§14. Строение клетки. Клеточная мембрана. Ядро

Определения и обозначения

Клеточная мембрана — пограничная структура клетки, отделяющая её содержимое от внешней среды и обеспечивающая обмен веществ. Она сохраняет внутреннюю среду клетки и регулирует поступление веществ и удаление продуктов обмена. Поэтому мембрана нужна не только для защиты, но и для согласованной работы клетки.

Фосфолипидный бислой — двойной слой молекул фосфолипидов, составляющий основу мембраны. Такое расположение возникает потому, что части молекул по-разному взаимодействуют с водой. Бислой создаёт гибкую основу, в которую встраиваются белки.

Избирательная проницаемость — способность мембраны пропускать одни вещества и ограничивать перемещение других. Благодаря этому клетка поддерживает подходящий состав цитоплазмы, даже если состав внешней среды меняется. Степень проницаемости зависит от размера, заряда и растворимости вещества, а также от наличия специальных белков.

Ядро — органоид эукариотической клетки, в котором хранится основная часть наследственной информации и регулируются процессы жизнедеятельности. В ядре находится ДНК, содержащая программу построения белков и работы клетки. Связь ядра с цитоплазмой позволяет передавать эту информацию исполнительным структурам.

Как это устроено

Фосфолипид имеет гидрофильную головку и гидрофобные хвосты. Гидрофильная часть взаимодействует с водой, поэтому головки обращены к водной среде снаружи клетки и к водной цитоплазме внутри. Гидрофобные хвосты избегают контакта с водой и соединяются в середине мембраны, образуя бислой. Такая организация делает мембрану одновременно устойчивой и достаточно гибкой.

В липидный бислой встроены белки, и их положение связано с выполняемой задачей. Одни белки образуют каналы или переносчики и помогают веществам пересекать мембрану, другие принимают сигналы от молекул внешней среды. Белки-рецепторы могут запускать внутри клетки цепь реакций, поэтому мембрана превращает внешнее воздействие во внутренний ответ. Некоторые мембранные белки также закрепляют клетку, соединяют её с соседями или распознают определённые молекулы.

Маленькие неполярные молекулы способны проходить через гидрофобную часть бислоя, если разность концентраций направляет их движение. Вода и некоторые растворённые вещества перемещаются иначе, поскольку их размер, заряд или полярность затрудняют прохождение через липидный слой. Для них мембрана использует белковые каналы и переносчики, которые избирательно узнают подходящие частицы. Поэтому одинаковое расположение вещества снаружи клетки ещё не означает одинаковую скорость его проникновения.

Если перенос идёт из области высокой концентрации в область низкой, клетка обычно не тратит энергию: это пассивный транспорт. Движение против такого направления невозможно без дополнительных затрат, поэтому активный транспорт использует энергию АТФ и специальные белки-насосы. Крупные частицы могут перемещаться с помощью впячивания или слияния участков мембраны. Разные способы транспорта позволяют клетке сохранять нужные концентрации и размеры.

Ядро окружено ядерной оболочкой, состоящей из двух мембран, и отделено ею от цитоплазмы. В оболочке есть ядерные поры, через которые избирательно проходят молекулы, например РНК и белки. Внутреннее содержимое ядра, или кариоплазма, включает хроматин и ядрышко. Хроматин содержит ДНК и белки, а ядрышко образует рибосомные РНК и собирает компоненты рибосом; через поры информация и необходимые молекулы связывают ядро с цитоплазмой.

Строение и функции клеточной мембраны и ядра

В таблице сначала находите структуру, затем сравниваете её состав и особенности строения с выполняемой функцией. Это помогает увидеть, почему каждая часть клетки приспособлена к своей роли. Ядерная оболочка и поры рассматриваются вместе, но выполняют разные задачи.

Разбор задач

Задача 1

Укажите, какие части молекулы фосфолипида обращены к водной среде, а какие — внутрь мембраны. Нужно связать расположение частей с их химическими свойствами. Простого запоминания схемы недостаточно: положение объясняется взаимодействием с водой.

1. Определим свойства частей молекулы: головка гидрофильная, а хвосты гидрофобные.
2. Вспомним, что снаружи клетки и в цитоплазме находится водная среда.
3. Сделаем вывод: головки обращены к воде, а хвосты располагаются навстречу друг другу внутри бислоя.

Ответ: гидрофильные головки обращены к водной среде, а гидрофобные хвосты направлены внутрь мембраны.

Задача 2

Объясните, почему вода и некоторые растворённые вещества перемещаются через мембрану по-разному. В условии сравниваются не только сами вещества, но и их взаимодействие с липидным слоем. Поэтому нужно учесть избирательную проницаемость и работу белков.

1. Сравним свойства частиц: размер, заряд, полярность и растворимость в липидах.
2. Проверим, может ли частица пройти через гидрофобную середину бислоя без помощи.
3. Если это затруднено, укажем белковый канал или переносчик; при движении против градиента концентрации добавим затрату энергии.

Ответ: вещества проходят по-разному из-за различий в свойствах и наличии белковых путей. Вода и полярные частицы часто используют каналы, а активный перенос требует энергии.

Задача 3

Клетка получила сигнал извне, после чего изменилась активность определённых генов. Опишите возможный путь передачи информации от мембраны к ядру. Важно проследить последовательность, а не утверждать, что сигнал сразу попадает в ядро. Мембрана распознаёт воздействие и запускает внутриклеточную передачу.

1. Молекула сигнала связывается с белком-рецептором на мембране или внутри клетки.
2. Рецептор изменяет активность связанных белков, и внутри клетки возникает цепь химических реакций.
3. Сигнал достигает ядра и меняет работу регуляторных белков, связанных с ДНК.
4. Активность нужных генов изменяется, поэтому образуется другое количество определённых РНК и белков.

Ответ: путь может выглядеть так: рецептор мембраны — внутриклеточные посредники — регуляторные белки ядра — изменение активности генов.

Типичные ошибки

Считать мембрану сплошной непроницаемой оболочкой. Так думают, потому что мембрану часто называют границей клетки, но граница не равна герметичной стене. Проверьте себя: вспомните о белках-переносчиках и обмене веществ между клеткой и средой.

Путать гидрофильные и гидрофобные части фосфолипидов. Ошибка возникает, если запоминать расположение хвостов без связи с их свойствами. Спросите себя, какая часть взаимодействует с водой: гидрофильные головки обращены к воде, гидрофобные хвосты избегают её.

Считать, что все вещества проходят через мембрану одинаково. Такое представление не учитывает размеры, заряд и полярность частиц, а также белки мембраны. Для проверки определите направление движения и выясните, нужен ли веществу канал, переносчик или энергия.

Называть ядрышко оболочкой ядра или отдельным органоидом. Его путают с оболочкой из-за расположения внутри ядра и заметного вида. Проверьте ответ: ядрышко не имеет собственной мембраны и связано с образованием компонентов рибосом.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что клетка состоит из взаимосвязанных структур, а вещества могут перемещаться между клеткой и окружающей средой. Это создаёт основу для понимания функций мембраны и ядра.

Строение мембраны понадобится при изучении транспорта веществ, обмена веществ и передачи сигналов в клетке. Свойства бислоя и белков объясняют, почему клетка поддерживает постоянство внутренней среды.

Понимание строения ядра необходимо для изучения хромосом, деления клетки и передачи наследственной информации. Хроматин связывает устройство ядра с хранением и реализацией генетической программы.

Что запомнить

• Основу клеточной мембраны составляет фосфолипидный бислой.
• Белки мембраны выполняют транспортные, рецепторные и другие функции.
• Мембрана обладает избирательной проницаемостью.
• Ядерная оболочка отделяет содержимое ядра от цитоплазмы.
• Через ядерные поры происходит обмен между ядром и цитоплазмой.
• В ядре находится хроматин с наследственной информацией.
• Ядрышко связано с образованием компонентов рибосом.