Biologické membrány- všeobecný názov pre funkčne aktívne povrchové štruktúry, ktoré viažu bunky (bunkové alebo plazmatické membrány) a vnútrobunkové organely (membrány mitochondrií, jadier, lyzozómov, endoplazmatického retikula a pod.). Obsahujú lipidy, bielkoviny, heterogénne molekuly (glykoproteíny, glykolipidy) a v závislosti od vykonávanej funkcie aj početné vedľajšie zložky: koenzýmy, nukleové kyseliny, antioxidanty, karotenoidy, anorganické ióny atď.
Koordinované fungovanie membránových systémov – receptorov, enzýmov, transportných mechanizmov – pomáha udržiavať homeostázu buniek a zároveň rýchlo reagovať na zmeny vonkajšieho prostredia.
TO základné funkcie biologických membrán možno pripísať:
· oddelenie bunky od prostredia a tvorba vnútrobunkových kompartmentov (kompartmentov);
· kontrola a regulácia transportu obrovského množstva látok cez membrány;
· účasť na zabezpečovaní medzibunkových interakcií, prenos signálov do bunky;
· premena energie potravinových organických látok na energiu chemických väzieb molekúl ATP.
Molekulárna organizácia plazmatickej (bunkovej) membrány je vo všetkých bunkách približne rovnaká: pozostáva z dvoch vrstiev lipidových molekúl s mnohými špecifickými proteínmi. Niektoré membránové proteíny majú enzymatickú aktivitu, zatiaľ čo iné viažu živiny z prostredia a transportujú ich do bunky cez membrány. Membránové proteíny sa vyznačujú povahou ich spojenia s membránovými štruktúrami. Niektoré bielkoviny tzv externé alebo periférne , sú voľne viazané na povrch membrány, iné, tzv interné alebo integrálne , ponorený vo vnútri membrány. Periférne proteíny sa ľahko extrahujú, zatiaľ čo integrálne proteíny sa dajú izolovať iba pomocou detergentov alebo organických rozpúšťadiel. Na obr. Obrázok 4 ukazuje štruktúru plazmatickej membrány.
Vonkajšie alebo plazmové membrány mnohých buniek, ako aj membrány intracelulárnych organel, napríklad mitochondrií, chloroplastov, boli izolované vo voľnej forme a bolo študované ich molekulárne zloženie. Všetky membrány obsahujú polárne lipidy v množstve od 20 do 80 % ich hmotnosti, v závislosti od typu membrány, zvyšok tvoria najmä proteíny. V plazmatických membránach živočíšnych buniek je teda množstvo proteínov a lipidov spravidla približne rovnaké; vnútorná mitochondriálna membrána obsahuje asi 80 % bielkovín a len 20 % lipidov, zatiaľ čo myelínové membrány mozgových buniek, naopak, obsahujú asi 80 % lipidov a iba 20 % bielkovín.
Ryža. 4. Štruktúra plazmatickej membrány
Lipidová časť membrány je zmesou rôznych druhov polárnych lipidov. Polárne lipidy, medzi ktoré patria fosfoglycerolipidy, sfingolipidy a glykolipidy, sa neukladajú v tukových bunkách, ale sú integrované do bunkových membrán, a to v presne definovaných pomeroch.
Všetky polárne lipidy v membránach sa počas metabolického procesu za normálnych podmienok neustále obnovujú, v bunke vzniká dynamický stacionárny stav, v ktorom sa rýchlosť syntézy lipidov rovná rýchlosti ich rozpadu.
Membrány živočíšnych buniek obsahujú najmä fosfoglycerolipidy a v menšej miere sfingolipidy; triacylglyceroly sa nachádzajú len v stopových množstvách. Niektoré membrány živočíšnych buniek, najmä vonkajšia plazmatická membrána, obsahujú značné množstvo cholesterolu a jeho esterov (obr. 5).
Obr.5. Membránové lipidy
V súčasnosti je všeobecne akceptovaným modelom membránovej štruktúry model tekutej mozaiky, ktorý v roku 1972 navrhli S. Singer a J. Nicholson.
Podľa nej možno proteíny prirovnať k ľadovcom plávajúcim v lipidovom mori. Ako bolo uvedené vyššie, existujú 2 typy membránových proteínov: integrálne a periférne. Integrálne proteíny prenikajú cez membránu; amfipatické molekuly. Periférne proteíny neprenikajú cez membránu a sú s ňou menej pevne viazané. Hlavnou súvislou časťou membrány, teda jej matricou, je polárna lipidová dvojvrstva. Pri normálnych teplotách buniek je matrica v tekutom stave, čo je zabezpečené určitým pomerom medzi nasýtenými a nenasýtenými mastnými kyselinami v hydrofóbnych chvostoch polárnych lipidov.
Model tekutej mozaiky tiež predpokladá, že na povrchu integrálnych proteínov umiestnených v membráne sú R-skupiny aminokyselinových zvyškov (hlavne hydrofóbne skupiny, vďaka ktorým sa proteíny akoby „rozpúšťajú“ v centrálnej hydrofóbnej časti dvojvrstvy ). Zároveň sa na povrchu periférnych alebo externých proteínov nachádzajú najmä hydrofilné R-skupiny, ktoré sú priťahované k hydrofilným nabitým polárnym hlavám lipidov v dôsledku elektrostatických síl. Integrálne proteíny, medzi ktoré patria enzýmy a transportné proteíny, sú aktívne len vtedy, ak sa nachádzajú vo vnútri hydrofóbnej časti dvojvrstvy, kde nadobúdajú priestorovú konfiguráciu potrebnú na prejavenie aktivity (obr. 6). Je potrebné ešte raz zdôrazniť, že kovalentné väzby sa nevytvárajú ani medzi molekulami v dvojvrstve, ani medzi proteínmi a lipidmi dvojvrstvy.
Obr.6. Membránové proteíny
Membránové proteíny sa môžu voľne pohybovať v laterálnej rovine. Periférne proteíny doslova plávajú na povrchu dvojvrstvového „mora“, zatiaľ čo integrálne proteíny, ako napríklad ľadovce, sú takmer úplne ponorené do uhľovodíkovej vrstvy.
Z väčšej časti sú membrány asymetrické, to znamená, že majú nerovnaké strany. Táto asymetria sa prejavuje nasledovne:
· po prvé, že vnútorná a vonkajšia strana plazmatických membrán bakteriálnych a živočíšnych buniek sa líši v zložení polárnych lipidov. Napríklad vnútorná lipidová vrstva membrán ľudských červených krviniek obsahuje hlavne fosfatidyletanolamín a fosfatidylserín a vonkajšia vrstva obsahuje fosfatidylcholín a sfingomyelín.
Po druhé, niektoré transportné systémy v membránach pôsobia iba v jednom smere. Napríklad v membránach erytrocytov existuje transportný systém („pumpa“), ktorý pumpuje ióny Na + z bunky do prostredia a ióny K + do bunky v dôsledku energie uvoľnenej počas hydrolýzy ATP.
· po tretie, vonkajší povrch plazmatickej membrány obsahuje veľmi veľké množstvo oligosacharidových skupín, ktorými sú glykolipidové hlavy a oligosacharidové bočné reťazce glykoproteínov, zatiaľ čo na vnútornom povrchu plazmatickej membrány sa prakticky nenachádzajú žiadne oligosacharidové skupiny.
Asymetria biologických membrán je zachovaná vďaka tomu, že prenos jednotlivých molekúl fosfolipidov z jednej strany lipidovej dvojvrstvy na druhú je z energetických dôvodov veľmi náročný. Polárna lipidová molekula sa môže voľne pohybovať na svojej strane dvojvrstvy, ale má obmedzenú schopnosť preskočiť na druhú stranu.
Mobilita lipidov závisí od relatívneho obsahu a typu prítomných nenasýtených mastných kyselín. Uhľovodíkový charakter reťazcov mastných kyselín prepožičiava membránovým vlastnostiam tekutosť a pohyblivosť. V prítomnosti cis-nenasýtených mastných kyselín sú kohézne sily medzi reťazcami slabšie ako v prípade samotných nasýtených mastných kyselín a lipidy zostávajú vysoko mobilné aj pri nízkych teplotách.
Na vonkajšej strane membrán sú špecifické rozpoznávacie oblasti, ktorých funkciou je rozpoznávať určité molekulárne signály. Napríklad práve cez membránu niektoré baktérie vnímajú mierne zmeny v koncentrácii živiny, čo stimuluje ich pohyb smerom k zdroju potravy; tento jav sa nazýva chemotaxia.
Membrány rôznych buniek a intracelulárnych organel majú určitú špecifickosť vzhľadom na ich štruktúru, chemické zloženie a funkcie. V eukaryotických organizmoch sa rozlišujú tieto hlavné skupiny membrán:
plazmatická membrána (vonkajšia bunková membrána, plazmaléma),
· jadrová membrána,
endoplazmatické retikulum,
membrány Golgiho aparátu, mitochondrie, chloroplasty, myelínové pošvy,
excitabilné membrány.
V prokaryotických organizmoch sa okrem plazmatickej membrány nachádzajú intracytoplazmatické membránové formácie v heterotrofných prokaryotoch sa nazývajú mezozómy. Posledne menované sú tvorené invagináciou vonkajšej bunkovej membrány a v niektorých prípadoch s ňou udržiavajú kontakt.
Membrána červených krviniek pozostáva z bielkovín (50 %), lipidov (40 %) a sacharidov (10 %). Väčšina sacharidov (93 %) je spojená s bielkovinami, zvyšok s lipidmi. V membráne sú lipidy usporiadané asymetricky, na rozdiel od symetrického usporiadania v micelách. Napríklad cefalín sa nachádza prevažne vo vnútornej lipidovej vrstve. Táto asymetria je zrejme zachovaná vďaka priečnemu pohybu fosfolipidov v membráne, uskutočňovanému pomocou membránových proteínov a vďaka metabolickej energii. Vnútorná vrstva erytrocytovej membrány obsahuje najmä sfingomyelín, fosfatidyletanolamín, fosfatidylserín a vonkajšia vrstva obsahuje fosfatidylcholín. Membrána červených krviniek obsahuje integrálny glykoproteín glykoforín, pozostávajúci zo 131 aminokyselinových zvyškov a prenikajúcich cez membránu, a takzvaný pás 3 proteín pozostávajúci z 900 aminokyselinových zvyškov. Sacharidové zložky glykoforínu vykonávajú funkciu receptora pre vírusy chrípky, fytohemaglutiníny a množstvo hormónov. V membráne erytrocytov sa našiel aj ďalší integrálny proteín, ktorý obsahuje málo sacharidov a preniká cez membránu. Volá sa tunelový proteín(zložka a), pretože sa predpokladá, že tvorí kanál pre anióny. Periférny proteín spojený s vnútornou stranou membrány erytrocytov je spektrín.
Myelínové membrány , obklopujúce axóny neurónov, sú viacvrstvové, obsahujú veľké množstvo lipidov (asi 80 %, polovicu z nich tvoria fosfolipidy). Proteíny týchto membrán sú dôležité pre fixáciu membránových solí ležiacich na sebe.
Chloroplastové membrány. Chloroplasty sú pokryté dvojvrstvovou membránou. Vonkajšia membrána má určité podobnosti s membránou mitochondrií. Okrem tejto povrchovej membrány majú chloroplasty vnútorný membránový systém - lamely. Lamely tvoria buď sploštené vezikuly - tylakoidy, ktoré sa nad sebou zhromažďujú v balíčkoch (granas) alebo tvoria stromálny membránový systém (stromálne lamely). Lamely grana a strómy na vonkajšej strane tylakoidnej membrány sú koncentrované hydrofilné skupiny, galakto- a sulfolipidy. Fytolová časť molekuly chlorofylu je ponorená do globule a je v kontakte s hydrofóbnymi skupinami proteínov a lipidov. Porfyrínové jadrá chlorofylu sú lokalizované hlavne medzi kontaktnými membránami tylakoidov grana.
Vnútorná (cytoplazmatická) membrána baktérií jeho štruktúra je podobná vnútorným membránam chloroplastov a mitochondrií. Sú v ňom lokalizované enzýmy dýchacieho reťazca a aktívny transport; enzýmy podieľajúce sa na tvorbe membránových komponentov. Prevažujúcou zložkou bakteriálnych membrán sú proteíny: pomer proteín/lipid (hmotnostný) je 3:1. Vonkajšia membrána gramnegatívnych baktérií v porovnaní s cytoplazmatickou membránou obsahuje menšie množstvo rôznych fosfolipidov a proteínov. Obe membrány sa líšia zložením lipidov. Vonkajšia membrána obsahuje proteíny, ktoré tvoria póry na prenikanie mnohých nízkomolekulárnych látok. Charakteristickou zložkou vonkajšej membrány je aj špecifický lipopolysacharid. Množstvo vonkajších membránových proteínov slúži ako receptory pre fágy.
Vírusová membrána. Medzi vírusmi sú membránové štruktúry charakteristické pre tie, ktoré obsahujú nukleokapsid, ktorý pozostáva z proteínu a nukleovej kyseliny. Toto „jadro“ vírusov je obklopené membránou (obálkou). Pozostáva tiež z lipidovej dvojvrstvy so zabudovanými glykoproteínmi umiestnenými hlavne na povrchu membrány. V mnohých vírusoch (mikrovírusoch) je 70-80 % všetkých proteínov obsiahnutých v membránach, zvyšné proteíny sú obsiahnuté v nukleokapside.
Bunkové membrány sú teda veľmi zložité štruktúry; ich molekulárne komplexy tvoria usporiadanú dvojrozmernú mozaiku, ktorá dodáva povrchu membrány biologickú špecifickosť.
Bunková membrána tiež nazývaná plazmatická (alebo cytoplazmatická) membrána a plazmalema. Táto štruktúra nielenže oddeľuje vnútorný obsah bunky od vonkajšieho prostredia, ale je tiež súčasťou väčšiny bunkových organel a jadra, čím ich oddeľuje od hyaloplazmy (cytosolu) - viskózno-kvapalnej časti cytoplazmy. Dohodnime sa, že zavoláme cytoplazmatická membrána ten, ktorý oddeľuje obsah bunky od vonkajšieho prostredia. Zvyšné výrazy označujú všetky membrány.
Štruktúra bunkovej (biologickej) membrány je založená na dvojitej vrstve lipidov (tukov). Tvorba takejto vrstvy je spojená s charakteristikami ich molekúl. Lipidy sa vo vode nerozpúšťajú, ale vlastným spôsobom v nej kondenzujú. Jedna časť jednej molekuly lipidu je polárna hlavička (je priťahovaná vodou, t.j. hydrofilná) a druhá je pár dlhých nepolárnych chvostov (táto časť molekuly je odpudzovaná vodou, t.j. hydrofóbna). Táto štruktúra molekúl spôsobuje, že „skrývajú“ svoje chvosty pred vodou a otáčajú svoje polárne hlavy smerom k vode.
V dôsledku toho sa vytvorí lipidová dvojvrstva, v ktorej sú nepolárne chvosty umiestnené dovnútra (obrátené k sebe) a polárne hlavy smerujú von (smerom k vonkajšiemu prostrediu a cytoplazme). Povrch takejto membrány je hydrofilný, ale vo vnútri je hydrofóbny.
V bunkových membránach medzi lipidmi prevládajú fosfolipidy (patria medzi komplexné lipidy). Ich hlavy obsahujú zvyšok kyseliny fosforečnej. Okrem fosfolipidov sú to glykolipidy (lipidy + sacharidy) a cholesterol (súvisiaci so sterolmi). Ten dodáva membráne tuhosť, pretože sa nachádza v jej hrúbke medzi koncami zostávajúcich lipidov (cholesterol je úplne hydrofóbny).
V dôsledku elektrostatickej interakcie sú niektoré proteínové molekuly pripojené k nabitým lipidovým hlavám, ktoré sa stávajú povrchovými membránovými proteínmi. Iné proteíny interagujú s nepolárnymi chvostmi, sú čiastočne pochované v dvojvrstve alebo cez ňu prenikajú.
Bunková membrána teda pozostáva z dvojvrstvy lipidov, povrchových (periférnych), zabudovaných (semiintegrálnych) a permeačných (integrálnych) proteínov. Okrem toho sú niektoré proteíny a lipidy na vonkajšej strane membrány spojené so sacharidovými reťazcami.
Toto fluidná mozaika model štruktúry membrány bol predložený v 70. rokoch XX storočia. Predtým sa predpokladal sendvičový model štruktúry, podľa ktorého je lipidová dvojvrstva umiestnená vo vnútri a na vnútornej a vonkajšej strane membrány je pokrytá súvislými vrstvami povrchových proteínov. Nahromadenie experimentálnych údajov však túto hypotézu vyvrátilo.
Hrúbka membrán v rôznych bunkách je asi 8 nm. Membrány (aj rôzne strany jednej) sa od seba líšia percentom rôznych typov lipidov, bielkovín, enzymatickou aktivitou atď. Niektoré membrány sú tekutejšie a priepustnejšie, iné sú hustejšie.
Prerušenia bunkovej membrány sa ľahko spájajú v dôsledku fyzikálno-chemických vlastností lipidovej dvojvrstvy. V rovine membrány sa pohybujú lipidy a proteíny (pokiaľ nie sú ukotvené cytoskeletom).
Funkcie bunkovej membrány
Väčšina proteínov ponorených do bunkovej membrány plní enzymatickú funkciu (sú to enzýmy). Často (najmä v membránach bunkových organel) sú enzýmy usporiadané v určitom poradí tak, že produkty reakcie katalyzované jedným enzýmom prechádzajú na druhý, potom tretí atď.. Vznikne dopravník, ktorý je stabilizovaný povrchovými proteínmi, pretože neumožňujú enzýmom plávať pozdĺž lipidovej dvojvrstvy.
Bunková membrána plní vymedzovaciu (bariérovú) funkciu od okolia a zároveň transportné funkcie. Môžeme povedať, že toto je jeho najdôležitejší účel. Cytoplazmatická membrána, ktorá má pevnosť a selektívnu permeabilitu, udržuje stálosť vnútorného zloženia bunky (jej homeostázu a integritu).
V tomto prípade dochádza k transportu látok rôznymi spôsobmi. Transport pozdĺž koncentračného gradientu zahŕňa pohyb látok z oblasti s vyššou koncentráciou do oblasti s nižšou koncentráciou (difúzia). Napríklad plyny (CO 2 , O 2 ) difundujú.
Existuje aj transport proti koncentračnému gradientu, ale so spotrebou energie.
Doprava môže byť pasívna a uľahčená (keď jej pomáha nejaký prepravca). Pre látky rozpustné v tukoch je možná pasívna difúzia cez bunkovú membránu.
Existujú špeciálne bielkoviny, vďaka ktorým sú membrány priepustné pre cukry a iné vo vode rozpustné látky. Takéto nosiče sa viažu na transportované molekuly a ťahajú ich cez membránu. Takto sa glukóza transportuje vo vnútri červených krviniek.
Závitové proteíny sa spájajú a vytvárajú póry na pohyb určitých látok cez membránu. Takéto nosiče sa nepohybujú, ale vytvárajú kanál v membráne a fungujú podobne ako enzýmy, viažu špecifickú látku. K prenosu dochádza v dôsledku zmeny konformácie proteínu, čo vedie k vytvoreniu kanálov v membráne. Príkladom je sodno-draselná pumpa.
Transportná funkcia membrány eukaryotickej bunky sa realizuje aj prostredníctvom endocytózy (a exocytózy). Vďaka týmto mechanizmom sa do bunky (a von z nej) dostávajú veľké molekuly biopolymérov, dokonca aj celé bunky. Endo- a exocytóza nie sú charakteristické pre všetky eukaryotické bunky (prokaryoty ju nemajú vôbec). Endocytóza sa teda pozoruje u prvokov a nižších bezstavovcov; u cicavcov leukocyty a makrofágy absorbujú škodlivé látky a baktérie, t.j. endocytóza plní pre telo ochrannú funkciu.
Endocytóza sa delí na fagocytóza(cytoplazma obaľuje veľké častice) a pinocytóza(zachytenie kvapiek kvapaliny s látkami v nej rozpustenými). Mechanizmus týchto procesov je približne rovnaký. Absorbované látky na povrchu buniek sú obklopené membránou. Vytvorí sa vezikula (fagocytárna alebo pinocytická), ktorá sa potom presunie do bunky.
Exocytóza je odstránenie látok z bunky (hormónov, polysacharidov, bielkovín, tukov atď.) cytoplazmatickou membránou. Tieto látky sú obsiahnuté v membránových vezikulách, ktoré sa približujú k bunkovej membráne. Obe membrány sa spoja a obsah sa objaví mimo bunky.
Cytoplazmatická membrána plní funkciu receptora. Na to sú na jeho vonkajšej strane umiestnené štruktúry, ktoré dokážu rozpoznať chemický alebo fyzikálny podnet. Niektoré z proteínov, ktoré prenikajú do plazmalemy, sú zvonka spojené s polysacharidovými reťazcami (tvoria glykoproteíny). Sú to zvláštne molekulárne receptory, ktoré zachytávajú hormóny. Keď sa konkrétny hormón naviaže na svoj receptor, zmení svoju štruktúru. To následne spúšťa mechanizmus bunkovej odozvy. V tomto prípade sa kanály môžu otvoriť a určité látky môžu začať vstupovať do bunky alebo z nej vychádzať.
Receptorová funkcia bunkových membrán bola dobre študovaná na základe pôsobenia hormónu inzulínu. Keď sa inzulín naviaže na svoj glykoproteínový receptor, aktivuje sa katalytická intracelulárna časť tohto proteínu (enzým adenylátcykláza). Enzým syntetizuje cyklický AMP z ATP. Už teraz aktivuje alebo potláča rôzne enzýmy bunkového metabolizmu.
Receptorová funkcia cytoplazmatickej membrány zahŕňa aj rozpoznávanie susedných buniek rovnakého typu. Takéto bunky sú navzájom spojené rôznymi medzibunkovými kontaktmi.
V tkanivách si pomocou medzibunkových kontaktov môžu bunky medzi sebou vymieňať informácie pomocou špeciálne syntetizovaných nízkomolekulárnych látok. Jedným z príkladov takejto interakcie je kontaktná inhibícia, keď bunky prestanú rásť po prijatí informácie o obsadenosti voľného miesta.
Medzibunkové kontakty môžu byť jednoduché (membrány rôznych buniek susedia), uzamykateľné (invaginácie membrány jednej bunky do druhej), desmozómy (keď sú membrány spojené zväzkami priečnych vlákien, ktoré prenikajú do cytoplazmy). Okrem toho existuje variant medzibunkových kontaktov v dôsledku mediátorov (sprostredkovateľov) - synapsií. V nich sa signál prenáša nielen chemicky, ale aj elektricky. Synapsiami sa prenášajú signály medzi nervovými bunkami, ako aj z nervových do svalových buniek.
9.5.1. Jednou z hlavných funkcií membrán je účasť na prenose látok. Tento proces sa dosahuje tromi hlavnými mechanizmami: jednoduchá difúzia, uľahčená difúzia a aktívny transport (obrázok 9.10). Pamätajte na najdôležitejšie vlastnosti týchto mechanizmov a príklady prepravovaných látok v každom prípade.
Obrázok 9.10. Mechanizmy transportu molekúl cez membránu
Jednoduchá difúzia- prenos látok cez membránu bez účasti špeciálnych mechanizmov. Transport prebieha pozdĺž koncentračného gradientu bez spotreby energie. Jednoduchou difúziou sa transportujú malé biomolekuly - H2O, CO2, O2, močovina, hydrofóbne nízkomolekulové látky. Rýchlosť jednoduchej difúzie je úmerná koncentračnému gradientu.
Uľahčená difúzia- prenos látok cez membránu pomocou proteínových kanálov alebo špeciálnych nosných proteínov. Vykonáva sa pozdĺž koncentračného gradientu bez spotreby energie. Transportujú sa monosacharidy, aminokyseliny, nukleotidy, glycerol a niektoré ióny. Charakteristická je saturačná kinetika - pri určitej (saturačnej) koncentrácii transportovanej látky sa na prenose zúčastňujú všetky molekuly nosiča a transportná rýchlosť dosahuje maximálnu hodnotu.
Aktívna doprava- vyžaduje aj účasť špeciálnych transportných proteínov, ale transport prebieha proti koncentračnému gradientu, a preto si vyžaduje energetický výdaj. Pomocou tohto mechanizmu sú ióny Na+, K+, Ca2+, Mg2+ transportované cez bunkovú membránu a protóny sú transportované cez mitochondriálnu membránu. Aktívny transport látok je charakterizovaný kinetikou nasýtenia.
9.5.2. Príkladom transportného systému, ktorý vykonáva aktívny transport iónov, je Na+,K+-adenozíntrifosfatáza (Na+,K+-ATPáza alebo Na+,K+-pumpa). Tento proteín sa nachádza hlboko v plazmatickej membráne a je schopný katalyzovať reakciu hydrolýzy ATP. Energia uvoľnená pri hydrolýze 1 molekuly ATP sa využije na prenos 3 iónov Na+ z bunky do extracelulárneho priestoru a 2 iónov K+ v opačnom smere (obrázok 9.11). V dôsledku pôsobenia Na+,K+-ATPázy vzniká koncentračný rozdiel medzi bunkovým cytosólom a extracelulárnou tekutinou. Pretože prenos iónov nie je ekvivalentný, dochádza k rozdielu elektrického potenciálu. Vzniká tak elektrochemický potenciál, ktorý pozostáva z energie rozdielu elektrických potenciálov Δφ a energie rozdielu koncentrácií látok ΔC na oboch stranách membrány.
Obrázok 9.11. Schéma čerpadiel Na+, K+.
9.5.3. Transport častíc a zlúčenín s vysokou molekulovou hmotnosťou cez membrány
Spolu s transportom organických látok a iónov uskutočňovaným nosičmi existuje v bunke veľmi špeciálny mechanizmus určený na absorbovanie vysokomolekulárnych zlúčenín do bunky a odstraňovanie vysokomolekulárnych zlúčenín z nej zmenou tvaru biomembrány. Tento mechanizmus sa nazýva vezikulárny transport.
Obrázok 9.12. Typy vezikulárneho transportu: 1 - endocytóza; 2 - exocytóza.
Počas prenosu makromolekúl dochádza k postupnej tvorbe a fúzii membránou obklopených vezikúl (vezikúl). Na základe smeru transportu a charakteru transportovaných látok sa rozlišujú tieto typy vezikulárneho transportu:
Endocytóza(Obrázok 9.12, 1) - prenos látok do bunky. V závislosti od veľkosti výsledných vezikúl sa rozlišujú:
A) pinocytóza — absorpcia tekutých a rozpustených makromolekúl (proteíny, polysacharidy, nukleové kyseliny) pomocou malých bubliniek (priemer 150 nm);
b) fagocytóza — absorpcia veľkých častíc, ako sú mikroorganizmy alebo zvyšky buniek. V tomto prípade sa vytvárajú veľké vezikuly nazývané fagozómy s priemerom väčším ako 250 nm.
Pinocytóza je charakteristická pre väčšinu eukaryotických buniek, zatiaľ čo veľké častice sú absorbované špecializovanými bunkami - leukocytmi a makrofágmi. V prvom štádiu endocytózy sú látky alebo častice adsorbované na povrchu membrány, tento proces prebieha bez spotreby energie. V ďalšom štádiu sa membrána s adsorbovanou látkou prehĺbi do cytoplazmy; výsledné lokálne invaginácie plazmatickej membrány sa oddelia od povrchu bunky a vytvoria sa vezikuly, ktoré potom migrujú do bunky. Tento proces je spojený systémom mikrofilamentov a je energeticky závislý. Vezikuly a fagozómy, ktoré vstupujú do bunky, sa môžu zlúčiť s lyzozómami. Enzýmy obsiahnuté v lyzozómoch rozkladajú látky obsiahnuté vo vezikulách a fagozómoch na produkty s nízkou molekulovou hmotnosťou (aminokyseliny, monosacharidy, nukleotidy), ktoré sú transportované do cytosólu, kde ich môže bunka využiť.
Exocytóza(Obrázok 9.12, 2) - prenos častíc a veľkých zlúčenín z bunky. Tento proces, podobne ako endocytóza, sa vyskytuje pri absorpcii energie. Hlavné typy exocytózy sú:
A) sekrétu - odstránenie vo vode rozpustných zlúčenín z bunky, ktoré sa používajú alebo ovplyvňujú iné bunky tela. Môžu ho vykonávať tak nešpecializované bunky, ako aj bunky žliaz s vnútornou sekréciou, sliznice tráviaceho traktu, prispôsobené na vylučovanie látok, ktoré produkujú (hormóny, neurotransmitery, proenzýmy) v závislosti od špecifických potrieb organizmu.
Vylučované proteíny sa syntetizujú na ribozómoch spojených s membránami hrubého endoplazmatického retikula. Tieto proteíny sú následne transportované do Golgiho aparátu, kde sa upravujú, koncentrujú, triedia a následne balia do vezikúl, ktoré sa uvoľňujú do cytosolu a následne fúzujú s plazmatickou membránou, takže obsah vezikúl je mimo bunky.
Na rozdiel od makromolekúl sú malé vylučované častice, ako sú protóny, transportované von z bunky pomocou mechanizmov uľahčenej difúzie a aktívneho transportu.
b) vylučovanie - odstránenie z bunky látok, ktoré sa nedajú použiť (napríklad počas erytropoézy, odstránenie sieťoviny z retikulocytov, čo sú agregované zvyšky organel). Zdá sa, že mechanizmus vylučovania spočíva v tom, že vylúčené častice sú spočiatku zachytené v cytoplazmatickom vezikule, ktorý sa potom spojí s plazmatickou membránou.
Biologické membrány.
Termín „membrána“ (lat. membrana - koža, film) sa začal používať pred viac ako 100 rokmi na označenie bunkovej hranice, ktorá slúži na jednej strane ako bariéra medzi obsahom bunky a vonkajším prostredím a na druhej strane ako polopriepustná priečka, cez ktorú môže prechádzať voda a niektoré látky. Funkcie membrány však nie sú obmedzené na toto, keďže biologické membrány tvoria základ štrukturálnej organizácie bunky.
Membránová štruktúra. Podľa tohto modelu je hlavnou membránou lipidová dvojvrstva, v ktorej hydrofóbne chvosty molekúl smerujú dovnútra a hydrofilné hlavy smerom von. Lipidy sú zastúpené fosfolipidmi - derivátmi glycerolu alebo sfingozínu. Proteíny sú spojené s lipidovou vrstvou. Integrálne (transmembránové) proteíny prenikajú cez membránu a sú s ňou pevne spojené; periférne neprenikajú a sú menej pevne spojené s membránou. Funkcie membránových proteínov: udržiavanie štruktúry membrány, prijímanie a konverzia signálov z prostredia. prostredie, transport určitých látok, katalýza reakcií prebiehajúcich na membránach. Hrúbka membrány sa pohybuje od 6 do 10 nm.
Vlastnosti membrány:
1. Tekutosť. Membrána nie je tuhá štruktúra, väčšina jej základných proteínov a lipidov sa môže pohybovať v rovine membrány.
2. Asymetria. Zloženie vonkajšej a vnútornej vrstvy bielkovín aj lipidov je odlišné. Plazmatické membrány živočíšnych buniek majú navyše na vonkajšej strane vrstvu glykoproteínov (glykokalyx, ktorá plní signalizačné a receptorové funkcie a je dôležitá aj pre spojenie buniek do tkanív)
3. Polarita. Vonkajšia strana membrány nesie kladný náboj, zatiaľ čo vnútorná strana nesie záporný náboj.
4. Selektívna priepustnosť. Membrány živých buniek okrem vody prepúšťajú len určité molekuly a ióny rozpustených látok (Používanie termínu „semipermeabilita“ vo vzťahu k bunkovým membránam nie je úplne správne, keďže tento pojem znamená, že. membrána prepúšťa iba molekuly rozpúšťadla, pričom zadržiava všetky molekuly a ióny rozpustených látok.)
Vonkajšia bunková membrána (plazmalema) je ultramikroskopický film s hrúbkou 7,5 nm, pozostávajúci z proteínov, fosfolipidov a vody. Elastický film, ktorý je dobre zmáčaný vodou a po poškodení rýchlo obnovuje svoju celistvosť. Má univerzálnu štruktúru, typickú pre všetky biologické membrány. Hraničné postavenie tejto membrány, jej účasť na procesoch selektívnej permeability, pinocytózy, fagocytózy, vylučovania exkrečných produktov a syntézy, v interakcii so susednými bunkami a ochrane bunky pred poškodením robí jej úlohu mimoriadne dôležitou. Živočíšne bunky mimo membrány sú niekedy pokryté tenkou vrstvou pozostávajúcou z polysacharidov a bielkovín - glykokalyx. V rastlinných bunkách je mimo bunkovej membrány silná bunková stena, ktorá vytvára vonkajšiu oporu a udržuje tvar bunky. Pozostáva z vlákniny (celulózy), vo vode nerozpustného polysacharidu.
Vymedzovacie ( bariéra) - oddeliť bunkový obsah od vonkajšieho prostredia;
Regulovať výmenu medzi bunkou a prostredím;
Delia bunky do kompartmentov alebo kompartmentov určených pre určité špecializované metabolické dráhy ( delenie);
Je miestom niektorých chemických reakcií (svetelné reakcie fotosyntézy v chloroplastoch, oxidačná fosforylácia pri dýchaní v mitochondriách);
Zabezpečiť komunikáciu medzi bunkami v tkanivách mnohobunkových organizmov;
Doprava- vykonáva transmembránový transport.
Receptor- sú lokalizáciou receptorových miest, ktoré rozpoznávajú vonkajšie podnety.
Transport látok cez membránu – jedna z vedúcich funkcií membrány, zabezpečujúca výmenu látok medzi bunkou a vonkajším prostredím. V závislosti od spotreby energie na prenos látok sa rozlišujú:
pasívny transport alebo uľahčená difúzia;
aktívny (selektívny) transport za účasti ATP a enzýmov.
preprava v membránovom obale. Existujú endocytóza (do bunky) a exocytóza (von z bunky) - mechanizmy, ktoré transportujú veľké častice a makromolekuly cez membránu. Plazmatická membrána pri endocytóze tvorí invagináciu, jej okraje sa spájajú a do cytoplazmy sa uvoľňuje vezikula. Vezikula je od cytoplazmy ohraničená jednou membránou, ktorá je súčasťou vonkajšej cytoplazmatickej membrány. Existuje fagocytóza a pinocytóza. Fagocytóza je absorpcia veľkých častíc, ktoré sú dosť tvrdé. Napríklad fagocytóza lymfocytov, prvokov atď. Pinocytóza je proces zachytávania a absorpcie kvapôčok kvapaliny s látkami v nej rozpustenými.
Exocytóza je proces odstraňovania rôznych látok z bunky. Počas exocytózy sa membrána vezikuly alebo vakuoly spája s vonkajšou cytoplazmatickou membránou. Obsah vezikuly sa odstráni za povrch bunky a membrána sa začlení do vonkajšej cytoplazmatickej membrány.
V jadre pasívny transport nenabitých molekúl spočíva v rozdiele koncentrácií vodíka a nábojov, t.j. elektrochemický gradient. Látky sa presunú z oblasti s vyšším gradientom do oblasti s nižším. Rýchlosť dopravy závisí od rozdielu stúpaní.
Jednoduchá difúzia je transport látok priamo cez lipidovú dvojvrstvu. Charakteristické pre plyny, nepolárne alebo malé nenabité polárne molekuly, rozpustné v tukoch. Voda rýchlo preniká do dvojvrstvy, pretože jeho molekula je malá a elektricky neutrálna. Difúzia vody cez membrány sa nazýva osmóza.
Difúzia cez membránové kanály je transport nabitých molekúl a iónov (Na, K, Ca, Cl), ktoré prenikajú cez membránu v dôsledku prítomnosti špeciálnych kanálikov tvoriacich proteíny, ktoré tvoria vodné póry.
Uľahčená difúzia je transport látok pomocou špeciálnych transportných proteínov. Každý proteín je zodpovedný za presne definovanú molekulu alebo skupinu príbuzných molekúl, interaguje s ňou a pohybuje sa cez membránu. Napríklad cukry, aminokyseliny, nukleotidy a iné polárne molekuly.
Aktívna doprava uskutočňované nosnými proteínmi (ATPáza) proti elektrochemickému gradientu so spotrebou energie. Jeho zdrojom sú molekuly ATP. Napríklad sodík je draslíková pumpa.
Koncentrácia draslíka vo vnútri bunky je oveľa vyššia ako mimo nej a sodíka - naopak. Preto katióny draslíka a sodíka pasívne difundujú cez vodné póry membrány pozdĺž koncentračného gradientu. Vysvetľuje to skutočnosť, že priepustnosť membrány pre ióny draslíka je vyššia ako pre ióny sodíka. V súlade s tým draslík difunduje z bunky rýchlejšie ako sodík do bunky. Pre normálne fungovanie buniek je však potrebný určitý pomer 3 draselných a 2 sodných iónov. Preto je v membráne sodíkovo-draslíková pumpa, ktorá aktívne odčerpáva sodík z bunky a draslík do bunky. Táto pumpa je transmembránový membránový proteín schopný konformačných preskupení. Preto môže na seba naviazať draselné aj sodné ióny (antiport). Proces je energeticky náročný:
Z vnútra membrány vstupujú do proteínu pumpy sodíkové ióny a molekula ATP a zvonka prichádzajú draselné ióny.
Sodné ióny sa spoja s molekulou proteínu a proteín získa aktivitu ATPázy, t.j. schopnosť spôsobiť hydrolýzu ATP, ktorá je sprevádzaná uvoľňovaním energie, ktorá poháňa pumpu.
Fosfát uvoľnený počas hydrolýzy ATP sa naviaže na proteín, t.j. fosforyluje proteín.
Fosforylácia spôsobuje konformačné zmeny v proteíne, ktorý nie je schopný zadržiavať sodíkové ióny. Sú uvoľnené a pohybujú sa mimo bunky.
Nová konformácia proteínu podporuje pripojenie iónov draslíka k nemu.
Pridanie draselných iónov spôsobuje defosforyláciu proteínu. Opäť mení svoju konformáciu.
Zmena konformácie proteínov vedie k uvoľneniu iónov draslíka vo vnútri bunky.
Proteín je opäť pripravený pripojiť k sebe sodné ióny.
V jednom cykle prevádzky pumpa odčerpá 3 sodíkové ióny z bunky a pumpuje 2 draselné ióny.
Cytoplazma– obligátna zložka bunky, nachádzajúca sa medzi povrchovým aparátom bunky a jadrom. Ide o komplexný heterogénny štruktúrny komplex pozostávajúci z:
hyaloplazma
organely (stále zložky cytoplazmy)
inklúzie sú dočasné zložky cytoplazmy.
Cytoplazmatická matrica(hyaloplazma) je vnútorný obsah bunky – bezfarebný, hustý a priehľadný koloidný roztok. Zložky cytoplazmatickej matrice uskutočňujú v bunke procesy biosyntézy a obsahujú enzýmy potrebné na produkciu energie, najmä vďaka anaeróbnej glykolýze.
Základné vlastnosti cytoplazmatickej matrice.
Určuje koloidné vlastnosti bunky. Spolu s intracelulárnymi membránami vakuolárneho systému ho možno považovať za vysoko heterogénny alebo viacfázový koloidný systém.
Poskytuje zmenu viskozity cytoplazmy, prechod z gélu (hustejšieho) na sól (viac tekutý), ku ktorému dochádza pod vplyvom vonkajších a vnútorných faktorov.
Zabezpečuje cyklózu, améboidný pohyb, delenie buniek a pohyb pigmentu v chromatofóroch.
Určuje polaritu umiestnenia intracelulárnych komponentov.
Zabezpečuje mechanické vlastnosti buniek - elasticitu, schopnosť zlučovania, tuhosť.
organely– trvalé bunkové štruktúry, ktoré zabezpečujú, že bunka vykonáva špecifické funkcie. V závislosti od štrukturálnych vlastností sa rozlišujú:
membránové organely – majú membránovú štruktúru. Môžu byť jednomembránové (ER, Golgiho aparát, lyzozómy, vakuoly rastlinných buniek). Dvojmembránové (mitochondrie, plastidy, jadro).
Nemembránové organely – nemajú membránovú štruktúru (chromozómy, ribozómy, bunkové centrum, cytoskelet).
Organely na všeobecné použitie sú charakteristické pre všetky bunky: jadro, mitochondrie, bunkové centrum, Golgiho aparát, ribozómy, EPS, lyzozómy. Keď sú organely charakteristické pre určité typy buniek, nazývajú sa špeciálne organely (napríklad myofibrily, ktoré sťahujú svalové vlákno).
Endoplazmatické retikulum- jediná súvislá štruktúra, ktorej membrána tvorí mnoho invaginácií a záhybov, ktoré vyzerajú ako tubuly, mikrovakuoly a veľké cisterny. ER membrány sú na jednej strane spojené s bunkovou cytoplazmatickou membránou a na druhej strane s vonkajším obalom jadrovej membrány.
Existujú dva typy EPS – drsný a hladký.
V drsnej alebo granulovanej ER sú cisterny a tubuly spojené s ribozómami. je vonkajšia strana membrány hladká alebo agranulárna ER nemá žiadnu súvislosť s ribozómami. Toto je vnútorná strana membrány.
