§ 12. Цитоплазматическая мембрана

Цитоплазматическая мембрана, плазмалемма — основная, универсаль­ная для всех клеток составная часть поверхностного аппарата. Ее толщина составляет около 10 нм. Она ограничивает цитоплазму и защищает ее от внешних воздействий, принимает участие в процессах обмена веществ с окружающей средой.

Химическими компонентами мембраны явля­ются липиды и белки. Липиды составляют в среднем 40 % массы мембран. Среди них преобладают фосфолипиды.

Молекулы липидов располагаются в виде двой­ного слоя (билипидный слой). Каждая молекула липида образована полярной гидрофильной головкой и неполярными гидрофобными хвостами. В цитоплазматической мембране их гидрофильные головки обращены к наружной и внутренней поверхности мембра­ны, а гидрофобные хвосты — внутрь мембраны (рис. ).

Кроме основного билипидного слоя, в состав мембран входят белки двух разновидностей: пе­риферические и интегральные. Периферические белки связа­ны с полярными головками липидных молекул элект­ростатическими взаимодействиями. Они не образуют сплошного слоя. Периферические белки связывают плазмалемму с над- или субмембран­ными структурами поверхностного аппарата.

Интегральные белки более или менее глубоко погружены в мембрану, либо пронизывают ее насквозь (см. рис. ).

С некоторыми молекулами липидов и белков плазмалеммы животных клеток связаны ковалентными связями молекулы полисахаридов. Их короткие, сильно разветвленные молекулы образуют гликолипиды и гликопротеиды. Полисахаридный слой покрывает всю поверхность клетки. Он называется гликокаликсом (от лат. гликис — сладкий и калюм — толстая кожа), и представляет собой надмембранный комплекс животной клетки.

Функции плазмалеммы. Плазмалемма выполняет барьерную, рецепторную и транспортную функции.

Барьерная функция. Окружая клетку со всех сторон, цитоплазматическая мембрана играет роль механического барьера – преграды между сложно организованным внутриклеточным содержимым и внешней средой. Барьерную функцию обеспечивает билипидный слой, не давая содержимому клетки растекаться и препятствуя проникновению в клетку чужеродных для нее веществ.

Рецепторная функция. Некоторые белки мембраны способны узнавать определенные вещества и связываться с ними. Таким образом рецепторные белки участвуют в отборе молекул, поступающих в клетки. К рецепторным белкам относятся, например, антигенраспознающие рецеп­торы В-лимфоцитов, рецепторы гормонов и т.д. К этому же типу можно отнести интегральные белки, выполняющие специфические ферментативные функции, осуществляю­щие процессы пристеночного пищеварения в кишечнике.

В плазматическую мембрану встроены также сиг­нальные белки, способные в ответ на действие раз­личных факторов окружающей среды изменять свою пространственную структуру и таким образом пере­давать сигналы внутрь клетки. Следовательно, плаз­матическая мембрана обеспечивает раздражи­мость организмов (способность воспринимать раздражители и определенным образом реагировать на них), осуществляя обмен информацией между клеткой и окружающей средой.

В осуществлении рецепторной функции, кроме мембранных белков, важную роль играют элементы гликокаликса.

Разнообразие и специфичность наборов рецепторов на поверхности клеток приводит к созданию очень сложной системы маркеров, позволяющих отличить «свои» клетки (той же особи или того же вида) от «чужих». Сходные клетки вступают друг с другом во взаимодействия, приводящие к слипанию поверхностей (коньюгация у бактерий, образование тканей у животных).

С цитоплазматической мембраной связана локализация специфических рецепторов, реагирующих на физические факторы. Так, у фотосинтезирующих бактерий и цианобактерий на мембранах локализованы рецепторы (хлорофиллы), взаимодействующие с квантами света. В плазмалемме светочувствительных клеток животных расположена специальная система фоторецепторов (родопсин). С помощью фоторецепторов световой сигнал превращается в химический, что в свою очередь приводит к возникновению нервного импульса.

Транспортная функция. Одной из основных функ­ций мембраны является перенос веществ. Выделяют несколько основных способов транспорта веществ через цитоплазматическую мембрану: диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт и транспорт в мембранной упаковке.

Диффузия — движение веществ через мембрану по гради­енту концентрации (из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже). Этот процесс происходит без затраты энергии вслед­ствие хаотического движения молекул. Диф­фузный транспорт веществ осуще­ствляется либо через билипидный слой (жирорастворимые вещества), либо при участии транспортных белков мем­браны (рис. ). В этом случае транспортные белки образуют молекулярные комплексы — каналы, через которые проходит растворенные молекулы и ионы.

Облегченная диффузия — на­блюдается тогда, когда специаль­ные мембранные белки-переносчи­ки избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой и переносят их через мембрану. При этом переносимые частицы переме­щаются по градиенту концентра­ции, но быстрее, чем при обычной диффузии. Диффузия и облегченная диффузия являются пассивными видами транспорта.

Наконец, наиболее важный вид транспорта — активный мембранный транспорт. Его принципиальное отличие от пассивного транспорта состоит в возможности переноса вещества против градиента концентрации. Для этого в мембране имеются специальные насосы, работающие с ис­пользованием энергии (чаще всего АТФ).

Одним из наиболее распростра­ненных мембранных насосов является так называемая калиево-натриевая АТФаза (К\Na-АТФаза). Благодаря ее работе из клетки непрерыв­но удаляются ионы Na⁺ и закачиваются ионы К⁺. Таким образом в клетке и вне ее поддерживается разность концент­раций этих ионов, что лежит в основе многих биоэлектрических и транспорт­ных процессов.

В результате активного транс­порта с помощью мембранного на­соса происходит также регуляция концентрации Mg²⁺ и Са²⁺ в клетке.

Наряду с ионами путем активного транспорта через цитоплазматическую мембрану в клетку поступают моносахариды, аминокислоты и другие вещества.

Своеобразной и относительно хорошо изученной раз­новидностью мембранного транспорта является транс­порт в мембранной упаковке. Он особенно важен для клеток протистов, пищеварительных и секреторных клеток, фагоцитов и др. Различают эндоцитоз и экзоцитоз — в зависимости от того, в каком направлении переносятся вещества (в клетку или из нее).

Эндоцитоз (от греч. эндон — внутри и китос — клетка) — поглощение клеткой пищевых частиц. При эндоцитозе определенный участок плазмалеммы захватывает, обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную упаковку, возникшую за счет впячивания мембраны (рис. ).

Эндоцитоз разделяют на фаго­цитоз (захват и поглощение круп­ных твердых частиц) и пиноцитоз (поглощение жидкости). Путем эн­доцитоза осуществляется питание гетеротрофных протистов, защит­ные реакции организма (поглощение лейкоцитами чужеродных части­ц) и др. Он не характе­рен для растений и грибов (подумайте, почему).

Экзоцитоз — транспортировка веществ, заключенных в мембранную упаковку, из клетки во внешнюю сре­ду. Вакуолярный пузырек перемещается к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Таким способом выделяют­ся пищеварительные ферменты, секретор­ные гранулы, гор­моны, гемицеллюлоза и др.

1. Что такое плазмалемма? Можно ли ее видеть в световой микроскоп? 2. Каковы химический состав и строение плазмалеммы? 3. Какие функции выполняет плазмалемма? 4. Какие вещества и как обеспечивают выполнение плазмалеммой сигнальной функции? 5. Как осуществляется перенос веществ через мембрану? 6. В чем состоит принципиальное отличие пассивного транс­порта от активного? 7.Что общего и отличного между процессами фагоцитоза и пиноцитоза? Клетки каких организмов могут осуществлять эти процессы? Свой ответ обоснуйте.