Біологічні мембрани. Їх роль в процесах збудження

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Рівненський державний гуманітарний університет Психолого-природничий факультет Кафедра біології

Курсова робота на тему:

«Біологічні мембрани. Їх роль в процесах збудження»

виконала:

студентка I курсу групи Б-11

Пікова Олександра Василівна Науковий керівник:

кандидат біологічних наук,

професор Марциновський В.П.

Рівне — 2013

Зміст Вступ

Розділ I. Поняття про біологічні мембрани

1.1 Будова біологічних мембран

1.2 Функції біологічних мембран Розділ II. Мембранний транспорт

2.1 Дифузія, активний і пасивний транспорт

2.2 Ендоцитоз та екзоцитоз Розділ III. Мембранна теорія збудження Розділ IV. Роль біологічних мембран в процесах збудження Висновок

Список використаної літератури Вступ Мембрани відіграють ключову роль як у структурній організації, так і у функціонуванні всіх клітин. Мембрани формують внутрішньоклітинні компартменти, з їх допомогою відбувається розділення вмісту компартментів і навколишнього їхнього середовища. Але якби це була єдина функція мембран, вони не були б для нас настільки цікаві. Мембрани не тільки розділяють клітину на окремі компартменти, але і беруть участь у регуляції всіх зв’язків і взаємодій, що здійснюються між зовнішньою і внутрішньою сторонами цих компартментів. Це може виявлятися у вигляді фізичного перенесення іонів або молекул через мембрану або у формі передачі інформації за допомогою конформаційних змін, індукованих в мембранних компонентах. Крім того, з мембранами пов’язані багато клітинні ферменти. Деякі з них каталізують трансмембранні реакції, коли реагенти знаходяться по різні сторони мембрани або коли каталітичний акт супроводжується транспортом молекул Усі мембрани побудовано за однаковим принципом: вони є ансамблями ліпідних і білкових молекул, що утримуються за допомогою нековалентних взаємодій. Ліпідні молекули утворюють безперервний подвійний шар завтовшки 4−5 нм, іноді близько 10 нм. Амфіфільні ліпіди в бішарі розташовані так, що їх гідрофільні «голівки» напрямлені назовні від мембрани, а гідрофобні «хвости» — усередину. Саме така організація бішару дає змогу обом сторонам мембрани контактувати з водою, що є неодмінною умовою можливості обмінних і транспортних процесів.

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

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

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

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

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

Об'єкт дослідження: біологічні мембрани.

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

Завдання: визначити роль біологічних мембран в процесах збудження.

Розділ I. Поняття про біологічні мембрани

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

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

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

1.2 Функції біологічних мембран Виділяють такі основні функції біологічних мембран:

бар'єрна функція (забезпечує селективний, регульований, пасивний і активний обмін речовин клітини з оточуючим середовищем (селективнийозначає вибірковий: одні речовини переносяться через біологічні мембрани, інші - ні; регульований — проникність мембрани для певних речовин змінюється залежно від функціонального стану клітини; активний — перенесення проти градієнту концентрації); завдяки напівпроникності забезпечується селективний транспорт і розподіл іонів між клітиною та середовищем);

матрична функція (забезпечує взаємне розташування та орієнтацію мембранних білків, їх оптимальну взаємодію);

механічна функція (забезпечує міцність та автономність клітини і внутрішньоклітинних структур);

енергетична функція (забезпечує синтез АТФ на внутрішніх мембранах мітохондрій, фотосинтез вуглеводів у мембранах хлоропластів);

генерація та проведення біопотенціалів (включає канали, насоси та обмінники, забезпечує транспорт іонів);

рецепторна функція (механічна, акустична, зорова, хімічна, терморецепція);

адгезивна (забезпечує міжклітинні взаємодії);

рухлива (забезпечує процес руху клітин);

секреторна (забезпечує процес екзота ендоцитозу) та ін.

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

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

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

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

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

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

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

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

Розділ II. Мембранний транспорт

2.1 Дифузія, активний і пасивний транспорт Сполуки, потрібні для життєдіяльності клітин, а також продукти обміну речовин перетинають мембрану за допомогою дифузії, пасивного чи активного транспорту.

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

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

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

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

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

2.2 Ендоцитоз та екзоцитоз

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

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

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

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

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

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

Розділ III. Мембранна теорія збудження Мембранна теорія збудження — уявлення про те, що при подразненні збудливої клітини в її поверхневій мембрані відбувається молекулярна перебудова, яка приводить до зміни проникності мембрани і появі трансмембранних іонних струмів. Джерелом енергії для цих струмів служить постійно існуючий нерівномірний розподіл основних неорганічних іонів між цитоплазмою і позаклітинним середовищем: накопичення в клітині іонів K+ і виведення з неї іонів Na+ і Cl- .

Щоб пояснити, яким чином клітина підтримує постійний іонний склад і негативний внутрішній потенціал, виводячи іони Na+ назовні, було висунуто припущення про можливість перенесення іонів через мембрану не лише під впливом електричних сил і дифузії, але і за допомогою «активного» транспортного механізму — калій-натрієвого насоса. В результаті роботи цього насоса (Мал.8), здатного виштовхувати Na+ проти концентраційного і електричного градієнтів, на кожен іон Na+, що викидається через мембрану, клітина приймає один іон K + .

При дії на клітину подразника, іонна проникність мембрани змінюється. Це обумовлюється або зміною електричного поля мембрани або дією хімічних речовин на особливі рецепторні структури мембрани. При електричному подразненні мембрана стає проникною для всіх іонів, що приводить до короткочасного зникнення потенціалу спокою в збудженій ділянці до потенціалу дії. Подальші дослідження явищ, що виникають при електричних подразненнях, показали, що потенціал дії приблизно в 1,5 рази перевищує потенціал спокою. При цьому відбувається інверсія: збуджена ділянка мембрани набуває різниці потенціалів, протилежної по напряму тій, яка існувала на ній в стані спокою (внутрішня сторона мембрани стає позитивно зарядженою по відношенню до зовнішньої). Проте при збудженні відбувається не загальне, а виборче збільшення іонної проникності мембрани — лише для іонів Na+, які проходять всередину клітини, переносячи через мембрану позитивні заряди. Внаслідок цього і виникає потенціал дії (Мал.9).

Найбільш точні дані про іонні струми через поверхневу мембрану при потенціалі дії отримані методом фіксації напруги на мембрані. При цьому однією парою електродів (один з них знаходиться усередині клітки) вимірюють різницю потенціалів на мембрані, а через іншу пару пропускають струм від підсилювача, що підтримує цю різницю на постійному рівні, незалежно від змін в мембрані. Так було показано, що при збудженні спочатку виникає короткочасний іонний струм, направлений всередину клітини, який потім змінився іонним струмом, направленим назовні. Початковий струм, що входить, обумовлений рухом через мембрану Na+, що виходить, — рухом з клітини K+; в результаті відновлюється вихідний стан електричної поляризації клітинної мембрани. Короткочасність іонних струмів, що виникають при потенціалі дії, пов’язують з наявністю в мембрані поряд з механізмом активації іонної проникності також протилежного процесу — її інактивації, що обумовлює розвиток рефрактерності і акомодації до електричного подразнення.

Завдяки здатності поширюватись потенціали дії виконують роль елементів коду в передаванні повідомлень і команд. Нервове збудження поширюється за допомогою «малих електричних струмів», які замикаються через електропровідні середовища нерва між його негативно зарядженою збудженою і позитивно зарядженою не збудженою ділянками. В збудженій ділянці струми входять в нерв, а в не збудженій — виходять з нього. Струм, який виходить з нерва, виступає в ролі його подразника, чим і забезпечує переміщення збудження.

Потенціал дії має такі фази:

1. фаза швидкої деполяризації - виникнення потенціалу дії пов’язане зі збільшенням проникності мембрани для іонів натрію (в 20 разів у порівнянні із проникністю для К+, і в 500 разів у порівнянні з вихідною проникністю Na+) і наступним посиленням дифузії цих іонів по концентраційному градієнті усередину клітини, що приводить до зміни (зменшенню) мембранного потенціалу. Зменшення мембранного потенціалу приводить до збільшення проникності мембрани для натрію, а збільшення проникності супроводжується посиленням дифузії натрію в цитоплазму, що викликає ще більш значну деполяризацію мембрани. Завдяки наявності позитивного зворотного зв’язку деполяризація мембрани при збудженні відбувається із прискоренням і потік іонів натрію в клітину увесь час зростає. Інтенсивність же потоку іонів калію, спрямованого із клітини назовні, у перші моменти збудження залишається як і на початку. Посилений потік позитивно заряджених іонів натрію усередину клітини викликає спочатку зникнення надлишкового негативного заряду на внутрішній поверхні мембрани, а потім приводить до перезарядження мембрани. Надходження іонів натрію відбувається доти, поки внутрішня поверхня мембрани не придбає позитивний заряд, достатній для зрівноважування градієнта концентрації натрію й припинення його подальшого переходу усередину клітини. Натрієвий механізм виникнення ПД підтверджують досвіди зі зміною зовнішньою й внутрішньою концентрацією цих іонів. Було показано, що десятикратній зміні концентрації іонів натрію в зовнішнім або внутрішнім середовищі клітини відповідає зміна ПД на 58 мВ. При повному видаленні іонів натрію з оточуючої клітину рідини ПД не виникали. Таким чином, установлено, що ПД виникають у результаті надлишкової в порівнянні зі спокоєм дифузії іонів натрію з оточуючої рідини усередину клітини. Період, протягом якого проникність мембрани для іонів натрію при порушенні клітини зростає, є невеликим (0,5−1 мс); слідом за цим спостерігається підвищення проникності мембрани для іонів калію й, отже, посилення дифузії цих іонів із клітини назовні.

2. фаза реполяризації - збільшення іонного потоку калію, спрямованого із клітини назовні, призводить до зменшення мембранного потенціалу, що у свою чергу обумовлює зменшення проникності мембрани для іонів натрію, що, як указувалося, є функцією мембранного потенціалу. Таким чином, другий етап порушення характеризується тим, що потік іонів калію із клітини назовні зростає, а зустрічний потік іонів натрію зменшується. Це триває, поки не відбудеться відновлення потенціалу спокою — реполяризація мембрани. Після цього проникність для іонів калію також падає до вихідної величини. Зовнішня поверхня мембрани за рахунок позитивно заряджених іонів калію, що вийшли в середовище, знову здобуває позитивний потенціал стосовно внутрішнього.

3. фаза слідових потенціалів — у кінцевій фазі порушення відбувається уповільнення відновлення мембранного потенціалу спокою, і при цьому реєструються слідові реакції у вигляді слідової деполяризації й гіперполяризації, обумовлені повільним відновленням вихідної проникності для іонів К+. Таким чином, формування потенціалу дії обумовлене двома іонними потоками через мембрану: потік іонів натрію усередину клітини призводить до перезарядження мембрани, а протилежно спрямований потік іонів калію спричиняється відновлення вихідного потенціалу спокою. Потоки приблизно рівні по величині, але зрушені за часом. Завдяки цьому зрушенню в часі й можлива поява потенціалу дії. Якби потоки натрію й калію через мембрану збігалися в часі, то вони б компенсували один одного, і ніякої зміни мембранного потенціалу не могло б відбуватися.

По нервовим і м’язовим волокнам потенціал дії поширюється таким чином: нервові та м’язові волокна являють собою циліндричні провідники. Їхній внутрішній вміст, що має відносно низький питимий опір, ізольовано мембраною від зовнішнього добре провідного середовища. Поширення ПД відбувається завдяки виникненню локальних струмів між збудженою та не збудженою ділянками нервового або м’язового волокна.

Що більший внутрішній опір кабельної структури, її ємність і опір зовнішнього середовища, то менша швидкість проведення. Швидкість поширення потенціалу дії пропорційна кореню квадратному від діаметра волокна. У мієлінізованих нервових волокнах потенціал дії виникає («генерується») у перехопленнях Ренвьє, а потім передається від одного перехоплення до іншого чисто електричним шляхом (Мал.10).

біологічна мембрана збудження екзоцитоз У безмієлінових нервових волокнах кожна ділянка волокна, сприймаючи електричний сигнал від сусідніх ділянок нерва, генерує потенціал дії, що потім поширюється далі.

Безперервне поширення збудження відбувається так: у стані спокою вся внутрішня поверхня мембрани нервового волокна несе негативний заряд, а зовнішня сторона мембрани — позитивний. Електричний струм між внутрішньою й зовнішньою стороною мембрани не протікає, тому що ліпідна мембрана має високий електричний опір. Під час розвитку потенціалу дії, тобто при відкритті натрієвих каналів, у збудженій ділянці мембрани відбувається реверсія заряду. На межі збудженої й не збудженої ділянки починає протікати електричний струм (рух іонів Na+).

Усередині нервового волокна виникає струм від позитивного полюса до негативного полюса, тобто струм спрямований від збудженої ділянки до не збудженої. Електричний струм подразнює найближчу ділянку мембрани, деполяризує його й приводить в стан збудження, у той час як раніше збуджені ділянки повертаються в стан спокою через стадію рефрактерності. У зв’язку з наявністю рефрактерності, зворотний хід хвилі виявляється неможливим. Таким чином, хвиля збудження електротонічно (пасивно) охоплює все нові ділянки мембрани нервового волокна. При безперервному проведенні поверхня має електрогенні властивості по всій довжині. Тому малі кругові струми виникають на відстані в кілька мікрометрів. Збудження має вигляд хвилі, що постійно рухається. Розмір ділянки мембрани, що перебуває під впливом потенціалу дії, залежить від його тривалості й швидкості проведення.

Розділ IV. Роль біологічних мембран в процесах збудження Поверхнева мембрана збудливої клітини у спокої володіє виборчою проникністю: іони K+ проходять через неї набагато легше, ніж іони Na+ і Cl-. Концентрація K+ в клітині вища, ніж в позаклітинному середовищі, дифузія цих іонів через мембрану створює на ній різницю потенціалів — так званий потенціал спокою, причому внутрішня сторона мембрани виявляється зарядженою негативно, а зовнішня — позитивно.

При дії на клітину подразника, іонна проникність мембрани змінюється. При подразненні мембрана стає проникною для всіх іонів, що приводить до короткочасного зникнення потенціалу спокою в збудженій ділянці до потенціалу дії.

Потенціал дії — дуже швидке коливання мембранного потенціалу, що виникає при збудженні клітин подразником порогової сили. За допомогою цього потенціалу здійснюється передача інформації в нервовій системі від однієї клітини до іншої, передаються сигнали від нервів до м’язових клітин.

При дії подразника на мембрану виникає її деполяризація спочатку тільки в місці подразнення. Ця деполяризація називається локальною відповіддю або локальним потенціалом. Цей процес зумовлений переміщенням іонів через канали мембрани. Особливості його полягають у тому, що він:

1) залежить від сили подразника;

2) зникає після припинення подразнення;

3) здатний до сумації;

4) не здатний до незатухаючого поширення.

Таким чином, локальний потенціал — це одна із форм місцевої відповіді на подразнення.

При подальшому посиленні стимулу місцевий потенціал досягає певного критичного рівня (критичний рівень деполяризації), і починається деполяризація мембрани, тобто виникає процес збудження.

При досягненні критичного рівня деполяризації відбувається швидке відкриття натрієвих каналів, що приводить до лавиноподібного надходження Na+ усередину клітини. Вхід Na+у клітину забезпечує повну деполяризацію мембрани. У цей час надходження позитивних зарядів у клітину викликає зменшення позитивного заряду на зовнішньому боці мембрани і збільшення його в цитоплазмі. Різниця потенціалів падає до 0, а потім, по мірі надходження Na+ у клітину, відбувається зміна заряду мембранного потенціалу. Зовнішня поверхня стає електронегативною стосовно внутрішньої, тобто відбувається інверсія потенціалу. Таким чином, вхід іонів Na+ забезпечує висхідну фазу піку потенціалу дії — деполяризацію.

Після відновлення початкового рівня мембранного потенціалу спокою ще деякий час продовжується робота калієвого насоса. Тому створюється ситуація, коли К+ попадає в клітину більше, ніж вийшло при збудженні. При цьому мембранний потенціал збільшується на час і виникає слідова гіперполяризація або позитивний слідовий потенціал тривалістю. Ця величина залежить від функцій клітин і їх функціонального стану.

Таким чином, завершується комплекс змін, що визначають потенціал дії або одиночний цикл збудження.

Висновок Біологічні мембрани є структурами, які відіграють ключову роль у функціонуванні клітин живих організмів. Вони обмежують внутрішньоклітинне середовище, тобто забезпечують компартменталізацію, завдяки їм відбувається регуляція життєдіяльності клітин, проведення нервових збуджень.

Біологічні мембрани мають складну гетерогенну структуру. Нині загальноприйнятою вважають рідинно-мозаїчну модель будови біологічних мембран. У молекул ліпідів, розташованих у вигляді подвійного шару, полярні гідрофільні «головки» обернені до зовнішнього та внутрішнього боку мембран, а гідрофобні неполярні «хвости» — всередину. Тому, якщо поглянути зверху на мембрану, вона нагадуватиме мозаїку, створену полярними «головками» ліпідів і молекулами білків, розташованими поверхнево або перетинаючи мембрану.

Як відомо біологічні мембрани асиметричні. Явище асиметрії сприяє:

підтриманню вихідної форми клітини;

фіксації білкової орієнтації, що сприяє максимальному прояву їх активності (фермент, канал);

розпізнаванню антигенів;

регуляції в’язкості мембрани;

забезпеченню процесу виведення старих клітин.

Біологічні мембрани виконують різноманітні функції:

бар'єрна;

матрична;

механічна функція;

енергетична;

генерація та проведення біопотенціалів;

рецепторна функція;

адгезивна;

рухлива;

секреторна.

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

Існує ще два механізми транспорту речовин через мембрани, які називаються ендоцитозом та екзоцитозом.

Біологічні мембрани беруть участь у процесах збудження. Їх участь у процесах збудження пояснює мембранна теорія збудження — мембрани всіх живих клітин у спокої поляризовані, тобто мають різний електричний потенціал зовнішньої і внутрішньої поверхонь. Ця різниця потенціалів між зовнішньою і внутрішньою поверхнями мембрани називається мембранним потенціалом спокою. При дії подразника на мембрану, вона де поляризується і виникає потенціал дії, тобто збудження.

Роль біологічних мембран у процесах збудження полягає у тому, що мембрани всіх живих клітин у спокої поляризовані, тобто мають різний електричний потенціал зовнішньої і внутрішньої поверхонь.

В нормально функціонуючій клітині, яка перебуває в стані спокою, завжди існує різниця потенціалів між цитоплазмою і оточуючим середовищем, яке називається потенціалом спокою. Виникнення потенціалу спокою пов’язано з нерівністю концентрації іонів всередині клітини і оточуючим середовищем та неоднаковою проникністю мембран для різних іонів.

Наявність іонної асиметрії і постійної електричної поляризації мембрани є основною передумовою, що забезпечує збудливість клітин, їх здатність миттєво переходити в активний стан під впливом подразників. Мембранний потенціал є тим запасом потенціальної електричної енергії, яка використовується для генерації електричних імпульсів, що забезпечують зв’язок, регуляцію і управління в організмі і служать елементом кодування інформації.

При дії на клітину подразника в ній відбуваються складні зміни в мікроструктурі, обміні речовин, концентрації іонів і виникає специфічна реакція, зумовлена електричним потенціалом, що називають потенціалом дії.

Поява в якій-небудь ділянці збудливої клітини потенціалу дії приводить до появи на мембрані «подовжньої» різниці потенціалів і появі електричних струмів між не збудженими і збудженими ділянками — струмів дії. Ці струми, у свою чергу, викликають в не збуджених ділянках аналогічні зміни проникності; ділянка збудження починає переміщатися по поверхні клітини. По мірі наростання подразнення, збудження починає поширюватися по всіх клітинах.

Список використаної літератури Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. та ін. Молекулярна біологія клітини. У 3-х т. — М.: Мир, 1994. — Т.1.

Валькенштейн М.В. Біофізика. — М.: Наука, 1981.

Зима В.Л., Костюк П. Г., Магура І.С., Мірошниченко М.С., Шуба М. Ф. Біофізика — К.: Обереги, 2001.

Кольс О.Р., Торусова Б. Н. Біофізика — М.: Вища школа, 1968.

Михайлик В.І., Остапченко Л.І. Біологічні мембрани: методи дослідження структури та функцій. — К.: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2006.

Неєр Е., Сакман Б. Реєстрація одиничних каналів. — М.: Мир, 1987.

Рубін А.Б. Біофізика. В 2-х к. Теоретична біофізика. — М.: Вища школа, 1987. — К.1.

Рубін А.Б. Біофізика. В 2-х к. Біофізика клітинних процесів. — М.: Вища школа, 1987. — К.2.

Філіпович Ю. Б. Основи біохімії. — М.: Вища школа, 1985.

Ходжкін А. Нервовий імпульс. — М.: Вища школа, 1965.

www.