Цитоплазматичні мембрани мають природу. Біологічні мембрани
100 рбонус за перше замовлення
Оберіть тип роботи Дипломна робота Курсова робота Реферат Магістерська дисертація Звіт з практики Стаття Доповідь Рецензія Контрольна робота Монографія Рішення задач Бізнес-план Відповіді на запитання Творча робота Есе Чертеж Твори Переклад Презентації Набір тексту Інше Підвищення унікальності тексту
Дізнатись ціну
Цитоплазматична мембрана становить залежно від виду бактерій 8-15% сухої маси клітини. Хімічний склад її представлений білково-ліпідним комплексом, у якому частку білків припадає 50–75 %, частку ліпідів – 15–50 %. Головним ліпідним компонентом мембрани є фосфоліпіди. Білкова фракція цитоплазматичної мембрани представлена структурними білками, що мають ферментативну активність. Білковий склад цитоплазматичної мембрани різноманітний. Так, у цитоплазматичній мембрані бактерій Escherichia coli міститься близько 120 різних білків. Крім того, у складі мембран виявлено невелику кількість вуглеводів.
Цитоплазматична мембрана бактерій за хімічним складом загалом подібна до мембран еукаріотичних клітин, але мембрани бактерій багатші на білки, містять незвичайні жирні кислоти і в основному не мають стеринів.
До будови цитоплазматичної мембрани бактерій додається рідинно-мозаїчна модель, розроблена для мембран еукаріотів. Згідно з цією моделлю, мембрана складається з бислоя ліпідів. Гідрофобні «кінці» молекул фосфоліпідів та тригліцеридів спрямовані всередину, а
гідрофільні "головки" - назовні. У подвійний шар ліпідів вбудовано білкові молекули. За розташуванням та характером взаємодії з ліпідним бислоем білки цитоплазматичної мембрани поділяються на периферичні та інтегральні.
Периферичні білки пов'язані з поверхнею мембрани і легко вимиваються з неї за зміни іонної сили розчинника. До периферичних білків відносяться НАД · Н2 дегідрогенази, а також деякі білки, що входять до АТФазного комплексу та ін.
АТФазний комплекс є групою певним чином розташованих білкових субодиниць, що контактують з цитоплазмою, периплазматичним простором і утворюють канал, через який здійснюється переміщення протонів.
До інтегральних білків відносяться білки, частково або повністю занурені в товщу мембрани, а іноді і пронизують її наскрізь. Зв'язок інтегральних білків із ліпідами визначається головним чином гідрофобними взаємодіями.
До інтегральних білків мембрани бактерій E. coli відносяться, наприклад, цитохром b, білки залізосерні.
Цитоплазматична мембрана виконує низку суттєвих для клітини функцій:
Підтримка внутрішньої сталості цитоплазми клітини. Це досягається за рахунок унікальної якості цитоплазматичної мембрани – її напівпроникності. Вона проникна для води та низькомолекулярних речовин, але не проникна для іонізованих сполук.
Транспорт таких речовин усередину клітини та вихід назовні здійснюється за рахунок спеціалізованих транспортних систем, які локалізуються у мембрані. Такі транспортні системи функціонують за рахунок механізмів активного транспорту та системи специфічних ферментів пермеаз;
Транспорт речовин у клітину та виведення їх назовні;
У цитоплазматичній мембрані локалізуються електронтранспортний ланцюг та ферменти окисного фосфорилювання;
Цитоплазматична мембрана пов'язана з синтезом клітинної стінки і капсули за рахунок наявності в ній специфічних переносників для молекул, що їх утворюють;
У цитоплазматичній мембрані закріплені джгутики. Енергетичне забезпечення роботи джгутиків пов'язане із цитоплазматичною мембраною.
Мезосоми – вп'ячування цитоплазматичної мембрани в цитоплазму. (ламелярні (пластинчасті), везикулярні (мають форму бульбашок) та тубулярні (трубчасті))
У клітинах деяких бактерій виявляються також мезосоми змішаного типу: що складаються з ламелл, трубочок та бульбашок. Складно організовані та добре розвинені мезосоми характерні для грампозитивних бактерій. У грамнегативних бактерій вони трапляються значно рідше і щодо легко організовані. За розташуванням у клітині розрізняють мезосоми, що утворюються в зоні клітинного поділу та формування поперечної перегородки; мезосоми, до яких прикріплено нуклеоїд; мезосоми, сформовані внаслідок інвагінації периферичних ділянок цитоплазматичної мембрани
Під стінкою клітин бактерії розташована цитоплазматична мембрана (ЦПМ). Вона відокремлює вміст клітини від клітинної стінки та є обов'язковою структурою будь-якої клітини.
Товщина бактерій ЦПМ зазвичай близько 6-8 нм. Її частку припадає до 15 % сухої маси клітини. Вона складається з ліпідів (15-45%), білків (45-60%) та невеликої кількості вуглеводів (близько 10%). Ліпіди представлені фосфоліпідами – до 30 % сухої маси мембрани. Серед них переважають фосфатидил-гліцерин та дифосфатид іл гліцерид (кардіоліпін) – обов'язковий компонент мітохондріальних мембран еукаріотів. У меншій кількості містяться фосфатидилінозит і фосфатид іл-
етаноламін. Крім фосфоліпідів у мембрані виявлено різні гліколіпіди, невеликі кількості каротиноїдів та хінонів. У складі ліпідів, похідних гліцерину, виявлені нетипові для мембран жирні кислоти - насичені або мононенасичені з 16 - 18 вуглецевими атомами, а також кислоти, що не зустрічаються в мембранах еукаріотів - циклопропанові та розгалужені жирні кислоти з 15-17 вуглецевими. Набір жирних кислот, як і ліпідів мембран, що складаються з них, є видоспецифічним для прокаріотів.
Мембранні ліпіди представлені невеликими полярними молекулами, що несуть гідрофільні (головки) та гідрофобні (хвости) групи. У водному середовищі вони спонтанно утворюють замкнутий бімолекулярний шар - бішар. Цей шар є істотним бар'єром для іонів та полярних сполук. Організовані в бимолекулярний шар ліпіди складають структурну основу мембрани, підтримують механічну стабільність та надають їй гідрофобності.
Білки становлять понад половину сухої маси мембрани. Їх налічується понад 20 різних типів. Виходячи з відмінностей у міцності зв'язку з ліпідами та розташуванням у мембрані, білки поділяють на інтегральні та периферичні. Інтегральні білки занурені в гідрофобну область мембрани, де утворюють численні зв'язки з вуглеводневими ланцюгами ліпідів,
створюючи ліпопротеїдні комплекси. Периферичні білки локалізовані на поверхні гідрофільного шару та часто приєднуються до інтегральних білків (рис. 3.14).
Рис.3.14. Структура цитоплазматичної мембрани: 1 – ліпіди; 2 – глікопротеїди; 3 – периферичні білки; 4 - інтегральні білки
Мембранні білки за їх функціями у складі мембран можна поділити на дві групи: структурні та динамічні.
Функції структурних білків обмежуються підтримкою структурної цілісності мембрани. Вони знаходяться на поверхні гідрофільного ліпідного шару, виступаючи в ролі молекулярного бандажу.
До динамічних відносять білки, які безпосередньо беруть участь у всіх процесах, що відбуваються на мембрані. Їх поділяють на три класи: транспортні, що беруть участь у транспорті з'єднань усередину та назовні клітини; каталітичні, що виконують функції ферментів у реакціях, що відбуваються на мембрані; білки-рецептори, що специфічно пов'язують певні сполуки (токсини, гормони) на зовнішній стороні мембрани.
Вуглеводи в мембрані знаходяться не у вільному стані, а взаємопов'язані з білками та ліпідами у глікопротеїдах. Вони, як
правило, локалізовані тільки на зовнішній поверхні мембрани та виконують функції рецепторів впізнавання факторів зовнішнього середовища.
Цитоплазматична мембрана бактерій, як і решта біологічних мембран, є асиметричною рідкокристалічною структурою. Асиметрія обумовлена відмінностями в хімічній будові молекул білка та їх розташування в ліпідному бішарі мембрани. Одні білки розташовані лежить на поверхні бислоя, інші - занурені у його товщу, треті проходять наскрізь від внутрішньої до зовнішньої поверхні бислоя. Строго певна орієнтація мембранних білків своєю чергою обумовлена тим, що вони синтезуються і входять у мембрану асиметрично. Зовнішня та внутрішня поверхні мембрани розрізняються також за ферментативною активністю. Залежно від умов (наприклад, температури) ЦПМ може перебувати у різних фазових станах: розрідженому чи кристалічному. При переході однієї рідкокристалічної фази в іншу змінюється рухливість компонентів мембрани і щільність упаковки, що, у свою чергу, призводить до порушення її функціональної активності.
Структурна організація та функції цитоплазматичної мембрани. Для пояснення природи та механізму численних функцій ЦПМ найбільш підходящою є рідинно-мозаїчна модель організації біологічних мембран, запропонована Р. Сінгером та А. Ніколсоном у 1972 р. Згідно з цією моделлю, мембрани являють собою двовимірні розчини певним чином орієнтованих глобулярних білків та ліпідів. Ліпіди утворюють бислой, в якому гідрофільні «головки» молекул звернені назовні, а гідрофобні «хвости» занурені в товщу мембрани, володіючи при цьому достатньою гнучкістю. Мембранні ліпіди і багато білків вільно переміщаються в бислое, але у латеральному напрямі (латеральна дифузія). У поперечному напрямку, тобто від однієї поверхні мембрани до протилежної, білки переміщатися не можуть, а ліпіди переміщуються вкрай повільно (1 раз за кілька годин). Причиною відсутності або низької активності поперечної дифузії, мабуть, є асиметричний розподіл ліпідів:
одних ліпідів більше у зовнішній частині бислоя, інших - у внутрішній. Наслідком є неоднакова електронна щільність (провідність) бислоя в поперечному напрямку.
У рідкокристалічному чи розрідженому стані ЦПМ перебуває лише за певних, про
біологічні температури. При зниженні температури (нижче точки плавлення, Тпл) ліпіди переходять у кристалічний стан, підвищується ступінь в'язкості до затвердіння мембрани. Значення температури, що викликає затвердіння мембрани, визначається вмістом ненасичених та
розгалужених жирних кислот. Чим більше їх у мембрані, тим нижча температура переходу ліпідів з рідкокристалічного стану в кристалічний.
Прокаріоти мають здатність регулювати плинність мембрани шляхом зміни числа подвійних зв'язків і довжини ланцюгів молекул жирних кислот. Так, у Е. coli при зниженні температури середовища від 42 ° С до 27 ° С співвідношення насичених і ненасичених жирних кислот в мембрані знижується з 1,6 до 1,0, тобто вміст ненасичених жирних кислот досягає рівня насичених. Це запобігає збільшенню в'язкості та забезпечує збереження клітинами фізіологічної активності при зниженій температурі.
ЦПМ виконує у прокаріотів численні життєво важливі функції. Здебільшого вони визначаються локалізованими у ній білками, які виконують роль каналів, рецепторів, регенераторів енергії, ферментів, транспортні функції та інші. ЦПМ є основним осмотичним бар'єром, який завдяки наявності механізмів мембранного транспорту здійснює вибіркове надходження речовин у клітину та видалення з неї продуктів метаболізму. Виборча проникність ЦПМ зумовлена локалізованими в ній субстратспецифічними пермеазами, що здійснюють активне перенесення через мембрану різних органічних та мінеральних речовин. У ЦПМ містяться ферменти біосинтезу мембранних ліпідів та макромолекул, що входять до складу клітинної стінки, зовнішньої мембрани, капсули. ЦПМ є місцем локалізації окисно-відновних ферментів, що здійснюють
транспорт електронів, окисне та фотосинтетичне фосфорилювання, генерування електрохімічної енергії
трансмембранного потенціалу (А//+) та хімічної (АТФ). ЦПМ
н
виконує важливі функції в біосинтезі та транслокації секретованих білків грамнегативними бактеріями. Біосинтез даних білків складає рибосомах, прикріплених до ЦПМ. У грамнегативних бактерій на ЦПМ є спеціальні рецепторні білки, які «пізнають» сигнали з великої рибосомної субчастинки про прикріплення рибосоми та початок синтезу білка. Мембранні рецепторні білки взаємодіють з великою субодиницею рибосоми, утворюється рибосомомембранний комплекс, на якому здійснюється синтез білків, що секретуються. Таким шляхом, наприклад, Е. coli синтезує лужну фосфотазу Вас. subtilis – а-амілазу. ЦПМ забезпечує також перенесення даних білків у периплазматичний простір. Велика роль ЦПМ в регуляції клітинного поділу, реплікації хромосоми і плазмід і подальшої сегрегації цих генетичних елементів між дочірніми клітинами, що знову утворюються.
Усі прокаріоти поряд із цитоплазматичною мембраною містять її похідні – внутрішньоклітинні мембрани, які виконують спеціалізовані функції. Цитоплазматична мембрана здатна до утворення різноманітних інвагінацій (вп'ячувань). Ці інвагінації складають внутрішньоклітинні мембрани, які мають різну протяжність, упаковку та локалізацію у цитоплазмі. Вони можуть бути зібрані в складні клубки – пластинчасті, сотоподібні або трубчасті утворення. Менш складні мембрани мають вигляд простих петель або канальців різної довжини. Незалежно від складності організації внутрішньоклітинних мембран, вони є похідними цитоплазматичної мембрани. Розмір активної поверхні їх перевищує таку цитоплазматичної мембрани. Це дає підстави судити про велику функціональну активність даних структур у клітинах.
Особливо багатий внутрішньоклітинний мембранний апарат виявлений у азотфіксуючих та фотосинтезуючих бактерій, бруцел, нітрифікуючих бактерій. У фотосинтезуючих бактерій (Rhodospirillum rubrum) мембрани мають вигляд замкнутих бульбашок – везикул. Їхнє утворення починається з вп'ячування цитоплазматичної мембрани, яке потім утворює трубочку. На трубочці з'являються перетяжки, що поділяють її на ряд бульбашок. Ці пухирці називають хроматофорами. У них містяться пігменти, що поглинають світло - бактеріохлорофіли і каротиноїди, ферменти транспорту електронів - убіхінони і цитохроми, компоненти системи фосфорилювання. У деяких фотосинтезуючих прокаріотів, зокрема у пурпурових серобактерій та ціанобактерій, фотосинтезуючий апарат представлений стопками мембран, які мають сплощену форму та за аналогією з гранами хлоропластів зелених рослин називаються тилакоїдами (рис. 3.15). 
Вони концентруються пігменти фотосинтезу, ферменти електрон- транспортної ланцюга і системи фосфорилирования. Особливістю тілакоїдів ціанобактерій є відсутність зв'язку з цитоплазматичною мембраною. Це єдина група прокаріотів, що має диференційовану мембранну систему.
У нітрифікуючих бактерій внутрішньоклітинний мембранний апарат має вигляд пластинок або ламелл, що складаються з плоских бульбашок (рис. 3.16). 
З внутрішньоклітинних мембран найскладнішу структуру мають мезосоми. Вони є спіралевиднозакручені, плоскі або сферично трубчасті тільця. Формуються мезосоми під час клітинного поділу у зоні утворення поперечної перегородки. Вони беруть участь у реплікації хромосоми та розподілі геномів між дочірніми клітинами, у синтезі речовин клітинної стінки. на участь
мезосоми у розподілі клітини вказує зв'язок її з ДНК нуклеоїду. Добре розвинені мезосоми виявляються тільки у грам-позитивних бактерій.
Накопичені на сьогодні відомості свідчать, що мембранні структури бактерій досить диференційовані і забезпечують перебіг різних метаболічних процесів у клітині.
- Цитоплазма та цитоплазматичні включення
У цитоплазмі розрізняють дві фракції. В одній з них представлені структурні елементи: рибосоми, аеросоми,
карбоксисоми, запасні включення, генетичний апарат, В іншій фракції міститься складна суміш розчинних РНК, ферментних білків, пігментів, мінеральних речовин, продуктів та субстратів метаболічних реакцій. Ця фракція одержала назву цитозолю.
Завдяки наявності різноманітних органічних сполук цитоплазма бактеріальних клітин характеризується підвищеною в'язкістю. Вона в 800-8000 разів більша за в'язкість води (наближається до в'язкості гліцерину). Молоді клітини, що знаходяться в лаг-фазі або на початкових етапах логарифмічної фази, мають нижчу в'язкість цитоплазми; у старіючих – в'язкість підвищується, нагадуючи за консистенцією гель. Ступінь в'язкості цитоплазми характеризує як вік клітини, а й її фізіологічну активність. Підвищення в'язкості цитоплазми у старих культур є одним із факторів, що зумовлюють зниження фізіологічної активності клітин. Цитоплазма є середовищем, що пов'язує всі внутрішньоклітинні структури в єдину систему.
Рибосоми. У цитоплазмі бактеріальної клітини постійно містяться структури сферичної форми розміром 15-20 нм, молекулярною масою 3106.
Рибосоми складаються на 60-65% з рибосомальної РНК та на 35-40% з білка. Останні багаті на основні амінокислоти. При ультрацентрифугуванні рибосоми бактерій осідають зі швидкістю, що становить близько 70 одиниць Сведберга (S)7, за що отримали назву 708-рибосом. Цитоплазматичні рибосоми еукаріотів більші і їх називають 80S-рибосомами (константа седиментації їх дорівнює 80S).
Кожна рибосома складається з двох субодиниць: 30S і 50S, які відрізняються розмірами молекул РНК і кількістю білка, що входить до їх складу. Велика субодиниця (50S) містить дві молекули рРНК - 5S і 23S та 35 молекул різних білків. До складу малої субодиниці (30S) входить одна молекула 16 рРНК та 21 молекула різного типу білків. Кількість рибосом у клітині непостійно - від 5000 до 90000. Воно визначається віком клітини та умовами культивування бактерій. Мінімальна кількість міститься на початку лаг-фази, а максимальна – в експоненційній фазі зростання культури. У кишкової палички в період активного зростання на повноцінному живильному середовищі за 1 с синтезується 5-6 рибосом. Більшість їх у цитоплазмі бактерій перебуває у вільному стані, а решта -
S = 1 сведберг-одиниці = 10"13 см (с) од. поля.
об'єднана нитками матричної РНК у полісоми. Кількість рибосом у полісомах може досягати кількох десятків. Це свідчить про високу білоксинтезуючу активність клітини, оскільки рибосоми є місцем білкового синтезу. Їх образно називають "фабриками" білка.
Газові вакуолі (аеросоми). Дані структури притаманні лише деяким водним та ґрунтовим бактеріям. Вони виявлені у фототрофних серобактерій, безбарвних нитчастих бактерій, а також бактерій роду Renobacter. У клітині їх міститься до 40-60 (рис. 3.17). Газові вакуолі оточені тонкою 
Мал. 3.17. Клітина Renobacter vocuolatum з аеросомами (збільшення х 70 000)
білковою мембраною. Усередині них містяться газові бульбашки, кількість яких є постійною. Склад і тиск газу в бульбашках та аеросомах загалом визначаються кількістю газів, розчинених у навколишньому середовищі. Аеросоми знаходяться або в стислому стані або заповнені газом середовища. Стан їх регулюється гідростатичним тиском середовища. Різке збільшення тиску викликає стиснення аеросом і клітини при цьому втрачають плавучість.
Аеросоми регулюють плавучість клітини, забезпечуючи можливість переміщення її у сприятливі умови аерації, освітлення, вмісту поживних речовин. Особливістю є їх одноразове функціонування у стані заповнення газом. Після стиснення під дією гідростатичного тиску повторно газом вони не заповнюються і
поступово руйнуються. Клітина може відтворювати їх лише шляхом освіти наново.
При заповнених газом аеросомах бактерії утримуються поверхні води, при стиснутих - занурюються у її товщу чи осідають на дно водойми. Цей своєрідний спосіб переміщення виробився в процесі еволюції в основному у бактерій, позбавлених джгутиків, а отже, і здатності до активного пересування.
Фікобілісоми. Ці внутрішньоклітинні структури притаманні ціанобактерій. Вони мають вигляд гранул діаметром 28-55 нм, є місцем локалізації водорозчинних пігментів - фікобіліпротеїдів, які визначають колір ціанобактерій і беруть участь у фотосинтезі.
Хлоросоми, або хлоробіум-везикули – структури, в яких локалізовано фотосинтезуючий апарат зелених бактерій роду Chlorobium. Вони мають витягнуту форму, довжиною 100-150 нм, шириною 50-70 нм, оточені одношаровою білковою мембраною. Хлоросоми розташовані щільним шаром під цитоплазматичною мембраною, але фізично відокремлені від неї. У хлоросомах зелених бактерій містяться пігменти фотосинтезу – бактеріохлорофіли, які поглинають кванти світла та енергію передають у реакційні центри фотосинтезу.
Карбоксисоми. У клітинах окремих видів фототрофних (ціанобактерії, деякі пурпурові бактерії) та хемолітотрофних (нітрифікуючі бактерії) прокаріотів містяться структури, що мають форму багатогранника, розміром 90-500 нм. Відповідно до виконуваної функції вони отримали назву карбоксисоми. Вони містять фермент рибулозо-дифосфаткарбоксилаза, який каталізує реакцію зв'язування вуглекислоти з рибулозодифосфатом у циклі Кальвіна. У автотрофних бактерій є місцем фіксації двоокису вуглецю. Карбоксисоми оточені одношаровою білковою мембраною, яка захищає фермент від впливу внутрішньоклітинних протеаз.
Запасні поживні речовини* Крім описаних структурних елементів, в цитоплазмі бактерій містяться у вигляді включень гранули різної форми розмірів. Присутність їх у
клітині непостійно і пов'язано зі складом живильного середовища та фізіологічним станом культури. Багато цитоплазматичних включень складаються з сполук, які є джерелом енергії та джерелом елементів живлення. Вони утворюються зазвичай у культурах на свіжих, багатих на поживні речовини середовищах, коли зростання клітин з якихось причин загальмований, або після закінчення періоду активного зростання. Хімічний склад включень різний і неоднаковий у різних видів бактерій. Ними можуть бути полісахариди, ліпіди, кристали та гранули неорганічних речовин.
З полісахаридів слід передусім назвати крохмаль, глікоген та крохмалоподібну речовину – гранульозом. Найбільш поширеним є глікоген. Він виявлений у бацил, сальмонел, кишкової палички, сардин та ін У спорових анаеробів роду Clostridium клітини містять дрібні гранули гранульози. Дані включення використовуються клітиною як джерела енергії та вуглецю.
Ліпіди накопичуються у цитоплазмі бактерій у вигляді дрібних крапель та зерен. У багатьох бактерій ліпідні включення представлені полір-оксимасляною кислотою, частку якої часто припадає до 50% сухої біомаси бактерій. Особливо багаті на цю сполуку бактерії роду Bacillus і фототрофні бактерії. Полі-р-оксимасляна кислота синтезується у великих кількостях при зростанні мікроорганізмів на середовищах, багатих на вуглеводи. У кожному ланцюгу полілактиду частку залишків р-окси- масляної кислоти припадає до 60 %, у зв'язку з чим для бактерій ця сполука є ідеальною «коморою» енергії. У деяких мікроорганізмів накопичуються воску та нейтральні жири (тригліцериди). Так, у мікобактерій та актиноміцетів воску іноді становлять до 40 % сухої маси, на нейтральні жири багаті клітини дріжджів роду Candida, Rhodotorula, кількість їх досягає майже 60 %.
Усі ліпідні включення у мікроорганізмів є джерелом енергії та вуглецю.
У клітинах багатьох бактерій часто виявляються особливі включення, названі зернами волютину. За хімічною природою волютин є поліфосфатом. Назва волютин
походить від видової назви серобактерій Spirillum volutans, у яких вперше було описано ці включення. Волютін має властивість метахромазії, тобто. викликає зміну кольору деяких барвників. Якщо бактерії пофарбувати метиленовим синім або толуїдиновим синім, то зерна волютину набувають пурпурового або червоно-фіолетового кольору. У зв'язку з цим дослідники В. Бабеш і Е. Ернст, які вперше описали дані включення, назвали їх метахроматичними зернами. Зерна волютину мають сферичну форму розміром до 0,5 мкм. Вони утворюються в умовах гарного харчування мікроорганізмів, особливо на середовищах, багатих на вуглеводи, а також за наявності в середовищі гліцерину. Виявляється волютин у клітинах як патогенних, і сапрофітних бактерій, наприклад, у спірил, азотобактера, збудника дифтерії.
Волютін використовується клітиною в основному як джерело фосфатних груп та частково енергії.
У безбарвних та пурпурових сіркобактерій при окисленні сульфідів усередині клітини у вигляді крапель відкладається мінеральна сірка. Нагромадження сірки відбувається на середовищах, багатих на сірководень H2S. При вичерпанні сульфідів із середовища бактерії використовують внутрішньоклітинну сірку. Для безбарвних серобактерій вона є джерелом енергії, для фотосинтезирующих пурпурових серобактерій - донором електронів.
У ціанобактерій запасною речовиною є ціанофіцин. Его поліпептид, що складається з аргініну та аспарагінової кислоти. Він є джерелом азоту за нестачі їх у середовищі. Нагромадження гранул ціанофіцину відбувається у стаціонарній фазі зростання культури і може становити до 8% сухої маси клітини.
Будь-яка жива клітина відокремлена від навколишнього середовища тонкою оболонкою особливої будови – цитоплазматичною мембраною (ЦПМ). Еукаріоти мають численні внутрішньоклітинні мембрани, що відокремлюють простір органел від цитоплазми, тоді як для більшості прокаріотів ЦПМ – це єдина мембрана клітини. У деяких бактерій та архей вона може впроваджуватися всередину цитоплазми, утворюючи вирости та складки різної форми.
ЦПМ будь-яких клітин побудовані за єдиним планом і складаються з фосфоліпідів (рис. 3.5, а).У бактерій до їх складу входять дві жирні кислоти зазвичай з 16-18 атомами вуглецю в ланцюжку і з насиченими або одним ненасиченим зв'язком, з'єднаним складноефірним зв'язком з двома гідроксильними групами гліцеролу. Склад жирних кислот бактерій може варіювати у відповідь зміни навколишнього середовища, особливо, температури. При зниженні температури у складі фосфоліпідів збільшується кількість ненасичених жирних кислот, що значною мірою відбивається плинності мембрани. Деякі жирні кислоти можуть бути розгалуженими або містять циклопропанове кільце. Третя ОН-група гліцеролу пов'язана із залишком фосфорної кислоти і через нього – з головною групою. Головні групи фосфоліпідів можуть у різних прокаріотів мати різну хімічну природу (фосфатидилетаноламін, фосфатидилгліцерол, кардіоліпін, фосфатидилсерин, лецитин та ін.), але вони влаштовані простіше, ніж у еукаріотів. Наприклад, у Е. coli,вони представлені на 75% фосфатидилетаноламіном, на 20% - фосфатидилгліцеролом, інші складаються з кардіоліпіну (дифосфатидилгліцеролу), фосфатидилсерину і слідових кількостей інших сполук. Інші бактерії мають складніші типи мембранних ліпідів. Деякі клітини утворюють гліколіпіди, такі як моногалактозилдигліцерид. Мембранні ліпіди архей відрізняються від еукаріотичних та бактеріальних. Замість жирних кислот у них присутні вищі ізопреноїдні спирти, прикріплені до гліцеролу простим, а не складним ефірним зв'язком.
Мал. 3.5.
а- фосфоліпіду; б- бішарової мембрани
О О О О
Такі молекули становлять мембранний бислой, де гідрофобні частини звернені всередину, а гідрофільні - назовні, в довкілля та в цитоплазму (рис. 3.5, б).У бішар занурені або перетинають його численні білки, які можуть дифундувати всередині мембрани, іноді утворюючи складні комплекси. Мембранні білки мають ряд важливих функцій, включаючи перетворення та запасання метаболічної енергії, регуляцію поглинання та викиду всіх поживних речовин та продуктів метаболізму. Крім того, вони дізнаються і передають багато сигналів, що відображають зміни в навколишньому середовищі, і запускають відповідний каскад реакцій, що призводить до відповіді клітини. Така організація мембран добре пояснюється рідкокристалічною моделлю із мозаїчним вкрапленням мембранних білків (рис. 3.6).
Мал. 3.6.
Більшість біологічних мембран мають товщину від 4 до 7 нм. Клітинні мембрани добре помітні в електронному мікроскопі, що просвічує при контрастуванні важкими металами. На електронних мікрофотографіях вони мають вигляд тришарових утворень: два зовнішні темні шари показують положення полярних груп ліпідів, а світлий середній шар - гідрофобний внутрішній простір (рис. 3.7).
Інша техніка дослідження мембран полягає в отриманні сколів заморожених при температурі рідкого азоту клітин і контрастуванні поверхонь, що утворюються, за допомогою напилення важких металів
(Платина, золото, срібло). Отримані препарати переглядають у електронному мікроскопі, що сканує. При цьому можна побачити поверхню мембрани і включені до неї мозаїчно мембранні білки, які не простягаються крізь мембрану, а пов'язані спеціальними якорями гідрофобними областями з гідрофобною областю бислоя.
Мал. 3.7.
ЦПМ має властивість вибіркової проникності, перешкоджаючи вільному просуванню більшості речовин всередину та з клітини, а також відіграє значну роль у зростанні та розподілі клітин, русі, експорті поверхневих та позаклітинних білків та вуглеводів (екзополісахаридів). Якщо клітину помістити в середовище з більш високим або нижчим осмотичним тиском, ніж усередині цитоплазми, відбудеться вихід води з клітини або вхід води в неї. Це відбиває властивість води зрівнювати градієнти розчинів. Цитоплазма при цьому стискається або розширюється (явище плазмолізу/деплазмолізу). Більшість бактерій, однак, не змінює свою форму в таких експериментах через наявність ригідної клітинної стінки.
ЦПМ регулює потоки поживних речовин та метаболітів. Наявність гідрофобного шару, утвореного мембранними ліпідами, перешкоджає проходженню будь-яких полярних молекул і макромолекул. Ця властивість дозволяє клітинам, що існують у більшості випадків у розведених розчинах, утримувати корисні макромолекули та метаболічні попередники. Мембрана клітини покликана здійснювати транспортну функцію. Зазвичай прокаріоти мають велику кількість дуже специфічних транспортних систем. Транспорт - інтегральна частина загальної біоенергетики клітини, яка створює та використовує різні іонні градієнти через ЦПМ для перенесення речовин та формування інших необхідних клітин градієнтів. ЦПМ відіграє значну роль у русі, зростанні та розподілі клітин. У мембрані прокаріотів зосереджено багато метаболічних процесів. Мембранні білки виконують важливі функції: беруть участь у перетворенні та запасанні енергії, регулюють поглинання та викид усіх поживних речовин та продуктів метаболізму, дізнаються та передають сигнали про зміни у навколишньому середовищі.
Цитоплазматична клітинна мембрана складається з трьох шарів:
Зовнішнього – білкового;
Середнього – бімолекулярного шару ліпідів;
Внутрішнього – білкового.
Товщина мембрани 75-10 нм. Бімолекулярний шар ліпідів є матриксом мембрани. Ліпідні молекули обох шарів взаємодіють з білковими молекулами, зануреними в них. Від 60 до 75% ліпідів мембрани становлять фосфоліпіди, 15-30% холестерин. Білки представлені переважно глікопротеїнами. Розрізняють інтегральні білки, що пронизують всю мембрану, та периферичні, що знаходяться на зовнішній або внутрішній поверхні.
Інтегральні білкиутворюють іонні канали, що забезпечують обмін певних іонів між поза-і внутрішньоклітинною рідиною. Вони також є ферментами, які здійснюють протиградієнтне перенесення іонів через мембрану.
Периферичними білкамиє хеморецептори зовнішньої поверхні мембрани, які можуть взаємодіяти із різними фізіологічно активними речовинами.
Функції мембран:
1. Забезпечує цілісність клітини як структурної одиниці тканини.
Здійснює обмін іонів між цитоплазмою та позаклітинною рідиною.
Забезпечує активний транспорт іонів та інших речовин у клітину та з неї.
Здійснює сприйняття та переробку інформації, що надходить до клітини у вигляді хімічних та електричних сигналів.
Механізми збудливості клітин. Історія дослідження біоелектричних явищ.
В основному інформація, що передається в організмі, має вигляд електричних сигналів (наприклад, нервові імпульси). Вперше наявність тваринної електрики встановив дослідник природи (фізіолог) Л. Гальвані в 1786р. З метою дослідження атмосферної електрики він підвішував нервово-м'язові препарати лапок жаб на мідному гачку. Коли ці лапки стосувалися залізних поручнів балкона, відбувалося скорочення м'язів. Це свідчило про дію якоїсь електрики на нерв нервово-м'язового препарату. Гальвані вважав, що це обумовлено наявністю електрики у живих тканинах. Проте, А. Вольта встановив, що джерелом електрики є місце контакту двох різнорідних металів – міді та заліза. У фізіології першим класичним досвідом Гальванівважається дотик до нерва нервово-м'язового препарату біметалічним пінцетом, зробленим із міді та заліза. Щоб довести свою правоту, Гальвані зробив другий досвід. Він накидав кінець нерва, що іннервує нервово-м'язовий препарат, на розріз його м'яза. Внаслідок цього виникало її скорочення. Однак цей досвід не переконав сучасників Гальвані. Тому інший італієць Маттеучі зробив наступний експеримент. Він накладав нерв одного нервово-м'язового препарату жаби на м'яз другого, що скорочувалася під дією подразнюючого струму. В результаті перший препарат теж починав скорочуватися. Це свідчило про передачу електрики (потенціал дії) від одного м'яза до іншого. Наявність різниці потенціалів між пошкодженим і неушкодженим ділянками м'яза вперше точно встановив у ХІХ столітті за допомогою струнного гальванометра (амперметра) Маттеучі. Причому розріз мав негативний заряд, а поверхня м'яза – позитивний.
Цитоплазма- обов'язкова частина клітини, укладена між плазматичною мембраною та ядром; підрозділяється на гіалоплазму (основна речовина цитоплазми), органоїди (постійні компоненти цитоплазми) та включення (тимчасові компоненти цитоплазми). Хімічний склад цитоплазми: основу становить вода (60-90% усієї маси цитоплазми), різні органічні та неорганічні сполуки. Цитоплазма має лужну реакцію. Характерна риса цитоплазми еукаріотичної клітини - постійний рух ( циклоз). Воно виявляється, перш за все, переміщення органоїдів клітини, наприклад хлоропластів. Якщо рух цитоплазми припиняється, клітина гине, оскільки, перебуваючи у постійному русі, може виконувати свої функції.
Гіалоплазма ( цитозоль) являє собою безбарвний, слизовий, густий та прозорий колоїдний розчин. Саме в ній протікають усі процеси обміну речовин, вона забезпечує взаємозв'язок ядра та всіх органоїдів. Залежно від переважання в гіалоплазмі рідкої частини або великих молекул розрізняють дві форми гіалоплазми: золь- Рідкіша гіалоплазма і гель- Густіша гіалоплазма. Між ними можливі взаємопереходи: гель перетворюється на золь і навпаки.
Функції цитоплазми:
- поєднання всіх компонентів клітини в єдину систему,
- середовище для проходження багатьох біохімічних та фізіологічних процесів,
- середовище для існування та функціонування органоїдів.
Клітинні оболонки
Клітинні оболонкиобмежують еукаріотичні клітини. У кожній клітинній оболонці можна виділити щонайменше два шари. Внутрішній шар прилягає до цитоплазми та представлений плазматичною мембраною(синоніми - плазмалема, клітинна мембрана, цитоплазматична мембрана), над якою формується зовнішній шар. У тваринній клітці він тонкий і називається глікокаліксом(утворений глікопротеїнами, гліколіпідами, ліпопротеїнами), у рослинній клітині - товстий, називається клітинною стінкою(Утворений целюлозою).
Усі біологічні мембрани мають загальні структурні особливості та властивості. В даний час загальноприйнята рідинно-мозаїчна модель будови мембрани. Основу мембрани становить ліпідний бислой, утворений переважно фосфоліпідами. Фосфоліпіди - тригліцериди, у яких один залишок жирної кислоти заміщений залишок фосфорної кислоти; Ділянку молекули, в якій знаходиться залишок фосфорної кислоти, називають гідрофільною головкою, ділянки, в яких знаходяться залишки жирних кислот - гідрофобними хвостами. У мембрані фосфоліпіди розташовуються строго впорядковано: гідрофобні хвости молекул звернені одна до одної, а гідрофільні головки - назовні, до води.
Крім ліпідів до складу мембрани входять білки (у середньому 60%). Вони визначають більшість специфічних функцій мембрани (транспорт певних молекул, каталіз реакцій, отримання та перетворення сигналів із навколишнього середовища та ін.). Розрізняють: 1) периферичні білки(розташовані на зовнішній або внутрішній поверхні ліпідного бислоя), 2) напівінтегральні білки(занурені в ліпідний бішар на різну глибину), 3) інтегральні, або трансмембранні, білки(Пронизують мембрану наскрізь, контактуючи при цьому і із зовнішньою, і з внутрішнім середовищем клітини). Інтегральні білки в ряді випадків називають каналоутворюючими, або канальними, так як їх можна розглядати як гідрофільні канали, якими в клітину проходять полярні молекули (ліпідний компонент мембрани їх би не пропустив).
А - гідрофільна головка фосфоліпіду; В – гідрофобні хвостики фосфоліпіду; 1 - гідрофобні ділянки білків Е та F; 2 - гідрофільні ділянки білка F; 3 - розгалужена олігосахаридна ланцюг, приєднана до ліпіду в молекулі гліколіпіду (гліколіпіди зустрічаються рідше, ніж глікопротеїни); 4 - розгалужена олігосахаридна ланцюг, приєднана до білка в молекулі глікопротеїну; 5 - гідрофільний канал (функціонує як пора, через яку можуть проходити іони та деякі полярні молекули).
До складу мембрани можуть входити вуглеводи (до 10%). Вуглеводний компонент мембран представлений олігосахаридними або полісахаридними ланцюгами, пов'язаними з молекулами білків (глікопротеїни) або ліпідів (гліколіпіди). В основному вуглеводи розміщуються на зовнішній поверхні мембрани. Вуглеводи забезпечують рецепторні функції мембрани. У тваринних клітинах глікопротеїни утворюють надмембранний комплекс — глікоколікс, що має товщину кілька десятків нанометрів. У ньому розташовуються багато рецепторів клітини, з його допомогою відбувається адгезія клітин.
Молекули білків, вуглеводів та ліпідів рухливі, здатні переміщатися у площині мембрани. Товщина плазматичної мембрани – приблизно 7,5 нм.
Функції мембран
Мембрани виконують такі функції:
- відділення клітинного вмісту від зовнішнього середовища,
- регуляція обміну речовин між клітиною та середовищем,
- поділ клітини на компартаменти («відсіки»),
- місце локалізації «ферментативних конвеєрів»,
- забезпечення зв'язку між клітинами у тканинах багатоклітинних організмів (адгезія),
- розпізнавання сигналів.
Найважливіше властивість мембран- Виборча проникність, тобто. мембрани добре проникні одних речовин чи молекул і погано проникні (чи зовсім непроникні) іншим. Ця властивість лежить в основі регуляторної функції мембран, що забезпечує обмін речовин між клітиною та зовнішнім середовищем. Процес проходження речовин через клітинну мембрану називають транспортом речовин. Розрізняють: 1) пасивний транспорт- Процес проходження речовин, що йде без витрат енергії; 2) активний транспорт- Процес проходження речовин, що йде з витратами енергії.
При пасивному транспортіречовини переміщаються з області з більш високою концентрацією область з нижчою, тобто. за градієнтом концентрації. У будь-якому розчині є молекули розчинника та розчиненої речовини. Процес переміщення молекул розчиненої речовини називають дифузією, переміщення молекул розчинника осмосом. Якщо молекула заряджена, то її транспорт впливає і електричний градієнт. Тому часто говорять про електрохімічний градієнт, об'єднуючи обидва градієнти разом. Швидкість транспорту залежить від величини градієнта.
Можна виділити такі види пасивного транспорту: 1) проста дифузія- Транспорт речовин безпосередньо через ліпідний бішар (кисень, вуглекислий газ); 2) дифузія через мембранні канали- Транспорт через каналоутворюючі білки (Na +, K +, Ca 2+, Cl -); 3) полегшена дифузіятранспорт речовин за допомогою спеціальних транспортних білків, кожен з яких відповідає за переміщення певних молекул або груп споріднених молекул (глюкоза, амінокислоти, нуклеотиди); 4) осмос- Транспорт молекул води (у всіх біологічних системах розчинником є саме вода).
Необхідність активного транспортувиникає тоді, коли необхідно забезпечити перенесення через мембрану молекул проти електрохімічного градієнта. Цей транспорт здійснюється особливими білками-переносниками, діяльність яких потребує витрат енергії. Джерелом енергії є молекули АТФ. До активного транспорту відносять: 1) Na+/К+-насос (натрій-калієвий насос); 2) ендоцитоз; 3) екзоцитоз.
Робота Na+/К+-насоса. Для нормального функціонування клітина повинна підтримувати певне співвідношення іонів К+ та Na+ у цитоплазмі та у зовнішньому середовищі. Концентрація К + усередині клітини має бути значно вищою, ніж за її межами, а Na + - навпаки. Слід зазначити, що Na + і + можуть вільно дифундувати через мембранні пори. Na + /К + -насос протидіє вирівнюванню концентрацій цих іонів і активно перекачує Na + з клітини, а K + в клітину. Na + /К + -насос є трансмембранний білок, здатний до конформаційних змін, внаслідок чого він може приєднувати як K + , так і Na + . Цикл роботи Na + /К + -насоса можна розділити на наступні фази: 1) приєднання Na + з внутрішньої сторони мембрани; 2) фосфорилювання білка-насоса; 3) вивільнення Na + у позаклітинному просторі; 4) приєднання K + із зовнішньої сторони мембрани. 5) дефосфорилювання білка-насоса; 6) вивільнення K+ у внутрішньоклітинному просторі. На роботу натрій-калієвого насоса витрачається майже третина всієї енергії, яка потрібна для життєдіяльності клітини. За один цикл роботи насос викачує із клітини 3Na+ та закачує 2К+.
Ендоцитоз- Процес поглинання клітиною великих частинок та макромолекул. Розрізняють два типи ендоцитозу: 1) фагоцитоз- Захоплення та поглинання великих частинок (клітин, частин клітин, макромолекул) і 2) піноцитоз- Захоплення та поглинання рідкого матеріалу (розчин, колоїдний розчин, суспензія). Явище фагоцитозу відкрито І.І. Мечниковим у 1882 р. При ендоцитозі плазматична мембрана утворює вп'ячування, краї її зливаються, і відбувається відшнурування в цитоплазму структур, відмежованих від цитоплазми одиночною мембраною. До фагоцитозу здатні багато найпростіших, деякі лейкоцити. Піноцитоз спостерігається в епітеліальних клітинах кишківника, в ендотелії кровоносних капілярів.
Екзоцитоз- Процес, зворотний ендоцитоз: виведення різних речовин з клітини. При екзоцитозі мембрана бульбашки зливається із зовнішньою цитоплазматичною мембраною, вміст везикули виводиться за межі клітини, а її мембрана включається до складу зовнішньої цитоплазматичної мембрани. У такий спосіб із клітин залоз внутрішньої секреції виводяться гормони, у найпростіших — неперетравлені залишки їжі.
Перейти до лекції №5«Клітинна теорія. Типи клітинної організації»
Перейти до лекції №7«Еукаріотична клітина: будова та функції органоїдів»
