Клеточные мембраны

Клеточные мембраны — это структуры, которые окружают клетку и формируют внутри нее ряд органелл. Это так называемые мембранные органеллы — ядро, митохондрии, вакуоли и др. Мембраны образованы двумя слоями липидов, в которых расположены молекулы белков. Белки и липиды мембран нередко присоединяют к себе молекулы углеводов, образуя гликопротеиды и гликолипиды (рис. 10.1). Так как липидные слои, образующие мембрану, жидкообразны и текучи, то погруженные в них белки довольно подвижны. Поэтому модель, которая описывает строение мембраны, называют жидкостно-мозаичной.

Функции мембран

Важнейшими функциями биологических мембран являются барьерная, рецепторная и транспортная. Мембраны являются барьерами с избирательной проницаемостью. Они регулируют обмен веществ между клеткой и окружающей средой, а также между отдельными компонентами внутри клетки. Барьерные функции мембран выполняют липиды. Именно они образуют основу биологической мембраны.

Рецепторную функцию выполняет надмембранный комплекс. Это, главным образом, гликопротеиды, которые образуют структуры, расположенные на поверхности мембраны.

Мембраны играют важную роль в обмене веществ между клеткой и окружающей средой и обеспечивают межклеточные взаимодействия. Именно они передают сигналы из внешней среды клеток во внутреннюю.

Рис. 10.1. Строение клеточной мембраны

Мембраны выполняют также структурную, защитную и ферментативную функции. Они придают клеткам определенную форму, защищают их от повреждений и объединяют отдельные клетки тканей в единое целое. Ферменты, которые располагаются на поверхности мембран, обеспечивают выполнение ферментативной функции. Например, при пищеварении в кишечнике человека.

Транспорт веществ через мембраны

Транспортная функция мембран чрезвычайно важна для жизнедеятельности клетки. Наибольшую роль в ее выполнении играют белки. Они могут формировать в мембране сквозные каналы или транспортировать некоторые вещества в связанном виде, образуя с ними временные соединения.

Перенос веществ через мембрану может происходить либо без затрат энергии (пассивный транспорт), либо с затратами (активный транспорт). Пассивный транспорт осуществляется из зоны с высокой концентрацией вещества в зону с его низкой концентрацией. А активный транспорт, наоборот, — из зоны с низкой концентрацией в зону с высокой концентрацией.

Через мембрану транспортируются как большие, так и малые молекулы веществ. Перемещение малых молекул происходит с помощью простой диффузии, облегченной диффузии, активного транспорта, а больших — путем экто- и эндоцитоза.

Пасивний транспорт

Путем простой диффузии происходит только пассивный транспорт веществ (кислород, углекислый газ). А путем облегченной диффузии может осуществляться как пассивный, так и активный виды транспорта. Облегченная диффузия происходит через специальные каналы, расположенные внутри больших белковых молекул. Ее могут выполнять также специальные белки-переносчики. Так транспортируются малые органические молекулы (глюкоза, некоторые аминокислоты и др.).

Рис. 10.2. Транспорт веществ через мембрану

Очень важным для клеток является транспорт молекул воды через мембраны. Его особенностью является то, что необходимо переносить через мембрану только молекулы воды, препятствуя переносу растворенных в ней веществ. Этот процесс осуществляют специальные мембранные белки аквапорины (рис. 10.2).

Активный транспорт

Активный транспорт через клеточную мембрану осуществляется с помощью специальных белковых комплексов, а также путем экзо- или эндоцитоза. Так перемещаются ионы и большие молекулы, для которых мембрана является непроницаемой.

Мембранный транспорт в клетку называется эндоцитоз. Мембранный транспорт из клетки — экзоцитоз (рис. 10.3). Транспорт твердых частиц — это фагоцитоз, а транспорт жидкостей и капель — пиноцитоз.

Примером активного транспорта веществ через мембрану клетки является работа натрий-калиевого насоса. Клетке для нормального функционирования необходимо поддерживать определенное соотношение ионов Na+ и К+ — в цитоплазме и внеклеточной среде.

Перенос ионов Na+ и К+ осуществляется белком, который расположен в клеточной мембране. Этот белок перекачивает ионы Na+ из клетки, а ионы К+ — в клетку. Перенос этих ионов происходит из области их низкой концентрации в область их высокой концентрации (ионов К+ больше в клетке, а ионов Na+ — вне клетки). Для этого процесса используется энергия молекул АТФ.

Рис. 10.3. Схема экзо- и эндоцитоза

Рис. 10.4. Схема работы натрий-калиевого насоса

За один цикл работы насос выкачивает из клетки 3Na+ и закачивает 2К+ (рис. 10.4). Поэтому на внешней стороне мембраны накапливается избыток положительных ионов. Это создает разность потенциалов между внешней и внутренней поверхностями мембраны. Эту разность используют как источник энергии многие другие белковые комплексы для переноса различных веществ через мембрану.

Клеточные мембраны — это структуры, которые окружают клетку и формируют внутри нее ряд органелл.