Транспорт веществ через плазматическую мембрану.

Одно из важнейших свойств плазматической мембраны связано со способ­ностью пропускать в клетку или из нее различные вещества. Это необходимо для поддержания постоянства ее состава (гомеостаза). Транспорт веществ обеспечивает наличие в клетке соответству­ющего рН и ионной концентрации веществ, необходимых для эффективной работы клеточных ферментов, проникновение пи­тательных веществ, служащих источником энергии и используе­мых для образования клеточных компонентов.

Механизм транспорта веществ в клетку и из нее зависит от размеров транспортируемых частиц. Малые молекулы и ионы про­ходят через мембраны путем пассивного и активного транспорта. Перенос макромолекул и крупных частиц осуществляется за счет образования окруженных мембраной пузырьков и называемся эндоцитозом и экзоцитозом.

Пассивный транспорт происходит без затрат энергии путем диффузии, осмоса, облегченной диффузии.

Диффузия — транспорт молекул и ионов через мембрану из области с высокой в область с низкой их концентрацией, т.е. ве­щества поступают по градиенту концентрации. Диффузия может быть простой и облегченной. Если вещества хорошо растворимы в жирах, то они проникают в клетку путем простой диффузии. На­пример, кислород, потребляемый клетками при дыхании, и угле­кислый газ в растворе быстро диффундируют через мембраны. Вода способна проходить также через мембранные поры, образован­ные белками, и переносить молекулы и ионы растворенных в ней веществ.

Диффузию воды через полупроницаемую мембрану называют осмосом. Вода переходит из области с низкой концентрацией со­лей в область, где их концентрация выше. Возникающее давление на полупроницаемую мембрану называют осмотическим. Клетки животных и растений содержат растворы солей и других веществ. Их присутствие создает определенное осмотическое давление. Живые клетки способны регулировать его, изменяя концентра­цию веществ. Например, амебы имеют сократительные вакуоли для регуляции осмоса. В организме человека осмотическое давле­ние регулируется системой органов выделения. В зависимости от величины осмотического давления различают изотонические, ги­пертонические и гипотонические растворы.

Растворы, имеющие такое же осмотическое давление, как в клетках, называют изотоническими. Объем клеток, помещенных в эти растворы, остается неизменным. Изотонические растворы солей называют физиологическими. Для млекопитающих и чело­века концентрация хлорида натрия в физиологическом растворе равна 0,9 %. Физиологический раствор используют в медицине. Его применяют при потере крови и сильном обезвоживании организма.

Гипертонический раствор имеет осмотическое давление выше, чем в клетках. При погружении растительной клетки в гипертони­ческий раствор вода выходит из нее, цитоплазма сжимается и от­слаивается от оболочки. Это явление называют плазмолизом. На­пряженное состояние клеточной оболочки, создаваемое давлени­ем внутриклеточной жидкости, называют тургором. В гипертони­ческом растворе тургор клеток уменьшается. При медленном плаз­молизе клетки долго могут оставаться живыми. При перенесении их в обычную воду происходит восстановление тургора. Длитель­ный плазмолиз приводит к гибели клеток. Эритроциты, помещен­ные в гипертонический раствор, сморщиваются. Поэтому марле­вые тампоны, смоченные гипертоническим раствором, использу­ют для заживления гнойных ран.

В гипотонических растворах осмотическое давление ниже, чем в клетке. Вода поступает в клетку, тургор увеличивается, клетка набухает и может лопнуть. Эритроциты, помещенные в гипотони­ческий раствор, набухают, разрушаются и происходит гемолиз. Это может случиться, если человеку ввести в кровь гипотониче­ским раствор.

Вещества, нерастворимые в жирах и не проходящие через поры, транспортируются через ионные каналы, образованные в мемб­ране белками, с помощью белков-переносчиков, также находя­щихся в мембране. Это облегченная диффузия. Например, путем облегченной диффузии происходит поступление глюкозы в эри­троциты.

Активный транспорт веществ через мембрану происходит с затратой энергии АТФ и при участии белков-переносчиков. Он осуществляется против градиента концентрации. Белки-перенос­чики обеспечивают активный транспорт через мембрану таких веществ, как аминокислоты, глюкоза, ионы калия, натрия, каль­ция и др.

Примером активного транспорта может быть работа калий-на­триевого насоса. Концентрация ионов К⁺ внутри клетки в 10 — 20 раз выше, чем снаружи, а концентрация ионов Na⁺, наоборот, ниже. Такая разница в концентрациях ионов обеспечи­вается работой насоса. Для поддержания данной концентрации происходит перенос трех ионов Na⁺ из клетки на каждые два иона К⁺ в клетку. В этом процессе принимает участие белок в мембране, выполняющий функцию фермента, расщепляющего АТФ с выс­вобождением энергии, необходимой для работы насоса.

Участие специфических мембранных белков в пассивном и ак­тивном транспорте свидетельствует о высокой специфичности этого процесса.

Эндоцитоз и экзоцитоз — это транспорт макромолекул и более крупных частиц, которые проникают через мембрану внутрь клетки путем эндоцитоза, а удаляются из нее в результате экзоцитоза.

При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые затем, отшнуровываясь, прев­ращаются во внутриклеточные пузырьки, содержащие захвачен­ный клеткой материал. Продукты поглощения поступают в клет­ку в мембранной упаковке. Эти процессы происходят с затратой энергии АТФ. Различают два вида эндоцитоза: фагоцитоз и пиноцитоз.

Фагоцитоз был открыт в 1882 г. И.И.Мечниковым (1845 — 1916). Фагоцитоз (от греч. phagos — пожирающий, cytos — клетка) — это захват и поглощение клеткой крупных частиц (иногда целых клеток и их частей). Он играет важную роль в питании некоторых одноклеточных (например, амебы). Специальные клетки многоклеточного организма, осуществляющие фагоцитоз, называют фагоцитами. Они выполняют защитные функции в организме.

Фагоцитоз происходит в несколько стадий. Сначала объект фа­гоцитом (например, бактерия) сближается с фагоцитом. Бакте­рия располагается на поверхности фагоцитирующей клетки. Кле­точная мембрана окружает бактерию и втягивает ее внутрь цито­плазмы образуя фагосому. Из лизосом клетки поступают гидро­литические ферменты, перепаривающие поглощенную бактерию.

Жидкость и растворенные в ней вещества поглощаются клет­кой посредством пиноцитоза (от греч. рупо — пить и cytos — клетка). Активный пиноцитоз наблюдается в клетках с интенсив­ным обменом веществ (например, в клетках лимфатической сис­темы). Путем пиноцитоза происходит всасывание жира клетками кишечного эпителия.

Плазматическая мембрана принимает участие в выведении ве­ществ из клетки, это происходит в процессе экзоцитоза. Таким образом из клетки выводятся гормоны, белки, жировые капли и другие вещества. Некоторые белки, секретируемые клеткой, упа­ковываются в транспортные пузырьки, непрерывно переносятся к плазматической мембране, сливаются с ней и открываются во внеклеточное пространство, высвобождая содержимое (конститу­тивный путь). Это характерно для всех эукариотических клеток.

В других клетках, главным образом секреторных, определен­ные белки запасаются в специальных секреторных пузырьках, которые сливаются с плазматической мембраной только после получения клеткой соответствующего сигнала извне (регулируе­мый путь). Данные клетки способны к секреции веществ в зависи­мости от определенных потребностей организма, например в гор­монах или ферментах.

Другая важная функция мембраны — рецепторная. Она обеспе­чивается молекулами интегральных белков, имеющих снаружи полисахаридные концы. Взаимодействие гормона со «своим» ре­цептором снаружи вызывает изменение структуры интегрального белка, что приводит к запусканию клеточного ответа. В частности, такой ответ может проявиться в образовании «каналов», по которым растворы некоторых веществ поступают в клетку или выво­дятся из нее.

Однаиз важных функций мембраны — обеспечение контактов между клетками в составе тканей и органов.

Плазматическая мембрана животных клеток может образовы­вать, различные выросты, например микроворсинки.