XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Мембрана живой клетки (клеточная мембрана, плазмалемма, цитолемма, плазматическая мембрана) – тончайшая плёнка, обладающая способностью производить процесс обмена энергии и метаболизма, состоящая из билипидного слоя (би-слоя).

Весьма трудно вообразить, однако открытие основной единицы строения, функционирования и развития жизни стало результатом изучения физического явления.

В 1665 году английский учёный, естествоиспытатель и изобретатель Роберт Гук с помощью своего же микроскопа рассмотрел растительную ткань пробки и первым в мире ввёл понятие «живая клетка». Учёного интересовала плавучесть пробки, и были произведены многочисленные наблюдения и опыты, с помощью которых Роберт Губ смог обнаружить, что сама пробка состоит из многочисленных «ячеек», которые ему напомнили монашеские кельи. Эти «ячейки» стали называться клетками.

Клеточная теория появилась в семнадцатом веке, но только спустя 200 лет появилась полная теория о клеточных мембранах, которая объясняет, что мембрана отделяет клетку от внешнего мира. Множество умов мира вносили свой вклад в развитие данной теории. Движущей силой являлись упорные исследования Морица Траумбе, который отмечал, что некоторый внешний слой клетки является полупроницаемым, потому что должен обеспечивать перенос ионов. К сожалению, у учёного не было прямых доказательств состава этого внешнего слоя клетки.

В билипидном слое каждая молекула фосфолипидов фосфолипидов имеет гидрофильную головку и гидрофобный хвост. В плазмалемме они расположены головками наружу, а хвостами вовнутрь, что обеспечивают барьерную функцию.

В би-слой погружено огромное множество молекул белков, которые, в свою очередь, выполняют ряд важнейших функций.

Функции белков:

Белки являются рецепторами, которые нужны для получения и превращения химических сигналов извне;

Белки образуют каналы для транспорта ионов (ионные каналы);

Передача гормональных сигналов в клетку;

Ферментативная активность в преобразованиях веществ;

Белки организовывают контакт одной клетки с другими клетками (межклеточные контакт), что ведёт к образованию тканей и органов;

Способность образовывать избирательный транспорт веществ в клетку и из неё;

Контроль процессов поступления в клетку твёрдых частиц и жидкости (образование «окаймлённых ямок»);

Регуляция процессов поступления в клетку и удаления веществ из клетки;

Белки принимают участие в иммунологических реакциях;

Белки способствуют связыванию цитоскелета в внеклеточным матриксом, тем самым играют адгезивную роль;

Выполняют функцию ферментов;

Белок, который полностью погружён в мембрану клетки, благодаря гидрофобного взаимодействия с фосфолипидами имеет иную конформацию (пространственное положение атомов самого белка), нежели белок в водной среде. Участки некоторых белков насквозь пронизывают цитолемму. Такие белки называются трасмембранными.

Животные клетки имеют гликокалис – гликопротеидный комплекс, который служит для объединения клеток в ткани.

Эндоцитоз – процесс поступления веществ в клетку.

Фагоцитоз – процесс поступления в клетку твёрдых частиц.

Пиноцитоз – процесс поступления в клетку жидкости.

Экзоцитоз – процесс удаления веществ из клетки.

Клеточная мембрана обеспечивает изоляцию клетки от окружающей её среды, обладает избирательной проницаемостью, контролирует регуляцию процесса поступления веществ и энергии из внешних сред, участвует в соединении ткани, принимает участие в пиноцитозе и фагоцитозе, контролирует регуляцию водного баланса в клетках и выводит из них продукты жизнедеятельности.

Питание клетки – это процесс обеспечения живой клетки всеми незаменимыми питательными веществами для её же поддержания и образования новых единиц живого. Некоторые питательные компоненты выполняют защитную функцию, то есть предотвращают повреждения и отвечают за доставку энергии, которая является для клетки необходимой.

Органоиды(органеллы) – постоянные клеточные структуры, выполняющие определенные функции.

Органеллы нужны для успешного функционирования живой клетки. Функция центрального управления напрямую связана с ядром клетки, в которой содержится ДНК. Ядро управляет синтезом различных белков. Митохондрии отвечают за процесс клеточного дыхания и преобразуют глюкозу в энергию. Рибосомы синтезируют белок. Клеточная мембрана избирательно регулирует перемещение материалов. Существуют многие другие клеточные органеллы, которые являются не менее важными для жизни клетки.

Транспорт ионов и метаболитов через мембраны может происходить только с участием мембранных белков. Транспортные белки локализованы в плазматической мембране и в мембранах внутриклеточных органоидов, такие как ЭПС(эндоплазматическая сеть), комплекс Гольджи, митохондрия, лизосома. Для каждого типа цитолемм, несомненно, существует конкретный набор транспортных белков.

Химический потенциал ( ) данного вещества – это величина, которая является равной значению энергии Гиббса и которая приходится на 1 моль этого вещества.

Формула нахождения химического потенциала для разбавленного раствора с концентрацией С:

,

где
– стандартный химический потенциал, который равен химическому потенциалу вещества при его концентрации 1 моль/л в растворе, [ ];

R = 8,314 газовая постоянная;

Т – температура, [K].

Электрохимическим потенциалом ( ) называют величина, которая численно равная энергии Гиббса G на 1 моль вещества, являющегося помещённым в электрическое поле.

Формула нахождения электрохимического потенциала для разбавленных растворов:

= , (1)

где
F – 9,65 число Фарадея;
z – заряд иона электролита(в элементарных единицах заряда);
– потенциал электрического поля, [В].

Существует 2 вида переноса веществ через мембраны: пассивный и активный переносы.

Пассивный транспорт (пассивный перенос) – перенесение вещества из тех частей, где присутствует наибольшее значение , в другие части, где присутствует его наименьшая величина. Данная транспортировка вещества идёт с понижением энергии Гиббса, следовательно, течение процесса проходит спонтанно без расхода энергии.

Плотность потока вещества при пассивном переносе склоняется к уравнению Теорелла:

,

где
U – подвижность частиц, [ ];
С – концентрация вещества;
– градиент электрохимического потенциала;

Минус в уравнении означает, что перенос вещества происходит в сторону убывания электрохимического потенциала .

Плотность потока вещества – отношение потока вещества, которое является перенесённым за секунду через квадратный метр, при этом площадь поверхности является перпендикулярной направлению переноса вещества:

Уравнение Нернста-Планка:

Это всё означает, что могут существовать всего лишь две причины переноса вещества при пассивном переносе вещества – это градиент концентрации и градиент электрического потенциала.

Знаки минусов перед градиентами означают, что градиент концентрации побуждает транспорт вещества от мест с большей концентрацией в места, где концентрация окажется меньше. Градиент электрического потенциала побуждает транспорт положительных зарядов от мест с большим потенциалом к местам, где потенциал окажется меньше.

Если вещества не заряжены ( ) или отсутствует электрическое поле ( ) уравнение Теорелаа имеет следующий вид:

Следуя соотношению Эйнштейна, коэффициент диффузии . В конечном итоге получим уравнение, которое описывает простую диффузию, то есть закон Фика:

Диффузия – это физическое явления, при котором происходит взаимное распространение молекул одного вещества и молекул другого вещества.

В каждом растворе присутствует перемещение растворённых веществ из области, где преобладает высокая концентрация, в область, где концентрация более низкая. Этот поток веществ может существовать до тех пор, пока концентрации не придут в состояние равновесия. Растворы, которые достигли подобного равновесия, называют изотоническими.

Коэффициент проницаемости (P) зависит от коэффициента диффузии, толщины мембраны и растворимости вещества в самой мембране.

Коэффициент проницаемости вещества выше, если выше коэффициент диффузии, тоньше мембрана и выше растворимость вещества в мембране клетки.

Неполярные вещества довольно хорошо растворяются в фосфолипидной фазе мембраны животной клетки.

Полярные и водорастворимые вещества затруднительно проходят через билипидный слой.

Сквозь мембрану через белковые и липидные поры могут проникать молекулы нерастворимые в липидах вещества и ионы, которые буквально окружены водой (водорастворимые гидратированные ионы).

Мембрана именно для таких веществ действует по принципу молекулярного сито, то есть, чем больше сама молекула, тем меньше проницаемость плазмалеммы для этой молекулы и вещества в целом.

Осмос – физическое явление движения частиц растворителя, при котором происходит процесс, так называемой, односторонней диффузии мембрану, которая является полупроницаемой в сторону, где преобладает большая концентрация растворённого вещества.

Клетка поглощает воду только с помощью осмоса. Также осмос рассматривают как один из видов диффузии, при котором могут перемещаться исключительно молекулы воды.

Осмотическое движение находится в зависимости от концентрации растворенных веществ в воде и от давления, которое создается самим раствором.

При других условиях, которые являются равными, вода проходит через мембрану, которая является избирательно проницаемой, от раствора с меньшей концентрацией к раствору с большей концентрацией растворенных частиц.

Имеют место быть такие белки, как аквапорины, благодаря которым вода может быстро проходить через мембрану.

Диффузия, которая происходит с помощью молекул-переносчиков – это облегченная диффузия. Из-за переносчиков транспорт вещества проходит значительно быстрее.

Ферменты пермиазы и транслоказы принято относить к белкам-переносчикам, которые, в свою очередь, связывают своим же активным центром вещество с одной стороны цитолеммы и направляют через гидрофобный слой на другую поверхность цитолеммы.

После присоединения вещества, которое нужно транспортировать в клетку, изменяется конформация белка-переносчика, и в цитолемме становится для него доступным канал, по которому проходит переносимое вещество.

Если в транспорте участвуют неподвижные частицы-переносчики, которые расположены поперёк самой мембраны, то транспорт вещества совершается по принципу эстафеты.

Фильтрация – такой процесс, при котором проходят жидкости и растворённые в ней вещества с малыми размерами молекул через пористые мембраны под действием осмотического давления или гидростатического давления.

Активный перенос вещества – это транспортировка вещества из места, где существует низкий электрохимический потенциал, в место, где существует высокий электрохимический потенциал. Данный перенос вещества непременно сопровождается повышением энергии Гиббса, поэтому он не способен проходить самопроизвольно, а только с затратами энергии, которая запасена в АТФ.

Экзоцитоз, ионные насосы, эндоцитоз, фагоцитоз – это всё является видами активного транспорта вещества.

С помощью активного транспорта создаются градиенты концентраций, давления, электрических потенциалов, которые поддерживаю жизненные процессы организма.

Существование данного переноса вещества было доказано в 1949 году Уссингом. Он проводил опыты на лягушке – происходил перенос ионов натрия через кожу земноводного.

Как гласит современные представления, в клеточных мембранах присутствуют так называемые ионные насосы, которые работают за счёт энергии гидролиза АТФ, или, как ещё называют, гидролизом специальных систем интегральных мембранных белков – транспортные АТФазы.

Мембранный контранспорт – перемещение веществ через плазматическую мембрану в клетку или же из неё, которое проходит с помощью разнообразных механизмов. Такими механизмами могут выступать механизмы активного транспорта, простой диффузии, облегчённой диффузии.

Некоторые транспортные белки могут переносить лишь одно растворённое вещество через цитолемму. Такой способ транспорта веществ называется унипорт.

Другие транспортные белки работают как контранспортные системы, перенос одного растворённого вещества в которых находится в зависимости переноса второго растворённого вещества. Это второе вещество способно транспортироваться в том же направлении, что и первое. Такой способ перемещения растворенных веществ называют симпортом. Если же перенос вещества происходит в противоположную сторону – это антипорт.

Список используемых источников.

1. Физколлоидная химия (электронный учебно-методический комплекс) Боровская Л.В.Международный журнал экспериментального образования. 2009. № 4. С. 9-10.

2.Физическая химия. Химическая термодинамика (электронный учебник) Данилин В.Н., Боровская Л.В., Шурай П.Е. Международный журнал экспериментального образования. 2009. №4 С.10

3. http://elar.uspu.ru/bitstream/uspu/8179/2/Zaytseva2.pdf

4.http://vmede.org/sait/?id=Fiziologija_orlov_2009&menu=Fiziologija_orlov_2009&page=4

5. http://www.chelsma.ru/files/misc/biologicheskiemembrany(1).pdf

Код для цитирования: Скопировать