Клітинні мембрани: склад, будова, властивості і функції
~15 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Біологія — повний курс.
Рідинно-мозаїчна будова клітинної мембрани: ліпідний бішар, інтегральні й периферичні білки, холестерол, вуглеводні ланцюги; властивості (вибіркова проникність, плинність, самовідновлення) і функції поверхневого апарату клітин тварин, рослин і грибів.
Плазматична мембрана (або цитоплазматична мембрана) — тонка плівка завтовшки 7–10 нм, що оточує кожну клітину й відмежовує її вміст від зовнішнього середовища. Такі самі за будовою мембрани утворюють стінки органел — ендоплазматичної сітки, комплексу Гольджі, мітохондрій, лізосом тощо. У світловий мікроскоп мембрану не видно через її малу товщину, а в електронному мікроскопі вона має вигляд тришарової структури: два темні шари (гідрофільні ділянки) і світлий прошарок між ними (гідрофобна середина).
Ліпідний бішар — основа мембрани
Основу мембрани становить подвійний шар фосфоліпідів — ліпідний бішар. Кожна молекула фосфоліпіду має гідрофільну («водолюбну») голівку, утворену залишком фосфорної кислоти, і два гідрофобні («водобоязні») хвости з жирних кислот. Голівки звернені назовні — до міжклітинної рідини з одного боку й до цитоплазми з іншого, а хвости сховані всередину бішару. Завдяки цьому середина мембрани гідрофобна, тобто не пропускає заряджені частинки й водорозчинні речовини. Будову самої молекули фосфоліпіду ти детально розглядав(ла) в уроці «Ліпіди» курсу «Хімічний склад клітини».
Білки мембрани
У мембрані є два основні типи білків. Периферичні білки прилягають до однієї з поверхонь бішару — зовнішньої чи внутрішньої — і не занурені в гідрофобний шар. Інтегральні білки занурені в бішар частково або пронизують його наскрізь; такі наскрізні білки називають трансмембранними. Вони виконують функції каналів, переносників, насосів і рецепторів. У більшості мембран білки становлять близько половини маси, а у внутрішній мембрані мітохондрій їхня частка ще більша — понад 70 %.
Холестерол і вуглеводні ланцюги
У мембранах клітин тварин між фосфоліпідами розміщується холестерол — стероїдний ліпід, який регулює плинність і міцність мембрани. У мембранах рослин і грибів замість холестеролу є інші стероли (наприклад, ергостерол у грибів, стигмастерол у рослин). Вуглеводи в мембрані — короткі розгалужені ланцюги, приєднані до білків (глікопротеїни) або до ліпідів (гліколіпіди). Вони розташовані лише на зовнішній поверхні мембрани, тому мембрана асиметрична: зовнішній і внутрішній шари відрізняються за складом.
Суть рідинно-мозаїчної моделі
Модель запропонували С. Сінгер і Г. Ніколсон у 1972 році. Вона називається «рідинно-мозаїчною», тому що:
«рідинна» — молекули ліпідів і білків здатні рухатися в площині мембрани (обертатися, переміщуватися), тобто мембрана поводиться як в'язка рідина;
«мозаїчна» — білки розкидані в ліпідному шарі нерівномірно, як плитки мозаїки, а не вкривають його суцільним шаром.
До цього панувала модель «білок — ліпіди — білок», за якою білки нібито вкривали ліпідний шар з обох боків. Вона не могла пояснити існування трансмембранних білків і плинності мембрани, тому її замінила рідинно-мозаїчна модель.
На схемі видно, як гідрофільні голівки фосфоліпідів контактують із водою назовні й усередині клітини, а гідрофобні хвости утворюють внутрішній шар. Інтегральні білки пронизують бішар, периферичні прилягають до поверхні, холестерол вбудований між фосфоліпідами, а вуглеводні ланцюги — лише на зовнішньому боці.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Вибіркова проникність
Мембрана пропускає одні речовини й затримує інші — цю властивість називають вибірковою (селективною) проникністю. Вона зумовлена насамперед гідрофобною серединою ліпідного бішару. Малі неполярні молекули, як-от кисень () і вуглекислий газ (), легко розчиняються в ліпідному шарі й проходять крізь мембрану без додаткових пристроїв. Жиророзчинні речовини, зокрема стероїдні гормони та етанол, також безперешкодно долають бішар.
Вода () — маленька полярна молекула, вона може проходити безпосередньо крізь бішар, але значно швидше — крізь спеціальні білкові канали, які називають аквапоринами. Натомість іони (, , , ) і великі полярні молекули (глюкоза, амінокислоти) не можуть подолати гідрофобну середину самостійно: заряджена частинка «в'язне» в жирному середовищі. Їхнє транспортування потребує участі білків — каналів, переносників або насосів. Способи, якими речовини проходять крізь мембрану, ти вивчиш у наступному уроці «Транспорт речовин через мембрану: дифузія, осмос, активний транспорт».
Плинність
За температури тіла (близько 36–37 °C) ліпідний бішар поводиться як в'язка рідина. Молекули фосфоліпідів обертаються навколо своєї осі й переміщуються в площині шару — це називають латеральною дифузією. Завдяки плинності мембрани можуть зливатися одна з одною й відшнуровувати пухирці (везикули). Саме на цьому ґрунтуються ендоцитоз (поглинання речовин клітиною), екзоцитоз (виведення назовні) і внутрішньоклітинний транспорт речовин між ендоплазматичною сіткою, комплексом Гольджі та плазматичною мембраною.
На плинність впливає склад жирних кислот у фосфоліпідах. Ненасичені жирні кислоти (з подвійними зв'язками) роблять бішар більш текучим, бо подвійні зв'язки створюють «злами» в хвостах, які заважають їхньому щільному пакуванню. Насичені жирні кислоти, навпаки, знижують плинність. Холестерол у мембранах тваринних клітин виконує роль «буфера плинності»: за високих температур він обмежує рухливість ліпідів, а за низьких — запобігає надмірному застиганню, розташовуючись між хвостами й не даючи їм злипатися.
Здатність до самовідновлення
Мембрана здатна до самовідновлення (самозбирання). Якщо в ній утворився невеликий розрив, він затягується сам, бо гідрофобні хвости фосфоліпідів уникають контакту з водою й знову змикаються. Саме тому тонка голка мікропіпетки може проколоти клітину, не зруйнувавши її: отвір одразу затягується. Так само нові ділянки мембрани, синтезовані в ендоплазматичній сітці, легко вбудовуються в наявну мембрану завдяки цій властивості.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Бар'єрна, транспортна й ферментативна функції
Бар'єрна функція — найочевидніша: мембрана відмежовує вміст клітини від зовнішнього середовища, а вміст органел — від цитоплазми. Завдяки цьому всередині клітини й у різних компартментах підтримується різний хімічний склад. Транспортна функція полягає в регульованому надходженні поживних речовин і виведенні продуктів обміну. Ферментативна функція виявляється в тому, що на мембранах закріплені ферменти: на внутрішній мембрані мітохондрій — ферменти дихального ланцюга, на мембранах тилакоїдів — ферменти світлової фази фотосинтезу.
Рецепторна (сигнальна) функція
На зовнішній поверхні мембрани розташовані білки-рецептори та глікопротеїни, які розпізнають гормони, медіатори й антигени. Коли сигнальна молекула (наприклад, інсулін) зв'язується з рецептором, той змінює свою форму й запускає каскад реакцій усередині клітини. Так клітини печінки «дізнаються», що рівень глюкози в крові підвищився, і починають запасати її у вигляді глікогену. Рецепторна функція забезпечує взаємодію клітини із середовищем і з іншими клітинами.
Міжклітинні контакти
Мембрани сусідніх клітин тварин утворюють спеціалізовані контакти:
Щільні контакти — непроникні шви, які з'єднують мембрани клітин епітелію кишечнику, не даючи вмісту кишечнику просочуватися між клітинами.
Десмосоми — міцні «заклепки», що скріплюють клітини шкіри й серцевого м'яза, надаючи тканині механічної міцності.
Щілинні контакти — білкові канали, які з'єднують цитоплазми сусідніх клітин і дозволяють іонам і малим молекулам переходити безпосередньо з клітини в клітину.
Глікокалікс
Глікокалікс — це надмембранний шар, характерний для тваринних клітин. Його утворюють вуглеводні ланцюги глікопротеїнів і гліколіпідів, що стирчать назовні з мембрани. Глікокалікс виконує кілька важливих функцій:
Розпізнавання клітин свого організму й чужих (наприклад, імунна система відрізняє власні клітини від бактерій за глікопротеїнами).
Зчеплення клітин у тканини — вуглеводні ланцюги сусідніх клітин взаємодіють між собою.
Захист мембрани від механічних і хімічних пошкоджень.
У кишковому епітелії в глікокаліксі закріплені травні ферменти — це забезпечує пристінкове травлення (детальніше — у курсі «Людина»).
Функція мембрани | Як забезпечується | Приклад |
|---|---|---|
Бар'єрна | Ліпідний бішар не пропускає водорозчинні речовини | Вміст лізосоми не витікає в цитоплазму |
Транспортна | Білки-канали, переносники, насоси | Na+/K+-АТФаза викачує Na+ з клітини |
Ферментативна | Ферменти, закріплені на мембрані | АТФ-синтаза на мембрані мітохондрій |
Рецепторна | Білки-рецептори та глікопротеїни | Інсуліновий рецептор на клітинах печінки |
Міжклітинні контакти | Щільні контакти, десмосоми, щілинні контакти | Епітелій кишечнику (щільні контакти) |
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Склад поверхневого апарату
Поверхневий апарат клітини — це комплекс структур, які забезпечують зв'язок клітини із середовищем. Він складається з трьох компонентів: плазматичної мембрани, надмембранних структур (глікокалікс у тварин, клітинна стінка в рослин і грибів) і підмембранного шару цитоскелету, який зміцнює мембрану зсередини.
Клітинна стінка рослин
Клітинна стінка рослин — це міцний каркас, основу якого становлять волокна целюлози, занурені в матрикс із пектинів. У клітинах деревини стінка додатково просочується лігніном — це явище називають здерев'янінням (лігніфікацією). У клітинах корку стінка просочується суберином (опробковіння). Функції клітинної стінки:
надає клітині міцність і визначає її форму;
слугує опорою для всієї рослини;
захищає клітину від пошкоджень;
протидіє тиску вмісту клітини (тургору) — саме тому рослинна клітина у воді не лопається, на відміну від тваринної.
Важливо пам'ятати: клітинна стінка проникна для води й розчинених речовин, вона не має вибіркової проникності. Вибірковість забезпечує лише плазматична мембрана, що лежить під стінкою. Стінку будує сама клітина: целюлозу синтезують ферменти, розташовані в плазматичній мембрані, а пектини доставляються пухирцями комплексу Гольджі.
Клітинна стінка грибів
У грибів клітинна стінка складається з хітину — азотовмісного полісахариду, який надає їй міцності. У тварин клітинної стінки немає. Повне порівняння будови клітин рослин, тварин, грибів і бактерій ти вивчиш в окремому уроці «Клітини рослин, тварин, грибів і бактерій: порівняння».
Плазмодесми
Плазмодесми — це тонкі цитоплазматичні містки, які проходять крізь пори в клітинних стінках сусідніх рослинних клітин. Кожен такий місток вистелений мембраною, яка є продовженням плазматичних мембран обох клітин. Через плазмодесми переходять вода, іони, цукри, амінокислоти й сигнальні молекули. Завдяки цьому цитоплазма всіх клітин рослини сполучена в єдину систему — симпласт.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Приклад 1. Вибір однієї відповіді: твердження про білки мембрани
Завдання: Яке з наведених тверджень про білки клітинної мембрани є правильним згідно з рідинно-мозаїчною моделлю?
Білки вкривають мембрану суцільним шаром з обох боків.
Білки розташовані лише на зовнішній поверхні мембрани.
Частина білків пронизує ліпідний бішар наскрізь.
Білки утворюють середній шар між двома шарами ліпідів.
Розв'язання: Згідно з рідинно-мозаїчною моделлю (Сінгер і Ніколсон, 1972), білки не вкривають мембрану суцільним шаром, а розташовані в ліпідному бішарі мозаїчно. Інтегральні білки занурені в бішар частково або пронизують його наскрізь (трансмембранні білки). Периферичні білки прилягають до поверхні, але не утворюють суцільного шару.
Відповідь: правильне твердження — «Частина білків пронизує ліпідний бішар наскрізь».
Чому інші варіанти неправильні:
«Білки вкривають мембрану суцільним шаром з обох боків» — це застаріла модель «білок — ліпіди — білок», яка не пояснює трансмембранних білків.
«Білки розташовані лише на зовнішній поверхні мембрани» — неправильно, бо периферичні білки є і на внутрішній поверхні, а інтегральні занурені в бішар.
«Білки утворюють середній шар між двома шарами ліпідів» — середній шар мембрани гідрофобний, його утворюють хвости фосфоліпідів, а не білки.
Приклад 2. Логічні пари: компонент мембрани — функція
Завдання: Установіть відповідність між компонентом мембрани (1–4) і його функцією (А–Д).
1 — фосфоліпідний бішар; 2 — білок-канал; 3 — глікопротеїни глікокаліксу; 4 — холестерол.
А — основа мембрани й бар'єр для іонів; Б — пропускання певних іонів крізь мембрану; В — розпізнавання клітин і сигналів; Г — регуляція плинності мембрани тваринної клітини; Д — зберігання спадкової інформації.
Розв'язання: Фосфоліпідний бішар утворює основу мембрани, а його гідрофобна середина не пропускає іони — отже, 1 → А. Білок-канал пропускає певні іони крізь мембрану — 2 → Б. Глікопротеїни глікокаліксу беруть участь у розпізнаванні клітин і сигналів — 3 → В. Холестерол регулює плинність мембрани тваринної клітини — 4 → Г. Варіант Д (зберігання спадкової інформації) зайвий, це функція ДНК у ядрі.
Відповідь: 1 — А, 2 — Б, 3 — В, 4 — Г.
Приклад 3. Два твердження: глікокалікс і плазмодесми
Завдання: Оцініть правильність двох тверджень.
I. Глікокалікс утворюють вуглеводні ланцюги на зовнішній поверхні мембрани тваринних клітин.
II. Плазмодесми з'єднують цитоплазму сусідніх клітин грибів.
Варіанти відповідей: А — правильне лише I; Б — правильне лише II; В — правильні обидва; Г — неправильні обидва.
Розв'язання: Твердження I правильне — глікокалікс дійсно утворений вуглеводними ланцюгами глікопротеїнів і гліколіпідів на зовнішній поверхні мембрани тваринних клітин. Твердження II неправильне — плазмодесми є структурами рослинних клітин, а не грибів. У грибів клітинна стінка з хітину, але плазмодесми в них відсутні.
Відповідь: А — правильне лише I.
Приклад 4. Чому клітина не гине після проколу мембрани
Завдання: Чому клітина не гине, коли її мембрану проколюють тонкою мікропіпеткою?
Отвір закриває клітинна стінка.
Цитоплазма миттєво твердне.
Мембрана самовідновлюється: гідрофобні хвости фосфоліпідів знову змикаються.
Білки-рецептори утворюють пробку.
Розв'язання: Мембрана здатна до самовідновлення (самозбирання). Коли голка проколює мембрану, гідрофобні хвости фосфоліпідів, які опинилися у водному середовищі, миттєво змикаються, щоб уникнути контакту з водою. Отвір затягується, і цілісність мембрани відновлюється.
Відповідь: правильне пояснення — «Мембрана самовідновлюється: гідрофобні хвости фосфоліпідів знову змикаються».
Чому інші варіанти неправильні:
«Отвір закриває клітинна стінка» — клітинна стінка є не в усіх клітин (у тварин її немає), і вона не закриває отвір у мембрані.
«Цитоплазма миттєво твердне» — цитоплазма не твердне при проколі.
«Білки-рецептори утворюють пробку» — білки-рецептори не призначені для закриття отворів.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Вважають, що білки лежать лише на поверхні мембрани. Насправді інтегральні білки занурені в бішар або пронизують його наскрізь. Периферичні білки прилягають до поверхні, але не утворюють суцільного шару.
Малюють фосфоліпіди хвостами назовні. Насправді до води звернені гідрофільні голівки, а гідрофобні хвости сховані всередині бішару. Це ключовий принцип: гідрофобні хвости уникають контакту з водою.
Вважають холестерол компонентом мембран усіх клітин. Насправді холестерол характерний для клітин тварин. У мембранах рослин і грибів замість нього інші стероли (ергостерол, стигмастерол).
Вважають, що вуглеводні ланцюги є на обох поверхнях мембрани. Насправді вони розташовані лише на зовнішній поверхні, тому мембрана асиметрична.
Плутають глікокалікс із клітинною стінкою або приписують тваринним клітинам клітинну стінку. Глікокалікс — це надмембранний шар із вуглеводів, а клітинна стінка — міцний каркас із целюлози (рослини) або хітину (гриби). У тварин клітинної стінки немає.
Вважають клітинну стінку вибірково проникною, як мембрана. Насправді стінка пропускає воду й розчинені речовини без вибору. Вибіркову проникність забезпечує лише плазматична мембрана під стінкою.
Приписують плазмодесми клітинам тварин чи грибів. Плазмодесми — це структури рослинних клітин. Вони є цитоплазматичними містками крізь пори в клітинних стінках і з'єднують цитоплазму сусідніх рослинних клітин.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Тема 1.3 програми НМТ з біології: клітинні мембрани — склад, структура, властивості, функції. Перевіряють уміння пов'язувати будову й функції компонентів клітини.
Формати завдань
Завдання 1–24 — вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г), 0 або 1 бал. У демоваріанті 2026 року трапляються основи «два твердження» (№ 8, 14, 20) і «два судження учнів» (№ 4, 16) — кожне твердження оцінюй окремо.
Завдання 25–28 — логічні пари 1–4 → А–Д, одна буква зайва, по 1 балу за пару, до 4 балів. У демоваріанті 2026 року тема 1.3 є основною в завданні № 25. Форма добре підходить для пар «компонент мембрани → функція».
Стратегія виконання
У завданнях на логічні пари спершу з'єднай однозначні відповідності: холестерол — регуляція плинності, глікокалікс — розпізнавання клітин. Потім шукай зайвий варіант серед функцій, які належать іншим частинам клітини (наприклад, зберігання спадкової інформації — це функція ДНК у ядрі, а не мембрани). У завданнях на два твердження перевіряй кожне окремо: якщо хоча б одне неправильне, не обирай варіант «правильні обидва».
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Чому модель будови мембрани називають рідинно-мозаїчною?
Модель називають «рідинною», тому що молекули ліпідів і білків здатні рухатися в площині мембрани — обертатися й переміщуватися, тобто мембрана поводиться як в'язка рідина. «Мозаїчною» — тому що білки розкидані в ліпідному шарі нерівномірно, як плитки мозаїки, а не вкривають його суцільним шаром. Цю модель запропонували С. Сінгер і Г. Ніколсон у 1972 році.
Навіщо рослинній клітині мембрана, якщо в неї є міцна клітинна стінка?
Клітинна стінка рослин — міцний каркас, який надає форми й захищає клітину, але вона не має вибіркової проникності: пропускає воду й розчинені речовини без вибору. Вибіркову проникність забезпечує лише плазматична мембрана, яка лежить під стінкою. Саме мембрана регулює, які речовини потрапляють у клітину, а які виводяться назовні. Крім того, на мембрані розташовані рецептори, ферменти й транспортні білки, яких немає в клітинній стінці.
Чи є глікокалікс у клітинах рослин?
Ні, глікокалікс — це надмембранний шар, характерний лише для тваринних клітин. Його утворюють вуглеводні ланцюги глікопротеїнів і гліколіпідів на зовнішній поверхні мембрани. У рослин над мембраною розташована клітинна стінка з целюлози, а в грибів — з хітину. Вуглеводні ланцюги на зовнішній поверхні мембрани є і в рослин, і в грибів, але вони не утворюють такого вираженого шару, як глікокалікс тварин.
Чому кисень легко проходить крізь мембрану, а іони натрію — ні?
Кисень () — мала неполярна молекула, яка не має заряду. Вона легко розчиняється в ліпідному бішарі й проходить крізь гідрофобну середину мембрани без додаткових пристроїв. Іон натрію () — заряджена частинка, яка не може подолати гідрофобний шар: вона «в'язне» в жирному середовищі. Для транспорту іонів крізь мембрану потрібні спеціальні білки — іонні канали, переносники або насоси.
Як мембрана відновлюється після пошкодження?
Мембрана здатна до самовідновлення завдяки гідрофобній природі хвостів фосфоліпідів. Якщо в мембрані утворюється невеликий розрив, гідрофобні хвости, які опинилися у водному середовищі, миттєво змикаються, щоб уникнути контакту з водою. Це явище називають самозбиранням. Саме тому тонка голка мікропіпетки може проколоти клітину, не зруйнувавши її, — отвір одразу затягується.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Мембрана — бішар фосфоліпідів: гідрофільні голівки назовні, гідрофобні хвости всередину.
Інтегральні білки занурені в бішар або пронизують його наскрізь; периферичні прилягають до поверхні. У мембранах тварин між ліпідами міститься холестерол.
Вуглеводні ланцюги — лише на зовнішній поверхні: глікопротеїни й гліколіпіди утворюють глікокалікс тваринних клітин.
Властивості мембрани: вибіркова проникність (гідрофобна середина вільно пропускає малі неполярні молекули, як-от O₂ і CO₂, повільно — воду; іони й великі полярні молекули проходять лише за участі білків), плинність (молекули рухаються в площині шару), самовідновлення (гідрофобні хвости змикаються після розриву).
Функції мембрани: бар'єрна, транспортна, рецепторна (сигнальна), ферментативна, міжклітинні контакти (щільні контакти, десмосоми, щілинні контакти).
Поверхневий апарат: у тварин — плазматична мембрана + глікокалікс; у рослин — мембрана + целюлозна клітинна стінка + плазмодесми; у грибів — мембрана + хітинова клітинна стінка.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. Яка функція глікокаліксу забезпечує здатність імунної системи відрізняти власні клітини організму від чужорідних?
2. Який компонент поверхневого апарату характерний виключно для рослинних клітин і забезпечує сполучення їхньої цитоплазми?
3. Оцініть правильність двох тверджень про білки клітинної мембрани. I. Усі білки клітинної мембрани розташовані лише на її зовнішній поверхні. II. Інтегральні білки можуть пронизувати ліпідний бішар наскрізь.
4. Яке з наведених тверджень про розташування вуглеводних ланцюгів у плазматичній мембрані є правильним згідно з рідинно-мозаїчною моделлю?
5. У мембранах клітин якої групи організмів міститься холестерол?
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 10 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест