Изучение химической организации клетки

Содержание 

 

 

1.Введение

2.Основная часть

2.1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

2.2.Строение плазмолеммы……..………………………………………………...

2.3.ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЛАЗМОЛЕММЫ ………………………..….…..

2.4.АСИММЕТРИЯ ПЛАЗМОЛЕММЫ …………………………………….…...

2.5ЦИТОРЕЦЕПТОРЫ …………………………………….…………………....

2.6.ФУНКЦИИ ПЛАЗМОЛЕММЫ …………………………………….………....

2.7.ПЕРЕНОС (транспорт) ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ ПЛАЗМОЛЕММУ …………

2.8.РОЛЬ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН В СТАРЕНИИ КЛЕТОК…………………………………….………………...

3.Заключение…………………………………….………………………………..

Библиография …………………………………….…………………………...

4. Приложения.........................................................................................................

 

 

 

 

1. Введение

 

   Наука о клетке называется  цитологией (греч. «цитос»-клетка, «логос»-наука). Цитология изучает строение и химический состав клеток, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающей среды.

  Изучение химической организации  клетки привело к выводу, что  именно химические процессы лежат  в основе ее жизни, что клетки  всех организмов сходны по  химическому составу, у них  однотипно протекают основные  процессы обмена веществ. 

  Исследования клетки имеют  большое значение для разгадки  заболеваний. Именно в клетках  начинают развиваться патологические  изменения, приводящие к возникновению  заболеваний.  Моя тема актуальна тем, что именно через клеточную оболочку осуществляется непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками.

Целью моего реферата является изучение и теоретическое исследование  строения, функций оболочки клетки. Я поставила перед собой следующие задачи:

• Изучить и проанализировать литературу по данной теме;
• Выяснить строение клеточной оболочки и её функции;
• Изучить цитофизиологию плазмолеммы и её производных;
• На основе полученных знаний сформулировать выводы по теоретическому исследованию.

 

 

 

 

 

 

 

2. Основная часть.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

 

 

  Клетка любого организма,  представляет собой целостную  живую систему. Она состоит  из трех неразрывно связанных  между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра (приложение 1, рис.1).

  Оболочка клеток имеет  сложное строение. Она состоит  из наружного слоя и расположенной  под ним плазматической мембраны.

(Plasmalemma – внешняя клеточная мембрана, цитолемма, плазматическая мембрана, клеточная оболочка). Плазмалемма прилегает к цитоплазме и ограничивает содержимое эукариотической клетки. Над мембраной формируется наружный слой, в животной клетке он тонкий и называется гликокаликсом (образован гликопротеинами, гликолипидами, липопротеинами).

Плазмолемма, или внешняя  клеточная мембрана, среди различных  клеточных мембран занимает особое место. Это поверхностная периферическая структура, не только ограничивающая клетку снаружи, но и обеспечивающая ее непосредственную связь с внеклеточной средой, а, следовательно, и со всеми веществами и стимулами, воздействующими на клетку.

О наличии пограничной  мембраны между клетками и окружающей их средой предполагали задолго до появления электронного микроскопа. Пфеффер в 1890 году подтвердил её существование.

Овертон предположил, что  клеточная мембрана содержит большое  количество липидов; вещества растворяются в ней, проходя сквозь неё, и оказываются  по другую сторону мембраны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В 1925 г. Гортер и Грендел выделили липиды из клеточной мембраны, вызвав разрушение эритроцитов и отделив их мембраны от клеточного содержимого. Полученные липиды они распределили по поверхности воды слоем толщиной в одну молекулу (мономолекулярным слоем). Площадь поверхности воды, покрытой таким мономолекулярным слоем липидов, оказалось вдвое больше, нежели вычисленная площадь исходных эритроцитов. Отсюда был сделан вывод, что клеточная мембрана состоит из двойного слоя липидных молекул (бимолекулярного слоя, бислоя). Изучение натяжения и гибкости пограничного слоя клетки позволило заключить, что в клеточной мембране содержится также белок.

Давсон и Даниелли в 1935 г. высказали предположение, что в клеточных мембранах липидный бимолекулярный слой заключен между двумя слоями белковых молекул.

С появлением электронного микроскопа впервые открылась возможность  познакомиться со строением мембран, и тогда обнаружилось, что наружная цитоплазматическая мембрана как животных, так и растительных клеток выглядит именно как трехслойная (триламинарная) структура.

В 1959 г. Робертсон объединив имевшиеся в то время данные, выдвинул гипотезу о строении «элементарной мембраны», в которой он постулировал структуру, общую для всех биологических мембран:

а) все мембраны имеют  толщину около 7,5 нм;

б) в электронном микроскопе все они представляются трехслойными;

в) трёхслойный вид мембраны есть результат именно того расположения белков и полярных липидов, которое  предусматривала модель Давсона и Даниелли – центральный липидный бислой заключен между двумя слоями белка.

 

Эта гипотеза строения элементарной биологической мембраны претерпела с тех пор изменения в связи  с получением новых данных, поступавших  из различных источников.

В 1972 г. Сингер и Николсон предположили жидкостно - мозаичную модель мембраны, согласно которой, белковые молекулы, плавающие в жидком липидном бислое, образуют в нём как бы своеобразную мозаику.

 
 Строение мембран. Все биологические мембраны имеют общие структурные особенности и свойства. В настоящее время общепринята жидкостно-мозаичная модель строения мембраны. Основу мембраны составляет липидный бислой, образованный в основном фосфолипидами. Фосфолипиды – триглицериды, у которых один остаток жирной кислоты замещен на остаток фосфорной кислоты. Участок молекулы, в котором находится остаток фосфорной кислоты, называют гидрофильной головкой, участки, в которых находятся остатки жирных кислот – гидрофобными хвостами. В мембране фосфолипиды располагаются строго упорядоченно: гидрофобные хвосты молекул обращены друг к другу, а гидрофильные головки – наружу, к воде. Помимо липидов в состав мембраны входят белки (в среднем ≈60%). Они определяют большинство специфических функций мембраны (транспорт определенных молекул, катализ реакций, получение и преобразование сигналов из окружающей среды и др.)

Плазмолемма - оболочка животной клетки, ограничивающая ее внутреннюю среду и обеспечивающая взаимодействие клетки с внеклеточной средой. 
Плазмолемма имеет толщину около 10 нм, и состоит на 40 % из липидов, на 5-10 % из углеводов (в составе гликокаликса), и на 50-55 % из белков.

Основу строения плазмолеммы  составляет:

 

• двойной слой липидных молекул (билипидная мембрана), в которую местами включены молекулы белков ;
• надмембранный слой- гликокаликс, структурно связанный с белками и липидами билипидной мембраны;
• в некоторых клетках имеется подмембранный слой.

Строение билипидной мембраны: 
Каждый монослой ее образован в основном молекулами фосфолипидов и, частично, холестерина. При этом в каждой липидной молекуле различают две части: гидрофильную головку и гидрофобные хвосты.

Гидрофобные хвосты липидных молекул связываются друг с другом и образуют билипидный слой. Гидрофильные головки билипидного слоя соприкасаются с внешней или внутренней средой. Билипидная мембрана, а точнее ее глубокий гидрофобный слой, выполняет барьерную функцию, препятствуя проникновению воды и растворенных в ней веществ, а также крупных молекул и частиц. 
На электроннограмме в плазмолемме четко определяются три слоя: 
 

• наружный (электронноплотный);
• внутренний (электронноплотный);
• промежуточный (с низкой электронной плотностью).

Белковые  молекулы встроены в билипидный слой мембраны локально и не образуют сплошного слоя. 
 
                    ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЛАЗМОЛЕММЫ

Наружная клеточная мембрана, по современным представлениям, имеет  толщину около 10 нм (10^-9 м), являясь, таким образом, самой толстой из клеточных мембран и состоит из трех частей:

1) собственно мембрана;

2) надмембранный слой – гликокаликс;

3) субмембранный (подмембранный) слой (приложение 2, рис.2)

Липидный бислой представлен преимущественно фосфолипидами (глицерофосфатидами), сфингомиелинами и из стероидных липидов — холестерином (холестеролом) (приложение 2, рис.3)

Липиды обладают плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и растворимостью в органических растворителях и  жирах (липофильность).

В фосфолипидах четко определяют два домена. Один представлен фосфатной  головой молекулы с замещениями. Химические свойства этого домена определяют его растворимость в воде, поэтому  его называют гидрофильным. Напротив, ацильные цепи, которые отходят от глицеринового остова, не полярны и поэтому не растворимы в воде. Они представляют гидрофобный домен.

Липидный бислой в биологических мембранах наиболее близок по своим свойствам к ламеллярной жидкокристалической фазе. Состав мембранных липидов варьирует, и это влияет на такие их свойства, как жидкое состояние и проницаемость; обычно мембранные липиды по своей консистенции напоминают оливковое масло.

Глицерофосфолипиды (фосфоглицериды) – основной класс липидов биологических мембран. Как указывает их название, фосфоглицериды состоят из молекулы глицерола, две гидроксильные группы которого этерифицированы жирными кислотами, а третья – остатком фосфорной кислоты, этерифицированной спиртом.

Сфинголипиды, производные С18-аминоспиртов, – второй основной тип мембранных липидов. Наиболее распространенные сфинголипиды – это церамиды, которые содержат или фосфатидилхолин, или фосфатидилэтаноламин. Хотя сфинголипиды лишены глицеринового остова в отличие от фосфатидилглицерина, общая конформация двух типов липидов почти одинакова.

Холестерол – третий основной класс мембранных липидов. Этот стероид выполняет в мембране многочисленные функции. Полярная OH-группа придает молекуле слабые амфифильные свойства, в то время как замкнутая структура колец гидрофобна и внедряется между ацильными цепями других липидов. Внедрение этой части молекулы холестерола между гидрофобными доменами других липидов приводит к менее плотной упаковке ненасыщенных ацильных цепей, что придает внутренней части бислоя меньшую вязкость, то есть делает ее более текучей. Снижение вязкости способствует латеральному перемещению липидов в плоскости липидного бислоя.

 

В подвижной мембране могут  возникать полости, облегчающие  движение через мембрану мелких водорастворимых  молекул, например, глюкозы. Холестерол способствует более плотной упаковке мембраны в области гидрофильных доменов и, одновременно заполняет полости, образованные изгибом cis-двойной связи в ацильной цепи липида. Хотя молекулы холестерола могут легко перескакивать (flip-flop) между слоями, они обычно скапливаются в наружном слое, тем самым утолщая мембрану. Роль холестерола в проницаемости мембраны обусловлена его физическими и химическими свойствами.

В зависимости от температуры  холестерин имеет определенный эффект на мембранную консистенцию. При высоких  температурах холестерин служит препятствием для движения остатков жирных кислот фосфолипидов, делая внешнюю часть  мембраны менее жидкой и возможной  для проникновения малых молекул. При низких температурах холестерин имеет обратный эффект – как препятствие между остатками жирных кислот, холестерин не позволяет мембранам разрушаться при замораживании и определяет разжиженность мембраны.

Вязкость мембранных липидов  во многом определяет свойства и поведение  мембран (активность, легкость слияния  отдельных мембран друг с другом, а также активность связанных  с мембраной ферментов и транспорт белков). На вязкость липидов в бислое влияют следующие факторы:

• число углеводородных групп (СH₂) в ацильных цепях

• число двойных связей в цепи

• количество холестерола в бислое.

 «Не следует думать, что мембрана представляет собой жесткую структуру – большая часть белков и липидов, входящих в её состав, способны перемещаться, главным образом в плоскости мембраны. Одно из первых свидетельств того, что липиды мембраны подвижны, было получено с использованием метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), когда в липид вводили спиновую метку в виде нитроксильной группы, содержащей неспаренный электрон»[1].

Эксперимент показал, что  липидная молекула быстро перемещается в плоскости мембраны. Кроме бокового движения, каждый липид крутится вокруг своей оси. Внутри липидного бислоя каждая молекула может свободно перемещаться в плоскости мембраны до встречи с каким-либо препятствием.

«Боковое движение отдельных липидов в бислое – движение в пределах одного слоя мембраны. Не может ли молекула перескочить, например, с наружного слоя на внутренний? Это, действительно, возможно, но под действием простой диффузии происходит очень долго и не имеет большой ценности для клетки. Поэтому, перескок (flip-flop) липидов из одного слоя мембраны в другой происходит иначе, чем латеральное движение».[2].