Біологічні мембрани, їх властивості та функції

Будова біологічних мембран

Однією з основних особливостей всіх еукаріотичних клітин є достаток і складність будови внутрішніх мембран. Мембрани відмежовують цитоплазму від навколишнього середовища, а також формують оболонки:

  • ядер;
  • мітохондрій;
  • пластид.

Вони утворюють лабіринт ендоплазматичного ретикулума і сплощених бульбашок у вигляді стосу, які складають комплекс Гольджі. Мембрани утворюють лізосоми, великі і дрібні вакуолі рослинних і грибних клітин, пульсуючі вакуолі найпростіших. Всі ці структури представляють собою компартменти (відсіки), призначені для тих чи інших спеціалізованих процесів і циклів. Отже, без мембран існування клітини неможливо.

Плазматична мембрана, або плазмалемма, – найбільш постійна, основна, універсальна для всіх клітин мембрана.

Вона являє собою найтоншу (близько 10 нм) плівку, яка покриває всю клітину. Плазмалема складається з молекул білків і фосфоліпідів.

Молекули фосфоліпідів розташовані в два ряди – гідрофобними кінцями всередину, гідрофільними голівками до внутрішнього і зовнішнього водного середовища. В окремих місцях бішар (подвійний шар) фосфоліпідів наскрізь пронизаний білковими молекулами (інтегральні білки).

Усередині таких білкових молекул є канали – пори, через які проходять водорозчинні речовини. Інші білкові молекули пронизують бішар ліпідів наполовину з одного чи з іншого боку (полуінтегральні білки). На поверхні мембран еукаріотичних клітин є периферичні білки. Молекули ліпідів і білків утримуються завдяки гідрофільно – гідрофобним взаємодіям.

До складу плазматичної мембрани еукаріотичних клітин входять також полісахариди. Їх короткі, сильно розгалужені молекули ковалентно пов’язані з білками, утворюючи глікопротеїни, або з ліпідами (гліколіпіди).

Вміст полісахаридів в мембранах складає 2-10% за масою.

Полісахаридний шар товщиною 10-20 нм, що покриває зверху плазмалемму тваринних клітин, отримав назву глікокаліксу.

Властивості та функції мембран

Усі клітинні мембрани являють собою рухливі плинні структури, оскільки молекули ліпідів і білків не пов’язані між собою ковалентними зв’язками і здатні досить швидко переміщатися в площині мембрани. Завдяки цьому мембрани можуть змінювати свою конфігурацію, тобто володіють плинністю.

Мембрани – структури дуже динамічні.

Вони швидко відновлюються після пошкодження, а також розтягуються і стискаються при клітинних рухах.

Мембрани різних типів клітин істотно розрізняються як за хімічним складом, так і за відносним вмістом в них білків, глікопротеїнів, ліпідів, а отже, і за характером наявних у них рецепторів. Кожен тип клітин тому характеризується індивідуальністю, яка визначається в основному глікопротеїнами.

Розгалужені ланцюги глікопротеїнів, виступаючі з клітинної мембрани, беруть участь у розпізнаванні факторів зовнішнього середовища, а також у взаємному впізнаванні родинних клітин. Наприклад, яйцеклітина і сперматозоїд впізнають один одного по глікопротеїну клітинної поверхні, які підходять друг до друг як окремі елементи цілісної структури. Таке взаємопізнавання – необхідний етап, що передує заплідненню.

Подібне явище спостерігається в процесі диференціювання тканин.

У цьому випадку подібні за будовою клітини за допомогою розпізнаючих ділянок плазмалемми правильно орієнтуються щодо один одного, забезпечуючи тим самим їх зчеплення та утворення тканин. З розпізнаванням пов’язана і регуляція транспорту молекул та іонів через мембрану, а також імунологічна відповідь, в якому глікопротеїни грають роль антигенів.

Цукри, таким чином, можуть функціонувати як інформаційні молекули (подібно білкам і нуклеїновим кислотам). У мембранах містяться також:

  • специфічні рецептори;
  • переносники електронів;
  • перетворювачі енергії;
  • ферментні білки.

Білки беруть участь у забезпеченні транспорту певних молекул всередину клітини або з неї, здійснюють структурний зв’язок цитоскелета з клітинними мембранами або ж служать в якості рецепторів для отримання та перетворення хімічних сигналів з навколишнього середовища.

Найважливішою властивістю мембрани є також виборча проникність.

Це означає, що молекули і іони проходять через неї з різною швидкістю, і чим більше розмір молекул, тим менше швидкість проходження їх через мембрану. Ця властивість визначає плазматичну мембрану як осмотичний бар’єр. Максимальною проникаючою здатністю володіє вода і розчинені в ній гази; значно повільніше проходять крізь мембрану іони. Дифузія води через мембрану називається осмосом.

Існує кілька механізмів транспорту речовин через мембрану.

Дифузія – проникнення речовин через мембрану по градієнту концентрації (з області, де їх концентрація вище, в область, де їх концентрація нижче). Дифузний транспорт речовин (води, іонів) здійснюється за участю білків мембрани, в яких є молекулярні пори, або за участю ліпідної фази (для жиророзчинних речовин).

При полегшеній дифузії спеціальні мембранні білки – переносники вибірково зв’язуються з тим чи іншим іоном або молекулою і переносять їх через мембрану по градієнту концентрації.

Активний транспорт пов’язаний з витратами енергії і служить для переносу речовин проти їх градієнта концентрації. Він здійснюється спеціальними білками – переносниками, що утворюють так звані іонні насоси. Найбільш вивченим є Na/К – насос в клітинах тварин, активно викачують іони Na+ назовні, поглинаючи при цьому іони К. Завдяки цьому в клітині підтримується велика концентрація К- і менша Na+ в порівнянні з навколишнім середовищем. На цей процес витрачається енергія АТФ.

У результаті активного транспорту за допомогою мембранного насоса в клітині відбувається також регуляція концентрації Mg2 і Са2+. У процесі активного транспорту іонів у клітину через цитоплазматичну мембрану проникають різні:

  • цукри;
  • нуклеотиди;
  • амінокислоти.

Макромолекули білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпопротеїдні комплекси та ін. крізь клітинні мембрани не проходять, на відміну від іонів і мономерів. Транспорт макромолекул, їх комплексів і частинок всередину клітини відбувається зовсім іншим шляхом – за допомогою ендоцитозу.

При ендоцитозі (ендо… – всередину) певну ділянку плазмалеми захоплює і як би обволікає позаклітинний матеріал, укладаючи його в мембранну вакуоль, що виникла внаслідок впячування мембрани. Надалі така вакуоль з’єднується з лізосомою, ферменти якої розщеплюють макромолекули до мономерів.

Процес, зворотний ендоцитозу, – екзоцитоз (екзо… – назовні).

Завдяки йому клітина виводить внутрішньоклітинні продукти або неперетравлені залишки, укладені у вакуолі або бульбашки. Бульбашка підходить до цитоплазматичної мембрани, зливається з нею, а її вміст виділяється в навколишнє середовище. Так виводяться:

  • травні ферменти;
  • гормони;
  • геміцелюлоза та ін.

Таким чином, біологічні мембрани як основні структурні елементи клітини служать не просто фізичними кордонами, а являють собою динамічні функціональні поверхні. На мембранах органел здійснюються численні біохімічні процеси, такі як активне поглинання речовин, перетворення енергії, синтез АТФ та ін.

Функції біологічних мембран наступні:

  1. Відмежовують вміст клітини від зовнішнього середовища і вміст органел від цитоплазми;
  2. Забезпечують транспорт речовин у клітину і з неї, з цитоплазми в органели і навпаки;
  3. Виконують роль рецепторів (одержання і перетворення сигналів з навколишнього середовища, впізнавання речовин клітин і т. д.);
  4. Є каталізаторами (забезпечення примембранних хімічних процесів).
Посилання на основну публікацію