Клеточная мембрана. Поверхностный аппарат клетки, ее основные части, их назначение.

Клетка представляет собой обособленную, наименьшую по размерам структуру, которой присуща вся совокупность свойств жизни и которая может в подходящих условиях окружающей среды поддерживать эти свойства в самой себе, а также передавать их следующим поколениям.

 Клетка составляет основу строения, жизнедеятельности и развития всех живых форм — одноклеточных, многоклеточных и даже неклеточных. В природе существует значительное разнообразие клеток, различающихся по размерам, форме, химическим особенностям.

На планете существует две группы организмов: первая представлена вирусами и фагами, не имеющими клеточного строения; вторая делится на два типа организации клеток – прокариотический (бактерии и сине-зеленые водоросли) и эукариотический (все остальные организмы).

Все живые клетки отделены от окружающей среды поверхностью называемой клеточной мембраной. Над ней могут располагаться надмембранные структуры. Их строение является влажным классификационным признаком. У животных это гликокаликс (белково-углеводный комплекс), у растений, грибов и бактерий – клеточная стенка. В состав клеточной стенки растений входит целлюлоза, грибов – хитин, бактерий – белково-полисахаридный комплекс - муреин.

Клеточная мембрана – это оболочка клетки, выполняющая следующие функции:

- разделение содержимого клетки и внешней среды;

- регуляция обмена веществ между клеткой и средой;

- место протекания некоторых биохимических реакций (в том числе фотосинтеза, окислительного фосфорилирования);

- объединение клеток в ткани.

Оболочки делятся на плазматические(клеточные мембраны) инаружние.

Важнейшее свойство плазматической мембраны – полупроницаемость, то есть способность пропускать только определённые вещества. Через неё медленно диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и ионы, причём сами мембраны могут активно регулировать процесс диффузии.

Наибольшее значение имеет жидкостно – мозаичная модель строения мембраны. Согласно этой модели основу мембраны составляет билипидный слой, в который включены молекулы белков, большинство из которых являются ферментами. Липиды двух параллельных слоев обращены друг к другу неполярными концами( имеющими гидрофобный полюс), а наружу – полярными (имеющими гидрофильный полюс).

Белки, входящие в состав мембраны, делятся на три группы:

- периферические, стабилизирующие положение погруженных белков в мембране,

- погруженные (полуинтегральные), осуществляющие превращение веществ,

- пронизывающие(интегральные), обеспечивающие передачу информации через мембрану в клетку и обратно.

На внешней поверхности плазматической мембраны в животной клетке белковые и липидные молекулы связаны с углеводными цепями, образуя гликокаликс. Углеводные цепи выполняют роль рецепторов. Благодаря им клетка приобретает способность специфически реагировать на воздействия извне.
Под плазматической мембраной со стороны цитоплазмы имеются кортикальный слой и внутриклеточные фибриллярные структуры, обеспечивающие механическую устойчивость плазматической мембраны.

Строение мембраны.

Важнейшим свойством мембраны является также избирательная проницаемость. Это значит, что молекулы и ионы проходят через нее с различной скоростью, и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Это свойство определяет плазматическую мембрану как осмотический барьер. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы; значительно медленнее проходят сквозь мембрану ионы. Диффузия - проникновение веществ через мембрану по градиенту концентрации (из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже). Она может быть простой и облегченной.

Если вещества хорошо растворимы в жирах, то они проникают в клетку путем простой диффузии. Диффузия воды через мембрану называется осмосом. Кислород и углекислый газ в растворе быстро диффундируют через мембрану.

При облегченной диффузии специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой и переносят их через мембрану по градиенту концентрации.

Активный транспорт сопряжен с затратами энергии АТФ и служит для переноса веществ против их градиента концентрации. Он осуществляется специальными белками-переносчиками, образующими так называемые ионные насосы. Наиболее изученным является Na^-/ К^--насос в клетках животных, активно выкачивающих ионы Na⁺ наружу, поглощая при этом ионы К^-. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация К^- и меньшая Na⁺ по сравнению с окружающей средой. На этот процесс затрачивается энергия АТФ.

В результате активного транспорта с помощью мембранного насоса в клетке происходит также регуляция концентрации Mg^2-и Са²⁺.

В процессе активного транспорта ионов в клетку через цитоплазматическую мембрану проникают различные сахара, нуклеотиды, аминокислоты.

Макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липопротеидные комплексы и др. сквозь клеточные мембраны не проходят, в отличие от ионов и мономеров. Транспорт макромолекул, их комплексов и частиц внутрь клетки происходит совершенно иным путем — посредством эндоцитоза. При эндоцитозе (эндо — внутрь) определенный участок плазмалеммы захватывает и как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую вследствие впячивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль соединяется с лизосомой, ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.

Мембрана может захватывать как твердые частицы (фагоцитоз) , так и капли жидкости (пиноцитоз).

Процесс, обратный эндоцитозу, — экзоцитоз (экзо — наружу). Благодаря ему клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Так выводятся пищеварительные ферменты, гормоны, белки, жировые капли и др.

Таким образом, биологические мембраны как основные структурные элементы клетки служат не просто физическими границами, а представляют собой динамичные функциональные поверхности. На мембранах органелл осуществляются многочисленные биохимические процессы, такие как активное поглощение веществ, преобразование энергии, синтез АТФ и др.

Функции биологических мембран следующие:

1. Отграничивают содержимое клетки от внешней среды и содержимое органелл от цитоплазмы.

2. Обеспечивают транспорт веществ в клетку и из нее, из цитоплазмы в органеллы и наоборот.

3. Выполняют роль рецепторов (получение и преобразование сигналов из окружающей среды, узнавание веществ клеток и т. д.).

4. Являются катализаторами (обеспечение примембранных химических процессов).

5. Участвуют в преобразовании энергии.

Внутреннее содержимое клетки – цитоплазма – состоит из основного вещества (гиалоплазмы) , ее основных частей (органелл) и включений.

Гиалоплазма — основное вещество цитоплазмы, заполняет все пространство между плазматической мембраной, оболочкой ядра и другими внутриклеточными структурами. В ней протекают ферментативные реакции, метаболические процессы, синтез аминокислот. Гиалоплазма содержит множество белковых филаментов (нитей), пронизывающих цитоплазму и образующих цитоскелет, который определяет форму клетки .

Органеллы – компоненты клетки, выполняющие определенные функции . Эндоплазматическая сеть (одномембранная органелла) состоит из цистерн и каналов, пронизывающих цитоплазму , и делит ее на отсеки( компартменты).На поверхности шероховатой ЭПС находятся рибосомы, в которых происходит синтез белка; на гладкой - осуществляется синтез белков и стероидов. Здесь также синтезируется материал для построения мембран цитоплазмы.

Аппарат Гольджи состоит из одного слоя мембраны, образующей цистерны, переходящие в трубочки, от которых отделяются пузырьки, переносящие вещества к месту их назначения , выполняя транспортную функцию. Одна из важных задач Аппарата Гольджи – секреторная, заключается в синтезе сложных углеводов с образованием мукопротеидов. Он также участвует в образовании слизи, построении мембраны, в нем формируются лизосомы.

Лизосомы представляют собой одномембранные пузырьки, отделяющиеся от Аппарата Гольджи. Они наполнены ферментами, синтезирующимися на шероховатой ЭПС и транспортирующимися к Аппарату Гольджи . Основная функция – расщепление и переваривание веществ, поступающих в клетку, и удаление их из нее. Они также захватывают и переваривают попавшие в организм бактерии, выполняя защитную функцию (фагоциты), выводят наружу отработанный материал (телолизосомы), разрушают отработанные органеллы самой клетки (аутолизосомы).

Митохондрии содержат вещества, богатые энергией, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразования энергии в форму, доступную для использования клеткой. Количество, размеры и расположение митохондрий зависит от функции клетки, ее потребности в энергии. Внутри мембраны митохондрий образуются многочисленные складки (кристы) , в которых протекают окислительно – восстановительные процессы с получением энергии для синтеза молекул АТФ из АДФ для работы клетки. Митохондрии содержат собственную ДНК. Около 2% ДНК клетки содержится в митохондриях.

Рибосомы относят к немембранным органеллам. В них образуются клеточные белки. Рибосомы участвуют в синтезе белка из аминокислотных остатков, присутствуют во всех клетках человека, за исключением зрелых эритроцитов. Рибосомы могут свободно располагаться в цитоплазме или на поверхности шероховатой ЭПС. Синтез белка связан с процессом транскрипции – переписывания информации, хранящейся в ДНК. Рибосома состоит из двух частей – большой и малой субъединиц, содержащих рибосомальные РНК и белки. Для осуществления синтеза белка матричная РНК с закодированной в ней последовательностью расположения нуклеотидов для постройки ДНК присоединяется к поверхности малой субъединицы . Транспортная РНК доставляет к рибосомам необходимые аминокислоты для построения полипептидной цепи, где каждая аминокислота занимает строго соответствующее ей место.

Клеточный центр, состоящий из парных центриолей и центросферы, располагается у ядра клетки. Центриоли принимают участие в делении ядра, удваиваясь в пресинтетическом периоде и формируя веретено деления.

Клеточное ядро необходимо для регуляции жизнедеятельности клетки, хранения наследственной информации (заключенной в ДНК и передающейся при делении дочерним клеткам), синтеза РНК.

Ядро имеет свою оболочку, кареоплазму – клеточный сок (содержит раствор белков, ионов, нуклеотидов), одно или несколько ядрышек, в которых происходит синтез РНК, и хроматин, состоящий из молекул ДНК и белков (гистонов и негистонов), РНК. Во время деления ядра хроматин конденсируется - спирализуется с образованием нитей хромосом. Основу хромосомы составляет молекула ДНК , связанная с белками(гистонами) в нуклеопротеид. У соматических клеток человека диплоидный набор хромосом(46), у половых – гаплоидный(23). Перенос генетической информации осуществляется от ДНК к ДНК при делении путем репликации(самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых кислот) и от ДНК через и-РНК (м-РНК) к белку.