§12. Плазматическая мембрана. Клеточная стенка

Определения и обозначения

Плазматическая мембрана — наружная живая оболочка клетки, отделяющая цитоплазму от внешней среды и регулирующая обмен веществ. Она не просто покрывает клетку, а решает, какие вещества попадут внутрь или выйдут наружу. Поэтому мембрану называют главным пограничным и регулирующим барьером клетки.

Фосфолипидный бислой — двойной слой фосфолипидов, образующий основу мембраны. Гидрофильные головки обращены к воде, а гидрофобные хвосты скрыты внутри слоя. Такое расположение создаёт устойчивую основу, в которую могут встраиваться белки.

Мембранные белки — белки, встроенные в мембрану или связанные с её поверхностью. Они переносят вещества, принимают сигналы, соединяют клетки и ускоряют реакции. Без белков мембрана не могла бы точно управлять обменом веществ и взаимодействием клетки с окружающей средой.

Клеточная стенка — прочная внешняя оболочка клеток растений, грибов и бактерий, расположенная за пределами плазматической мембраны. Она не заменяет мембрану и не управляет всеми потоками веществ. Её главная задача — придавать клетке форму, защищать её и выдерживать механическую нагрузку.

Как это устроено

Фосфолипид имеет гидрофильную головку, взаимодействующую с водой, и гидрофобные хвосты, избегающие воды. Поэтому в водной среде молекулы сами выстраиваются в два слоя: головки обращаются к воде снаружи и внутри клетки, а хвосты сближаются друг с другом. Так уменьшается контакт хвостов с водой, и образуется устойчивый бислой.

Мембрана текучая, потому что фосфолипиды могут перемещаться в пределах своего слоя, а белки словно плавают в липидной основе. Она избирательно проницаема: небольшие неполярные молекулы проходят легче, а ионам и крупным полярным веществам часто нужны белки-переносчики. При небольшом повреждении соседние фосфолипиды смещаются и закрывают разрыв, поэтому мембрана способна к самовосстановлению.

Мембранные белки образуют каналы и переносчики для веществ, а рецепторы связываются с определёнными сигналами, например гормонами. Белки соседних клеток могут соединяться и обеспечивать межклеточные контакты. Ферментативные белки ускоряют реакции, поскольку удерживают реагирующие молекулы в подходящем положении.

При диффузии частицы перемещаются из области большей концентрации в область меньшей без затрат энергии. Осмос — это движение воды через избирательно проницаемую мембрану, обычно в сторону раствора с большей концентрацией растворённых веществ. Облегчённая диффузия также идёт по градиенту, но через канал или переносчик, а активный транспорт требует энергии АТФ и может перемещать вещества против градиента.

Клеточная стенка придаёт клетке форму и распределяет механическую нагрузку, поэтому она лучше выдерживает давление. При поступлении воды внутрь клетка увеличивается, но стенка сопротивляется её растяжению и препятствует разрыву мембраны. У растений возникающее внутреннее давление называют тургором; оно помогает поддерживать упругость тканей.

Сравнение плазматической мембраны и клеточной стенки

Таблица помогает не смешивать две оболочки: мембрана регулирует обмен, а стенка главным образом укрепляет клетку. При сравнении сначала определите расположение и состав структуры, затем сопоставьте её проницаемость и функции. Особенно полезно помнить, что у животных есть мембрана, но нет клеточной стенки.

Разбор задач

Задача 1

Условие: объясните, почему фосфолипидный бислой образуется в воде и какие части фосфолипидов обращены наружу. Нужно связать расположение частей молекулы с их свойствами.

1. Определите свойства частей фосфолипида: головка гидрофильна, а хвосты гидрофобны.
2. Учтите, что вода находится по обе стороны мембраны, поэтому головки контактируют с водной средой.
3. Сделайте вывод: хвосты прячутся внутрь бислоя, где соприкасаются друг с другом и меньше взаимодействуют с водой.

Ответ: бислой образуется самопроизвольно, потому что гидрофильные головки притягиваются к воде, а гидрофобные хвосты избегают её. Наружу, к водным средам, обращены головки; хвосты направлены внутрь.

Задача 2

Условие: определите, каким способом переместятся молекулы кислорода, ионы натрия и вода при наличии или отсутствии градиента концентрации. Нужно различить прямое прохождение, осмос и перенос с участием белков и энергии.

1. Кислород — небольшая неполярная молекула, поэтому при разности концентраций он проходит через липидный слой простой диффузией, без АТФ.
2. Вода движется через мембрану по осмосу: из области с меньшей концентрацией растворённых веществ в область с большей, если мембрана пропускает воду.
3. Ионы натрия не проходят через гидрофобную середину напрямую. По градиенту они перемещаются через канал облегчённой диффузией, а против градиента — с помощью активного транспорта и затрат АТФ.
4. Если градиента нет, направленного пассивного перемещения не будет; активный перенос всё равно возможен, если клетка расходует энергию.

Ответ: кислород проходит простой диффузией, вода — осмосом, а натрий — через белковые каналы или переносчики. Направление и необходимость энергии определяются градиентом концентрации.

Задача 3

Условие: сравните растительную и животную клетки в гипотоническом растворе, то есть в растворе с меньшей концентрацией растворённых веществ, чем внутри клетки. Объясните, почему растительная клетка обычно не разрывается.

1. Вода поступает в обе клетки по осмосу, поскольку внутри относительно больше растворённых веществ.
2. Животная клетка окружена только мембраной: при чрезмерном поступлении воды она увеличивается и может разорваться.
3. У растительной клетки вода также увеличивает объём содержимого, но мембрана упирается в прочную клеточную стенку.
4. Сопротивление стенки создаёт тургор и ограничивает растяжение, поэтому клетка обычно не лопается.

Ответ: обе клетки набухают, но растительную от разрыва защищает клеточная стенка. Животная клетка лишена такой опоры и потому более уязвима.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Клеточную стенку считают частью плазматической мембраны, потому что обе структуры окружают клетку. На самом деле стенка находится снаружи и имеет другой состав и функции. Проверьте себя вопросом: регулирует ли структура перенос веществ или в основном укрепляет клетку?

Ошибка 2. Иногда считают, что через мембрану свободно проходят любые вещества. Это неверно: мембрана избирательно проницаема, а крупным молекулам и ионам часто нужны белки. Если вещество заряжено, крупно или полярно, ищите механизм белкового транспорта.

Ошибка 3. Диффузию путают с активным транспортом, поскольку оба процесса перемещают вещества. Диффузия идёт по градиенту без затрат энергии, а активный транспорт может идти против него и требует АТФ. Для проверки назовите направление движения и источник энергии.

Ошибка 4. Утверждение, что клеточная стенка есть у всех клеток, связано с её внешним расположением. У животных клеток стенки нет: их форму и контакты обеспечивает плазматическая мембрана вместе с другими структурами. Запомните группы организмов со стенкой: растения, грибы и бактерии.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении клетки, свойствах воды, фосфолипидах, диффузии, осмосе и роли АТФ. Позже эти представления помогут объяснить транспорт веществ, фотосинтез, клеточное дыхание, раздражимость и межклеточное взаимодействие. В практике они связаны с тургором, плазмолизом, действием солевых растворов и поступлением воды в растения.

Что запомнить

• Плазматическая мембрана отделяет клетку от внешней среды и избирательно регулирует обмен веществ.
• Основу мембраны составляет фосфолипидный бислой.
• Гидрофильные головки фосфолипидов обращены к водной среде, а гидрофобные хвосты — внутрь бислоя.
• Мембранные белки обеспечивают транспорт, рецепцию сигналов и другие функции мембраны.
• Пассивный транспорт не требует затрат энергии и идёт по градиенту концентрации.
• Клеточная стенка придаёт клетке форму, защищает её и препятствует разрыву при поступлении воды.
• У животных клеток клеточной стенки нет.