Niektoré látky zrejme pasívne prúdia cez bunkovú membránu pod vplyvom tlakových rozdielov, iné sú cez membránu celkom aktívne pumpované do bunky a ďalšie sú vťahované do bunky invagináciou membrány dovnútra.
Väčšina buniek žije v prostredí nevhodnom na udržanie extrémne prísneho pomeru vody, solí a organickej hmoty, bez ktorej je život nemožný. To so sebou nesie potrebu neustálej a veľmi starostlivej regulácie výmeny rôznych látok, ku ktorej dochádza medzi nimi vonkajší svet a cytoplazme. Bariéra oddeľujúca vnútorný obsah bunky od životné prostredie, slúži ako bunková membrána – najtenší film, hrubý len desať milióntin milimetra.
Táto membrána je priepustná pre mnohé látky, ktorých tok ide oboma smermi (t.j. z bunky aj do bunky). Napriek nevýznamnej hrúbke má membrána určitú štruktúru; táto štruktúra a chemické zloženie membrány, o ktorej máme stále veľmi nejasnú predstavu, určuje jej selektívnu a veľmi nerovnomernú priepustnosť. Ak sú sily, ktoré zabezpečujú prechod látok cez membránu, lokalizované v prostredí obklopujúcom bunku, potom hovoria o „pasívnom transporte“. Ak sa energia vynaložená na to vyrába v samotnej bunke v procese jej metabolizmu, hovorí sa o „aktívnom prenose“. Táto interakcia medzi bunkou a jej prostredím slúži nielen na to, aby sa v bunke vždy udržiavala koncentrácia všetkých látok, ktoré tvoria jej zloženie, v určitých medziach, mimo ktorých nemôže existovať život; v niektorých bunkách, napríklad v nervové bunky, táto interakcia má prvoradý význam pre plnenie funkcie, ktorú tieto bunky v tele vykonávajú.
Mnohé bunky tiež absorbujú látky, ktoré potrebujú, prostredníctvom určitého druhu požitia. Tento proces je známy ako fagocytóza alebo pinocytóza (slová pochádzajú z gréckych slov pre „jesť“ a „piť“ a zo slova „bunka“). Pri tomto spôsobe absorpcie bunková membrána vytvára vrecká alebo invaginácie, ktoré priťahujú látky zvonku do bunky; potom sú tieto invaginácie uvoľnené a kvapôčka vonkajšieho prostredia obklopená membránou vo forme vezikuly alebo vakuoly začne plávať cez cytoplazmu.
Napriek všetkým podobnostiam tohto procesu s jednoduchým „prehĺtaním“ stále nemáme právo hovoriť o vstupe látok do bunky, pretože to okamžite prináša otázku, čo znamená výraz „vnútri“. Z nášho, takpovediac, makroskopického, ľudského pohľadu sa prikláňame k ľahkomyseľnému tvrdeniu, že len čo sme prehltli kúsok jedla, dostal sa do nás. Takéto tvrdenie však nie je úplne správne. Interiér tráviaci trakt v topologickom zmysle ide o vonkajší povrch; Skutočné vstrebávanie potravy začína až vtedy, keď prenikne do buniek črevnej steny. Preto látka, ktorá sa dostala do bunky v dôsledku pinocytózy alebo fagocytózy, je stále „vonku“, pretože stále zostáva obklopená membránou, ktorá ju zachytila. Skutočne vstúpiť do klietky a stať sa prístupným metabolické procesy zložky cytoplazmy, takéto látky musia tak či onak preniknúť cez membránu.
Jednou zo síl, ktorá pôsobí na celú bunkovú membránu, je koncentračný gradient. Táto sila vzniká v dôsledku náhodného pohybu častíc, ktoré majú tendenciu byť rovnomerne rozložené v priestore. Ak sa dostanú do kontaktu dva roztoky rovnakého zloženia, ale rôznych koncentrácií, potom difúzia rozpustenej látky začína z oblasti vyššej koncentrácie a táto difúzia pokračuje, kým nie je koncentrácia všade rovnaká. K vyrovnaniu koncentrácií dochádza aj vtedy, ak sú dva roztoky oddelené membránou, samozrejme za predpokladu, že membrána je priepustná pre rozpustenú látku. Ak je membrána priepustná pre rozpúšťadlo, ale nepriepustná pre rozpustenú látku, potom sa nám koncentračný gradient javí vo forme známeho javu osmózy: v tomto prípade rozpúšťadlo prechádza cez membránu a pohybuje sa z oblasti nižšia koncentrácia rozpustenej látky do oblasti s vyššou koncentráciou. Koncentračný gradient a osmotické sily pôsobiace na oboch stranách bunkovej membrány sú veľmi významné, pretože koncentrácie mnohých látok v bunke sa výrazne líšia od ich koncentrácií vonkajšie prostredie.
Pri pasívnom transporte je prienik látok cez membránu riadený selektívnou permeabilitou membrány. Priepustnosť membrány pre danú molekulu závisí od chemického zloženia a vlastností tejto molekuly, ako aj od jej veľkosti; v tomto prípade je membrána schopná nielen zablokovať cestu určitých látok, ale aj umožniť rôznym látkam, aby cez ňu prešli rôznymi rýchlosťami.
V závislosti od charakteru prostredia, ktorému sú prispôsobené, bunky odlišné typy majú veľmi rozdielnu priepustnosť. Napríklad priepustnosť obyčajná améba a ľudské erytrocyty pre vodu sa líšia viac ako 100-krát. V tabuľke konštánt permeability (vyjadrené ako počet kubických mikrónov vody, ktoré prejdú cez 1 štvorcový mikrón bunkovej membrány za 1 minútu pod vplyvom rozdielu osmotický tlak v 1 atmosfére) oproti amébe je hodnota 0,26, t.j. jej priepustnosť je veľmi nepatrná. Adaptačný význam takejto nízkej permeability je zrejmý: organizmy žijúce v sladkej vodyčelia najväčšiemu rozdielu v koncentráciách medzi vonkajším a vnútorným prostredím, a preto sú nútené obmedziť prietok vody vo vnútri, aby ušetrili energiu, ktorá by bola potrebná na prečerpanie tejto vody späť. Červené krvinky nepotrebujú takéto ochranné zariadenie, pretože sú zvyčajne obklopené krvnou plazmou - médiom, ktoré je v relatívnej osmotickej rovnováhe s ich vnútorným prostredím. Keď sa tieto bunky dostanú do vody, okamžite začnú pomerne rýchlo napučiavať a praskať, pretože ich membrána nie je dostatočne elastická, aby vydržala tento náhly tlak vody.
Ak, ako sa to v prírode bežne stáva, molekuly rozpustených látok sa disociujú na ióny nesúce špecifickú nabíjačka, potom vstupujú do hry nové sily. Je dobre známe, že membrány mnohých a možno aj všetkých buniek majú schopnosť udržiavať určitý potenciálny rozdiel medzi ich vonkajším a vnútorným povrchom. V dôsledku toho vzniká určitý potenciálny gradient, ktorý spolu s koncentračným gradientom slúži hnacia sila pri pasívnom prenose cez bunkovú membránu.
Treťou silou zapojenou do pasívneho transportu cez membránu je transport rozpustených látok spolu s rozpúšťadlom (solvent pull-in). Nadobudne účinnosť iba vtedy, ak roztok môže skutočne pretekať cez membránu; inými slovami, ak je membrána porézna. V tomto prípade sa pohyb častíc rozpustenej látky difundujúcich v smere prúdenia zrýchľuje a difúzia častíc v opačnom smere sa spomaľuje. Tento vťahovací efekt väčšinou nehrá veľkú rolu, no v niektorých špeciálne prípady jeho význam je dosť veľký.
Všetky tri sily zapojené do pasívneho prenosu môžu pôsobiť oddelene alebo spoločne. Avšak bez ohľadu na to, aká sila spôsobuje pohyb – či už ide o koncentračný gradient, potenciálny gradient alebo vťahovací efekt – pohyb vždy nastáva v smere „dole“ a membrána slúži ako pasívna bariéra. Zároveň existuje veľa dôležitých príkladov v cytológii, kde žiadna z týchto troch síl nedokáže vysvetliť transport látok cez membránu. V týchto prípadoch dochádza k pohybu smerom „nahor“, teda proti silám spôsobujúcim pasívny prenos, a preto k nemu musí dôjsť v dôsledku energie uvoľnenej v dôsledku metabolických procesov prebiehajúcich v bunke. Pri tomto aktívnom prenose už membrána nie je len pasívnou bariérou, ale pôsobí ako druh dynamického orgánu.
Až donedávna boli všetky informácie, ktoré sme mali o štruktúre bunkovej membrány, získané výlučne ako výsledok štúdia jej priepustnosti, a preto boli čisto nepriame. Napríklad sa zistilo, že mnohé látky, ktoré sú rozpustné v lipidoch (tukoch), ľahko prechádzajú cez bunkovú membránu. V tomto ohľade bolo navrhnuté, že bunková membrána obsahuje vrstvu lipidov a že látky rozpustné v lipidoch prechádzajú cez membránu, na jednej jej strane sa rozpúšťajú a na druhej strane sa opäť uvoľňujú. Ukázalo sa však, že cez bunkovú membránu prechádzajú aj molekuly rozpustné vo vode. Museli sme predpokladať, že štruktúra membrány do určitej miery pripomína sito, t.j. že membrána je vybavená pórmi alebo nelipidovými rezmi, prípadne oboma; Okrem toho, aby sa vysvetlili zvláštnosti prechodu rôznych iónov, predpokladalo sa, že v membráne sú oblasti, ktoré nesú elektrický náboj. Nakoniec sa do tejto hypotetickej schémy štruktúry membrány zaviedla aj proteínová zložka, pretože sa objavili údaje naznačujúce najmä zmáčavosť membrány, ktorá je nezlučiteľná s čisto mastnou kompozíciou.
Tieto pozorovania a hypotézy sú zhrnuté v modeli bunkovej membrány, ktorý v roku 1940 navrhol J. Danielli. Podľa tohto modelu pozostáva membrána z dvojitej vrstvy lipidových molekúl pokrytých dvoma proteínovými vrstvami. Molekuly lipidov ležia navzájom rovnobežne, ale kolmo na rovinu membrány, pričom ich nenabité konce smerujú k sebe a ich nabité skupiny smerujú k povrchu membrány. Na týchto nabitých koncoch sú adsorbované vrstvy proteínu, pozostávajúce z proteínových reťazcov, ktoré tvoria plexus na vonkajšom a vnútornom povrchu membrány, čím jej dodávajú určitú elasticitu a odolnosť voči mechanickému poškodeniu, ako aj nízke povrchové napätie. Dĺžka lipidových molekúl je približne 30 angstromov a hrúbka vrstvy monomolekulového proteínu je 10 angstromov; Preto Danielli veril, že celková hrúbka bunkovej membrány bola približne 80 angstromov.
Výsledky získané pomocou elektrónového mikroskopu potvrdili správnosť modelu vytvoreného Daniellim. „Elementárna membrána“ študovaná na základe elektrónových mikrografov získaných Robertsonom zodpovedá vzhľadom a veľkosťou predpovediam Danielliho a bola pozorovaná v bunkách mnohých rôzne druhy. V ňom možno rozlíšiť ďalšie dve tmavé pruhy približne 20 angstromov, čo môže dobre zodpovedať dvom proteínovým vrstvám modelu; tieto dva pruhy sú oddelené ľahším jadrom s hrúbkou 35 angstromov, ktoré zodpovedá lipidovej vrstve. Celková hrúbka membrány, ktorá sa rovná 75 angstromom, je celkom blízko k hodnote, ktorú poskytuje model.
Bez narušenia všeobecnej symetrie tohto modelu by sa mal doplniť, aby sa zohľadnili rozdiely v chemickej povahy vnútorný a vonkajší povrch membrány. To by vysvetľovalo existenciu chemických gradientov medzi vnútorným a vonkajším povrchom membrány, odhalených v niektorých pozorovaniach. Okrem toho vieme, že mnohé bunky sú pokryté mukoproteínovou membránou obsahujúcou uhľohydráty, ktorej hrúbka sa medzi rôznymi typmi buniek líši. Bez ohľadu na to, či má táto vrstva vplyv na priepustnosť, dá sa predpokladať, že hrá dôležitá úloha pri pinocytóze.
Okrem týchto štrukturálnych vlastností membrány, takpovediac v „priečnom reze“, sa pri štúdiu priepustnosti ukazuje, že jej štruktúra je heterogénna v opačnom smere. Je napríklad známe, že bunkové membrány umožňujú prechod častíc, ktorých veľkosť nepresahuje známe limity, pričom zadržiavajú stále väčšie častice, čo naznačuje prítomnosť pórov v týchto membránach. Štúdie elektrónovej mikroskopie doteraz existenciu pórov nepotvrdili. To nie je prekvapujúce, pretože sa predpokladá, že tieto póry sú veľmi malé a umiestnené veľmi ďaleko od seba, takže ich celá plocha nepresahuje jednu tisícinu celkového povrchu membrány. Ak membránu nazývame sitom, mali by sme dodať, že v tomto sitku je veľmi málo otvorov.
Ešte dôležitejšou okolnosťou je, že na vysvetlenie vysokej selektívnej schopnosti, ktorá umožňuje mnohým bunkám rozlíšiť jednu látku od druhej, je potrebné predpokladať rôzne chemické špecifickosti rôznych častí membrány. Ukázalo sa napríklad, že niektoré enzýmy sú lokalizované na povrchu bunky. Ich funkciou je zrejme premena látok, ktoré sú v membráne nerozpustné, na rozpustné deriváty, ktoré ňou môžu prechádzať. Existuje veľa prípadov, keď bunka, ktorá je priepustná pre jednu látku, neumožňuje prejsť inou látkou, ktorá je blízka prvej a má podobnú veľkosť molekúl a elektrické vlastnosti.
Vidíme teda, že tenká bunková membrána je pomerne zložitý prístroj navrhnutý tak, aby aktívne zasahoval do pohybu látok vstupujúcich a vychádzajúcich z bunky. Takéto zariadenie je absolútne nevyhnutné pre proces aktívneho presunu, pomocou ktorého sa tento pohyb hlavne vykonáva. Aby k tomuto pohybu v smere „nahor“ došlo, bunka musí pôsobiť proti silám pasívneho prenosu. Napriek úsiliu mnohých vedcov sa však zatiaľ nepodarilo odhaliť mechanizmus, akým sa energia uvoľnená v dôsledku bunkového metabolizmu využíva na transport rôznych látok cez bunkovú membránu. Je možné, že na tomto prenose energie sa podieľajú rôzne mechanizmy.
Problém aktívneho transportu iónov priťahuje veľký záujem. Biológovia už pred 100 rokmi vedeli o existencii potenciálneho rozdielu medzi vonkajším a vnútorným povrchom membrány; Približne od rovnakého času vedeli, že tento potenciálny rozdiel ovplyvňuje transport a distribúciu iónov. Len nedávno však začali chápať, že tento potenciálny rozdiel sám o sebe vzniká a je udržiavaný aktívnym transportom iónov.
O dôležitosti tohto problému svedčí skutočnosť, že cytoplazma mnohých buniek obsahuje veľa viac draslíka, než sodík, a predsa sú nútené žiť v prostredí, ktoré sa vyznačuje presne opačným pomerom medzi obsahom týchto dvoch iónov. Napríklad krvná plazma obsahuje 20-krát viac sodíka ako draslíka, zatiaľ čo červené krvinky obsahujú 20-krát viac draslíka ako sodíka. Membrána erytrocytov má dobre definovanú, aj keď nízku pasívnu permeabilitu pre sodíkové aj draselné ióny. Ak by sa táto priepustnosť mohla voľne prejaviť, potom by do bunky prúdili ióny sodíka a z nej by začali vytekať ióny draslíka. Preto, aby sa zachoval existujúci pomer iónov, bunka musí neustále „odčerpávať“ sodíkové ióny a akumulovať draselné ióny proti 50-násobnému koncentračnému gradientu.
Väčšina modelov navrhnutých na vysvetlenie aktívneho transportu je založená na predpoklade existencie niektorých nosných molekúl. Predpokladá sa, že tieto ešte hypotetické nosiče sa spoja s iónmi umiestnenými na jednom povrchu membrány, prejdú cez membránu v tejto forme a opäť uvoľnia ióny na druhom povrchu membrány. Predpokladá sa, že pohyb takýchto zlúčenín (nosičových molekúl, ktoré majú pripojené ióny), na rozdiel od pohybu samotných iónov, prebieha v smere „dole“, t.j. v súlade s chemickým koncentračným gradientom.
Jeden takýto model, ktorý vytvoril T. Shaw v roku 1954, umožňuje nielen vysvetliť prenos iónov draslíka a sodíka cez membránu, ale aj nadviazať medzi nimi určitú súvislosť. Podľa Shawovho modelu sú ióny draslíka a sodíka (K + a Na + ) transportované cez membránu iónovo špecifickými lipidmi rozpustnými nosičmi (X a Y). V tomto prípade vytvorené zlúčeniny (CA a NaY) sú schopné difundovať cez membránu, pričom membrána je nepriepustná pre voľné nosiče. Na vonkajšom povrchu membrány sa nosiče sodíka premieňajú na nosiče draslíka, pričom strácajú energiu. Na vnútornom povrchu membrány sa nosiče draslíka opäť menia na nosiče sodíka v dôsledku príjmu energie vznikajúcej v procese bunkového metabolizmu (dodávateľom tejto energie sú s najväčšou pravdepodobnosťou energeticky bohaté zlúčeniny, ktorých molekuly obsahujú fosfátové väzby).
Mnohé z predpokladov tohto modelu je ťažké experimentálne potvrdiť a nie každý ho akceptuje. Napriek tomu sme považovali za potrebné ho spomenúť, keďže tento model sám o sebe ukazuje zložitosť fenoménu aktívneho transferu.
Dávno predtým, ako biológovia začali dešifrovať náročná hra fyzikálnych síl, ktoré sa podieľajú na prenose látok cez bunkovú membránu, už museli bunky pozorovať takpovediac „na potravu“. IN koniec XIX storočia, Iľja Mečnikov prvýkrát videl, aké biele krvné bunky(leukocyty) požierali baktérie a dali im názov "fagocyty". V roku 1920 A. Schaeffer zobrazil, ako améba chytí svoju obeť - kresba, ktorá sa stala klasikou. Proces pinocytózy, vyjadrený menej jasne, prvýkrát objavil W. Lewis až v roku 1931. Pri štúdiu správania buniek v tkanivovej kultúre pomocou časozbernej fotografie si všimol membránové výrastky na periférii buniek, ktoré sa vlnili tak silno, že z času na čas sa zovreli, ako stlačená päsť, zachytávajúc časť média ako v bubline. Lewis zistil, že to všetko je také podobné procesu pitia, že pre tento jav vymyslel zodpovedajúci názov - „pinocytóza“.
Lewisov objav spočiatku nevzbudzoval pozornosť, okrem práce publikovanej v roku 1934 S. Mahetom a W. Doylom, ktorí informovali o podobnom jave, ktorý pozorovali u améby. Pinocytóza zostala len zvláštnym faktom, až kým v polovici tohto storočia elektrónové mikroskopické štúdie neodhalili, že takéto požitie bolo oveľa rozšírenejšie.
V amébach a v bunkách z tkanivovej kultúry možno pinocytózu pozorovať pod bežným mikroskopom. Vďaka vysokému rozlíšeniu elektrónového mikroskopu bola tvorba mikroskopických vezikúl pozorovaná aj v mnohých iných typoch buniek. Z fyziologického hľadiska jeden z najviac zaujímavé príklady Tento druh buniek slúži kefovému epitelu obličiek a čriev: vezikuly, ktoré privádzajú do bunky rôzne látky, sa tvoria na báze kefového lemu, ktorému tento epitel vďačí za svoj názov. Základný znak pinocytózy alebo fagocytózy je vo všetkých bunkách rovnaký: určitá časť bunkovej membrány sa oddelí od povrchu bunky a vytvorí vakuolu alebo vezikulu, ktorá sa odtrhne od periférie a migruje do bunky.
Veľkosť vezikúl vytvorených počas pinocytózy sa značne líši. V amébách a v bunkách odobratých z tkanivovej kultúry je stredný priemer novo oddelenej pinocytotickej vakuoly 1-2 mikróny; veľkosti vakuol, ktoré môžeme detekovať pomocou elektrónového mikroskopu, sa pohybujú od 0,1 do 0,01 mikrónu. Často sa takéto vakuoly navzájom spájajú a ich veľkosť sa prirodzene zvyšuje. Keďže väčšina buniek obsahuje množstvo ďalších vakuol a granúl, pinocytotické vakuoly sa čoskoro stratia z dohľadu, pokiaľ nie sú vybavené nejakým druhom „štítku“. Vakuoly vznikajúce pri fagocytóze sú samozrejme oveľa väčšie a zmestia sa do nich celé bakteriálne bunky, bunky prvokov a v prípade fagocytov aj fragmenty zničených tkanív.
Na základe jednoduchých experimentov s amébou sa možno presvedčiť, že pyocytózu nemožno pozorovať v žiadnom tkanive a kedykoľvek, pretože je spôsobená prítomnosťou určitých špecifických látok v prostredí. IN čistá voda pinocytóza sa u améb nevyskytuje: v žiadnom prípade sa nedá zistiť pod mikroskopom. Ak do vody, v ktorej sa nachádzajú améby, pridáte cukor alebo akékoľvek iné uhľohydráty, nepovedie to k ničomu. Keď sa pridajú soli, bielkoviny alebo niektoré aminokyseliny, začína sa pinocytóza. S. Chapman-Andersen zistil, že u améb môže každá takto indukovaná pinocytóza trvať približne 30 minút, bez ohľadu na povahu faktora, ktorý ju spôsobil, a počas tejto doby sa vytvorí až 100 pinocytotických kanálikov a prehltne sa zodpovedajúci počet vakuol. . Potom sa pinocytóza zastaví a môže sa obnoviť až po 3-4 hodinách. Podľa Chapmana Andersena sa to vysvetľuje tým, že po 30 minútach pinocytózy sa využívajú všetky oblasti vonkajšej membrány schopné invaginácie.
Okrem toho Chapman-Andersen pomohla vyriešiť jednu starú otázku, konkrétne ukázala, že fagocytóza a pinocytóza z fyziologického hľadiska sú rovnaký proces. V jej experimente dostali améby prvýkrát možnosť fagocytovať toľko jedlých nálevníkov, koľko sa im podarilo zachytiť z prostredia, ktoré sa hemží týmito mikroorganizmami. Potom sa preniesli do média, ktoré obsahovalo faktor indukujúci pinocytózu. Ukázalo sa, že tieto améby sú schopné vytvoriť len niekoľko kanálov (menej ako 10% zvyčajného počtu). Naopak, améby, ktoré vyčerpali všetky svoje schopnosti pinocytózy, nefagocytovali, keď sa preniesli do média obsahujúceho organizmy, ktoré bežne používajú ako potravu. Zdá sa teda, že v oboch prípadoch je povrch membrány limitujúcim faktorom.
S. Bennett v roku 1956 navrhol, že pinocytóza je spôsobená adsorpciou induktorových molekúl alebo iónov na povrchu bunkovej membrány. Tento predpoklad sa plne potvrdil v prácach viacerých výskumníkov. Sotva možno pochybovať o tom, že v amébe dochádza k adsorpcii na špeciálnej škrupine, ktorá pozostáva z hlienu a obaľuje celú amébu. Keďže sa predpokladá, že takáto membrána je prítomná aj v mnohých iných bunkách, bolo by zaujímavé zistiť, či vo všetkých prípadoch plní podobnú funkciu.
Vezikula, ktorá zavádza do bunky indukujúcu látku, do nej tiež zavádza určité množstvo tekuté médium. Chapman-Andersen a autor vykonali experiment „dvojitého označenia“, aby určili, ktorá z dvoch látok – induktor alebo kvapalina – hrá hlavnú úlohu. Améby sme umiestnili do média obsahujúceho ako induktor označený proteín rádioaktívny izotop, a cukor s inou rádioaktívnou značkou, čo umožnilo určiť množstvo absorbovanej kvapaliny. Predpokladali sme, že ak je hlavnou konzumovanou látkou, ako aj látkou, ktorá vyvoláva absorpciu, proteín, potom by mal byť relatívny obsah proteínu vo vakuolách vyšší ako v médiu. A tak to dopadlo. Rozsah tohto javu však výrazne predčil naše očakávania. Celkové množstvo proteínu absorbovaného do 30 minút zodpovedalo približne 25 % celkovej hmotnosti améby. Toto je veľmi pôsobivé jedlo, čo to dokazuje najvyššia hodnota pre bunky pri pinocytóze majú na povrchu adsorbované látky.
Potrava obsiahnutá vo vakuole by sa však mala stále považovať za potravinu mimo bunky, pretože puzdro, v ktorom je uzavreté, je súčasťou vonkajšej membrány. Musíme zistiť, či takáto komunikácia s vonkajším prostredím môže poskytnúť suroviny pre metabolický aparát bunky, a ak áno, ako. Najjednoduchším spôsobom prenosu látok z vakuoly do cytoplazmy by bolo rozpustenie membrány pôsobením cytoplazmatických enzýmov. Údaje z elektrónového mikroskopu však tento predpoklad nepotvrdzujú: nikdy nebolo možné pozorovať zmiznutie membrány, ktorá tvorí steakovú vakuolu.
Keďže membrána je zjavne zachovaná, hlavnou úlohou pri štúdiu pinocytózy je študovať jej permeabilitu. Niet pochýb o tom, že pinocytotická vezikula uvoľňuje vodu do cytoplazmy; Potvrdzuje to zreteľné zmršťovanie vakuol. J. Marshall a autor ukázali, že u améb je zmršťovanie sprevádzané postupným zvyšovaním koncentrácie obsahu vakuoly. Pomocou centrifugačnej metódy sa zistilo, že počas niekoľkých prvých hodín po pinocytóze sa hustota vakuol neustále zvyšuje v porovnaní s hustotou okolitej cytoplazmy. Nakoniec sa tieto vakuoly vyvinú do cytoplazmatických granúl, ktoré sa podobajú mitochondriám veľkosťou a správaním, keď sú odstredené.
Ukázalo sa tiež, že membrána vakuol je priepustná nielen pre vodu, ale aj pre látky s nízkou molekulovou hmotnosťou, ako je glukóza. Chapman-Andersen a autor pomocou rádioaktívnej glukózy zistili, že glukóza absorbovaná počas pinocytózy rýchlo opúšťa vakuoly a je rovnomerne distribuovaná v cytoplazme. Táto glukóza vstupuje do normálnych metabolických procesov prebiehajúcich v bunke, ako keby vstúpila do bunky obvyklým spôsobom - v dôsledku difúzie z povrchu bunky; medzi produktmi vylučovania améb sa čoskoro objavuje produkt jeho metabolizmu – rádioaktívny oxid uhličitý. Chapman-Andersen a D. Prescott získali rovnaké výsledky pre niektoré aminokyseliny. Preto nie je pochýb o tom, že pomocou pinocytózy môže byť bunka „kŕmená“ látkami, ktoré majú malé molekuly. Experimenty s „kŕmením“ veľkými molekulami sa ešte neuskutočnili.
Tieto výsledky naznačujú, že dochádza k určitej zmene priepustnosti membrány. Túto zmenu nie je možné vidieť pomocou elektrónového mikroskopu; membrána vyzerá rovnako pred pinocytózou aj po nej. Existujú však správy, že škrupina hlienu lemujúca vnútornú stenu vakuoly sa odlupuje a spolu s materiálom na nej adsorbovaným zostáva vo forme malej hrudky v strede vakuoly.
Zároveň dochádza k ďalšiemu, pravdepodobne veľmi dôležitému javu. Na primárnej vakuole sa vytvárajú malé sekundárne vakuoly, ktoré sa z nej odtrhávajú a migrujú do cytoplazmy. Zatiaľ nemáme možnosť posúdiť úlohu tohto procesu pre distribúciu obsahu primárnej vakuoly v cytoplazme. Jasné je len jedno: nech sa v membránach týchto mikrovakuol vyskytnú akékoľvek procesy súvisiace s permeabilitou, ich výskyt je značne uľahčený v dôsledku takého obrovského zväčšenia povrchu membrány vo vnútri bunky. Je možné, že na vytváraní selektívnej permeability sa podieľajú aj sekundárne vakuoly, ktoré odnášajú niektoré látky z primárnej vakuoly a iné v nej zanechávajú.
Hlavná ťažkosť, ktorá vzniká pri pokuse vysvetliť pinocytózu ako jednu z hlavných fyziologické procesy vyskytujúce sa v bunke je, že je úplne bez špecificity. Je pravda, že aktivita fagocytov senzibilizovaných protilátkami absorbovať určité baktérie vykazuje vysokú špecifickosť. A. Tyler sa domnieva, že pri oplodnení dochádza k pinocytóznemu požitiu spermií vajíčkom – proces, ktorý začína interakciou špecifických látok na povrchu vajíčka a spermie. Vo všeobecnosti však k mechanickému zachytávaniu adsorbovaných látok a kvapalín z prostredia pravdepodobne dochádza bez veľkého výberu. Je možné, že v dôsledku toho sa do bunky často dostanú zbytočné alebo dokonca škodlivé látky.
Pravdepodobne niekde existuje mechanizmus, ktorý je selektívnejší. Najjednoduchšie je predpokladať, že selekcia, aktívna alebo pasívna, prebieha na membránach, ktoré obklopujú vakuoly a vezikuly nachádzajúce sa v bunke. V tomto prípade by sa pinocytóza nemala považovať za proces, ktorý vylučuje transport cez membránu, ale za proces, ktorý takýto transport dopĺňa. Jeho hlavnou úlohou by malo byť vytváranie rozsiahlych vnútorné povrchy, na ktorých by sa aktivita síl spojená s pasívnym a aktívnym prenosom mohla prejaviť ešte efektívnejšie ako na samotnom povrchu bunky a zároveň s menším rizikom straty látky v dôsledku úniku.
1. Ako sa líšia membrány živočíšnych a rastlinných buniek?
Rastlinná bunka je okrem bunkovej membrány pokrytá aj bunkovou stenou z vlákniny, ktorá jej dodáva pevnosť.
2. Čím je bunka huby pokrytá?
Bunky húb sú okrem bunkovej membrány pokryté tvrdou škrupinou - bunkovou stenou, ktorá pozostáva z 80-90% polysacharidov (u väčšiny je to chitín).
Otázky
1. Aké sú funkcie vonkajšej membrány bunky?
Bunková membrána oddeľuje vnútorný obsah bunky od vonkajšieho prostredia. Chráni cytoplazmu a jadro pred poškodením, zabezpečuje komunikáciu medzi bunkami a selektívne umožňuje bunkám vstup do bunky. potrebné látky a odstraňuje produkty metabolizmu z bunky.
2. Akými spôsobmi môžu rôzne látky prenikať do bunky?
Špeciálne proteíny tvoria najjemnejšie kanály, cez ktoré môžu draslík, sodík, vápnik a niektoré ďalšie ióny malého priemeru prechádzať do bunky alebo z bunky. Väčšie častice však nemôžu prechádzať membránovými kanálmi. Molekuly živín - proteíny, sacharidy, lipidy - vstupujú do bunky pomocou fagocytózy alebo pinocytózy.
3. Ako sa pinocytóza líši od fagocytózy?
Pinocytóza sa líši od fagocytózy iba tým, že v tomto prípade invaginácia vonkajšej membrány nezachytáva pevné častice, ale kvapôčky kvapaliny s látkami rozpustenými v nej.
4. Prečo rastlinné bunky nemajú fagocytózu?
Keďže rastlinné bunky sú na vrchnej časti vonkajšej bunkovej membrány pokryté hustou vrstvou vlákna, nemôžu zachytávať látky fagocytózou.
Úlohy
1. Načrtnite si odsek.
1. Všeobecný prehľad o štruktúre bunky.
2. Funkcie bunkovej membrány.
3. Štruktúra bunkovej membrány.
4. Spôsoby transportu látok cez bunkovú membránu.
2. Po analýze textu odseku a obrázkov 22 a 23 stanovte vzťah medzi štruktúrou a funkciami bunkovej membrány.
Základom plazmalemy je vrstva lipidov, ktorá má dva rady molekúl. Dynamické vlastnosti membrány sú určené pohyblivosťou jej molekulárnej organizácie. Proteíny a lipidy nie sú v membráne trvalo prepojené a tvoria pohyblivú, flexibilnú, dočasne spojenú štruktúru, schopnú štrukturálnych preskupení. V tomto prípade sa napríklad ľahko menia vzájomné polohy membránových komponentov. Vďaka tomu môžu membrány meniť svoju konfiguráciu, t.j. majú tekutosť. To poskytuje možnosť fago- a pinocytózy.
Lipidy sú nerozpustné vo vode, preto vytvárajú v bunke bariéru, ktorá bráni pohybu vody a látok rozpustných vo vode z jedného oddelenia do druhého.
Proteínové molekuly však robia membránu priepustnou pre rôzne látky prostredníctvom špecializovaných štruktúr nazývaných póry.
"Úvod do všeobecná biológia a ekológia. 9. ročník." A.A. Kamensky (GDZ)
Charakteristika bunky. Bunková membrána
Otázka 1. Aké sú funkcie vonkajšej membrány bunky?
Vonkajšia bunková membrána pozostáva z dvojitej lipidovej vrstvy a proteínových molekúl, z ktorých niektoré sú umiestnené na povrchu a niektoré prenikajú cez obe vrstvy lipidov. Funkcie plazmatickej membrány:
1. Obmedzenie. Plazmové membrány tvoria uzavreté systémy bez prerušenia kdekoľvek, t.j. Nemajú voľné konce, čím oddeľujú vnútorný obsah od okolia. Bunková membrána napríklad chráni obsah cytoplazmy pred fyzikálnym a chemickým poškodením.
2. Doprava – jedna z základné funkcie je spojená so schopnosťou membrány prechádzať rôznymi látkami do bunky alebo z bunky, je to potrebné na udržanie stálosti jej zloženia, t.j. homeostáza (grécky homos – podobný a stáza – stav).
3. Kontakt. V zložení tkanív a orgánov sa medzi bunkami vytvárajú zložité špeciálne štruktúry - medzibunkové kontakty.
4. Plazmatická membrána mnohých buniek môže vytvárať špeciálne štruktúry (mikrovilly, mihalnice, bičíky).
5. Naprieč plazmatickou membránou vzniká rozdiel elektrického potenciálu. Vytvárajú sa napríklad glykoproteíny v červených krvinkách cicavcov záporný náboj na ich povrchu sa tým bráni ich aglutinácii (zlepeniu).
6. Receptor. Poskytujú ho molekuly integrálnych proteínov, ktoré majú na vonkajšej strane polysacharidové konce. Membrány majú veľké číslo receptory – špeciálne proteíny, ktorých úlohou je prenášať signály zvonku do vnútra bunky. Glykoproteíny sa podieľajú na rozpoznávaní jednotlivých faktorov prostredia a na reakcii buniek na tieto faktory. Napríklad vajíčko a spermia sa navzájom rozpoznávajú podľa glykoproteínov, ktoré do seba zapadajú ako samostatné prvky celej štruktúry (stereochemická väzba ako „kľúč k zámku“) – toto je fáza predchádzajúca oplodneniu.
7. Plazmatická membrána sa môže podieľať na syntéze a katalýze. Membrána je základom pre presné umiestnenie enzýmov. Vo vrstve glykokalyxu sa môžu ukladať hydrolytické enzýmy, ktoré rozkladajú rôzne biopolyméry a organické molekuly a vykonávajú perimembránové alebo extracelulárne štiepenie. Takto dochádza k extracelulárnemu štiepeniu u heterotrofných baktérií a húb. U cicavcov, napríklad v črevnom epiteli, v oblasti kefového lemu absorpčného epitelu, sa nachádza veľké množstvo rôzne enzýmy (amyláza, lipáza, rôzne proteinázy, exohydrolázy atď.), t.j. dochádza k parietálnemu tráveniu.
Otázka 2. Akými spôsobmi môžu rôzne látky prenikať do bunky?
Látky môžu preniknúť cez vonkajšiu bunkovú membránu niekoľkými spôsobmi. Po prvé, cez najjemnejšie kanály tvorené molekulami proteínov, ktoré majú ióny látok malé veľkosti napríklad ióny sodíka, draslíka, vápnika. Tento takzvaný pasívny transport prebieha bez spotreby energie prostredníctvom difúzie, osmózy a uľahčenej difúzie. Po druhé, látky môžu vstúpiť do bunky fagocytózou alebo pinocytózou. Veľké molekuly biopolymérov vstupujú cez membránu v dôsledku fagocytózy, fenoménu, ktorý prvýkrát opísal I.I. Mečnikov. Proces zachytávania a absorpcie kvapiek kvapaliny prebieha prostredníctvom pinocytózy. Častice potravy zvyčajne vstupujú do bunky fagocytózou a pinocytózou.
Otázka 3. Ako sa pinocytóza líši od fagocytózy?
Fagocytóza (grécky рhagos – požierať, cytos – nádoba) je zachytávanie a absorpcia veľkých častíc (niekedy celých buniek a ich častíc) bunkou. V tomto prípade plazmatická membrána vytvára výbežky, obklopuje častice a vo forme vakuol ich posúva do bunky. Tento proces je spojený s výdajom energie membrány a ATP.
Pinocytóza (grécky pino - nápoj) je absorpcia kvapiek tekutiny s látkami rozpustenými v nej. Vykonáva sa v dôsledku tvorby invaginácií na membráne a tvorby vezikúl obklopených membránou a ich pohybom dovnútra. Tento proces je tiež spojený s výdajom energie membrány a ATP. Absorpčnú funkciu črevného epitelu zabezpečuje pinocytóza.
Bunka teda počas fagocytózy absorbuje pevné častice potravy a počas pinocytózy kvapôčky tekutiny. Ak bunka prestane syntetizovať ATP, procesy pinocytózy a fagocytózy sa úplne zastavia.
Otázka 4. Prečo rastlinné bunky nemajú fagocytózu?
Počas fagocytózy sa vytvorí invaginácia, kde sa častica potravy dotkne vonkajšej membrány bunky a častica vstúpi do bunky obklopená membránou. U rastlinná bunka Na vrchnej časti bunkovej membrány je hustá, neplastová membrána z vlákna, ktorá zabraňuje fagocytóze.
>> Všeobecné informácie o bunkách
Všeobecné informácie o bunkách.
1. Ako sa líšia membrány živočíšnych a rastlinných buniek?
2. Čím je bunka huby pokrytá?
Bunky sú napriek svojej malej veľkosti veľmi zložité. Obsahujú štruktúry na konzumáciu živiny a energie, uvoľňovanie nepotrebných produktov metabolizmu, rozmnožovanie. Všetky tieto aspekty života bunky musia byť navzájom úzko prepojené.
Obsah lekcie poznámky k lekcii a podporný rámec prezentácie lekcie metódy zrýchlenia a interaktívne technológie hodnotenie uzavretých cvičení (len pre učiteľa). Prax úlohy a cvičenia, autotest, workshopy, laboratóriá, prípady úroveň náročnosti úloh: normálna, vysoká, domáca úloha z olympiády Ilustrácie ilustrácie: videoklipy, audio, fotografie, grafy, tabuľky, komiksy, multimediálne abstrakty, tipy pre zvedavcov, cheaty, humor, podobenstvá, vtipy, výroky, krížovky, citáty Doplnky externé nezávislé testovanie (ETT) učebnice základné a doplnkové tematické prázdniny, slogany články národné vlastnosti slovník pojmov iné Len pre učiteľov6.3. Mechanizmy vstupu živín do bunky
Hlavnou prekážkou transportu látok do bunky je cytoplazmatická membrána (CPM), ktorá má selektívnu permeabilitu. CPM reguluje nielen tok látok do bunky, ale aj výstup vody, rôznych metabolických produktov a iónov z nej, čo zabezpečuje normálne fungovanie bunky.
Existuje niekoľko mechanizmov na transport živín do bunky: jednoduchá difúzia, uľahčená difúzia a aktívny transport.
Jednoduchá difúzia - prienik molekúl látky do bunky bez pomoci akýchkoľvek nosičov. Hnacou silou tohto procesu je koncentračný gradient látky, teda rozdiely v jej koncentrácii na oboch stranách CPM – vo vonkajšom prostredí aj v bunke. Pasívnou difúziou sa cez CPM pohybujú molekuly vody, niektoré plyny (molekulárny kyslík, dusík, vodík), niektoré ióny, ktorých koncentrácia vo vonkajšom prostredí je vyššia ako v bunke. Pasívny prenos prebieha dovtedy, kým sa koncentrácia látok na oboch stranách cytoplazmatickej membrány nevyrovná. Prichádzajúca voda tlačí cytoplazmu a cytoplazmu k bunkovej stene a v bunke na bunkovej stene vzniká vnútorný tlak, tzv. turgor. Jednoduchá difúzia prebieha bez spotreby energie. Rýchlosť takéhoto procesu je zanedbateľná.
Prevažná väčšina látok dokáže preniknúť do bunky len za účasti nosičov – špecifických bielkovín tzv preniká a lokalizované na cytoplazmatickej membráne. Permeázy zachytávajú molekuly rozpustenej látky a transportujú ich na vnútorný povrch bunky. S pomocou nosných proteínov sú rozpustené látky transportované prostredníctvom uľahčenej difúzie a aktívneho transportu.
Uľahčená difúzia prebieha pozdĺž koncentračného gradientu pomocou nosných proteínov. Rovnako ako pasívna difúzia prebieha bez spotreby energie. Jeho rýchlosť závisí od koncentrácie látok v roztoku. Predpokladá sa, že prostredníctvom uľahčenej difúzie opúšťajú bunku aj produkty metabolizmu. Monosacharidy a aminokyseliny prenikajú do bunky prostredníctvom uľahčenej difúzie.
Aktívna doprava - rozpustené látky sú transportované bez ohľadu na koncentračný gradient. Tento typ transportu látok vyžaduje energiu (ATP). Pri aktívnom transporte dosahuje rýchlosť vstupu látok do bunky maximum už pri nízkych koncentráciách v bunke. živné médium. Väčšina látok vstupuje do bunky mikroorganizmov v dôsledku aktívneho transportu.
Prokaryoty a eukaryoty sa líšia transportnými mechanizmami. V prokaryotoch sa selektívne zásobovanie živinami uskutočňuje hlavne aktívnym transportom a v eukaryotoch - uľahčenou difúziou a menej často aktívnym transportom. Uvoľňovanie produktov z bunky sa najčastejšie uskutočňuje uľahčenou difúziou.
6.4. Výživové potreby a druhy výživy mikroorganizmov
Rôzne látky, ktoré mikroorganizmy potrebujú a ktoré sa spotrebúvajú na syntézu základných organických látok bunky, rast, rozmnožovanie a na výrobu energie sú tzv. živín a médium obsahujúce živiny sa nazýva živné médium.
Výživové potreby mikroorganizmov sú rôzne, no bez ohľadu na potreby musí živná pôda obsahovať všetky potrebné prvky, ktoré sú prítomné v bunkách mikroorganizmov a pomer organogénnych prvkov by mal približne zodpovedať tomuto pomeru v bunke.
Zdrojmi vodíka a kyslíka sú voda, molekulárny vodík a kyslík, ako aj chemikálie obsahujúce tieto prvky. Zdrojmi makroživín sú minerálne soli(fosforečnan draselný, síran horečnatý, chlorid železitý atď.).
Zdrojmi uhlíka a dusíka môžu byť organické aj anorganické zlúčeniny.
V súlade s prijatou klasifikáciou mikroorganizmov Autor:druh jedla delia sa do skupín v závislosti od zdroja uhlíka, zdroja energie a zdroja elektrónov (povaha oxidovaného substrátu).
Záležiac na zdroj uhlíka mikroorganizmy sa delia na:
* autotrofy(samokŕmenie), ktoré využívajú uhlík z anorganických zlúčenín (oxid uhličitý a uhličitany);
* heterotrofy(krmivo na úkor iných) - použiť uhlík z organických zlúčenín.
Záležiac na Zdroj energie rozlišovať:
* fototrofy - mikroorganizmy, ktoré využívajú slnečné svetlo ako zdroj energie;
chemotrofy - Energetickým materiálom pre tieto mikroorganizmy sú rôzne organické a anorganické látky.
Záležiac na zdroj elektrónov (povaha oxidovateľného
Substrátové mikroorganizmy sa delia na:
* litotrofy - oxidujú anorganické látky a tým získavajú energiu;
* oraganotropy - získavať energiu oxidáciou organických látok.
Medzi mikroorganizmami sú najbežnejšie mikroorganizmy, ktoré majú nasledujúce nutričné typy:
Fotolitoautotrofia - druh výživy charakteristický pre mikróby, ktoré využívajú svetelnú energiu a energiu oxidácie anorganických zlúčenín na syntézu bunkových látok z oxidu uhličitého.
Fotoorganoheterotrofia - Tento typ výživy mikroorganizmov, keď sa okrem svetelnej energie využíva aj energia oxidácie organických zlúčenín na získanie energie potrebnej na syntézu bunkových látok z oxidu uhličitého.
Chemolitoautotrofia - druh výživy, pri ktorej mikroorganizmy získavajú energiu oxidáciou anorganických zlúčenín a zdrojom uhlíka sú anorganické zlúčeniny.
fotoautotrofy → fotolitoautotrofy
fotoorganoautotrofy
fototrofy fotoheterotrofy→ fotolithoheterotrofy
fotoorganoheterotrofy
mikroorganizmov
Chemoorganoheterotrofia - druh výživy mikroorganizmov, ktoré získavajú energiu a uhlík z organických zlúčenín. Mikroorganizmy nachádzajúce sa v potravinárskych výrobkoch majú práve tento typ výživy.
Okrem uhlíka najdôležitejším prvkomživným médiom je dusík. Autotrofy zvyčajne používajú dusík z minerálnych zlúčenín, zatiaľ čo heterotrofy okrem anorganických zlúčenín dusíka používajú amónne soli. organické kyseliny, aminokyseliny, peptóny a iné zlúčeniny. Niektoré heterotrofy asimilujú atmosférický dusík (ustálovače dusíka).
Existujú mikroorganizmy, ktoré samotné nie sú schopné syntetizovať túto alebo tú organickú látku (napríklad aminokyseliny, vitamíny). Takéto mikroorganizmy sa nazývajú auxotrofné pre túto látku . Látky, ktoré sa pridávajú na urýchlenie rastu a metabolické procesy volal rastové látky.
Samotestovacie otázky
1. Aké spôsoby kŕmenia živých bytostí poznáte?
2. Čo je to „mimobunkové trávenie“?
3. Aké mechanizmy existujú na vstup živín do bunky?
4. Ako sa jednoduchá difúzia líši od facilitovanej difúzie?
5. IN Aký je významný rozdiel medzi pasívnou a uľahčenou difúziou a aktívnym transportom?
6. Aká je úloha permeáz pri transporte rozpustených látok do bunky?
7. Aký je mechanizmus vstupu vody a plynov do bunky?
8. Ako sa dostanú do cely? jednoduché cukry a aminokyseliny?
9. Ako sa prokaryoty a eukaryoty líšia v mechanizmoch transportu látok?
10. Čo sú to „organogénne prvky“?
11. Čo sú makroživiny?
12 . Aké sú požiadavky mikroorganizmov na živiny?
13 . Ako sa klasifikujú mikroorganizmy v závislosti od zdrojov uhlíka a energie?
14. Čo sú to „chemoorganoheterotrofy“?
16 . Aké druhy výživy poznáte?
17 . Čo sú to „mikroorganizmy viažuce dusík“?
18. Čo sú to „auxotrofné mikroorganizmy“?
Literatúra
Churbanova I.N. Mikrobiológia. - M.: Vyššia škola, 1987.
Mudretsova-Wyss K.A. Mikrobiológia. - M.: Ekonomika, 1985.- 255 s.
Mishustin E.N., Emtsev V.T. Mikrobiológia. - M.: Agropromizdat, 1987, 350 s.
Verbina N.M., Kaptereva Yu.V. Mikrobiológia výroby potravín - M.: Agropromizdat, 1988. - 256 s.
