XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

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

Клеточная теория появилась в семнадцатом веке, но только спустя 200 лет появилась полная теория о клеточных мембранах, которая подтвердила, что именно мембрана отделяет клетку от внешнего мира. Упорные исследования Морица Траумбе, определили, 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. Современная теория строения клетки утверждает, что в билипидном слое каждая молекула фосфолипидов имеет гидрофильную голову и гидрофобный хвост. В плазмалемме они расположены головами наружу, а хвостами вовнутрь, что обеспечивают барьерную функцию. В би-слой погружено огромное множество молекул белков, которые, в свою очередь, выполняют ряд важнейших функций, важнейшими из которых являются:

получения и превращения химических сигналов извне (рецепторы);

транспорт ионов (ионные каналы);

передача гормональных сигналов в клетку;

ферментативная активность в преобразованиях веществ;

межклеточный контакт, ведущий к образованию тканей и органов;

избирательный транспорт веществ в клетку и из неё;

адгезивная роль в связывание цитоскелета с внеклеточным матриксом.

Клеточная мембрана 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.

Транспорт ионов, потоков питательных веществ и продуктов- метаболитов через мембраны происходит с участием мембранных белков и электролитов, и движущей силой этого физико-химического процесса является изменение химического потенциала вместе с его электрохимической составляющей:

= , (1)

Где

– стандартный химический потенциал вещества, равный парциальной молярной энергии Гиббса,
F – 9,65 число Фарадея;
z – заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда);
– потенциал электрического поля, [В].

Механизм переноса веществ через мембраны может идти двумя путями: пассивный и активный переносы.

Пассивный транспорт – самопроизвольный процесс, перенесение вещества за счет градиента концентрации и выравнивания значений химических потенциалов, что сопровождается понижением энергии Гиббса, т.е. течение процесса проходит спонтанно, без расхода энергии. Здесь механизм описывается диффузией и плотность потока вещества при пассивном переносе по уравнению Теорелла:

,

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

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

Из уравнения Нернста-Планка:

видно, что могут существовать всего лишь две причины переноса вещества при пассивном переносе – это градиент концентрации и градиент электрического потенциала. Знак минус перед градиентами означают, что градиент концентрации побуждает транспорт вещества из мест с большей концентрацией в места, где концентрация меньше; градиент электрического потенциала побуждает транспорт положительных зарядов из мест с большим потенциалом к местам, где потенциал 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:

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 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.

Сквозь мембрану через белковые и липидные поры могут проникать молекулы нерастворимые в липидах вещества и ионы, которые буквально окружены водой (водорастворимые гидратированные ионы). Клетка поглощает воду только с помощью осмоса, суть которого - движение частиц растворителя, при котором происходит процесс, так называемой, односторонней диффузии через мембрану в сторону, где преобладает большая концентрация растворённого вещества. Осмотическое движение находится в зависимости от концентрации растворенных веществ в воде и от давления, которое создается самим раствором.

Диффузия, может происходить с помощью молекул-переносчиков – это облегченная диффузия. Благодарря переносчикам транспорт вещества проходит значительно быстрее, например, такие белки, как аквапорины, благодаря которым вода может быстро проходить через мембрану. 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.

Активный перенос вещества – это транспорт вещества из мест с низким электрохимическим потенциалом в места, с высоким электрохимическим потенциалом. Этот процесс может идти только при затратах энергии извне, и поэтому непременно сопровождается повышением энергии Гиббса, процесс не проходит самопроизвольно, и связан 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 поддерживают жизненные процессы организма.

Согласно современным представлениям, 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. 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.

В целом процесс питания живой клетки - это сложная цепь биохимических реакций и энергетических превращений, который регулируется физико-химическими принципами работы клеточной мембраны.

Список используемых источников

Электронный учебник Физическая химия. Химическая термодинамика. Данилин В.Н.1, Шурай П.Е.1, Боровская Л.В. Кубанский государственный технологический университет, 350072, г. Краснодар, - Тип: учебное пособие,- 2010 Издательство: ФГУП НТЦ "Информрегистр" (Москва).

Боровская Л.В. Электронный учебно-методический комплекс дисциплины «Физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины» Учебное пособие. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР» Депозитарий электронных изданий. Москва 2010 .

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

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

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

Код для цитирования: Скопировать