Мембрана и транспорт — урок по биология

1. Строеж на мембраната

Всяка клетка е обвита с мембрана, дебела около 7–8 nm – около десет хиляди пъти по-тънка от лист хартия. Основата ѝ са фосфолипидите: всяка молекула има полярна „глава“, която се привлича от водата, и две неполярни мастни „опашки“, които водата отблъсква. Във вода такива молекули сами се подреждат в двоен слой – главите навън към водата, опашките навътре една към друга. Защо полярните и неполярните вещества не се смесват, обяснява урокът по химия Форма на молекулите и междумолекулни сили, а мазнините са описани в Химия на живота.

О

Модел на течната мозайка

Мембраната е двоен слой фосфолипиди, в който „плуват“ белтъци (Сингър и Николсън, 1972). Молекулите се движат свободно встрани – мембраната е течна, а белтъците са разпръснати като мозайка. Холестеролът (при животните) регулира колко е течна. Белтъците действат като канали, преносители, помпи, рецептори и ензими. По външната страна има въглехидратни вериги, прикачени към белтъци и липиди – по тях клетките се разпознават (напр. кръвните групи).

Пример

През 1925 г. Гортер и Грендел извличат липидите от червени кръвни телца и ги разстилат по водата в слой, дебел една молекула. Площта на слоя излиза около два пъти по-голяма от повърхността на телцата. Какво следва?

Ако мембраната беше един слой липиди, площите щяха да са равни.
Двойна площ означава, че липидите в мембраната са в два слоя – двоен липиден слой.
Иронията: и двете им измервания имат грешки, но грешките почти се компенсират и изводът се оказва верен.

2. Дифузия

О

Дифузия

Дифузията е нетното придвижване на частици от място с по-висока към място с по-ниска концентрация, причинено от хаотичното им топлинно движение. Тя е пасивна – не изразходва енергия от клетката – и продължава, докато концентрациите се изравнят. Разликата в концентрациите се нарича концентрационен градиент.

Мембраната е избирателно пропусклива: малките неполярни молекули (кислород, въглероден диоксид) минават лесно през липидите, водата – по-бавно, а и големите полярни молекули (глюкоза) – само с помощта на белтъци. Пробвай.

t = 0 s

отвън60в клетката0

Кислородът е малка неполярна молекула – минава направо през липидния слой. Белтъци не са му нужни.

💡 Всички частици започват отвън. Те се лутат напълно случайно – никоя не „знае“ накъде е по-ниската концентрация. Просто отляво има повече частици, които да се ударят в мембраната. Зелено – белтъците в мембраната.

Т

Закон на Фик

Скоростта на дифузия през мембрана е пропорционална на площта

A

и на разликата в концентрациите

\Delta c

и обратно пропорционална на дебелината

d

:

J \sim \frac{A \cdot \Delta c}{d}

. Затова органите за газообмен имат огромна площ и много тънки стени: белите дробове – около 70 m² при дебелина на преградата под 1 µm.

Както видяхме в урока Строеж на клетката, времето за дифузия расте с квадрата на разстоянието – дифузията е бърза в клетката, но безнадеждно бавна за цялото тяло.

3. Осмоза

О

Осмоза

Осмозата е дифузия на вода през полупропусклива мембрана – пропуска водата, но не и разтвореното вещество. Водата минава от по-разредения разтвор (където има повече свободна вода) към по-концентрирания. Спрямо клетката разтворът е хипотоничен (по-разреден – клетката поема вода), изотоничен (същата концентрация – без нетен поток) или хипертоничен (по-концентриран – клетката губи вода).

Животинската клетка няма стена: в хипотоничен разтвор червеното кръвно телце се подува и може да се спука (хемолиза), а в хипертоничен се свива и набръчква. Растителната клетка в хипотоничен разтвор става стегната – стената не ѝ дава да се спука и вътре се създава налягане (тургор). В хипертоничен разтвор се свива и се отделя от стената – плазмолиза.

Т

Осмотично налягане и воден потенциал

Осмотичното налягане на разреден разтвор е

\pi = icRT

(уравнение на Вант Хоф), където

c

е моларната концентрация,

i

– на колко частици се разпада веществото (глюкоза 1, NaCl 2, CaCl₂ 3), а

ic

се нарича осмоларитет. Ботаниците използват водния потенциал

\psi = \psi_s + \psi_p

:

\psi_s = -icRT

е приносът на разтвореното вещество (винаги ≤ 0), а

\psi_p

– на налягането (тургора). Водата тече от по-високия към по-ниския воден потенциал.

Пример

Защо в болниците вливат 0,9% разтвор на NaCl, а не чиста вода?

0,9% NaCl е около 0,154 mol/L. Солта се разпада на два йона: осмоларитетът е около $2 \cdot 0{,}154 \approx 0{,}31\ \mathrm{osmol/L}$ (в действителност малко по-малко, около 0,29 – йоните не са напълно независими).
Толкова е и осмоларитетът на кръвната плазма – разтворът е изотоничен и кръвните телца не се променят.
Чистата вода е силно хипотонична: водата би нахлула в червените кръвни телца и те биха се спукали.

Как да измерим водния потенциал на една ? Като я потопим в разтвори с различна концентрация и намерим онзи, в който тя нито поема, нито губи вода. Концентрацията на е обяснена в урока по химия Разтвори и концентрации.

Потопи пръчица в разтвор (mol/L захароза):

В разреден разтвор пръчицата поема вода и натежава, в концентриран – губи вода. Изпробвай няколко разтвора и начертай права.

💡 Промяната е в проценти от началната маса – така пръчици с различна маса могат да се сравняват. Точките не лягат точно на правата: в истински опит има грешки при подсушаване и претегляне. Затова се пробват повече разтвори.

4. Улеснена дифузия и активен транспорт

Йоните и молекулите, които липидите не пускат, минават през транспортни белтъци. Каналите са тесни пори за определен йон или за вода; много от тях се отварят и затварят като врати. Преносителите свързват молекулата, променят формата си и я пускат от другата страна. Ако веществото минава по градиента, това е улеснена дифузия – пак без енергия. Броят на преносителите е ограничен и при висока концентрация всички са заети – скоростта стига до таван (насищане).

О

Активен транспорт

Активният транспорт пренася вещество срещу концентрационния градиент с белтъци-помпи и изразходва енергия, обикновено АТФ. Пример: натриево-калиевата помпа изнася 3 Na⁺ и внася 2 K⁺ с една молекула АТФ. Така вътре в клетката има много калий и малко натрий – разлика, без която нервите и мускулите не могат да работят.

Отвън: 1,01

Отвън концентрацията е по-ниска, отколкото вътре: двете дифузии изнасят веществото навън. Само помпата го вкарва – срещу градиента.

💡 Вътре концентрацията е 3 mmol/L. Положителната скорост е навлизане в клетката, отрицателната – излизане. Кривите са от опростени модели в условни единици – важна е формата им: права, крива с насищане и крива, която не зависи от вътрешната концентрация.

Натриевият градиент, създаден от помпата, после „задвижва“ други преносители. В червата белтъкът SGLT1 вкарва глюкоза в клетката срещу градиента ѝ, като я пренася заедно с натрий, който се стреми навътре. Това е вторичен активен транспорт – не се изразходва направо, а за поддържане на натриевия градиент.

вид	посока	нужни белтъци	примери
проста дифузия	по градиента	не	O₂, CO₂, етанол, стероидни хормони
осмоза	водата – към по-концентрирания разтвор	не (понякога аквапорини)	вода
улеснена дифузия	по градиента	да – канали или преносители	йони през канали, глюкоза през GLUT
активен транспорт	срещу градиента, с АТФ	да – помпи	Na⁺ и K⁺, Ca²⁺, H⁺
ендо- и екзоцитоза	мехурчета от мембраната	мембраната се огъва	бактерии, капчици, ензими, хормони

5. Ендоцитоза и екзоцитоза

Едрите частици не минават през никакъв белтък – клетката ги поглъща или изхвърля с части от мембраната си. Мембраната е течна, затова може да се огъва, да се откъсва на мехурчета и да се слива с тях.

О

Ендоцитоза и екзоцитоза

При ендоцитозата мембраната обгръща частица отвън и се откъсва навътре като мехурче. Фагоцитоза („клетъчно ядене“) – поглъщане на едри частици, напр. бактерии от белите кръвни клетки; пиноцитоза („клетъчно пиене“) – на капчици течност. При рецепторната ендоцитоза се поглъщат само молекулите, свързани с определени рецептори (напр. частиците с холестерол). При екзоцитозата мехурче отвътре се слива с мембраната и изсипва съдържанието си навън – така се отделят ензими, хормони и предавателите в нервните синапси.

Пример

Амеба поглъща бактерия. Какво става с бактерията след това?

Амебата обгръща бактерията с псевдоподи и я затваря в мехурче – храносмилателна вакуола (фагоцитоза).
Лизозоми се сливат с вакуолата и изсипват в нея ензими, които разграждат бактерията.
Полезните малки молекули минават в цитоплазмата, а несмляното се изхвърля чрез екзоцитоза. Така действат и нашите бели кръвни клетки.

6. Тренажор

Осмоларитет, осмотично налягане, промяна на масата, изотонична концентрация, помпата и .

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

0{,}2\ \mathrm{M}: +6\%;\quad 0{,}4\ \mathrm{M}: -2\%

Изотонична концентрация, mol/L?

7. Мембраните около нас

0 / 6

🥒 Краставица в саламура

Краставица с маса 120 g престоява в солена саламура и губи 15% от масата си. Колко грама вода е загубила (приемете, че губи само вода)?

💉 Налягането на физиологичния разтвор

Физиологичният разтвор е 0,154 mol/L NaCl. Какво осмотично налягане би имал при 37 °C, ако солта се разпада напълно на йони? Използвайте $\pi = icRT$ с $R = 8{,}31$ и c в mol/L – резултатът е в kPa.

🥕 Отпуснат морков

Отпуснат морков с маса 50 g се оставя за нощ в чаша чиста вода и масата му нараства с 6%. Колко тежи сутринта?

⚡ Помпите в една нервна клетка

Приемете, че в мембраната на нервна клетка има 1 милион натриево-калиеви помпи и всяка прави около 100 цикъла в секунда. Колко натриеви йона изнасят те за секунда и колко АТФ изразходват?

💧 Един аквапорин

Един аквапорин пропуска около 3 милиарда молекули вода в секунда. Колко молекули минават през него за една минута?

🥤 Разтвор срещу обезводняване

Белтъкът SGLT1 в червата пренася в клетките по 2 натриеви йона заедно с всяка молекула глюкоза. Колко милимола натрий влизат в клетките, ако се всмучат 20 mmol глюкоза по този път?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

8. ⚠️ Чести грешки

Посоката на осмозата

✗ При осмоза водата отива към по-разредения разтвор.

✓ Водата отива към по-концентрирания разтвор – там, където свободната вода е по-малко.

Солта минава

✗ В солена вода солта навлиза в клетката и затова тя се свива.

✓ Свива се, защото водата излиза; мембраната почти не пуска солта.

Дифузията спира

✗ Когато концентрациите се изравнят, частиците спират да се движат.

✓ Движат се, но минават еднакво често в двете посоки – нетният поток е нула.

Белтък = активен

✗ Щом участва белтък, транспортът е активен.

✓ Улеснената дифузия също ползва белтъци, но е по градиента и без АТФ.

Помпата

✗ Na⁺/K⁺ помпата разменя йоните едно към едно.

✓ 3 Na⁺ навън и 2 K⁺ навътре – вътрешността остава по-отрицателна.

Осмоларитет

✗ 0,1 mol/L NaCl и 0,1 mol/L глюкоза имат еднакъв осмотичен ефект.

✓ NaCl се разпада на два йона: $\displaystyle 0{,}2$ срещу $\displaystyle 0{,}1\ \mathrm{osmol/L}$ .

9. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

От какво е изградена основата на клетъчната мембрана?

Избери отговор (или натисни 1–4)

10. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

11. Обобщение

✓ Мембраната е двоен слой фосфолипиди с белтъци, холестерол и – течна мозайка
✓ Дифузия: от по-висока към по-ниска концентрация, без енергия; скорост $\sim A\,\Delta c / d$
✓ Осмоза: водата минава към по-концентрирания разтвор; хипо-, изо- и хипертоничен разтвор; и плазмолиза
✓ $\pi = icRT$ ; $\psi = \psi_s + \psi_p$ , водата тече към по-ниския воден потенциал
✓ Улеснена дифузия – с канали и преносители, по градиента, с насищане
✓ Активен транспорт – срещу градиента, с АТФ; Na⁺/K⁺ помпа: 3 Na⁺ навън, 2 K⁺ навътре
✓ Едрите частици влизат с ендоцитоза (фагоцитоза, пиноцитоза) и излизат с екзоцитоза

💡 Интересен факт

Морските птици като чайките и албатросите пият морска вода и се отървават от излишната сол чрез специални жлези над очите. Те отделят разтвор, по-солен от морската вода, който капе от човката им. Човек няма такива жлези, а бъбреците ни правят урина с не повече от около 2% сол – при около 3,5% в морската вода. Затова пиенето на морска вода не утолява жаждата, а обезводнява тялото още повече.