Как связано строение клеточной мембраны с ее функциями 10 класс кратко

Обновлено: 08.07.2024

Цитоплазма — обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром; подразделяется на гиалоплазму (основное вещество цитоплазмы), органоиды (постоянные компоненты цитоплазмы) и включения (временные компоненты цитоплазмы). Химический состав цитоплазмы: основу составляет вода (60–90% всей массы цитоплазмы), различные органические и неорганические соединения. Цитоплазма имеет щелочную реакцию. Характерная особенность цитоплазмы эукариотической клетки — постоянное движение (циклоз). Оно обнаруживается, прежде всего, по перемещению органоидов клетки, например хлоропластов. Если движение цитоплазмы прекращается, клетка погибает, так как, только находясь в постоянном движении, она может выполнять свои функции.

Гиалоплазма (цитозоль) представляет собой бесцветный, слизистый, густой и прозрачный коллоидный раствор. Именно в ней протекают все процессы обмена веществ, она обеспечивает взаимосвязь ядра и всех органоидов. В зависимости от преобладания в гиалоплазме жидкой части или крупных молекул, различают две формы гиалоплазмы: золь — более жидкая гиалоплазма и гель — более густая гиалоплазма. Между ними возможны взаимопереходы: гель превращается в золь и наоборот.

Функции цитоплазмы:

объединение всех компонентов клетки в единую систему,
среда для прохождения многих биохимических и физиологических процессов,
среда для существования и функционирования органоидов.

Клеточные оболочки

Клеточные оболочки ограничивают эукариотические клетки. В каждой клеточной оболочке можно выделить как минимум два слоя. Внутренний слой прилегает к цитоплазме и представлен плазматической мембраной (синонимы — плазмалемма, клеточная мембрана, цитоплазматическая мембрана), над которой формируется наружный слой. В животной клетке он тонкий и называется гликокаликсом (образован гликопротеинами, гликолипидами, липопротеинами), в растительной клетке — толстый, называется клеточной стенкой (образован целлюлозой).

Строение мембран

Все биологические мембраны имеют общие структурные особенности и свойства. В настоящее время общепринята жидкостно-мозаичная модель строения мембраны. Основу мембраны составляет липидный бислой, образованный в основном фосфолипидами. Фосфолипиды — триглицериды, у которых один остаток жирной кислоты замещен на остаток фосфорной кислоты; участок молекулы, в котором находится остаток фосфорной кислоты, называют гидрофильной головкой, участки, в которых находятся остатки жирных кислот — гидрофобными хвостами. В мембране фосфолипиды располагаются строго упорядоченно: гидрофобные хвосты молекул обращены друг к другу, а гидрофильные головки — наружу, к воде.

Помимо липидов в состав мембраны входят белки (в среднем ≈ 60%). Они определяют большинство специфических функций мембраны (транспорт определенных молекул, катализ реакций, получение и преобразование сигналов из окружающей среды и др.). Различают: 1) периферические белки (расположены на наружной или внутренней поверхности липидного бислоя), 2) полуинтегральные белки (погружены в липидный бислой на различную глубину), 3) интегральные, или трансмембранные, белки (пронизывают мембрану насквозь, контактируя при этом и с наружной, и с внутренней средой клетки). Интегральные белки в ряде случаев называют каналообразующими, или канальными, так как их можно рассматривать как гидрофильные каналы, по которым в клетку проходят полярные молекулы (липидный компонент мембраны их бы не пропустил).

Строение мембраны: А — гидрофильная головка фосфолипида; В — гидрофобные хвостики фосфолипида; 1 — гидрофобные участки белков Е и F; 2 — гидрофильные участки белка F; 3 — разветвленная олигосахаридная цепь, присоединенная к липиду в молекуле гликолипида (гликолипиды встречаются реже, чем гликопротеины); 4 — разветвленная олигосахаридная цепь, присоединенная к белку в молекуле гликопротеина; 5 — гидрофильный канал (функционирует как пора, через которую могут проходить ионы и некоторые полярные молекулы).

В состав мембраны могут входить углеводы (до 10%). Углеводный компонент мембран представлен олигосахаридными или полисахаридными цепями, связанными с молекулами белков (гликопротеины) или липидов (гликолипиды). В основном углеводы располагаются на наружной поверхности мембраны. Углеводы обеспечивают рецепторные функции мембраны. В животных клетках гликопротеины образуют надмембранный комплекс — гликокаликс, имеющий толщину несколько десятков нанометров. В нем располагаются многие рецепторы клетки, с его помощью происходит адгезия клеток.

Молекулы белков, углеводов и липидов подвижны, способны перемещаться в плоскости мембраны. Толщина плазматической мембраны — примерно 7,5 нм.

Функции мембран

Мембраны выполняют такие функции:

Важнейшее свойство мембран — избирательная проницаемость, т.е. мембраны хорошо проницаемы для одних веществ или молекул и плохо проницаемы (или совсем непроницаемы) для других. Это свойство лежит в основе регуляторной функции мембран, обеспечивающей обмен веществ между клеткой и внешней средой. Процесс прохождения веществ через клеточную мембрану называют транспортом веществ. Различают: 1) пассивный транспорт — процесс прохождения веществ, идущий без затрат энергии; 2) активный транспорт — процесс прохождения веществ, идущий с затратами энергии.

При пассивном транспорте вещества перемещаются из области с более высокой концентрацией в область с более низкой, т.е. по градиенту концентрации. В любом растворе имеются молекулы растворителя и растворенного вещества. Процесс перемещения молекул растворенного вещества называют диффузией, перемещения молекул растворителя — осмосом. Если молекула заряжена, то на ее транспорт влияет и электрический градиент. Поэтому часто говорят об электрохимическом градиенте, объединяя оба градиента вместе. Скорость транспорта зависит от величины градиента.

Можно выделить следующие виды пассивного транспорта: 1) простая диффузия — транспорт веществ непосредственно через липидный бислой (кислород, углекислый газ); 2) диффузия через мембранные каналы — транспорт через каналообразующие белки (Na + , K + , Ca 2+ , Cl - ); 3) облегченная диффузия — транспорт веществ с помощью специальных транспортных белков, каждый из которых отвечает за перемещение определенных молекул или групп родственных молекул (глюкоза, аминокислоты, нуклеотиды); 4) осмос — транспорт молекул воды (во всех биологических системах растворителем является именно вода).

Необходимость активного транспорта возникает тогда, когда нужно обеспечить перенос через мембрану молекул против электрохимического градиента. Этот транспорт осуществляется особыми белками-переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Источником энергии служат молекулы АТФ. К активному транспорту относят: 1) Na + /К + -насос (натрий-калиевый насос), 2) эндоцитоз, 3) экзоцитоз.

Работа Na + /К + -насоса. Для нормального функционирования клетка должна поддерживать определенное соотношение ионов К + и Na + в цитоплазме и во внешней среде. Концентрация К + внутри клетки должна быть значительно выше, чем за ее пределами, а Na + — наоборот. Следует отметить, что Na + и К + могут свободно диффундировать через мембранные поры. Na + /К + -насос противодействует выравниванию концентраций этих ионов и активно перекачивает Na + из клетки, а K + в клетку. Na + /К + -насос представляет собой трансмембранный белок, способный к конформационным изменениям, вследствие чего он может присоединять как K + , так и Na + . Цикл работы Na + /К + -насоса можно разделить на следующие фазы: 1) присоединение Na + с внутренней стороны мембраны, 2) фосфорилирование белка-насоса, 3) высвобождение Na + во внеклеточном пространстве, 4) присоединение K + с внешней стороны мембраны, 5) дефосфорилирование белка-насоса, 6) высвобождение K + во внутриклеточном пространстве. На работу натрий-калиевого насоса тратится почти треть всей энергии, необходимой для жизнедеятельности клетки. За один цикл работы насос выкачивает из клетки 3Na + и закачивает 2К + .

Эндоцитоз — процесс поглощения клеткой крупных частиц и макромолекул. Различают два типа эндоцитоза: 1) фагоцитоз — захват и поглощение крупных частиц (клеток, частей клеток, макромолекул) и 2) пиноцитоз — захват и поглощение жидкого материала (раствор, коллоидный раствор, суспензия). Явление фагоцитоза открыто И.И. Мечниковым в 1882 г. При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивание, края ее сливаются, и происходит отшнуровывание в цитоплазму структур, отграниченных от цитоплазмы одиночной мембраной. К фагоцитозу способны многие простейшие, некоторые лейкоциты. Пиноцитоз наблюдается в эпителиальных клетках кишечника, в эндотелии кровеносных капилляров.

Экзоцитоз — процесс, обратный эндоцитозу: выведение различных веществ из клетки. При экзоцитозе мембрана пузырька сливается с наружной цитоплазматической мембраной, содержимое везикулы выводится за пределы клетки, а ее мембрана включается в состав наружной цитоплазматической мембраны. Таким способом из клеток желез внутренней секреции выводятся гормоны, у простейших — непереваренные остатки пищи.

Клеточная мембрана называется плазмалеммой или плазматической мембраной. Главные функции клеточной мембраны – поддержание целостности клетки и осуществление взаимосвязи с внешней средой.

Строение

Клеточные мембраны состоят из липопротеиновых (жиробелковых) структур и имеют толщину в 10 нм. Стенки мембран образованы липидами трёх классов:

фосфолипидами– соединениями фосфора и жиров;
гликолипидами– соединениями липидов и углеводов;
холестеролом (холестерином) – жирным спиртом.

Эти вещества образуют жидкостно-мозаичную структуру, состоящую из трёх слоёв. Фосфолипиды формируют два внешних слоя. Они имеют гидрофильную головку, от которой отходят два гидрофобных хвостика. Хвостики повёрнуты внутрь структуры, образуя внутренний слой. При встраивании холестерола в хвостики фосфолипидов мембрана приобретает жёсткость.

Рис. 1. Строение мембраны.

Между фосфолипидами встроены гликолипиды, выполняющие рецепторную функцию, и белки двух видов:

периферические(внешние, поверхностные) – находятся на липидной поверхности, не проникая вглубь мембраны;
интегральные– встроены на разные уровни, могут пронизывать всю мембрану, только внутренний или наружный липидный слой;

Все белки отличаются по своей структуре и выполняют разные функции. Например, глобулярные белковые соединения имеют гидрофобно-гидрофильную структуру и выполняют транспортную функцию.

Определение

Значение мембраны просто огромно, ведь она не просто отделяет одну клетку от другой, но и обеспечивает взаимодействие клетки, как с другими клетками, так и окружающей средой.

История исследования

В 1935 году еще одна пара исследователей клеточной мембраны, на этот раз американцы Даниэль и Доусон после целой серии долгих экспериментов установили содержание белка в клеточной мембране. Иначе никак нельзя было объяснить, почему мембрана обладает таким высоким показателем поверхностного натяжения. Ученые остроумно представили модель клеточной мембраны в виде сэндвича, в котором роль хлеба играют однородные липидо-белковые слои, а между ними вместо масла – пустота.

В 1950 году с появлением электронного микроскопа теорию Даниэля и Доусона удалось подтвердить уже практическими наблюдениями – на микрофотографиях клеточной мембраны были отчетливо видны слои из липидных и белковых головок и также пустое пространство между ними.

И только в 1972 году американские биологи С. Сингер и Г. Николсон смогли объяснить нестыковки теории Робертсона с помощью новой жидкостно-мозаичной модели клеточной мембраны. В частности они установили что клеточная мембрана не однородна по своему составу, более того – ассиметрична и наполнена жидкостью. К тому же клетки пребывают в постоянном движении. А пресловутые белки, которые входят в состав клеточной мембраны имеют разные строения и функции.

Рисунок клеточной мембраны.

Свойства и функции

Теперь давайте разберем, какие функции выполняет клеточная мембрана:

Барьерная функция клеточной мембраны – мембрана как самый настоящий пограничник, стоит на страже границ клетки, задерживая, не пропуская вредные или попросту неподходящие молекулы

Транспортная функция клеточной мембраны – мембрана является не только пограничником у ворот клетки, но и своеобразным таможенным пропускным пунктом, через нее постоянно проходит обмен полезными веществами с другими клетками и окружающей средой.

Матричная функция – именно клеточная мембрана определяет расположение органоидов клетки относительно друг друга, регулирует взаимодействие между ними.

Механическая функция – отвечает за ограничение одной клетки от другой и параллельно за правильно соединение клеток друг с другом, за формирование их в однородную ткань.

Защитная функция клеточной мембраны является основой для построения защитного щита клетки. В природе примером этой функции может быть твердая древесина, плотная кожура, защитный панцирь у черепахи, все это благодаря защитной функции мембраны.

Энергетическая функция – фотосинтез и клеточное дыхание были бы невозможны без участия белка, содержащегося в клеточной мембране. Именно через белковые каналы происходит важный клеточный энергообмен, в этом заключаются самые главные функции белка в клеточной мембране.

Рецепторная функция – и опять возвращаемся к белкам мембраны, помимо собственно энергообмена они обладают еще одной очень важной функцией – они служат рецепторами клеточной мембраны, благодаря которым клетка получает сигнал от гормонов и нейромедиаторов. Все это необходимо для нормального течения гормональных процессов и проведения нервного импульса.

Ферментативная функция – еще одна важная функция, осуществляемая некоторыми белками клетки. Например, благодаря этой функции в эпителии кишечника происходит синтез пищеварительных ферментов.

Также помимо всего этого через клеточную мембрану осуществляется клеточный обмен, который может проходить тремя разными реакциями:

Строение

В клеточной мембране имеются липиды трех классов:

фосфолипиды (представляются собой комбинацию жиров и фосфора),
гликолипиды (представляют собой комбинацию жиров и углеводов),
холестерол.

Фосфолипиды и гликолипиды в свою очередь состоят из гидрофильной головки, в которую отходят два длинных гидрофобных хвостика. Холестерол же занимает пространство между этими хвостиками, не давая им изгибаться, все это в некоторых случаях делает мембрану определенных клеток весьма жесткой. Помимо всего этого молекулы холестерола упорядочивают структуру клеточной мембраны.

Но как бы там ни было, а самой важной частью строения клеточной мембраны является белок, точнее разные белки, играющие различные важные роли. Несмотря на разнообразие белков содержащихся в мембране есть нечто, что их объединяет – вокруг всех белков мембраны расположены аннулярные липиды. Аннулярные липиды – это особые структурированные жиры, которые служат своеобразной защитной оболочкой для белков, без которой они бы попросту не работали.

Структура клеточной мембраны имеет три слоя: основу клеточной мембраны составляет однородный жидкий билипидный слой. Белки же покрывают его с обеих сторон наподобие мозаики. Именно белки помимо описанных выше функций также играют роль своеобразных каналов, по которым сквозь мембрану проходят вещества, неспособные проникнуть через жидкий слой мембраны. К таким относятся, например, ионы калия и натрия, для их проникновения через мембрану природой предусмотрены специальные ионные каналы клеточных мембран. Иными словами белки обеспечивают проницаемость клеточных мембран.

Если смотреть на клеточную мембрану через микроскоп, мы увидим слой липидов, образованный маленькими шарообразными молекулами по которому плавают словно по морю белки. Теперь вы знаете, какие вещества входят в состав клеточной мембраны.

Конспект и Презентация к уроку по биологии для учеников 10-11 классов химико-биологического профиля.

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

Цель: сформировать понятие о клеточной мембране

Строение и функции Клеточной мембраны

Интеллект-карта Клетка Клеточная мембрана клеточная стенка ядро гиалоплазма органоиды включения цитоплазма Протоплазма

Задача кетки : КОНЦЕНТРАЦИЯ 1 КЛЕТКА Внешняя среда КОНЦЕНТРАЦИЯ 2

Фосфолипиды Гидрофильная головка Гидрофобные хвостики

Фосфолипиды на границе двух сред

Фосфолипиды в водной среде

Фосфолипиды в плазмалемме ? Внешняя среда Внутренняя среда

Фосфолипиды в плазмалемме Внешняя среда Внутренняя среда

Клетки лука под микроскопом

Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны

Словарь терминов Клетка – Клеточная стенка – Плазматическая мембрана – Фосфолипиды – Периферические белки – Интегральные белки – Гликокаликс -

Предварительный просмотр:

Учитель: Бородуля А.А.

Класс: 11 а (хим-био)

Цель: сформировать понятие о клеточной мембране

сформировать у учащихся знания о химическом составе плазматической мембраны;
сформировать у учащихся знания о структуре плазматической мембраны;
ознакомить учащихся с основными функциями, выполняемыми мембраной;
сформировать знания о взаимосвязи функциональных особенностей мембраны со свойствами химических веществ, входящих в ее состав.
провести лабораторную работу по изучению полупроницаемости плазматической мембраны.

способствовать развитию исследовательских умений обучающихся: увидеть проблему, составить план решения выявленной проблемы;
способствовать развитию логического мышления, познавательной активности учащихся;
продолжить формирование умений работы с лабораторным оборудованием;
продолжить формирование навыков самостоятельного изучения и закрепления знаний по биологии с использованием информационных технологий.

воспитание сознательного, бережного отношения к школьному имуществу;
воспитывать интерес к предмету биология;
показать, что познание свойств живого организма возможно только при интеграции знаний, полученных различными науками.

Организационный момент.
Актуализация знаний.

- изучение какого раздела мы начали на прошлом уроке? (клетка)

- какая наука занимается изучением клеток? (цитология)*

- какие два типа веществ образую клетку? (минеральные и органические)

- что относят к неорганическим веществам? (вода и минеральные соли)

- какие вещества являются органическими? (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты)

- что из себя представляет структура клетки? (клеточная мембрана и протопласт: цитоплазма и ядро)

III. Изучение нового материала.

* Опарин Александр Иванович сказал, что после того как появились мембраны…из супа, варившегося в морях могли сформироваться первые живые организмы. На основании чего ученый пришел к такому утверждению? (Мембрана отграничивает клеточное содержимое от внешней среды).

* Одной из задач клетки в течение жизни является поддержание различной концентрации солей во внутриклеточной и внеклеточной жидкостях. Как только клетка теряет способность поддерживать разность концентраций, она погибает.

Функцию барьера выполняет плазматическая мембрана. С одной стороны мембрана контактирует с внеклеточной жидкостью и с другой стороны с внутриклеточной жидкостью. Давайте подумаем, какие вещества обеспечивают мембране выполнение барьерной функции между водными средами? И почему? (липиды, они гидрофобны) Вы абсолютно правы. Этот факт установлен экспериментально. В состав мембраны клетки входят фосфолипиды. Какое строение имеют фосфолипиды? (гидрофильные полярные головки и 2 неполярных гидрофобных хвоста). Если фосфолипиды расположить на границе двух сред, каким образом они выстроятся? (хвостами вверх, т.к. они гидрофобные, а головки будут находиться в жидкости, т.к. они гидрофильные). Каково будет расположение липидов, если мы опустим их в водную среду? (Гидрофильные головки расположатся кнаружи, гидрофобные хвостики будут находиться внутри). А как будут расположены липиды в мембране? Если она с одной стороны контактирует с внеклеточной жидкостью, а с другой стороны – с клеточной? Сколько слоев липидов должно быть, по вашему мнению? (два, хвостики обращены внутрь друг к другу, головки соприкасаются с жидкостями). Верно, экспериментально установлено, что площадь поверхности липидов выделенных из мембраны в один слой на поверхность воды в два раза больше поверхности клетки. По вашей гипотезе мембрана состоит из фосфолипидов, которые не пропускают водные растворы в клетку и из клетки. Я предлагаю экспериментально подтвердить или опровергнуть нашу гипотезу строения мембраны. Проведем лабораторную работу. Перед вами на столах имеется всё необходимое оборудование и инструктивные карточки, по которым вы должны работать.

Что произошло с цитоплазмой после добавления раствора натрий хлор? (Она отходит от клеточных стенок). Почему? (Вода из цитоплазмы клетки будет переходить в окружающую среду, где концентрация соли больше. Объем цитоплазмы при этом уменьшится, и она начнет отходить от клеточных стенок). Данное явление называется плазмолизом. Затем, когда под покровное стекло вы добавили воду, что произошло? (Вода начнет поступать в цитоплазму (где концентрация соли больше, чем в дистиллированной воде), которая в результате займет прежний объем). Это явление называют деплазмолизом.

Какой вывод мы делаем? Практика опровергает предложенную нами структуру? Каких веществ не хватает? (осуществляющих транспортную функцию). Какие молекулы могут выполнять транспортную функцию? (белки). Как должны быть расположены белки в липидном слое? И так, какую структуру имеет по нашей гипотезе мембрана? (два слоя липидов, пронизанных белками).

В 1972 г. Сингер и Николсон установили, что структура мембраны состоит из билипидного слоя с плавающими в нем и образующими мозаику белками. Эта структура получила название жидкостно-мозаичной модели строения мембраны.

Липидный бислой состоит главным образом из молекул фосфолипидов. Благодаря тому, что гидрофобная часть молекулы фосфолипида отталкивает воду, но притягивается к подобным частям таких же молекул, фосфолипиды имеют природное свойство прикрепляться друг к другу в толще мембраны. Гидрофильная часть с фосфатной группой образует две мембранные поверхности: наружную, которая контактирует с внеклеточной жидкостью, и внутреннюю, которая контактирует с внутриклеточной жидкостью.

Середина липидного слоя непроницаема для ионов и водных растворов глюкозы и мочевины. Жирорастворимые вещества, включая кислород, углекислый газ, алкоголь, напротив, легко проникают через эту область мембраны.

Белки клеточных мембран. Различают два типа мембранных белков: (1) интегральные, которые пронизывают мембрану насквозь; (2) периферические, которые выступают только над одной ее поверхностью, не достигая другой. Многие интегральные белки формируют каналы (или поры), через которые во внутри- и внеклеточную жидкость могут диффундировать вода и водорастворимые вещества, особенно ионы. Другие интегральные белки функционируют как белки-переносчики, осуществляя транспорт веществ, для которых липидный бислой непроницаем. Иногда белки-переносчики действуют в направлении, противоположном диффузии, такой транспорт называют активным. Некоторые интегральные белки являются ферментами.

Интегральные белки мембраны могут служить также рецепторами для водорастворимых веществ. Образом, интегральные белки, встроенные в клеточную мембрану, вовлекают ее в процесс передачи информации о внешней среде внутрь клетки.

Молекулы периферических мембранных белков часто бывают связаны с интегральными белками. Большинство периферических белков являются ферментами или играют роль диспетчера транспорта веществ через мембранные поры.

На поверхности мембраны образуется наружный рецепторный слой углеводов – гликокаликс . Образование гликокаликса, так же как и клеточных стенок растений, происходит благодаря жизнедеятельности самих клеток. Гликолипиды, гликопротеиды, липопротеиды распознают вещества, которые находятся вокруг клетки.

Читайте также: