§ 20. Строение клетки. Клеточная мембрана

Определения и обозначения

Клетка — элементарная структурная и функциональная единица живого организма. Она имеет части, которые вместе обеспечивают обмен веществ, хранение информации и жизнедеятельность. Поэтому изучение клетки помогает понять, как устроены ткани и весь организм.

Плазматическая мембрана — оболочка клетки, отделяющая её внутреннюю среду от внешней. Она не только защищает содержимое, но и регулирует поступление веществ и удаление продуктов обмена. Благодаря мембране клетка поддерживает относительно постоянные условия внутри себя.

Фосфолипидный бислой — основа мембраны, состоящая из двух слоёв молекул фосфолипидов. Каждая такая молекула имеет водолюбивую, или гидрофильную, головку и водоотталкивающие, или гидрофобные, хвосты. Бислой создаёт гибкий барьер между двумя водными средами.

Избирательная проницаемость — свойство мембраны пропускать одни вещества и ограничивать прохождение других. Решение зависит от размера, заряда, растворимости вещества и наличия подходящего белка-переносчика. Это свойство позволяет клетке получать нужные соединения и сохранять внутреннее равновесие.

Как это устроено

Общие принципы строения клетки проявляются в трёх её основных частях: мембране, цитоплазме и наследственном аппарате. Мембрана образует границу и контролирует обмен, цитоплазма служит средой для реакций и работы органоидов, а наследственный аппарат хранит программу развития и функционирования. Такое разделение необходимо, потому что клетке одновременно нужны защита, химические реакции и управление ими.

Фосфолипиды образуют два слоя из-за двойственной природы своих молекул. Гидрофильные головки притягиваются к воде, поэтому обращены к жидкости снаружи и к водной цитоплазме внутри клетки. Гидрофобные хвосты избегают контакта с водой и оказываются друг напротив друга в середине мембраны, формируя водоотталкивающий барьер.

Жидкостно-мозаичная модель показывает мембрану как подвижную структуру, а не неподвижную плёнку. Фосфолипиды могут перемещаться в пределах своего слоя, поэтому мембрана способна изгибаться и восстанавливаться после небольших повреждений. Белки встраиваются в липидный слой или прикрепляются к его поверхности, создавая мозаичный рисунок и выполняя разные задачи.

Мембранные белки образуют каналы, насосы и переносчики, поэтому через гидрофобный барьер могут проходить ионы и полярные молекулы. Другие белки принимают сигналы от гормонов или соседних клеток и запускают ответ внутри клетки. Углеводные цепи, обычно присоединённые к белкам или липидам с наружной стороны, участвуют в распознавании и взаимодействии клеток.

Пассивный перенос происходит по градиенту концентрации: частицы движутся из области, где их больше, туда, где их меньше, без затрат энергии клетки. Так могут перемещаться некоторые молекулы непосредственно через бислой или через каналы и переносчики. Активный перенос требует энергии, потому что белок перемещает вещество против градиента, поддерживая нужную концентрацию ионoв или молекул.

Компоненты плазматической мембраны и их функции

Сначала определите, о каком компоненте спрашивается, затем сопоставьте его строение с функцией. Например, наличие гидрофобных хвостов объясняет барьерные свойства фосфолипидов, а наличие белкового канала — перенос ионов. Таблица помогает не смешивать роль основы мембраны с функциями встроенных в неё молекул.

Разбор задач

Задача 1

На схеме мембраны обозначены фосфолипидные головки, хвосты и белки. Нужно определить, какие части обращены к водной среде. Учитываем, что вода находится и снаружи клетки, и в цитоплазме.

1. Находим головки фосфолипидов и вспоминаем, что они гидрофильные.
2. Располагаем их у наружной поверхности и у стороны цитоплазмы, где есть вода.
3. Гидрофобные хвосты оставляем в середине бислоя, а белки определяем по их расположению на схеме.

Ответ: к водной среде обращены гидрофильные головки обоих слоёв; гидрофобные хвосты направлены внутрь мембраны.

Задача 2

Нужно объяснить, почему небольшие неполярные молекулы проходят через мембрану легче, чем заряженные частицы. Сравним свойства веществ со строением внутренней части бислоя. Решение основано не на размере בלבד, а на способности вещества взаимодействовать с гидрофобной средой.

1. Небольшие неполярные молекулы могут растворяться в гидрофобной области хвостов и пересекать бислой.
2. Заряженные частицы взаимодействуют с водой и плохо проходят через неполярную середину мембраны.
3. Для ионов используются каналы или переносчики, которые создают подходящий путь через бислой.

Ответ: неполярные молекулы проходят легче благодаря совместимости с липидной частью, а заряженным частицам обычно необходимы транспортные белки.

Задача 3

Клетку поместили в раствор, где концентрация растворённых веществ выше, чем внутри клетки. Требуется определить направление движения воды и изменение объёма. Мембрана пропускает воду, но не все растворённые частицы проходят через неё одинаково.

1. Раствор снаружи является более концентрированным, то есть гипертоническим по отношению к клетке.
2. Вода перемещается через мембрану из области с меньшей концентрацией растворённых веществ к области с большей.
3. Вода выходит из клетки, поэтому её объём уменьшается; у животной клетки это может привести к сморщиванию.

Ответ: вода движется из клетки наружу, и клетка теряет объём. Это проявление осмоса, направленного из-за разницы концентраций по обе стороны мембраны.

Типичные ошибки

Ошибка — считать мембрану сплошной липидной плёнкой без белков. Так думают, если запоминают только фосфолипидный бислой, но именно белки обеспечивают перенос многих веществ и приём сигналов. Проверка: если в объяснении нет каналов, переносчиков и рецепторов, строение мембраны описано неполно.

Ошибка — путать гидрофильные головки с гидрофобными хвостами. Её допускают, когда запоминают термины без связи с водой: головка взаимодействует с водой, а хвост избегает её. Проверка проста: головки должны быть направлены к водным средам, хвосты — друг к другу.

Ошибка — полагать, что любое вещество свободно проходит через мембрану. Проницаемость зависит от размера, заряда и полярности вещества, а также от наличия подходящего белка. Проверяйте себя вопросом: может ли частица пройти через гидрофобную середину или ей нужен канал.

Ошибка — считать, что любой перенос требует энергии. Пассивное движение по градиенту концентрации идёт без затрат АТФ, хотя может осуществляться через белковый канал. Если вещество перемещается против градиента, тогда нужно искать источник энергии и работу транспортного белка.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать признаки живого, строение фосфолипидов и различие между гидрофильными и гидрофобными частями. Эти представления объясняют, почему мембрана имеет именно такое расположение молекул. Без них трудно понять избирательную проницаемость и осмос.

Знания о мембране понадобятся при изучении транспорта веществ, осмоса и клеточной сигнализации. Они помогают объяснить, как клетка получает питательные вещества, реагирует на гормоны и поддерживает постоянство внутренней среды. На этой основе легче сравнивать прокариотические и эукариотические клетки.

Мембраны связаны с работой органоидов и компартментализацией клетки. Компартментализация означает разделение процессов по отдельным отсекам, где создаются подходящие условия для реакций. Похожий принцип позволяет мембране клетки отделять цитоплазму от внешней среды.

Что запомнить

• Плазматическая мембрана отделяет клетку от внешней среды.
• Основу мембраны составляет фосфолипидный бислой.
• Гидрофильные головки фосфолипидов обращены к водной среде.
• Мембранные белки участвуют в переносе веществ и передаче сигналов.
• Мембрана обладает избирательной проницаемостью.
• Пассивный перенос не требует затрат энергии клетки.