Клеточная мембрана и транспорт

Толщина клеточной мембраны всего от 5 до 10 нм, но именно она решает, что попадёт в клетку и что из неё выйдет.

Стенка из жира и белка

Капни немного масла на воду, и оно не смешается с ней. Клеточная мембрана построена на той же идее. Она представляет собой фосфолипидный бислой: два слоя молекул фосфолипидов, у каждой из которых гидрофильная («любящая воду») головка с фосфатом и два гидрофобных («боящихся воды») хвоста из жирных кислот. Головки обращены к водной среде внутри и снаружи клетки, а хвосты спрятаны в середине. В этом маслянистом слое сидят белки, некоторые из них пронизывают его насквозь, а в животных клетках туда вкраплён ещё и холестерин. Углеводы, присоединённые к липидам и белкам, покрывают наружную поверхность и помогают клетке узнавать и связывать разные вещества.

Избирательная проницаемость

Мембрана пропускает одни вещества и задерживает другие, поэтому её называют избирательно проницаемой. Маленькие незаряженные молекулы, например кислород и углекислый газ, проскальзывают прямо через маслянистую середину. Так же проходят жирорастворимые вещества, например витамины A, D, E и K. Заряженные частицы, такие как ионы натрия, калия, кальция и хлорид-ионы, сами пересечь маслянистую сердцевину не могут, как и сахара и аминокислоты. Им нужна помощь белков.

Движение под горку: пассивный транспорт

Открой в комнате флакон духов, и запах будет распространяться, пока не заполнит всё. Это диффузия: молекулы движутся оттуда, где их концентрация выше, туда, где она ниже, и энергия на это не тратится. Диффузия идёт быстрее, когда разница концентраций больше, температура выше, молекулы легче, а расстояние короче. Внутри клетки диффузия перемещает вещества по цитозолю.

При облегчённой диффузии вещества тоже движутся по градиенту, но через белки. Белки-каналы образуют заполненный водой туннель для одного вида ионов или для воды; водные каналы называются аквапоринами. Белки-переносчики захватывают молекулу, меняют форму и отпускают её с другой стороны. Каналы работают гораздо быстрее: десятки миллионов молекул в секунду, тогда как переносчики пропускают примерно от тысячи до миллиона.

Осмос: вода в движении

Осмосом называется диффузия воды через мембрану, которая не пропускает растворённые вещества. Вода движется в сторону, где растворённых частиц больше, потому что там меньше свободной воды. Если в жидкости снаружи клетки растворённых частиц меньше, чем внутри, она гипотоническая, и вода поступает внутрь. Эритроцит в чистой воде набухает и может лопнуть. Если снаружи растворённых частиц больше, жидкость гипертоническая, и вода выходит; эритроцит сморщивается. В изотонической жидкости суммарного потока нет. Растительная клетка в пресной воде не лопается, потому что её удерживает стенка. Вода давит на стенку, и это тургорное давление поддерживает упругость растения. Без воды мембрана отходит от стенки; это называется плазмолизом, и растение вянет. Модель растительной клетки ниже показывает вакуоль, в которой хранится эта вода.

Движение в горку: активный транспорт

Иногда клетке нужно переместить вещество против градиента, из области низкой концентрации в область высокой. На это нужна энергия, обычно из АТФ, и такой процесс называется активным транспортом. Самый известный пример: натрий-калиевый насос. За каждый цикл он выталкивает из клетки три иона натрия и закачивает внутрь два иона калия, расходуя одну молекулу АТФ. Так снаружи поддерживается высокая концентрация натрия, а внутри высокая концентрация калия, и внутренняя сторона клетки остаётся слегка заряженной отрицательно. От этой разницы зависят нервные и мышечные клетки. Энергия, запасённая в градиенте натрия, может затем втягивать в клетку другие вещества, например глюкозу и аминокислоты; это называется вторичным активным транспортом.