Умблик
10 класс · углублённый
Биология · 10 класс · углублённый уровень
Биология · углублённый уровень · 10 класс · Урок 47

Мембранный транспорт: от диффузии до насоса и пузырька

Слово «проходит через мембрану» скрывает принципиально разные пути. Небольшая молекула может диффундировать через липидный слой; ионы нуждаются в белке, а крупные частицы могут попадать в клетку пузырьком. Для каждого случая надо назвать градиент и источник энергии.

Строение и функции клетки

Федеральная программа · углублённый уровень · 10 класс

Строение и функции клетки

Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:

  • Жидкостно-мозаичная модель мембраны
  • Простая и облегчённая диффузия
  • Осмос и полупроницаемость
  • Электрохимический градиент
  • Первичный активный транспорт
  • Вторичный активный транспорт
  • Натрий-калиевый насос
  • Эндоцитоз: пиноцитоз и фагоцитоз
  • Экзоцитоз
  • Клеточная стенка растений и грибов
  • Модельная практика проницаемости и плазмолиза
Три разных пути через клеточную границуЧерез бислойЧерез белокВ пузырькеНапример, кислородИон или глюкозаКрупный материалБелок может работать без АТФ или использовать энергию — это разные механизмы.Направление переноса зависит от градиента и условий, не от положения рисунка.
Стрелки обозначают разные механизмы: простая и облегчённая диффузия, первичный и вторичный активный транспорт, эндо- и экзоцитоз.

Как это устроено

Липидный бислой не является сплошной непроницаемой плёнкой. Малые неполярные молекулы могут проходить через него легче заряженных частиц, а белки открывают выборочные пути. Простая диффузия идёт без белка, облегчённая использует канал или переносчик, но обе обычно направлены по подходящему градиенту. Осмос — частный случай движения воды через избирательно проницаемую границу. «Полупроницаемость» не значит, что любая клетка пропускает ровно половину веществ.

Ион движется в ответ на концентрационную и электрическую составляющие градиента. Натрий-калиевый насос тратит АТФ и за цикл перемещает обычно три Na⁺ наружу и два K⁺ внутрь; именно так поддерживаются различия концентраций, которыми затем могут пользоваться каналы и вторичные переносчики. Вторичный активный транспорт не означает «без энергии»: энергия была затрачена раньше на создание градиента. Для объяснения всегда прослеживают оба переносимых вещества и состояние мембраны.

Эндоцитоз и экзоцитоз — движение вещества в мембранных пузырьках, а не проницаемость одной молекулы сквозь гидрофобную сердцевину. Пиноцитоз описывает захват жидкости, фагоцитоз — захват крупной частицы специализированной клеткой; оба требуют работы клеточных структур. Экзоцитоз доставляет содержимое пузырька к внешней среде. Образование и слияние пузырьков меняет площадь и состав мембран, поэтому клетка регулирует эти потоки.

Клеточная стенка растений содержит целлюлозный каркас, грибная — прежде всего хитин и другие компоненты; ни та ни другая не заменяет плазматическую мембрану. Стенка механически ограничивает растяжение и влияет на тургор. В школьной практике можно наблюдать плазмолиз и деплазмолиз в разрешённых растительных клетках, но вывод о транспортном механизме требует сравнить условия, время и контроль. Массовое изменение кусочка ткани — косвенное свидетельство; оно не показывает движение отдельного иона через конкретный белок.

Словарь урока

Каждое понятие — с примером

Плазматическая мембрана

Подвижная граница клетки на основе липидного бислоя с белками и другими компонентами, регулирующая обмен и сигналы.

Пример: Ионный канал в мембране позволяет определённым ионам проходить при подходящих условиях.

Избирательная проницаемость

Свойство мембраны пропускать разные вещества с различной скоростью или только при наличии определённого пути.

Пример: Na⁺ не проходит свободно через гидрофобную сердцевину бислоя так же легко, как O₂.

Простая диффузия

Самопроизвольное движение частиц по градиенту их химического потенциала без отдельного белка-переносчика.

Пример: Кислород может проходить через липидную часть мембраны по своему градиенту.

Облегчённая диффузия

Перенос вещества по его электрохимическому градиенту через специфический белковый канал или переносчик без прямого расхода АТФ на этот шаг.

Пример: Подходящий белок-переносчик ускоряет поступление глюкозы по её градиенту в клетку.

Осмос

Движение воды через избирательно проницаемую мембрану при различии её химического потенциала по сторонам мембраны.

Пример: Растительная клетка теряет воду в более концентрированном подходящем внешнем растворе.

Электрохимический градиент

Совместное различие концентрации и электрического потенциала иона по разные стороны мембраны.

Пример: Направление движения Na⁺ зависит не только от его концентрации, но и от электрического заряда мембраны.

Первичный активный транспорт

Перемещение вещества против его электрохимического градиента с прямым сопряжением работы белка с источником энергии, часто гидролизом АТФ.

Пример: Натрий-калиевый насос использует цикл гидролиза АТФ для транспорта ионов.

Вторичный активный транспорт

Перенос одного вещества против его градиента за счёт сопряжённого движения другого вещества по заранее созданному градиенту.

Пример: Клетка может использовать градиент Na⁺ для совместного переноса растворённого вещества.

Натрий-калиевый насос

Мембранная АТФаза, обычно переносящая три Na⁺ из животной клетки и два K⁺ внутрь за цикл с расходом АТФ.

Пример: Насос поддерживает ионные различия, необходимые для работы многих нервных и мышечных клеток.

Эндоцитоз

Введение вещества в клетку путём образования мембранного пузырька из участка её поверхности.

Пример: Рецепторно-опосредованный эндоцитоз помогает клетке захватывать определённые молекулы.

Пиноцитоз

Один из вариантов эндоцитоза, при котором клетка захватывает небольшие объёмы внеклеточной жидкости с растворёнными веществами.

Пример: Мембрана образует небольшие пузырьки с жидкостью; процесс не равен простой диффузии воды.

Фагоцитоз

Вариант эндоцитоза крупной частицы, при котором клетка обволакивает её мембраной и образует внутриклеточный пузырёк.

Пример: Макрофаг может поглотить бактериальную клетку, после чего материал подвергается внутриклеточной обработке.

Экзоцитоз

Выведение содержимого внутриклеточного пузырька наружу при слиянии его мембраны с плазматической мембраной.

Пример: Некоторые клетки выделяют секретируемый белок через пузырьки, пришедшие от аппарата Гольджи.

Плазмолиз

Уменьшение объёма протопласта растения с отделением его мембраны от стенки при достаточной потере воды.

Пример: На готовом препарате растительной ткани можно увидеть зазор между стенкой и содержимым после воздействия раствора.

Пример по шагам

Если клетке выключить натрий-калиевый насос, почему вторичный перенос вещества с Na⁺ может не остановиться мгновенно, но затем ослабнет?

  1. Сначала ещё сохраняется созданный ранее градиент Na⁺.
  2. Совместный перенос временно использует этот градиент, даже если сам переносчик не гидролизует АТФ.
  3. Без насоса градиент постепенно уменьшается из-за движения ионов по другим путям, и источник энергии для вторичного переноса истощается.

Вывод: Вторичный перенос зависит от ранее созданного градиента, а не от прямого гидролиза АТФ своим белком.

Практическая работа

Сравнение плазмолиза и модельной проницаемости

  1. По инструкции учителя наблюдайте готовую растительную ткань в воде и после добавления раствора заданной концентрации.
  2. Сделайте серию рисунков с одинаковым масштабом и отметьте стенку, мембрану и положение содержимого.
  3. Верните подходящую среду, наблюдайте возможный деплазмолиз и отделите наблюдение от вывода о механизме.

Что можно заключить: Наблюдение связывает свойства мембраны с водным балансом, но не показывает напрямую работу каждого транспортного белка.

Безопасность: Работайте только с разрешёнными растительными препаратами и учебными растворами под наблюдением учителя; не используйте человеческие клетки, концентрированные соли и бытовые химикаты.

Практическая работа

Изучение свойств клеточной мембраны

  1. На модели липидного бислоя или готовой серии измерений сравните прохождение воды, малого неполярного вещества и заряженного иона при одинаковом градиенте концентрации.
  2. Укажите, где для переноса нужен белок-канал или переносчик и чем пассивное движение отличается от переноса с затратой энергии; отдельно запишите контроль целостности мембраны.
  3. Сформулируйте предел модели: видимое изменение объёма клетки не позволяет по одному кадру назвать конкретный канал или насос.

Что можно заключить: Мембрана обладает избирательной проницаемостью, но путь конкретного вещества устанавливают дополнительными опытами и контролями.

Безопасность: Не проводите опыты на собственных клетках и не используйте концентрированные растворы дома; для сравнения достаточно моделей и готовых данных.

Практическая работа

Исследование плазмолиза и деплазмолиза в растительных клетках

  1. На готовой временной серии клеток кожицы растения с указанием концентрации раствора найдите клеточную стенку, мембрану и изменение положения содержимого клетки.
  2. Сравните снимок до добавления более концентрированного раствора, после него и после возвращения в воду; отмечайте не только форму, но и время, масштаб и долю клеток с одинаковым ответом.
  3. Объясните движение воды через мембрану и почему восстановление формы возможно не всегда; различайте плазмолиз и простое уменьшение рисунка при смене масштаба.

Что можно заключить: Отхождение содержимого от стенки в более концентрированной среде и возможное восстановление после воды согласуются с осмосом; обратимость зависит от условий.

Безопасность: Используйте готовые серии или стандартный школьный препарат под контролем учителя; не применяйте неизвестные или раздражающие растворы самостоятельно.

Попробуйте сами

Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.

Открываем задания…

Сверка содержания

Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.