§ 13. Строение и функции мембраны. Транспорт веществ в клетке. Лизосомы и внутриклеточное пищеварение

Определения и обозначения

Плазматическая мембрана — наружная оболочка клетки, отделяющая её содержимое от внешней среды и участвующая в обмене веществ. Она не просто окружает клетку: через неё поступают нужные вещества и выводятся продукты обмена. Поэтому мембрана помогает клетке сохранять подходящие для жизни условия.

Избирательная проницаемость — свойство мембраны пропускать одни вещества и ограничивать прохождение других. Это свойство зависит от размеров и особенностей молекул, а также от наличия в мембране подходящих белков. Благодаря избирательности клетка регулирует состав своего содержимого.

Осмос — перемещение молекул воды через избирательно проницаемую мембрану в сторону раствора с большей концентрацией растворённых веществ. Например, если по разные стороны мембраны растворы неодинаковой концентрации, вода будет двигаться туда, где растворённых частиц больше. Осмос влияет на количество воды в клетке.

Лизосома — мембранный пузырёк с ферментами, расщепляющими вещества внутри клетки. Ферменты — это вещества, ускоряющие химические реакции; в лизосоме они разбирают крупные молекулы и ненужные клеточные компоненты на более простые части. Так клетка получает материал для повторного использования.

Как это устроено

Основу мембраны составляет двойной слой фосфолипидов. У каждой молекулы фосфолипида есть гидрофильная часть, которая взаимодействует с водой, и гидрофобная, которая её избегает. Поэтому гидрофильные части обращены к водной среде снаружи и внутри клетки, а гидрофобные собраны в середине слоя. Такая середина мешает многим растворённым в воде веществам проходить напрямую, и мембрана становится барьером.

В липидный слой встроены белки, потому что одной преграды для обмена недостаточно: клетке нужно избирательно пропускать вещества и получать сигналы. Одни белки образуют каналы или связываются с определёнными молекулами и помогают им пересечь мембрану. Другие работают как рецепторы: узнают сигнальные вещества и передают информацию внутрь клетки. Белки также участвуют в распознавании клеток, что помогает им взаимодействовать друг с другом.

Небольшие молекулы могут перемещаться через мембрану из области высокой концентрации в область низкой. Такое движение называют диффузией; оно происходит самопроизвольно, без затрат клеточной энергии, потому что частицы непрерывно движутся и распространяются из мест, где их больше. Если молекуле трудно пройти сквозь липидный слой, ей помогают белки-каналы или переносчики. Этот вариант движения по градиенту концентрации без затрат энергии называется облегчённой диффузией.

Иногда клетке нужно перенести вещество туда, где его концентрация уже выше, то есть против градиента концентрации. Само по себе такое движение не происходит, поэтому белки-переносчики используют энергию клетки: это активный транспорт. Очень крупные частицы не проходят через каналы и липидный слой. При эндоцитозе мембрана охватывает частицу и образует пузырёк внутри клетки, а при экзоцитозе пузырёк сливается с мембраной и выводит содержимое наружу.

Пузырьки, образовавшиеся при поглощении веществ, могут взаимодействовать с лизосомами. Внутри лизосом находятся ферменты, расщепляющие вещества и ненужные части клеточных структур. Это внутриклеточное пищеварение: крупные компоненты разбираются на более простые. Полученные продукты клетка может использовать снова, поэтому расщепление помогает одновременно перерабатывать материалы и избавляться от ненужного.

Основные способы переноса веществ через мембрану

Сначала определите, что именно перемещается: отдельные молекулы, вода или крупная частица. Затем выясните, движется ли вещество по градиенту или против него и участвуют ли белки либо пузырьки. Сопоставление этих признаков помогает отличить способы переноса и понять, требуется ли энергия.

Разбор задач

Задача 1. Молекулы вещества перемещаются через мембрану из области высокой концентрации в область низкой без затрат энергии. Определите способ переноса.

1. Установим направление: молекулы идут туда, где их концентрация ниже, то есть по градиенту.
2. Проверим затраты энергии: по условию энергия не используется, значит, активный транспорт исключён.
3. Уточним, есть ли белок-переносчик: этого в условии не сказано. Поэтому определяем общий способ, не приписывая процессу участие белка.

Ответ: диффузия по градиенту концентрации без затрат энергии; если переносчик не участвует, это простая диффузия.

Задача 2. Растворы с разной концентрацией разделены мембраной, пропускающей воду. Укажите, в какую сторону будет перемещаться вода и как называется этот процесс.

1. Сравним концентрации именно растворённых веществ по разные стороны мембраны.
2. При осмосе вода движется в сторону раствора, где растворённых веществ больше. Поэтому она переходит из области с меньшей концентрацией растворённых веществ к области с большей.
3. Проверим, что условие соответствует определению: мембрана пропускает воду, а движение происходит из-за различия концентраций растворов.

Ответ: вода перемещается к раствору с большей концентрацией растворённых веществ; процесс называется осмосом.

Задача 3. Клетка поглощает крупную частицу, окружая её участком мембраны; затем содержимое пузырька расщепляется ферментами. Опишите последовательность процессов и роль лизосом.

1. Сначала мембрана охватывает крупную частицу и отделяет её от внешней среды в пузырьке. Поступление вещества таким способом называется эндоцитозом.
2. Затем пузырёк оказывается внутри клетки и может соединиться с лизосомой. В лизосоме находятся ферменты, подходящие для расщепления содержимого.
3. Ферменты разбирают крупные вещества на более простые части. Клетка может использовать продукты расщепления повторно, а непригодные остатки удалить.

Ответ: эндоцитоз образует пузырёк с частицей, после чего лизосома расщепляет его содержимое ферментами. Так происходит внутриклеточное пищеварение.

Типичные ошибки

Ошибка: считать мембрану сплошной липидной плёнкой. В таком представлении теряется роль встроенных белков, через которые проходят некоторые вещества и которые работают как рецепторы. Ошибку допускают, если запоминают только основу мембраны. Проверьте себя: в объяснении переноса и распознавания клеток должны учитываться мембранные белки.

Ошибка: называть любой перенос диффузией. При диффузии вещество движется по градиенту без затрат энергии, а активный транспорт требует энергии и часто идёт против градиента. Их путают, потому что оба процесса связаны с перемещением через мембрану. Чтобы проверить себя, спросите: куда движется вещество и тратится ли энергия?

Ошибка: считать, что при осмосе движется растворённое вещество. На самом деле через мембрану при осмосе перемещается вода; это следует из самого определения процесса. Путаница возникает из-за сравнения растворов разной концентрации. Проверьте ответ вопросом: какая именно частица проходит через мембрану?

Ошибка: считать, что лизосомы только хранят вещества. В них находятся ферменты, которые расщепляют поступившие вещества и ненужные компоненты клетки. Ошибка связана с тем, что лизосома выглядит как пузырёк, но её главная роль — не хранение. Для проверки назовите, что происходит с содержимым пузырька после его соединения с лизосомой.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в мембране, нужно знать строение клетки, свойства фосфолипидов и белков. Понятия концентрации и градиента помогают объяснить, почему одни вещества движутся самопроизвольно, а другие переносятся с затратой энергии.

Мембранный транспорт связан с обменом веществ и работой клеток органов. Он помогает понять, как клетки получают необходимые вещества, удаляют продукты обмена и поддерживают постоянство внутренней среды организма.

Лизосомы связывают строение органоидов с внутриклеточным обменом. Их работа показывает, как клетка перерабатывает поступившие вещества и собственные компоненты, которые стали ненужными.

Что запомнить

• Мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов и связанных с ним белков.
• Мембрана отделяет клетку от среды и избирательно пропускает вещества.
• Диффузия идёт по градиенту концентрации без затрат энергии.
• При осмосе через мембрану перемещается вода.
• Активный транспорт требует затрат энергии.
• Крупные частицы переносятся с участием мембранных пузырьков.
• Лизосомы содержат ферменты для внутриклеточного расщепления веществ.