В заданиях ЕГЭ по биологии часто встречаются вопросы о том, как молекулы и ионы проникают через плазматическую мембрану клетки. Ошибки в этой теме обычно возникают из-за непонимания разницы между пассивным и активным транспортом, а также путаницы в терминах (плазмолиз, осмос, эндоцитоз). Разберём, как устроена мембрана, по каким законам вещества попадают внутрь клетки и как не терять баллы на экзамене.
Строение мембраны и свойство полупроницаемости
До того как перейти к клеточному транспорту, нужно вспомнить структуру клеточной мембраны. Основа плазмолеммы — двойной слой липидов (фосфолипидов). Молекулы липидов имеют гидрофильные головки, которые обращены к водной среде, и гидрофобные хвосты, спрятанные внутри бислоя.
В двойной слой липидов погружены белковые молекулы. Они могут пронизывать мембрану насквозь (интегральные белки) или лежать на её поверхности. Белки выполняют роль транспортных каналов и рецепторов.
Одно из свойств плазматической мембраны — полупроницаемость. Это способность свободно пропускать одни элементы и полностью блокировать другие. Липидный бислой отталкивает воду и любые заряженные частицы, но легко пропускает жирорастворимые соединения. Чтобы водорастворимые или крупные молекулы могли попасть внутрь, работают специальные механизмы.
Пассивный транспорт веществ в клетке
Пассивный транспорт идёт без затрат клеточной энергии в виде молекул АТФ. При таком виде переноса вещества двигаются исключительно по градиенту концентрации. Они перемещаются из области, где их много, в область, где их мало.
Выделяют три основных вида пассивного транспорта:
- Простая диффузия. Это процесс свободного проникновения мелких молекул прямо через липидный слой. Именно так осуществляется движение углекислого газа и кислорода. Газы и различные жирорастворимые молекулы легко просачиваются между фосфолипидами, стремясь уравновесить свою концентрацию по обе стороны границы.
- Облегчённая диффузия. Этот механизм нужен для переноса полярных молекул (глюкозы, аминокислот) и заряженных ионов. Они не могут самостоятельно пройти сквозь липиды, поэтому используют специальные транспортные белки. Формируются белковые каналы, которые открываются и закрываются, помогая нужным веществам скользить по градиенту концентрации.
- Осмос. Это процесс диффузии воды через полупроницаемую мембрану. Вода всегда двигается туда, где растворено больше солей, чтобы разбавить этот раствор.
Для экзамена крайне важно понимать поведение клеток в трёх разных средах:
- Изотонический раствор имеет концентрацию солей, равную концентрации внутри клетки (в организме человека это 0,9% раствор хлорида натрия). Вода заходит и выходит равномерно, клетка сохраняет форму.
- Гипертонический раствор имеет высокую концентрацию соли. Если поместить туда клетку, вода начнёт стремительно выходить наружу, пытаясь разбавить солёную среду. Растительная клетка съёжится, её протопласт отойдёт от клеточной стенки. Такое явление называют плазмолизом. Эритроциты в такой среде сморщиваются.
- Гипотонический раствор содержит мало солей (например, дистиллированная вода). Вода устремится внутрь клетки, где солей больше. Растительная клетка набухнет, произойдёт возврат к нормальному состоянию после плазмолиза. Такое возвращение называют деплазмолизом. Животная клетка (эритроцит) от избытка воды может лопнуть.
Активный транспорт и его механизмы
Активный транспорт всегда происходит с обязательными затратами энергии АТФ. Клетка тратит энергию, потому что вещества перемещаются против градиента концентрации (из области с низкой концентрацией в область с высокой).
Выделяют следующие виды активного транспорта:
- Ионные насосы. Самый известный пример — натрий-калиевый насос. Особый белок в мембране использует энергию АТФ для того, чтобы вывести из клетки три иона натрия и закачать внутрь два иона калия. Этот процесс создаёт электрический заряд на мембране, что критически важно для передачи нервных импульсов.
- Везикулярный транспорт (цитоз). Крупные пищевые комки или целые бактерии переносятся путём упаковки в мембранные пузырьки (везикулы). Эндоцитоз обеспечивает поглощение веществ. В нём выделяют два направления: фагоцитоз и пиноцитоз. Фагоцитоз отвечает за захват твёрдых питательных частиц, именно так амёба ловит свою добычу, а человеческие лейкоциты уничтожают бактерий. Пиноцитоз представляет собой захват капель жидкости с растворёнными в ней веществами. Экзоцитоз действует в обратном направлении. Клетка выводит ненужные продукты обмена или полезные секреты (например, гормоны). Пузырёк подходит к мембране, сливается с ней и выбрасывает содержимое наружу.
Типовые задачи из ЕГЭ
Задание 1
Экспериментатор поместил эритроциты в гипертонический раствор NaCl. Как изменились количество воды и количество солей в клетке при достижении гомеостаза? Для каждой величины определите соответствующий характер её изменения.
1. Не изменилась.
2. Увеличилась.
3. Уменьшилась.Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой величины. Цифры в ответе могут повторяться.
| Количество воды | Количество солей |
|---|---|
Решение
Гипертонический раствор NaCl достигается при концентрации раствора соли в стакане более 0,9%. Для достижения гомеостаза происходит выравнивание концентраций солей в растворе и клетке, количество солей при этом не меняется. Вследствие этого вода за счёт повышенного осмотического давления выходит.
Ответ: 31.
Задание 2
Установите последовательность этапов, происходящих при захвате твёрдых частиц клеткой в процессе эндоцитоза. Запишите соответствующую последовательность цифр.
1. Отсоединение мембранного пузырька от мембраны клетки.
2. Слияние фагоцитозного пузырька с лизосомой.
3. Приближение частиц к мембране клетки.
4. Полное окружение частиц плазмалеммой.
5. Впячивание мембраны клетки.
Решение
- Распознавание (3): клетка сближается с чужеродной частицей.
- Поглощение (5, 4): мембрана прогибается внутрь и полностью обволакивает частицу.
- Изоляция (1): края мембраны смыкаются, образуя изолированный пузырёк (фагосому) внутри клетки.
- Переваривание (2): к пузырьку подходят лизосомы и впрыскивают ферменты для расщепления частицы.
Ответ: 35412.
Разбор заданий из ЕГЭ
Задание 1
Экспериментатор нанёс каплю дистиллированной воды на предметное стекло с микропрепаратом кожицы лука, живые клетки которого находятся в состоянии плазмолиза. Как после этого изменились количество рибосом и объём цитоплазмы в клетках кожицы лука?
Для каждой величины определите соответствующий характер её изменения:
1. Увеличилась.
2. Уменьшилась.
3. Не изменилась.
| Количество рибосом | Объём цитоплазмы |
|---|---|
- Дистиллированная вода представляет собой гипотонический раствор (концентрация солей равна нулю).
- Клетки лука до этого находились в состоянии плазмолиза, то есть они были сморщены, а протопласт отставал от клеточной оболочки.
- При добавлении дистиллированной воды жидкость устремится внутрь по закону осмоса (туда, где солей больше).
- В результате вода будет наполнять клетку, и объём цитоплазмы начнёт увеличиваться (произойдёт деплазмолиз). Нужно выбрать цифру 1 для второго пункта.
- Количество рибосом является фиксированным структурным показателем клетки. Изменение тонуса мембраны и поступление воды не приводит к исчезновению или внезапному синтезу новых органоидов. Количество рибосом не изменится. Нужно выбрать цифру 3 для первого пункта.
Ответ: 31.
Задание 2
Экспериментатор поместил эритроциты в гипотонический раствор NaCl. Как изменились количество воды и количество солей в клетке при достижении гомеостаза? Для каждой величины определите соответствующий характер её изменения.
1. Увеличилась.
2. Не изменилась.
3. Уменьшилась.Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой величины. Цифры в ответе могут повторяться.
| Количество воды | Количество солей |
|---|---|
Гипотонический раствор NaCl достигается при концентрации раствора соли в стакане менее 0,9%. Для достижения гомеостаза происходит выравнивание концентраций солей в растворе и клетке, количество солей при этом неизменно. Поэтому из-за повышенного осмотического давления вода выходит из клетки.
Ответ: 12.
Заключение
Теперь ты понимаешь фундаментальные процессы клеточной физиологии и знаешь, как работает жидкостно-мозаичная мембрана. Самое главное правило для экзамена: пассивная диффузия и осмос протекают без затрат энергии, а работа ионных насосов и везикулярный транспорт требуют обязательных затрат АТФ. Эти знания помогут без ошибок определять направление движения воды в гипотонических и гипертонических растворах и справляться с заданиями на анализ биологических экспериментов. Чтобы закрепить материал, рекомендуем решить 8–10 прототипов заданий по цитологии в «100балльном банке».
