Транспорт речовин через мембрану: дифузія, осмос, активний транспорт

Щоб зрозуміти, як речовини потрапляють у клітину й виходять з неї, треба знати про градієнт концентрації. Це різниця концентрацій однієї й тієї самої речовини по обидва боки мембрани. Якщо ззовні клітини кисню більше, а всередині менше — існує градієнт концентрації кисню, спрямований усередину.

Пасивний транспорт — це перенесення речовин за градієнтом концентрації (із зони більшої концентрації в зону меншої). Він не потребує витрат енергії АТФ — рушійною силою є тепловий рух молекул. Транспорт триває, доки концентрації по обидва боки мембрани не вирівняються.

Проста дифузія

Проста дифузія — це рух речовин безпосередньо крізь ліпідний бішар мембрани. Так переміщаються малі неполярні молекули (O₂ — кисень, CO₂ — вуглекислий газ) і жиророзчинні речовини (стероїдні гормони, етанол). Саме завдяки простій дифузії кисень надходить із крові в клітини тканин, а вуглекислий газ виходить із них у кров.

Швидкість простої дифузії залежить від різниці концентрацій (що вона більша, то швидше), площі й товщини мембрани, температури, а також від розміру й жиророзчинності молекул. Наприклад, в альвеолах легень швидкий газообмін забезпечують велика площа поверхні й дуже тонка стінка.

Полегшена дифузія

Полегшена дифузія також відбувається за градієнтом концентрації й без витрат АТФ, але за участю спеціальних білків. Ці білки бувають двох типів:

• Канальні білки — утворюють пори в мембрані. Через них проходять іони (K⁺, Na⁺, Cl⁻) крізь іонні канали, а вода — крізь аквапорини.

• Білки-переносники (транспортери) — зв'язують молекулу, змінюють свою форму й переносять її на інший бік мембрани. Так глюкоза надходить в еритроцити.

Полегшена дифузія вибіркова: кожен білок-переносник «впізнає» лише певну речовину. Коли всі переносники зайняті, швидкість транспорту перестає зростати — настає насичення.

Важливо запам'ятати: участь білка не робить транспорт активним. Якщо речовина рухається за градієнтом без витрат енергії — це пасивний транспорт, навіть коли їй допомагає білок-канал чи переносник.

Ознаки пасивного транспорту в завданні НМТ: «за градієнтом концентрації», «без витрат енергії», «без використання АТФ». Білок-канал або переносник може бути згаданий — це ще не активний транспорт.

Осмос — це окремий випадок пасивного транспорту, а саме дифузія води крізь напівпроникну мембрану. Вода рухається з розчину з меншою концентрацією розчинених речовин у розчин із більшою концентрацією. Осмос не потребує витрат АТФ — це пасивний процес.

Типи розчинів щодо вмісту клітини

Щоб передбачити, що станеться з клітиною в розчині, треба порівняти концентрацію розчинених речовин у розчині й у клітині:

Поведінка тваринної клітини (еритроцита)

Тваринні клітини не мають клітинної стінки, тому їхній об'єм може сильно змінюватись:

• Гемоліз — у гіпотонічному розчині (наприклад, у дистильованій воді) вода за осмосом швидко надходить усередину, еритроцит набухає й лопається.

• У гіпертонічному розчині вода виходить назовні, еритроцит зморщується.

• В ізотонічному розчині (фізіологічному) об'єм клітини не змінюється. Саме тому для ін'єкцій і крапельниць використовують фізіологічний розчин, а не чисту воду.

Поведінка рослинної клітини

Рослинна клітина має міцну клітинну стінку, тому вона поводиться інакше:

• Тургор — нормальний стан, коли вміст клітини тисне на стінку, роблячи органи пружними. Завдяки тургору трав'янисті рослини стоять прямо.

• Плазмоліз — у гіпертонічному розчині протопласт втрачає воду, стискається й відстає від клітинної стінки. Це можна побачити в мікроскоп на клітинах шкірки фіолетової цибулі.

• Деплазмоліз — якщо плазмолізовану клітину помістити в чисту воду, тургор відновлюється.

Важливо: клітинна стінка не дає рослинній клітині лопнути в гіпотонічному розчині — вона лише набухає до максимуму (стає тургорною).

Осмос у житті

• В'янення рослин за нестачі води — тургор зникає.

• Рослини на засолених ґрунтах не можуть поглинати воду, бо ґрунтовий розчин гіпертонічний.

• Консервування солінням і цукром: мікроорганізми в гіпертонічному середовищі втрачають воду й гинуть.

• Скоротливі вакуолі прісноводних одноклітинних (наприклад, інфузорій) постійно виводять надлишок води, що надходить осмосом.

Активний транспорт — це перенесення речовин проти градієнта концентрації (із зони меншої концентрації в зону більшої). Він потребує витрат енергії АТФ і здійснюється спеціальними білками-насосами.

Натрій-калієвий насос (Na⁺/K⁺-АТФаза)

Найвідоміший приклад активного транспорту — натрій-калієвий насос. Це білок, вбудований у плазматичну мембрану, який за один цикл роботи:

• розщеплює 1 молекулу АТФ;

• виводить із клітини 3 іони Na⁺;

• вносить у клітину 2 іони K⁺.

Завдяки цьому всередині клітини концентрація K⁺ значно вища, ніж назовні, а Na⁺ — навпаки, більше в міжклітинній рідині. Ця різниця створює електричний заряд на мембрані, необхідний для:

• збудження нервових клітин (передача нервового імпульсу);

• скорочення м'язових клітин;

• підтримання водного балансу клітини.

Інші приклади активного транспорту

• Клітини кореневих волосків поглинають іони мінеральних солей із ґрунту, де їх менше, ніж у клітині.

• Клітини щитоподібної залози накопичують йод у великій концентрації.

• Клітини кишкового епітелію всмоктують глюкозу й амінокислоти навіть за малої їх концентрації в кишці.

Як розпізнати активний транспорт у досліді

Якщо перенесення речовини припиняється, коли клітину позбавляють кисню або отруюють ціанідом (синтез АТФ зупиняється), — це активний транспорт. Пасивна дифузія за тих самих умов триває, бо вона не залежить від АТФ.

Порівняння пасивного й активного транспорту

Великі молекули й частинки не можуть пройти крізь мембрану ні через канали, ні за допомогою переносників. Для них існує інший механізм — перенесення в мембранних пухирцях. Ці процеси потребують енергії АТФ і можливі завдяки плинності клітинної мембрани.

Ендоцитоз — поглинання речовин клітиною

Ендоцитоз — це процес, за якого ділянка плазматичної мембрани оточує частинку або краплю рідини, вгинається всередину й відшнуровується, утворюючи пухирець у цитоплазмі. Розрізняють два види:

Фагоцитоз («клітинне їдження»)

Фагоцитоз — захоплення твердих частинок. Клітина випускає псевдоніжки (несправжні ніжки), які оточують частинку, і вона опиняється всередині в мембранному пухирці. Потім цей пухирець зливається з лізосомою, і вміст перетравлюється.

• Приклади: амеба захоплює бактерій; лейкоцити (фагоцити) поглинають бактерії в організмі людини. Явище фагоцитозу відкрив український учений Ілля Мечников.

• Важливо: фагоцитоз властивий лише клітинам без клітинної стінки — тваринним клітинам і одноклітинним гетеротрофам. Клітини рослин і грибів твердих частинок не поглинають.

Піноцитоз («клітинне пиття»)

Піноцитоз — поглинання крапель рідини з розчиненими в ній речовинами. Утворюються дрібні пухирці. Цей процес властивий багатьом клітинам, зокрема клітинам епітелію й стінок кровоносних судин.

Екзоцитоз — виведення речовин із клітини

Екзоцитоз — це процес, зворотний до ендоцитозу. Секреторні пухирці, що відшнуровуються від комплексу Гольджі, транспортуються до плазматичної мембрани, зливаються з нею й викидають свій вміст назовні.

• Приклади: клітини підшлункової залози виділяють травні ферменти й інсулін; клітини залоз — слиз; нервові закінчення — медіатори; так само виводяться неперетравлені рештки.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему транспорту речовин через мембрану.

Приклад 1. Еритроцити в дистильованій воді

Завдання: Еритроцити людини помістили в дистильовану воду. Що з ними станеться?

Розв'язання: Дистильована вода — це гіпотонічний розчин (концентрація розчинених речовин у ній менша, ніж в еритроциті). Вода за осмосом надходитиме в еритроцити. Еритроцити не мають клітинної стінки, тому вони набухатимуть і зрештою лопнуть — відбудеться гемоліз.

Відповідь: Еритроцити набухнуть і зруйнуються (гемоліз).

Чому інші варіанти неправильні:

• «Зморщаться» — це було б у гіпертонічному розчині, а дистильована вода гіпотонічна.

• «Не зміняться» — не змінюються в ізотонічному розчині (0,9 % NaCl).

• «Відбудеться плазмоліз» — плазмоліз можливий лише в клітин, які мають клітинну стінку (рослинних).

Приклад 2. Логічні пари: процес — спосіб транспорту

Завдання: Установіть відповідність між процесом (1–4) і способом транспорту (А–Д).

• 1 — надходження O₂ у клітини м'яза

• 2 — виведення іонів Na⁺ з нервової клітини

• 3 — захоплення бактерії лейкоцитом

• 4 — виділення травних ферментів клітиною підшлункової залози

Варіанти: А — проста дифузія, Б — активний транспорт, В — фагоцитоз, Г — екзоцитоз, Д — піноцитоз (зайве).

Розв'язання:

• 1 → А (проста дифузія): O₂ — дрібна неполярна молекула, проходить крізь ліпідний бішар за градієнтом без АТФ.

• 2 → Б (активний транспорт): Na⁺ виводяться проти градієнта натрій-калієвим насосом з витратою АТФ.

• 3 → В (фагоцитоз): лейкоцит захоплює тверду частинку (бактерію) псевдоніжками.

• 4 → Г (екзоцитоз): травні ферменти виводяться в мембранних пухирцях назовні.

Відповідь: 1-А, 2-Б, 3-В, 4-Г. Д (піноцитоз) — зайве.

Приклад 3. Шкірка цибулі в солі й воді

Завдання: Шкірку фіолетової цибулі помістили спочатку в концентрований розчин кухонної солі, а через 10 хвилин — у чисту воду. Що побачать у мікроскоп?

Розв'язання: Концентрований розчин солі — гіпертонічний. Вода виходитиме з клітин, протопласт відставатиме від стінки — відбудеться плазмоліз. У чистій воді (гіпотонічний розчин) вода надходитиме назад, тургор відновиться — деплазмоліз.

Відповідь: Спершу плазмоліз, потім деплазмоліз.

Чому інші варіанти неправильні:

• «Спершу деплазмоліз, потім плазмоліз» — навпаки: спершу сіль, потім вода.

• «Клітини лопнуть у воді» — рослинна клітина має стінку, яка не дає їй лопнути.

• «Спершу гемоліз, потім плазмоліз» — гемоліз відбувається в тваринних клітинах, а не в рослинних.

Приклад 4. Дослід із водоростю та ціанідом

Завдання: Концентрація K⁺ у клітинах водорості в 50 разів більша, ніж у воді. Після додавання ціаніду, що зупиняє синтез АТФ, різниця концентрацій поступово зникає. Який висновок правильний?

Розв'язання: Якщо концентрація K⁺ у клітині значно вища, ніж назовні, то K⁺ має надходити проти градієнта — це активний транспорт, який потребує АТФ. Коли ціанід зупиняє синтез АТФ, активний транспорт припиняється, і K⁺ поступово вирівнюється за рахунок пасивної дифузії.

Відповідь: K⁺ накопичується в клітині активним транспортом.

Чому інші варіанти неправильні:

• «K⁺ надходить простою дифузією» — дифузія вирівнює концентрації, а не створює 50-кратну різницю.

• «Ціанід руйнує мембрану» — ціанід блокує дихальний ланцюг і синтез АТФ, а не руйнує мембрану.

• «K⁺ надходить осмосом» — осмос — це дифузія води, а не іонів калію.

Приклад 5. Два твердження

Завдання: Оцініть правильність двох тверджень.

I. Осмос — пасивний транспорт води, що не потребує АТФ.

II. Натрій-калієвий насос переносить іони за градієнтом концентрації.

Розв'язання: Твердження I правильне: осмос — це дифузія води, пасивний процес без витрат АТФ. Твердження II неправильне: натрій-калієвий насос переносить іони проти градієнта концентрації (з меншої концентрації в більшу), витрачаючи АТФ.

Відповідь: Правильне лише I.

Розгляньмо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні на НМТ з цієї теми.

• Вважають осмос активним транспортом. Осмос — пасивний транспорт: вода рухається за своїм градієнтом (туди, де більша концентрація розчинених речовин) без витрат АТФ.

• Плутають напрямок руху води. Вода переходить туди, де концентрація розчинених речовин більша, а не менша. Запам'ятай: вода «розбавляє» концентрований розчин.

• Плутають наслідки дії гіпо- та гіпертонічного розчинів. У гіпотонічному розчині клітина набирає воду (гемоліз еритроцитів, тургор рослинних клітин). У гіпертонічному — втрачає воду (еритроцит зморщується, рослинна клітина зазнає плазмолізу).

• Шукають плазмоліз в еритроцитах. Плазмоліз — це відставання протопласту від клітинної стінки. Еритроцити не мають стінки, тому в гіпертонічному розчині вони просто зморщуються, а не зазнають плазмолізу.

• Вважають полегшену дифузію активним транспортом через участь білка. У полегшеній дифузії білок-канал чи переносник справді бере участь, але речовина рухається за градієнтом без витрат АТФ. Вирішальні ознаки — напрямок щодо градієнта й витрати енергії, а не сама лише участь білка.

• Плутають фагоцитоз із піноцитозом, а ендоцитоз — з екзоцитозом. Фагоцитоз — це захоплення твердих частинок (клітина «їсть»), піноцитоз — рідини (клітина «п'є»). Ендоцитоз — поглинання всередину, екзоцитоз — виведення назовні.

• Вважають, що натрій-калієвий насос переносить іони в один бік чи порівну. Насправді за один цикл він виводить 3 іони Na⁺ з клітини й вносить 2 іони K⁺ у клітину, витрачаючи 1 молекулу АТФ.

Тема «Транспорт речовин через мембрану» входить до теми 1.3 «Структура та функціонування еукаріотичних клітин» (розділ 1) програми НМТ з біології. Програма вимагає розрізняти активний і пасивний транспорт, екзо- й ендоцитоз, фаго- й піноцитоз, а також знати плазмоліз і деплазмоліз.

Формати завдань

На НМТ з біології тема трапляється в двох форматах:

• Завдання 1–24 — вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г). 0 або 1 бал. У демоваріанті 2026 року тема 1.3 основна в завданні № 4 — два судження учнів за рисунком. Також трапляються завдання з описом дослідження (№ 1) і таблицею даних (№ 20).

• Завдання 25–28 — логічні пари 1–4 → А–Д. Одна буква зайва, по 1 балу за кожну правильно встановлену пару, до 4 балів. У демоваріанті 2026 тема 1.3 основна в № 25. Ця форма добре підходить для встановлення відповідності «процес → спосіб транспорту».

Стратегія виконання

Для кожного описаного процесу транспорту постав собі два запитання:

• Речовина рухається за градієнтом концентрації чи проти нього?

• Чи витрачається АТФ?

Якщо за градієнтом і без АТФ — це пасивний транспорт (проста або полегшена дифузія, осмос). Якщо проти градієнта й з АТФ — активний транспорт.

Для задач на осмос визнач, де більша концентрація розчинених речовин — туди й піде вода. Пам'ятай про наявність або відсутність клітинної стінки: вона визначає, чи лопне клітина в гіпотонічному розчині, чи тільки набухне.

• Пасивний транспорт — за градієнтом концентрації, без витрат АТФ. Включає просту дифузію (O₂, CO₂ крізь ліпідний бішар), полегшену дифузію (через білки-канали й переносники, без АТФ) та осмос (дифузія води).

• Активний транспорт — проти градієнта концентрації, білки-насоси, обов'язкові витрати АТФ.

• Натрій-калієвий насос: за 1 АТФ виводить 3 Na⁺ з клітини й вносить 2 K⁺ у клітину. Створює різницю концентрацій, потрібну для збудження нервових і м'язових клітин.

• Вода йде туди, де більша концентрація розчинених речовин.

• Гіпотонічний розчин: еритроцит лопається (гемоліз), рослинна клітина стає тургорною (не лопається завдяки стінці).

• Гіпертонічний розчин: еритроцит зморщується, рослинна клітина зазнає плазмолізу (протопласт відстає від стінки). У воді — деплазмоліз.

• Ендоцитоз (поглинання): фагоцитоз (тверді частинки — амеба, лейкоцити) і піноцитоз (рідина). Екзоцитоз (виведення): секреція ферментів, гормонів, медіаторів. Обидва процеси потребують АТФ.