Методичні вказівки до роботи студентів. Тема 3. Клітинні мембрани
Тема 3. Клітинні мембрани. Транспорт речовин через плазмалему
ВИД ЗАНЯТТЯ:лабораторно-практичне, час проведення 2 години.
АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ: знання закономірностей транспорту речовин дозволяє орієнтуватися в процесах життєдіяльності клітини та організмів в умовах норми та патології. Молекулярні механізми виникнення будь якої хвороби завжди розпочинається або супроводжується структурно функціональними змінами клітинних мембран і в першу чергу – плазматичної мембрани, яка першою сприймає, класифікує і трансформує енергію зовнішніх стимулів в енергію зовнішніх стимулів в енергію клітинного збудження.
МЕТА (загальна):Знати будову і структурно – функціональні особливості клітинних мембран, їх функції та процеси, які відбуваються при трансмембранному транспорті.
КОНКРЕТНА МЕТА: уміти інтерпретувати принципи роботи основних видів мембранного транспорту і на основі цього розв’язувати тематичні задачі.
При підготовці до заняття користуватися літературою:
Основна:
1. Медична біологія: Підручник /за ред.В.П.Пішака, Ю.І.Бажори.- Вінниця: Нова книга, 2004.- С.54-57.
2. Биология В 2кн. Кн.1: Учеб. для мед.спец. вузов /Под ред. В.Н.Ярыгина. 6-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2004.- С.41-42.
3. Слюсарєв А.О., Жукова С.В. Біологія: Підручник / Пер. з рос. В.О.Мотузний. - К.: Вища шк., 1992. - С.23-24.
Додаткова:
4. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. Т.2. М.: Мир, 1994.- С.100-130.
5. Хэм А., Кормак Д. Гистология: Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – т.1. – С.161-170.
6. Медична біологія: Практикум /За ред. проф.В.К.Рибальченка. – Луганськ: Елтон-2, 2003. – С.95-115.
7. Лекційний матеріал.
8. Графлогічної структури
Теоретичні питання:
1. Клітина як відкрита система.
2. Асиміляція й дисиміляція.
3. Клітинні мембрани, їх структура та функції. Принцип компартментації.
4. Рецептори клітин.
5. Транспорт речовин через плазмалему.
6. Організація потоків речовини й енергії в клітині.
7. Етапи енергетичного обміну. Енергетичне забезпечення клітини, АТФ. Розподіл енергії.
Алгоритм практичної роботи:
Методичні вказівки до роботи студентів.
На мікропрепаратах та навчальних таблицях ознайомитися з будовою клітинної оболонки.
Зовнішня цитоплазматична мембрана є у всіх клітин і відмежовує цитоплазму від зовнішнього середовища, утворюючи поверхню клітини. Поверхня живої клітини знаходиться в безперервному русі. На ній з'являються вирости і заглибини, вона здійснює хвилеподібні коливальні рухи, в ній постійно переміщуються макромолекули.
Головний висновок із спостережень за клітинною поверхнею полягає в тому, що вона неоднорідна, структура поверхні в різних її ділянках неоднакова, різні і її фізіологічні властивості. Таким чином, поверхня клітини являє собою морфологічну і функціональну мозаїку. Поверхня клітини має високу міцність і еластичністю, легко і швидко відновлює свою цілісність при невеликих пошкодженнях. Поверхневий апарат клітини крім біологічної мембрани має структури, які розташовуються з її зовнішньої сторони (надмембраний компонент) та з внутрішньої сторони (підмембраний компонент).
У тварин надмембранний компонент це глікокалікс, у рослин – целюлозна оболонка. Глікокалікс має ніжну фібрілярну структуру і представляє собою трьохмірну сітку, утворений мукополісахаридними тяжами (філаментами), які сполучаються між собою за допомогою кальцієвих
Целюлозна оболонка (гомополісахарид, до якого входить більше 50% усього органічного вуглецю біосфери). Молекули її – нерозгалужені ланцюги, що складаються із залишків молекул глюкози, сполучених β – 1,4-глікозидними зв’язками.
До його складу входять периферійні білки та вуглеводні компоненти гліколіпідів та глюкопротеїдів плазмолеми, а також деякі адсорбовані компоненти.
Підмембранний компонент є вузьким шаром цитоплазми, що лежить з внутрішньої сторони цитолеми. В ній є структурні компоненти цитоскелету.
Цитоплазматична мембрана виконує декілька функцій, а саме: захисну, розділяючу, транспортну, метаболічну, контактну, рецепторну.
Через плазматичну мембрану постійно відбувається переміщення речовин з клітини в міжклітинний простір (екзоцитоз) і навпаки (ендоцитоз). Частина процесів трансмембранного транспортуздійснюється без порушення цілісності мембрани. У цитоплазматичній мембрані є численні найдрібніші отвори (канали), створені трансмембранними білками, через які за допомогою ферментів всередину клітини можуть проникати іони і дрібні молекули (полегшена дифузія). Крім того, іони і дрібні молекули можуть попасти в клітину безпосередньо через мембрану (проста дифузія). Надходження іонів і молекул в клітину відбувається не тільки пасивно, але і за допомогою активного транспорту, що вимагає витрат енергії. Цей процес здійснюється за допомогою помп, представлених трансмембранними білками-ферментами.
Транспорт речовин носить вибірковий характер. Клітинна мембрана легко проникна для одних речовин і непроникна для інших. Вибірна проникність клітинної мембрани носить назву напівпрониклий. Так, концентрація іонів К+ в клітині завжди вище, ніж в навколишньому середовищі. Навпаки, іонів Nа+ завжди більше в міжклітинній рідині. Цей градієнт підтримується завдяки дії Nа+/К+ помпи.
Калій-натрієва помпа – це показовий приклад механізму активного транспорту. Помпа – це білок (Na, K – АТФ-аза), який локалізується в мембрані і проникає наскрізь. Натрій, калій, АТФ-аза – це цілий мембранний комплекс з складною структурою. Її молекула складається із двох субодиниць – більшої (альфа ліпопротеїду) та меншої (бета глікопротеїду). Альфа частина повернута усередину мембрани і здійснює гідроліз АТФ, бета субодиниця здійснює смоктові функції білка. Активний центр молекули, відповідальний за гідроліз АТФ, повернутий усередину клітини і локалізований на альфа субодиниці.
Дослідження показали що кінцева фосфатна група АТФ у присутності іонів натрію переноситься на залишок аспарагінової кислоти у альфа субодиниці молекули АТФ-ази. Фосфатна група, яка зв’язується з АТФ-азою, опісля гідролізується в присутності іонів калію і цей етап інгібується уабаїном.
Натрій – залежне фосфорилювання змінює конформацію АТФ-ази, що приводить до виділення натрію з клітини. Навпаки, калій – залежне дефосфорилювання обумовлює транспорт усередину клітини – калію і повернення АТФ-ази в первинний стан.
Перенесення натрію і калію через мембрану відбувається за рахунок конформаційних змін цього транспортного білка. Причому, на три іони натрію, які виділяються із клітини, вводиться два іони калію та затрачується енергія однієї молекули АТФ.
Крім вказаних способів хімічні сполуки і тверді частки можуть проникати в клітку шляхом піно- і фагоцитозу. Ці процеси йдуть з тимчасовим порушенням цілісності мембрани. Мембрана клітин утворить випинання, на краю випинання змикаються, захоплюючи міжклітинну рідину (піноцитоз) або тверді частки (фагоцитоз). Піноцитоз один з найважливіших і основних механізмів проникнення в клітку високомолекулярних з'єднань. Розміри піноцитозних вакуолей, що утворюються від 0,01 до 1,2 мкм. Через деякий час вакуоль занурюється в цитоплазму і відшнуровнється. Існує функціональний зв'язок між вакуолями, що доставляють в клітину різні речовини, і лізосомами, ферменти яких розщеплюють ці речовини.
Весь цикл внутрішньоклітинного перетравлювання складається з чотирьох послідовних фаз:
~ Надходження речовини шляхом піно- або фагоцитозу;
~ Розщеплення їх під дією ферментів, що виділяються лізосомами;
~ Перенесення продуктів розщеплення в цитоплазму (внаслідок зміни проникності мембрани вакуолей);
~ Виведення назовні неперетравлених залишків. Самі вакуолі ущільняються і перетворюються в дрібні цитоплазматичні гранули.
Цитоплазматична мембрана виконує ще одну функцію - забезпечує зв'язок між клітинами в тканинах багатоклітинних організмів як шляхом утворення численних складок і заглибин, так і внаслідок виділення клітинами щільної цементуючої речовини, що заповнює міжклітинний простір. За функціональним значенням контакти можна розділити на ізолюючі, рецепторні та хімічні.
Прикладом ізолюючого контакту є щільний контакт (зона злипання), який утворюється взаємодією між молекулами інтегральних білків мембран сусідніх клітин. До механічних контактів відносяться порівняльно просто утворені пальцеподібні з’єднання (бокові інвагінації) та більш складно організовані десмосоми. У першому випадку відбувається тільки з’єднання верхніх шарів клітинної оболонки (глікокаліксу), в у другому випадку між мембранами сусідніх клітин з компонентів глікокаліксу формується центральна пластинка, котра зв’язана з мембранами клітин, що контактують, системою фібрил. З боку під мембранного шару десмосома укріплена за допомогою компонентів цитоскелету.
До хімічних контактів відносять щілинний контакт (нексус). Тут міжклітинний простір дуже вузький та має вигляд щілини. В мембранах, що контактують, симетрично розташовані інтегральні білки, які контактують. За участю білкових молекул тут формуються міжцитоплазматичні канали, за допомогою яких здійснюється транспорт низькомолекулярних речовин та іонів з однієї клітини в іншу.
Крім того, цитоплазматична мембрана виконує рецепторну функцію, яка полягає у сприйнятті регуляторних сигналів з міжклітинного та навколишнього середовища.