Общим свойством организмов, населяющих нашу планету, является то, что все они состоят из клеток. Внутренняя структура клетки совершенна, что обеспечивает выполнение ею всех функций организма. Поэтому клетка является как структурной, так и функциональной единицей.
Важную роль в жизни клетки играют биологические мембраны. Они отделяют клеточное содержимое от внешней среды (плазмалемма), вакуолярный сок от цитоплазмы (тонопласт). В микроскопически малом объеме клетки помещается большое количество мембран имеющих огромные рабочие поверхности. Вся цитоплазма пронизана эндоплазматическим ретикулумом (ЭПР), образованным мембранами. Они окружают ядро, пластиды, митохондрии и другие органеллы клетки. Часто мембраны располагаются внутри самих органелл. В большинстве случаев толщина мембран составляет 5-10 нм. Например, толщина плазматической мембраны равна 7,5 нм.
Предложено несколько моделей строения мембраны. Наибольшее признание получила модель, согласно которой основой клеточной мембраны является непрерывный бимолекулярный слой липидов, гидрофобные группы которых обращены друг к другу, а полярные – направленны наружу, так как окружающая среда – вода. В липидную основу встроены ассиметрично расположенные белковые молекулы.
К некоторым липидным и белковым молекулам на внешних поверхностях могут присоединяться углеводные компоненты.
Липиды. Среди липидов значительная доля пренадлежит фосфолипидам. Они являются сложными эфирами трѐхатомного спирта глицерина. У фосфолипидов две гидроксильные группы в молекуле глицерина замещены жирными кислотами, а третья – фосфорной кислотой. К фосфорной кислоте могут быть присоединены различные полярные соединения, чаще всего аминоспирты – этаноламин или холин, молекулы фосфолипидов полярны, так как они содержат полярную гидрофильную «головку» (глицерин, фосфорная кислота, аминоспирт) и два гидрофобных углеводородных «хвоста». Наряду с фосфолипидами в состав мембран входят гликолипиды и сульфолипиды. Гликолипиды вместо остатка фосфорной кислоты содержат производные сахаров.
Белки. В зависимости от расположения в мембране и характера связи с липидным слоем мембранные белки условно можно разделить на три группы: интегральные, периферические и поверхностные. Интегральные белки полностью погружены в мембрану, иногда пронизывают ее насквозь. Связь интегральных белков с мембранными липидами очень прочная и определяется, главным образом, гидрофобными взаимодействиями. Периферические белки частично погружены в гидрофобную область, а поверхностные — находятся вне ее. В первом случае связь с липидами в основном определяется электростатическими взаимодействиями, а во втором – исключительно ими. Помимо этого некоторые белки и липиды в мембране связаны ковалентной связью.
В белковых молекулах или между соседними белковыми молекулами имеются гидрофильные каланы (поры), которые пронизывают мембрану. По ним сквозь мембрану могут проходить полярные молекулы, которые без таких пор пройти бы не смогли, так как липидный компонент мембраны не пропустил бы их в клетку. Мембранные белки подвижны. Они способны вращаться вокруг своей оси, могут свободно плавать в липидном бислое.
В стрессовых условиях (засуха, мороз) содержание непредельных жирных кислот повышается, что делает мембранный матрикс более жидким и подвижным. С помощью этих изменений в химическом составе мембран удается идентифицировать различия в зимостойкости разнообразных сортов озимых культур.
В клетке мембраны выполняют различные функции:
- регулируют распределение питательных веществ между клетками и окружающей средой, обладая свойством избирательной проницаемости;
- регулируют концентрацию осмотически активных веществ в клетках и обеспечивают поступление воды в клетки посредством осмоса;
- осуществляют пространственную локализацию отдельных процессов жизнедеятельности клетки, образуют в ней специальные микроотсеки – компартменты;
- изменяют активность и направленность действия биологических катализаторов клетки – ферментов. Например, липиды, находящиеся в жидком агрегатном состоянии, не влияют на работу фермента, а при локальном «затвердевании» липидов происходит слипание белков – ферментов и нарушается их функция. Поэтому для деятельности мембранных ферментов важно, чтобы окружающие их липиды находились в жидком агрегатном состоянии;
- выполняют рецепторную функцию, воспринимая внешние раздражения и передавая сигналы о них организму.