Конспект "Биологические мембраны. Функции плазмалеммы"

Конспект урока по биологии «Биологические мембраны. Функции плазмалеммы» (углубленное изучение) в 10 классе (УМК Высоцкая, Дымшиц, Рувинский и др). Основные темы: Плазмалемма. Цитоплазма. Цитозоль. Мембранный транспорт. Облегчённый транспорт. Пермеазы. Активный транспорт. Экзоцитоз. Эндоцитоз. Нейромедиаторы. цАМФ. .

Биологические мембраны.
Функции плазмалеммы

Обязательным компонентом любой клетки является плазматическая мембрана, или плазмалемма (от греч. lemma — оболочка), отделяющая её от внешней среды. Всё содержимое клетки, за исключением ядра, носит название цитоплазмы. Она включает вязкую жидкость — цитозоль (или гиалоплазму), мембранные и немембранные компоненты.

К мембранным компонентам клетки относят такие органеллы, как плазмалемма, ядро, органеллы, составляющие вакуолярную (эндо–мембранную) систему (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли), а также митохондрии и пластиды. К немембранным компонентам относят хромосомы, рибосомы, клеточный центр и центриоли, реснички и жгутики, микрофиламенты, а также клеточные включения — временные образования в форме капель, гранул или кристаллов.

СТРОЕНИЕ МЕМБРАН.

Для того чтобы понять функционирование каждой мембранной органеллы, необходимо познакомиться с принципиальным строением биологической мембраны. В её основе лежит двойной слой липидов. В наибольшем количестве в мембранах присутствуют фосфолипиды. Это водонерастворимые органические молекулы, имеющие полярные головки и длинные неполярные углеводородные хвосты, представленные цепями жирных кислот. В их головках содержится отрицательно заряженный остаток фосфорной кислоты.

В двойном слое хвосты липидных молекул обращены друг к другу, а полярные головки остаются снаружи, образуя гидрофильные поверхности. К заряженным головкам благодаря электростатическим взаимодействиям присоединяются белки, называемые периферическими мембранными белками. Другие белковые молекулы могут быть погружены в слой липидов за счёт гидрофобного взаимодействия с их неполярными хвостами. Часть белков пронизывает мембрану насквозь (рис. 18).

Многие погружённые белки мембран — ферменты. В плоскости мембраны они располагаются в определённом порядке, таким образом, чтобы продукт реакции, катализируемой первым ферментом, переходил ко второму и т. д., как по конвейеру, до конечного продукта биохимической цепи реакций. Периферические белки не позволяют молекулам ферментов изменить своё расположение в мембране и тем самым «разорвать конвейер». Трансмембранные, или пронизывающие, белки обеспечивают переход через мембрану воды, ионов и мелких полярных молекул.

Биологические мембраны

МЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ.

Свои функции все биологические мембраны выполняют благодаря избирательной проницаемости, т. е. способности отграничивать ту или иную систему от среды и пропускать только то, что необходимо для жизнедеятельности этой системы. Избирательная проницаемость плазмалеммы чрезвычайно важна для саморегуляции клетки, поддержания постоянства её состава, т. е. физико–химического гомеостаза (от греч. homoios — подобный и stasis — состояние).

Транспорт через любую биологическую мембрану осуществляется разными путями (рис. 19). Он может происходить как по градиенту концентрации, т. е. от большей концентрации веществ к меньшей, так и против него. Транспорт вещества в сторону меньшей концентрации носит название диффузии (если на его пути нет преград) или переноса (если его путь преграждает барьер).

Неполярные молекулы, такие, как О2, СО2, стероидные гормоны легко диффундируют через двойной слой липидов, непроницаемый для полярных и заряженных молекул. Полярные молекулы воды переносятся через каналы, образованные трансмембранными белками аквапоринами. Некоторые ионы также могут переходить по белковым каналам — порам по градиенту концентрации.

Другое дело, если вещества нерастворимы в жирах и не проходят через поры. Существуют трансмембранные белки пермеазы, которые переносят через мембрану полярные (и заряженные) частицы: крупные ионы, молекулы сахаров, аминокислот и др. Пермеаза избирательно связывается с водорастворимой молекулой на одной стороне мембраны и меняет свою конформацию таким образом, что переносимое вещество оказывается на другой стороне липидного слоя. Такой перенос, идущий по градиенту концентрации, называют облегчённым транспортом. Перенос вещества против градиента концентрации идёт с затратой энергии; его называют активным транспортом. В настоящее время хорошо изучен активный транспорт ионов через так называемый натрий-калиевый насос.

Натрий-калиевый насос представляет собой пронизывающий мембрану белок–фермент, расщепляющий АТФ, — натрий-калийзависимую АТФазу. Этот фермент активируется при повышении концентрации ионов натрия внутри клетки или ионов калия в наружной среде. Во время его работы происходит перенос трёх катионов Na+ из клетки на каждые два катиона К+ в клетку против градиента концентрации. Эта работа сопровождается накоплением на мембране разности электрических потенциалов. При этом расщепляется АТФ, выделяя энергию.

Натрий-калиевый насос работает по принципу перистальтического насоса, функционирование которого основано на попеременном сжатии и расширении эластичных труб (вспомните продвижение пищевого комка по пищеводу).

Более 30% всех молекул АТФ расходуется животной клеткой на перекачивание натрия и калия. От разности потенциалов на двух сторонах плазмалеммы зависит нормальное функционирование клетки и организма в целом.

ЭНДОЦИТОЗ И ЭКЗОЦИТОЗ.

Крупные молекулы биополимеров транспортируются внутрь клетки в результате эндоцитоза. Эндоцитоз включает фагоцитоз и пиноцитоз. Эти процессы связаны с активной деятельностью и подвижностью плазмалеммы.

Фагоцитоз (от греч. phagos — пожирать и kytos — клетка) — захват и поглощение клеткой крупных частиц (иногда даже целых клеток и их частей). Это явление впервые описал в 1883 г. выдающийся русский учёный Илья Ильич Мечников. Фагоцитоз распространён очень широко. Он играет чрезвычайно важную роль во внутриклеточном пищеварении у простейших и низших беспозвоночных. У высших животных и человека фагоциты имеют на плазмалемме множество рецепторов, которые служат для распознавания чужеродных веществ, бактерий и вирусов. Взаимодействие рецепторов с этими агентами запускает процесс фагоцитоза и их уничтожения (рис. 20).

Пиноцитоз (от греч. pino — пить) — процесс захвата и поглощения капелек жидкости с растворёнными в ней веществами. Фагоцитоз и пиноцитоз протекают очень сходно, поэтому эти понятия отражают в основном различие в составе объёмов поглощённых веществ. Общее для них то, что поглощаемые вещества на поверхности клетки окружаются мембраной, образуя вакуоль (фагоцитозный или пиноцитозный пузырёк), которая перемещается внутрь клетки.

Фагоцитоз и пиноцитоз связаны с затратой энергии; прекращение синтеза АТФ клеткой полностью их тормозит.

Плазматическая мембрана принимает участие и в выведении веществ из клетки, это происходит в процессе экзоцитоза. Так выводятся гормоны, полисахариды, белки, гликопротеиды, протеогликаны и другие соединения, производимые клеткой на экспорт. Они заключаются в пузырьки, ограниченные мембраной, и подходят к плазмалемме. Обе мембраны сливаются, и содержимое пузырька выводится в среду, окружающую клетку. Экзоцитоз также нуждается в энергии АТФ.

Экзоцитозом осуществляется и выход в синаптическую щель между нервными клетками нейромедиаторов. Эти мелкие молекулы (пептиды, производные аминокислот и др.), хранящиеся в мембранных пузырьках, высвобождаются при изменении электрического потенциала нервной клетки (при поступлении в неё нервного импульса). Быстро диффундируя через щель, молекулы нейромедиаторов связываются с рецепторами соседней клетки и открывают каналы для поступления в неё ионов Na+. Это приводит к изменению мембранного потенциала и возникновению электрического сигнала. Одни из важнейших нейромедиаторов — норадреналин и ацетилхолин.

РЕЦЕПТОРНАЯ ФУНКЦИЯ ПЛАЗМАЛЕММЫ.

Эта функция связана с локализацией на плазматической мембране различных белков–рецепторов, связанных со специфическим узнаванием химических или физических факторов. Многие пронизывающие белки представляют собой гликопротеиды — с наружной стороны клетки их молекулы содержат ковалентно присоединённые олиго– или полисахаридные цепочки. Часть таких гликопротеидов, покрывающих клетку «лесом» молекулярных антенн, играет роль рецепторов гормонов. Когда определённый гормон связывается со «своим» рецептором, он изменяет его конформацию, что приводит к запусканию клеточного ответа. Так, в плазмалемму клетки, имеющей рецепторы к инсулину, под действием этого гормона встраивается переносчик глюкозы, и глюкоза попадает внутрь по механизму облегчённого транспорта.

Клеточная поверхность обладает большим набором рецепторов, делающих возможными специфические реакции с различными агентами.

Роль клеточных рецепторов заключается в приёме и передаче сигналов внутрь клетки.

АДЕНИЛАТЦИКЛАЗНАЯ СИСТЕМА.

В настоящее время хорошо изучен механизм передачи сигнала клеткам с помощью некоторых гормонов. Попробуем разобраться в этом процессе на примере действия на рецепторы гормона стресса адреналина (рис. 21). Адреналиновый рецептор представляет собой гликопротеид, пронизывающий плазмалемму.

В момент связывания гормона с рецепторной частью этой сложной молекулы происходит активация фермента аденилатциклазы, представляющего собой погружённый в плазмалемму белок. Его активный центр находится на внутренней стороне мембраны. Функция этого фермента заключается в том, что он катализирует образование циклической аденозинмонофосфорной кислоты (цАМФ), которая, в свою очередь, может регулировать скорость различных внутриклеточных процессов, вызывая активацию или подавление (ингибирование) тех или иных ферментов клеточного метаболизма (обмена веществ).

Рецептор не только передаёт сигнал внутрь клетки, но и многократно усиливает его. Взаимодействия с одной молекулой гормона достаточно, чтобы в клетке синтезировались сотни молекул цАМФ. При этом в мышечных клетках усиливается расщепление гликогена и подавляется обратная реакция — его синтез. В результате резко увеличивается количество глюкозы, что необходимо для быстрой выработки энергии в ответ на стресс. При этом учащается сердцебиение и увеличивается поглощение кислорода, необходимого для окисления глюкозы.

Олиго– и полисахаридные цепочки, ковалентно связанные с белками (гликопротеиды) и липидами (гликолипиды), образуют гликокаликс — надмембранный комплекс животных клеток. В тех тканях, где клетки плотно прилегают друг к другу, например в эпителии или в мышцах, формируются межклеточные контакты. Так, десмосомы представляют собой площадки диаметром 0,5 мкм на границе соседних клеток, «прошитые» трансмембранными белками (кератиновыми филаментами в эпителиальных клетках) (см. рис. 28).

Животная и растительная клетки

КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА.

У растений и грибов, в отличие от животных, почти все клетки имеют клеточную стенку, лежащую кнаружи от плазмалеммы (рис. 22). Клеточные стенки растений состоят из целлюлозы. Жёсткий каркас растения, составленный из клеточных стенок, во многих местах пронизан каналами, по которым цитоплазма одной клетки соединяется с цитоплазмой соседних клеток. У грибов клеточные стенки образованы линейным полисахаридом хитином.

Большинство бактерий тоже окружены плотной клеточной стенкой, в состав которой входят длинные, параллельно расположенные гетерополисахаридные цепи, связанные между собой поперечными сшивками из коротких полипептидов.

Вопросы и упражнения

  1. Составьте в тетради таблицу «Функции плазмалеммы».
  2. В чём может выражаться участие мембран в передаче информации между клетками?
  3. Как может помочь медицине знание строения биологической мембраны, механизмов её функционирования, понимание её роли в клетке и организме? Какие вы видите перспективы развития мембранологии? Что она может дать для практической деятельности человека?

 


Это конспект по биологии (углубленное изучение) для 10-класса по теме «Биологические мембраны. Функции плазмалеммы» (УМК Высоцкая, Дымшиц, Рувинский и др). Выберите дальнейшее действие:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *