1、第4章 细胞的物质输入和输出第1节 被 动 运 输概念认知自主学习一、水进出细胞的原理 1.渗透作用:(1)概念:指水分子(或其他溶剂分子)通过_的扩散。(2)方向:水相对含量_水相对含量_。2.水进出动物细胞:(1)原理:半透膜:动物细胞的_。浓度差:外界溶液与_之间的浓度差。半透膜 高 低 细胞膜 细胞质(2)现象:连一连:外界溶液溶质浓度与细胞质浓度不同时细胞的形态变化 3.水进出植物细胞:(1)原理:半透膜:植物细胞的_。浓度差:外界溶液与_液之间的浓度差。(2)动植物之间的区别:结构:植物细胞的细胞膜外有一层_,伸缩性比较小。吸水后对细胞的影响:动物细胞吸水能涨破,植物细胞吸水过多_
2、(填“会”或“不会”)涨破。【警示】渗透系统的溶液浓度指物质的量浓度而非质量浓度。原生质层 细胞 细胞壁 不会 二、自由扩散和协助扩散 1.概念:(1)自由扩散:物质通过简单的_进出细胞的方式也叫简单扩散。(2)协助扩散:借助膜上的_进出细胞的物质扩散方式,也叫易化扩散。2.种类:(1)图中字母代表跨膜运输方式:a._,b._,c._。(2)图中序号代表转运蛋白:_,_。扩散作用 转运蛋白 协助扩散 协助扩散 自由扩散 通道蛋白 载体蛋白【点拨】转运蛋白具有特异性,分子或离子通过通道蛋白时,不需要与通道蛋白结合,而载体蛋白转运时会发生自身构象的改变。【质疑批判】物质跨膜运输的方式与物质的特点和
3、细胞膜的结构有关,某同学得出了以下几 个关于物质跨膜运输的结论:洋葱叶肉细胞的细胞膜和液泡膜都是半透膜。植物细胞的细胞壁是半透膜。载体蛋白和通道蛋白在转运分子或离子时,其作用机制相同。自由扩散和协助扩散都是顺浓度梯度进行的。你的判断:正确的结论有_ 【思维激活】1.人们连续嗑咸味瓜子时,口腔黏膜会感觉比较干,为什么?提示:咸味瓜子会导致细胞外的浓度大于细胞质的浓度,使口腔黏膜细胞失水。2.用盐腌制蔬菜的初期会产生很多水分,这些水分的出现主要和植物的哪种细胞器有关?提示:液泡。【教材开发】P67 概念检测 问题:某同学认为通道蛋白只是通过对转运物质大小和形状进行选择,该同学观点对吗?为什么?提示
4、:不对。通道蛋白只容许与自身通道的直径和形状相适配、大小和电荷相适宜的分子或离子通过。能力形成合作探究学习任务一:渗透作用【情境探究】请结合渗透装置进行探究:【探究活动】(科学探究实验结果的分析与讨论)1.渗透作用发生的条件:(1)有半透膜。(2)半透膜两侧存在浓度差。2.渗透作用的原理:(1)漏斗内蔗糖溶液中水分子相对含量比清水中水分子相对含量低。(2)烧杯中水分子向漏斗内扩散,漏斗管内的液面会升高。探讨:(1)如果将半透膜换成纱布,实验的结果会怎样?提示:渗透现象将不会发生,漏斗内的液面与漏斗外相平。(2)如果将烧杯内的清水换成等浓度的蔗糖溶液,实验结果会怎样?提示:渗透现象将不会发生,漏
5、斗内的液面与漏斗外相平。【易错陷阱】渗透作用的两个误区(1)误认为水分子只从相对含量高的一侧向低的一侧流动。微观上,两溶液间的水分子进行双向流动,而宏观上,我们观察到的只是水分子双向运动差异所导致的液面变化。(2)误认为平衡时,没有水进出半透膜。当液面高度不再变化时,半透膜两侧的水分子仍在进出,只是进出量平衡。【素养案例】如图是研究渗透作用的实验装置,漏斗内外有不同浓度的同一种溶液S1和S2,实 验起始时漏斗内外液面相平。下列说法错误的是()A.实验开始时S1浓度大于S2浓度 B.渗透平衡时S1浓度大于S2浓度 C.渗透平衡时无物质透过半透膜 D.如果将S2浓度适当降低,则渗透 平衡时液面差更
6、大【思维流程】解答本题需突破以下两个关键点:【解析】选C。开始实验后出现了液面差,说明发生了渗透作用,漏斗内溶液量 增多,液面上升,说明实验开始时S1的浓度大于S2的浓度,A正确;渗透平衡时存 在液面差,液面差产生的水分运输的阻力需要半透膜两侧的浓度差产生的水分 运输的动力来抵消,所以渗透平衡时浓度不相等,且漏斗内液面高于漏斗外,说 明渗透平衡时S1浓度大于S2浓度,B正确;渗透平衡时,S1溶液中水分子与S 2溶液 中水分子的移动只是处于动态平衡,仍然透过半透膜,C错误;如果将S2浓度适当 降低,那么漏斗内外溶液浓度差将增大,水分子向漏斗内运输的速率将会更快,渗透平衡时的液面差也将会更大,D正
7、确。【素养迁移】(1)若要使漏斗液面上升得更高,可采取什么措施?提示:向漏斗中添加一些蔗糖或其他不能通过半透膜的溶质。(2)若在平衡状态下向烧杯中添加少量葡萄糖(不能通过半透膜),漏斗液面会有什么变化?为什么?提示:漏斗液面下降。因为半透膜两侧的浓度差降低了。【题后反思】利用渗透作用比较不同溶液浓度大小 漏斗内 烧杯内 溶液浓度 M N 现象及结论(1)若漏斗内液面上升,则MN;(2)若漏斗内液面不变,则M=N;(3)若漏斗内液面下降,则MN【典题加练】1.图1表示物质扩散的图解,图2是设计证明图1物质扩散成立的实验装置,下列 有关叙述中正确的是()A.图甲中水柱a将持续上升 B.图甲中水柱a
8、将先上升后下降 C.图乙中水柱b上升到一定高度后维持不变 D.图乙中水柱b将先上升后下降【解析】选D。由于图甲中的淀粉不能透过半透膜,所以图甲中的液面高度先上升到一定高度后保持不变;图乙装置漏斗中葡萄糖浓度大,导致液面上升,由于葡萄糖分子能够通过半透膜,导致半透膜两侧浓度差降低,所以漏斗中液面会降低。2.如图所示,在漏斗中加入的蔗糖溶液与蒸馏水液面齐平,一段时间后,待漏斗 内液面不再变化时,再向漏斗中加入一定量的蔗糖酶。下列坐标曲线中能正确 反映整个实验过程中漏斗内外溶液的液面高度差变化的是()【解析】选A。据图分析,该装置具有半透膜,而漏斗内外溶液存在浓度差,能发生渗透作用,由于蔗糖溶液浓度
9、大于蒸馏水,因而开始时漏斗内液面上升;一段时间后,向漏斗中加入一定量的蔗糖酶,将蔗糖水解成单糖,摩尔浓度增大,使得液面继续上升,后随着单糖逐渐进入烧杯,而使得漏斗内溶液浓度下降,液面下降,高度差减小。由于浓度差越来越接近,高度差减小的趋势越来越慢。但由于漏斗内有蔗糖酶,所以漏斗内液体浓度始终大于烧杯内液体浓度。因此,最后漏斗内的液面稍高于烧杯的液面。3.将盛有一定浓度蔗糖溶液的透析袋口扎紧后浸于蒸馏水中,如图表示透析袋中蔗糖溶液浓度与时间的关系,正确的是()【解析】选B。将盛有一定浓度蔗糖溶液的透析袋放在蒸馏水中后,蒸馏水将不断向透析袋中扩散,蔗糖溶液浓度随之下降,但受到透析袋容积的限制,到一
10、定时间水分子进出达到动态平衡,此时蔗糖溶液浓度下降到一定程度便保持相对稳定。学习任务二:被动运输的模型【情境探究】水通道蛋白是一种位于细胞膜上的蛋白质(内在膜蛋白),在细胞膜上组成“孔 道”,可控制水在细胞的进出,就像是“细胞的水泵”一样。思考:水通过水通道蛋白的运输方式是什么?提示:协助扩散。【探究活动】(科学思维模型与建模)1.物理模型:模型解读:探讨:从细胞膜的成分分析,为什么脂溶性物质(乙醇、甘油、性激素等)通过 细胞膜的方式是自由扩散?提示:细胞膜的骨架是磷脂双分子层,依据相似相溶的原理,脂溶性的物质可以 自由通过磷脂双分子层进出细胞。编号 方式 特点 A 自由扩散 顺浓度梯度运输,
11、不消耗能量 不需要转运蛋白 B 协助扩散 需通道蛋白协助 C 协助扩散 需载体蛋白协助 2.数学模型:模型解读:编号方式影响因素甲自由扩散浓度差乙协助扩散浓度差(OA)和转运蛋白数量(A点以后)探讨:实验发现,葡萄糖进入红细胞时,如果使用药物限制蛋白质的活动,则葡 萄糖的运输速率迅速下降,如果减少能量的供应,却对运输没有影响。由此推 断,葡萄糖进入红细胞的方式为_,在下图绘制出能量供应与葡萄糖进 出红细胞的关系曲线。协助扩散 提示:【易错陷阱】被动运输的两个易混点(1)性激素和维生素D是脂溶性物质,以自由扩散的方式进出细胞。(2)水分子更多的是以协助扩散方式进出细胞,少数以自由扩散的方式进出细
12、胞。【素养案例】如图是在停止能量供应的条件下得出的曲线,图中曲线a、b表示物质跨膜运输 的两种方式,下列叙述正确的是()A.脂溶性小分子物质不能通过方式a运输 B.与方式a有关的载体蛋白覆盖于细胞膜表面 C.方式b的最大转运速率与转运蛋白数量有关 D.方式a和b的转运速率均与物质的浓度差成正比【思维流程】【解析】选C。由于停止能量供应,分析坐标曲线可知,a为自由扩散,b为协助扩散。脂溶性小分子物质通过自由扩散(即方式a)运输,A错误;方式a与载体蛋白无关,只与物质浓度有关,B错误;方式b的最大转运速率与转运蛋白的种类和数量有关,C正确;自由扩散(即方式a)与膜两侧物质的浓度差成正比,当协助扩散
13、(即方式b)转运蛋白达到饱和时,物质浓度再增加,物质的运输速率也不再增加,D错误。【素养迁移】(1)结合结构与功能观分析:转运蛋白在细胞膜上的位置是_(填“镶在”“贯穿”或“嵌入”)磷脂双分子层。(2)温度会影响方式a和b的运输速率吗?为什么?提示:会影响,因为温度会影响细胞膜的流动性,物质跨膜运输时依赖转运蛋白 和磷脂分子的运动。贯穿【题后反思】常见物质跨膜运输方式(1)O2、CO2等气体和乙醇、甘油、脂肪酸等脂溶性物质跨膜运输方式是自由扩散。(2)一些离子:如Na+进入神经细胞,K+出神经细胞;小分子有机物:如葡萄糖进入红细胞,这些运输方式都是协助扩散。【典题加练】1.如图为水分进出哺乳动
14、物成熟红细胞示意图。下列说法正确的是 ()A.图1中外界溶液的浓度与细胞质的浓度大致相等 B.提取红细胞膜时,可用图1中所对应的外界溶液 C.提取血红蛋白时,可用图3中所对应的外界溶液 D.将去除细胞壁的植物细胞放入蒸馏水中,最终 将出现类似图3所示的结果【解析】选A。图1中的红细胞维持原状,说明图1中外界溶液浓度与细胞质浓度大致相等,A正确;提取红细胞膜时,将红细胞破碎的方法是吸水涨破法,可将红细胞放入图2所对应的外界溶液中,使红细胞吸水而涨破,B错误;提取血红蛋白时使血红蛋白释放的方法是吸水涨破法,可将红细胞放入图2所对应的外界溶液中,使红细胞吸水而涨破,释放出血红蛋白,而图3中所对应的外
15、界溶液使红细胞收缩,不能释放出血红蛋白,C错误;植物细胞的外侧具有细胞壁,具有保护和支持作用,若将去除细胞壁的植物细胞放入清水中,将出现类似图2所示的结果,D错误。2.如图表示物质跨膜转运的一种方式,据图分析正确的是()A.这种转运方式可逆浓度梯度进行 B.甘油分子是以这种方式进入细胞的 C.细胞产生的能量增加会提高该物质的转运速率 D.在该物质转运过程中转运蛋白的形状会发生改变【解析】选D。分析图可知,该物质是从高浓度一侧向低浓度一侧运输,运输过程中需要转运蛋白协助,不需要消耗能量,该运输方式属于协助扩散,协助扩散方向是顺浓度梯度,A错误;甘油分子以自由扩散方式运输,特点是从高浓度一侧运输到
16、低浓度一侧,不需要转运蛋白协助,不消耗能量,B错误;协助扩散不消耗能量,动力是浓度差,则细胞产生的能量增加不会提高该物质的转运速率,C错误;图中转运蛋白在运输物质的过程中形状发生了变化,D正确。学情诊断课堂测评1.(水平1概念检测)细胞膜的结构与物质跨膜运输的方式有关,下列有关物质跨膜运输方式的叙述,合理的是_。细胞不需要的物质不能以自由扩散方式进入细胞 通道蛋白和载体蛋白都属于转运蛋白 载体蛋白具有特异性,通道蛋白不具有特异性 水分子通过细胞膜时都不需要转运蛋白的协助 性激素以自由扩散的方式通过细胞膜 【解析】选。细胞不需要的物质也能以自由扩散方式进入细胞,如CO2、CO等,错误;转运蛋白包
17、括通道蛋白和载体蛋白,正确;载体蛋白和通道蛋白都具有特异性,错误;水分子通过细胞膜的方式有自由扩散和协助扩散,协助扩散需要转运蛋白的协助,错误;性激素是脂溶性物质,以自由扩散的方式通过细胞膜,正确。2.(水平1)人体组织细胞吸收维生素D的量主要取决于()A.氧气的含量和温度 B.细胞外液中维生素D的含量 C.细胞膜上维生素D的载体蛋白数量 D.细胞膜上维生素D含量及其载体蛋白数量【解析】选B。维生素D属于脂溶性物质,以自由扩散的方式通过细胞膜,不消耗能量,不需要载体蛋白协助,故组织细胞吸收维生素D的量主要取决于细胞外液中维生素D的含量,故A、C、D错误;B正确。3.(水平1)渗透作用指水分子(
18、或其他溶剂分子)通过半透膜的扩散,下列 现 象 中 属 于 渗 透 作 用 的 是()A.水分子通过细胞壁 B.葡萄糖通过细胞膜 C.K+通过细胞膜 D.水分子通过原生质层【解析】选D。细胞壁主要由纤维素和果胶组成,具有全透性,不属于半透膜,A错误;葡萄糖分子不是溶剂分子,所以不属于渗透作用,B错误;K+不是溶剂分子,所以不属于渗透作用,C错误;细胞膜、液泡膜以及两者之间的细胞质组成原生质层,而原生质层具有选择透过性,相当于半透膜,另外水分子是溶剂分子,通过原生质层是渗透作用,D正确。4.(水平2)成熟植物细胞中原生质层是指()细胞膜 细胞壁 液泡膜 细胞膜和液泡膜之间的细胞质 A.B.C.D
19、.【解析】选C。原生质层是指细胞膜、液泡膜和二者之间的细胞质,细胞壁具有全透性,不属于原生质层。5.(水平2)有些物质的运输需要转运蛋白协助。下列关于转运蛋白的叙述错误的是()A.载体蛋白在转运物质时,自身构象会发生变化 B.通道蛋白可分为水通道蛋白和离子通道蛋白 C.载体蛋白能运输与其适应的分子和离子,所以不具有特异性 D.肾小球的滤过作用和肾小管的重吸收作用都与水通道蛋白的结构和功能直接相关【解析】选C。载体蛋白在转运物质时,自身构象会发生变化,A正确;通道蛋白可分为水通道蛋白和离子通道蛋白,B正确;载体蛋白具有特异性,C错误;水分子更多的是借助水通道蛋白进入细胞,所以肾小球的滤过作用和肾
20、小管的重吸收作用都与水通道蛋白的结构和功能直接相关,D正确。6.(水平1、2)如图为物质出入细胞的2种方式示意图,请据图回答(内填序 号):(1)物质利用转运蛋白出入细胞的运输方式是_。(2)可能代表氧气转运方式的是图中_。(3)两种运输方式合称为_。(4)从细胞膜的功能特性看,它是_膜。【解析】(1)物质利用转运蛋白出入细胞的运输方式为协助扩散,即图中。(2)氧气转运方式为自由扩散,对应图中。(3)两种运输方式的特点是从高浓度到低浓度运输,合称为被动运输。(4)细胞膜的功能特性是选择透过性。答案:(1)协助扩散(2)自由扩散(3)被动运输(4)选择透过性【能力挑战题组】1.将人的红细胞放入4
21、 的蒸馏水中,一段时间后红细胞破裂,其主要原因是()A.红细胞的液泡体积增大 B.蒸馏水大量进入红细胞 C.红细胞膜具有水溶性 D.低温时红细胞膜流动性增大【解析】选B。人的红细胞属于动物细胞,没有像成熟植物细胞那样的大液泡,A错误;因为细胞膜具有选择透过性,放在蒸馏水中,因为外界溶液浓度低于细胞内浓度,导致吸水涨破,B正确;细胞膜的基本支架是磷脂双分子层,而磷脂分子的尾部具有疏水性,C错误;温度降低时,细胞膜的流动性减弱,D错误。2.在水和离子的跨膜运输中,通道蛋白发挥着重要作用。下列关于通道蛋白的说法正确的是()A.物质通过通道蛋白的运输需要能量 B.相对于载体蛋白而言,通道蛋白具有极高的
22、转运速率 C.1988年,美国科学家麦金农成功地将构成水通道的蛋白质分离出来 D.运输Na+的通道蛋白也可运输K+【解析】选B。通过通道蛋白的跨膜运输为协助扩散,不需要能量,A错误;相对于载体蛋白而言,通过通道蛋白的运输物不用和通道蛋白结合,具有极高的转运速率,B正确;1988年,美国科学家阿格雷成功地将构成水通道的蛋白质分离出来,C错误;通道蛋白有特异性,运输Na+的通道蛋白不可运输K+,D错误。3.某同学为探究膜的通透性而设计了如图所示的渗透装置,开始时烧杯内的液 面和长颈漏斗内的液面相平。在长颈漏斗内液面上升的过程中()A.液面上升的速率先加快后减慢最终维持稳定 B.水分子通过半透膜从蔗
23、糖溶液向清水扩散的速率逐渐减慢 C.当半透膜两侧液体浓度相等时,水分子不再通过半透膜扩散 D.当半透膜两侧水分子进出速率相等时,长颈漏斗内液面最高【解析】选D。实验开始时,由于单位体积清水中水分子数量多于蔗糖溶液中水分子数量,因此,水分子通过半透膜扩散进入蔗糖溶液的速率大于由蔗糖溶液扩散进入清水中的速率;随着水分子进入漏斗内量的增多,蔗糖溶液浓度下降,同时由于漏斗液面升高与烧杯中液体形成的压力差增加,水分子扩散进入漏斗内的速率下降,而反方向水分子扩散速率升高,当水分子在半透膜两侧进出速率相等时,漏斗内液面达到最高并停止上升,即最终液面上升的速率变为0。素养发展创新应用素材 反渗透 海鸥嗉囊位置
24、有一层薄膜,海鸥正是利用了这层薄膜把海水过滤为可饮用 的淡水,而含有杂质及高浓缩盐分的海水则吐出嘴外。这就是反渗透法的基本 理论架构。反渗透原理最早使用于美国太空人将尿液回收为纯水使用,医学界也出现 过用反渗透法的技术进行血液透析的临床案例。反渗透膜可以将重金属、农 药、细菌、病毒、杂质等彻底分离。整个工作原理均采用物理法,不添加任何 杀菌剂和化学物质,所以不会发生化学变化。下图为反渗透装置的原理图。探究 请分析回答问题:(1)海鸥嗉囊中的薄膜相当于渗透装置中的_。(2)反渗透装置中水分子扩散的方向是_,该过程 _(填“需要”或“不需要”)消耗能量。(3)利用该原理生产的反渗透净水机可以获得较
25、为纯净的水,使用过程中为什 么要经常更换反渗透膜?_。(4)结合水分进出细胞的方式提出一种设计方案使水分子更容易通过反渗透膜,减少过滤过程中废水的产生量。_。【解析】(1)海鸥嗉囊中的薄膜具有过滤作用,相当于渗透装置中的半透膜。(2)反渗透装置中水分子从浓溶液向稀溶液的方向扩散,该过程需要外界压力,因此需要消耗能量。(3)反渗透净水机利用压力使水分子逆浓度运输,所以水分子能通过半透膜即反渗透膜而其他物质不能通过,使用过程中不能通过半透膜的物质会影响半透膜的过滤效果,使产生的水不再纯净。(4)在常规的反渗透膜上增加水通道蛋白,增大水分子的通过速率,提高过滤效率;也可增加压力,让水分子在压力的作用
26、下更快地通过反渗透膜。答案:(1)半透膜(2)浓溶液向稀溶液(水的相对含量低向水的相对含量高)需要(3)水分子能通过半透膜即反渗透膜而其他物质不能通过,使用过程中不能通过半透膜的物质会影响半透膜的过滤效果,使产生的水不再纯净(4)方案一:在常规的反渗透膜上增加水通道蛋白,增大水分子的通过速率,提高过滤效率;方案二:增加压力,让水分子在压力的作用下更快地通过反渗透膜(其他答案合理即可)【拓展阅读】葡萄糖转运蛋白 葡萄糖转运蛋白家族包括GLUT1GLUT14,均参与葡萄糖的运输。GLUT2是肝细 胞的葡萄糖转运蛋白,其作用过程如图所示:探究:(1)与葡萄糖转运蛋白的合成和运输有关的细胞器有哪些?提
27、示:转运蛋白的化学本质是蛋白质,与其合成有关的细胞器有核糖体、内质 网、高尔基体、线粒体。(2)上述葡萄糖进入肝细胞的方式是什么?影响葡萄糖进入肝细胞速率的因素 有哪些?提示:由于葡萄糖的运输方向是顺浓度梯度且需要转运蛋白,故葡萄糖进入细 胞的方式是协助扩散。影响协助扩散的因素有细胞内外葡萄糖的浓度差和 GLUT2转运蛋白的数量。(3)上述转运蛋白转运葡萄糖的过程中,其空间结构发生了变化,能否继续转运葡萄糖?其与通道蛋白有什么异同点?提示:转运蛋白可以反复利用,在行使功能过程中不被“消耗”,此转运蛋白为载体蛋白。二者的相同点:均起运输作用。不同点:每种载体蛋白能与特定的溶质分子结合,通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜转运,具有饱和性。
