощью специальных ре-цепторов распознает специфические молекулярные группировки фагоци-тируемой частицы.
Затем в месте кон-такта частицы с мембраной клетки образуются выросты плазмалеммы - псевдоподии, которые обволакивают микрочастицу со всех сторон. В резуль-тате слияния псевдоподий такая части-ца оказывается заключенной внутри пузырька, окруженного мембраной, который называется фагосомой. Обра-зование фагосом - энергозависимый процесс и протекает с участием актомиозиновой системы. Фагосома, погру-жаясь в цитоплазму, может сливаться с поздней эндосомой или лизосомой, в результате чего поглощенная клеткой органическая микрочастица, например бактериальная клетка, переваривает-ся. У человека к фагоци-тозу способны только немногие клетки: например, макрофаги соединительной ткани и лейкоциты крови. Эти клетки поглощают бактерии, а также разнооб-разные твердые частицы, попавшие в организм, и тем самым защищают его от болезнетворных микроорганизмов и посторонних частиц.
Пиноцитоз - поглощение клеткой жидкости в виде истинных и коллоид-ных растворов и суспензий. Этот про-цесс в общих чертах сходен с фагоцито-зом: капля жидкости погружается в об-разовавшееся углубление клеточной мембраны, окружается ею и оказывает-ся заключенной в пузырек диаметром 0,07-0,02 мкм, погруженный в гиало-плазму клетки.
Механизм пиноцитоза весьма сло-жен. Этот процесс осуществляется в специализированных областях по-верхностного аппарата клетки, назы-ваемых окаймленными ямками, ко-торые занимают около 2% клеточной поверхности. Окаймленные ямки пред-ставляют собой небольшие впячивания плазмалеммы, рядом с которыми в пе-риферической гиалоплазме находится большое количество белка клатрина. В области окаймленных ямок на по-верхности клеток располагаются также многочисленные рецепторы, способные специфически распознавать и связы-вать транспортируемые молекулы. При связывании рецепторами указанных молекул происходит полимеризация клатрина, и плазмалемма впячивается. В результате образуется окаймленный пузырек, несущий в себе транспортируе-мые молекулы. Свое название такие пу-зырьки получили благодаря тому, что клатрин на их поверхности под элек-тронным микроскопом выглядит как неровная каемка.
Транспорт веществ через биомембраны
После отделения от плазмалеммы окаймленные пузырьки теряют клатрин и приобретают способ-ность сливаться с другими пузырьками. Процессы полимеризации и деполи-меризации клатрина требуют затрат энергии и блокируются при недостатке АТФ.
Пиноцитоз, благодаря высокой кон-центрации рецепторов в окаймленных ямках, обеспечивает избирательность и эффективность транспорта специфи-ческих молекул. Например, концен-трация молекул транспортируемых ве-ществ в окаймленных ямках в 1000 раз превышает концентрацию их в окру-жающей среде. Пиноцитоз - основной способ транспорта в клетку белков, ли-пидов и гликопротеинов. Посредством пиноцитоза клетка поглощает за сутки количество жидкости, равное своему объему.
Экзоцитоз - процесс выведения веществ из клетки. Вещества, подлежа-щие выведению из клетки, сначала за-ключаются в транспортные пузырьки, наружная поверхность которых, как правило, покрыта белком клатрином, затем такие пузырьки направляются к клеточной мембране. Здесь мембрана пузырьков сливается с плазмалеммой, а содержимое их изливается за пределы клетки либо, сохраняя связь с плазма-леммой, включается в гликокаликс.
Существуют два типа экзоцитоза: кон-ститутивный (основной) и регулируемый.
Конститутивный экзоцитоз непре-рывно протекает во всех клетках орга-низма. Он служит основным механиз-мом выведения из клетки продуктов метаболизма и постоянного восстанов-ления клеточной мембраны.
Регулируемый экзоцитоз осущест-вляется лишь в специальных клетках, выполняющих секреторную функцию. Выделяемый секрет накапливается в секреторных пузырьках, а экзоцитоз происходит только после получения клеткой соответствующего химическо-го или электрического сигнала. Напри-мер, β-клетки островков Лангерганса пожелудочной железы выделяют свой секрет в кровь лишь при повышении в крови концентрации глюкозы.
В ходе экзоцитоза сформировавши-еся в цитоплазме секреторные пузырьки обычно направляются к специализиро-ванным участкам поверхностного аппарата, содержащим большое количество фузионных белков или белков слияния. При взаимодействии белков слияния плазмалеммы и секреторного пузырька образуется фузионная пора, соединяю-щая полость пузырька с внеклеточной средой. При этом активируется актомиозиновая система, в результате чего со-держимое пузырька изливается из него за пределы клетки. Таким образом, при индуцируемом экзоцитозе энергия тре-буется не только для транспорта секре-торных пузырьков к плазмалемме, но и для процесса секреции.
Трансцитоз , или рекреция , - это транспорт, при котором происходит пе-ренос отдельных молекул через клетку. Указанный вид транспорта достигается за счет сочетания эндо- и экзоцитоза. Примером трансцитоза служит транс-порт веществ через клетки сосудистых стенок капилляров человека, который может осуществляться как в одном, так и в другом направлениях.
Клетка - структурная единица всего живого на нашей планете и открытая система. Это значит, что для ее жизнедеятельности необходим постоянный обмен веществами и энергией с окружающей средой. Этот обмен осуществляется через мембрану - главную границу клетки, которая призвана сохранить ее целостность. Именно через мембрану осуществляется клеточный обмен и идет он либо по градиенту концентрации какого-либо вещества, либо против. Активный транспорт через цитоплазматическую мембрану - процесс сложный и энергозатратный.
Мембрана - барьер и шлюз
Цитоплазматическая мембрана входит в состав многих клеточных органелл, пластид и включений. Современная наука основана на жидкостно-мозаичной модели структуры мембран. Активный транспорт веществ через мембрану возможен благодаря ее специфическому строению. Основу мембран образует липидный бислой - в основном это фосфолипиды, расположенные в соответствии со своими Главные свойства липидного бислоя - это текучесть (способность встраивать и терять участки), самосборка и ассиметричность. Второй компонент мембран - белки. Их функции многообразны: активный транспорт, рецепция, ферментация, узнавание.
Располагаются белки как на поверхности мембран, так и внутри, а некоторые по несколько раз пронизывают ее. Свойство белков в мембране - способность к переходу с одной стороны мембраны на другую («флип-флоп» перескок). И последний компонент - сахаридные и полисахаридные цепочки углеводов на поверхности мембран. Функции их и сегодня спорны.
Виды активного транспорта веществ через мембрану
Активным будет такой перенос веществ через мембрану клетки, который является контролируемым, происходит с затратами энергии и идет против градиента концентрации (вещества переносятся из области с низкой концентрацией в область с высокой концентрацией). В зависимости от того, какой источник энергии используется, выделяют следующие виды транспорта:
- Первично активный (источник энергии - гидролиз до аденозиндифосфорной АДФ).
- Вторично активный (обеспечивается вторичной энергией, созданной в результате работы механизмов первично активного транспорта веществ).
Белки-помощники
И в первом, и во втором случае транспорт невозможен без белков-переносчиков. Эти транспортные белки очень специфичны и предназначаются для переноса определенных молекул, а иногда даже определенной разновидности молекул. Это было доказано экспериментально на мутировавших генах бактерий, что приводило к невозможности активного транспорта через мембрану определенного углевода. Трансмембранные белки-переносчики могут быть собственно переносчиками (они взаимодействуют с молекулами и непосредственно проносят ее через мембрану) или каналообразующими (формируют поры в мембранах, которые открыты для специфичных веществ).
Насос для натрия и калия
Наиболее изученным примером первичного активного транспорта веществ через мембрану является Na+ -, К+ -насос. Этот механизм обеспечивает разность концентраций ионов Na+ и К+ по обеим сторонам мембраны, что необходимо для поддержания осмотического давления в клетке и других обменных процессов. Трансмембранный белок-переносчик - натрий-калиевая АТФ-аза - состоит из трех частей:
- На наружной стороне мембраны у белка расположены два рецептора для ионов калия.
- На внутренней стороне мембраны - три рецептора для ионов натрия.
- Внутренней части белка свойственна АТФ активность.
Когда два иона калия и три иона натрия связываются с рецепторами белка по обе стороны мембраны, включается АТФ активность. Молекула АТФ гидролизируется до АДФ с выделением энергии, которая затрачивается на перенос ионов калия внутрь, а ионов натрия наружу цитоплазматической мембраны. Подсчитано, что коэффициент полезного действия такого насоса составляет более 90%, что само по себе довольно удивительно.
Для справки: КПД двигателя внутреннего сгорания - порядка 40%, электрического - до 80%. Интересно, что насос может работать и в обратном направлении и служить донором фосфатов для синтеза АТФ. Для некоторых клеток (например, нейронов) характерны траты до 70% всей энергии на вынос натрия из клетки и накачивание внутрь ионов калия. По такому же принципу активного транспорта работают насосы для кальция, хлора, водорода и некоторых других катионов (ионов с положительным зарядом). Для анионов (отрицательно заряженных ионов) таких насосов не обнаружено.
Котранспорт углеводов и аминокислот
Примером вторичного активного транспорта может служить перенос в клетки глюкозы, аминокислот, йода, железа и мочевой кислоты. В результате работы калий-натриевого насоса создается градиент концентраций натрия: снаружи концентрация высокая, а внутри - низкая (иногда в 10-20 раз). Натрий стремится диффундировать в клетку и энергия этой диффузии может быть использована для транспорта веществ наружу. Это механизм называют котранспортом или сопряженным активным транспортом. В этом случае у белка-переносчика имеется два рецепторных центра с наружной части: один для натрия, а другой - для транспортируемого элемента. Только после активации обоих рецепторов белок подвергается конформационным изменениям, и энергия диффузии натрия вводит в клетку транспортируемое вещество против градиента концентрации.
Значение активного транспорта для клетки
Если бы обычная диффузия веществ через мембрану протекала сколь угодно долго, концентрации их снаружи и внутри клетки выровнялись бы. А это для клеток гибель. Ведь все биохимические процессы должны протекать в среде электрической разности потенциалов. Без активного, против транспорта веществ нейроны не смогли бы передавать нервный импульс. А мышечные клетки утратили бы возможность сокращаться. Клетка бы не смогла поддерживать осмотическое давление и сплющилась бы. А продукты метаболизма не выводились бы наружу. Да и гормоны никогда не попали бы в кровяное русло. Ведь даже амеба тратит энергию и создает разность потенциалов на своей мембране при помощи все тех же ионных насосов.