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Cell Structure and Function · ⁨細胞の構造と機能⁩

AP Biology · ⁨AP生物学⁩ · Topic 2 · ⁨トピック 2⁩

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9:48

細胞の構造と機能

顕微鏡で葉を見てください。緑色の箱の列が見え、各箱は小さな緑色の円盤で詰まっています。次に玉ねぎの薄いスライスを見てください。整然としたレンガ…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

2.1

Organelles and the Endomembrane System · ⁨小器官と内膜系⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Big Idea 4 — Systems Interactions (SYI): Biological systems interact, and these systems and their interactions exhibit complex properties.

Learning Objective 2.1.A: Explain how the structure and function of subcellular components and organelles contribute to the function of cells.

  • 2.1.A.1 Ribosomes are comprised of ribosomal RNA (rRNA) and protein. These non-membrane, subcellular structures are found in cells in all forms of life and reflect the common ancestry in all known life. Ribosomes synthesize proteins according to messenger RNA (mRNA) sequences.
  • 2.1.A.2 The endomembrane system consists of a group of membrane-bound organelles and subcellular components (endoplasmic reticulum (ER), Golgi complex, lysosomes, vacuoles and transport vesicles, the nuclear envelope, and the plasma membrane) that work together to modify, package, and transport polysaccharides, lipids, and proteins intercellularly.
  • 2.1.A.3 Endoplasmic reticulum provides mechanical support by helping cells maintain shape and plays a role in intracellular transport.
    • i. Rough ER is associated with membrane-bound ribosomes, allows for the compartmentalization of cells, and helps carry out protein synthesis.
    • ii. Smooth ER functions include the detoxification of cells and lipid synthesis.
    • Exclusion statement: Knowledge of the specific functions of smooth ER in specialized cells is beyond the scope of the AP Exam.
  • 2.1.A.4 The Golgi complex is a membrane-bound structure that consists of a series of flattened membrane sacs. Functions of the Golgi include:
    • i. Correctly folding and chemically modifying newly synthesized cellular products
    • ii. Packaging proteins for trafficking
    • Exclusion statement: Knowledge of the role of Golgi in the synthesis of specific phospholipids and packaging of specific enzymes for lysosomes, peroxisomes, and secretory vesicles is beyond the scope of the AP Exam.
    • Illustrative examples for 2.1.A.4:
      • Glycosylation and other chemical modifications of proteins that take place within the Golgi and determine protein function or targeting
  • 2.1.A.5 Mitochondria have a double membrane that provides compartments for different metabolic reactions involved in aerobic cellular respiration. The outer membrane is smooth, while the inner membrane is highly convoluted, forming folds that enable ATP to be synthesized more efficiently.
  • 2.1.A.6 Lysosomes are membrane-enclosed sacs that contain hydrolytic enzymes that digest material. Lysosomes also play a role in programmed cell death (apoptosis).
  • 2.1.A.7 Vacuoles are membrane-bound sacs that play many different roles.
    • i. In plant cells, a specialized large vacuole maintains turgor pressure through nutrient and water storage.
    • ii. In animal cells, vacuoles are smaller in size, are more plentiful than in plant cells, and store cellular materials.
  • 2.1.A.8 Chloroplasts are specialized organelles that are found in plants and photosynthetic algae. Chloroplasts contain a double membrane and serve as the location for photosynthesis.
日本語

Big Idea 4 — システム間相互作用 (SYI): 生物学的システムは相互作用し、それらのシステムおよび相互作用は複雑な性質を示す。

学習目標 2.1.A: 細胞小器官の構造と機能、およびサブセルラーコンポーネントが細胞の機能にどのように寄与するかを説明する。

  • 2.1.A.1 リボソームはリボソームRNA (rRNA) とタンパク質で構成されている。これらの膜を持たないサブセルラー構造物は、あらゆる生命体の細胞に存在し、既知の全生命体の共通の系統性を反映している。リボソームはメッセンジャーRNA (mRNA) の配列に従ってタンパク質を合成する。
  • 2.1.A.2 内膜系は、膜に囲まれた小器官およびサブセルラーコンポーネント(内質網 (ER)、ゴルジ装置、ライソソーム、液胞、輸送小胞体、核膜、細胞膜)のグループからなり、これらは協調して多糖類、脂質、タンパク質を細胞間で修飾、包装、輸送する役割を果たす。
  • 2.1.A.3 内質網は、細胞が形を維持するのを助けることで機械的支援を提供し、細胞内輸送にも関与する。
    • i. 粗面内質網は膜付着リボソームに関係しており、細胞の区画化を可能にし、タンパク質合成の実行を助ける。
    • ii. 滑面内質網の機能には、細胞の解毒作用と脂質の合成が含まれる。
    • 除外事項: 特化した細胞における滑面内質網の特定の機能に関する知識はAP試験の範囲外である。
  • 2.1.A.4 ゴルジ装置は、一連の扁平な膜嚢からなる膜に囲まれた構造物である。ゴルジの機能には以下が含まれる:
    • i. 新しく合成された細胞産物の正しい折りたたみと化学的修飾
    • ii. 輸送用タンパク質の包装
    • 除外事項: 特定のホスホリピッドの合成や、ライソソーム、ペルオキシソーム、分泌小胞体への特定の酵素の包装におけるゴルジの役割に関する知識はAP試験の範囲外である。
    • 2.1.A.4の例示:
      • ゴルジ内で起こるタンパク質のグリコシル化や他の化学的修飾であり、これらがタンパク質の機能や標的決定に寄与する
  • 2.1.A.5 ミトコンドリアは二重膜を持ち、好気性細胞呼吸に関わる異なる代謝反応のための区画を提供する。外膜は滑らかであるのに対し、内膜は極めて湾曲しており、ATPをより効率的に合成できるような褶(しわ)を形成している。
  • 2.1.A.6 ライソソームは加水分解酵素を含み、物質を消化する膜に囲まれた嚢である。ライソソームはプログラム細胞死(アポトーシス)にも関与する。
  • 2.1.A.7 液胞は膜に囲まれた嚢であり、多様な役割を果たす。
    • i. 植物細胞では、特殊化した大型の液胞が栄養素と水の貯蔵を通じて膨圧を維持する。
    • ii. 動物細胞では、液胞はサイズが小さく、植物細胞よりも豊富に存在し、細胞内の物質を貯蔵する。
  • 2.1.A.8 クロロプラストは、植物と光合成藻類に存在する特殊化した小器官である。クロロプラストは二重膜を持ち、光合成が行われる場所として機能する。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

A eukaryotic cell divides its work among organelles 细胞器. The endomembrane system 内膜系统 is a connected set that makes, modifies, and ships molecules: the nucleus 细胞核 (holds DNA), rough and smooth endoplasmic reticulum 内质网 (protein and lipid synthesis), the Golgi 高尔基体 (modifies and packages), lysosomes 溶酶体 (digestion), and vesicles that carry material between them. Mitochondria 线粒体 (respiration) and chloroplasts 叶绿体 (photosynthesis) have their own membranes.

What each organelle actually does

The exam asks you to name a structure and say what it does, so learn them as pairs.

Ribosomes 核糖体 are made of ribosomal RNA 核糖体核糖核酸 (rRNA) and protein. They have no membrane, and they are found in every form of life — bacteria, archaea and eukaryotes alike. That shared presence is evidence of common ancestry: a structure this central was already present in the last common ancestor of all living things. A ribosome reads messenger RNA 信使核糖核酸 (mRNA) and builds the protein it codes for. Free ribosomes make proteins for use inside the cell; ribosomes bound to the rough endoplasmic reticulum make proteins for export or for the membrane.

The Golgi complex 高尔基复合体 is a series of flattened, membrane-bound sacs. A protein arriving from the endoplasmic reticulum is passed through them, and three things happen to it:

  • it is folded correctly and chemically modified — most often by glycosylation 糖基化, the attachment of short sugar chains;
  • it is sorted and targeted, so the modified sugar or phosphate tag decides which compartment the protein is sent to;
  • it is packaged into a vesicle for transport.

So the Golgi is not storage: it is the cell's finishing and dispatch department, and its modifications determine what a protein does and where it ends up.

Lysosomes are membrane-enclosed sacs of hydrolytic enzymes 水解酶 that digest material — worn-out organelles, engulfed bacteria, and food particles taken in by the cell. Their enzymes work best at a low pH, which the lysosome maintains inside itself; keeping them enclosed protects the rest of the cell. Lysosomes also take part in apoptosis 细胞凋亡, programmed cell death, in which a cell is dismantled deliberately, for example to sculpt fingers from a webbed embryonic hand.

Vacuoles 液泡 are membrane-bound sacs with many different roles: storing water, ions, nutrients or waste, and in a plant cell the large central vacuole also presses outwards on the cell wall to keep the cell firm.

Mitochondria and chloroplasts each have a double membrane and their own circular DNA and ribosomes — the evidence behind endosymbiotic theory below.

日本語
緑色の葉緑体で満たされたエロデア葉細胞(光学顕微鏡写真)
緑色のクロロプラストに満たされたエロデア葉の細胞(光顕微鏡写真)
光顕微鏡下での玉ねぎ表皮細胞 — 細胞壁と核がはっきり見える
光顕微鏡下での玉ねぎ表皮細胞 — 細胞壁と核がはっきり見える

真核細胞は、小器官(オルガネラ) に仕事を分担している。内膜系は、分子を合成・修飾・輸送する相互に接続したシステムであり、核(DNAを保持)、粗面小胞体および滑面小胞体(タンパク質および脂質の合成)、ゴルジ装置(修飾および包装)、リソソーム(消化)、そしてそれら間で物質を運ぶ小胞を含む。ミトコンドリア(呼吸)とクロロプラスト(光合成)は独自の膜を持つ。

植物細胞には細胞壁、大きな液胞、クロロプラストもある
植物細胞には細胞壁、大きな液胞、クロロプラストもある
一般的な動物細胞とその小器官
一般的な動物細胞とその小器官

各小器官の実際の機能

試験では構造名とその機能を答える必要があるため、ペアとして覚えること。

リボソームはリボソームRNA(rRNA)とタンパク質からなる。膜を持たず、すべての生命形態に存在する — 細菌、古細菌、真核生物 alike。この共通する存在は共通祖先の証拠である:これほど中心的な構造は、あらゆる生物の最終共通祖先においてすでに存在していた。リボソームはメッセンジャーRNA(mRNA)を読み取り、そのコードするタンパク質を合成する。遊離リボソームは細胞内で使われるタンパク質を製造し、粗面小胞体に結合したリボソームは輸出用または膜用タンパク質を製造する。

ゴルジ複合体は、扁平で膜に包まれた嚢の連なりである。小胞体から届いたタンパク質通过这些 them,以下3つのことが起こる:

  • 正しく折りたたまれ、化学的に修飾される — 最も一般的には糖鎖付加(短い糖鎖の結合)により;
  • 選別され標的付けられ、修飾された糖やリン酸タグがタンパク質を送る区画を決定する;
  • 輸送用の小胞にパッケージされる。

したがってゴルジは貯蔵ではなく、細胞の仕上げおよび発送部門であり、その修飾がタンパク質の機能と最終的な場所を決定する。

リソソームは加水分解酵素に満たされた膜に包まれた嚢であり、物質を消化する — 使い古された小器官、捕食された細菌、細胞によって摂取された食物粒子。これらの酵素は低いpHで最も良く機能するため、リソソームは内部を低pHに保っている;これらを膜に包むことで他の細胞成分を保護している。リソソームはアポトーシス(プログラム細胞死)にも関与しており、これは意図的に解体されるプロセスであり、例えば指を形成するために-webbed embryonic hand を造形する場合などがある。

液胞は膜に包まれた嚢であり、多様な役割を持つ:水、イオン、栄養素、廃棄物の貯蔵、植物細胞では中央の大きな液胞が細胞壁 outward に押し付けて細胞を硬く保つ。

ミトコンドリアとクロロプラストはそれぞれ二重膜を持ち、自身の環状DNAとリボソームを持っている — これらは後述の内共生説の根拠である。

2.2

Why Cells Stay Small · ⁨細胞が小さい理由⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 2.2.A: Explain the effect of surface area-to-volume ratios on the exchange of materials between cells or organisms and the environment.

  • 2.2.A.1 Surface area-to-volume ratios affect the ability of a biological system to obtain necessary nutrients, eliminate waste products, acquire or dissipate thermal energy, and otherwise exchange chemicals and energy with the environment.
    • Relevant equations:
      • Volume of a Sphere: $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
      • Volume of a Cube: $V = s^3$
      • Volume of a Rectangular Solid: $V = lwh$
      • Volume of a Cylinder: $V = \pi r^2 h$
      • Surface Area of a Sphere: $SA = 4\pi r^2$
      • Surface Area of a Cube: $SA = 6s^2$
      • Surface Area of a Rectangular Solid: $SA = 2lh + 2lw + 2wh$
      • Surface Area of a Cylinder: $SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
      • $r$ = radius
      • $l$ = length
      • $h$ = height
      • $w$ = width
      • $s$ = length of one side of a cube
    • Illustrative examples for 2.2.A.1:
      • SA/V Ratios and Exchanges
        • Root hairs
        • Guard cells
        • Gut epithelial cells
      • Cilia
      • Stomata
  • 2.2.A.2 The surface area of the plasma membrane must be large enough to adequately exchange materials.
    • i. The surface area-to-volume ratio can restrict cell size and shape. Smaller cells typically have a higher surface area-to-volume ratio as well as a more efficient exchange of materials with the environment than do larger cells.
    • ii. As cells increase in volume, the surface area-to-volume ratio decreases and the demand for internal resources increases.
    • iii. More complex cellular structures (e.g., membrane folds) are necessary to adequately exchange materials with the environment.
    • iv. As organisms increase in size, their surface area-to-volume ratio decreases, affecting properties like rate of heat exchange with the environment. Smaller amounts of mass exchange proportionally more heat with the ambient environment than do larger masses. As mass increases, both the surface area-to-volume ratio and the rate of heat exchange decrease.
    • v. There is a relationship between metabolic rate per unit body mass and the size of multicellular organisms; typically, the smaller the organism, the higher the metabolic rate per unit body mass.
日本語

Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

学習目標 2.2.A: 表面積対体積比が、細胞または生物体と環境との間の物質交換に及ぼす影響を説明する。

  • 2.2.A.1 表面積対体積比は、生物系が必要とする栄養素を得たり、廃棄物を排除したり、熱エネルギーを取得または散逸させたり、その他環境との化学物質およびエネルギーの交換を行う能力に影響を与える。
    • 関連式:
      • 球の体積: $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
      • 立方体の体積: $V = s^3$
      • 直方体の体積: $V = lwh$
      • 円柱の体積: $V = \pi r^2 h$
      • 球の表面積: $SA = 4\pi r^2$
      • 立方体の表面積: $SA = 6s^2$
      • 直方体の表面積: $SA = 2lh + 2lw + 2wh$
      • 円柱の表面積: $SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
      • $r$ = 半径
      • $l$ = 長さ
      • $h$ = 高さ
      • $w$ = 幅
      • $s$ = 立方体の1辺の長さ
    • 2.2.A.1の例示:
      • SA/V比と交換
        • 根毛
        • 保衛細胞
        • 腸上皮細胞
      • 繊毛
      • 気孔
  • 2.2.A.2 細胞膜の表面積は、物質を適切に交換するために十分な大きさである必要がある。
    • i. 表面積対体積比は細胞サイズと形状を制限することがある。小さい細胞は通常、大きい細胞よりも高い表面積対体積比を持ち、環境との物質交換もより効率的である。
    • ii. 細胞の体積が増加すると、表面積対体積比は減少し、内部資源への需要が増加する。
    • iii. 環境との物質交換を適切に行うためには、複雑な細胞構造(例:膜の折り目など)が必要である。
    • iv. 生物のサイズが増大すると、表面積と体積の比が減少し、環境との熱交換速度などの性質に影響を与える。大きな質量よりも、小さな質量の方が相対的に環境との熱交換量が多い。質量が増加すると、表面積と体積の比および熱交換速度の両方が減少する。
    • v. 単位体重あたりの代謝率と多細胞生物のサイズの間には関係があり、一般的に、生物が小さいほど単位体重あたりの代謝率は高い。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Cells stay small because of the surface-area-to-volume ratio 表面积与体积比. As a cell grows, its volume rises faster than its surface area, so its membrane cannot exchange materials fast enough for the interior. Staying small (or being flat or folded) keeps enough surface to serve the volume.

Worked example. A cube-shaped cell $2\ \mu\text{m}$ on a side has surface area $6\times2^2=24\ \mu\text{m}^2$ and volume $2^3=8\ \mu\text{m}^3$, so its surface-area-to-volume ratio is $\tfrac{24}{8}=3$. Double the side to $4\ \mu\text{m}$: surface area $=6\times4^2=96$, volume $=4^3=64$, ratio $=\tfrac{96}{64}=1.5$. Doubling the size halved the ratio – the larger cell has far less membrane per unit of interior, which is why cells stay small.

日本語
赤血球の走査型電子顕微鏡写真 — 核なし、ガス交換のための高い表面積
赤血球の走査型電子顕微鏡写真 — 核なし、ガス交換のための高い表面積

細胞が小さいのは表面積対体積比のためである。細胞が大きくなると体積は表面積よりも速く増加するため、膜は内部に対して十分な速度で物質を交換できない。小さく保つ(あるいは平らにする、折りたたむ)ことで、体積に対応する十分な表面積を維持できる。

細胞が大きくなるにつれて表面積対体積比は低下する
細胞が大きくなるにつれて表面積対体積比は低下する

計算例。 一辺が$2\ \mu\text{m}$の立方体の細胞は、表面積が$6\times2^2=24\ \mu\text{m}^2$、体積が$2^3=8\ \mu\text{m}^3$であるため、表面積対体積比は$\tfrac{24}{8}=3$となる。一辺を$4\ \mu\text{m}$に倍増させると、表面積は$=6\times4^2=96$、体積は$=4^3=64$、比は$=\tfrac{96}{64}=1.5$となる。サイズを倍増させたことで比は半分になった——より大きな細胞は内部単位あたりの膜がはるかに少ないため、細胞は小さく保たれる。

Explore · ⁨探索⁩

See surface area vs volume as a cube grows · ⁨立方体が成長するにつれて表面積と体積の関係を見る⁩

As a cell grows, volume rises faster than surface area, so the surface-area-to-volume ratio falls. A small cell keeps enough membrane to exchange materials fast enough. · ⁨細胞が成長すると、体積は表面積よりも速く増加するため、表面積対体積比は低下する。小さな細胞は十分な膜を持ち、物質交換を十分に速く行える。⁩

2.3

The Fluid Mosaic Model of the Membrane · ⁨膜の流動モザイクモデル⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 2.3.A: Describe the roles of each of the components of the cell membrane in maintaining the internal environment of the cell.

  • 2.3.A.1 Phospholipids have both hydrophilic and hydrophobic regions. The polar hydrophilic phosphate regions of the phospholipids are oriented toward the aqueous external or internal environment, while the nonpolar hydrophobic fatty acid regions face each other within the interior of the membrane.
  • 2.3.A.2 Embedded proteins can be hydrophilic (with charged and polar side groups), hydrophobic (with nonpolar side groups), or both.
    • i. Hydrophilic regions of the proteins are either inside the interior of the protein or exposed to the cytosol (cytoplasm).
    • ii. Hydrophobic regions of proteins make up the protein surface that interacts with the fatty acids in the interior membrane.

Learning Objective 2.3.B: Describe the fluid mosaic model of cell membranes.

  • 2.3.B.1 Plasma membranes consist of a structural framework of phospholipid molecules embedded with proteins, steroids (such as cholesterol in vertebrate animals), glycoproteins, and glycolipids. All of these can move around the surface of the cell within the membrane, as illustrated by the fluid mosaic model.
日本語

Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

学習目標 2.3.A: 細胞膜を構成する各成分が、細胞内部環境を維持する上で果たす役割を説明すること。

  • 2.3.A.1 リポイドには親水性部分と疎水性部分の両方がある。リポイドの極性のある親水性リン酸部分は、水溶液である外部または内部環境に向き合っている。一方、非極性のある疎水性脂肪酸部分は、膜の内部で互いに向き合っている。
  • 2.3.A.2 埋め込まれたタンパク質は、親水性(電荷を持つ極性側基を含む)、疎水性(非極性側基を含む)、あるいはその両方の特性を持つことがある。
    • i. タンパク質の親水性部分は、タンパク質の内部にあるか、細胞質(シトゾール)に露出している。
    • ii. タンパク質の疎水性部分は、膜の内部にある脂肪酸と相互作用するタンパク質の表面を形成する。

学習目標 2.3.B: 細胞膜の流動モザイクモデルを説明すること。

  • 2.3.B.1 プラズマ膜は、脂質二重層を骨格とし、タンパク質、ステロイド(脊椎動物ではコレステロールなど)、グリコプロテイン、グリコリピッドが埋め込まれた構造から成る。これらの成分はすべて、流動モザイクモデルに示されるように、膜内で細胞表面を移動することができる。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

The cell membrane is a phospholipid bilayer 磷脂双分子层 – polar heads facing the water, nonpolar tails inside – studded with proteins. The fluid mosaic model 流动镶嵌模型 pictures it as a fluid sheet in which lipids and proteins drift. Cholesterol and the degree of unsaturation tune its fluidity.

日本語

細胞膜はホスファチジバイレイヤー — 親水性頭部が水に向かい、疎水性尾部が内側にある — タンパク質で埋め込まれている。流動モザイクモデルは、脂質とタンパク質が漂う流体シートとして描く。コレステロールと不飽和度の度合いが流動性を調整する。

細胞膜の流動モザイクモデル
細胞膜の流動モザイクモデル
2.4

What Can Cross the Membrane · ⁨膜を通過できるもの⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 2.4.A: Explain how the structure of biological membranes influences selective permeability.

  • 2.4.A.1 Plasma membranes separate the internal environment of the cell from the external environment. Selective permeability is the result of the plasma membrane having a hydrophobic interior.
  • 2.4.A.2 Small nonpolar molecules, including $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{O_2}$, and $\mathrm{CO_2}$, freely pass across the membrane. Hydrophilic substances, such as large polar molecules and ions, move across the membrane through embedded channels and transport proteins.
  • 2.4.A.3 The nonpolar hydrocarbon tails of phospholipids prevent the movement of ions and polar molecules across the membrane. Small polar, uncharged molecules, like $\mathrm{H_2O}$ or $\mathrm{NH_3}$ (ammonia), pass through the membrane in small amounts.

Learning Objective 2.4.B: Describe the role of the cell wall in maintaining cell structure and function.

  • 2.4.B.1 Cell walls of Bacteria, Archaea, Fungi, and plants provide a structural boundary as well as a permeability barrier for some substances to the internal or external cellular environments and protection from osmotic lysis.
日本語

Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

学習目標 2.4.A: 生物膜の構造が選択的透過性に与える影響について説明すること。

  • 2.4.A.1 プラズマ膜は細胞の内部環境と外部環境を分離している。選択的透過性は、プラズマ膜が疎水性の内部を持っていることに起因する。
  • 2.4.A.2 小さな非極性分子である $\mathrm{N_2}$、$\mathrm{O_2}$、$\mathrm{CO_2}$ は膜を自由に通過する。親水性物質(大きな極性分子やイオンなど)は、埋め込まれたチャネルや輸送タンパク質を通じて膜を移動する。
  • 2.4.A.3 リポイドの非極性炭化水素鎖は、イオンや極性分子の膜透過を妨げる。小さな極性かつ電荷を持たない分子($\mathrm{H_2O}$ や $\mathrm{NH_3}$(アンモニア)など)は、少量ながら膜を通過する。

学習目標 2.4.B: 細胞壁が細胞の構造と機能の維持に果たす役割を説明すること。

  • 2.4.B.1 細菌、古菌、真菌、植物の細胞壁は、構造的境界として機能するとともに、特定の物質に対する透過性バリアとなり、細胞内外の環境への保護や浸透圧による破裂(オスモリス)からの防御を提供する。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

The membrane is selectively permeable 选择透过性. Small nonpolar molecules ($\text{O}_2$, $\text{CO}_2$) and water cross easily; large or charged/polar particles (ions, glucose) cannot pass the nonpolar core without help. This selectivity lets the cell control its internal environment.

日本語

膜は選択透過性を持つ。小さな非極性分子($\text{O}_2$, $\text{CO}_2$)と水は容易に通過する;大きな粒子や電荷/極性を持つ粒子(イオン、ブドウ糖)は、非極性コアを通過できない(助けが必要)。この選択性が細胞に内部環境を制御させる。

物質が膜を通過する3つの方法
物質が膜を通過する3つの方法
2.5

Passive and Active Transport · ⁨受動輸送と能動輸送⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 2.5.A: Describe the mechanisms that organisms use to maintain solute and water balance.

  • 2.5.A.1 The selective permeability of membranes allows for the formation of concentration gradients of solutes across the membrane.
  • 2.5.A.2 Passive transport is the net movement of molecules from regions of high concentration to regions of low concentration without the direct input of metabolic energy.
  • 2.5.A.3 Active transport requires the direct input of energy to move molecules. In some cases, active transport is utilized to move molecules from regions of low concentration to regions of high concentration.

Learning Objective 2.5.B: Describe the mechanisms that organisms use to transport large molecules across the plasma membrane.

  • 2.5.B.1 The processes of endocytosis and exocytosis require energy to move large substances or large amounts of substances into and out of cells.
    • i. In endocytosis, the cell takes in large molecules and particulate matter by folding the plasma membrane in on itself and forming new (small) vesicles that engulf material from the external environment.
    • ii. In exocytosis, internal vesicles release material from cells by fusing with the plasma membrane and secreting large molecules from the cell.
日本語

Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

学習目標 2.5.A: 生物が溶質と水のバランスを維持するために用いるメカニズムを説明すること。

  • 2.5.A.1 膜の選択的透過性により、溶質の濃度勾配が膜の両側に形成される。
  • 2.5.A.2 受動輸送とは、代謝エネルギーの直接的な投入なしに、高濃度領域から低濃度領域へ分子が正味で移動するプロセスである。
  • 2.5.A.3 能動輸送は、分子を移動させるためにエネルギーの直接的な投入を必要とする。場合によっては、能動輸送によって低濃度領域から高濃度領域へ分子を移動させることもある。

学習目標 2.5.B: 生物が大きな分子をプラズマ膜を越えて輸送するために用いるメカニズムを説明すること。

  • 2.5.B.1 エンドサイトーシスとエキソサイトーシスのプロセスには、大きな物質や大量の物質を細胞内・外へ出入りさせるためにエネルギーが必要である。
    • i. エンドサイトーシスでは、細胞はプラズマ膜を自身の方へ折り曲げて新しい(小さな)小胞を形成し、外部環境からの物質を取り込む。
    • ii. エキソサイトーシスでは、細胞内の小胞がプラズマ膜と融合して、大きな分子を細胞外へ分泌する。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English
  • Passive transport 被动运输 moves substances down their concentration gradient (high → low) with no energy – diffusion 扩散.
  • Active transport 主动运输 moves substances against the gradient (low → high), requiring energy (ATP), via protein pumps like the sodium–potassium pump.
日本語
  • 受動輸送は物質を濃度勾配 沿い (高 → 低)に移動させ、エネルギーを要しない — 拡散。
  • 能動輸送は物質を勾配 逆 (低 → 高)に移動させ、エネルギー(ATP)を必要とし、ナトリウム-カリウムポンプなどのタンパク質ポンプを介して行われる。
能動輸送は粒子を勾配逆へ移動させ、ATPとキャリアタンパク質を使用する
能動輸送は粒子を勾配逆へ移動させ、ATPとキャリアタンパク質を使用する
Explore · ⁨探索⁩

Pump a solute against its gradient · ⁨濃度勾配に逆らって溶質をポンプする⁩

Passive transport moves solutes down their gradient for free; active transport uses ATP to pump them the other way, from low to high concentration. · ⁨受動輸送は溶質を勾配に従って無費で移動させ、能動輸送はATPを使ってそれらを低濃度から高濃度へ逆向きにポンプする。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
Active transport/ˈæktɪv ˈtrænspɔːt/ 能動的輸送
Facilitated diffusion/fəˈsɪlɪteɪtɪd dɪˈfjuːʒn/ 促進拡散
carrier/ˈkærɪə/ キャリア
Osmosis/ɒzˈməʊsɪs/ 浸透
Tonicity/təˈnɪsɪti/ 浸透圧
hypotonic/ˌhaɪpəʊˈtɒnɪk/ 低張性
hypertonic/ˌhaɪpəˈtɒnɪk/ 高張性
isotonic/ˌaɪsəˈtɒnɪk/ 等張
Water potential/ˈwɔːtə pəˈtenʃl/ 水分ポテンシャル
Osmoregulation/ˌɒzmɔːɡjʊˈleɪʃn/ 浸透圧調節
endocytosis/ˌendəʊsɪˈtəʊsɪs/ 食胞作用
2.6

Facilitated Diffusion · ⁨促進拡散⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 2.6.A: Explain how the structure of a molecule affects its ability to pass through the plasma membrane.

  • 2.6.A.1 Facilitated diffusion requires transport or channel proteins to enable the movement of charged ions across the membrane.
    • i. Membranes may become polarized by the movement of ions across the membrane.
    • ii. Charged ions, including $\mathrm{Na^+}$ (sodium) and $\mathrm{K^+}$ (potassium), require channel proteins to move through the membrane.
  • 2.6.A.2 Facilitated diffusion enables the movement of large polar molecules through membranes with no energy input. In this type of diffusion, substances move down the concentration gradient.
  • 2.6.A.3 Aquaporins transport large quantities of water across membranes.
日本語

Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

学習目標 2.6.A: 分子の構造がプラズマ膜を通過する能力に与える影響について説明すること。

  • 2.6.A.1 促進拡散には、電荷を持つイオンの膜透過を可能にするための輸送タンパク質またはチャネルタンパク質が必要である。
    • i. イオンの膜透過によって、膜が分極することがある。
    • ii. 電荷を持つイオン($\mathrm{Na^+}$(ナトリウム)や $\mathrm{K^+}$(カリウム)など)は、膜を通過するためにチャネルタンパク質を必要とする。
  • 2.6.A.2 促進拡散は、エネルギー投入なしに大きな極性分子を膜を通過させることを可能にする。この種の拡散において、物質は濃度勾配に沿って移動する。
  • 2.6.A.3 アクアポーリンは、膜を越えて大量の水を輸送する。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Facilitated diffusion 易化扩散 is passive transport through a membrane protein – a channel or carrier 载体 – for particles that cannot cross the lipid alone. It still goes down the gradient and needs no energy, but its rate can saturate when all the proteins are busy.

日本語

促進拡散は、膜タンパク質(チャネルまたはキャリア)を介した受動輸送であり、脂質二重層のみでは通過できない粒子に対して機能します。濃度勾配に従って移動するためエネルギーは必要ありませんが、すべてのタンパク質が飽和状態になると速度は頭打ちになります。

拡散:粒子は濃度の高い場所から低い場所へ、勾配に沿って広がる
拡散:粒子は濃度の高い場所から低い場所へ、勾配に沿って広がる
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
organelles/ˌɔːɡəˈnelz/ 小器官
endomembrane system/ˈendəʊmembreɪn ˈsɪstəm/ 内膜系
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 核
endoplasmic reticulum/ˌendəʊˈplæzmɪk reˈtɪkjʊləm/ 小胞体
Golgi/ˈɡɒlɡɪ/ ゴルジ
lysosomes/ˈlaɪsəsəʊmz/ ライソソーム
Mitochondria/ˌmaɪtəˈkɒndrɪə/ ミトコンドリア
chloroplasts/ˈklɔːrəʊplæsts/ 葉緑体
Ribosomes/ˈrɪbəsəʊmz/ リボソーム
ribosomal RNA/ˈrɪbəsɒml ˌɑː en ˈeɪ/ リボソームRNA
messenger RNA/ˈmesɪndʒə ˌɑː en ˈeɪ/ メッセンジャーRNA
The Golgi complex/ðə ˈɡɒlɡɪ ˈkɒmpleks/ ゴルジ装置
glycosylation/ˌɡlaɪkəsɪˈleɪʃn/ 糖鎖付加
hydrolytic enzymes/ˌhaɪdrəˈlɪtɪk ˈenzaɪmz/ 加水分解酵素
apoptosis/əpəpˈtəʊsɪs/ アポトーシス
Vacuoles/ˈvækjuːəʊlz/ 液胞
surface-area-to-volume ratio/ˈsɜːfɪs ˈeərɪə tə ˈvɒljuːm ˈreɪʃɪəʊ/ 表面積対体積比
phospholipid bilayer/ˈfɒsfəlɪpɪd ˈbɪleɪə/ ホスホリピッド二重層
fluid mosaic model/ˈfluːɪd məˈseɪɪk ˈmɒdl/ 流動モザイクモデル
selectively permeable/sɪˈlektɪvli ˈpɜːməbl/ 選択透過性
Passive transport/ˈpæsɪv ˈtrænspɔːt/ 受動輸送
diffusion/dɪˈfjuːʒn/ 拡散
2.7

Tonicity, Water Potential, and Osmoregulation · ⁨浸透圧、ポテンシャル水位、および浸透調節⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 2.7.A: Explain how concentration gradients affect the movement of molecules across membranes.

  • 2.7.A.1 External environments can be hypotonic, hypertonic, or isotonic to internal environments of cells. Movement of water can also be described as moving from hypotonic to hypertonic regions. Water moves by osmosis from regions of high water potential to regions of low water potential.
    • Equation (Water Potential): $\psi = \psi_p + \psi_s$
      • where:
      • $\psi_p$ = pressure potential
      • $\psi_s$ = solute potential
    • Illustrative examples for 2.7.A.1:
      • Contractile vacuole in protists
      • Central vacuole in plant cells

Learning Objective 2.7.B: Explain how osmoregulatory mechanisms contribute to the health and survival of organisms.

  • 2.7.B.1 Growth and homeostasis are maintained by the constant movement of molecules across membranes.
  • 2.7.B.2 Osmoregulation maintains water balance and allows organisms to control their internal solute composition and water potential. Water moves from regions of low osmolarity or solute concentration to regions of high osmolarity or solute concentration.
    • Equation (Solute Potential of a Solution): $\psi_s = -iCRT$
      • where:
      • $i$ = ionization constant
      • $C$ = molar concentration
      • $R$ = pressure constant $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
      • $T$ = temperature in Kelvin (°C + 273)
日本語

Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

学習目標 2.7.A: 濃度勾配が膜を越えた分子の移動に与える影響について説明すること。

  • 2.7.A.1 外部環境は、細胞の内部環境に対して低張性、高張性、または等張性であることができる。水の移動もまた、低張性領域から高張性領域へ向かうものと記述できる。水は浸透によって高い水ポテンシャルの領域から低い水ポテンシャルの領域へ移動する。
    • 式(水ポテンシャル): $\psi = \psi_p + \psi_s$
      • ここで:
      • $\psi_p$ = 圧力ポテンシャル
      • $\psi_s$ = 溶質ポテンシャル
    • 例: 2.7.A.1:
      • 原生生物の収縮液胞
      • 植物細胞の中心液胞

学習目標 2.7.B: 浸透調節メカニズムが生物の健康と生存にどのように寄与するかを説明する。

  • 2.7.B.1 成長とホメオスタシスは、分子が膜を通過する持続的な移動によって維持される。
  • 2.7.B.2 浸透調節は水分バランスを維持し、生物が内部の溶質組成とポテンシャルを制御できるようにする。水は低浸透圧または低溶質濃度から高浸透圧または高溶質濃度の領域へ移動する。
    • 数式(溶液の溶質ポテンシャル): $\psi_s = -iCRT$
      • ここで:
      • $i$ = 電離定数
      • $C$ = モル濃度
      • $R$ = 圧力が一定 $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
      • $T$ = ケルビン温度 (°C + 273)

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Osmosis 渗透 is the diffusion of water across a membrane. Tonicity 张力 compares solute concentrations: in a hypotonic 低渗 solution a cell gains water (may burst); in a hypertonic 高渗 one it loses water (shrinks); in an isotonic 等渗 one there is no net change. Water potential 水势 predicts the direction of water movement (water moves to lower water potential), and is the sum of a pressure term and a solute term: $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$, where the solute potential $\Psi_s=-iCRT$. Osmoregulation 渗透调节 is how organisms control this balance.

Worked example. For a $0.1\,\text{M}$ sucrose solution ($i=1$) in an open beaker (so pressure potential $\Psi_p=0$) at $25\,°\text{C}$ ($T=298\,\text{K}$, $R=0.0831\ \text{L}\cdot\text{bar/mol}\cdot\text{K}$): $\Psi_s=-iCRT=-(1)(0.1)(0.0831)(298)\approx-2.48\ \text{bar}$, so $\Psi\approx-2.48\ \text{bar}$. A plant cell whose interior is $\Psi=-1.0\ \text{bar}$ sits in this solution: since the solution is more negative, water moves out of the cell into the solution, and the cell loses turgor.

日本語
高張溶液における赤玉ねぎ細胞:膜が壁から引き離される(塑性分離)
高張溶液における赤玉ねぎ細胞:膜が壁から引き離される(塑性分離)

浸透とは、水分子が膜を通過して拡散する現象です。浸透圧は溶質濃度を比較する指標です:低張溶液中では細胞は水分を吸収し(破裂する可能性があります)、高張溶液中では水分を失い(収縮する)、等張溶液中では正味の変化はありません。ポテンシャル水位は水の移動方向を予測します(水は低いポテンシャル水位の方向へ移動)。これは圧力項と溶質項の和として表され、式 $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$ で示されます。ここで溶質ポテンシャル $\Psi_s=-iCRT$ です。浸透調節とは、生物がこのバランスを制御する方法を指します。

異なる水ポテンシャルの溶液に対する植物細胞と動物細胞の反応
異なる水ポテンシャルの溶液に対する植物細胞と動物細胞の反応

** worked example.** $0.1\,\text{M}$ のスクロース溶液($i=1$)が開いたビーカー内(圧力ポテンシャル $\Psi_p=0$)で、温度 $25\,°\text{C}$ ($T=298\,\text{K}$, $R=0.0831\ \text{L}\cdot\text{bar/mol}\cdot\text{K}$)にある場合:$\Psi_s=-iCRT=-(1)(0.1)(0.0831)(298)\approx-2.48\ \text{bar}$ となるため、$\Psi\approx-2.48\ \text{bar}$ となります。内部が $\Psi=-1.0\ \text{bar}$ の植物細胞がこの溶液に置かれると、溶液の方がより負の値であるため、水は細胞から排出されて溶液側へ移動し、細胞は膨圧を失います。

Explore · ⁨探索⁩

Watch water move by osmosis · ⁨浸透による水の移動を見る⁩

Water moves across the membrane from high water potential to low, toward the more concentrated (hypertonic) side. Set the concentrations and watch which way the cell swells or shrinks. · ⁨水は膜を高い水ポテンシャルから低い方へ、より濃度が高い(高張)側へ移動する。濃度を設定して、細胞が膨張するか収縮するかを見る。⁩

2.8

Mechanisms of Membrane Transport · ⁨膜輸送のメカニズム⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 2.8.A: Describe the processes that allow ions and other molecules to move across membranes.

  • 2.8.A.1 Metabolic energy (such as that from ATP) is required for active transport of molecules across the membrane and to establish and maintain electrochemical gradients.
    • i. Membrane proteins are necessary for active transport.
    • ii. The $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ pump and ATPase contribute to the maintenance of the membrane potential.
日本語

Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

学習目標 2.8.A: イオンやその他の分子が膜を通過して移動するプロセスを説明する。

  • 2.8.A.1 分子の能動輸送および電気化学勾配の形成・維持には、代謝エネルギー(ATP由来など)が必要である。
    • i. 能動輸送には膜タンパク質が必要である。
    • ii. $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ポンプとATPアーゼは膜電位の維持に寄与する。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Large materials move in bulk by vesicles: endocytosis 内吞 brings material in (the membrane engulfs it), and exocytosis 外排 sends material out (a vesicle fuses with the membrane). Both require energy and let cells import and secrete large molecules.

日本語

大きな物質は小胞体による塊での移動(bulk transport)によって運ばれます:エンドサイトーシスは物質を取り込む過程(膜が物質を包み込みます)、エキソサイトーシスは物質を放出する過程(小胞体が膜と融合します)です。どちらもエネルギーを必要とし、細胞が巨大な分子を取り込み・分泌することを可能にします。

エンドサイトーシスは物質を取り込み、エキソサイトーシスは外部へ放出する
エンドサイトーシスは物質を取り込み、エキソサイトーシスは外部へ放出する
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
exocytosis/eɡˌzɒsɪˈtəʊsɪs/ 分泌作用
compartments/kəmˈpɑːtmənts/ 区画
endosymbiotic theory/ˌendəʊˌsɪmbaɪˈɒtɪk ˈθɪəri/ 内共生説
ribosomal RNA (rRNA)/ˈrɪbəsɒml ˌɑː en ˈeɪ/ リボソームRNA (rRNA)
2.9

Compartmentalization Inside the Cell · ⁨細胞内の区画化⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Big Idea 2 — Energetics (ENE): Biological systems use energy and molecular building blocks to grow, reproduce, and maintain dynamic homeostasis.

Learning Objective 2.9.A: Describe the membrane-bound structures of the eukaryotic cell.

  • 2.9.A.1 Membranes and membrane-bound organelles in eukaryotic cells compartmentalize intracellular metabolic processes and specific enzymatic reactions.

Learning Objective 2.9.B: Explain how internal membranes and membrane-bound organelles contribute to compartmentalization of eukaryotic cell functions.

  • 2.9.B.1 Internal membranes facilitate cellular processes by minimizing competing interactions and by increasing the surface area where reactions can occur.
日本語

Big Idea 2 — エネルギー学 (ENE): 生物系はエネルギーおよび分子構築材料を用いて、成長、繁殖、動的恒常性の維持を行う。

学習目標 2.9.A: 真核細胞の膜結合構造を説明する。

  • 2.9.A.1 真核細胞における膜および膜結合小器官は、細胞内代謝プロセスや特定の酵素反応を区画化する。

学習目標 2.9.B: 内部膜および膜結合小器官が真核細胞の機能の区画化にどのように寄与するかを説明する。

  • 2.9.B.1 内部膜は競合する相互作用を最小限に抑え、反応が起こる表面積を増やすことで、細胞プロセスを促進する。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Membranes create separate compartments 区室 so incompatible reactions can run at once and conditions (pH, ion levels) can be tuned locally. This organization boosts efficiency – the internal membranes also add surface area for reactions.

日本語

膜は互いに干渉しない反応を同時に進行させ、条件(pHやイオン濃度など)を局所的に調整できる独立した区画を形成しています。この組織化により効率が向上し、内部膜は反応のための表面積も増やします。

2.10

The Origins of Cell Compartmentalization · ⁨細胞区画化の起源⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Big Idea 1 — Evolution (EVO): The process of evolution drives the diversity and unity of life.

Learning Objective 2.10.A: Describe similarities and/or differences in compartmentalization between prokaryotic and eukaryotic cells.

  • 2.10.A.1 Membrane-bound organelles such as mitochondria and chloroplasts evolved from once free-living prokaryotic cells via endosymbiosis.
  • 2.10.A.2 Prokaryotes typically lack internal membrane-bound organelles but have internal regions with specialized structures and functions.
  • 2.10.A.3 Eukaryotic cells maintain internal membranes that partition the cell into specialized regions.
日本語

Big Idea 1 — 進化 (EVO): 進化のプロセスが生命の多様性と統一性を駆動する。

学習目標 2.10.A: 原核細胞と真核細胞の間の区画化の類似点および/または相違点を記述する。

  • 2.10.A.1 ミトコンドリアやクロロプラストなどの膜付着小器官は、内生共生によってかつて自由生活していた原核細胞から進化した。
  • 2.10.A.2 原核生物は通常、内部の膜付着小器官を持たないが、特殊な構造と機能を持つ内部領域を持っている。
  • 2.10.A.3 真核細胞は、細胞を特殊化した領域に区画化する内部膜を維持している。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

The endosymbiotic theory 内共生学说 explains mitochondria and chloroplasts: they arose when a larger cell engulfed free-living prokaryotes that then lived inside it. The evidence – their own circular DNA, their own ribosomes, and double membranes – supports this shared evolutionary origin.

日本語

共生説はミトコンドリアと葉緑体の起源を説明しており、これらは大型細胞が自由生活する原核生物を取り込み、その内部に定着した結果生じたと考えられています。独自の環状DNA、独自のリボソーム、二重膜という証拠は、これらの共通の進化的起源を裏付けています。

2.10

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Use the two AP-formula skills: surface-area-to-volume ratio (why cells stay small) and water potential $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$ ($\Psi_s=-iCRT$).
  • Water moves toward the lower (more negative) water potential; predict swelling or shrinking from tonicity (hypo/hyper/isotonic).
  • Passive transport and osmosis need no energy (down the gradient); active transport needs ATP (against the gradient).
  • Distinguish diffusion, facilitated diffusion (a channel/carrier protein), and active transport.
  • Explain membrane selectivity from the phospholipid bilayer — small non-polar molecules cross, large/charged ones need help.
日本語
  • AP試験形式の2つのスキルを用いること:表面積対体積比(細胞が小型である理由)とポテンシャル水位 $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$ ($\Psi_s=-iCRT$)。
  • 水は低い(より負の)ポテンシャル水位の方向へ移動します。浸透圧(低張・高張・等張)に基づいて膨潤または収縮を予測すること。
  • 受動輸送と浸透はエネルギーを要せず(濃度勾配に従う)、能動輸送はATPを必要とする(濃度勾配に逆らう)。
  • 拡散、促進拡散(チャネル/キャリアタンパク質を伴う)、能動輸送を区別すること。
  • ホスホリピド二重層からの膜の選択的透過性を説明すること。小さな非極性分子は通過できるが、大きい分子や電荷を持つ分子は補助が必要である。

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