Утворюють гідрофобну основу клітинної мембрани. Функції, значення та будова плазматичної мембрани

Клітинна мембрана- це оболонка клітини, що виконує такі функції: поділ вмісту клітини та зовнішнього середовища, вибірковий транспорт речовин (обмін із зовнішнім для клітини середовищем), місце протікання деяких біохімічних реакцій, об'єднання клітин у тканини та рецепція.

Клітинні мембрани поділяють на плазматичні (внутрішньоклітинні) та зовнішні. Основна властивість будь-якої мембрани – напівпроникність, тобто здатність пропускати лише певні речовини. Це дозволяє здійснювати вибірковий обмін між клітиною та зовнішнім середовищем або обмін між компартментами клітини.

Плазматичні мембрани – це ліпопротеїнові структури. Ліпіди спонтанно утворюють бислой (подвійний шар), а мембранні білки «плавають» у ньому. У мембранах є кілька тисяч різних білків: структурні, переносники, ферменти та ін. Між білковими молекулами є пори, крізь які проходять гідрофільні речовини (безпосередньому їх проникненню в клітину заважає ліпідний бішар). До деяких молекул на поверхні мембрани приєднані глікозильні групи (моносахариди та полісахариди), які беруть участь у процесі розпізнавання клітин при утворенні тканин.

Мембрани відрізняються своєю товщиною, зазвичай вона становить від 5 до 10 нм. Товщина визначається розмірами молекули амфіфільного ліпіду та становить 5,3 нм. Подальше збільшення товщини мембрани обумовлено розмірами мембранних білкових комплексів. Залежно від зовнішніх умов (регулятором є холестерол) структура бислоя може змінюватися отже він стає щільнішим чи рідким - від цього залежить швидкість переміщення речовин уздовж мембран.

До клітинних мембран відносять: плазмолему, каріолему, мембрани ендоплазматичної мережі, апарату Гольджі, лізосом, пероксисом, мітохондрій, включень тощо.

Ліпіди не розчиняються у воді (гідрофобність), але добре розчиняються в органічних розчинниках та жирах (ліпофільність). Склад ліпідів у різних мембранах неоднаковий. Наприклад, плазматична мембрана містить багато холестерину. З ліпідів у мембрані найчастіше зустрічаються фосфоліпіди (гліцерофосфатиди), сфінгомієліни (сфінголіпіди), гліколіпіди та холестерин.

Фосфоліпіди, сфінгомієліни, гліколіпіди складаються з двох функціонально різних частин: гідрофобної неполярної, яка не несе зарядів – «хвости», що складаються з жирних кислот, та гідрофільної, що містить заряджені полярні «головки» – спиртові групи (наприклад, гліцерин).

Гідрофобна частина молекули зазвичай складається із двох жирних кислот. Одна з кислот гранична, а друга ненасичена. Це визначає здатність ліпідів спонтанно утворювати двошарові (біліпідні) мембранні структури. Ліпіди мембран виконують такі функції: бар'єрну, транспортну, мікрооточення білків, електричний опір мембрани.

Мембрани відрізняються одна від одної набором білкових молекул. Багато мембранних білків складаються з ділянок, багатих на полярні (несучі заряд) амінокислоти, і ділянок з неполярними амінокислотами (гліцином, аланіном, валіном, лейцином). Такі білки в ліпідних шарах мембран розташовуються так, що їх неполярні ділянки занурені в «жирну» частину мембрани, де знаходяться гідрофобні ділянки ліпідів. Полярна (гідрофільна) частина цих білків взаємодіє з головками ліпідів і звернена у бік водної фази.

Біологічні мембрани мають спільні властивості:

мембрани - замкнуті системи, які не дозволяють вмісту клітини та її компартментів змішуватись. Порушення цілісності мембрани може призвести до загибелі клітин;

поверхнева (площинна, латеральна) рухливість. У мембранах йде безперервне переміщення речовин поверхнею;

асиметрія мембрани Будова зовнішнього та поверхневого шарів хімічно, структурно та функціонально неоднорідна.

Клітинна мембрана

Зображення клітинної мембрани. Маленькі блакитні та білі кульки відповідають гідрофобним «головкам» фосфоліпідів, а приєднані до них лінії – гідрофільним «хвостам». На малюнку показані лише інтегральні мембранні білки (червоні глобули та жовті спіралі). Жовті овальні точки всередині мембрани - молекули холестеролу Жовто-зелені ланцюжки бусинок на зовнішній стороні мембрани - ланцюжки олігосахаридів

Біологічна мембрана включає і різні білки: інтегральні (пронизують мембрану наскрізь), напівінтегральні (занурені одним кінцем у зовнішній або внутрішній ліпідний шар), поверхневі (розташовані на зовнішній або прилеглі до внутрішньої сторони мембрани). Деякі білки є точками контакту клітинної мембрани з цитоскелетом усередині клітини і клітинною стінкою (якщо вона є) зовні. Деякі з інтегральних білків виконують функцію іонних каналів, різних транспортерів та рецепторів.

Функції

• бар'єрна - забезпечує регульований, вибірковий, пасивний та активний обмін речовин із навколишнім середовищем. Наприклад, мембрана пероксисом захищає цитоплазму від небезпечних для клітин пероксидів. Виборча проникність означає, що проникність мембрани для різних атомів або молекул залежить від їх розмірів, електричного заряду та хімічних властивостей. Виборча проникність забезпечує відокремлення клітини та клітинних компартментів від навколишнього середовища та постачання їх необхідними речовинами.
• транспортна - через мембрану відбувається транспорт речовин у клітину та з клітини. Транспорт через мембрани забезпечує: доставку поживних речовин, видалення кінцевих продуктів обміну, секрецію різних речовин, створення іонних градієнтів, підтримання у клітині оптимального та концентрації іонів, які потрібні для роботи клітинних ферментів.
  Частки, з якоїсь причини нездатні перетнути фосфоліпідний бішар (наприклад, через гідрофільні властивості, оскільки мембрана всередині гідрофобна і не пропускає гідрофільні речовини, або через великі розміри), але необхідні для клітини, можуть проникнути крізь мембрану через спеціальні білки-переносники (транспортери) та білки-канали або шляхом ендоцитозу.
  При пасивному транспорті речовини перетинають ліпідний бислой без витрат енергії градієнтом концентрації шляхом дифузії. Варіантом цього механізму є полегшена дифузія, при якій речовині допомагає пройти через мембрану будь-яка специфічна молекула. Ця молекула може мати канал, що пропускає речовини тільки одного типу.
  Активний транспорт потребує витрат енергії, оскільки відбувається проти градієнта концентрації. На мембрані існують спеціальні білки-насоси, у тому числі АТФаза, яка активно вкачує в клітину іони калію (K+) та викачують з неї іони натрію (Na+).
• матрична - забезпечує певне взаєморозташування та орієнтацію мембранних білків, їх оптимальну взаємодію.
• механічна - забезпечує автономність клітини, її внутрішньоклітинних структур, а також з'єднання з іншими клітинами (у тканинах). Велику роль у забезпечення механічної функції мають клітинні стінки, а у тварин – міжклітинна речовина.
• енергетична - при фотосинтезі в хлоропластах та клітинному диханні у мітохондріях у їх мембранах діють системи перенесення енергії, у яких також беруть участь білки;
• рецепторна – деякі білки, що знаходяться в мембрані, є рецепторами (молекулами, за допомогою яких клітина сприймає ті чи інші сигнали).
  Наприклад, гормони, що циркулюють у крові, діють тільки на такі клітини-мішені, які мають відповідні цим гормонам рецептори. Нейромедіатори (хімічні речовини, що забезпечують проведення нервових імпульсів) також зв'язуються з особливими білками рецепторів клітин-мішеней.
• ферментативно-мембранні білки нерідко є ферментами. Наприклад, плазматичні мембрани епітеліальних клітин кишківника містять травні ферменти.
• здійснення генерації та проведення біопотенціалів.
  За допомогою мембрани в клітині підтримується постійна концентрація іонів: концентрація іону К+ усередині клітини значно вища, ніж зовні, а концентрація Na+ значно нижча, що дуже важливо, оскільки це забезпечує підтримку різниці потенціалів на мембрані та генерацію нервового імпульсу.
• маркування клітини – на мембрані є антигени, що діють як маркери – «ярлики», що дозволяють пізнати клітину. Це глікопротеїни (тобто білки з приєднаними до них розгалуженими олігосахаридними бічними ланцюгами), що відіграють роль «антен». Через незліченну безліч конфігурації бічних ланцюгів можна створити для кожного типу клітин свій спеціальний маркер. За допомогою маркерів клітини можуть розпізнавати інші клітини і діяти відповідно до них, наприклад, при формуванні органів і тканин. Це дозволяє імунній системі розпізнавати чужорідні антигени.

Структура та склад біомембран

Мембрани складаються з ліпідів трьох класів: фосфоліпіди, гліколіпіди та холестерол. Фосфоліпіди та гліколіпіди (ліпіди з приєднаними до них вуглеводами) складаються з двох довгих гідрофобних вуглеводневих «хвостів», які пов'язані із зарядженою гідрофільною «головою». Холестерол надає мембрані жорсткості, займаючи вільний простір між гідрофобними хвостами ліпідів і не дозволяючи їм згинатися. Тому мембрани з малим вмістом холестеролу гнучкіші, а з більшим - жорсткіші і тендітніші. Також холестерол служить «стопором», що перешкоджає переміщенню полярних молекул з клітини та клітину. Важливу частину мембрани становлять білки, що пронизують її та відповідають за різноманітні властивості мембран. Їх склад та орієнтація у різних мембранах різняться.

Клітинні мембрани часто асиметричні, тобто шари відрізняються за складом ліпідів, перехід окремої молекули з одного шару до іншого (так званий фліп-флоп) Утруднений.

Мембранні органели

Це замкнені одиночні або пов'язані одна з одною ділянки цитоплазми, відокремлені від гіалоплазми мембранами. До одномембранних органелів належать ендоплазматична мережа, апарат Гольджі, лізосоми, вакуолі, пероксисоми; до двомембранних - ядро, мітохондрії, пластиди. Будова мембран різних органел відрізняється за складом ліпідів та мембранних білків.

Виборча проникність

Клітинні мембрани мають вибіркову проникність: через них повільно дифундують глюкоза, амінокислоти, жирні кислоти, гліцерол та іони, причому самі мембрани певною мірою активно регулюють цей процес - одні речовини пропускають, а інші ні. Існує чотири основні механізми для надходження речовин у клітину або виведення їх з клітини назовні: дифузія, осмос, активний транспорт та екзо-або ендоцитоз. Два перші процеси носять пасивний характер, тобто не вимагають витрат енергії; два останні - активні процеси, пов'язані із споживанням енергії.

Виборча проникність мембрани під час пасивного транспорту обумовлена ​​спеціальними каналами - інтегральними білками. Вони пронизують мембрану наскрізь, утворюючи своєрідний прохід. Для елементів K, Na та Cl є свої канали. Щодо градієнта концентрації молекули цих елементів рухаються в клітину та з неї. При подразненні канали іонів натрієвих розкриваються, і відбувається різке надходження в клітину іонів натрію. У цьому відбувається дисбаланс мембранного потенціалу. Після цього мембранний потенціал відновлюється. Канали калію завжди відкриті, через них у клітину повільно потрапляють іони калію.

Див. також

Література

• Антонов В. Ф., Смирнова О. М., Шевченко О. В.Ліпідні мембрани під час фазових переходів. – М.: Наука, 1994.
• Генніс Р.Біомембрани. Молекулярна структура та функції: переклад з англ. = Біомеmbranes. Molecular structure and function (Роберт Б. Gennis). – 1-е видання. – М.: Світ, 1997. – ISBN 5-03-002419-0
• Іванов Ст Р., Берестовський Т. М.Ліпідний бислой біологічних мембран. – М.: Наука, 1982.
• Рубін А. Б.Біофізика, підручник у 2 тт. - 3-тє видання, виправлене та доповнене. – М.: видавництво Московського університету, 2004. –

Переважна більшість організмів, що мешкають на Землі, складається з клітин, багато в чому схожих за своїм хімічним складом, будовою та життєдіяльністю. У кожній клітині відбувається обмін речовин та перетворення енергії. Розподіл клітин лежить в основі процесів росту та розмноження організмів. Таким чином, клітина являє собою одиницю будови, розвитку та розмноження організмів.

Клітина може існувати лише як цілісна система, неподільна на частини. Цілісність клітин забезпечують біологічні мембрани. Клітина – елемент системи вищого рангу – організму. Частини та органоїди клітини, що складаються зі складних молекул, є цілісними системами нижчого рангу.

Клітина - відкрита система, пов'язана з довкіллям обміном речовин та енергії. Це функціональна система, у якій кожна молекула виконує певні функції. Клітина має стійкість, здатність до саморегуляції і самовідтворення.

Клітина – самоврядна система. Керуюча генетична система клітини представлена ​​складними макромолекулами - нуклеїновими кислотами (ДНК і РНК).

У 1838-1839 pp. німецькі біологи М. Шлейден і Т. Шванн узагальнили знання про клітину і сформулювали основне положення клітинної теорії, сутність якої полягає в тому, що всі організми, як рослинні, так і тварини, складаються з клітин.

У 1859 р. Р. Вірхов описав процес поділу клітини і сформулював одне з найважливіших положень клітинної теорії: "Кожна клітина походить з іншої клітини". Нові клітини утворюються в результаті поділу материнської клітини, а не з неклітинної речовини, як це вважалося раніше.

Відкриття російським ученим К. Бером в 1826 р. яйцеклітин ссавців привело до висновку, що клітина лежить в основі розвитку багатоклітинних організмів.

Сучасна клітинна теорія включає такі положення:

1) клітина - одиниця будови та розвитку всіх організмів;

2) клітини організмів різних царств живої природи подібні за будовою, хімічним складом, обміном речовин, основним проявам життєдіяльності;

3) нові клітини утворюються в результаті розподілу материнської клітини;

4) у багатоклітинному організмі клітини утворюють тканини;

5) із тканин складаються органи.

З введенням у біологію сучасних біологічних, фізичних та хімічних методів дослідження стало можливим вивчити структуру та функціонування різних компонентів клітини. Один із методів вивчення клітини - мікроскопування. Сучасний світловий мікроскоп збільшує об'єкти в 3000 разів і дозволяє побачити найбільші органоїди клітини, спостерігати рух цитоплазми, поділ клітини.

Винайдений у 40-ті роки. XX ст. електронний мікроскоп дає збільшення в десятки та сотні тисяч разів. В електронному мікроскопі замість світла використовується потік електронів, а замість лінз – електромагнітні поля. Тому електронний мікроскоп дає чітке зображення за значно більших збільшеннях. З допомогою такого мікроскопа вдалося вивчити будову органоїдів клітини.

Будова та склад органоїдів клітини вивчають за допомогою методу центрифугування. Подрібнені тканини із зруйнованими клітинними оболонками поміщають у пробірки та обертають у центрифузі з великою швидкістю. Метод заснований на тому, що різні клітинні органи мають різну масу і щільність. Більш щільні органоїди осідають у пробірці при низьких швидкостях центрифугування, менш щільні – при високих. Ці верстви вивчають окремо.

Широко використовують метод культури клітин та тканин, який полягає в тому, що з однієї або декількох клітин на спеціальному поживному середовищі можна отримати групу однотипних тварин або рослинних клітин і навіть виростити цілу рослину. За допомогою цього методу можна отримати відповідь на питання, як з однієї клітини утворюються різноманітні тканини та органи організму.

Основні положення клітинної теорії були вперше сформульовані М. Шлейден і Т. Шван. Клітина - одиниця будови, життєдіяльності, розмноження та розвитку всіх живих організмів. Для вивчення клітин використовують методи мікроскопування, центрифугування, культури клітин і тканин та ін.

Клітини грибів, рослин і тварин мають багато спільного у хімічному складі, а й у будові. При розгляді клітини під мікроскопом у ній видно різні структури - органоїди. Кожен органоїд виконує певні функції. У клітині розрізняють три основні частини: плазматичну мембрану, ядро ​​та цитоплазму (рис 1).

Плазматична мембранавідокремлює клітину та її вміст від навколишнього середовища. На малюнку 2 ви бачите: мембрана утворена двома шарами ліпідів, а білкові молекули пронизують товщу мембрани.

Основна функція плазматичної мембрани транспортна. Вона забезпечує надходження поживних речовин у клітину та виведення з неї продуктів обміну.

Важлива властивість мембрани - виборча проникність, або напівпроникність, дозволяє клітині взаємодіяти з навколишнім середовищем: у неї надходять і виводяться з неї лише певні речовини. Дрібні молекули води та деяких інших речовин проникають у клітину шляхом дифузії, частково через пори у мембрані.

У цитоплазмі, клітинному соку вакуолей рослинної клітини, розчинені цукри, органічні кислоти, солі. Причому їх концентрація у клітині значно вища, ніж у навколишньому середовищі. Чим більша концентрація цих речовин у клітині, тим більше вона поглинає води. Відомо, що вода постійно витрачається клітиною, завдяки чому концентрація клітинного соку збільшується і вода знову надходить у клітину.

Надходження більших молекул (глюкози, амінокислот) в клітину забезпечують транспортні білки мембрани, які, з'єднуючись з молекулами речовин, що транспортуються, переносять їх через мембрану. У цьому процесі беруть участь ферменти, що розщеплюють АТФ.

Малюнок 1. Узагальнена схема будови еукаріотичної клітини.
(Для збільшення зображення натисніть на малюнок)

Малюнок 2. Будова плазматичної мембрани.
1 - білки, що пронизують, 2 - занурені білки, 3 - зовнішні білки

Малюнок 3. Схема піноцитозу та фагоцитозу.

Ще більші молекули білків і полісахаридів проникають у клітину шляхом фагоцитозу (від грец. фагос- пожираючий та кітос- судина, клітина), а краплі рідини – шляхом піноцитозу (від грец. піно- п'ю та кітос) (рис 3).

Клітини тварин, на відміну від клітин рослин, оточені м'якою та гнучкою "шубою", утвореною переважно молекулами полісахаридів, які, приєднуючись до деяких білків та ліпідів мембрани, оточують клітину зовні. Склад полісахаридів специфічний для різних тканин, завдяки чому клітини "дізнаються" один одного і з'єднуються між собою.

У клітин рослин такої "шуби" немає. У них над плазматичною мембраною знаходиться пронизана порами клітинна оболонка, що складається переважно із целюлози. Через пори з клітини в клітину тягнуться нитки цитоплазми, що з'єднують між собою клітини. Так здійснюється зв'язок між клітинами та досягається цілісність організму.

Клітинна оболонка рослин грає роль міцного скелета і захищає клітину від ушкодження.

Клітинна оболонка є у більшості бактерій та у всіх грибів, тільки хімічний склад її інший. У грибів вона складається з хітиноподібної речовини.

Клітини грибів, рослин та тварин мають подібну будову. У клітині розрізняють три основні частини: ядро, цитоплазму та плазматичну мембрану. Плазматична мембрана складається з ліпідів та білків. Вона забезпечує надходження речовин у клітину та виділення їх із клітини. У клітинах рослин, грибів та більшості бактерій над плазматичною мембраною є клітинна оболонка. Вона виконує захисну функцію та відіграє роль скелета. У рослин клітинна оболонка складається з целюлози, а у грибів із хітиноподібної речовини. Клітини тварин покриті полісахаридами, що забезпечують контакти між клітинами однієї тканини.

Вам відомо, що основну частину клітини становить цитоплазма. До її складу входять вода, амінокислоти, білки, вуглеводи, АТФ, іони неорганічних речовин. У цитоплазмі розташовані ядро ​​та органоїди клітини. У ній речовини переміщаються з однієї частини клітини до іншої. Цитоплазма забезпечує взаємодію всіх органоїдів. Тут протікають хімічні реакції.

Вся цитоплазма пронизана тонкими білковими мікротрубочками, що утворюють цитоскелет клітинизавдяки якому вона зберігає постійну форму. Цитоскелет клітини гнучкий, так як мікротрубочки здатні змінювати своє положення, переміщатися з одного кінця і коротшати з іншого. У клітину надходять різні речовини. Що ж відбувається з ними у клітці?

У лізосомах – дрібних округлих мембранних бульбашках (див. рис. 1) молекули складних органічних речовин за допомогою гідролітичних ферментів розщеплюються на простіші молекули. Наприклад, білки розщеплюються на амінокислоти, полісахариди – на моносахариди, жири – на гліцирин та жирні кислоти. За цю функцію лізосоми часто називають "травними станціями" клітини.

Якщо зруйнувати мембрану лізосом, то ферменти, що містяться в них, можуть перетравити і саму клітину. Тому іноді лізосоми називають " знаряддями вбивства клітини " .

Ферментативне окислення дрібних молекул амінокислот, моносахаридів, жирних кислот і спиртів, що утворилися в лізосомах, до вугілля кислого газу і води починається в цитоплазмі і закінчується в інших органоїдах. мітохондріях. Мітохондрії – паличкоподібні, ниткоподібні або кулясті органоїди, відмежовані від цитоплазми двома мембранами (рис. 4). Зовнішня мембрана гладка, а внутрішня утворює складки. кристиякі збільшують її поверхню. На внутрішній мембрані і розміщуються ферменти, що у реакціях окислення органічних речовин до вуглекислого газу та води. При цьому звільняється енергія, що запасається клітиною у молекулах АТФ. Тому мітохондрії називають "силовими станціями" клітини.

У клітині органічні речовини як окислюються, а й синтезуються. Синтез ліпідів та вуглеводів здійснюється на ендоплазматичній мережі – ЕПС (рис. 5), а білків – на рибосомах. Що таке ЕПС? Це система канальців та цистерн, стінки яких утворені мембраною. Вони пронизують усю цитоплазму. По каналах ЕПС речовини переміщуються різні частини клітини.

Існує гладка та шорстка ЕПС. На поверхні гладкої ЕПС за участю ферментів синтезуються вуглеводи та ліпіди. Шорсткість ЕПС надають розташовані на ній дрібні округлі тільця. рибосоми(див. рис. 1), які беруть участь у синтезі білків.

Синтез органічних речовин відбувається і в пластидахякі містяться тільки в клітинах рослин.

Мал. 4. Схема будови мітохондрії.
1.- зовнішня мембрана; 2. - внутрішня мембрана; 3.- складки внутрішньої мембрани – кристи.

Мал. 5. Схема будови шорсткої ЕПС.

Мал. 6. Схема будови хлоропласту.
1. - зовнішня мембрана; 2. - внутрішня мембрана; 3.- внутрішній вміст хлоропласту; 4.- складки внутрішньої мембрани, зібрані в "стопки" і утворюють грани.

У безбарвних пластидах лейкопластах(Від грец. леукос- білий та пластос- Створений) накопичується крохмаль. Дуже багаті на лейкопласти бульби картоплі. Жовте, помаранчеве, червоне забарвлення плодам і квіткам надають хромопласти(Від грец. хрому- колір та пластос). У них синтезуються пігменти, що беруть участь у фотосинтезі, - каротиноїди. У житті рослин особливо велике значення хлоропластів(Від грец. хлорос- зелений і пластос) – зелених пластид. На малюнку 6 ви бачите, що хлоропласти покриті двома мембранами: зовнішньою та внутрішньою. Внутрішня мембрана утворює складки; між складками знаходяться бульбашки, покладені в стопки, - грани. У гранах є молекули хлорофілу, які беруть участь у фотосинтезі. У кожному хлоропласті близько 50 гран, розташованих у шаховому порядку. Таке розташування забезпечує максимальне освітлення кожної грани.

У цитоплазмі білки, ліпіди, вуглеводи можуть накопичуватися як зерен, кристалів, крапельок. Ці включення- запасні поживні речовини, які витрачаються клітиною за необхідності.

У клітинах рослин частина запасних поживних речовин, а також продукти розпаду накопичуються у клітинному соку вакуолей (див. рис. 1). На частку може припадати до 90% обсягу рослинної клітини. Тварини мають тимчасові вакуолі, що займають не більше 5% їх обсягу.

Мал. 7. Схема будови комплексу Гольджі.

На малюнку 7 ви бачите систему порожнин, оточених мембраною. Це комплекс Гольджі, який виконує у клітині різноманітні функції: бере участь у накопиченні та транспортуванні речовин, виведенні їх із клітини, формуванні лізосом, клітинної оболонки. Наприклад, у порожнини комплексу Гольджі надходять молекули целюлози, які за допомогою бульбашок переміщуються на поверхню клітини та включаються до клітинної оболонки.

Більшість клітин розмножується шляхом розподілу. У цьому процесі бере участь клітинний центр. Він складається із двох центріолей, оточених ущільненою цитоплазмою (див. рис. 1). На початку поділу центріолі розходяться до полюсів клітини. Від них розходяться білкові нитки, які з'єднуються з хромосомами та забезпечують їх рівномірний розподіл між двома дочірніми клітинами.

Усі органоїди клітини тісно пов'язані між собою. Наприклад, у рибосомах синтезуються молекули білків, каналами ЕПС вони транспортуються до різних частин клітини, а лізосомах білки руйнуються. Знову синтезовані молекули використовуються на побудову структур клітини або накопичуються в цитоплазмі та вакуолях як запасні поживні речовини.

Клітина заповнена цитоплазмою. У цитоплазмі розташовуються ядро ​​та різноманітні органоїди: лізосоми, мітохондрії, пластиди, вакуолі, ЕПС, клітинний центр, комплекс Гольджі. Вони різняться за своєю будовою та функціями. Усі органоїди цитоплазми взаємодіють між собою, забезпечуючи нормальне функціонування клітини.

Таблиця 1. БУДОВА КЛІТИНИ

Найважливіша роль життєдіяльності і розподілі клітин грибів, рослин і тварин належить ядру і які у ньому хромосомам. Більшість клітин цих організмів має одне ядро, але є багатоядерні клітини, наприклад м'язові. Ядро розташоване в цитоплазмі та має округлу або овальну форму. Воно вкрите оболонкою, що складається із двох мембран. Ядерна оболонка має пори, якими відбувається обмін речовин між ядром і цитоплазмою. Ядро заповнене ядерним соком, у якому розташовані ядерця і хромосоми.

Ядрішки- це "майстерні з виробництва" рибосом, які формуються з рибосомних РНК, що утворюються в ядрі, і синтезованих в цитоплазмі білків.

Головна функція ядра - зберігання та передача спадкової інформації - пов'язана з хромосомами. Кожен вид організму має свій набір хромосом: певне їх число, форму та розміри.

Усі клітини тіла, крім статевих, називаються соматичними(Від грец. сома- Тіло). Клітини одного виду містять однаковий набір хромосом. Наприклад, у людини в кожній клітині тіла міститься 46 хромосом, у плодової мухи дрозофіли – 8 хромосом.

Соматичні клітини, як правило, мають подвійний набір хромосом. Він називається диплоїднимі позначається 2 n. Так, у людини 23 пари хромосом, тобто 2 n= 46. У статевих клітинах міститься вдвічі менше хромосом. Це одинарний, або гаплоїдний, набір. Людина 1 n = 23.

Усі хромосоми у соматичних клітинах, на відміну хромосом у статевих клітинах, парні. Хромосоми, що становлять одну пару, ідентичні один одному. Парні хромосоми називають гомологічними. Хромосоми, які відносяться до різних пар і розрізняються за формою та розмірами, називають негомологічні(Рис. 8).

У деяких видів число хромосом може збігатися. Наприклад, у конюшини червоної та гороху посівної. n= 14. Однак хромосоми у них розрізняються за формою, розмірами, нуклеотидним складом молекул ДНК.

Мал. 8. Набір хромосом у клітинах дрозофіли.

Мал. 9. Будова хромосоми.

Щоб зрозуміти роль хромосом у передачі спадкової інформації, необхідно познайомитися з їх будовою та хімічним складом.

Хромосоми клітини, що не ділиться, мають вигляд довгих тонких ниток. Кожна хромосома перед розподілом клітини складається з двох однакових ниток. хроматид, які з'єднуються між ластами перетяжки - (рис. 9).

Хромосоми складаються з ДНК та білків. Оскільки нуклеотидний склад ДНК відрізняється у різних видів, склад хромосом є унікальним для кожного виду.

Кожна клітина, крім бактеріальної, має ядро, в якому знаходяться ядерця та хромосоми. Для кожного виду характерний певний набір хромосом: число, форма та розміри. У соматичних клітинах більшості організмів набір хромосом диплоїдний, у статевих – гаплоїдний. Парні хромосоми називають гомологічними. Хромосоми складаються з ДНК та білків. Молекули ДНК забезпечують зберігання та передачу спадкової інформації від клітини до клітини та від організму до організму.

Пропрацювавши ці теми, Ви повинні вміти:

1. Розповісти, у яких випадках слід застосовувати світловий мікроскоп (будову), трансмісійний електронний мікроскоп.
2. Описати структуру клітинної мембрани та пояснити зв'язок між структурою мембрани та її здатністю здійснювати обмін речовинами між клітиною та середовищем.
3. Дати визначення процесам: дифузія, полегшена дифузія, активний транспорт, ендоцитоз, екзоцитоз та осмос. Вказати різницю між цими процесами.
4. Назвати функції структур та вказати, в яких клітинах (рослинних, тваринних або прокаріотичних) вони знаходяться: ядро, ядерна мембрана, нуклеоплазма, хромосоми, плазматична мембрана, рибосома, мітохондрія, клітинна стінка, хлоропласт, вакуоль, лізосома, ендоплазматична та шорстка (гранулярна), клітинний центр, апарат Гольджі, війка, джгутик, мезосома, пили або фімбрії.
5. Назвати щонайменше трьох ознак, якими можна відрізнити рослинну клітину від тваринної.
6. Перелічити найважливіші відмінності між прокаріотичною та еукаріотичною клітиною.

Іванова Т.В., Калінова Г.С., М'ягкова О.М. "Спільна біологія". Москва, "Освіта", 2000

• Тема 1. "Плазматична мембрана." §1, §8 стор. 5;20
• Тема 2. "Клітка." §8-10 стор. 20-30
• Тема 3. "Прокаріотична клітина. Віруси." §11 стор. 31-34

Біологічні мембрани- загальна назва функціонально активних поверхневих структур, що обмежують клітини (клітинні, або плазматичні мембрани) та внутрішньоклітинні органели (мембрани мітохондрій, ядер, лізосом, ендоплазматичного ретикулуму та ін.). Вони містять у своєму складі ліпіди, білки, гетерогенні молекули (глікопротеїни, гліколіпіди) та в залежності від виконуваної функції численні мінорні компоненти: коферменти, нуклеїнові кислоти, антиоксиданти, каротиноїди, неорганічні іони тощо.

Узгоджене функціонування мембранних систем – рецепторів, ферментів, транспортних механізмів – допомагає підтримувати гомеостаз клітини та водночас швидко реагувати на зміни довкілля.

До основним функціям біологічних мембран можна віднести:

· Відділення клітини від навколишнього середовища та формування внутрішньоклітинних компартментів (відсіків);

· Контроль та регулювання транспорту величезного різноманіття речовин через мембрани;

· Участь у забезпеченні міжклітинних взаємодій, передачі всередину клітини сигналів;

· Перетворення енергії харчових органічних речовин в енергію хімічних зв'язків молекул АТФ.

Молекулярна організація плазматичної (клітинної) мембрани у всіх клітин приблизно однакова: вона складається з двох шарів ліпідних молекул з безліччю включених до неї специфічних білків. Одні мембранні білки мають ферментативну активність, тоді як інші зв'язують поживні речовини з навколишнього середовища і забезпечують їх перенесення в клітину через мембрани. Мембранні білки розрізняють характером зв'язку з мембранними структурами. Одні білки, звані зовнішніми чи периферичними , неміцно пов'язані з поверхнею мембрани, інші внутрішніми чи інтегральними , занурені всередину мембрани Периферичні білки легко екстрагуються, тоді як інтегральні білки можуть бути виділені лише за допомогою детергенів або органічних розчинників. На рис. 4 представлено структуру плазматичної мембрани.

Зовнішні, або плазматичні, мембрани багатьох клітин, а також мембрани внутрішньоклітинних органел, наприклад, мітохондрій, хлоропластів вдалося виділити у вільному вигляді та вивчити їхній молекулярний склад. У всіх мембранах є полярні ліпіди у кількості, що становить залежно від типу мембран від 20 до 80% її маси, решта припадає головним чином частку білків. Так, у плазматичних мембранах тварин клітин кількість білків та ліпідів, як правило, приблизно однакова; у внутрішній мітохондріальній мембрані міститься близько 80% білків і лише 20% ліпідів, а в мієлінових мембранах клітин мозку навпаки, близько 80% ліпідів і лише 20% білків.

Мал. 4. Структура плазматичної мембрани

Ліпідна частина мембран є сумішшю різного роду полярних ліпідів. Полярні ліпіди, до яких належать фосфогліцероліпіди, сфінголіпіди, гліколіпіди не запасаються в жирових клітинах, а вбудовуються в клітинні мембрани, причому в строго певних співвідношеннях.

Усі полярні ліпіди в мембранах постійно оновлюються у процесі метаболізму, за нормальних умов у клітині встановлюється динамічний стаціонарний стан, у якому швидкість синтезу ліпідів дорівнює швидкості їх розпаду.

У мембранах тваринних клітин присутні в основному фосфогліцероліпіди і меншою мірою сфінголіпіди; тріацилгліцероли виявляються лише у слідових кількостях. Деякі мембрани тваринних клітин, особливо зовнішня плазматична мембрана, містить значні кількості холестеролу та його ефірів (рис.5).

Рис.5. Мембранні ліпіди

В даний час загальноприйнятою моделлю будови мембран є рідинно-мозаїчна, запропонована в 1972 С. Сінджером і Дж. Ніколсоном.

Згідно з нею білки можна уподібнити айсбергам, що плавають у ліпідному морі. Як уже зазначалося вище, існують 2 типи мембранних білків: інтегральні та периферичні. Інтегральні білки пронизують мембрану наскрізь, вони є амфіпатичними молекулами. Периферичні білки не пронизують мембрану та пов'язані з нею менш міцно. Основною безперервною частиною мембрани, тобто її матриксом, є полярний ліпідний бішар. При звичайній для клітини температурі матрикс знаходиться в рідкому стані, що забезпечується певним співвідношенням між насиченими та ненасиченими жирними кислотами у гідрофобних хвостах полярних ліпідів.

Рідинно-мозаїчна модель передбачає також, що на поверхні розташованих у мембрані інтегральних білків є R-групи амінокислотних залишків (в основному гідрофобні групи, за рахунок яких білки як би розчиняються в центральній гідрофобній частині бислоя). У той же час, на поверхні периферичних або зовнішніх білків є в основному гідрофільні R-групи, які притягуються до гідрофільних заряджених полярних головок ліпідів за рахунок електростатичних сил. Інтегральні білки, а до них відносяться ферменти і транспортні білки, мають активність тільки в тому випадку, якщо знаходяться всередині гідрофобної частини бислоя, де вони набувають необхідну прояви активності просторову конфігурацію (рис.6). Слід ще раз підкреслити, що між молекулами в бислое, ні між білками і ліпідами бислоя не утворюється ковалентних зв'язків.

Рис.6. Мембранні білки

Мембранні білки можуть вільно переміщатися латеріальною площиною. Периферичні білки буквально плавають на поверхні бислойного «моря», а інтегральні білки, подібно до айсбергів, майже повністю занурені у вуглеводневий шар.

Здебільшого мембрани асиметричні, тобто мають нерівноцінні сторони. Ця асиметричність проявляється в наступному:

· по-перше, у тому, що внутрішня та зовнішня сторони плазматичних мембран бактеріальних та тваринних клітин різняться за складом полярних ліпідів. Так, наприклад, внутрішній ліпідний шар мембран еритроцитів людини містить в основному фосфатиділетаноламін і фосфатидилсерін, а зовнішній - фосфатидилхолін і сфінгомієлін.

· По-друге, деякі транспортні системи в мембранах діють тільки в одному напрямку. Наприклад, у мембранах еритроцитів є транспортна система («насос»), що перекачує іони Nа + з клітини в навколишнє середовище, а іони К + - всередину клітини за рахунок енергії, що звільняється при гідролізі АТФ.

· по-третє, на зовнішній поверхні плазматичних мембран міститься дуже велика кількість олігосахаридних угруповань, що являють собою голівки гліколіпідів та олігосахаридні бічні ланцюги глікопротеїнів, тоді як на внутрішній поверхні плазматичної мембрани олігосахаридних угруповань практично немає.

Асиметричність біологічних мембрам зберігається за рахунок того, що перенесення індивідуальних молекул фосфоліпідів з одного боку ліпідного бислоя в іншу дуже утруднений з енергетичних міркувань. Полярна молекула ліпіду здатна вільно переміщатися на своїй стороні бислоя, але обмежена можливості перескочити на інший бік.

Рухливість ліпідів залежить від відносного вмісту та типу присутніх ненасичених жирних кислот. Вуглеводнева природа жирнокислотних ланцюгів повідомляє мембрані властивості плинності, рухливості. У присутності цис-ненасичених жирних кислот сили зчеплення між ланцюгами слабші, ніж у разі одних насичених жирних кислот, і ліпіди зберігають високу рухливість і за низької температури.

На зовнішній стороні мембран є специфічні ділянки, що розпізнають, функція яких полягає в розпізнаванні певних молекулярних сигналів. Наприклад, саме за допомогою мембрани деякі бактерії сприймають незначні зміни концентрації поживної речовини, що стимулює рух до джерела їжі; це явище зветься хемотаксису.

Мембрани різних клітин і внутрішньоклітинних органел мають певну специфічність, обумовлену їх будовою, хімічним складом і функціями. Вирізняють такі основні групи мембран у еукаріотичних організмів:

· Плазматична мембрана (зовнішня клітинна мембрана, плазмалема),

· Ядерна мембрана,

· ендоплазматичний ретикулум,

· мембрани апарату Гольджі, мітохондрій, хлорпластів, мієлінових оболонок,

· Збудливі мембрани.

У прокаріотичних організмів крім плазматичної мембрани існують внутрішньоцитоплазматичні мембранні утворення, у гетеротрофних прокаріотів вони називаються мезосоми.Останні утворюються вп'ячуванням втягнути зовнішньої клітинної мембрани і в деяких випадках зберігають з нею зв'язок.

Мембрана еритроцитівскладається з білків (50%), ліпідів (40%) та вуглеводів (10%). Більшість вуглеводів (93%) пов'язані з білками, решта – з ліпідами. У мембрані ліпіди розташовані асиметрично на відміну симетричного розташування в міцелах. Наприклад, кефалін знаходиться переважно у внутрішньому шарі ліпідів. Така асиметрія підтримується, мабуть, за рахунок поперечного переміщення фосфоліпідів у мембрані, що здійснюється за допомогою мембранних білків та за рахунок енергії метаболізму. У внутрішньому шарі еритроцитарної мембрани знаходяться в основному сфінгомієлін, фосфатидилетаноламін, фосфатидилсерін, у зовнішньому шарі - фосфатиділхолін. Мембрана еритроцитів містить інтегральний глікопротеїн глікофорин, Що складається з 131 амінокислотного залишку і пронизує мембрану, так званий білок смуги 3, що складається з 900 амінокислотних залишків. Вуглеводні компоненти глікофорину виконують рецепторну функцію для вірусів грипу, фітогемагглютинінів, низки гормонів. В еритроцитарній мембрані виявлено й інший інтегральний білок, що містить мало вуглеводів і пронизує мембрану. Його називають тунельним білком(компонент а), оскільки припускають, що він утворює канал для аніонів. Периферичним білком, пов'язаним із внутрішньою стороною еритроцитарної мембрани, є спектрин.

Мієлінові мембрани , що оточують аксони нейронів, багатошарові, в них присутня велика кількість ліпідів (близько 80%, половина з них – фосфоліпідів). Білки цих мембран важливі для фіксації мембранних сольів, що лежать один над одним.

Мембрани хлоропластів. Хлоропласти покриті двошаровою мембраною. Зовнішня мембрана має деяку подібність до такої у мітохондрій. Крім цієї поверхневої мембрани у хлоропластах є внутрішня мембранна система – ламели. Ламели утворюють або сплощені бульбашки – тилакоїди, які, розташовуючись один над одним, збираються в пачки (грани) або формують мембранну систему строми (ламели строми). Ламели гран і строми зовнішньому боці мембрани тилакоїдів зосереджені гідрофільні угруповання, галакто- та сульфоліпідів. Фітольна частина молекули хлорофілу занурена в глобулу і знаходиться в контакті з гідрофобними групами білків і ліпідів. Порфіринові ядра хлорофілу в основному локалізовані між дотичними мембранами тилакоїдів гран.

Внутрішня (цитоплазматична) мембрана бактерійпо структурі схожа з внутрішніми мембранами хлоропластів та мітохондрій. У ній локалізовано ферменти дихального ланцюга, активного транспорту; ферменти, що у освіті компонентів мембрани. Переважним компонентом бактеріальних мембран є білки: співвідношення білок/ліпід (за масою) дорівнює 3:1. Зовнішня мембрана грамнегативних бактерій у порівнянні з цитоплазматичною містить меншу кількість різних фосфоліпідів та білків. Обидві мембрани розрізняються за ліпідним складом. У зовнішній мембрані знаходяться білки, що утворюють пори для проникнення багатьох низькомолекулярних речовин. Характерним компонентом зовнішньої мембрани є також специфічний ліпополісахарид. Ряд білків зовнішньої мембрани є рецепторами для фагів.

Мембрана вірусів.Серед вірусів мембранні структури характерні для нуклеокапсид, що містять, який складається з білка і нуклеїнової кислоти. Це "ядро" вірусів оточене мембраною (оболонка). Вона також складається з подвійного шару ліпідів із включеними до нього глікопротеїнами, розташованими в основному на поверхні мембрани. У ряду вірусів (мікровіруси) до мембран входить 70-80% всіх білків, інші білки містяться в нуклеокапсиді.

Таким чином, мембрани клітин є дуже складними структурами; складові їх молекулярні комплекси утворюють упорядковану двовимірну мозаїку, що надає поверхні мембран біологічну специфічність.

Мембрана - це надтонка структура, що утворює поверхні органоїдів та клітини в цілому. Всі мембрани мають подібну будову та пов'язані в одну систему.

Хімічний склад

Мембрани клітини хімічно однорідні і складаються з білків та ліпідів різних груп:

• фосфоліпідів;
• галактоліпідів;
• сульфоліпідів.

Також до їх складу входять нуклеїнові кислоти, полісахариди та інші речовини.

Фізичні властивості

При нормальній температурі мембрани знаходяться в рідкокристалічному стані і постійно коливається. Їх в'язкість близька до в'язкості олії.

Мембрана здатна до відновлення, міцна, еластична та має пори. Товщина мембран 7 – 14 нм.

ТОП-4 статтіякі читають разом з цією

Для великих молекул мембрана непроникна. Дрібні молекули та іони можуть проходити через пори та саму мембрану під дією різниці концентрацій з різних боків мембрани, а також за допомогою транспортних білків.

Модель

Зазвичай будова мембран описується за допомогою рідинно-мозаїчної моделі. Мембрана має каркас - два ряди ліпідних молекул, щільно, як цеглини, що прилягають одна до одної.

Мал. 1. Біологічна мембрана типу сендвіч.

З обох боків поверхня ліпідів покрита білками. Мозаїчна картина утворюється нерівномірно розподіленими поверхні мембрани молекулами білків.

За рівнем зануреності в біліпідний шар білкові молекули ділять на три групи:

• трансмембранні;
• занурені;
• поверхневі.

Білки забезпечують основну властивість мембрани - її вибіркову проникність для різних речовин.

Типи мембран

Усі мембрани клітини з локалізації можна розділити на такі типи:

• зовнішня;
• ядерна;
• мембрани органоїдів

Зовнішня цитоплазматична мембрана, чи плазмолема, є межею клітини. Поєднуючись з елементами цитоскелета, вона підтримує її форму та розміри.

Мал. 2. Цитоскелет.

Ядерна мембрана, або каріолема, є межею ядерного вмісту. Вона побудована із двох мембран, дуже схожих на зовнішню. Зовнішня мембрана ядра пов'язана з мембранами ендоплазматичної мережі (ЕПС) і через пори з внутрішньою мембраною.

Мембрани ЕПС пронизують всю цитоплазму, утворюючи поверхні, у яких йде синтез різних речовин, зокрема мембранних білків.

Мембрани органоїдів

Мембранну будову має більшість органоїдів.

З однієї мембрани збудовано стінки:

• комплексу Гольджі;
• вакуолей;
• лізосом.

Пластиди та мітохондрії побудовані з двох шарів мембран. Їхня зовнішня мембрана гладка, а внутрішня утворює безліч складок.

Особливостями фотосинтетичних мембран хлоропластів є вбудовані молекули хлорофілу.

Тварини клітини мають поверхні зовнішньої мембрани вуглеводний шар, званий гликокаликсом.

Мал. 3. Глікокалікс.

Найбільш розвинений глікоколікс у клітинах кишкового епітелію, де він створює умови для травлення та захищає плазмолемму.

Таблиця «Будова клітинна мембрана»

Що ми дізналися?

Ми розглянули будову та функції клітинної мембрани. Мембрана є селективним (виборчим) бар'єром клітини, ядра та органоїдів. Будова клітинної мембрани описується рідинно-мозаїчною моделлю. Згідно з цією моделлю, в подвійний шар ліпідів в'язкої консистенції вбудовані білкові молекули.

Тест на тему

Оцінка доповіді

Середня оцінка: 4.5. Усього отримано оцінок: 264.