реферат. Введение представления о строении мембран
 Скачать 39.1 Kb.
|
|
Содержание Введение ………………………………………………………………....3 1.Представления о строении мембран…………………………….........4 2. Состав биологической мембраны………………………………….....6 3.Транспорт веществ……………………………………………………..9 3.1. Пассивный транспорт…………………………………………….....9 3.2. Активный транспорт………………………………………………..11 4. Функция биологической мембран………………………………......12 Заключение……………………………………………………………....15 Список использованной литературы…………………………………..16 ВВЕДЕНИЕ Важнейшее условие существования клетки, и, следовательно, жизни – нормальное функционирование биологических мембран. Мембраны – неотъемлемый компонент всех клеток. Любая клетка имеет мембраны. И в каждой эукариотической клетке существуют различные органеллы, каждая из которых сама покрыта мембраной. Мембраны ответственны за выполнение многих важнейших функций клетки. Согласованное функционирование мембранных систем — рецепторов, ферментов, транспортных ме ханизмов помогает поддерживать гомеостаз клетки и в то же время быстро реагировать на изменения внешней среды. К основным функциям мембран можно отнести: • отделение клетки от окружающей среды и формирование внут риклеточных компартментов (отсеков); • контроль и регулирование транспорта огромного разнообразия веществ через мембраны; • участие в обеспечении межклеточных взаимодействий, переда че внутрь клетки сигналов; • преобразование энергии пищевых органических веществ в энер гию химических связей молекул АТФ. Цель: изучить строение и свойства биологической мембраны. Основные задачи:
Биологические мембраны ( от лат. Membrana – перепонка ) называют функциональные структуры клеток толщиной в несколько молекулярных слоев, ограничивающие цитоплазму и большинство клеточных структур, а также образующие единую внутриклеточную систему канальцев, складок и замкнуты полостей. Изучение строения мембран необходимо для понимания их функционирования. В 1935 г. Ф.Даниэлли и Г.Давсон выдвинули первую гипотезу о строении биологически мембран, согласно которой мембрана состоит из двойного липидного слоя, покрытого с двух сторон слоями глобулярных белков. В 50-х годах XX века методом электронной микроскопии были получены снимки мембран в виде трехслойных структур толщиной около 10 нм. В 1964 году Дж.Робертсон предложил унитарную схему асимметричного строения мембраны. В соответствии с этой схемой белки могут разворачиваться на поверхности двойного липидного слоя под действием сил электростатического взаимодействия с заряженными головками фосфолипидов мембран, на наружной поверхности мембраны располагаются еще и молекулы гликопротеинов. Однако под влиянием новых фактов, и в первую очередь обнаружения зернистой структуры мембран, которая просматривалась на снимках, полученных при большом увеличении, первоначальные представления о трёхслойности мембран были пересмотрены. В настоящее время считают, что белки не выстилают поверхность липидного слоя мембран, а «плавают» на поверхности в виде отдельных глобулярных молекул или частиц, в большей, или меньшей степени погруженных в мембраную. Эта жидкомозаичная модель, предложенная Дж. Ленардом и С.Сингером (1966), позволяет удовлетворительно объяснить целый ряд фактов, в частности зависимость многих физиологических функций мембран и активности отдельных мембранных ферментов от фазового состояния липидов в мембране, ее текучести ( вязкости ). Более поздняя белково-кристаллическая модель отличается от жидко-мозаичной модели фактически лишь постулированием существования в мембране жесткой белковой структуры, возникающих в результате дальнодействующих белок-белковых связей. Мембранные структуры клетки представлены поверхностной (клеточной, или плазматической) и субклеточными мембранами. Название внутриклеточных (субклеточных) мембран обычнозависит от названия ограничиваемых или образуемых ими структур. Так, различают митохондриальные, ядерные, лизосомные мембраны, мембраны пластинчатого комплекса аппарата Гольджи, эндоплазматического ретикулума, саркоплазматического ретикулума и др. Толщина биологических мембран, обычно не превышает 7-10 нм, но их общая лощадь очень велика.
Состав биологической мембраны зависит от их типа и функций, однако основным составляющим являются Липиды и Белки, а также Углеводы и вода ( более 20% общего веса ). Структурной основой Биологической мембраны служит липидный бимолекулярный слой. Его образование обусловлено особенностями взаимодействия с водой мембранных липидов. На их долю приходится от 15 до 50% сухой массы разных клеточных мембран. Мембранные липиды относятся к трем основным классам: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. Фосфолипиды ( ФЛ ), в молекуле условно выделяют 3 части: головку, тело (шейку) и хвосты. Важнейшее физико-химическое свойство фосфолипидов – амфофильность ( амфопатичность ) за счет гидрофильности головки и гидрофобности жирнокислотных хвостов. Благодаря этому, в воде, при соблюдении определенных условий, молекулы фосфолипидов самопроизвольно выстраиваются так, что их гидрофобные углеводородные цепи оказываются укрытыми от воды, а полярная головка вступает во взаимодействие с ней. В результате при агрегации молекул создается конструкция, поперечник которой включает две молекулы фосфолипидов, повернутых друг к другу жирнокислотными хвостами и обращенных к обеим наружным поверхностям гидрофильными головками. Так образуется довольно устойчивая динамическая структура – сплошной бимолекулярный фосфолипидный слой ( бислой ), который и служит своеобразным каркасом биологической мембраны. Гликолипиды – играют важную роль в предотвращении слипания соседних клеток. Эти липиды обеспечивают существование на клеточной поверхности отрицательных электрических зарядов, создающих электростатическое отталкивание. Однако при избыточном количестве гликолипидов, клетки слишком сильно отталкиваются друг от друга и нарушается формационное взаимодействие. Гликолипиды в большом количестве присутствуют в мембранах миелина. Природной функцией мебранных ганглиозидов является участие в дифференцировке нейральной ткани, ганглиозиды других клеток - лимфоцитов, определяют видоспецифичность и регулируют межклеточные конткаты. Стероиды – спирты со стерановым скелетом, к которым относятся как мембранные липиды, так и компоненты мембран. В перечень мембранных компонентов стероидного ряда входит холестерин, ситостерин, тетрахименин. В тканях животных распространен холестерин. В растительных клетках холестерин не обнаружен, его заменяют фитостерины. У бактерий стероиды отсутствуют. Молекула холестерина , как и другие липидные молекулы, имеют полярную головку и вытянутую в длину неполярную часть. Поэтому они хорошо выстраиваются в бислойные липидные структуры, образующие клеточные мембраны. Особенно много холестерола содержится в наружных мембранах. Например, в плазматической мембране клеток печени холестеин составляет около 30% всех мембранных липидов. Белки Белковый состав мембран исключительно разнообразен. Большинство мембран содержат большое число различных белков, молекулярная масса которых колеблется от 10000 до 240000. Белки различаются по своему положению в мембране. Молекулы белков могут глубоко проникать в липидный бислой и пронизывать его – интегральные белки, либо прикрепляться к мембране разными способами – периферические белки. Периферические белки отличаются от интегральных меньшей глубиной проникновения в бислой и более слабыми белок-липидными взаимодействиями. Эти белки могут обратимо менять свой статус, прикрепляясь к мембране, они взаимодействуют либо с интегральными белками либо с поверхностными участками липидного бислоя, приобретая новые свойства. Функции мембранных белков разнообразны:
Углеводы в биологических мембранах находятся в соединении с белками ( гликопротеиды ) 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 биологической мембраны открываются в основном во внеклеточную структуру, образуя на поверхности клеточных мембран множество ветвистых образований, являющихся фрагментами гликолипидов или гликопротеидов. Их функции связаны с контролем за межклеточными взаимодействия, поддержанием иммунного состояния клетки, обеспечением стабильности белковых молекул. Многие рецепторные белки содержать углеводные компоненты. Примером могут служить антигенные детерминанты групп крови, представленные гликолипидами и гликопротеинами.
Живые системы, на всех уровнях организации – открыты системы. Элементарная ячейка жизни – клетка и клеточные органоиды тоде открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны – необходимые условия жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны. Существует два вида транспорта: активный и пассивный.
Активный транспорт имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТР. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na+ и K+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+ - K+ - насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К+ выше, чем Na+ Градиент концентрации калия и натрия поддерживается путем переноса К+ внутрь клетки, а Na+ наружу. Оба транспорта происходят против градиента концентрации. Такое распределение ионов определяет содержание воды в клетках, возбудимость нервных клеток и клеток мышц и другие свойства нормальных клеток. Na+ ,K+ -насос представляет собой белок - транспортную АТР-азу. Молекула этого фермента является олигомером и пронизывает мембрану. За полный цикл работы насоса из клетки в межклеточное вещество переносится три иона Na+, а в обратном направлении - два иона К+. При этом используется энергия молекулы АТР. Существуют транспортные системы для переноса ионов кальция (Са2+ - АТР-азы), протонные насосы (Н+ - АТР-азы) и др. Симпорт это активный перенос вещества через мембрану, осуществляемый за счет энергии градиента концентрации другого вещества. Транспортная АТР-аза в этом случае имеет центры связывания для обоих веществ. Антипорт - это перемещение вещества против градиента своей концентрации. При этом другое вещество движется в противоположном направлении по градиенту своей концентрации. Симпорт и антипорт могут происходить при всасывании аминокислот из кишечника и реабсорбции глюкозы из первичной мочи. При этом используется энергия градиента концентрации ионов Na+, создаваемого Na+, K+-АТР-азой. 3.2. Пассивный транспорт Пассивный транспорт включает в себя простую и облегченную диффузию Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул (H2O, CO2, O2), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ. Эти молекулы могут проходить без какого-либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации. Облегченная диффузия характерна для гидрофильных молекул, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных мембранных белков - переносчиков. Для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка. Один из возможных механизмов облегченной диффузии может быть следующим: транспортный белок (транслоказа) связывает вещество, затем сближается с противоположной стороной мембраны, освобождает это вещество, принимает исходную конформацию и вновь готов выполнять транспортную функцию. Мало известно о том, как осуществляется передвижение самого белка. Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белков-переносчиков. В этом случае первоначально связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны. Облегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков. Известно, например, что антибиотик валиномицин – переносчик ионов калия. Отличия облегченной диффузии от простой:
Пассивный транспорт представляет собой перенос вещества сквозь биологическую мембрану по градиенту (осмотический, концентрационный, гидродинамический и другие), не требующий расхода энергии. Активный транспорт – это такой процесс, при котором перенос происходит из места с меньшим значением электрохимического потенциала к месту с большим его значением. Этот процесс, сопровождающийся ростом энергии, не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза АТФ, то есть за счет затраты энергии Гиббса, запасенной в макроэргических связях АТФ.
Барьерная функция. Для клеток и субклеточных структур мембрана служит механическим барьером, отделяющим их от внешнего пространства. Функционирование клетки частосопряжено с наличием значительных механических градиентов на ее поверхности преимущественновследствие осмотического и гидростатического давления. Основную нагрузку в этом случае несет клеточная стенка, главным структурным элементом которой является целлюлоза, пектин, экстепин, а у бактерий муреин. В животной клетке необходимость в жесткой оболочке отсутствует. Некоторую жесткость этим клеткам придают особые белковые структурыцитоплазмы, примыкающие к внутренней поверхности плазматической мембраны. Перенос веществ через биологическую мембрану сопряжен с такими явлениями, как внутриклеточный ионный биоэлектрический потенциал, возбуждение и проведение нервного импульса, запасание и трансформация энергии и т.п. Различают активный и пассивный транспорт нейтральных молекул, воды и ионов. 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 и сопряжен с работой специализированных мембранных систем. Различают несколько видов транспорта. Процессытрансформацииизапасанияэнергии протекают в специализированных биологических мембранах и занимают центральное место в энергетическом обеспечении живых систем. Два основных процесса энергообразования – фотосинтез и дыхание. Локализованы в мембранах внутриклеточных органелл высших организмов, а у бактерий – в клеточной мембране. Фотосинтезирующие мембраны преобразуют энергию света в энергию химических соединений, запася ее в форме сахара – основно химического источника энергии для гетеротрофных организмов. При дыхании энергия органических субстратов освобождается в процессе переноса электронов по цели окислительно-васстановительных переносчиков и утилизируются в процессе фосфорилирование АДФ неорганическим фосфатом с образования АТФ. Мембраны, осуществляющие фосфорилирование, сопряженные с дыханием, называют сопрягающими. 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 процссы, протекающие в них. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Биологическая мембрана – это биологические структуры, которыми окружены все клетки, а также некоторые органоиды. Мембраны выполняют многие важные функции клетки:
В формировании мембран участвую белки и липиды. Основу мембран составляют двойной липидный слой, в образовании которого участвуют фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Рубин А.Б. - Биофизика в 2 томах ( 2 том). Наука, 1999г. 2. Самойлов В.О. - Медицинская биофизика, Санкт-Петербург, Спецлит 2004г. 3. Болдырев А.А., Кайвяряйнен Е.И., Илюха В.А. - Биомембранология Петрозаводск 2006г. 4. Антонов В.Ф. - Мембранный транспорт, Соросовский образовательный журнал, №6, 1997г. 5. Интернет-ресурс www.biochemistry.ru |