Citoplazmatske membrane imaju prirodu. Biološke membrane
100 RUR bonus za prvu narudžbu
Odabir vrste rada Diplomski rad Predmetni rad Sažetak Magistarski rad Izvješće o vježbi Članak Izvješće Recenzija Testni rad Monografija Rješavanje problema Poslovni plan Odgovori na pitanja Kreativni rad Esej Crtanje Eseji Prijevod Prezentacije Tipkanje Ostalo Povećanje jedinstvenosti teksta Magistarski rad Laboratorijski rad On-line pomoć
Saznajte cijenu
Ovisno o vrsti bakterije, citoplazmatska membrana čini 8-15% suhe mase stanice. Njegov kemijski sastav predstavljen je proteinsko-lipidnim kompleksom, u kojem je udio proteina 50-75%, a udio lipida 15-50%. Glavna lipidna komponenta membrane su fosfolipidi. Proteinska frakcija citoplazmatske membrane predstavljena je strukturnim proteinima s enzimskom aktivnošću. Proteinski sastav citoplazmatske membrane je raznolik. Dakle, citoplazmatska membrana bakterije Escherichia coli sadrži oko 120 različitih proteina. Osim toga, u membranama je pronađena mala količina ugljikohidrata.
Citoplazmatska membrana bakterija općenito je po kemijskom sastavu slična membranama eukariotskih stanica, ali su bakterijske membrane bogatije proteinima, sadrže neobične masne kiseline i općenito nemaju sterole.
Model fluidnog mozaika razvijen za eukariotske membrane primjenjiv je na strukturu citoplazmatske membrane bakterija. Prema ovom modelu, membrana se sastoji od lipidnog dvosloja. Hidrofobni "krajevi" molekula fosfolipida i triglicerida usmjereni su prema unutra, a
hidrofilne "glave" - prema van. Proteinske molekule ugrađene su u lipidni dvosloj. Na temelju mjesta i prirode interakcije s lipidnim dvoslojem, proteini citoplazmatske membrane dijele se na periferne i integralne.
Periferni proteini povezani su s površinom membrane i lako se ispiru s nje kada se promijeni ionska jakost otapala. Periferni proteini uključuju NAD H2 dehidrogenaze, kao i neke proteine uključene u kompleks ATPaze itd.
Kompleks ATPaze je skupina proteinskih podjedinica raspoređenih na određeni način, koje su u kontaktu s citoplazmom, periplazmatskim prostorom i tvore kanal kroz koji se kreću protoni.
Integralni proteini uključuju proteine koji su djelomično ili potpuno uronjeni u debljinu membrane, a ponekad i prodiru kroz nju. Veza integralnih proteina s lipidima određena je uglavnom hidrofobnim interakcijama.
Integralni membranski proteini bakterija E. coli uključuju, na primjer, citokrom b i željezo-sumpor proteine.
Citoplazmatska membrana obavlja niz funkcija bitnih za stanicu:
Održavanje unutarnje postojanosti stanične citoplazme. To se postiže zbog jedinstvenog svojstva citoplazmatske membrane - njegove polupropusnosti. Propusan je za vodu i tvari niske molekularne težine, ali nije propustan za ionizirane spojeve.
Prijevoz takvih tvari u stanicu i izlaz van provodi se zahvaljujući specijaliziranim transportnim sustavima koji su lokalizirani u membrani. Takvi transportni sustavi funkcioniraju preko aktivnih transportnih mehanizama i sustava specifičnih enzima permeaza;
Transport tvari u stanicu i njihovo uklanjanje van;
Lanac prijenosa elektrona i enzimi oksidativne fosforilacije lokalizirani su u citoplazmatskoj membrani;
Citoplazmatska membrana povezana je sa sintezom stanične stijenke i kapsule zbog prisutnosti u njoj specifičnih nosača za molekule koje ih tvore;
Flagele su pričvršćene za citoplazmatsku membranu. Opskrba flagelama energijom povezana je s citoplazmatskom membranom.
Mezosomi su invaginacije citoplazmatske membrane u citoplazmu. (lamelarni (lamelarni), vezikularni (u obliku mjehurića) i cjevasti (cijevasti))
U stanicama nekih bakterija nalaze se i mezosomi mješovitog tipa: koji se sastoje od lamela, cijevi i vezikula. Složeno organizirani i dobro razvijeni mezosomi karakteristični su za gram-pozitivne bakterije. Kod gram-negativnih bakterija oni su mnogo rjeđi i relativno su jednostavno organizirani. Na temelju smještaja u stanici razlikuju se mezosomi, nastali u zoni stanične diobe i formiranja transverzalnog septuma; mezosomi na koje je nukleoid vezan; mezosomi nastali kao rezultat invaginacije perifernih dijelova citoplazmatske membrane.
Ispod stanične stijenke bakterije nalazi se citoplazmatska membrana (CPM). Odvaja sadržaj stanice od stanične stijenke i bitna je struktura svake stanice.
Debljina bakterijskog CPM-a je obično oko 6-8 nm. Čini do 15% suhe mase stanice. Sastoji se od lipida (15-45%), proteina (45-60%) i male količine ugljikohidrata (oko 10%). Lipidi su zastupljeni fosfolipidima - do 30% suhe težine membrane. Među njima prevladavaju fosfatidil glicerol i difosfatidil glicerid (kardiolipin) – bitna komponenta mitohondrijskih membrana eukariota. Manje količine sadrže fosfatidilinozitol i fosfatid il-
etanolamin Osim fosfolipida, u membrani su pronađeni različiti glikolipidi, male količine karotenoida i kinona. U sastavu lipida izvedenih iz glicerola identificirane su masne kiseline netipične za membrane - zasićene ili mononezasićene sa 16-18 ugljikovih atoma, kao i kiseline koje se ne nalaze u eukariotskim membranama - ciklopropan i razgranate masne kiseline sa 15-17 ugljikovih atoma. Skup masnih kiselina, kao i membranskih lipida koji se od njih sastoje, specifičan je za prokariote.
Membranski lipidi su male polarne molekule koje nose hidrofilne (glave) i hidrofobne (repovi) skupine. U vodenoj sredini spontano stvaraju zatvoreni bimolekularni sloj – dvosloj. Ovaj sloj služi kao značajna prepreka ionima i polarnim spojevima. Organizirani u bimolekularni sloj, lipidi čine strukturnu osnovu membrane, održavaju mehaničku stabilnost i daju joj hidrofobnost.
Proteini čine više od polovice suhe mase membrane. Postoji više od 20 različitih vrsta. Na temelju razlika u čvrstoći veza s lipidima i položaju u membrani, proteini se dijele na integralne i periferne. Integralni proteini uronjeni su u hidrofobno područje membrane, gdje stvaraju brojne veze s ugljikovodičnim lancima lipida,
stvaranje lipoproteinskih kompleksa. Periferni proteini su lokalizirani na površini hidrofilnog sloja i često su vezani za integralne proteine (slika 3.14).
Sl.3.14. Građa citoplazmatske membrane: 1 - lipidi; 2 - glikoproteini; 3 - periferni proteini; 4 - integralni proteini
Na temelju njihove funkcije unutar membrana, membranski proteini se mogu podijeliti u dvije skupine: strukturne i dinamičke.
Funkcije strukturnih proteina ograničene su na održavanje strukturnog integriteta membrane. Nalaze se na površini hidrofilnog lipidnog sloja, djelujući kao molekularni zavoj.
Dinamički proteini uključuju proteine koji su izravno uključeni u sve procese koji se odvijaju na membrani. Dijele se u tri klase: transportne, uključene u transport spojeva u stanicu i iz nje; katalitički, obavljajući funkcije enzima u reakcijama koje se odvijaju na membrani; proteini receptori koji specifično vežu određene spojeve (toksine, hormone) na vanjskoj strani membrane.
Ugljikohidrati u membrani nisu u slobodnom stanju, već su međusobno povezani s proteinima i lipidima u glikoproteine. Oni su poput
U pravilu su lokalizirani samo na vanjskoj površini membrane i funkcioniraju kao receptori za prepoznavanje okolišnih čimbenika.
Citoplazmatska membrana bakterija, kao i sve druge biološke membrane, je asimetrična tekuća kristalna struktura. Asimetrija je posljedica razlika u kemijskoj strukturi proteinskih molekula i njihovom položaju u lipidnom dvosloju membrane. Neki proteini nalaze se na površini dvosloja, drugi su uronjeni u njegovu debljinu, a treći prolaze s unutarnje na vanjsku površinu dvosloja. Strogo definirana orijentacija membranskih proteina, pak, posljedica je činjenice da se sintetiziraju i ugrađuju u membranu asimetrično. Vanjska i unutarnja površina membrane također se razlikuju po enzimskoj aktivnosti. Ovisno o uvjetima (na primjer, temperaturi), CPM može biti u različitim faznim stanjima: ukapljenom ili kristalnom. Tijekom prijelaza iz jedne tekuće kristalne faze u drugu mijenja se pokretljivost komponenti membrane i njezina gustoća pakiranja, što zauzvrat dovodi do poremećaja njezine funkcionalne aktivnosti.
Strukturna organizacija i funkcije citoplazmatske membrane. Za objašnjenje prirode i mehanizma brojnih funkcija CPM-a najprikladniji je fluidno-mozaični model organizacije bioloških membrana, koji su predložili R. Singer i A. Nicholson 1972. Prema ovom modelu, membrane su dvije -dimenzionalne otopine globularnih proteina i lipida orijentiranih na određeni način. Lipidi tvore dvosloj u kojem su hidrofilne "glave" molekula okrenute prema van, a hidrofobni "repovi" uronjeni su u debljinu membrane, dok posjeduju dovoljnu fleksibilnost. Membranski lipidi i mnogi proteini slobodno se kreću u dvosloju, ali samo u bočnom smjeru (lateralna difuzija). U transverzalnom smjeru, tj. s jedne površine membrane na suprotnu, proteini se ne mogu kretati, a lipidi se kreću izuzetno sporo (jednom u nekoliko sati). Čini se da je razlog odsutnosti ili niske aktivnosti transverzalne difuzije asimetrična raspodjela lipida:
Neki lipidi su obilniji u vanjskom dijelu dvosloja, dok su drugi obilniji u unutarnjem dijelu. Posljedica toga je nejednaka elektronska gustoća (vodljivost) dvosloja u poprečnom smjeru.
CPM je u tekućem kristalnom ili ukapljenom stanju samo pod određenim, tzv
biološke temperature. Sniženjem temperature (ispod tališta, Tm) lipidi prelaze u kristalno stanje, stupanj viskoznosti raste sve dok membrana ne očvrsne. Temperatura koja uzrokuje stvrdnjavanje membrane određena je sadržajem nezasićenih i
razgranate masne kiseline. Što ih je više u membrani, to je niža temperatura prijelaza lipida iz tekućeg kristalnog stanja u kristalno stanje.
Prokarioti imaju sposobnost reguliranja fluidnosti membrane promjenom broja dvostrukih veza i duljine lanca molekula masnih kiselina. Tako se kod E. coli, kada se temperatura okoline snizi s 42°C na 27°C, omjer zasićenih i nezasićenih masnih kiselina u membrani opada s 1,6 na 1,0, tj. sadržaj nezasićenih masnih kiselina doseže razinu od one zasićene. Time se sprječava povećanje viskoznosti i osigurava da stanice održavaju fiziološku aktivnost pri niskim temperaturama.
CPM obavlja brojne vitalne funkcije u prokariota. Uglavnom su određeni proteinima lokaliziranim u njemu, koji djeluju kao kanali, receptori, regeneratori energije, enzimi, transportne funkcije i drugi. CPM je glavna osmotska barijera koja, zbog prisutnosti membranskih transportnih mehanizama, selektivno prenosi tvari u stanicu i iz nje uklanja produkte metabolizma. Selektivna propusnost CPM-a rezultat je propusnosti specifičnih za supstrat lokaliziranih u njemu, koje aktivno prenose razne organske i mineralne tvari kroz membranu. CPM sadrži enzime za biosintezu membranskih lipida i makromolekula koje čine staničnu stijenku, vanjsku membranu i kapsulu. CPM je mjesto lokalizacije redoks enzima koji provode
prijenos elektrona, oksidativna i fotosintetska fosforilacija, elektrokemijsko stvaranje energije
transmembranski potencijal (A// +) i kemijski (ATP). CPM
n
obavlja važne funkcije u biosintezi i translokaciji izlučenih proteina gram-negativnih bakterija. Biosinteza ovih proteina odvija se na ribosomima pričvršćenim na CPM. Gram-negativne bakterije imaju posebne receptorske proteine na CPM-u koji "prepoznaju" signale velike ribosomske podjedinice o pričvršćivanju ribosoma i početku sinteze proteina. Membranski receptorski proteini stupaju u interakciju s velikom podjedinicom ribosoma, tvoreći kompleks ribosom-membrana na kojem se odvija sinteza izlučenih proteina. Na taj način npr. E. coli sintetizira alkalnu fosfatazu, Bac. subtilis - a-amilaza. CPM također osigurava prijenos ovih proteina u periplazmatski prostor. CPM igra veliku ulogu u regulaciji stanične diobe, replikacije kromosoma i plazmida, te naknadne segregacije ovih genetskih elemenata između novoformiranih stanica kćeri.
Svi prokarioti, uz citoplazmatsku membranu, sadrže njezine derivate - unutarstanične membrane koje obavljaju specijalizirane funkcije. Citoplazmatska membrana sposobna je za stvaranje svih vrsta invaginacija (invaginacija). Ove invaginacije čine unutarstanične membrane, koje imaju različite duljine, pakiranje i lokalizaciju u citoplazmi. Mogu se skupljati u složene kuglice - lamelarne, saćaste ili cjevaste formacije. Manje složene membrane imaju oblik jednostavnih petlji ili tubula različitih duljina. Bez obzira na složenost organizacije unutarstaničnih membrana, sve su one derivati citoplazmatske membrane. Veličina njihove aktivne površine premašuje veličinu citoplazmatske membrane. To daje temelj za prosuđivanje velike funkcionalne aktivnosti ovih struktura u stanicama.
Osobito bogat unutarstanični membranski aparat imaju dušikofiksirajuće i fotosintetske bakterije, brucele i nitrifikacijske bakterije. Fotosintetske bakterije (Rhodospirillum rubrum) imaju opne koje izgledaju kao zatvoreni mjehurići – vezikule. Njihov nastanak počinje invaginacijom citoplazmatske membrane, koja zatim formira cijev. Na cjevčici se pojavljuju suženja koja je dijele u niz mjehurića. Ove vezikule se nazivaju kromatofori. Sadrže pigmente koji apsorbiraju svjetlost - bakterioklorofile i karotenoide, enzime za prijenos elektrona - ubikinone i citokrome, komponente fosforilacijskog sustava. U nekim fotosintetskim prokariotima, posebno u ljubičastim sumpornim bakterijama i cijanobakterijama, fotosintetski aparat predstavljen je hrpama membrana koje imaju spljošten oblik i, po analogiji s granom kloroplasta zelenih biljaka, nazivaju se tilakoidi (slika 3.15). 
One koncentriraju fotosintetske pigmente, enzime lanca prijenosa elektrona i fosforilacijske sustave. Značajka cijanobakterijskih tilakoida je nedostatak veze s citoplazmatskom membranom. Ovo je jedina skupina prokariota koja ima diferencirani membranski sustav.
U nitrificirajućim bakterijama, unutarstanični membranski aparat ima oblik ploča ili lamela koje se sastoje od ravnih vezikula (slika 3.16). 
Od unutarstaničnih membrana mezosomi imaju najsloženiju strukturu. Oni su spiralno uvijena, ravna ili sferna cjevasta tijela. Mezosomi nastaju tijekom stanične diobe u zoni formiranja transverzalnog septuma. Sudjeluju u replikaciji kromosoma i raspodjeli genoma između stanica kćeri te u sintezi tvari stanične stijenke. Sudjelovati
mezosoma u staničnoj diobi naznačeni su njegovom vezom s DNA nukleoida. Dobro razvijeni mezosomi nalaze se samo kod gram-pozitivnih bakterija.
Podaci prikupljeni do danas sugeriraju da su membranske strukture bakterija dovoljno diferencirane i osiguravaju tijek različitih metaboličkih procesa u stanici.
- Citoplazma i citoplazmatske inkluzije
U citoplazmi se razlikuju dvije frakcije. Jedan od njih predstavlja strukturne elemente: ribosome, aerosome,
karboksisomi, inkluzije za skladištenje, genetski aparat, Druga frakcija sadrži složenu mješavinu topljive RNA, enzimskih proteina, pigmenata, minerala, produkata i supstrata metaboličkih reakcija. Ova se frakcija naziva citosol.
Zbog prisutnosti različitih organskih spojeva, citoplazma bakterijskih stanica karakterizira povećana viskoznost. Ona je 800-8000 puta veća od viskoznosti vode (približava se viskoznosti glicerina). Mlade stanice u lag fazi ili ranim fazama logaritamske faze imaju nižu citoplazmatsku viskoznost; kod starijih ljudi viskoznost se povećava, po konzistenciji podsjeća na gel. Stupanj citoplazmatske viskoznosti karakterizira ne samo starost stanice, već i njezinu fiziološku aktivnost. Povećanje viskoznosti citoplazme u starim kulturama jedan je od čimbenika koji je odgovoran za smanjenje fiziološke aktivnosti stanica. Citoplazma je medij koji povezuje sve unutarstanične strukture u jedinstveni sustav.
Ribosomi. Citoplazma bakterijske stanice stalno sadrži kuglaste strukture, veličine 15-20 nm, molekulske mase 3106.
Ribosomi se sastoje od 60-65% ribosomske RNA i 35-40% proteina. Potonji su bogati bazičnim aminokiselinama. Tijekom ultracentrifugiranja bakterijski ribosomi talože se brzinom od oko 70 Svedbergovih jedinica (S)7, zbog čega se nazivaju 708-ribosomi. Citoplazmatski ribosomi eukariota su veći i nazivaju se 80S ribosomi (konstanta sedimentacije im je 80S).
Svaki ribosom sastoji se od dvije podjedinice: 30S i 50S, koje se razlikuju po veličini molekula RNA i količini proteina koje sadrže. Velika podjedinica (50S) sadrži dvije molekule rRNA - 5S i 23S i 35 molekula različitih proteina. Mala podjedinica (30S) uključuje jednu molekulu od 16 rRNA i 21 molekulu različitih vrsta proteina. Broj ribosoma u stanici nije stalan – od 5 000 do 90 000. Određen je starošću stanice i uvjetima uzgoja bakterija. Minimalna količina sadržana je na početku lag faze, a maksimalna - u eksponencijalnoj fazi rasta kulture. U E. coli u razdoblju aktivnog rasta na potpunoj hranjivoj podlozi sintetizira se 5-6 ribosoma u 1 sekundi. Većina njih u citoplazmi bakterija je u slobodnom stanju, a ostatak je
S = 1 swedberg jedinica = 10"13 cm (s) jedinica polja.
ujedinjene nitima glasničke RNA u polisome. Broj ribosoma u polisomima može doseći nekoliko desetaka. To ukazuje na visoku aktivnost stanice za sintezu proteina, budući da su ribosomi mjesto sinteze proteina. Slikovito ih se naziva "tvornicama" proteina.
Plinske vakuole (aerosomi). Ove su strukture karakteristične samo za neke vodene i zemljišne bakterije. Nalaze se u fototrofnim sumpornim bakterijama, bezbojnim filamentoznim bakterijama, kao iu bakterijama roda Renobacter. U ćeliji ih ima do 40-60 (slika 3.17). Plinske vakuole okružene su tankim 
Riža. 3.17. Stanica Renobacter vocuolatum s aerosomima (povećanje x 70 000)
proteinska membrana. Sadrže mjehuriće plina, čiji broj nije konstantan. Sastav i tlak plina u mjehurićima i aerosomima općenito su određeni količinom plinova otopljenih u okolišu. Aerosomi su ili u komprimiranom stanju ili ispunjeni plinskim medijem. Njihovo stanje regulirano je hidrostatskim tlakom okoline. Nagli porast tlaka uzrokuje kompresiju aerosoma i stanice gube svoj uzgon.
Aerosomi reguliraju uzgon stanice, omogućujući joj da se pomakne u povoljne uvjete prozračivanja, osvjetljenja i sadržaja hranjivih tvari. Posebnost je njihov jednokratni rad kada su napunjeni plinom. Nakon kompresije pod utjecajem hidrostatskog tlaka ne pune se ponovno plinom i
postupno se uništavaju. Stanica ih može reproducirati samo tako da ih ponovno oblikuje.
Kada su aerosomi ispunjeni plinom, bakterije se zadržavaju na površini vode, kada se stisnu, tonu u njezinu debljinu ili se talože na dno rezervoara. Ova jedinstvena metoda kretanja razvijena je u procesu evolucije uglavnom kod bakterija koje nemaju flagele i, posljedično, sposobnost aktivnog kretanja.
Fikobilizomi. Ove unutarstanične strukture karakteristične su za cijanobakterije. Imaju oblik granula promjera 28-55 nm i mjesto su lokalizacije pigmenata topivih u vodi - fikobiliproteina, koji određuju boju cijanobakterija i sudjeluju u fotosintezi.
Klorosomi ili klorobijske vezikule su strukture u kojima je smješten fotosintetski aparat zelenih bakterija iz roda Chlorobium. Imaju izdužen oblik, dugi su 100-150 nm, široki 50-70 nm, okruženi su jednoslojnom proteinskom membranom. Klorosomi su smješteni u gustom sloju ispod citoplazmatske membrane, ali su od nje fizički odvojeni. Klorosomi zelenih bakterija sadrže pigmente fotosinteze - bakterioklorofile, koji apsorbiraju kvante svjetlosti i prenose energiju u reakcijska središta fotosinteze.
Karboksisomi. Stanice pojedinih vrsta fototrofnih (cijanobakterije, neke purpurne bakterije) i kemolitotrofnih (nitrifikacijske bakterije) prokariota sadrže strukture u obliku poliedra veličine 90-500 nm. Prema funkciji koju obavljaju nazivaju se karboksisomi. Sadrže enzim ribuloza difosfat karboksilazu, koji katalizira reakciju ugljičnog dioksida s ribuloza difosfatom u Calvinovom ciklusu. Kod autotrofnih bakterija oni su mjesto fiksacije ugljičnog dioksida. Karboksisomi su okruženi jednoslojnom proteinskom membranom, koja štiti enzim od učinaka unutarstaničnih proteaza.
Rezervne hranjive tvari* Osim opisanih strukturnih elemenata, citoplazma bakterija sadrži granule različitih oblika i veličina u obliku uklopaka. Njihovo prisustvo u
stanica nije konstantan i povezan je sa sastavom hranjivog medija i fiziološkim stanjem kulture. Mnoge citoplazmatske inkluzije sastoje se od spojeva koji služe kao izvor energije i izvor hranjivih tvari. Obično nastaju u kulturama na svježim podlogama bogatim hranjivim tvarima, kada je rast stanica iz nekog razloga inhibiran ili nakon završetka razdoblja aktivnog rasta. Kemijski sastav inkluzija je različit i nije isti kod različitih vrsta bakterija. Mogu biti polisaharidi, lipidi, kristali i granule anorganskih tvari.
Od polisaharida prije svega treba spomenuti škrob, glikogen i tvar sličnu škrobu - granulozu. Najčešći je glikogen. Nalazi se u bacilima, salmonelama, Escherichia coli, sardinama i dr. U sporonosnih anaeroba iz roda Clostridium stanice sadrže male granulozne granule. Ove inkluzije stanica koristi kao izvore energije i ugljika.
Lipidi se nakupljaju u citoplazmi bakterija u obliku malih kapljica i zrnaca. U mnogim bakterijama lipidne inkluzije predstavljene su poli-p-hidroksimaslačnom kiselinom, koja često čini do 50% suhe biomase bakterija. Posebno su bogate ovim spojem bakterije iz roda Bacillus i fototrofne bakterije. Poli-p-hidroksimaslačna kiselina sintetizira se u velikim količinama tijekom rasta mikroorganizama na podlogama bogatim ugljikohidratima. U svakom polilaktidnom lancu, ostaci p-hidroksimaslačne kiseline čine do 60%, stoga je ovaj spoj idealno "skladište" energije za bakterije. Neki mikroorganizmi nakupljaju vosak i neutralne masti (trigliceride). Tako u mikobakterijama i aktinomicetama voskovi ponekad čine i do 40% suhe mase; stanice kvasca iz roda Candida i Rhodotorula bogate su neutralnim mastima; njihov broj doseže gotovo 60%.
Sve lipidne inkluzije u mikroorganizmima služe kao izvor energije i ugljika.
U stanicama mnogih bakterija često se nalaze posebne inkluzije koje se nazivaju volutinska zrna. Po kemijskoj prirodi volutin je polifosfat. Ime volutin
dolazi od imena vrste sumporne bakterije Spirillum volutans, u kojoj su te inkluzije prvi put opisane. Volutin ima svojstvo metakromazije, t.j. uzrokuje promjene boje kod nekih boja. Ako se bakterije boje metilenskim modrilom ili toluidin modrilom, zrnca volutina postaju ljubičasta ili crveno-ljubičasta. S tim u vezi, istraživači V. Babes i E. Ernst, koji su prvi opisali te inkluzije, nazvali su ih metakromatskim zrncima. Zrnca volutina su sferičnog oblika, veličine do 0,5 mikrona. Nastaju u uvjetima dobre ishrane mikroorganizama, posebno u medijima bogatim ugljikohidratima, kao iu prisutnosti glicerola u okolišu. Volutin se nalazi u stanicama i patogenih i saprofitnih bakterija, na primjer, spirilla, azotobacter i uzročnika difterije.
Volutin stanica koristi uglavnom kao izvor fosfatnih skupina i dijelom energije.
Kod bezbojnih i ljubičastih sumpornih bakterija, tijekom oksidacije sulfida, mineralni sumpor se taloži unutar stanice u obliku kapljica. Akumulacija sumpora događa se u sredinama bogatim sumporovodikom H2S. Kada se sulfidi iscrpe iz okoliša, bakterije koriste unutarstanični sumpor. Bezbojnim sumpornim bakterijama služi kao izvor energije, fotosintetskim ljubičastim sumpornim bakterijama služi kao donor elektrona.
Kod cijanobakterija rezervna tvar je cijanoficin. To je polipeptid koji se sastoji od arginina i asparaginske kiseline. Služi kao izvor dušika kada ga u okolišu nedostaje. Nakupljanje granula cijanoficina događa se u stacionarnoj fazi rasta kulture i može iznositi do 8% suhe mase stanice.
Svaka živa stanica odvojena je od okoline tankom membranom posebne strukture - citoplazmatskom membranom (CPM). Eukarioti imaju brojne unutarstanične membrane koje odvajaju prostor organela od citoplazme, dok je za većinu prokariota CPM jedina stanična membrana. U nekim bakterijama i arhejama može prodrijeti u citoplazmu, stvarajući izrasline i nabore različitih oblika.
CPM bilo koje stanice izgrađen je prema jednom planu i sastoji se od fosfolipida (Sl. 3.5, A). U bakterijama sadrže dvije masne kiseline, obično sa 16-18 atoma ugljika u lancu i sa zasićenom ili jednom nezasićenom vezom, povezane esterskom vezom na dvije hidroksilne skupine glicerola. Sastav masnih kiselina u bakterijama može varirati ovisno o promjenama u okolišu, posebice temperaturi. Smanjenjem temperature povećava se količina nezasićenih masnih kiselina u sastavu fosfolipida, što značajno utječe na fluidnost membrane. Neke masne kiseline mogu biti razgranate ili sadržavati ciklopropanski prsten. Treća OH skupina glicerola povezana je s ostatkom fosforne kiseline i preko nje s čelnom skupinom. Glavne skupine fosfolipida mogu imati različitu kemijsku prirodu kod različitih prokariota (fosfatidiletanolamin, fosfatidilglicerol, kardiolipin, fosfatidilserin, lecitin itd.), ali su jednostavnije strukture nego kod eukariota. Na primjer, na E coli, zastupljeni su sa 75% fosfatidiletanolamina, 20% fosfatidilglicerola, ostatak se sastoji od kardiolipina (difosfatidilglicerola), fosfatidilserina i drugih spojeva u tragovima. Druge bakterije imaju složenije tipove membranskih lipida. Neke stanice stvaraju glikolipide kao što je monogalaktozil diglicerid. Lipidi membrane arheja razlikuju se od eukariotskih i bakterijskih. Umjesto masnih kiselina, sadrže više izoprenoidne alkohole vezane na glicerol jednostavnom, a ne esterskom vezom.
Riža. 3.5.
A- fosfolipid; b- dvoslojna membrana
O O o O o o
Takve molekule čine membranski dvosloj, gdje su hidrofobni dijelovi okrenuti prema unutra, a hidrofilni dijelovi prema van, u okolinu i citoplazmu (Sl. 3.5, b). Brojni proteini ugrađeni su u dvosloj ili ga presijecaju i mogu difundirati unutar membrane, ponekad tvoreći složene komplekse. Membranski proteini imaju niz važnih funkcija, uključujući pretvorbu i skladištenje metaboličke energije, regulaciju apsorpcije i oslobađanja svih hranjivih tvari i produkata metabolizma. Osim toga, oni prepoznaju i prenose mnoge signale koji odražavaju promjene u okolišu i pokreću odgovarajuću kaskadu reakcija koje dovode do staničnog odgovora. Ova organizacija membrana dobro je objašnjena modelom tekućeg kristala s mozaikom prošaranim membranskim proteinima (slika 3.6).
Riža. 3.6.
Većina bioloških membrana ima debljinu od 4 do 7 nm. Stanične membrane su jasno vidljive u transmisijskom elektronskom mikroskopu u usporedbi s teškim metalima. Na elektronskim mikrografima izgledaju kao troslojne tvorevine: dva vanjska tamna sloja pokazuju položaj polarnih skupina lipida, a svijetli srednji sloj prikazuje hidrofobni unutarnji prostor (slika 3.7).
Druga tehnika za proučavanje membrana je dobivanje odcijepljenih stanica zamrznutih na temperaturi tekućeg dušika i kontrastiranje dobivenih površina raspršivanjem teških metala
(platina, zlato, srebro). Dobiveni pripravci se promatraju pod skenirajućim elektronskim mikroskopom. U ovom slučaju može se vidjeti površina membrane i proteini mozaične membrane uključeni u nju, koji se ne protežu kroz membranu, već su posebnim hidrofobnim sidrištima povezani s hidrofobnim područjem dvosloja.
Riža. 3.7.
CPM ima svojstvo selektivne propusnosti, sprječava slobodno kretanje većine tvari unutar i izvan stanice, a također igra značajnu ulogu u staničnom rastu i diobi, kretanju i izvozu površinskih i izvanstaničnih proteina i ugljikohidrata (egzopolisaharida) . Ako se stanica nalazi u okolini s višim ili nižim osmotskim tlakom nego unutar citoplazme, tada će voda napustiti stanicu ili će voda ući u nju. Ovo odražava svojstvo vode da izjednačava gradijente otopine. U tom slučaju dolazi do skupljanja ili širenja citoplazme (fenomen plazmolize/deplazmolize). Većina bakterija, međutim, ne mijenja svoj oblik u takvim pokusima zbog prisutnosti krute stanične stijenke.
CPM regulira protok hranjivih tvari i metabolita. Prisutnost hidrofobnog sloja kojeg tvore membranski lipidi sprječava prolaz bilo kakvih polarnih molekula i makromolekula kroz njega. Ovo svojstvo omogućuje stanicama, koje općenito postoje u razrijeđenim otopinama, da zadrže korisne makromolekule i metaboličke prekursore. Stanična membrana također je dizajnirana za obavljanje transportne funkcije. Tipično, prokarioti imaju veliki broj vrlo specifičnih transportnih sustava. Transport je sastavni dio ukupne bioenergetike stanice, koja stvara i koristi različite ionske gradijente kroz CPM za prijenos tvari i formiranje drugih gradijenata potrebnih stanici. CPM igra značajnu ulogu u kretanju, rastu i diobi stanica. Mnogi metabolički procesi koncentrirani su u membrani prokariota. Membranski proteini obavljaju važne funkcije: sudjeluju u transformaciji i skladištenju energije, reguliraju apsorpciju i oslobađanje svih hranjivih tvari i produkata metabolizma, prepoznaju i prenose signale o promjenama u okolišu.
Citoplazmatska stanična membrana sastoji se od tri sloja:
Vanjski – protein;
Srednji - bimolekularni sloj lipida;
Unutarnji - protein.
Debljina membrane je 7,5-10 nm. Bimolekularni sloj lipida je matrica membrane. Molekule lipida oba sloja međusobno djeluju s molekulama proteina uronjenim u njih. Od 60 do 75% membranskih lipida su fosfolipidi, 15-30% je kolesterol. Proteini su zastupljeni uglavnom glikoproteinima. razlikovati integralni proteini, prožimajući cijelu membranu, i periferni koji se nalazi na vanjskoj ili unutarnjoj površini.
Integralni proteini tvore ionske kanale koji osiguravaju izmjenu određenih iona između izvanstanične i unutarstanične tekućine. Oni su također enzimi koji provode protugradijentni transport iona kroz membranu.
Periferni proteini su kemoreceptori na vanjskoj površini membrane koji mogu komunicirati s različitim fiziološki aktivnim tvarima.
Funkcije membrane:
1. Osigurava cjelovitost stanice kao strukturne jedinice tkiva.
Provodi izmjenu iona između citoplazme i izvanstanične tekućine.
Omogućuje aktivni transport iona i drugih tvari u i iz stanice.
Obavlja percepciju i obradu informacija koje dolaze u stanicu u obliku kemijskih i električnih signala.
Mehanizmi ekscitabilnosti stanica. Povijest istraživanja bioelektričnih fenomena.
Većina informacija koje se prenose u tijelu ima oblik električnih signala (na primjer, živčanih impulsa). Prisutnost životinjskog elektriciteta prvi je ustanovio prirodoslovac (fiziolog) L. Galvani 1786. godine. Kako bi proučavao atmosferski elektricitet, objesio je neuromuskularne preparate žabljih krakova na bakrenu kuku. Kada su te šape dotakle željeznu ogradu balkona, došlo je do kontrakcije mišića. To je ukazivalo na djelovanje neke vrste elektriciteta na živac neuromuskularnog lijeka. Galvani je vjerovao da je to zbog prisutnosti elektriciteta u samim živim tkivima. Međutim, A. Volta je utvrdio da je izvor električne energije mjesto kontakta dvaju različitih metala - bakra i željeza. U fiziologiji Galvanijev prvi klasični eksperiment smatra se dodirivanje živca neuromuskularnog preparata bimetalnom pincetom od bakra i željeza. Da bi dokazao da je bio u pravu, Galvani je producirao drugo iskustvo. Bacio je završetak živca koji inervira neuromuskularni preparat na posjekotinu njegovog mišića. Kao rezultat toga, smanjena je. Međutim, ovo iskustvo nije uvjerilo Galvanijeve suvremenike. Stoga je drugi Talijan, Matteuci, izveo sljedeći eksperiment. On je superponirao živac jednog neuromuskularnog preparata žabe na mišić drugog, koji se kontrahirao pod utjecajem iritantne struje. Kao rezultat toga, prvi lijek se također počeo smanjivati. To je ukazivalo na prijenos elektriciteta (akcijskog potencijala) s jednog mišića na drugi. Prisutnost potencijalne razlike između oštećenog i neoštećenog područja mišića prvi je točno utvrđena u 19. stoljeću Matteucijevim string galvanometrom (ampermetrom), štoviše, rez je imao negativan naboj, a površina mišića imala je pozitivan naboj.
Citoplazma- obvezni dio stanice, zatvoren između plazma membrane i jezgre; dijeli se na hijaloplazmu (glavnu tvar citoplazme), organele (stalne komponente citoplazme) i inkluzije (privremene komponente citoplazme). Kemijski sastav citoplazme: osnovu čini voda (60-90% ukupne mase citoplazme), različiti organski i anorganski spojevi. Citoplazma ima alkalnu reakciju. Karakteristična značajka citoplazme eukariotske stanice je stalno kretanje ( cikloza). Otkriva se prvenstveno kretanjem staničnih organela, poput kloroplasta. Prestankom kretanja citoplazme stanica umire, budući da jedino stalnim kretanjem može obavljati svoje funkcije.
hijaloplazma ( citosol) je bezbojna, sluzava, gusta i prozirna koloidna otopina. U njemu se odvijaju svi metabolički procesi, osigurava međusobnu povezanost jezgre i svih organela. Ovisno o prevladavanju tekućeg dijela ili velikih molekula u hijaloplazmi, razlikuju se dva oblika hijaloplazme: sol- tečnija hijaloplazma i gel- deblja hijaloplazma. Među njima su mogući međusobni prijelazi: gel prelazi u sol i obrnuto.
Funkcije citoplazme:
- spajanje svih komponenti stanice u jedan sustav,
- okruženje za odvijanje mnogih biokemijskih i fizioloških procesa,
- okruženje za postojanje i funkcioniranje organela.
Stanične membrane
Stanične membrane ograničavaju eukariotske stanice. U svakoj staničnoj membrani mogu se razlikovati najmanje dva sloja. Unutarnji sloj je uz citoplazmu i predstavljen je plazma membrana(sinonimi - plazmalema, stanična membrana, citoplazmatska membrana), preko koje se formira vanjski sloj. U životinjskoj stanici je tanka i zove se glikokaliks(tvore ga glikoproteini, glikolipidi, lipoproteini), u biljnoj stanici - debeli, zv. stanične stijenke(nastaje od celuloze).
Sve biološke membrane imaju zajedničke strukturne značajke i svojstva. Trenutno je općeprihvaćeno fluidni mozaični model strukture membrane. Osnova membrane je lipidni dvosloj sastavljen uglavnom od fosfolipida. Fosfolipidi su trigliceridi u kojima je jedan ostatak masne kiseline zamijenjen ostatkom fosforne kiseline; Dio molekule koji sadrži ostatke fosforne kiseline naziva se hidrofilna glava, a odsječci koji sadrže ostatke masne kiseline nazivaju se hidrofobni repovi. U membrani su fosfolipidi raspoređeni na strogo uređen način: hidrofobni repovi molekula okrenuti su jedni prema drugima, a hidrofilne glave prema van, prema vodi.
Osim lipida, membrana sadrži proteine (u prosjeku ≈ 60%). One određuju većinu specifičnih funkcija membrane (transport određenih molekula, kataliza reakcija, primanje i pretvaranje signala iz okoline itd.). Postoje: 1) perifernih proteina(nalaze se na vanjskoj ili unutarnjoj površini lipidnog dvosloja), 2) poluintegralni proteini(uronjen u lipidni dvosloj na različite dubine), 3) integralni ili transmembranski proteini(probijaju membranu, dolazeći u kontakt s vanjskim i unutarnjim okolišem stanice). Integralni proteini se u nekim slučajevima nazivaju kanalotvorni ili kanalni proteini, budući da se mogu smatrati hidrofilnim kanalima kroz koje polarne molekule prolaze u stanicu (lipidna komponenta membrane ih ne propušta).
A - hidrofilna fosfolipidna glava; B - hidrofobni fosfolipidni repovi; 1 - hidrofobne regije proteina E i F; 2 — hidrofilna područja proteina F; 3 - razgranati oligosaharidni lanac vezan za lipid u molekuli glikolipida (glikolipidi su rjeđi od glikoproteina); 4 - razgranati oligosaharidni lanac vezan za protein u molekuli glikoproteina; 5 - hidrofilni kanal (funkcionira kao pora kroz koju mogu proći ioni i neke polarne molekule).
Membrana može sadržavati ugljikohidrate (do 10%). Ugljikohidratnu komponentu membrana predstavljaju oligosaharidni ili polisaharidni lanci povezani s proteinskim molekulama (glikoproteini) ili lipidi (glikolipidi). Ugljikohidrati su uglavnom smješteni na vanjskoj površini membrane. Ugljikohidrati osiguravaju receptorske funkcije membrane. U životinjskim stanicama glikoproteini tvore nadmembranski kompleks, glikokaliks, koji je debeo nekoliko desetaka nanometara. Sadrži mnogo staničnih receptora, a uz njegovu pomoć dolazi do adhezije stanica.
Molekule proteina, ugljikohidrata i lipida su pokretne, sposobne za kretanje u ravnini membrane. Debljina plazma membrane je približno 7,5 nm.
Funkcije membrana
Membrane obavljaju sljedeće funkcije:
- odvajanje staničnog sadržaja od vanjske sredine,
- regulacija metabolizma između stanice i okoliša,
- dijeljenje ćelije u odjeljke („odjeljke“),
- mjesto lokalizacije "enzimskih transportera",
- osiguravanje komunikacije između stanica u tkivima višestaničnih organizama (adhezija),
- prepoznavanje signala.
Najvažniji svojstvo membrane— selektivna propusnost, tj. membrane su visoko propusne za neke tvari ili molekule, a slabo propusne (ili potpuno nepropusne) za druge. Ovo svojstvo je temelj regulatorne funkcije membrana, osiguravajući razmjenu tvari između stanice i vanjskog okruženja. Proces prolaska tvari kroz staničnu membranu naziva se transport tvari. Postoje: 1) pasivni transport- proces prolaska tvari bez utroška energije; 2) aktivni transport- proces prolaska tvari koji se javlja uz utrošak energije.
Na pasivni transport tvari prelaze iz područja veće koncentracije u područje niže, tj. duž gradijenta koncentracije. U svakoj otopini postoje molekule otapala i otopljene tvari. Proces kretanja molekula otopljene tvari naziva se difuzija, a kretanje molekula otapala osmoza. Ako je molekula nabijena, tada na njezin transport također utječe električni gradijent. Stoga ljudi često govore o elektrokemijskom gradijentu, kombinirajući oba gradijenta zajedno. Brzina transporta ovisi o veličini nagiba.
Mogu se razlikovati sljedeće vrste pasivnog transporta: 1) jednostavna difuzija— prijenos tvari izravno kroz lipidni dvosloj (kisik, ugljikov dioksid); 2) difuziju kroz membranske kanale— transport kroz proteine koji stvaraju kanale (Na +, K +, Ca 2+, Cl -); 3) olakšana difuzija- transport tvari pomoću posebnih transportnih proteina, od kojih je svaki odgovoran za kretanje određenih molekula ili skupina srodnih molekula (glukoza, aminokiseline, nukleotidi); 4) osmoza— transport molekula vode (u svim biološkim sustavima otapalo je voda).
Nužnost aktivni transport događa se kada je potrebno osigurati transport molekula kroz membranu protiv elektrokemijskog gradijenta. Ovaj transport provode posebni proteini nosači, čija aktivnost zahtijeva utrošak energije. Izvor energije su molekule ATP-a. Aktivni transport uključuje: 1) Na + /K + pumpu (natrij-kalijeva pumpa), 2) endocitozu, 3) egzocitozu.
Rad Na + /K + pumpe. Za normalno funkcioniranje stanica mora održavati određeni omjer iona K + i Na + u citoplazmi iu vanjskom okruženju. Koncentracija K + unutar stanice trebala bi biti znatno veća nego izvan nje, a Na + - obrnuto. Treba napomenuti da Na + i K + mogu slobodno difundirati kroz pore membrane. Na + /K + pumpa sprječava izjednačavanje koncentracija tih iona i aktivno pumpa Na + iz stanice, a K + u stanicu. Na + /K + pumpa je transmembranski protein sposoban za konformacijske promjene, zbog čega može vezati i K + i Na +. Ciklus pumpe Na + /K + može se podijeliti u sljedeće faze: 1) dodavanje Na + iz unutrašnjosti membrane, 2) fosforilacija proteina pumpe, 3) otpuštanje Na + u izvanstanični prostor, 4) dodavanje K + s vanjske strane membrane, 5) defosforilacija proteina pumpe, 6) oslobađanje K + u unutarstaničnom prostoru. Gotovo trećina sve energije potrebne za rad stanice troši se na rad natrij-kalijeve pumpe. U jednom ciklusu rada crpka ispumpava 3Na+ iz ćelije i pumpa 2K+.
Endocitoza- proces apsorpcije velikih čestica i makromolekula od strane stanice. Postoje dvije vrste endocitoze: 1) fagocitoza- hvatanje i apsorpcija velikih čestica (stanica, dijelova stanica, makromolekula) i 2) pinocitoza— hvatanje i apsorpcija tekućeg materijala (otopina, koloidna otopina, suspenzija). Fenomen fagocitoze otkrio je I.I. Mečnikov 1882. Tijekom endocitoze, plazma membrana formira invaginaciju, njeni rubovi se stapaju, a strukture odvojene od citoplazme jednom membranom su upletene u citoplazmu. Mnoge protozoe i neki leukociti sposobni su za fagocitozu. Pinocitoza se opaža u epitelnim stanicama crijeva i u endotelu krvnih kapilara.
Egzocitoza- proces obrnut od endocitoze: uklanjanje raznih tvari iz stanice. Tijekom egzocitoze, membrana vezikule se spaja s vanjskom citoplazmatskom membranom, sadržaj vezikule se uklanja izvan stanice, a njena membrana je uključena u vanjsku citoplazmatsku membranu. Na taj način uklanjaju se hormoni iz stanica endokrinih žlijezda, a kod protozoa uklanjaju se neprobavljeni ostaci hrane.
Ići predavanja br.5„Stanična teorija. Vrste stanične organizacije"
Ići predavanja br.7“Eukariotska stanica: struktura i funkcije organela”
