§12. Плазматическая мембрана. Клеточная стенка

Определения и обозначения

Плазматическая мембрана — тонкая оболочка клетки, отделяющая цитоплазму от внешней среды и обеспечивающая избирательный обмен веществ. Она не просто разделяет две среды: мембрана помогает клетке поддерживать подходящий состав внутренней среды. Благодаря избирательной проницаемости клетка может пропускать одни вещества и ограничивать поступление других.

Жидкостно-мозаичная модель описывает мембрану как подвижный бислой липидов, в который встроены белки и с которым связаны другие белки. Липиды и некоторые белки могут перемещаться в плоскости мембраны, поэтому она не похожа на неподвижную твёрдую стенку. Модель помогает объяснить одновременно гибкость оболочки и разнообразие её функций.

Клеточная стенка — прочный слой, расположенный снаружи плазматической мембраны и поддерживающий форму клетки. Она защищает клетку от механических воздействий и помогает ей сохранять целостность. Стенка есть не у всех организмов, а её состав зависит от группы, к которой относится клетка.

Мембранный транспорт — перенос веществ через мембрану, который может происходить пассивно или с затратой энергии. Направление переноса и необходимость энергии зависят от того, движется ли вещество по градиенту концентрации или против него. Различая эти варианты, можно объяснить, как клетка получает нужные вещества и регулирует их количество.

Как это устроено

Фосфолипид состоит из гидрофильной головки, которая взаимодействует с водой, и гидрофобных хвостов, которые избегают её. В водной среде молекулы располагаются так, чтобы головки контактировали с водой снаружи и со стороны цитоплазмы, а хвосты оказались защищены внутри слоя. Поэтому самопроизвольно возникает бислой, который отделяет водные среды, но остаётся гибким. Такая организация делает липидную основу барьером для многих растворённых веществ.

В мембране находятся белки с разным строением и назначением. Одни образуют каналы или переносят молекулы через бислой, другие связывают сигнальные вещества и запускают ответ клетки. Белки на поверхности также помогают клеткам распознавать друг друга и взаимодействовать с окружением. Разнообразие белков объясняет, почему мембрана может выполнять больше задач, чем простое разделение сред.

Небольшие неполярные молекулы, например кислород, растворяются в гидрофобной части мембраны и могут проходить через неё сравнительно легко. Ионы заряжены, а крупные полярные молекулы взаимодействуют с водой, поэтому внутренний гидрофобный слой для них неблагоприятен. Их перенос обычно обеспечивают белковые каналы или переносчики, подходящие по свойствам к определённым веществам. Так мембрана сочетает барьерную функцию с возможностью избирательно пропускать необходимые молекулы.

Если вещество перемещается из области, где его концентрация выше, туда, где она ниже, оно движется по градиенту концентрации. Такой пассивный перенос не требует от клетки затрат энергии, хотя для некоторых веществ ему всё равно нужны мембранные белки. Перенос из области низкой концентрации в область высокой направлен против градиента и самопроизвольно не происходит. Для активного транспорта нужны энергия и белки, которые помогают перемещать вещество в заданном направлении.

Клеточная стенка расположена снаружи плазматической мембраны, но не выполняет её работу по избирательному обмену. У растений стенка преимущественно состоит из целлюлозы, у грибов — из хитина, а у бактерий её основу обычно составляет муреин, или пептидогликан. Разный состав связан с особенностями строения и происхождения этих групп организмов. Стенка поддерживает форму и защищает клетку, тогда как поступление веществ по-прежнему регулирует мембрана.

Сравнение плазматической мембраны и клеточной стенки

Сначала определите, о какой оболочке идёт речь: мембрана прилегает к цитоплазме, а стенка лежит снаружи неё. Затем сравните состав и функции, не смешивая защиту с регуляцией обмена. Таблица также показывает, что мембрана есть у всех клеток, а стенка — не у всех.

Разбор задач

Какие вещества проходят через бислой?

Условие. Распределите кислород, ионы натрия и крупную молекулу глюкозы по способности проходить через липидный бислой без участия белков. Нужно учесть и размер частиц, и их взаимодействие с водой. Не следует считать, что все небольшие вещества проходят одинаково легко.

1. Определяем свойства кислорода: это небольшая неполярная молекула, поэтому она может растворяться в гидрофобной части бислоя и проходить через неё.
2. Ионы натрия имеют заряд, а внутренняя часть бислоя гидрофобна. Без канала или другого белка такой ион через неё свободно не проходит.
3. Глюкоза крупнее и полярна, поэтому ей также трудно пересечь липидную часть самостоятельно. Для переноса глюкозы обычно требуются мембранные белки.

Ответ. Из перечисленных веществ через бислой без участия белка легче проходит кислород. Ионы натрия и крупная полярная молекула глюкозы нуждаются в белках-переносчиках или каналах. Вывод получен по двум признакам: заряду и полярности, а также размеру молекулы.

Перенос против градиента

Условие. Вещество перемещается из области низкой концентрации в область высокой. Определите, может ли перенос быть пассивным и что для него необходимо. Направление движения нужно сравнить не с движением других частиц, а с градиентом концентрации самого вещества.

1. При движении от низкой концентрации к высокой количество вещества по пути перемещения возрастает. Значит, перенос идёт против градиента концентрации.
2. Пассивный транспорт по градиенту в этом случае невозможен: он не обеспечивает накопление вещества там, где его уже больше.
3. Нужен активный транспорт, который требует энергии и обычно осуществляется с участием специальных мембранных белков. Белок помогает перенести вещество через мембрану, а энергия позволяет совершить перенос против градиента.

Ответ. Такой перенос не является пассивным. Для него необходимы затраты энергии и, как правило, белок-переносчик или другой транспортный белок.

Оболочки разных клеток

Условие. Сравните оболочки растительной, грибной и бактериальной клеток: укажите, какие структуры есть у каждой и чем различается состав клеточных стенок. Важно отдельно назвать общую для клеток мембрану и стенку, которая имеется не у всех клеток. Сравнивать состав следует именно у стенок.

1. У всех трёх клеток есть плазматическая мембрана, которая ограничивает цитоплазму и избирательно регулирует обмен веществ.
2. У каждой из перечисленных клеток снаружи мембраны есть клеточная стенка, но её состав различается между группами.
3. У растений стенка преимущественно целлюлозная, у грибов — хитиновая, у бактерий обычно содержит муреин, или пептидогликан.

Ответ. Растительная, грибная и бактериальная клетки имеют и плазматическую мембрану, и клеточную стенку. Стенка растений состоит главным образом из целлюлозы, грибов — из хитина, бактерий — обычно из муреина; мембрана во всех случаях выполняет функцию избирательного барьера.

Типичные ошибки

Считать мембрану сплошным непроницаемым барьером — ошибка: это избирательная оболочка, а часть веществ проходит через белковые каналы и переносчики. Так думают, когда смешивают барьерную функцию с полной непроницаемостью. Проверьте себя: можете ли вы назвать вещества, которым помогают мембранные белки? Если да, мембрана не кажется вам сплошной преградой.

Путать клеточную стенку с плазматической мембраной нельзя: стенка находится снаружи и прежде всего поддерживает форму и защищает клетку. Путаница возникает, потому что обе структуры окружают клетку. Чтобы проверить себя, определите, какая из оболочек непосредственно соприкасается с цитоплазмой и регулирует избирательный перенос: это мембрана.

Утверждение, что стенка есть у всех клеток, неверно: у животных клеток её нет. Ошибку провоцирует привычка считать стенку обязательной частью любой клеточной оболочки. Проверьте принадлежность клетки к группе организмов: у растений, грибов и бактерий стенки есть, а животным клеткам она не свойственна.

Не любой перенос через мембрану требует энергии: пассивный транспорт идёт по градиенту концентрации без её затрат. Энергию часто ошибочно связывают с самим фактом пересечения мембраны. Для проверки сравните концентрации по обе стороны: движение из области высокой концентрации в область низкой может быть пассивным, а перенос против градиента требует энергии.

Связь с другими темами

Чтобы понять устройство мембраны, нужны знания о строении клетки и назначении её органоидов, а также о свойствах воды. Полезно различать полярные и неполярные молекулы: это помогает объяснить, почему вещества неодинаково проходят через липидный бислой. Такие знания связывают строение оболочки с её избирательной проницаемостью.

Понимание мембранного транспорта пригодится при изучении осмоса и перемещения веществ через клетку. Роль белков мембраны важна для объяснения клеточных контактов и иммунного распознавания. Различия оболочек бактерий помогают разбирать действие антибиотиков, направленных на бактериальные структуры.

Что запомнить

• Плазматическая мембрана отделяет клетку от внешней среды и регулирует обмен веществ.
• Основу мембраны составляет бислой фосфолипидов: гидрофильные головки обращены к воде, гидрофобные хвосты — внутрь.
• Мембранные белки участвуют в переносе веществ, приёме сигналов и распознавании.
• Пассивный транспорт идёт по градиенту концентрации и не требует затрат энергии.
• Активный транспорт может идти против градиента и требует энергии.
• Клеточная стенка находится снаружи мембраны и придаёт клетке опору и защиту.
• Состав клеточной стенки различается у растений, грибов и бактерий.