Транспорт речовин через мембрану: дифузія, осмос, активний транспорт
~20 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань
Визначай спосіб транспорту речовин крізь мембрану за напрямком градієнта, участю білків і витратами АТФ. Розрізняй просту й полегшену дифузію, осмос, натрій-калієвий насос, ендо- та екзоцитоз і прогнозуй зміни клітини в гіпо- та гіпертонічному розчині.
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:
Тип розчину | Концентрація | Напрямок руху води | Приклад |
|---|---|---|---|
Ізотонічний | Однакова з клітиною | Вода входить і виходить порівну | Фізіологічний розчин 0,9 % NaCl для людини |
Гіпотонічний | Менша, ніж у клітині | Вода входить у клітину | Дистильована вода |
Гіпертонічний | Більша, ніж у клітині | Вода виходить із клітини | Концентрований розчин солі або цукру |
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
Ознака | Пасивний транспорт | Активний транспорт |
|---|---|---|
Напрямок щодо градієнта | За градієнтом (з більшої в меншу) | Проти градієнта (з меншої в більшу) |
Участь білків | Не завжди (проста дифузія без білків) | Завжди — білки-насоси |
Енергія АТФ | Не потрібна | Потрібна |
Приклади | O₂, CO₂, вода (осмос), глюкоза в еритроцит | Na⁺/K⁺-насос, іони в корінь, йод у щитоподібну залозу |
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.
Чим полегшена дифузія відрізняється від активного транспорту, якщо в обох беруть участь білки?
Вирішальна відмінність — напрямок руху щодо градієнта концентрації й витрати енергії. У полегшеній дифузії речовина рухається за градієнтом (з більшої концентрації в меншу) без витрат АТФ, хоча білок-канал або переносник допомагає їй перетнути мембрану. В активному транспорті речовина рухається проти градієнта (з меншої концентрації в більшу), і це потребує енергії АТФ, яку дає розщеплення молекули АТФ білком-насосом. Отже, участь білка ще не робить транспорт активним — визначальними є напрямок руху й витрати енергії.
Навіщо клітині постійно витрачати АТФ на натрій-калієвий насос?
Натрій-калієвий насос створює й підтримує різницю концентрацій іонів Na⁺ і K⁺ по обидва боки мембрани. Це потрібно для: (1) передачі нервових імпульсів — зміна проникності мембрани для Na⁺ і K⁺ лежить в основі збудження нейронів; (2) скорочення м'язових клітин; (3) підтримання водного балансу — різниця концентрацій допомагає регулювати надходження води в клітину; (4) вторинного активного транспорту — градієнт Na⁺ використовується для перенесення глюкози й амінокислот проти їхнього градієнта. Без постійної роботи насоса ці життєво важливі процеси припинилися б.
Чому рослинна клітина в чистій воді не лопається, а еритроцит лопається?
Рослинна клітина має міцну клітинну стінку з целюлози, яка оточує плазматичну мембрану. Коли вода надходить у клітину за осмосом, стінка чинить опір розтягуванню й не дає клітині лопнути — клітина досягає стану тургору. Еритроцит (тваринна клітина) не має клітинної стінки, лише плазматичну мембрану. У гіпотонічному розчині вода надходить безперешкодно, мембрана розтягується й розривається — відбувається гемоліз.
Чому соління й варення довго не псуються?
Соління (висока концентрація солі) і варення (висока концентрація цукру) створюють гіпертонічне середовище для мікроорганізмів (бактерій, грибків). Вода з клітин мікроорганізмів виходить за осмосом назовні, вони зневоднюються й гинуть або перестають розмножуватися. Це один з найдавніших способів консервування харчових продуктів.
Чому для крапельниць використовують фізіологічний розчин, а не чисту воду?
Фізіологічний розчин (0,9 % NaCl) є ізотонічним щодо плазми крові. Його концентрація солей така сама, як у крові, тому вода не переміщається за осмосом ні в клітини, ні з них — об'єм еритроцитів не змінюється. Якщо ввести чисту воду (гіпотонічний розчин), вода надходитиме в еритроцити, вони набухатимуть і лопнуть — станеться масовий гемоліз, що небезпечний для життя.
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.