21.3. Строение клеточной мембраны

Определения и обозначения

Клеточная мембрана — тонкая структура, отделяющая содержимое клетки от внешней среды. Она задаёт границу клетки, но не является просто стенкой: через мембрану клетка взаимодействует с окружением. Представление о её строении помогает понять, как устроена эта граница.

Фосфолипид — молекула с гидрофильной головкой и гидрофобными хвостами. Гидрофильная часть взаимодействует с водой, а гидрофобная избегает контакта с ней. Поэтому молекула занимает в мембране определённое положение, а не располагается произвольно.

Фосфолипидный бислой — два слоя фосфолипидов, в которых головки обращены к водной среде, а хвосты — друг к другу. Такая организация позволяет одновременно контактировать с водными средами внутри и снаружи клетки. Бислой образует основу мембраны.

Мембранный белок — белок, связанный с мембраной или встроенный в неё. Он может занимать часть бислоя, проходить через него или располагаться на поверхности. Это понятие нужно, чтобы не представлять мембрану как слой, состоящий только из липидов.

Как это устроено

Цитоплазма клетки и её внешняя среда содержат много воды, поэтому фосфолипиды оказываются между двумя водными пространствами. Их головки взаимодействуют с водой и обращаются к ней, а хвосты избегают такого контакта. Молекулы выстраиваются двумя рядами: головки каждого ряда направлены наружу, хвосты — к середине. Так возникает бислой, в котором гидрофобные части защищены от водной среды.

Белки могут встраиваться в бислой или находиться на его поверхности. Их положение зависит от строения самого белка и от того, какие участки способны взаимодействовать с липидами и водной средой. У встроенного белка часть может находиться в гидрофобной внутренней области, а другие участки — выступать в водную среду. Поэтому на схеме важно различать белки, проходящие через мембрану, и белки, связанные только с одной её стороной.

Мембрана не является неподвижной оболочкой: липиды и некоторые белки способны перемещаться в её плоскости. Такое движение возможно потому, что компоненты образуют подвижную структуру, а не закреплённую жёсткую стенку. При этом мембрана остаётся организованной: её компоненты не сливаются в одно вещество, а располагаются рядом друг с другом. Эту особенность описывает жидкостно-мозаичная модель: «жидкостная» указывает на подвижность, «мозаичная» — на неоднородность.

На внешней поверхности мембраны могут находиться углеводные цепи, присоединённые к белкам или липидам. Они выступают в водную среду, поскольку углеводы не скрыты между гидрофобными хвостами. Такие цепи служат своеобразными метками, по которым клетки могут распознавать друг друга. Их положение позволяет отличать внешнюю сторону мембраны от внутренней.

Мембрана — единая структура из нескольких типов компонентов, а не слой одного вещества. Липиды формируют основу, белки встроены в неё или связаны с поверхностью, а холестерин также входит в состав мембран и влияет на их свойства. Соотношение этих веществ может различаться, поэтому свойства мембраны зависят не от одного компонента. При описании схемы нужно учитывать и состав, и расположение частей.

Компоненты клеточной мембраны и их особенности

При работе с таблицей сначала определите, какую часть мембраны образует каждый компонент, а затем соотнесите её с особенностями строения. Сопоставление строк показывает, что мембрана состоит из разных веществ, расположенных не случайно.

Разбор задач

Задача 1. Изобразить фосфолипид и обозначить его гидрофильную и гидрофобную части. Нужно показать строение одной молекулы и связать его с отношением к воде. Удобно использовать условный рисунок: круглая головка и два хвоста, отходящие от неё. Сначала обозначьте части, а затем проверьте, какое поведение каждой соответствует её названию.

1. Нарисуйте небольшую головку и присоедините к ней два хвоста.
2. Подпишите головку как гидрофильную: она взаимодействует с водой.
3. Подпишите хвосты как гидрофобные: они избегают контакта с водой.

Ответ: головка фосфолипида гидрофильная, хвосты гидрофобные. Такое сочетание объясняет расположение молекулы в бислое.

Задача 2. На схеме мембраны определить, какие части фосфолипидов обращены к цитоплазме и внешней среде, а какие — друг к другу. Цитоплазма и внешняя среда водные, поэтому обе стороны мембраны нужно рассматривать как контактирующие с водой. Используйте свойства частей фосфолипида, а не только их положение на рисунке. Тогда направление головок и хвостов можно проверить по отношению к водной среде.

1. Найдите на схеме бислой и отметьте области цитоплазмы и внешней среды.
2. Расположите головки к воде: с одной стороны — к цитоплазме, с другой — к внешней среде.
3. Определите, что хвосты направлены от обеих водных сред к середине бислоя и обращены друг к другу.

Ответ: головки обращены к цитоплазме и внешней среде, а хвосты — внутрь мембраны, навстречу друг другу.

Задача 3. По схеме мембраны с белками, холестерином и углеводными цепями описать её строение и указать, какие элементы расположены на внешней поверхности. Нужно сначала распознать основу мембраны, а затем определить положение добавочных компонентов. Не следует считать, что каждый белок обязательно проходит через весь бислой. Внешнюю сторону схемы можно узнать по углеводным цепям, выступающим в среду.

1. Найдите фосфолипидный бислой: головки образуют границы с водой, хвосты находятся в середине.
2. Отметьте белки в бислое и на его поверхности, а холестерин — среди фосфолипидов.
3. Найдите углеводные цепи, связанные с белками или липидами и выступающие наружу; вспомните, что некоторые компоненты способны двигаться в плоскости мембраны.

Ответ: мембрана включает бислой, белки и холестерин; на внешней поверхности выступают углеводные цепи. Подвижность части компонентов и их неоднородное расположение соответствуют жидкостно-мозаичной модели.

Типичные ошибки

Ошибка — направлять гидрофобные хвосты фосфолипидов к воде. Её допускают, если запоминают слова «головка» и «хвост», но забывают смысл терминов. Проверьте себя: головка взаимодействует с водной средой, хвосты избегают её, поэтому хвосты должны оказаться внутри бислоя.

Ошибка — изображать мембрану одним слоем фосфолипидов. Так можно представить её, если не учитывать, что водная среда есть и со стороны цитоплазмы, и снаружи клетки. Проверьте схему: у мембраны должны быть две поверхности, контактирующие с водой, а значит, два ряда головок.

Ошибка — считать, что все мембранные белки проходят насквозь через бислой. Такое представление возникает, если переносить на все белки изображение одного встроенного белка. Проверьте положение каждого элемента на схеме: часть белков может быть связана только с поверхностью.

Ошибка — представлять мембрану неподвижной и одинаковой по всей площади. Так бывает, если слово «оболочка» понимать как жёсткую стенку. Проверьте себя по термину: жидкостно-мозаичная модель предполагает подвижность некоторых компонентов и неоднородность их расположения.

Связь с другими темами

Для понимания строения мембраны нужно знать, как устроен фосфолипид, и различать гидрофильные и гидрофобные части молекул. Эти свойства объясняют, почему фосфолипиды формируют бислой, а не располагаются случайно. Представления о белках и углеводах помогают распознавать другие компоненты клеточных структур и их положение. Знание устройства мембраны пригодится при изучении транспорта веществ через неё и обмена клетки со средой.

Что запомнить

• Клеточная мембрана отделяет клетку от внешней среды.
• Основу мембраны составляет фосфолипидный бислой.
• Гидрофильные головки фосфолипидов обращены к водной среде.
• Гидрофобные хвосты обращены внутрь бислоя.
• В мембране находятся белки, а также другие компоненты, включая холестерин и углеводные цепи.
• Жидкостно-мозаичная модель учитывает неоднородность мембраны и подвижность некоторых её компонентов.