Лекция 4 Основы общей цитологии Функции мембран

Лекция 4. Основы общей цитологии. Функции мембран

Функции биологических мембран Барьерная Транспортная Генерация биоэлектрических потенциалов и проведение возбуждения Трансформация и запасание энергии Метаболические функции Клеточная рецепция и межклеточные взаимодействия

Функции биологических мембран Барьерная Для клеток и субклеточных частиц мембрана служат механическим барьером, отделяющим их от внешнего пространства. Транспортная Перенос веществ через мембрану сопряжен с такими важнейшими биологическими явлениями, как внутриклеточный гомеостаз ионов, биоэлектрические потенциалы, возбуждение и проведение нервного импульса, запасание и трансформация энергии и т. п.

Функции биологических мембран Генерация биоэлектрических потенциалов и проведение возбуждения Возникновение биоэлектрических потенциалов связано с особенностями строения биологических мембран и с деятельностью их транспортных систем, создающих неравномерное распределение ионов по обе стороны мембраны.

Функции биологических мембран Трансформация и запасание энергии Вторичные лизосомы, внеклеточная среда Цитозоль Митохондрии

Функции биологических мембран Метаболические функции мембран определяются двумя факторами: 1. Связью большого числа ферментов и ферментативных систем с мембранами; 2. Способностью мембран физически разделять клетку на отдельные отсеки, отграничивая друг от друга метаболические процессы, протекающие в них. Метаболические системы не остаются при этом полностью изолированными. В мембранах, разделяющих клетку, имеются специальные системы, обеспечивающие избирательное поступление субстратов, выделение продуктов, а также движение соединений, обладающих регуляторным действием.

Функции биологических мембран Клеточная рецепция и межклеточные взаимодействия Молекулярно-мембранные аспекты клеточной рецепции и межклеточных взаимодействий касаются прежде всего иммунных реакций, гормонального контроля роста и метаболизма, закономерностей эмбрионального развития.

Функции биологических мембран Транспортная функция Реализация основных механизмов регуляции в организме происходит вследствие изменения характера биофизических, биохимических и энергетических динамических процессов, которые позволяют клеткам, тканям, органам и системам органов выполнять специфические задачи и поддерживать параметры подсистемы жизнедеятельности.

Функции биологических мембран Транспортная функция Биофизические процессы в клетках обеспечивают: - реализацию механизмов нервной регуляции, - регуляцию физико-химических показателей внутренней среды (осмотическое давление, р. Н), - создание электрических зарядов клеток, - возникновение и распространение возбуждения, - выделение секретов (гормонов, ферментов и других биологически активных веществ), - реализацию действия фармакологических препаратов. Данные процессы возможны благодаря функционированию транспортной системы.

Функции биологических мембран Транспортная функция С переносом веществ через мембраны также связаны процессы метаболизма клетки, в том числе биоэнергетические и многие другие. Фармакологическое действие практически любого лекарственного препарата также обусловлено его проникновением через клеточные мембраны, а эффективность в значительной степени зависит от ее проницаемости.

Функции биологических мембран Транспортная функция Транспорт веществ внутрь и наружу клетки, а также между цитоплазмой и различными субклеточными органеллами (митохондриями, ядром и т. д. ) обеспечивается мембранами.

Функции биологических мембран Транспортная функция Если бы мембраны были глухим барьером, то внутриклеточное пространство оказалось бы недоступным для питательных веществ, а продукты жизнедеятельности не могли бы быть удалены из клетки. При полной проницаемости было бы невозможно накопление определенных веществ в клетке. Транспортные свойства мембраны характеризуются полупроницаемостью: некоторые соединения могут проникать через нее, а другие - нет

Функции биологических мембран Транспортная функция

Функции биологических мембран Транспортная функция Различают: -пассивный транспорт (не связан с затратами энергии, осуществляется путем диффузии по концентрационным, электрическим или гидростатическим градиентам); -активный транспорт - осуществляется против градиентов, связан с затратой энергии (преимущественно энергии гидролиза АТФ) и сопряжен с работой специализированных мембранных систем (мембранных насосов).

Функции биологических мембран Транспортная функция

Функции биологических мембран Транспортная функция Различают: Юнипорт - вещество транспортируется через мембрану независимо от наличия и переноса других соединений; Котранспорт- перенос одного вещества сопряжен с транспортом другого: - симпорт -однонаправленный перенос; - антипорт – противоположно направленный перенос

Пассивный транспорт Если вещество движется через мембрану из области с высокой концентрацией в сторону низкой концентрации (т. е. по градиенту концентрации этого вещества) без затраты клеткой энергии, то такой транспорт называется пассивным, или диффузией. Различают два типа диффузии: простую и облегченную.

Пассивный транспорт Простая диффузия характерна для небольших нейтральных молекул (H 2 O, CO 2, O 2), а также гидрофобных низкомолекулярных органических веществ. Молекулы могут проходить без какого-либо взаимодействия с мембранными белками через поры или каналы мембраны до тех пор, пока будет сохраняться градиент концентрации.

Пассивный транспорт Облегченная диффузия характерна для гидрофильных молекул, которые переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных мембранных белков - переносчиков. Наблюдается высокая избирательность, так как белок переносчик имеет центр связывания комплементарный транспортируемому веществу, и перенос сопровождается конформационными изменениями белка.

Пассивный транспорт Облегченная диффузия Механизм облегченной диффузии может быть следующим: - транспортный белок (транслоказа) связывает вещество, - затем сближается с противоположной стороной мембраны, - освобождает это вещество, - принимает исходную конформацию - вновь готов выполнять транспортную функцию. Мало известно о том, как осуществляется передвижение самого белка.

Пассивный транспорт Облегченная диффузия Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белковпереносчиков. Связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны.

Пассивный транспорт Облегченная диффузия Транспорт веществ осуществляется с участием компонентов мембраны по градиенту концентрации и без непосредственных затрат энергии. Проявляет специфичность по отношению к транспортируемым молекулам. В ряде случаев одновременно осуществляется сочетанный или обменный транспорт ионов, чаще Na+ Для реализации трансмембранного переноса существуют многочисленные ионные каналы.

Пассивный транспорт Облегченная диффузия Ионные каналы состоят из нескольких связанных между собой белковых субъединиц (СЕ), формирующих в мембране небольшую пору. Через пору по электрохимическому градиенту проходят ионы. Наиболее распространённые каналы — для Na+, K+, Ca 2+, Cl–, а также аквапорины — водные каналы.

Пассивный транспорт Осмос – особый вид диффузии воды через полупроницаемую мембрану в область более высокой концентрации растворенного вещества. В результате такого движения внутри клетки создается значительное давление, которое называют осмотическим. Это давление может даже разрушить клетку.

Пассивный транспорт Фильтрация – движение молекул воды и растворенных в ней веществ через клеточную мембрану в направлении, противоположном действию осмотического давления. Этот процесс становится возможным, если раствор в клетке находится под давлением, которое выше осмотического.

Пассивный транспорт Фильтрация Например: Сердце нагнетает кровь в сосуды под определенным давлением. В тончайших капиллярах это давление возрастает и становится достаточным, чтобы заставить воду и растворенные в крови вещества выйти из капилляров в межклеточное пространство. Образуется тканевая жидкость, которая играет большую роль в доставке питательных веществ в клетки и удалении из них конечных продуктов обмена веществ. После выполнения своих функций тканевая жидкость в виде лимфы возвращается в кровяное русло по лимфатическим сосудам.

Пассивный транспорт Фильтрация Например: Фильтрация играет важную роль и в функционировании почек. В капиллярах почек кровь находится под большим давлением, что вызывает фильтрацию воды и растворенных в ней веществ из кровеносных сосудов в тончайшие почечные канальцы. Затем часть воды и необходимые организму вещества снова всасываются и поступают в общий кровоток, а оставшаяся часть образует мочу и выводится из организма.

Активный транспорт имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации и требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТФ. Для активного транспорта необходимо участие мембранных белков.

Активный транспорт Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na+ и K+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+ - K+ - насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация K+ выше, чем Na+

Активный транспорт

Эндоцитоз (от англ. endocytosis) Многие крупные молекулы (например, биополимеры), которые не могут пройти через клеточную мембрану ни пассивным, ни активным способом, попадают в клетку путем эндоцитоза.

Эндоцитоз

Эндоцитоз Фагоцитоз поглощение крупных частиц – бактерий, фрагментов других клеток Пиноцитоз захват макромолекулярных соединений Эндоцитоз, опосредованный рецепторами

Фагоцитоз (фаго — пожирать и цитос — клетка) - это процесс, при котором специальные клетки крови и тканей организма (фагоциты) захватывают и переваривают возбудителей инфекционных заболеваний, отмершие клетки, инертные частицы. Осуществляется двумя разновидностями клеток: 1. Циркулирующими в крови зернистыми лейкоцитами (гранулоцитами); 2. Тканевыми макрофагами (гистиоцитами).

Фагоцитоз Мечников Илья Ильич (1845 -1916), российский биолог и патолог, один из основоположников сравнительной патологии, эволюционной эмбриологии, иммунологии. Открыл в 1882 г. явление фагоцитоза.

Фагоцитоз играет важнейшую роль в защите организма от чужеродных агентов.

Фагоцитоз Нарушения функций фагоцитов приводят к повышенной восприимчивости к инфекциям.

Пиноцитоз (от др. -греч. πίνω — пью, впитываю и κύτος — вместилище, здесь — клетка) - это активный захват макромолекулярных соединений. Буквально слово “пиноцитоз” означает “питье клетки”.

Пиноцитоз Явление пиноцитоза открыто американским учёным У. Льюисом в 1931 г.

Механизм пиноцитоза 1. Сначала биополимер оседает на поверхности клеточной мембраны. 2. Втягивается внутрь клетки с образованием пузырька, содержащего эту молекулу. 3. Затем пузырьки отделяются от внутренней поверхности клеточной мембраны и перемещаются вглубь клетки, где поглощаются лизосомами или получают от них ферменты. 4. Под действием ферментов биополимер расщепляется до более простых соединений.

Эндоцитоз, опосредованный рецепторами Поглощаемый субстрат предварительно специфически связывается с поверхностными рецепторами плазмолеммы.

Экзоцитоз (от греч. Έξω — внешний и κύτος — клетка) – выделение продуктов (полисахаридов, белков и других веществ), синтезируемых клеткой, во внешнюю среду.

Экзоцитоз

Экзоцитоз Секреция Экскреция Рекреция

Экзоцитоз Секреция — это процесс выделения химических соединений из клетки. В отличие от собственно выделения, при секреции у вещества может быть определённая функция (оно может не быть отходами жизнедеятельности). Секрет — жидкость, выделяемая клетками и содержащая биологически активные вещества. Органы, выделяющие секрет, называются железами.

Экзоцитоз Экскреция— процесс освобождения организма от конечных продуктов метаболизма — экскрементов. Рекреция — это перенос твёрдых частиц через клетку: включает фагоцитоз и экскрецию.

Экзоцитоз может выполнять три основные задачи: 1. Доставка на клеточную мембрану липидов, необходимого для роста клетки; 2. Высвобождение различных соединений из клетки, например, токсичных продуктов метаболизма или сигнальных молекул (гормонов или нейромедиаторов); 3. Доставка на клеточную мембрану функциональных мембранных белков, таких как рецепторы или белкитранспортёры. При этом часть белка, которая была направлена внутрь секреторной везикулы, оказывается выступающей на наружной поверхности клетки.