Изучение химической организации клетки

Так транспортируются многие органические молекулы (сахара, аминокислоты и др.). Эти процессы могут быть сопряжены с транспортом ионов, в них принимают участие специальные  белки-переносчики.   Крупные молекулы биополимеров практически не проникают сквозь плазмолемму. В ряде случаев макромолекулы и даже их агрегаты, а часто и крупные частицы попадают внутрь клетки в результате процессов эндоцитоза (приложение 3, рис. 4). Эндоцитоз формально разделяют на фагоцитоз (захват и поглощение клеткой крупных частиц, например бактерий или даже фрагментов других клеток), и пиноцитоз (захват макромолекулярных соединений).

Эндоцитоз начинается с сорбции на поверхности плазмолеммы поглощаемых веществ. Связывание их с плазмолеммой определяется наличием на ее поверхности рецепторных молекул. После сорбции веществ на поверхности плазмолемма начинает образовывать сначала небольшие впячивания внутрь клетки. Эти впячивания могут иметь вид еще незамкнутых округлых пузырьков или представлять собой глубокие инвагинации, впячивания внутрь клетки. Затем, такие локальные впячивания отшнуровываются от плазмолеммы и в виде пузырьков свободно располагаются под ней.

В дальнейшем эндоцитозные пузырьки могут сливаться друг с другом, расти и в их внутренней полости, кроме поглощенных веществ, начинают обнаруживаться гидролитические ферменты (гидролазы), поступающие сюда из лизосом. Эти ферменты расщепляют биополимеры до мономеров, которые в результате активного транспорта через мембрану пузырька переходят в гиа-лоплазму. Таким образом, поглощенные молекулы внутри мембранных вакуолей, образовавшихся из элементов плазмолеммы, подвергаются внутриклеточному пищеварению.

Плазмолемма принимает участие в выведении  веществ из клетки (т.н. экзоцитоз). В этом случае внутриклеточные продукты (белки, мукополисахариды, жировые капли и др.), заключенные в вакуоли или пузырьки и отграниченные от гиалоплазмы мембраной, подходят к плазмолемме. В местах контактов плазмолемма и мембрана вакуоли сливаются и содержимое вакуоли поступает в окружающую среду.

Процесс эндоцитоза и экзоцитоза осуществляется при участии связанной с плазмолеммой системы фибриллярных компонентов цитоплазмы — таких, как микротрубочки и сократимые микрофиламенты. Последние, соединяясь с определенными участками плазмолеммы, могут, изменяя свою длину, втягивать мембрану внутрь клетки, что приводит к отделению от плазмолеммы эндоцитозных вакуолей. Часто, непосредственно примыкая к ней, микрофиламенты образуют сплошной, так называемый кортикальный слой.

Транспорт большинства растворимых молекул через биологические мембраны опосредуется переносчиками или канальными белками. Каналы облегчают транспорт ионов через мембрану, и перенос через них осуществляется очень быстро (10⁶–10⁸ ион/с на один канальный белок). Такие высокие скорости транспорта ионов связаны с тем, что канальные белки не претерпевают конформационных изменений при переносе иона с одной стороны мембраны на другую. Столь быстрый транспорт ионов обусловливает такую высокую мембранную проводимость, что удается измерить ионный ток через отдельный канал. В отличие от этого переносчики, которые участвуют в транспортном цикле, претерпевают конформационные изменения. При этом место связывания переносимого вещества бывает обращено сначала к одной, а затем к противоположной стороне мембраны. Как правило, опосредованный переносчиками транспорт веществ через мембрану происходит на несколько порядков медленнее, чем транспорт по каналам.

Пассивные переносчики просто облегчают диффузию веществ через  мембрану, в то время как активные используют энергию для транспорта веществ против концентрационного градиента. «Известны активные переносчики, сопрягающие транспорт вещества с переносом электронов, гидролизом АТР или фосфоенолпирувата, поглощением света или совместным транспортом иона»[7].

Существуют группы каналов  и переносчиков, которые объединяют функционально различающиеся белки, имеющие сходное строение.

При облегченной диффузии переносчик, функционирующий в клеточной мембране, на одной стороне мембраны соединяется с молекулой и ионом, а на другой стороне – отдает их, пройдя с ними вместе короткий путь через мембрану. Клетка не расходует на это никакой энергии, если не считать энергию, затраченную на самообразование переносчика.

«Обычный пример облегченной диффузии – проникновение в клетку глюкозы; именно облегченная диффузия позволяет большинству клеток поглощать этот простой сахар быстрее, чем он мог бы диффундировать через липиды клеточной мембраны. В человеческом организме, например, поглощают глюкозу с помощью молекул-переносчиков клетки печени, мышечные клетки и эритроциты. Посредством облегченной диффузии глюкоза (или другие вещества) может также выводиться из клеток. Когда уровень глюкозы в крови снижается, клетки печени выделяют глюкозу в кровь, используя для этого те же самые переносчики, при помощи которых они поглощали глюкозу, когда её уровень в крови был высоким»[7].

В отличие от облегченной  диффузии активный транспорт – это перемещение веществ, против градиентов концентрации; вещества переходят при этом из той области, где их концентрация ниже, туда, где она и без того уже выше. Поскольку такое перемещение происходит в направлении, противоположном нормальной диффузии, клетка должна при этом затрачивать энергию. Среди примеров активного транспорта лучше всего изучен натрий-калиевый насос (Na⁺/K⁺-насос).

 

Этот насос откачивает ионы натрия из клетки и накачивает в клетку ионы калия, используя для  этого ATP.

«Далее необходимо сказать о транспорте одного очень важного вещества, а именно воды. Хотя вода совершенна необходима живой клетке, однако клетка, насколько известно, не располагает никакой специальной системой ни для её поглощения, ни для её вывода наружу. По-видимому, вода проходит сквозь плазмолемму совершенно свободным осмотическим путем»[8].

Осмосом называют прохождение воды через избирательно проницаемую мембрану, в частности через клеточную мембрану. В случае клеточной мембраны осмос частично обусловлен диффузией отдельных молекул воды сквозь эту мембрану, а частично – током воды через особые поры в мембране. Осмотическое движение воды зависит от двух главных факторов: 1) от общей концентрации всех растворенных в воде частиц по обе стороны мембраны и 2) от давления, создаваемого каждым раствором. При прочих равных условиях вода стремится переходить через избирательно проницаемую мембрану от менее концентрированного раствора к раствору с более высокой общей концентрацией всех растворенных частиц. Однако при этом в какой-то момент вода, поступившая в более концентрированный раствор, может развить такое давление, что это давление будет вытеснять её наружу с такой же скоростью, с какой она поступает внутрь. Вода по законам осмоса начинает поступать в клетку, стремясь к выравниванию своей собственной концентрации по обе стороны мембраны.

 

 

 

Клеточные стенки способны растягиваться лишь до известного предела, после которого они начинают оказывать  противодавление, вытесняющее воду из клеток с такой же скоростью, с  какой она в них поступает. Таким образом, клеточные стенки защищают клетки: не дают им лопнуть  под напором избытка воды.

             

 

 

 

РОЛЬ КЛЕТОЧНЫХ  МЕМБРАН В СТАРЕНИИ КЛЕТОК

Мембранная гипотеза старения был разработана в 1976-1977 гг. и опубликована впервые в 1978 г. Основывается она  как на достижениях геронтологии, так и на физико-химических основах  клеточных функций. Из мембранной физиологии известно, что содержание внутриклеточного калия может увеличиваться, если клеточная мембрана становится относительно менее проницаемой для него. Отношение пассивно проникающего сквозь покоящуюся мембрану калия к таковой для натрия около 30-50 и даже более. Если отношение уменьшается, в процессе старения клеток калий будет накапливаться внутри клеток.. Во внутриклеточной среде повышенной вязкости скорости синтеза РНК и белка должны уменьшиться, уменьшается также скорость элиминации поврежденных клеточных компонентов, что сказывается и на клеточной мембране, так как ей приходиться работать длительное время в поврежденном состоянии. Такой прочный круг может привести, по крайней мере, к полной потере функциональной способности клеток.

III.Заключение.     В ходе теоретического исследования источников  литературы по данному вопросу я сформулировала следующие выводы:

1.Плазмолемма- оболочка животной клетки, ограничивающая ее внутреннюю среду и обеспечивающая взаимодействие клетки с внеклеточной средой. 
Плазмолемма имеет толщину около 10 нм, и состоит на 40 % из липидов, на 5-10 % из углеводов (в составе гликокаликса), и на 50-55 % из белков.

 
2.Функции плазмолеммы: 
 

• разграничивающая (барьерная);
• рецепторная или антигенная;
• транспортная;
• образование межклеточных контактов.

 

3.Основу строения плазмолеммы составляет: 
 

• двойной слой липидных молекул (билипидная мембрана), в которую местами включены молекулы белков
• надмембранный слой- гликокаликс, структурно связанный с белками и липидами билипидной мембраны
• в некоторых клетках имеется подмембранный слой.

 
4.Каждый монослой    билипидной мембраны    образован в основном молекулами фосфолипидов и, частично, холестерина. При этом в каждой липидной молекуле различают две части: 
 

• гидрофильную головку;
• гидрофобные хвосты.

5.Гидрофобные хвосты липидных молекул связываются друг с другом и образуют билипидный слой. Гидрофильные головки билипидного слоя соприкасаются с внешней или внутренней средой. На электроннограмме в плазмолемме четко определяются три слоя: 
 

• наружный (электронноплотный);
• внутренний (электронноплотный);
• промежуточный (с низкой электронной плотностью).

6.По локализации в мембране белки подразделяются на: 
 

• интегральные (пронизывают всю толщу билипидного слоя);
• полуинтегральные, включающиеся только в монослой липидов (наружный или внутренний);
• прилежащие к мембране, но не встроенные в нее.

7.Различают следующие способы транспорта веществ: 
 

• пассивный транспорт - способ диффузии веществ через плазмолемму (ионов, некоторых низкомолекулярных веществ) без затраты энергии;
• активный транспорт веществ с помощью белков-переносчиков с затратой энергии (аминокислот, нуклеотидов и других);
• везикулярный транспорт через посредство везикул (пузырьков), который подразделяется на эндоцитоз- транспорт веществ в клетку, и экзоцитоз- транспорт веществ из клетки.

8.эндоцитоз подразделяется на: 
 

• фагоцитоз - захват и перемещение в клетку крупных частиц (клеток или фрагментов, бактерий, макромолекул и так далее);
• пиноцитоз - перенос воды и небольших молекул.

9.Процесс фагоцитоза подразделяется на несколько фаз: 
 

• адгезия (прилипание) объекта к цитолемме фагоцитирующей клетки;
• поглощение объекта путем образования вначале углубления (инвагинации), а затем и образования пузырьков - фагосомы и передвижения ее в гиалоплазму.

 

 

 

 

Библиография:

 

1.В.П. Михайлов. Введение в цитологию. «Медицина» Ленинградское отделение. 1968 г.

2.В.Л. Быков. Цитология и общая гистология. Санкт-Петербург. Сотис. 2006 г.

3. О.Д. Мяделец. Основы цитологии эмбриологии и общей гистологии. Москва. Медицинская книга. Н. Новгород. Издательство НГМА, 2007г.

     4. П.В. Сергеев, Н.А. Шимановский. Рецепторы. Москва. «Медицина». 1987 г.

5.Н.В. Чебышев, С.В. Кузнецов. Биология клетки. ММА, Москва. 2008 г.

6. Ю.С. Ченцов. Общая цитология. Издательство Московского университета, 1995 г.

     7. Р. Геннис. Биомембраны. Москва. «Мир» 1997 г.

8. Журнал общей биологии. T. XLIII, №3. 1982 г. «Роль клеточной мембраны в старении клеток» Имре Ж.-Надь

9..Джеральд М. Фаллер, Деннис Шилдс. Молекулярная биология клетки. Москва. Издательство Бином. 2003 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1

 

 

 

 

 

Рис.1 Схема строения животной клетки по данным электронного микроскопа.

 

 

 

 

 

 

 

 

Митохондрии

Эндоплазматическая  сеть

Клеточная мембрана

Центриоли

Аппарат Гольджи

Ядерный сок

Ядерная оболочка

Ядрышко

Ядро

Лизосома

Цитоплазма

Пиноцитозный пузырек

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 2.

 

Рис 2 . Строение плазмалеммы 

 

 

 

 

 

 

 Рис. 3. Строение клеточной  мембраны (схема). 1 — липиды; 2 — гидрофобная зона бислоя липидных молекул; 3 — интегральные белки мембраны; 4 — полисахариды гликокаликса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 3.   Рис. 4.   Эндоцитоз. Разные типы образования пиноцитозных пузырьков.

1 — сорбция частиц на поверхности  плазматической мембраны; 2 — погружение  частиц в цитоплазму; 3 — первичные  лизосомы.