ОСНОВИ МЕДИЧНОЇ БІОЛОГІЇ - 2012

Клітинні мембрани. Транспорт речовин через плазмолему

Клітина - відкрита біологічна система, здатна до самооновлення, самовідтворення і саморегуляції. Ці фундаментальні властивості живого забезпечуються потоком речовин, енергії та інформації.

Потік речовин - це метаболічні шляхи розщеплення і синтезу вуглеводів, білків, жирів, ін. Він починається з надходження в організм людини в складі їжі білків, жирів, вуглеводів, вітамінів, мінеральних речовин, води. Вони використовуються як джерело енергії і будівельний матеріал для побудови власних компонентів. Високомолекулярні органічні сполуки (білки, вуглеводи, жири) спочатку розщеплюються до простих сполук (амінокислот, моносахаридів, жирних кислот, гліцерину), які всмоктуються епітелієм слизової оболонки шлунка і кишечника. З кров'ю і лімфою ці речовини надходять у клітини, де відбувається внутрішньоклітинний метаболізм, і утворюють метаболічний фонд. Кінцеві продукти обміну виводяться з організму (вуглекислий газ, вода, аміак, сечовина, ін.).

Потік енергії представлений внутрішньоклітинними механізмами енергозабезпечення -бродінням, фото- або хемосинтезом, диханням. У біоенергетиці клітин тварин головна роль належить дихальному обміну, який включає реакції розщеплення органічних речовин і використання енергії, яка виділяється при цьому, для синтезу АТФ. АТФ та інші сполуки, які багаті на енергію, придатну для подальшого використання в процесі життєдіяльності клітини, називаються макроергічними. Вони забезпечують енергією всі процеси життєдіяльності клітини.

Потік інформації відбувається з ДНК на білок. Інформація в молекулах ДНК і білка закодована. Символами коду ДНК є нуклеотиди, білка-амінокислоти. Послідовність амінокислот у молекулі білка відповідає послідовності триплетів нуклеотидів ДНК (колінеарність). Перекодування генетичної інформації відбувається в процесі біосинтезу білка. На першому етапі (транскрипція) інформація комплементарно переписується з молекули ДНК на молекулу іРНК, яка несе цю інформацію з ядра в цитоплазму до місця біосинтезу білка - рибосом. На рибосомах генетичну інформацію, що міститься в іРНК, зчитує тРНК (перекладає з мови нуклеотидів на мову амінокислот) і переносить її на поліпептид, що синтезується. При поділі клітин потік інформації спрямований від материнської молекули ДНК до двох дочірніх молекул ДНК (реплікація ДНК).

Існування живих організмів можливо при взаємодії їх з навколишнім середовищем (кожен живий організм є відкритою системою). Сукупність всіх процесів взаємодії має назву обмін речовин(метаболізм). Різними сторонами єдиного процесу обміну речовин і перетворення енергії в живих організмах є процеси асиміляції (анаболізм) та дисиміляції (катаболізм). Результатом асиміляції є утворення та оновлення структур організму, дисиміляція - розщеплення органічних сполук з метою забезпечення різних процесів життєдіяльності необхідними речовинами та енергією. Сукупність реакцій синтезу, що забезпечують ріст клітин і поновлення їхнього хімічного складу, називають пластичним обміном.

Обмін речовин не можливий без відповідного перетворення енергії. Асиміляція - ендотермічний процес, що здійснюється із затратами енергії. Дисиміляція - екзотермічний процес, при якому відбувається звільнення енергії за рахунок розпаду речовин клітини. Сукупність реакцій розщеплення складних сполук, які супроводжуються виділенням енергії, називають енергетичним обміном.

Єдність пластичного та енергетичного обміну є основною умовою підтримання життя клітини, основою її функціонування та розвитку. Реакції, які відбуваються при асиміляції та дисиміляції, є взаємопротилежними, проте становлять дві сторони єдиного процесу обміну речовин.

Енергія, що надходить у клітину, акумульована в хімічних зв’язках між молекулами й атомами, яка в подальшому вивільняється і перетворюється в АТФ (аденозинтрифосфорна кислота). Молекула АТФ - це нуклеотид, який складається з залишків азотистої основи (аденілу), вуглеводу (рибози) та трьох залишків фосфорної кислоти. Під час розщеплення АТФ виділяється велика кількість енергії, яка використовується для синтезу необхідних організму сполук, підтримання певної температури тіла тощо. Коли під дією ферменту від АТФ відщеплюється один залишок фосфорної кислоти, утворюється АДФ (аденозиндифосфат) і вивільнюється 42 кДж енергії. При відщепленні двох залишків фосфорної кислоти, утворюється АМФ (аденозинмонофосфат) і вивільнюється 84 кДж енергії. АМФ також може розщеплюватись. Частина енергії, що вивільняється витрачається на синтез АТФ із АДФ чи АМФ. Таким чином, універсальним акумулятором енергії в клітинах є АТФ.

Енергетичний обмін організмів здійснюється у три послідовних етапи: підготовчий, безкисневий (анаеробне дихання) та кисневий (аеробне дихання).

Під час підготовчого етапу відбувається розщеплення складних речовин на мономери під дією травних ферментів: білки - до амінокислот, полісахариди - до моносахаридів, жири - до гліцерину та жирних кислот, нуклеїнові кислоти - до нуклеотидів. Енергія, що вивільняється при розщепленні, розсіюється у вигляді тепла.

На безкисневому (анаеробний) етапі енергетичного обміну відбувається розпад органічних сполук з розривом молекул між вуглеводними атомами та відщепленням атомів водню. Молекули глюкози розщеплюються шляхом гліколізу на дві молекули піровиноградної (С₃Н₄О₃) або молочної кислоти (С₃Н₆О₃). Сумарне рівняння гліколізу:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ = 2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О

Під час гліколізу вивільнюється 200 кДж енергії: 80 кДж витрачається на синтез двох молекул АТФ, 120кДж - розсіюються у вигляді тепла. Без кисневий етап відбувається у клітинах. У людському організмі гідроліз відіграє важливу роль у постачанні енергією м'язів, що інтенсивно працюють (тут створюються анаеробні умови), а також зрілих еритроцитів, які не мають мітохондрій.

Під час кисневого (аеробного) етапу енергетичного обміну сполуки, що утворилися в результаті гідролізу окислюються до кінцевих продуктів - СО₂ та Н₂О. Цей процес відбувається у мітохондріях та супроводжується виділенням великої кількості енергії. Повний аеробний розпад вуглеводів включає наступні процеси: гліколіз, перетворення піровиноградної кислоти на ацетилкофермент А, цикл Кребса та окиснювальне фосфорилування (синтез АТФ з використанням енергії руху протонів) у дихальному ланцюгу мітохондрій. Енергетичний вихід аеробного розпаду однієї молекули глюкози становить 36 (38 - залежить від додаткових умов) молекул АТФ, що у 18 (19) разів ефективніше за гліколіз (2 АТФ). ККД роботи дихального ланцюга мітохондрій становить 55%, тобто 55% утвореної енергії акумулюється в макроергічних зв'язках АТФ, а 45% - розсіюється у вигляді тепла. Сумарне рівняння аеробного дихання:

2С₃Н₆О₃ + 6О₂ + 36Н₃РО₄ + 36АДФ = 6СО₂ + 36АТФ + 6Н₂О.

Клітинні мембрани, їх структура та функції

Особливе значення в клітинній організації належить біологічним мембранам (біомембранам), які формують: клітинну мембрану (плазмолему), оболонку ядра (каріолему), мембрани мітохондрій і пластид, мембранні органели (ендоплазматичну сітку, аппарат Гольджі, лізосоми, пероксисоми, вакуолі).

Мембрани — складні молекулярні системи, рідинно-кристалічні розчини глобулярних білків у ліпідах, біоструктури, які визначають основні процеси життєдіяльності на клітинному рівні. Біомембрани виконують такі функції:

✵ Відмежовують клітину від зовнішнього середовища (бар’єрна функція).

✵ Створюють окремі компартменти всередині клітини.

✵ Контролюють транспорт речовин у клітину та з неї.

✵ Забезпечують специфіку міжклітинних контактів та імунологічних реакцій.

✵ Сприймають біологічно-активні речовини, іони.

✵ Здатні сприймати, підсилювати і передавати зовнішні сигнали у середину клітини.

✵ Забезпечують утворення і транспорт вздовж мембрани, специфічні різниці потенціалів.

✵ Створюють умови для біохімічних реакцій, які каталізуються гідрофобними білками мембран.

✵ Визначають взаємодію між окремими білками, які занурені у мембрану.

Властивості біологічних мембран:

- напівпроникливість;

- еластичність;

- асиметричність (зовнішня і внутрішня поверхні мембрани різняться білковим, вуглеводним та ліпідним складом);

- здатність до самовідновлення - процес "затягування" пошкоджень мембрани за рахунок рухливості ліпідних молекул, тому що мембрана напіврідка; якщо пошкодження велике - клітина гине.

Структурно-хімічна організація мембран

За молекулярною будовою біологічна мембрана - це подвійний шар фосфоліпідів (біліпідний шар) із зануреними в нього молекулами білка. Ліпіди мембран — чисельна група гідрофобних речовин, які погано розчиняються у воді та добре в органічних розчинниках. Особливістю їх молекул є те, що вони поділяються на 2 функціональні частини: неполярну гідрофобну (хвостики) та гідрофільні заряджені полярні «голівки». Це визначає здатність ліпідів самостійно створювати біліпідні мембранні структури товщиною 5-10 нм. Гідрофільні полюси ліпідів орієнтовані назовні, гідрофобні - всередину біліпідного шару. Білки мають декілька варіантів розташування: на поверхні біліпідного шару (поверхневі білки); частково занурені в біліпідний шар (периферійні білки); повністю пронизують біліпідний шар (інтегральні білки). По Зінгеру - Ніколсону (1972), за умов нормальних температур, ліпіди мембрани знаходяться у рідинному стані і в цьому «ліпідному озері» плавають мембранні білки, утворюючи своєрідну мозаїку (рідинно-мозаїчна модель). Склад мембран: ліпіди (40%), близько 50% білків, вуглеводів — 5-10%.

Рис. 3. Мозаїчна модель клітинної мембрани

1 - гідрофільні кінці ліпідів; 2 - гідрофобні кінці ліпідів; 3 - білкові молекули; 4 - молекули вуглеводів.

Зовнішня цитоплазматична мембрана (плазмолема) — це поверхнева периферична структура, яка відмежовує клітину від середовища, забезпечує зв’язок з позаклітинним середовищем, з речовинами та подразниками, які впливають на клітину. Її товщина 9-10 нм. Плазматична мембрана має тришарову будову (два шари молекул фосфоліпідів розташовані перпендикулярно до поверхні мембрани і між ними - вкраплення білкових молекул). Клітинна мембрана непроникна для макромолекул (білки цитоплазми не можуть виходити крізь неї з клітини у тканинну рідину. Це зумовлює в клітині осмотичний тиск). Плазматична мембрана має діелектричну властивість - забезпечує різницю потенціалів між поверхнями мембрани. Є відмінності між внутрішніми і зовнішніми поверхнями мембрани (зовнішня поверхня містить молекули, які називаються рецепторами, вони взаємодіють з певними молекулами зовнішнього середовища). На зовнішній поверхні плазматичної мембрани тваринних клітин є полісахаридний шар - глікокалікс, під мембраною - кортикальний шар. Глікокалікс - надмембранний шар тваринних клітин товщиною 3-4 нм, утворений довгими галузистими молекулами олігосахаридів, зв’язаний з білками і ліпідами мембрани. Кортикальний шар утворений шаром цитоплазми, який безпосередньо прилягає до плазматичної мембрани. Він містить мікрофіламенти і мікротрубочки, які забезпечують цитоскелетні та локомоторні властивості поверхні клітини. Глікокалікс, плазматична мембрана і кортикальний шар разом утворюють клітинну оболонку тваринної клітини (плазмолему).

Впорядкованість внутрішнього вмісту еукаріотичної клітини досягається шляхом компартментації її об’єму — поділу мембранами на «комірки» - компартменти, котрі відрізняються складом ферментів. Окремі компартменти представлені органоїдами. Поділ вмісту клітини на компартменти забезпечує одночасне протікання різних ферментативних процесів, іноді навіть антагоністичних; здійснює регуляцію метаболічних потоків; підтримання різниці концентрацій речовин створювати різницю електричних потенціалів.

На поверхні клітини знаходяться спеціальні структури - рецептори, які сприймають подразнення. В якості рецепторів можуть бути білки плазматичної мембрани або елементи глікокалікса (полісахариди, глікопротеїни). Рецептори характеризуються специфічністю. Одні з них зв'язуються з біологічно активними речовинами - гормонами і передають сигнали всередину клітини, що активізує відповідний ферментативний процес. Інші рецептори реагують на хімічні речовини, у тому числі на лікарські препарати. Антигенно активні рецептори реагують з антитілами або імунними клітинами. Є рецептори, що сприймають фізичні подразнення.

Рецептори розрізняють внутрішньоклітинні та ті, що розташовуються у плазматичній мембрані. На плазматичній мембрані виділяють рецептори двох типів: зв’язані з каналами клітини і не зв’язані з каналами. Рецептори, в’язані з каналами, після взаємодії з хімічними речовинами (гормон, нейромедіатор) сприяють утворенню в мембрані відкритого каналу (змінюється її проникність). Рецептори , не зв’язані з каналами, взаємодіють з хімічними речовинами, найчастіше це ферменти.

Транспорт речовин через плазмолему

Одна з найважливіших функцій біологічних мембран — забезпечення відбіркової, регульованої проникливості для речовин, які транспортуються клітиною у процесі життєдіяльності.

Молекули речовин та іони, які транспортуються можуть переноситись через мембрану незалежно від інших сполук — уніпорт; транспорт може відбуватися одночасно і в одному напрямку — симпорт, а також може відбуватися одночасно в протилежних напрямках — антипорт. Симпорт та антипорт — це види котранспорта, при якому швидкість процесу контролюється наявністю двох речовин транспортного процесу.

Розрізняють наступні види транспорту речовин крізь плазматичну мембрану: пасивний транспорт, активний транспорт і цитоз (екзо- та ендоцитоз).

Пасивний транспорт - переміщення невеликих молекул за градієнтом концентрації або електрохімічним градієнтом без витрати енергії. До форм пасивного транспорту належить осмос (рух води) та дифузія. Розрізняють два види дифузії: проста і полегшена. При простій дифузії через пори мембрани проходять гідрофільні речовини з малим розміром молекул - (СО₂, О₂, гліцерин, сечовина) за градієнтом концентрації (з місця нижчої концентрації до місця вищої) і без затрат енергії. При полегшеній дифузії, як і при простій дифузії, молекули речовин теж завжди переносяться за градієнтом концентрації. Цей процес також не потребує енергії, але здійснюється при допомозі переносників. Переносниками можуть бути білки-рецептори, що зв'язують гормони, вітаміни на поверхні клітини. Переносники називаються пермеазами. Осмос - процес дифузії розчинника (Н₂О) через напівпроникну мембрану за концентраційним градієнтом (із високої концентрації у бік низької). Цитоплазма має більшу концентрацію іонів ніж оточуюче клітину середовище, тому вода рухається в цитоплазму, де її концентрація менша, що створює осмотичний тиск. Оскільки клітина не знаходиться у стані повної рівноваги з оточуючим середовищем, безперервна дифузія води змінює концентрацію речовин та осмотичний тиск. Вода, яка надходить у клітину може привести до руйнування клітини, особливо у гіпотонічному середовищі і клітина постійно протидіє надходженню води, тратить енергію на її викачування, секрецію на утворення міцної оболонки. Резистентність клітин до осмосу та осмотичного тиску визначається середовищем. Так еритроцити людини знаходяться у крові — ізоторичному розчині, тому мають низьку резистентність до осмотичного шоку. При ін’єкції гіпотонічних розчинів руйнуються (гемоліз).

Активний транспорт - переміщення речовин через мембрани проти концентраційного або електрохімічного градієнта за допомогою переносників з використанням енергії у вигляді АТФ або електрохімічних потенціалів, які створюються за рахунок різної концентрації іонів всередині клітині і поза клітиною. Прикладом активного транспорту може бути натрій-калієвий насос. Це білок, який пронизує мембрану наскрізь і який за рахунок енергії АТФ транспортує іони Na⁺ з клітини назовні, де його і так багато, а іони К' навпаки - ззовні в клітину, де його багато.

Цитоз — переміщення через клітинну мембрану макромолекул або частинок, мікроорганізмів. Цитоз поділяють на два види: екзо- та ендоцитоз. Ендоцитоз - переміщення речовини в клітину, екзоцитоз - з клітини. Різновиди ендоцитозу: фагоцитоз та піноцитоз. Фагоцитоз — процес захоплення і поглинання клітиною твердих частинок. У вищих тварин і людини фагоцитоз відіграє захисну роль: лейкоцити за допомогою фагоцитозу захоплюють і перетравлюють патогенні мікроорганізми. Явище фагоцитозу відкрив вітчизняний учений І.І. Мечников - автор клітинної теорії імунітету (Нобелівська премія, 1908 p.). Піноцитоз - процес поглинання клітиною рідини з розчиненими в ній речовинами. Фагоцитоз і піноцитоз - подібні процеси. В обох випадках речовини на поверхні клітини обволікаються плазматичною мембраною і у вигляді пухирців переміщуються всередину клітини. Піноцитозні чи фагоцитозні пухирці, які потрапили в клітину, зливаються з лізосомами, де під дією гідролітичних ферментів перенесені речовини перетравлюються. Фагоцитоз і піноцитоз потребують затрат енергії. Екзоцитоз - виведенні речовин з клітини - гормонів, полісахаридів, білків, крапель жиру. В цьому процесі також приймає участь плазматична мембрана. Речовини заключаються в пухирці, обмежовані мембранами, і переміщуються до плазмолеми. Обидві мембрани зливаються і вміст пухирців попадає в середовище, яке оточує клітину. Екзо- та ендоцитоз пов'язані з рухом цитоплазми.