Biologi notesnota, bab 3
Pergerakan Bahan Merentasi Membran Plasma
Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Biologi Tingkatan 4 (KSSM), pageshalaman 44–69
What this chapter coversMatlamat bab ini
- Saya boleh mewajarkan keperluan pergerakan bahan merentasi membran plasma (3.1.1)
- Saya boleh memerihalkan komponen membran plasma dan fungsinya berdasarkan model mozek bendalir (3.1.2)
- Saya boleh melukis dan melabelkan komponen membran plasma berdasarkan model mozek bendalir (3.1.3)
- Saya boleh menghuraikan ketelapan membran plasma (3.1.4)
- Saya boleh menyatakan ciri bahan yang dapat merentasi membran plasma dari aspek saiz molekul, kekutuban molekul dan cas ion (3.2.1)
- Saya boleh menjalankan eksperimen tiub Visking dan osmometer ringkas untuk mengkaji pergerakan bahan merentasi membran telap memilih (3.2.2)
- Saya boleh menghuraikan dengan contoh pengangkutan pasif (resapan ringkas, osmosis, resapan berbantu) dan pengangkutan aktif (3.2.3)
- Saya boleh membanding dan membezakan pengangkutan pasif dengan pengangkutan aktif (3.2.4)
- Saya boleh menjelaskan dengan contoh pengangkutan pasif dan pengangkutan aktif dalam organisma (3.3.1, 3.3.2)
- Saya boleh mendefinisikan larutan hipotonik, hipertonik dan isotonik (3.3.3)
- Saya boleh mengeksperimen dan menerangkan kesan larutan hipotonik, hipertonik dan isotonik terhadap sel haiwan dan sel tumbuhan (3.3.4, 3.3.5)
- Saya boleh menentukan kepekatan sap sel tisu tumbuhan melalui eksperimen (3.4.1)
- Saya boleh menghubung kait kepekatan sap sel dengan fenomena kelayuan tumbuhan (3.4.2)
- Saya boleh menghuraikan aplikasi pergerakan bahan merentasi membran plasma dalam kehidupan harian dan menerangkan osmosis berbalik dalam penulenan air (3.4.3, 3.4.4)
3.1Struktur membran plasma
Keperluan pergerakan bahan merentasi membran plasma
Sel hidup memerlukan bahan dari persekitaran luar (seperti oksigen, glukosa, asid amino dan ion) untuk menjalankan proses hidup. Proses metabolisme dalam sel pula menghasilkan bahan buangan yang perlu disingkirkan. Maka sel mesti membenarkan sesetengah bahan masuk dan keluar. Pergerakan ini dikawal atur oleh membran plasma.
Model mozek bendalir (S. J. Singer dan G. L. Nicholson, 1972): molekul protein terapung dalam dwilapisan fosfolipid dan membentuk satu corak mozek yang sentiasa berubah-ubah. Struktur ini dinamik dan fleksibel, maka membran bersifat bendalir.
Rajah daripada buku teks Biologi Tingkatan 4 (KSSM), Rajah 3.1, m.s. 46.
| Komponen | Fungsi |
|---|---|
| Dwilapisan fosfolipid | Kerangka asas membran. Kepala berkutub bersifat hidrofilik (tertarik kepada air) dan menghala ke bendalir di luar sel dan ke sitoplasma. Ekor tidak berkutub bersifat hidrofobik dan kedua-dua ekor menghadap satu sama lain di bahagian dalam. |
| Protein liang | Mempunyai liang atau terusan; membolehkan molekul kecil terlarut dan ion tertentu meresap merentasi membran |
| Protein pembawa | Mempunyai tapak spesifik; hanya bergabung dengan molekul tertentu lalu mengangkutnya merentasi membran |
| Glikoprotein dan glikolipid | Protein dan lipid yang ada rantai karbohidrat. Bertindak sebagai reseptor untuk hormon seperti insulin, menstabilkan membran dengan membentuk ikatan hidrogen dengan air dan bertindak sebagai antigen untuk pengecaman sel |
| Kolesterol | Terdapat di antara molekul fosfolipid; menjadikan dwilapisan lebih kuat, lebih fleksibel dan kurang telap terhadap bahan larut air seperti ion |
Untuk melukis model (3.1.3): lukis dua lapisan fosfolipid (kepala di luar, ekor di dalam), selitkan protein liang dan protein pembawa, letakkan rantai karbohidrat pada glikoprotein dan glikolipid, kemudian letakkan kolesterol di antara fosfolipid. Labelkan juga “luar sel” dan “sitoplasma”.
Sifat ketelapan membran plasma
Membran dikatakan telap terhadap sesuatu bahan jika bahan itu boleh bergerak merentasinya secara bebas, dan tidak telap jika bahan itu tidak berupaya merentasinya. Membran plasma ialah membran telap memilih: hanya membenarkan pergerakan bebas sesetengah bahan dan menghalang atau mengehadkan pergerakan bahan yang lain. Sifat ini disebabkan oleh struktur binaannya: lapisan fosfolipid dan protein menentukan ciri ketelapan terhadap bahan tertentu.
Hidrofilik = tertarik kepada air (kepala berkutub). Hidrofobik = tidak tertarik kepada air (ekor tidak berkutub). Jangan tertukar.
Apakah yang akan berlaku kepada membran plasma jika tiada kolesterol?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Dwilapisan menjadi kurang kuat dan kurang fleksibel, dan lebih telap terhadap bahan larut air seperti ion.
3.2Konsep pergerakan bahan merentasi membran plasma
Ciri bahan yang dapat merentasi membran
Tiga faktor menentukan sama ada sesuatu molekul boleh merentasi membran plasma: saiz molekul, kekutuban molekul dan cas ion.
| Kumpulan bahan | Contoh | Cara merentasi membran |
|---|---|---|
| Bahan larut lipid (molekul tidak berkutub) | Asid lemak, gliserol, vitamin larut lemak (A, D, E, K), sebatian steroid | Meresap melalui dwilapisan fosfolipid |
| Molekul kecil | Air (H2O), oksigen (O2), karbon dioksida (CO2) | Melalui dwilapisan fosfolipid |
| Ion | K+, Na+, Ca2+, Mg2+ | Tidak larut lipid; memerlukan protein liang atau protein pembawa |
| Molekul besar tidak larut lipid | Glukosa, asid amino | Memerlukan protein pembawa |
Eksperimen dengan membran telap memilih
- Tiub Visking (Aktiviti 3.1): tiub Visking diisi 10 ml larutan glukosa 30% dan 10 ml ampaian kanji 1%, direndam dalam 400 ml air suling selama 30 minit. Ujian Benedict bagi air dalam bikar positif (glukosa, molekul kecil, telah meresap keluar). Ujian iodin bagi air dalam bikar negatif, manakala di dalam tiub Visking kanji memberi warna biru tua (kanji, molekul besar, kekal di dalam). Kesimpulan: pergerakan bahan bergantung pada saiz molekul. Tiub Visking menyerupai membran plasma kerana kedua-duanya telap memilih.
- Osmometer ringkas (Aktiviti 3.2): tiub Visking berisi larutan sukrosa 30% diikat pada tiub kapilari, kemudian direndam dalam air suling. Aras larutan sukrosa dalam tiub kapilari naik dengan masa kerana molekul air meresap masuk secara osmosis dari keupayaan air tinggi ke rendah. Molekul sukrosa terlalu besar untuk keluar. Jika tiub Visking diisi air suling dan bikar berisi sukrosa 30%, aras turun kerana air meresap keluar.
Pengangkutan pasif
Pengangkutan pasif tidak memerlukan tenaga. Bahan bergerak menuruni kecerunan kepekatan sehingga keseimbangan dinamik dicapai. Buku teks menganalogikannya dengan mengayuh basikal menuruni cerun bukit.
| Proses | Bahan yang bergerak | Penerangan |
|---|---|---|
| Resapan ringkas | Oksigen, karbon dioksida, asid lemak, gliserol | Pergerakan molekul atau ion dari kawasan berkepekatan tinggi ke rendah, terus melalui dwilapisan fosfolipid |
| Osmosis | Air sahaja | Pergerakan bersih molekul air secara rawak dari kawasan keupayaan air tinggi (kepekatan bahan terlarut rendah) ke kawasan keupayaan air rendah (kepekatan bahan terlarut tinggi) merentasi membran telap memilih |
| Resapan berbantu | Ion, glukosa, asid amino | Melalui protein pengangkut (protein liang atau protein pembawa) menuruni kecerunan kepekatan; tiada tenaga digunakan |
Pengangkutan aktif
- Bahan bergerak menentang kecerunan kepekatan (dari kepekatan rendah ke tinggi).
- Memerlukan tenaga daripada ATP (adenosina trifosfat) yang dijana semasa respirasi sel.
- Memerlukan protein pembawa spesifik dengan tapak untuk molekul atau ion dan tapak untuk ATP. Protein ini dikenali sebagai pam.
- Apabila ATP terurai kepada ADP dan fosfat (P), kumpulan fosfat terikat pada protein pembawa dan mengubah bentuknya, lalu bahan bergerak merentasi membran.
- Akibatnya berlaku pengumpulan atau penyingkiran molekul atau ion dalam sel.
Rajah daripada buku teks Biologi Tingkatan 4 (KSSM), Rajah 3.9, m.s. 55.
Pam natrium–kalium dan pam proton
Pam natrium–kalium (sel haiwan): (1) tiga ion Na+ bergabung dengan protein pembawa; (2) ATP terurai kepada ADP dan P, dan P terikat pada protein pembawa; (3) ikatan fosfat membekalkan tenaga dan mengubah bentuk protein, lalu Na+ diangkut ke luar sel; (4) dua ion K+ dari luar sel bergabung dengan protein dan P meninggalkan protein; (5) protein kembali ke bentuk asal; (6) K+ diangkut ke dalam sel.Pam proton: pada sel epitelium yang melapisi rongga perut, tenaga ATP mengangkut ion H+ ke luar sel, maka kandungan perut menjadi berasid.
| Pengangkutan pasif | Pengangkutan aktif | |
|---|---|---|
| Tenaga | Tidak memerlukan tenaga | Memerlukan tenaga (ATP) |
| Arah | Mengikut (menuruni) kecerunan kepekatan | Menentang kecerunan kepekatan |
| Hasil akhir | Berlaku sehingga keseimbangan dinamik tercapai | Berlaku pengumpulan dan penyingkiran molekul atau ion |
| Persamaan | Kedua-duanya mengangkut bahan merentasi membran telap memilih | |
Sel akar rambut mengambil ion mineral daripada tanah yang kepekatan ionnya lebih rendah daripada dalam sel. Jenis pengangkutan apakah ini dan mengapa?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Pengangkutan aktif. Ion bergerak menentang kecerunan kepekatan dengan menggunakan tenaga ATP dan protein pembawa.
3.3Pergerakan bahan merentasi membran plasma dalam organisma hidup
| Pengangkutan pasif | Pengangkutan aktif |
|---|---|
| Pertukaran gas antara alveolus dengan kapilari darah (resapan ringkas) | Penyerapan glukosa dan asid amino dalam vilus |
| Penyerapan semula air dalam tubul renal di ginjal (osmosis) | Penyerapan semula glukosa dalam tubul renal di ginjal |
| Penyerapan air oleh sel akar rambut (osmosis) | Pengangkutan sukrosa dari daun ke tisu floem |
| Penyerapan molekul fruktosa dalam vilus (resapan berbantu) | Penyerapan ion mineral oleh sel akar rambut |
Larutan isotonik, hipotonik dan hipertonik
Rajah daripada buku teks Biologi Tingkatan 4 (KSSM), Jadual 3.1, m.s. 58.
| Larutan | Kepekatan bahan terlarut | Keupayaan air | Pergerakan air |
|---|---|---|---|
| Isotonik | A dan B sama | Sama | Tiada pergerakan bersih |
| Hipotonik (A terhadap B) | A lebih rendah | A lebih tinggi | Dari A ke B |
| Hipertonik (A terhadap B) | A lebih tinggi | A lebih rendah | Dari B ke A |
Kesan larutan terhadap sel
Sel sentiasa mengalami osmosis kerana dikelilingi bendalir ekstrasel dan mengandungi bendalir intrasel. Arah pergerakan air bergantung pada keupayaan air dalam kedua-dua bendalir.
| Larutan luar | Sel haiwan (sel darah merah) | Sel tumbuhan |
|---|---|---|
| Hipotonik | Air meresap masuk, sel mengembang dan meletus: hemolisis (membran plasma terlalu nipis untuk menahan tekanan osmosis) | Air meresap ke dalam vakuol; vakuol mengembang dan menolak sitoplasma dan membran ke dinding sel: sel segah. Sel tidak meletus kerana dinding sel tegar dan kuat. Tekanan segah memberi sokongan dan menjadikan sel pengawal mengembang supaya stoma terbuka untuk fotosintesis. |
| Hipertonik | Air meresap keluar, sel mengecut: krenasi | Air meresap keluar dari vakuol; vakuol dan sitoplasma mengecut dan membran plasma tertarik daripada dinding sel: plasmolisis. Daun dan batang terlentur ke bawah (kelayuan). Jika segera dipindahkan ke larutan hipotonik, sel menjadi segah semula: deplasmolisis. |
| Isotonik | Air masuk dan keluar pada kadar sama; sel kekal bentuk normal | Keupayaan air sama; sel berada dalam keadaan flasid |
Istilah hemolisis hanya digunakan untuk peletusan sel darah merah. Sel tumbuhan dalam larutan hipotonik menjadi segah, tidak meletus.
Eksperimen
- Sel darah merah ayam (Aktiviti 3.3): sel diperhatikan dalam air suling, larutan natrium klorida 0.15 M dan 0.50 M. Pemboleh ubah dimanipulasikan ialah kepekatan larutan persekitaran dan pemboleh ubah bergerak balas ialah keadaan sel. Dalam air suling (hipotonik) sel meletus, dalam NaCl 0.50 M (hipertonik) sel mengecut dan dalam NaCl 0.15 M (isotonik) sel kekal normal.
- Epidermis daun sisik bawang (Aktiviti 3.4): dalam air suling sel segah; dalam sukrosa 1.0 M berlaku plasmolisis; apabila air suling berlebihan dialirkan, sel menjadi segah semula (deplasmolisis).
- Silinder ubi kentang (Aktiviti 3.5): tujuh silinder sepanjang 50 mm direndam 30 minit dalam air suling dan sukrosa 0.1 M hingga 0.6 M. Plot graf peratus perubahan jisim melawan kepekatan sukrosa. Kepekatan pada titik graf memotong paksi 0% (jisim tidak berubah) ialah kepekatan larutan yang isotonik terhadap sap sel ubi kentang.
Peratus perubahan jisim
Jisim awal silinder = 5.0 g, jisim akhir = 5.6 g. Perubahan = 5.6 − 5.0 = 0.6 g.Peratus perubahan jisim = 0.6 ÷ 5.0 × 100 = +12% (bertambah, maka larutan hipotonik terhadap sap sel).
Jika jisim akhir 4.6 g: (4.6 − 5.0) ÷ 5.0 × 100 = −8% (berkurang, maka larutan hipertonik terhadap sap sel).
Apakah yang berlaku apabila gula ditaburkan pada buah strawberi?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Gula menjadikan persekitaran hipertonik terhadap sel strawberi. Air meresap keluar daripada sel secara osmosis, maka jus kelihatan.
3.4Pergerakan bahan merentasi membran plasma dalam kehidupan harian
- Kelayuan tumbuhan: pembajaan berlebihan menjadikan air tanah hipertonik terhadap sap sel akar. Air meresap keluar daripada sap sel akar ke dalam tanah secara osmosis dan sel mengalami plasmolisis, maka tumbuhan layu. Sel pulih apabila disiram air, tetapi jika plasmolisis berlangsung lama, tumbuhan akan mati.
- Pengawetan makanan: garam, gula pekat atau cuka menjadikan makanan hipertonik terhadap mikroorganisma, maka air keluar daripada sel mikroorganisma dan pertumbuhannya terhalang (jeruk, ikan masin, buah-buahan yang ditinkan).
- Penghidratan semula: garam penghidratan oral mengembalikan kehilangan air dan elektrolit akibat cirit-birit. Minuman isotonik bagi atlet mengganti bendalir dan elektrolit seperti kalium dan natrium yang hilang melalui perpeluhan. Larutan saline perubatan isotonik terhadap plasma darah (0.85–0.90 g natrium klorida per 100 ml).
- Liposom: vesikel yang mengandungi larutan akues dikelilingi membran dwilapisan fosfolipid. Ubat larut air diangkut di kawasan hidrofilik dan ubat tidak larut air di kawasan hidrofobik. Liposom melindungi ubat yang dimakan daripada dimusnahkan oleh jus gaster supaya ubat sampai ke sel sasaran.
- Osmosis berbalik: tekanan dikenakan ke atas air laut supaya melalui membran telap memilih. Molekul air melaluinya manakala zarah bendasing, garam dan mikroorganisma dihalang, maka air tawar yang tulen diperoleh (penyahgaraman).
Dalam osmosis berbalik, air dipaksa bergerak dari larutan pekat ke larutan cair oleh tekanan yang dikenakan, iaitu arah yang bertentangan dengan osmosis biasa.
Mengapakah larutan saline untuk pesakit dibuat isotonik terhadap plasma darah?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Supaya tiada pergerakan bersih air. Jika hipotonik, sel darah merah meletus; jika hipertonik, sel darah merah mengecut.