Біологічні мембрани. Їх роль в процесах збудження

Міністерство освіти і науки України

Рівненський державний гуманітарний університет

Психолого-природничий факультет

Кафедра біології

 

 

 

 

 

Курсова робота

на тему:

«Біологічні мембрани. Їх роль в процесах збудження»

 

 

виконала:

студентка I курсу групи Б-11

Пікова Олександра Василівна

 

Науковий керівник:

кандидат біологічних наук, професор Марциновський В.П.

 

 

Рівне – 2013

Зміст

Вступ …………………………………………………………………………………3

Розділ I. Поняття про біологічні мембрани……………………………………….5

1.1. Будова біологічних мембран………………………………………5

1.2. Функції біологічних мембран………………………………………6

Розділ II. Мембранний транспорт………………………………………………….9

2.1. Дифузія, активний і  пасивний транспорт…………………………..9

2.2. Ендоцитоз та екзоцитоз…………………………………………….11

Розділ III. Мембранна теорія збудження………………………………………….13

Розділ IV. Роль біологічних мембран в процесах збудження…………………19

Висновок ……………………………………………………………………………21

Список використаної літератури………………………………………………….23

 

Вступ

Мембрани відіграють ключову роль як у структурній організації, так і у функціонуванні всіх клітин. Мембрани формують внутрішньоклітинні компартменти, з їх допомогою відбувається розділення вмісту компартментів і навколишнього їхнього середовища. Але якби це була єдина функція мембран, вони не були б для нас настільки цікаві. Мембрани не тільки розділяють клітину на окремі компартменти, але і беруть участь у регуляції всіх зв'язків і взаємодій, що здійснюються між зовнішньою і внутрішньою сторонами цих компартментів. Це може виявлятися у вигляді фізичного перенесення іонів або молекул через мембрану або у формі передачі інформації за допомогою конформаційних змін, індукованих в мембранних компонентах. Крім того, з мембранами пов'язані багато клітинні ферменти. Деякі з них каталізують трансмембранні реакції, коли реагенти знаходяться по різні сторони мембрани або коли каталітичний акт супроводжується транспортом молекул

Усі мембрани побудовано за однаковим принципом: вони є ансамблями ліпідних і білкових молекул, що утримуються за допомогою нековалентних взаємодій. Ліпідні молекули утворюють безперервний подвійний шар завтовшки 4–5 нм, іноді близько 10 нм. Амфіфільні ліпіди в бішарі розташовані так, що їх гідрофільні «голівки» напрямлені назовні від мембрани, а гідрофобні «хвости» — усередину. Саме така організація бішару дає змогу обом сторонам мембрани контактувати з водою, що є неодмінною умовою можливості обмінних і транспортних процесів.

Біологічні мембрани є структурами, які відіграють ключову роль у функціонуванні клітин живих організмів. Вони обмежують внутрішньоклітинне середовище, тобто забезпечують компартменталізацію, завдяки їм відбувається регуляція життєдіяльності клітин. З біологічними мембранами пов'язаний ціла низка ферментів, що каталізують реакції трансмембранного переносу речовин, беруть участь у процесах передачі сигналу тощо.

Мембрани відіграють важливу роль у здійсненні наступних клітинних функцій: бар’єрна;матрична; механічна; транспортна; енергетична; генерація та проведення біопотенціалів; рецепторна; адгезивна; рухова.

Вони беруть участь у транспорті речовин. Транспорт речовин через біологічні мембрани – необхідна умова життя. З перенесенням речовини через мембрани пов’язані процеси метаболізму клітини, біоенергетичні процеси, утворення біопотенціалів, генерація нервового імпульсу та ін.

Дослідження біологічних мембран залишається актуальним питанням, оскільки знання про їхню структуру та функції є необхідними для розв'язання багатьох проблем сучасної біології. Проведення таких досліджень потребує розробки адекватних біохімічних, молекулярно-біологічних, біофізичних, імунологічних та інших методів, які б дозволили з'ясувати не тільки структурно-функціональну організацію біомембран, а й їхню роль у процесах клітинного метаболізму та в процесах збудження.

Мета курсової роботи: розкрити поняття біологічних мембран, їх будову та функції, місце та роль у процесах збудження.

Об’єкт дослідження: біологічні мембрани.

Предмет дослідження: вивчення будови та функцій біологічних мембран. Мембранна теорія збудження.

Завдання: визначити роль біологічних мембран в процесах збудження.

 

Розділ I. Поняття про біологічні мембрани.

1.1. Будова біологічних мембран.

Біологічні мембрани мають складну гетерогенну структурну організацію, яку зумовлено, по-перше, різноманіттям їх компонентів і, по-друге, утворенням комплексів між ними. Основними структурними компонентами біомембран є білки та ліпіди. Фосфоліпіди переважно організовані у плоский бішар (ліпідний матрикс), у який занурені численні білки, які утворюють рідинно-мозаїчну структуру. Близько 30% ліпідів мембран міцно пов'язані з внутрішніми білками, а інша їхня частина перебуває в рідкому стані. Тому комплекси білків і пов'язаних із ними ліпідів наче «плавають» у рідкій ліпідній масі. У молекул ліпідів, розташованих у вигляді подвійного шару, полярні гідрофільні «головки» обернені до зовнішнього та внутрішнього боку мембран, а гідрофобні неполярні «хвости» - всередину. Тому, якщо поглянути зверху на мембрану, вона нагадуватиме мозаїку, створену полярними «головками» ліпідів і молекулами білків, розташованими поверхнево або перетинаючи мембрану. Між молекулами білків або їхніми частинами часто є канальці (Мал.1).

Молекули, які входять до складу біологічних мембран, здатні пересуватись, завдяки чому за незначних пошкоджень мембрани швидко оновлюються.

У мембранах розрізняють зовнішню і внутрішню сторони, які в більшості випадків мають неоднаковий склад, тобто мембрани асиметричні. Ліпіди і білки, розташовані на зовнішній стороні плазматичної мембрани, зазвичай мають ковалентно пов'язані з ними вуглеводи. Внутрішня сторона мембрани і внутрішньоклітинні мембрани, як правило, позбавлені вуглеводів.

1.2. Функції біологічних мембран.

Виділяють такі основні функції біологічних мембран:

1. бар’єрна функція (забезпечує селективний, регульований, пасивний і активний обмін речовин клітини з оточуючим середовищем (селективний –означає вибірковий: одні речовини переносяться через біологічні мембрани, інші – ні; регульований – проникність мембрани для певних речовин змінюється залежно від функціонального стану клітини; активний – перенесення проти градієнту концентрації); завдяки напівпроникності забезпечується селективний транспорт і розподіл іонів між клітиною та середовищем);
2. матрична функція (забезпечує взаємне розташування та орієнтацію мембранних білків, їх оптимальну взаємодію);
3. механічна функція (забезпечує міцність та автономність клітини і внутрішньоклітинних структур);
4. енергетична функція (забезпечує синтез АТФ на внутрішніх мембранах мітохондрій, фотосинтез вуглеводів у мембранах хлоропластів);
5. генерація та проведення біопотенціалів (включає канали, насоси та обмінники, забезпечує транспорт іонів);
6. рецепторна функція (механічна, акустична, зорова, хімічна, терморецепція);
7. адгезивна (забезпечує міжклітинні взаємодії);
8. рухлива (забезпечує процес руху клітин);
9. секреторна (забезпечує процес екзо- та ендоцитозу) та ін.

Біологічним мембранам властива і ферментативна активність: вони містять деякі ферменти, які беруть участь у регуляції обміну речовин і перетворенні енергії. Мембранні білки - антитіла — здійснюють захисну функцію. Вони здатні зв'язувати антигени (мікроорганізми і речовини, які клітина сприймає як чужорідні), запобігаючи їхньому проникненню в клітину. Отже, плазматична мембрана є однією з ланок захисних реакцій організму.

У мембранах вбудовані також сигнальні білки, здатні у відповідь на дію різних факторів навколишнього середовища змінювати свою просторову структуру і таким чином передавати сигнали до клітини. Отже, біологічна мембрана забезпечує подразливість організмів (тобто, їхню здатність сприймати подразники і певним чином на них відповідати) і здійснює обмін інформацією між клітиною і навколишнім середовищем.

Важлива роль біологічних мембран і в процесах взаємоперетворення різних форм енергії: механічної, електричної (формування нервового імпульсу), хімічної (синтез сполук, багатих на енергію).

Призначення клітинних мембран: 1) механіко-просторова функція; 2) сенсорно-сигнальна; 3) трансформація енергії; 4) захисна.

1. Механіко-просторова функція клітинних мембран полягає у забезпеченні захисту внутрішньоклітинного простору від механічного впливу чинників навколишнього середовища, підтримуванні сталості об’єму внутрішньоклітинного простору, оптимальної (згідно з призначенням клітини) форми і просторового розташування (орієнтації структурних елементів);

2. сенсорно-сигнальна здійснюється завдяки наявності специфічних до дії медіаторних речовин рецепторів мембрани («клітина–мішень/гормон»), а також іонних каналів, які включені в клітинну систему збудливих клітин разом з чутливими рецепторами клітини – «сенсорами», що реагують на зміни напруження електричного поля в мембрані, сигнальні білки, наявність транспортних систем;

3. трансформація енергії: а) для клітин тваринного походження – реакції окисного фосфорилювання, які відбуваються на внутрішніх мембранах мітохондрій; б) для клітин рослинного походження – фотосинтез (трансформація енергії квантів світла в енергію хімічних зв’язків);

4. захисна функція: клітинні мембрани – це бар’єр з високо вибірковою проникністю, внаслідок наявності транспортної системи, яка контролює молекулярний та іонний склад внутрішньоклітинного середовища. Внутрішньоклітинні мембрани формують ендоплазматичний ретикулум –складна система внутрішньоклітинних каналів, утворених мембранами, та цистерн для транспорту речовин з клітини за її межі, також як сховище поживних речовин; комплекс Гольджі – наступна ланка ланцюга перетворення поживних речовин – скупчення пухирців, оточених мембраною, із подальшою модифікацією білків для секреції із клітини; лізосоми – особливі пухирці, які виконують гідролітичні функції щодо непотрібних білків, полісахаридів, ліпідів тощо.

 

Розділ II. Мембранний транспорт.

2.1. Дифузія, активний і пасивний транспорт.

Сполуки, потрібні для життєдіяльності клітин, а також продукти обміну речовин перетинають мембрану за допомогою дифузії, пасивного чи активного транспорту.

Пасивний транспорт - забезпечує вибіркове проникнення речовин через мембрани(Мал.2). Для нього характерне переміщення речовин з боку, де концентрація вища. Пасивний транспорт забезпечується за участю рухомих мембранних білків-переносників, зміною просторової структури білків, які перетинають мембрану, та через канали у мембрані.

 

Дифузія - процес, за якого речовини проникають крізь певні ділянки і пори мембран унаслідок їхньої різної концентрації по обидва її боки(Мал.3). Цей процес відбувається без витрат енергії у результаті хаотичного теплового руху молекул.

Активний транспорт речовин через біологічні мембрани пов'язаний із витратами енергії, оскільки не залежить від концентрації речовин, які мають потрапити в клітину або вийти з неї (Мал.4).

На цей процес впливає різниця концентрацій іонів калію і натрію у зовнішньому середовищі та всередині клітини. Тому його назвали калій-натріевим насосом (Мал.4.1). Концентрація іонів калію всередині клітини вища, ніж ззовні, а іонів натрію - навпаки. Завдяки цьому іони натрію пересуваються в клітину, а калію - з неї. Але концентрація цих іонів у живій клітині і поза нею ніколи не вирівнюється, оскільки існує особливий механізм, який іони натрію «відкачує» з клітини, а калій - «закачує» в неї. Цей процес потребує витрат енергії.

Завдяки механізму калій-натрієвого насосу енергетично сприятливе (тобто таке, що сприяє вирівнюванню концентрації) пересування іонів натрію в клітину, полегшує енергетично несприятливий (в бік вищої концентрації) транспорт низькомолекулярних сполук.

2.2. Ендоцитоз  та екзоцитоз.

Існує ще два механізми транспорту речовин через мембрани, які називаються ендоцитозом та екзоцитозом. Розрізняють два основні види ендоцитозу: фаго- і піноцитоз.

Ендоцитоз — процес поглинання клітиною речовин із навколишнього середовища шляхом обволікання їх ділянками мембрани.

Фагоцитоз - це активне захоплення твердих об'єктів мікроскопічних розмірів (Мал.5).

Спочатку клітина зближується з об'єктом, який має захопити. Під час безпосереднього контакту плазматична мембрана клітини огортає об'єкт і проштовхує його в цитоплазму. Так утворюється пухирець, вкритий мембраною. В цей пухирець надходять гідролітичні ферменти, які перетравлюють захоплений об'єкт, а неперетравлені рештки виводяться з клітини.

Піноцитоз - процес поглинання клітиною рідини разом із розчиненими у ній сполуками (Мал.6). Він нагадує фагоцитоз, але відбувається здебільшого за рахунок впинання мембрани.

Екзоцитоз — процес, зворотній ендоцитозу. Його роль — виведення з клітин різних речовин і матеріалів (Мал.7).