Продолжение КЭС 2.3: Плазматическая мембрана (плазмалемма). Структура плазматической мембраны. Транспорт веществ через плазматическую мембрану: пассивный (диффузия, облегчённая диффузия), активный (первичный и вторичный активный транспорт). Полупроницаемость мембраны. Работа натрий-калиевого насоса. Эндоцитоз: пиноцитоз, фагоцитоз. Экзоцитоз. Клеточная стенка. Структура и функции клеточной стенки растений, грибов.
Теория соответствует ключам ФИПИ.
Оболочка клетки состоит из плазматической мембраны (плазмалеммы) и надмембранного комплекса.
"Слово "оболочка" в значении "клеточная стенка" сейчас не используют. У растений и грибов оболочка клетки состоит из плазматической мембраны и клеточной стенки, у животных - только из плазматической мембраны, а у бактерий - по-разному. Например, у грамотрицательных - из мембраны+клеточной стенки+дополнительной липидной капсулы.
В первой части ЕГЭ мы уходим от двойных трактовок. При ответе участника экзамена считаем не стоит считать ошибкой." Рохлов
Плазматическая мембрана
Плазматическая мембрана состоит из:
1) двойного слоя фосфолипидов (фосфолипиды повернуты неполярными хвостами друг к другу, а полярными головками к окружающей воде);
2) мембранных белков
- пронизывающие белки являются рецепторами и каналами;
- погруженные белки являются ферментами.
Плазматическая мембрана животной клетки
Фосфолипид – это молекула липидной природы, состоящая из двух частей: гидрофильной головки (растворимой в воде) и гидрофобного хвоста (нерастворимого в воде). За счёт такой полярности фосфолипиды сами по себе выстраиваются так, что их гидрофильные головки обращены наружу (к воде), а гидрофобные хвосты - внутрь. За счёт фосфолипидов мембрана обладает текучестью и пластичностью. Фосфолипиды составляют основу любой мембраны. Мембранные белки располагаются на поверхности
"У бактерий могут быть выпячивания мембран и внутренние мембранные системы. Но мезосомы - это артефакты. В живых бактериях нет этих структур, их упоминание будет ошибкой." Рохлов. И вообще, в ЕГЭ считается, что мезосом не существует, и нет вопросов, на которые нужно отвечать мезосомы.
Функции плазматической мембраны
1) Барьерная – отделяет содержимое клетки (цитоплазму) от внешней среды.
2) Рецепторная (сигнальная) – мембранные белки при изменении условий снаружи клетки или при присоединении какого-либо сигнального вещества (гормона, нейромедиатора) обратимо денатурируют и передают сигнал в клетку.
3) Ферментативная – например, пищеварительные ферменты встроены в мембрану клеток кишечника, ферменты фотосинтеза встроены в мембрану цианобактерии.
2) Транспортная – обеспечивает перенос веществ.
Мембрана обладает избирательной проницаемостью (регулирует обмен веществ между клеткой и окружающей средой). Регуляцию осуществляют мембранные белки:
- каждый из них переносит только одно определенное вещество (специфичность),
- при изменении условий белок может изменить (прекратить) свою работу (денатурация).
Мембранный транспорт
Существует 2 вида мембранного транспорта мелких частиц: пассивный и активный.
1) ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ идет без затрат энергии по градиенту концентрации из области с высокой концентрацией вещества в область с низкой.
- Простая диффузия: вещества с небольшими молекулами, например, газы воздуха и вода могут проходить непосредственно между фосфолипидами без участия белков (так транспортируется O2, N2, CO2, H2O, мочевина). Диффузия воды через мембрану в сторону более высокой концентрации веществ называется осмос.
- В пресной воде вода за счёт осмоса постоянно заходит внутрь клеток. Эритроцит наполняется водой до отказа и лопается. У пресноводных простейших для удаления лишней воды имеется сократительная вакуоль.
- В пересолёной воде вода за счёт осмоса выходит из эритроцита, и он сморщивается. Пресноводные простейшие стремятся уйти из области с высокой концентрацией солей.
- Облегченная диффузия: осуществляется за счет белков-переносчиков без затрат энергии. Например, так транспортируется глюкоза.
- Канальцевая диффузия. Фиксированные в мембране молекулы переносчиков могут образовывать щель. При этом переносимые частицы перемещаются по градиенту концентрации, но быстрее, чем при обычной диффузии.
- Транспорт с помощью белка-переносчика: вещество проходит через специальные белковые каналы, которые могут открываться и закрываться при контакте с молекулой, которую они должны пропускать (ионы K+ и Na+ в нервных клетках).
2) АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ идёт с затратой энергии АТФ против градиента концентрации из области с более низкой концентрацией в область с более высокой.
- Белки-каналы переносят вещества с затратой энергии. Например, белок-канал натрий-калиевая АТФ-аза выкачивает из клетки ионы натрия и закачивает ионы калия.
Для транспорта крупных частиц (кусочков пищи, микробов) и капель жидкости выделяют такие понятия:
ЭКЗОЦИТОЗ – выделение вещества в составе экзоцитарного пузырька, который отпочковывается от аппарата Гольджи (например, выбрасывание инсулина из клетки в кровь);
ЭНДОЦИТОЗ – поглощение вещества путём его слияния с мембраной, в результате чего образуется эндоцитарный пузырёк и попадает в цитоплазму.
- Фагоцитоз (открыл И.И. Мечников) – для твёрдых частиц: мембрана обволакивает частицу, образуется фагоцитарный пузырёк (фагосома)
- Пиноцитоз – для жидкостей: мембрана впячивается, образуется пиноцитарный пузырёк
Фагоцитоз Пиноцитоз
Структура клетки, участвующую в этих процессах - плазматическая мембрана. Какие преобразования в клетке далее произойдут с бактерией? Фагоцитозный пузырёк сольётся с лизосомой, его содержимое подвергнется перевариванию до мономеров (расщеплению, лизису), образовавшиеся мономеры поступят в цитоплазму
Осмос и осморегуляция
Осмос – это движение воды через плазматическую мембрану в сторону более высокой концентрации веществ. То есть вода стремится РАЗБАВИТЬ всё вокруг – УРАВНЯТЬ КОНЦЕНТРАЦИИ.
Осморегуляция – совокупность процессов в организме, направленных на поддержание постоянного осмотического давления, т.е. устойчивого обводнения клеток.
Примеры:
- если поместить клетку кожицы лука в раствор с солью, то вода начнёт сама выходить из клетки, потому что концентрация соли снаружи будет выше – значит вода будет стремится разбавить эту соль
- если ввести человеку в кровь не физраствор, а что-то более солёное, то эритроциты крови начнут терять воду и сморщатся, т.к. вода будет выходить из клетки в сторону более солёной среды
- амёба, живущая в пресной реке, постоянно испытывает избыточное поступление воды, т.к. концентрация солей в амёбе намного выше, чем в пресной воде, и вода стремится уравновесить цитоплазму амёбы с собой; чтобы этого не допустить, амёба откачивает излишки воды через сократительную вакуоль
Таким образом, среда (раствор), в которой находится клетка, может быть в трёх состояниях:
1) Гипертонический раствор – когда концентрация веществ (соли, сахара..) раствора больше, чем концентрация этих же веществ внутри клетки
- типичная гипертоническая среда – море или океан (солёные)
2) Гипотонический раствор – когда концентрация веществ ниже, чем в клетке
- типичная гипотоническая среда – река или озеро (пресные)
3) Изотонический раствор – когда концентрации равны
В животных клетках (без клеточной стенки) попадание в гипертонический раствор приведёт к выходу воды и сморщиванию клетки. Попадание в гипотонический раствор – клетка раздувается и лопается.
В растительных и грибных клетках (с клеточной стенкой) такие процессы называются плазмолиз и деплазмолиз:
плазмолиз – отделение протопласта (цитоплазмы с мембраной) от клеточной стенки в гипертоническом растворе из-за потери воды
деплазмолиз – восстановление объема протопласта из-за возвращения воды в гипотоническом растворе.
Благодаря клеточной стенке растительная или грибная клетка не могут лопнуть, но возникает тургор – давление воды на клеточную стенку изнутри, что препятствует дальнейшему проникновению воды в клетку. Именно тургорное давление поддерживает листья и стебли растений в упругом и выпрямленном состоянии.
У животных важную роль в осморегуляции играет выделение мочи: избыточные соли постоянно поступают в плазму крови, и чтобы не случилось обезвоживание организма, эту растворённую соль нужно выводить с мочой.
Надмембранный комплекс
У всех организмов мембрана содержит мембранные белки в комплексе с углеводами и липидами.
У всех, кроме животных, мембрана сверху покрыта твердой клеточной стенкой.
У животных клеток мембрана сверху покрыта гликокаликсом.
Гликокаликс – слой углеводов, связанных с липидами. Есть только у животных! Углеводы (гликолипиды), входящие в состав гликокаликса, специфичны для каждого типа клеток; благодаря этому клетки могут распознавать соседние клетки ⇒
Функция: узнавание соседних клеток (межклеточная сигнализация)
"Гликокаликс - это сигнальные олигосахариды, пришитые либо к фосфолипидам (тогда они гликолипиды) либо к мембранным белкам (тогда они гликопротеиды, ну или пептидогликаны)." Рохлов
Клеточная стенка – твёрдая толстая оболочка клеток бактерий, растений и грибов.
- у бактерий она состоит из муреина
- у растений - из целлюлозы
- у грибов – из хитина
Функция: защита, опора клетки и тургор
Тургор – это состояние, когда вода за счет осмоса надувает клетку изнутри, и клеточная стенка напрягается, клетка становится упругой. Если растительная клетка находится в пересолённом растворе, то вода наоборот, выходит из клетки наружу и происходит плазмолиз (отход протопласта от клеточной стенки).
Всё, что под надмембранными структурами – это протопласт (плазматическая мембрана + цитоплазма).