高校生物 能動輸送の条件—濃度差とエネルギー供給を実験結果で結び付ける｜武蔵野個別指導塾

ATPを減らす処理後の取り込み量と損傷指標を照合し、濃度差に逆らう輸送を支える条件を検討します。

よくあるのは、ATPを減らす処理で物質の取り込みが減ったとき、その結果を細胞の損傷と区別せずにATPの働きと結び付ける場面です。取り込みの低下は観察できますが、処理が細胞膜や輸送タンパク質にも影響したなら、低下の理由は1つに決まりません。

資料では、膜の内外の濃度と移動方向から輸送の条件を問う型、ATPを減らした群と対照群を比べる型、追加実験で別の原因を絞る型が現れます。いずれも「何が観察されたか」と「何が原因だと考えられるか」を分けて読みます。以下の数値は学習用に設定した条件です。

濃度差に逆らうとは

生体膜は細胞の内側と外側を仕切り、膜タンパク質が特定の物質の通過に関わります。濃度は単位体積当たりの物質量です。全体の量が多い側が、必ずしも濃度の高い側とは限りません。体積が異なる場合は、それぞれの量を体積で割って比べます。

単純なモデルで、電荷を持たない物質が低濃度側から高濃度側へ正味で移るとき、その移動は濃度差に逆らいます。この方向の輸送にはエネルギーの供給が必要です。能動輸送には、ATPの分解に直接結び付いた輸送と、別の物質の濃度差に蓄えられたエネルギーを使う輸送があります。後者では、濃度差を作り維持する過程にエネルギーが必要な場合があります。

一方、高濃度側から低濃度側への正味の移動は濃度差に沿います。膜タンパク質を通る場合でも、それだけでATPを直接使うとは決まりません。膜を通る物質の種類と、移動前後の内外の濃度を明示してから判断します。

図1は細胞膜を挟んだ模式図です。矢印は対象物質の正味の移動方向を表します。低濃度の外側から高濃度の内側へ運ぶには、濃度差に逆らうためのエネルギーが必要です。ただし図だけでは、ATPを直接使うか、別の濃度差を利用するかは決まりません。

図1のように矢印と濃度を同じ図に置くと、向きの取り違えを防げます。移動方向は「内側へ」だけでは足りず、そのときの濃度差と組にして述べます。時間が進んで濃度が変わる実験では、どの時点の値かも確認します。

基本例題：濃度と量を分けて読む

ある膜で仕切られた細胞のモデルで、電荷を持たない物質Xが外側から内側へ正味で移動しています。測定時の外側は体積4 mL、Xの量8 µmol、内側は体積2 mL、Xの量6 µmolです。この時点の濃度をそれぞれ整数で求め、移動が濃度差に沿うか逆らうか答えなさい。膜の損傷による漏れはなく、両区画の体積は測定時に一定とします。

濃度は量を体積で割るので、外側は8 µmol ÷ 4 mLで2 µmol/mL、内側は6 µmol ÷ 2 mLで3 µmol/mLです。移動は2から3へ向かうため、濃度差に逆らいます。低濃度側から高濃度側へ運ぶにはエネルギー供給が必要ですが、これだけで供給源をATPと特定することはできません。

図2の数字は測定時の値で、矢印はXの正味の移動を示します。外側の量8は内側の量6より大きいものの、外側の体積も大きいため、量の大小と濃度の大小が逆になります。

答えを条件に戻すと、外側は2 µmol/mL・4 mLで8 µmol、内側は3 µmol/mL・2 mLで6 µmolです。どちらも与えられた量に戻ります。内外の総量14 µmolという値だけから、移動前の各量や輸送速度を決めることはできません。

標準例題：低下した量をどう比べるか

同じ種類の細胞を等しい数ずつ分け、外液からXを取り込ませます。処理以外の条件を同じにした対照群では、同じ測定時間中の細胞内X量の増加が24 nmolでした。ATPを減らす処理群では増加が9 nmolでした。処理群の増加量は対照群の何％か、小数第1位を四捨五入し、整数の概数で求めなさい。また、この結果だけでATPが輸送に直接使われたと断定できるか答えなさい。両群とも細胞外への正味の流出はなく、測定値は細胞数でそろえています。

比の分母は対照群の24 nmolです。9 ÷ 24は3/8で、100を掛けると37.5％です。整数に四捨五入して38％となります。計算前の37.5％を24 nmolに掛ければ9 nmolに戻ります。丸めた38％を使うと9.12 nmolなので、元の値に厳密に戻す検算には丸め前の値を使います。

観察できるのは処理群の増加量が小さいことです。ATP低下が輸送に関わるという仮説とは整合しますが、処理が細胞を損傷させたり、膜タンパク質に別の影響を与えたりした可能性もあります。したがって、ATPの直接利用は断定できません。なお、量の増加だけでは濃度差に逆らったかも決まりません。内外の濃度と、測定中の体積を別に調べる必要があります。

差を求める別解では、24 − 9で15 nmol少なく、15 ÷ 24は62.5％の減少です。残りは100 − 62.5で37.5％です。「何％減ったか」と「何％になったか」の分母は同じでも答えは異なります。どちらを問われたかを先に線で囲みます。

発展例題：損傷の可能性を残したまま結論を絞る

次の表は、同じ数の細胞について、処理後のATP量、一定時間のX取り込み量、細胞膜の損傷の指標を測った教材条件です。損傷の指標は、通常は膜を通りにくい色素を取り込んだ細胞の割合です。各値は群ごとの代表値です。

AとBについて、ATP低下とX取り込み低下の関係を、損傷指標に触れて記述しなさい。Aの取り込み量が対照の何％かも整数で求めなさい。

Aは12 ÷ 30・100で40％です。30 nmolの40％は12 nmolなので元に戻ります。BはATP量がAと同じでも取り込み量がより小さく、色素を取り込んだ細胞の割合も高い値です。Bでは膜損傷が結果に影響した可能性を特に考える必要があります。

Aの色素の値は対照に近く、大きな膜損傷が主因であるという説明には、Bより弱い根拠しかありません。それでも、この指標では検出できない変化や処理の別作用は残ります。Aと対照の差がATP低下による可能性はありますが、表だけでは直接的な因果関係も輸送タンパク質へのATPの直接作用も確定しません。ATPを回復させた群で輸送が戻るか、別の方法でATPを変えた群でも同じ傾向が出るかを調べると、説明をさらに絞れます。

回復しても、それだけで別作用が完全に消えたとは限りません。処理を除いたこと自体による影響を見られる対照を置き、回復後のATP量と損傷指標を同じ時点で測ります。回復しない場合も、ATP不足が原因でなかったと直ちに決めず、回復が十分だったか、処理の影響が残ったかを調べます。

実験の設計と読み取りの限界

ATPを減らす処理の有無を独立変数、一定時間のX取り込み量を従属変数とします。細胞数、外液のX濃度、温度、測定時間、液量などは比較できるようにそろえます。処理群に加える物質の溶媒が結果を変える可能性もあるため、対照群にも同じ量の溶媒を加えます。実際の操作は学校の指導の下で行います。

ATP量は処理後の同じ時点に測ります。取り込みの前後でATPが変化するなら、1回の測定値だけで測定中の状態を代表できるとは限りません。取り込み量も開始時の量を差し引いて増加量として扱い、細胞数が異なれば細胞当たりに直します。液量が変わる場合、量と濃度を混同しないよう両方を記録します。

膜損傷の指標は重要ですが、色素を通さない細胞にも輸送タンパク質の変化が生じる可能性があります。細胞の形や別の膜機能も合わせて観察し、指標が拾えない損傷の可能性を残します。色素の値が高い群では、細胞内への漏れ込みと輸送による取り込みを区別することも必要です。

グラフにするなら、横軸に処理条件または時間、縦軸に細胞数をそろえたXの増加量と単位を記します。ATP量を同じ図に重ねる場合は量の種類と軸を明示します。時間のグラフでは測定開始時をそろえ、途中の値を確かめずに直線的に増えたと決めません。終点が同じでも途中の増え方は異なり得るためです。

反復した測定がばらつく場合は、平均値の差だけでなく個々の値やばらつきも見ます。測定誤差、細胞の状態の違い、試料の混ざり方が差を生むことがあります。群の差が小さくばらつきと重なるなら、差の向きを強く断定せず、同条件での反復を増やします。差が大きくても、それだけではATPの直接作用を証明したことにはなりません。

高校の範囲を超える補足

イオンの移動では濃度差に加えて膜の内外の電気的な差も関わります。両方を合わせた電気化学勾配を考えるため、イオンが濃度の低い側から高い側へ動くという事実だけでは、外部からのエネルギーが必要な方向かを一意に決められません。高校の基本問題では、電気的な影響を無視する条件や、勾配の向きが問題文に与えられているかを確かめます。

誤答を直す：処理の影響を1つに決めない

「ATPを減らしたらXが減った。だからATPが輸送タンパク質に直接使われた」という答案は、観察と原因の間を飛び越えています。図3のように、ATP低下による影響と、細胞損傷など処理の別作用という複数の道筋を並べます。矢印は原因として考えられる関係を表し、確定した関係を示すものではありません。

直すなら「処理後にATP量とX取り込み量が低下した。ATP供給が輸送に関係する可能性があるが、損傷など処理の別作用を対照で調べる」と書きます。ATP量の測定がない場合は、処理名からATPが実際に減ったと断定せず、測定結果を求めます。さらに対照で損傷指標が同程度でも、測定していない別作用の余地は残します。

逆に、濃度差に沿う輸送を膜タンパク質が担っている場面では、タンパク質を使うという理由だけで能動輸送とは呼べません。対象物質、濃度差、正味の向き、エネルギー供給を順に確認すると、正しい場合との条件差が見えます。

練習：条件から答えを作る

各問は独立した教材条件です。計算の答えは指定した形にし、割り切れないときは指定した桁へ四捨五入します。

1. 電荷を持たない物質Yについて、外側の量は15 µmol、体積は5 mL、内側の量は8 µmol、体積は2 mLです。Yが外側から内側へ正味で移るとき、両側の濃度を整数のµmol/mLで求め、濃度差との関係を答えなさい。
2. 同数の細胞の対照群で取り込み量が20 nmol、処理群で7 nmolでした。処理群は対照群の何％か、整数で答えなさい。両群の測定時間と開始時の条件は同じです。
3. ATP低下処理後、取り込みが減り、膜を通りにくい色素を取り込む細胞が増えました。この結果からATPの直接作用を断定できない理由を1つ述べなさい。
4. ある物質の取り込み量を、異なる細胞数の2群で比べます。群Cは100個で60単位、群Dは200個で80単位でした。1細胞当たりの量を小数で求め、どちらが大きいか答えなさい。各細胞の観察時間は同じです。
5. ATP低下処理を取り除いた後、ATP量が処理前に戻り、X取り込みも戻りました。この結果と整合する仮説を1つ述べ、なお残る別の可能性を1つ挙げなさい。

練習の答えと考え方

1. 外側は15 ÷ 5で3 µmol/mL、内側は8 ÷ 2で4 µmol/mLです。外側から内側への正味移動は低濃度側から高濃度側なので、濃度差に逆らいます。3・5は15、4・2は8となり、与えられた量に戻ります。ATPを直接使うかは、この情報では決まりません。
2. 7 ÷ 20・100で35％です。20 nmolの35％は7 nmolに戻ります。減少率を問うなら65％であり、35％とは異なります。
3. 処理によって膜が損傷し、取り込みの測定値や輸送機能が変わった可能性があるためです。色素を取り込む細胞の増加は損傷を疑う観察であり、ATPの直接作用の証明ではありません。対照群と同じ条件で損傷指標を比べ、別作用の可能性を調べます。
4. Cは60 ÷ 100で0.6単位、Dは80 ÷ 200で0.4単位です。1細胞当たりではCが大きくなります。0.6・100は60、0.4・200は80で、各群の総量に戻ります。総量だけで比較すると細胞数の差が混じります。
5. ATP供給の低下が取り込みの低下に関わったという仮説と整合します。ただし、処理を取り除いた際にATP以外の影響も回復した可能性が残ります。ATPと損傷指標を回復前後の同じ時点で測り、処理を受けない対照も比べます。

覚えておくこと

• 電荷を持たない物質の正味移動は、内外の濃度と方向を対にして読む。
• 濃度差に逆らう輸送にはエネルギーが必要だが、その供給源は別に調べる。
• ATP低下と輸送低下の同時観察だけで直接作用は決まらない。
• 処理の対照、損傷の指標、回復後の状態を合わせて比べる。
• 量・濃度・細胞当たりの値は分母をそろえて計算する。

どこで判断がずれたか

方向を逆に答えた場合は、膜の内外に濃度を書き込み、矢印の始点と終点を指で追います。計算で誤った場合は、求めた濃度に体積を掛け、元の量へ戻るかを確かめます。記述で「証明された」と書いた場合は、表のどの列が観察値で、どの文が原因の推測かを色分けしてみます。

個別指導の場では、対照群に何をそろえるか、損傷指標が同じでも何が未測定かを口頭で説明できるかを確かめます。条件を1つ変えても結論が成り立つかを問い直すと、暗記した用語を実験の判断に結び付けられます。能動輸送の判断は、矢印と濃度、そして比較の条件から始まります。