高校生物 生体物質と生体膜—物質の性質と輸送の方向を図で結び付ける｜武蔵野個別指導塾

濃度差とATPの条件を分け、膜を通る物質と水の向きを考える手順を、生体膜の輸送までたどります。

よくあるのは、膜を隔てた濃度の差を見て、物質が動く方向とATPの必要性を取り違える場面です。濃度が高い側へ動けば何でもATPが直接使われると考えたり、タンパク質を通れば必ず能動輸送と決めたりすると、図の矢印を正しく説明できません。まず何が動くかを決め、両側の条件と輸送の仕組みを順に確かめましょう。学校の範囲表と授業ノートで、生体膜と物質輸送が試験の範囲に含まれるかを確認してから取り組みます。

要点（結論から）

• 膜はリン脂質二重層とタンパク質などからなります。
• 促進拡散はタンパク質を介する受動輸送です。
• 能動輸送は濃度差に逆らうためにエネルギーを使います。

問われる形を見分ける

1つ目は、生体物質の性質と役割を結び付ける問題です。糖質や脂質、核酸の名前を覚えるだけでなく、膜の構成に関わる物質と、情報を担う物質を区別します。細胞骨格については、細胞の形を保つことや細胞内の物質の移動に関わることを、膜を通過する輸送と混同しないことが必要です。

2つ目は、膜の両側の濃度と矢印から、受動輸送と能動輸送を判断する問題です。比較するのは移動する物質自身の濃度です。濃度差に沿う移動か、逆らう移動かを先に調べ、その後にATPなどのエネルギーとの関係を確かめます。輸送タンパク質の有無だけでは分類できません。

3つ目は、水だけが通れる膜を使った浸透の問題です。溶質の濃度が高い方へ溶質が移ると考えるのではなく、膜を通る水に注目します。実験結果を読むときは、膜を通過できる物質と、比較する間に変えていない条件を明記します。学習指導要領の「生物」では、生体膜を含む内容は生命現象と物質の範囲に位置します。

物質の性質から膜を見る

糖質には、グルコースのような単糖と、単糖が多数つながったデンプンやセルロースなどがあります。デンプンは植物の貯蔵物質、セルロースは植物の細胞壁の成分です。同じ単糖が材料でも、結合の仕方が違えば性質や役割は異なります。細胞壁は細胞膜の外側にあり、両者を同じ構造と扱わないようにします。

脂質には水になじみにくい性質を持つものが多く、リン脂質は水になじみやすい部分と、なじみにくい部分を併せ持ちます。水に接する両側に前者が向き、内側に後者が向くことで、リン脂質二重層ができます。生体膜にはタンパク質も含まれ、それらは膜内を動けます。このような膜の見方を流動モザイクモデルといいます。膜は仕切りですが、すべての物質を同じ通りやすさで通す壁ではありません。

図1のように、二重層の外側は水に接し、中央には水になじみにくい部分が集まります。膜を貫くタンパク質の中には、特定の物質が通る道や運び手になるものがあります。小さな非極性分子は二重層を通りやすい一方、イオンなどは脂質部分を通りにくく、膜タンパク質が関わることがあります。通過のしやすさは物質ごとに考えます。

核酸にはDNAとRNAがあり、ヌクレオチドがつながってできています。DNAは遺伝情報を担い、RNAはその情報に基づくタンパク質の合成などに関わります。細胞骨格はタンパク質からなる繊維状の構造で、細胞の形や細胞内の構造の配置、移動に関わります。核酸や細胞骨格をリン脂質二重層そのものと取り違えないことが整理の第一歩です。

濃度差に従う受動輸送には、脂質二重層を直接通る単純拡散と、膜タンパク質を介する促進拡散があります。どちらもその移動自体にATPの直接供給を必要としません。濃度差に逆らう能動輸送にはエネルギーが必要です。ATPの加水分解を直接利用するものもあれば、別の物質の濃度差を利用するものもあるため、能動輸送のすべてで輸送体がATPを直接分解すると決めないようにします。イオンでは電気的な差も方向に関係します。問題に条件が与えられたら、濃度差だけで結論を出せる設定か確認します。

浸透は、選択的に物質を通す膜を隔てた水の正味の移動です。膜を通れない溶質を含む2つの水溶液では、他の条件が等しければ、水は溶質濃度の低い側から高い側へ正味で移動します。水分子が一方向にしか動かないという意味ではありません。両方向に動く分子の数に差がある間、全体として水が移ります。

膜を介した移動を調べる実験では、処理前後の濃度だけでなく、どの膜タンパク質が働く設定なのかも確認します。たとえば輸送体を阻害した条件で移動が減っても、その結果だけでATPが直接使われたとは判断できません。促進拡散でも輸送体の働きを失えば移動が減るからです。同じ濃度差で阻害しない対照と比べ、さらにエネルギーの利用に関する条件を調べると、結論の範囲を整理できます。移動が見られない場合には、濃度差がない可能性と、通り道が働いていない可能性を区別します。

例題: 物質と水の矢印を分ける

次の条件は説明のために作ったものです。膜で仕切った同体積の区画AとBがあります。溶質Xの濃度はAが8、Bが2、溶質Yの濃度はAが1、Bが5という共通の相対単位です。Xは膜タンパク質を介して濃度差に従い移動し、YはATPを直接使う輸送体によってAからBへ移動します。両物質の電気的な影響は考えません。各物質の移動方向と輸送の分類を答え、YについてATPを使う理由を「濃度」の語を使って1文で述べてください。

図2のように、まずXの行だけを比べます。Aの8はBの2より高いため、XはAからBへ移動します。条件に濃度差に従うとあり、膜タンパク質を介するので促進拡散、つまり受動輸送です。タンパク質を通るという事実から能動輸送とは決められません。

次にYだけを比べます。Aの1はBの5より低いのに、移動方向はAからBです。したがってYは自身の濃度差に逆らって運ばれ、ATPを直接使う能動輸送です。記述は「Yを濃度の低いAから高いBへ運ぶため、ATPのエネルギーを使う」と書けます。答えを元の条件に戻すと、Xは8から2、Yは1から5の向きです。数字の大きい区画を物質ごとに確認することで、矢印を取り違えずに済みます。

ここで8と2を足して移動量を出すことはできません。濃度は移動前の状態を示し、移動する速さや時間は与えられていないからです。また、受動輸送が起きると濃度差は小さくなる方向に進みますが、図の値だけでは、いつ両側が等しくなるかは決まりません。輸送体が故障してXを通せなくなった場合も、濃度差があるという条件だけから、その経路を通る移動が起きるとは言えません。仕組みが働くという条件と、移動の向きを判断する条件は別です。

条件を変えたら結論も変わる

次の自作の装置では、膜を隔てた左室と右室に、通過できない溶質Zの水溶液を入れます。膜は水を通し、Zは通しません。初めは液面の高さが等しく、左のZ濃度は3、右は9という同じ相対単位です。液面差による圧力の影響を初めは無視できるものとします。水の正味の移動方向を答え、「溶質濃度」「水」を用いて2文程度で理由を述べてください。

左から右へ水が正味で移動します。左の溶質濃度が右より低く、膜を通れる水が低濃度側から高濃度側へ正味で移動するからです。Zが右から左へ移動するという答えは、膜がZを通さない条件に反します。移動が続いて液面差が生じると圧力も効くため、濃度差の大小だけでその後の状態を決めることはできません。

分かれ目は膜の選択性です。もし別の膜がZも通すなら、上の「Zは移動しない」という結論は使えません。さらに、膜が水を通さない故障状態なら、濃度差があってもその膜を通る水の移動は起きません。実験で液面が変わらなかったときも、直ちに両側の溶質濃度が等しいとは結論できません。膜の透過性や液面差による圧力を確かめる必要があります。実験の対照を作るなら、同じ膜と液量を使い、両室のZ濃度を等しくして、初めの液面の変化を比べます。温度などもそろえることで、濃度差の有無に注目できます。

誤答を矢印から直す

「膜タンパク質を通るので、Xは能動輸送」という答えは、通り道とエネルギーの区別が抜けています。図3のように、同じ膜タンパク質でも、濃度差に沿う促進拡散と、エネルギーを使って差に逆らう輸送を分けます。修正するときは、物質名を矢印に書き、始点と終点のその物質の濃度を読み上げます。

「溶質が濃い右から水が左に出る」という誤答は、移動するものを溶質と水で混ぜた可能性があります。膜を通れない溶質の濃度を目印にし、水の正味の矢印を低濃度側から高濃度側へ引き直します。水の移動で液量が変われば濃度も変わるため、初めの濃度と移動後の濃度を同一視しないことも必要です。

「ATPを使えないと受動輸送も止まる」という誤答も条件を見直します。受動輸送の移動自体はATPを直接必要としません。ただし、ATPを使う別の仕組みが長時間にわたって濃度差を維持していた場合には、ATPの供給停止が間接的に影響する可能性があります。短時間の輸送体の働きと、濃度差を維持する仕組みを分けて記述します。観察値が予想と違った場合は、すぐに原理を否定せず、膜の損傷や設定した濃度、対照の状態を順に点検します。

自分で確かめる4問

以下はすべて練習用に作った条件です。各問の答えは後にまとめています。

1. 物質Pは細胞外の濃度が7、細胞内が2という相対単位です。Pは膜タンパク質を介して濃度差に従い移動し、電気的な影響は無視します。移動方向と輸送の分類を答え、「タンパク質」「ATP」を使って理由を1文で述べてください。
2. 物質Qは区画Cの濃度が2、区画Dが6という相対単位です。QをCからDへ輸送体がATPを直接利用して運びます。輸送の分類を答え、「濃度差」を使って理由を1文で述べてください。電気的な影響は考えません。
3. 水は通すが溶質Rは通さない膜で区切った容器に、同じ液面のR水溶液を入れます。初めのR濃度は左が4、右が1という相対単位です。初めは圧力差を無視できるとき、水の正味の移動方向を答え、「溶質濃度」を使って1文で理由を述べてください。
4. リン脂質二重層の水になじみにくい部分が、水に接する外側へそろって向くという図を見ました。この図の誤りと修正を「水」「内側」の2語を使い、2文程度で述べてください。

答えと考え方

1. 細胞外から細胞内への促進拡散で、受動輸送です。「膜タンパク質を通りますが、濃度差に従う移動なのでATPを直接使いません」と説明できます。元の条件に戻すと外の7から内の2へ向かうため、濃度差に沿っています。タンパク質の存在だけでは能動輸送になりません。
2. 能動輸送です。「Qを濃度差に逆らって運ぶため、ATPを直接利用します」と答えます。Cの2からDの6へ動くという元の条件に戻すと、低い側から高い側への移動です。逆方向に読み違えると受動輸送と誤判定するので、矢印の始点と終点を先に記します。
3. 右から左です。「水は溶質濃度の低い右から高い左へ正味で移動します」と答えます。右の1と左の4を元の条件で比べると向きが合います。Rは膜を通れず、水が通れることも理由の前提です。液面が変わった後の圧力を無視する条件は与えられていないため、最終的な液面の高さは決められません。
4. 「水になじみにくい部分を水に向けた点が誤りです。この部分を二重層の内側に向け、水になじみやすい部分を両側の水に向けます」と直します。二重層の両面を水に接するように描き直せば、各リン脂質の向きも確かめられます。

要点を手元に残す

• 膜はリン脂質二重層とタンパク質などからなります。
• 促進拡散はタンパク質を介する受動輸送です。
• 能動輸送は濃度差に逆らうためにエネルギーを使います。
• 浸透では膜を通る水の正味の向きを追います。

答案のどこで迷ったかを探す

自分の答案で、矢印に物質名が付いているか、始点と終点にその物質の濃度を書いているかを見直します。方向は合っていて分類を誤ったなら、濃度差とATPの関係を言葉で説明できるかが確認点です。方向から誤ったなら、水と溶質のどちらが膜を通るかを問題文に戻って囲みます。

個別指導で確かめるときは、膜タンパク質の絵を見せて受動輸送と能動輸送の両方の矢印を描き、それぞれの根拠を尋ねます。浸透では膜の透過性を変えた場合に、同じ結論を使えるかを説明してもらいます。条件が変わった箇所を指せれば、暗記した矢印をそのまま使う誤りに気づけます。生体膜の図は、物質と方向を結び付ける地図です。