Цитоплазма и строение биомембранЦитоплазма эукариотических клеток имеет следующий состав: вода 80%, белок около 10%, ДНК 0,4%, РНК 0,7%, липиды 2%, органические соли 1% и неорганические соли 1%. Цитоплазма – внутренний компонент клетки без ядра. Цитоплазма делится на три части: органоиды (обязательные для любой клетки компоненты), включения (необязательные компоненты) и гиалоплазма (основная жидкая фаза клетки – цитозоль). Гиалоплазма. Сложный состав. По консистенции приближается к гелю. Гели – структурированные коллоидные системы с жидкой дисперсной средой. Частицы дисперсной фазы соединены между собой в рыхлую пространственную структуру, что лишает систему текучести. Гель цитоплазмы относится к тиксотропным гелям, которые под воздействием внешних условий, которые могут менять свое агрегатное состояние и переходить в менее вязкую фазу, которая называется золь. При изменении состава микротрубочки разрушаются.
Функции гиалоплазмы: 1) Синтез и отложение запасных полисахаридов, накопление липидов. 2) Место протекания гликолиза и синтеза АТФ. 3) Место синтеза белка. Активация аминокислот с помощью специфических ферментов и связывания их с транспортными РНК. 4) В гиалоплазме происходит модификация ферментов, которая приводит к изменению функций и структуры белков. 5) Место локализации всех строительных блоков биомембран, а также всех промежуточных метаболитов. 6) Локализация всех неорганических соединений, причем концентрация неорганических веществ строго детерминирована и регулируется органоидами клетки.
Свойства биологических мембран: Все без исключения клеточные мембраны построены по общему принципу: тонкие липопротеидные пленки, в который включены молекулы белка. В весовом отношении, в зависимости от типов мембран, на долю липидов приходится от 25% до 60%, а на долю белков от 40% до 70%. Углеводы – необязательный компонент биомембран. От 2% до 10%. Внутренние мембраны в клетке замыкаются сами на себя, таким образом, что образуют полости и тем самым разделяют цитоплазму на отсеки (компартменты). Внутреннее их содержание всегда отличается от содержимого гиалоплазмы. Толщина – 6-10нм. По массе около 4%. По общей площади внутренние мембраны существенно превышают наружную мембрану – плазмолемму. Структурной основой биологических мембран всегда является двойной слой липидов. К липидам относится большая группа веществ, обладающих плохой растворимостью в воде и хорошей растворимостью в органических соединений. Характерными липидами, формирующими бислой, являются фосфолипиды. Также существуют стероидные липиды и сфингомиелины. Фосфолипиды = глицерофосфопиды = глицеролипиды. Сложные эфиры глицерина с двумя жирными кислотами и с фосфорной кислотой. Сфингомеилины отличаются тем, что глицерин замещен сфингоспиртом. Характерной особенностью липидов является разделение их молекул на две функционально различные части: неполярные хвосты из двух остатков жирных кислот и полярная заряженная головка. Полярные головки имеют либо отрицательный, либо нейтральный заряд. Наличие хвостов объясняет хорошую растворимость липидов в жирах и органических растворителях. Если полярные липиды смешать с водой, то образуется эмульсия (мицелла). При этом гидрофобные участки будут стараться образовать однородную фазу, а заряженные «головки» будут выворачиваться в сторону воды. Если к липидам добавить немного воды, гидрофобные хвосты, мицеллы будут вывернуты наизнанку и гидрофобные хвосты будут торчать наружу. Эта способность – самопроизвольное образование мембранных структур в бислой. Амфипатические участки (амфифильные) – участки, по разному относящиеся к воде. В определенных условиях формируется двойной слой. Качественный и количественный состав липидов мембран различен: плазматические мембраны клеток животных богаты холестерином (30%). В мембранах митохондрий мало холестерина, но много белков. В целом, для плазматической мембраны характерно преобладание насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот в составе фосфолипидов, тогда как во внутренних мембранах наоборот – много полиненасыщенных жирных кислот. Плазмолемма более жесткая, более стабильная. В 1925 году Грендель и Гортер показали, что липиды – основа мембран. Создали искусственные мембраны. Мембраны - непроницаемый барьер для любых заряженных молекул. Свободные диффузии через бислой мембран встречаются редко. 1935 год. Даниэль и Даусен внесли дополнение к модели липидов, отметив, что в состав мембран входят белки. Бутербродная модель. По их представлению, белки располагались сплошными рядами в мембранах (над и под липидами). Бутербродная мембрана встречается редко (но действительно бывает, в 1% случаев). 1971 год. Сингер и Николсон. Современная модель. Жидкостно-мозаичная модель. Согласно ей, мембрана состоит из неплотно упакованных белковых глобулярных структур, встроенных в липидный бислой. 70% липидных молекул не связана с белками. Белковые молекулы как бы плавают в липидном слое. В среднем в мембранах белки по массе составляют 50%. Так как липидные молекулы маленькие и легкие, то их число по отношению к белкам всегда выше в несколько раз. Связь между липидами и белками осуществляется с помощью солевых и ионных связей. Большая часть белков взаимодействует с липидами на основе гидрофобных взаимодействий. Мембранные белки, которые встраиваются в бислой также в своей молекуле имеют гидрофобные и гидрофильные участки. Такой белок относится к интегральным белкам и очень жестко взаимодействует с липидами. Размер интегральных белков равен 8 нм. Встречаются до 35нм. Обычно интегральные белки ассиметричны по своей природе. С цитоплазматической стороны интегральные белки связываются с периферическими белками. Они обеспечивает взаимодействие мембран с субмембранными структурами. Неполярные участки белков находятся вместе с полярной головкой фосфолипидов. Могут пронизывать мембрану в нескольких участках (5-6 гидрофобных участков). Полуинтегральные – погружены лишь на половину. Рецепторная функция. Мембранные белки делятся на: 1) Ферменты; 2) Структурные; 3) Рецепторные (связываются с веществами, узнают их и обеспечивают контакт).
И белки, и липиды обладают подвижностью. Липиды двигаются постоянно с огромной скоростью – 2 мкм/с. Они могут двигаться вдоль липидного слоя (латеральная диффузия). Могут вращаться вокруг своей оси (вращательная диффузия). Могут переходить из внутреннего слоя во внешний (флип-флоп). Клеточные мембраны ассиметричны. Углеводный компонент. Гликопротеины. Белки связаны ковалентной связью с углеводами. Располагаются с наружной стороны мембран. Связаны с интегральными белками.
Плазмолемма выполняет следующие функции: 1) Барьерная. Плазмолемма служит преградой между сложноорганизованным внутриклеточным содержимым и внешней средой. Механическую устойчивость плазмолеммы дополнительно обеспечивают примыкающие к ней со стороны цитоплазмы структуры цитоскелета и кортикальные белки цитоплазмы. В кортикальном слое (0,1 – 0,5мкм) отсутствуют рибосомы и мембранные пузырьки. Сосредоточено большое количество микрофиламентов и микротрубочек. Причем, в компонентах микрофибриллярной системы преобладают актиновые фибриллы. Они участвуют в сократительных движениях плазмолеммы и заякоривании белков. Плазматическая мембрана участвует в формировании клеточных стенок. Участвует в образовании пелликулы, жесткого слоя простейших и инфузорний. Барьерная роль плазмолеммы заключается в ограничении свободной диффузии веществ. Мембраны проницаемы для воды, газов, малых неполярных молекул жирорастворимых веществ, но совершенно не проницаемы для заряженных ионов и для крупных биополимеров. 2) Рецепторная функция связана с узнаваемостью различных химических веществ. В качестве рецептора узнающих структур выступают элементы надмембранной структур в животных клетках - гликокаликс. Рецепторными компонентами являются гликопротеины. Гликокаликс – внешний слой, полисахаридные цепочки мембранных интегральных белков. Обычно сильно обводнен. Желеподобный. В животных клетках имеет толщину 3 – 4 нм, и обеспечивает ряд ферментативных реакций, например, в мембранах тонкого кишечника внеклеточное пищеварение. Клетки животных могут обладать разным набором рецепторов или разной чувствительностью одного и того же рецептора. Роль рецептора выражается связанностью со специфическими веществами и способностью реагировать на физические раздражители. Кроме того, рецепторы передают межклеточные сигналы с поверхностью клетки внутрь клетки. Самой изученной является система передачи сигнала клетки с помощью гормонов. За счет аденилатциклазной системы, которая служит преобразователем внешнего сигнала. Гормон взаимодействует специфически с рецептором мембраны. Не проникая внутрь клетки активирует фермент аденилатциклазу, которая синтезирует циклическую АМФ в свою очередь, активирующий внутриклеточный фермент. Таким образом, сигнал от плазмолеммы передается внутрь клетки. Разнообразие рецепторов на плазмолемме приводит к созданию сложной системы, которая позволяет отличать одни клетки от других. Узнавание «своих» клеток приводит к слипанию клеточных мембран (адгезия). Если узнавания нет, то клетки или не взаимодействую, или уничтожаются. С плазматической мембраной связана локализация специфических рецепторов, реагирующих на физические факторы. Например, в плазмолемме растений локализованы белки-рецепторы, взаимодействующие с квантами света. В плазмолемме мембран светочувствительных животных расположены система фоторецепторынх белков. Эти ферменты обеспечивают преобразование световой энергии в химическую и физическую энергию. 3) Транспортная функция. Осуществляет регулируемый избирательный транспорт веществ и выполняет роль первичного клеточного анализатора. Плазмолемма является полупроницаемой мембраной. Через нее с различной скоростью проходят разные молекулы. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы. Ионы проникают медленно. Скорость воды 10-4 см в секунду. В мембране существуют специальные поры. Число их составляет примерно 0,06% всей клеточной поверхности. Плазматическая мембрана способна транспортировать ионы и многие мономеры, такие как сахара, аминокислоты. Транспорт ионов через мембрану происходит за счет специальных транспортных белков, которые называются пермеазы. Унипорт – одно вещество в одном направлении. Симпорт – несколько веществ в одном направлении. Антипорт – несколько веществ в разных направлениях. Пассивный транспорт. Так, например, в клетку проникают ионы натрия из внешней среды, где концентрация их выше, чем в цитоплазме. В случае пассивного транспорта некоторые мембранные транспортные белки образуют молекулярные комплексы (каналы), через которые растворенные молекулы проходят через мембрану за счет простой диффузии. Часть этих каналов открыта постоянно, другая часть этих каналов может закрываться и открываться либо на связывание с сигнальными молекулами, либо на изменение внутриклеточной концентрации. Специальные транспортные белки избирательно связываются с ионами и переносят только их. Это облегченная диффузия. Так же к пассивному транспорту относится осмос.
Активный транспорт. В клетках существуют и мембранные белковые переносчики, которые работают против градиента концентрации. Затрачивается энергия АТФ. Осуществляется с помощью белковых ионных насосов. Пример. Натри-калиевый насос. Откачивает за один цикл три иона натрия из клетки, а внутрь закачивает два иона калия против градиента концентрации. Затрачивается одна АТФ, которая идет на реакцию фосфорилирования. В результате натрий переносится из клетки, а калий получает возможность транспортироваться внутрь клетки. В результате активного транспорта гомеостаз характеризуется удивительным постоянством. 80% АТФ расходуется на поддержание гомеостаза. Также транспорт осуществляется с помощью везикулярного переноса (транспорт макромолекул). Два типа транспорта: эндоцитоз и экзоцитоз. При эндоцитозе определенные участки плазмолеммы захватывает и как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую за счет впячивания плазматической мембраны. Белок клатрин - маркер везикулы. Эндосома. Она может иметь два типа: фагосома и пиносома. Эндоцитоз формально разделяют на пиноцитоз и фагоцитоз. Эндоцитоз – основной механизм получения строительных блоков за счет внутриклеточного переваривания, которое осуществляется на втором этапе эндоцитоза после слияния первичной эндосомы с лизосомой, вакуолью, содержащей набор гидролитических элементов или гидролаз. Эндоцитоз был писан Мечниковым в 1905 году. Эндоцитоз включает пиноцитоз и фагоцитоз. Может быть неспецифическим или конститутивным (постоянным), и специфическим (рецепторным). Неспецифический эндоцитоз протекает автоматически и часто приводит к захвату и поглощению ненужных клетке веществ. Сопровождается первоначальной сорбцией (осаждением) гликокаликса. Гликокаликс имеет кислые группировки на углеводной части. Имеют отрицательный заряд. За счет этого предпочтительное электростатическое взаимодействие. При таком адсорбционном неспецифическом эндоцитозе поглощаются макромолекулы и мелкие частицы (кислые белки, антитела, коллоидные частицы). На следующем этапе происходит изменение морфологии клеточной поверхности (инвагинация). Сначала образуются окаймленные ямки, состоящие из основного белка клатрина. Три его молекулы вместе с тремя молекулами низкомолекулярного вспомогательного белка образуют рыхлую сеть, состоящую из пяти и шестиугольных структур. Клатриновый слой окаймляет весь периметр отделяющихся первичных эндоцитозных вакуолей и обеспечивает их слияние и последующий транспорт в клетке. При поступление внутрь цитозоля клатриновый слой распадается, диссоциирует и мембрана эндосомы приобретает обычный вид. После потери клатринового слоя эндосомы сливаются друг с другом. Часть эндосом возвращается к поверхности клетки и сливается с ней, но большая часть участвует в первичном пищеварении, в котором так же участвуют лизосомы. В ходе фагоцитоза и пиноцитоза клетки теряют большую площадь плазмолеммы, которая довольно быстро восстанавливается за счет процесса рециклизации мембран. Это процесс возвращения вакуолей и их встраивания в плазмолемму. Таким образом при рециклизации мы имеем дело с челночным механизмом переноса мембран. Плазмолемма – эндосома – вакуоль – плазмолемма. Специфический или опосредуемый рецепторами эндоцитоз отличается тем, что на мембране имеются специфические рецепторы – лиганды (рецепторы, взаимодействующие только с одним типом молекул). Внутри эндосом более кислая среда. Кислая среда играет решающую роль в диссоциации рецепторов лиганды. Кислая среда активирует гидролазы (эндосома + лизосома = эндолизосома, первичная пищеварительная вакуоль).
Экзоцитоз. Продукты заключенные в пузырьках транспортируются к плазмалемме. В местах их контактов они сливаются. Пузырек опустошается во вешнюю среду. Экзоцитоз может осуществляться постоянно, а может только в ответ на внешние раздражители. Большинство веществ используется другими клетками.
|
