Pergerakan Bahan Merentasi Membran Plasma, nota ulang kaji

Gambaran keseluruhan

Membran plasma mengawal apa yang masuk dan keluar sel. Bab ini menerangkan struktur mozek bendalirnya dan tiga cara bahan merentasinya, resapan, osmosis dan pengangkutan aktif, serta bagaimana ia diaplikasi dalam organisma hidup dan kehidupan harian.

Menepati definisi dan arah pergerakan dengan tepat ialah tempat kebanyakan markah diperoleh.

Membran itu sendiri lebih daripada sekadar penghalang pasif. Selain dwilapisan fosfolipid, protein terbenam dan periferi bertindak sebagai saluran, pembawa dan reseptor, manakala glikoprotein dan glikolipid pada permukaan luar membolehkan sel mengenali hormon, antigen dan sel jiran.

Struktur terpilih inilah sebabnya membran digambarkan sebagai separa telap, molekul kecil bukan kutub seperti oksigen dan karbon dioksida meresap terus melalui dwilapisan lipid, manakala zarah lebih besar atau bercas seperti glukosa dan ion mesti melalui saluran atau pembawa protein khusus.

Kadar zarah merentasi membran tidak tetap. Ia meningkat dengan cerun kepekatan yang lebih curam, luas permukaan lebih besar, saiz zarah lebih kecil dan suhu lebih tinggi, kerana molekul bergerak lebih pantas dan berlanggar dengan membran lebih kerap.

Soalan SPM sering meminta calon menerangkan bagaimana perubahan salah satu faktor ini menjejaskan kadar, jadi pelajari setiap faktor berserta sebab ia mempercepat atau memperlahankan resapan, osmosis atau pengangkutan aktif, bukan sekadar menghafal senarainya.

Bab ini banyak dinilai melalui soalan berstruktur Kertas 2 yang dibina di sekeliling gambar rajah berlabel, satu set keputusan eksperimen atau senario ringkas, serta melalui item Kertas 1 yang menguji definisi dan faktor. Jawapan kukuh menyatakan istilah yang betul, arah pergerakan dan sebabnya bersama, kerana pemeriksa memberi markah bagi setiap idea yang berkait, bukan hanya bagi istilah semata-mata.

Struktur membran plasma (3.1)

Membran plasma dibina berdasarkan model mozek bendalir: dwilapisan fosfolipid dengan setiap fosfolipid mempunyai kepala hidrofilik (suka air) menghadap ke luar dan ekor hidrofobik (takut air) menghadap ke dalam, jadi kedua-dua lapisan ekor bertemu di tengah-tengah membran. Susunan ini membentuk penghalang yang stabil dan fleksibel di sekeliling setiap sel, dan kerana fosfolipid tidak tetap kedudukannya, keseluruhan membran berkelakuan seperti bendalir, membolehkan protein dan lipid bergerak secara mendatar di dalamnya.

Bertaburan merentasi dwilapisan itu terdapat pelbagai jenis protein. Protein integral merentasi keseluruhan lebar membran dan termasuk protein saluran, yang membentuk liang tetap berisi air bagi ion atau molekul kutub kecil tertentu, serta protein pembawa, yang mengikat zarah, mengubah bentuk dan melepaskannya di sebelah lain, secara pasif semasa resapan terbantu atau, menggunakan ATP, secara aktif menentang cerun kepekatan.

Protein periferi pula terletak hanya pada satu permukaan membran dan sering bertindak sebagai enzim atau sauh bagi sitoskeleton.

Pada permukaan luar, rantai karbohidrat pendek melekat pada sesetengah protein membentuk glikoprotein dan pada sesetengah lipid membentuk glikolipid. Ini bertindak sebagai penanda pengecaman yang membolehkan sel mengenal pasti hormon, antigen dan sel jiran, sebab itu permukaan membran menjadi pusat pengecaman imun dan isyarat sel.

Molekul kolesterol yang terselit antara fosfolipid menambah kekukuhan dan membantu mengekalkan kebendaliran membran stabil merentasi julat suhu.

Disebabkan struktur ini, membran digambarkan sebagai separa (memilih) telap: molekul kecil bukan kutub seperti oksigen, karbon dioksida dan bahan larut lipid meresap terus melalui dwilapisan fosfolipid, manakala molekul lebih besar seperti glukosa dan zarah bercas seperti ion tidak dapat merentasi teras hidrofobik tanpa bantuan dan sebaliknya mesti melalui saluran atau protein pembawa tertentu.

Perbandingan resapan, osmosis dan pengangkutan aktif (3.2)

Ketiga-tiga proses pengangkutan menggerakkan zarah merentasi membran, tetapi berbeza dari segi apa yang bergerak, arahnya, dan sama ada tenaga digunakan. Resapan ialah pergerakan bersih mana-mana zarah, gas, bahan terlarut atau ion, dari kawasan berkepekatan tinggi ke rendah, menuruni cerun kepekatan, dan tidak memerlukan tenaga kerana ia terhasil daripada pergerakan kinetik rawak zarah.

Osmosis ialah kes khas resapan yang hanya terpakai kepada molekul air merentasi membran separa telap, dari larutan kurang pekat (cair) ke larutan lebih pekat, atau setara dengan dari potensi air tinggi ke rendah. Pengangkutan aktif pula menggerakkan zarah menentang cerun kepekatannya, dari kawasan berkepekatan rendah ke tinggi, dan oleh itu memerlukan tenaga daripada respirasi bersama protein pembawa tertentu.

Kesan larutan terhadap sel haiwan dan sel tumbuhan

Apabila sel diletakkan dalam larutan, arah bersih pergerakan air melalui osmosis bergantung pada perbandingan potensi air (atau kepekatan) di dalam sel dengan larutan sekeliling. Dalam larutan hipotonik, yang mempunyai potensi air lebih tinggi daripada sel, air bergerak masuk ke dalam sel; dalam larutan hipertonik, yang mempunyai potensi air lebih rendah daripada sel, air bergerak keluar; dalam larutan isotonik, air masih merentasi membran dua arah tetapi tiada pergerakan bersih, jadi saiz sel kekal malar.

Sel haiwan dan sel tumbuhan bertindak balas secara berbeza kerana hanya sel tumbuhan mempunyai dinding sel selulosa yang tegar. Sel haiwan dalam larutan hipotonik terus menyerap air sehingga pecah, dipanggil hemolisis, kerana ia tiada dinding untuk menahan tekanan; sel yang sama dalam larutan hipertonik kehilangan air dan mengecut serta permukaannya menjadi berkedut, dipanggil krenasi.

Sel tumbuhan dalam larutan hipotonik menyerap air sehingga dinding selnya mengenakan tekanan yang sama dan bertentangan, menjadi segah dan bukannya pecah; sel yang sama dalam larutan hipertonik kehilangan air sehingga membran sel menarik diri daripada dinding sel, dipanggil plasmolisis, dan sel menjadi lembik.

Faktor mempengaruhi kadar pergerakan merentasi membran

Kadar resapan, osmosis dan pengangkutan aktif semuanya meningkat dengan cerun kepekatan yang lebih curam, luas permukaan lebih besar, saiz zarah lebih kecil dan suhu lebih tinggi, kerana zarah kemudiannya membawa lebih tenaga kinetik dan berlanggar dengan membran lebih kerap. Cerun lebih curam bermaksud perbezaan lebih besar antara kedua-dua belah untuk zarah bergerak turun; luas permukaan lebih besar, seperti lipatan banyak pada dinding usus kecil atau struktur bercabang alveolus, memberi lebih ruang untuk zarah merentasi serentak; dan zarah lebih kecil meresap lebih pantas kerana ia memerlukan kurang tenaga untuk bergerak melalui medium sekeliling.

Pengangkutan aktif dihadkan oleh dua faktor tambahan selain ini: bekalan ATP daripada respirasi dan bilangan protein pembawa yang tersedia dalam membran, kerana setiap pembawa hanya boleh mengangkut bilangan zarah terhad setiap saat tanpa mengira betapa curam cerun yang ditentangnya. Suhu juga mempunyai kesan siling yang tidak ditunjukkan oleh resapan semata-mata, menaikkan suhu mempercepat resapan dan osmosis tanpa had dalam julat biologi normal, tetapi pengangkutan aktif bergantung pada protein pembawa, iaitu protein yang terdenatur pada suhu tinggi, jadi suhu yang berlebihan boleh memperlahankan atau menghentikan pengangkutan aktif walaupun resapan berterusan.

Pergerakan bahan dalam organisma hidup (3.3)

Ketiga-tiga mekanisme pengangkutan bertindak bersama, serentak, dalam tisu sebenar. Di alveolus, oksigen meresap dari kantung udara ke dalam kapilari sekeliling manakala karbon dioksida meresap ke arah bertentangan, pertukaran pantas yang dimungkinkan oleh dinding alveolus yang nipis bersel tunggal, luas permukaan besar dan rangkaian kapilari yang kaya.

Dalam usus kecil, nutrien terhadam seperti glukosa dan asid amino merentasi ke dalam darah sebahagiannya melalui resapan dan sebahagiannya melalui pengangkutan aktif, terutamanya apabila kepekatannya di dalam usus sudah lebih rendah daripada dalam darah.

Sel rambut akar menyerap air daripada tanah melalui osmosis, kerana larutan tanah biasanya mempunyai potensi air lebih tinggi daripada sap sel, manakala ia menyerap ion mineral seperti nitrat dan magnesium melalui pengangkutan aktif, kerana kepekatan ion dalam tanah biasanya lebih rendah daripada di dalam sel rambut akar dan resapan sahaja tidak dapat menggerakkan ion menentang cerun ini. Dalam buah pinggang, nefron menyerap semula glukosa daripada filtrat kembali ke darah melalui pengangkutan aktif supaya tiada glukosa hilang dalam air kencing, manakala sel darah merah bergantung pada keseimbangan osmotik yang halus dengan plasma sekeliling untuk mengekalkan bentuk dan fungsinya secara normal.

Sel saraf mengekalkan potensi rehat dan menjana impuls saraf menggunakan pam natrium-kalium, protein pengangkutan aktif yang sentiasa menggerakkan ion natrium keluar dan ion kalium masuk ke dalam sel menentang cerun masing-masing.

Aplikasi dalam kehidupan harian (3.4)

Mesin dialisis buah pinggang menjalankan tugas yang sama seperti buah pinggang sihat bagi pesakit dalam kegagalan buah pinggang: darah dialirkan di satu sebelah membran separa telap manakala cecair dialisis dengan komposisi terkawal mengalir di sebelah lain, jadi urea dan ion berlebihan meresap keluar dari darah ke dalam cecair dialisis menuruni cerun kepekatannya, manakala bahan berguna seperti glukosa kekal seimbang antara kedua-dua cecair dan tidak hilang.

Pengasinan atau penggulaan makanan ialah kaedah pengawetan tradisional yang berfungsi melalui osmosis: kepekatan garam atau gula yang tinggi di luar sel mikroorganisma seperti bakteria mencipta persekitaran hipertonik, jadi air ditarik keluar daripada sel mikroorganisma melalui osmosis, dan sel menjadi terdehidrat serta tidak dapat membesar atau membiak, yang memperlahankan kerosakan. Cecair titisan intravena (IV) yang diberikan di hospital mesti isotonik dengan plasma darah; titisan yang terlalu cair akan menyebabkan sel darah merah menyerap air dan pecah melalui osmosis, manakala titisan yang terlalu pekat akan menyebabkan sel mengecut, jadi memadankan potensi air dengan betul adalah keperluan keselamatan dalam amalan perubatan, bukan sekadar butiran teknikal.

Konsep utama untuk dikuasai

• Model mozek bendalir, Dwilapisan fosfolipid dengan protein bertaburan; ia separa (memilih) telap.
• Resapan, Pergerakan bersih zarah dari kepekatan tinggi ke rendah, menuruni cerun kepekatan, tanpa tenaga.
• Osmosis, Pergerakan bersih molekul air dari larutan kurang pekat (cair) ke larutan lebih pekat merentasi membran separa telap.
• Pengangkutan aktif, Pergerakan bahan menentang cerun kepekatan, menggunakan tenaga daripada respirasi dan protein pembawa.
• Kesan pada sel, Dalam larutan hipotonik sel haiwan pecah (hemolisis) dan sel tumbuhan jadi segah; dalam larutan hipertonik sel haiwan mengecut (krenasi) dan sel tumbuhan berplasmolisis.
• Aplikasi, Osmosis dan resapan menerangkan pelayuan, pengawetan makanan dengan pengasinan, dan penyerapan mineral akar melalui pengangkutan aktif.
• Protein pengangkutan membran, Protein saluran membentuk liang tetap berisi air yang membolehkan ion atau molekul kutub kecil tertentu meresap terus melalui membran. Protein pembawa pula mengikat zarah, mengubah bentuk dan melepaskannya di sebelah lain; ia boleh bertindak secara pasif dalam resapan terbantu atau, menggunakan ATP, secara aktif memam zarah menentang cerun kepekatannya.
• Faktor mempengaruhi kadar pergerakan, Kadar resapan, osmosis dan pengangkutan aktif meningkat dengan cerun kepekatan yang lebih curam, luas permukaan lebih besar, saiz zarah lebih kecil dan suhu lebih tinggi, kerana zarah mempunyai lebih tenaga kinetik dan berlanggar dengan membran lebih kerap; pengangkutan aktif turut dihadkan oleh jumlah ATP dan protein pembawa yang tersedia.
• Potensi air, Potensi air mengukur kesediaan molekul air bergerak keluar daripada sesuatu larutan; air tulen mempunyai potensi air tertinggi, dan melarutkan bahan terlarut sentiasa menurunkannya. Air bergerak melalui osmosis dari kawasan berpotensi air tinggi ke kawasan berpotensi air rendah, iaitu sama seperti mengatakan ia bergerak dari larutan kurang pekat ke larutan lebih pekat.
• Osmosis dan teknologi harian, Mesin dialisis buah pinggang menggunakan resapan merentasi membran separa telap untuk membuang urea dan ion berlebihan daripada darah pesakit apabila buah pinggang gagal berfungsi. Cecair titisan intravena mesti isotonik dengan plasma darah; titisan berkepekatan salah akan menyebabkan sel darah merah membengkak dan pecah atau mengecut melalui osmosis.
• Pergerakan bahan dalam organisma hidup, Ketiga-tiga mekanisme bertindak serentak dalam organisma sebenar: pertukaran gas di alveolus dan rambut akar berlaku melalui resapan, air memasuki sel rambut akar dan sel darah merah menyesuaikan isipadu melalui osmosis, manakala penyerapan semula glukosa di tubul buah pinggang dan pengambilan ion mineral di akar bergantung pada pengangkutan aktif.
• Kaitan dengan osmoregulasi, Prinsip bab ini menjadi asas kepada proses osmoregulasi yang dibincang lebih terperinci di tempat lain: organisma air tawar sentiasa memperoleh air melalui osmosis dan mesti menyingkirkannya, manakala organisma laut dalam persekitaran lebih masin cenderung kehilangan air dan mesti mengekalkannya, jadi persekitaran sekeliling sentiasa penting apabila meramal arah osmosis.

Senarai semak ingatan pantas

1. Boleh anda takrif dan terangkan Model mozek bendalir?
2. Boleh anda takrif dan terangkan Resapan?
3. Boleh anda takrif dan terangkan Osmosis?
4. Boleh anda takrif dan terangkan Pengangkutan aktif?
5. Boleh anda takrif dan terangkan Kesan pada sel?
6. Boleh anda takrif dan terangkan Aplikasi?
7. Boleh anda takrif dan terangkan Protein pengangkutan membran?
8. Boleh anda takrif dan terangkan Faktor mempengaruhi kadar pergerakan?
9. Boleh anda takrif dan terangkan Potensi air?
10. Boleh anda takrif dan terangkan Osmosis dan teknologi harian?
11. Boleh anda takrif dan terangkan Pergerakan bahan dalam organisma hidup?
12. Boleh anda takrif dan terangkan Kaitan dengan osmoregulasi?

Soalan lazim

Lagi untuk Pergerakan Bahan Merentasi Membran Plasma

Sumber:SRC-DSKP-EN