1、第4章 细胞的物质输入和输出第1、2节 物质跨膜运输的实例生物膜的流动镶嵌模型一、细胞的吸水和失水1.渗透作用原理(1)渗透作用:水分子(或者其他溶剂分子)通过_,从_一侧向_一侧_的现象。(2)构成条件:有一层_;半透膜两侧的溶液具有_。半透膜低浓度高浓度扩散半透膜浓度差2.动物细胞的吸水和失水(1)人成熟红细胞中发生渗透作用的条件:_相当于半透膜;_之间存在浓度差。(2)引起细胞失水与吸水的条件:外界溶液与细胞质之间存在浓度差。细胞膜细胞质与外界溶液3.植物细胞的吸水和失水(1)植物细胞吸水、失水的原理:结构条件全透性的_半透性的原生质层具有_二者之间的_外界溶液浓度_细胞液浓度时，细胞失
2、水外界溶液浓度_细胞液浓度时，细胞_外界溶液浓度_细胞液浓度时，细胞_ _细胞壁细胞膜液泡膜细胞质大液泡大于小于吸水等于不吸水也不失水(2)植物细胞质壁分离的现象与原因:现象:_与_分离。外因:_浓度细胞液浓度,导致细胞_。内因:_。细胞壁原生质层外界溶液失水细胞壁的伸缩性小于原生质层二、物质跨膜运输的其他实例1.番茄和水稻吸收无机盐离子的比较科学家将番茄和水稻分别放在含有Ca2+、Mg2+和SiO44-的培养液中培养,结果及分析如下:(1)不同植物对_的吸收有差异,同一种植物对_的吸收也有差异,说明植物细胞膜对无机盐离子的吸收具有_。(2)水稻吸收水的相对速率比吸收Ca2+、Mg2+的_,造
3、成培养液中Ca2+、Mg2+浓度_;番茄吸收水的相对速率比吸收SiO44-的_,造成培养液中SiO44-浓度_。同一种无机盐离子不同种无机盐离子选择性上升大上升大2.微生物吸收无机盐离子的特点(1)不同微生物对无机盐离子的吸收有_。(2)不同微生物对各种无机盐离子的_不同。选择性需要量三、流动镶嵌模型的基本内容1.填写细胞膜的组成物质或结构a._b._c._糖蛋白磷脂双分子层蛋白质2.图中c的分布形式(1)镶在b_的表面;(2)部分或全部_b中;(3)_于整个b。3.补充模型中有关结构或功能特点(1)基本支架:b_。(2)结构特点:_。(3)生理特性:_。(4)a分布于细胞膜的_,具有保护、_
4、和_作用。磷脂双分子层嵌入磷脂双分子层具有一定的流动性选择透过性外侧润滑识别贯穿1.(2010天津T4C)质壁分离过程中,水分子外流导致细胞内渗透压升高。()【分析】质壁分离过程中,水分子外流导致细胞内溶质相对增多,渗透压升高。2.(2009北京T2B)细胞膜对膜两侧物质的进出具有选择性。()【分析】细胞膜具有选择透过性,对进出细胞膜的物质具有选择性。3.小分子物质和大分子物质都能通过细胞膜。()【分析】细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜,水分子、一些离子和小分子可以通过,而其他的离子、小分子和大分子则不能通过。4.植物细胞的原生质层由细胞膜和液泡膜组成。()【分析】植物细胞的原生质层由细胞膜
5、、液泡膜和两层膜之间的细胞质组成。5.当外界溶液浓度大于细胞液浓度时,植物细胞一定会发生质壁分离。()【分析】具有大液泡的植物细胞才能发生质壁分离。6.组成膜的磷脂分子是可以运动的,但蛋白质分子是不能运动的。()【分析】组成膜的磷脂分子和大多数蛋白质分子是可以运动的。7.无机盐离子都是逆浓度梯度跨膜运输的。()【分析】生命活动所必需的无机盐离子既可顺浓度梯度跨膜运输,也可逆浓度梯度进行跨膜运输。8.脂溶性物质易于通过细胞膜。()【分析】细胞膜的主要成分是脂质和蛋白质,因此脂溶性物质易于通过细胞膜,不溶于脂质的物质难通过细胞膜。考点 一细胞的失水和吸水1.渗透作用模型和成熟植物细胞与外界溶液形成
6、的渗透系统比较渗透作用模型成熟植物细胞与外界溶液形成的渗透系统图解渗透作用模型成熟植物细胞与外界溶液形成的渗透系统基本组成或条件半透膜、浓度差原生质层选择透过性膜浓度差细胞液与外界溶液之间原理水分子通过半透膜的扩散作用细胞液通过原生质层与外界溶液之间发生渗透作用水扩散的方向低浓度溶液高浓度溶液2.细胞吸水或失水原理原 理条 件现 象植物细胞吸水渗透作用：在成熟的植物细胞中，原生质层相当于一层半透明膜外界溶液与细胞液有浓度差外界溶液浓度细胞液浓度细胞吸水而膨胀植物细胞失水外界溶液浓度细胞液浓度细胞失水而发生质壁分离动物细胞吸水渗透作用：细胞膜相当于一层半透膜外界溶液与细胞内液有浓度差外界溶液浓度
7、细胞内液浓度细胞吸水而膨胀，严重时细胞膜会破裂动物细胞失水外界溶液浓度细胞内液浓度细胞失水而皱缩【高考警示】(1)渗透系统的溶液浓度指物质的量浓度而非质量浓度,实质是指渗透压,如10%葡萄糖溶液和10%蔗糖溶液的质量浓度相等,但10%蔗糖溶液的渗透压小,故水可通过半透膜由蔗糖向葡萄糖溶液移动。(2)渗透平衡只意味着半透膜两侧水分子移动达到平衡状态,既不可看作没有水分子移动,也不可看作两侧溶液浓度绝对相等。(3)只有活的、成熟的植物细胞才能发生渗透失水和吸水,从而发生质壁分离和复原。【典例1】将从同一新鲜马铃薯块茎上取得的形状、质量相同的薯条分为数量相等的四组,分别浸入四种不同浓度的蔗糖溶液中,
8、1 h后,溶液的质量变化百分率如表一。从四个不同的新鲜马铃薯块茎上,取得形状、质量相同,数量相等的薯条组,分别浸入相同浓度的蔗糖溶液中,1 h后,薯条的质量变化百分率如表二。则表一所列的四种不同浓度的蔗糖溶液中开始时浓度最低,以及表二所列的四组不同薯条中细胞液开始时浓度最低的分别是()A.、B.、C.、D.、【解析】选D。表一中数据的含义,正值为溶液增加量,薯条失水;负值为溶液减少量,薯条吸水,故的溶液浓度最低。表二中数据的含义,正值为薯条增加的质量,薯条吸水;负值为薯条减少的质量,薯条失水,故的细胞液浓度最低。表一表二溶液薯条质量变化百分率(%)+40-2-3质量变化百分率(%)+40-2-
9、3【互动探究】(1)实验中所用蔗糖溶液的浓度是否可配制成任意浓度?提示:不可以。实验用蔗糖溶液浓度要有一定的范围,浓度太高,会将细胞杀死,从而使细胞膜失去选择透过性,影响实验结果;浓度过低,则薯条只吸水不失水,而影响实验效果。(2)能否将实验中的蔗糖溶液换为KNO3溶液?提示:不能。K+和NO3-是植物细胞所需的离子,即使外界溶液浓度很低,这两种离子也会以主动运输方式进入细胞,从而影响实验结果。【变式训练】将不同植物的三个未发生质壁分离的细胞置于同一蔗糖溶液中,形态不再变化后的细胞图像如下。则有关各细胞液的浓度判断正确的是()实验前BAAC实验后BA=C 实验后BAAC。实验后,当质壁分离不再
10、进行时,原生质层两侧的溶液浓度相等,所以A细胞和C细胞的细胞液浓度相等,而B细胞没有明显的质壁分离现象,说明B细胞液浓度可能大于蔗糖溶液或等于蔗糖溶液,所以实验后是BA=C。考点 二生物膜的组成、结构及功能间的关系1.生物膜的流动镶嵌模型(1)细胞膜中的脂质除磷脂外,还有一些糖脂和胆固醇。(2)糖脂和糖蛋白都分布于细胞膜的外表面。(3)脂质和蛋白质分子并不是均匀分布的,而是呈不对称性分布。2.细胞膜的结构特点具有一定的流动性(1)原因:膜结构中的蛋白质分子和磷脂分子是可以运动的。(2)影响因素:主要受温度影响,适当温度范围内,随外界温度升高,膜的流动性增强,但温度高出一定范围,则导致膜的破坏。
11、(3)实验验证人鼠细胞融合实验:(4)生物膜的流动性与选择透过性的关系:区别:流动性是生物膜的结构特点,选择透过性是生物膜的功能特性。联系:流动性是选择透过性的基础,膜只有具有流动性,才能实现选择透过性。膜的流动性和选择透过性都是活细胞的特性,死细胞将失去流动性和膜的选择透过性。3.生物膜的组成、结构和功能关系图解【高考警示】(1)只有活细胞才具有膜的流动性和选择透过性。(2)流动性是细胞膜结构的固有属性,无论细胞是否与外界发生物质交换,流动性总是存在的,而选择透过性只在完成物质交换功能时才能体现出来。(3)细胞膜中的蛋白质有部分起载体蛋白作用,其特异性和数量的多少,决定了其运输物质的种类和数
12、量。【典例2】图1是生物膜的流动镶嵌模型示意图,其中离子通道是一种通道蛋白,通道蛋白是横跨生物膜的亲水性通道,允许适当大小的离子顺浓度梯度通过。图2表示磷脂在细胞膜内外两侧分布的百分比。请据图分析下列叙述不正确的是()A.图1所示生物膜最可能是细胞膜,因为有糖蛋白丁B.物质通过离子通道不需要消耗ATPC.由图1和图2可知,膜脂和膜蛋白在细胞膜上的分布是不对称的D.若丁是受体,则丁的化学本质为蛋白质【解析】选D。图中丁是糖蛋白,分布于细胞膜外表面,故图1最可能为细胞膜。由题干信息可知,物质顺浓度梯度通过离子通道,因此不消耗ATP。由图1和图2可知,膜的成分在膜上的分布是不对称的。丁的化学本质应为
13、糖蛋白。【互动探究】(1)如何据图判别细胞膜的内外侧?提示:有糖蛋白的一侧为细胞膜的外侧,无糖蛋白的一侧为内侧。(2)为什么脂溶性物质容易透过细胞膜,不溶于脂质的物质通过却十分困难?提示:因为组成细胞膜的主要成分中有磷脂,细胞膜以磷脂双分子层为基本支架。根据相似相溶原理,脂溶性物质容易通过细胞膜。【变式训练】如图为物质跨膜运输示意图(甲、乙、丙代表物质或结构,a、b、c、d、e代表运输方式)。下列叙述错误的是()A.甲代表的蛋白质分子在物质运输过程中有重要作用B.乙、丙代表的磷脂双分子层、多糖是细胞膜的基本支架C.图中a、b可分别表示钾离子、氧气进入细胞D.细胞膜的功能特点是选择透过性,结构特
14、点是具有一定的流动性【解析】选B。A正确,甲为载体蛋白,该蛋白在主动运输过程中起载体的作用;B错误,乙为磷脂双分子层,丙为糖蛋白,磷脂双分子层是细胞膜的基本支架;C正确,a进入细胞为主动运输,可表示钾离子进入细胞,b进入细胞属于自由扩散,可表示氧气进入细胞;D正确,细胞膜的功能特点是具有选择透过性,结构特点是具有一定的流动性。【拓展延伸】植物对无机盐离子的选择性吸收1.实例有差异2.结构基础细胞膜上载体蛋白的种类和数量不同。同一植物吸收不同离子不同植物吸收同种离子植物细胞膜对无机盐离子的吸收具有选择性3.原因分析(1)内因遗传因素:(2)外因主要是呼吸作用影响:影响因素:不同生物DNA不同载体
15、蛋白种类、数量不同选择性吸收同种植物对不同离子的吸收能力不同不同植物对同一离子的吸收能力不同决定决定表现土壤中氧气含量、温度 影响呼吸作用ATP生成主动运输影响实例分析:土壤中O2含量与无机盐吸收速率的关系a.AB段表示在一定范围内,根吸收离子的速率随氧分压的升高而加快。b.BC段表示当氧分压增大到一定值时,根吸收离子的速率不再随氧分压升高而加快,这是由于根吸收离子还与根细胞膜上载体蛋白的数量有关。4.实验验证含不同无机盐离子的溶液+不同植物测定实验前培养液中各离子的初始浓度测定实验结束后各离子的浓度比较同一植物吸收不同离子及不同植物吸收同一离子的情况得出结论【高考警示】(1)植物对水分和无机
16、盐离子的吸收是两个相对独立的过程,植物吸收水分的方式是自由扩散,而对无机盐离子则以主动运输方式吸收。(2)栽培作物时,不同作物及同一作物的不同生长发育期对无机盐离子的需求不同,因此要合理施肥。【备选典例】用同一种完全培养液在两个相同的容器内分别培养水稻幼苗和番茄幼苗,假设两植物的吸水速率相同,一段时间后,测定培养液中各种离子与实验开始时各种离子浓度之比如图所示,该实验的结果不能说明()A.不同植物对各种离子的需要量是不同的B.与番茄相比,水稻对SiO44-需要量大,对Ca2+需要量小C.不同植物根尖细胞膜上载体蛋白的种类和数量是不同的D.植物对各种离子的吸收速率与溶液中离子的浓度有关【解析】选
17、D。由图例分析可知,不同植物对同种离子的需要量及同一植物对不同离子的需要量不同。水稻吸收的SiO44-多,对Ca2+、Mg2+吸收量少,而番茄吸收的Ca2+和Mg2+较多,对SiO44-吸收量少。这体现了植物对无机盐离子的吸收具有选择性,其原因在于不同植物根尖细胞膜上载体蛋白的种类和数量是不同的。图中并不能看出植物对各种离子的吸收速率与溶液中的离子浓度有关。【互动探究】(1)从上图可以看出,水稻实验结果培养液中Ca2+、Mg2+的浓度与实验前之比大于100%,能不能判断水稻不吸收Ca2+、Mg2+,为什么?提示:不能。因为水稻吸收了水,影响了培养液的离子浓度变化。(2)有人说番茄的补钙效果比水
18、稻的好,对吗?试结合上图分析原因。提示:对。从上图可以看出,番茄对Ca2+的吸收量、需求量大于水稻。渗透装置在实验中的应用与分析【典例】如图所示,溶液X中含有绿色染料,溶液Y中含有红色染料,溶液Z中含有蓝色染料。实验开始时,两支漏斗中溶液液面的高度一样。10 min后观察的结果是:溶液X液面上升,溶液Y液面下降;溶液X中只有绿色染料,溶液Y中含有了红色和蓝色染料,溶液Z中含有了绿色和蓝色染料。下列有关描述中,正确的是()A.溶液Z的浓度最高B.溶液Y的浓度最低C.溶液Y中的溶质分子能够通过半透膜进入溶液X中D.溶液Z中的溶质分子能够通过半透膜进入溶液X中【解析】选B。从实验结果入手分析:由“溶
19、液X液面上升,溶液Y液面下降”可知,三种溶液的浓度为XZY。从染料的情况看:可知,溶液X中的绿色染料能够通过半透膜进入溶液Z中,溶液Z中的蓝色染料能够通过半透膜进入溶液Y中。【方法归纳】结合渗透装置,可以有以下三个方面的应用:(2)验证渗透作用发生的条件的方法:具有半透膜:漏斗内溶液烧杯内溶液溶液浓度MN现象及结论若漏斗内液面上升,则MN若漏斗内液面不变,则M=N若漏斗内液面下降,则Mh2,说明乙图中B的渗透压大于C的渗透压,也就是说B的浓度一定大于C的浓度,B项叙述错误。1.一次施肥过多,作物会枯萎发黄,俗称“烧苗”,其原因是()A.根系呼吸作用过强,影响根对水分的吸收B.土壤溶液浓度大于细
20、胞液浓度C.土壤溶液浓度小于细胞液浓度D.土壤溶液浓度等于细胞液浓度【解析】选B。一次施肥过多,使土壤溶液浓度升高。当土壤溶液浓度大于根部表皮细胞的细胞液浓度时,根部细胞不但不吸水,反而失水,引起“烧苗”。2.下列现象属于渗透作用的是()水分子通过植物细胞的细胞壁水分子或其他溶剂分子通过细胞膜蔗糖分子通过细胞壁水分子或其他溶剂分子通过液泡膜水分子或其他溶剂分子通过原生质层A.B.C.D.【解析】选C。渗透作用是指水分子或其他溶剂分子通过半透膜的扩散。细胞膜、液泡膜和原生质层都具有选择透过性,是选择透过性膜。细胞壁的主要成分是纤维素和果胶,其结构通常呈网状,凡是溶解在水中的溶质分子都可以自由通过
21、,具有全透性,不是半透膜。3.将相同的四组马铃薯条分别浸入四种溶液,一小时后测定马铃薯条质量变化的百分率,结果如表。下列叙述中正确的是()A.的浓度最低B.的浓度较低C.的浓度最高D.可能是蒸馏水溶 液质量变化率+8%-6%-4%0【解析】选A。当外界溶液浓度大于细胞液的浓度时细胞处于失水状态,马铃薯条质量变化百分率趋向负值,数值越小,外界溶液浓度越高;当外界溶液浓度小于细胞液的浓度时细胞处于吸水状态,马铃薯条质量变化百分率趋向正值,数值越大,外界溶液浓度越低。4.如图为细胞膜的液态流动镶嵌模型示意图,有关叙述错误的是()A.a指磷脂分子的尾部,具有疏水性B.c指磷脂分子的头部,具有亲水性C.
22、糖蛋白在细胞膜的内外侧均有分布D.细胞膜的选择透过性与b、d的种类和数量有关【解析】选C。磷脂是由甘油、脂肪酸和磷酸组成的,磷酸“头”部(c)是亲水端,脂肪酸“尾”部(a)是疏水端。细胞膜为细胞的边界,在细胞膜的外侧分布着具有识别作用的糖蛋白,而在细胞膜的内侧没有糖蛋白的分布,因此,依据糖蛋白的分布可判断细胞膜的内外侧。细胞膜具有选择透过性,这与细胞膜上蛋白质(b、d)的种类和数量有关。5.成熟的植物细胞具有中央大液泡,可与外界溶液构成渗透系统进行渗透吸水或渗透失水。图甲表示渗透装置吸水示意图,图乙表示图甲中液面上升的高度与时间的关系,图丙表示成熟植物细胞在某外界溶液中的一种状态(此时细胞有活
23、性)。请回答下列问题:(1)由图甲漏斗液面上升可知,实验初始时c两侧浓度大小是ab。由图乙可知漏斗中溶液吸水速率在,最终液面不再上升。当液面不再上升时,c两侧浓度大小是ab。(2)图丙中相当于图甲中c结构的是(填序号),处充满的液体是。此时细胞液的浓度与外界溶液的浓度大小关系是。A.细胞液外界溶液B.细胞液外界溶液C.细胞液=外界溶液D.都有可能(3)把一个已经发生质壁分离的细胞浸入清水中,发现液泡体积增大,说明细胞在渗透吸水,细胞能否无限吸水?_,原因是_。(4)把一个已经发生质壁分离的细胞浸入低浓度的蔗糖溶液中,发现细胞液泡体积也在增大。当液泡体积不再增大时,细胞液浓度是否一定和外界溶液浓
24、度相等?_。【解析】(1)漏斗内液面的上升是由水从浓度低的一侧向浓度高的一侧移动引起的,因此,由图甲中漏斗内液面上升可知,b液体的浓度大于a;图乙反映的是随着吸水时间的延长,漏斗内液面升高的速度逐渐下降,这是由浓度差缩小造成的。考虑到漏斗内液柱压力的作用,当液面不再上升时,a侧的浓度小于b侧。(2)图甲中c为半透膜,在图丙中可将细胞膜、液泡膜和两层膜之间的细胞质视作一层半透膜,结构中充满的液体是外界溶液;由于无法判断细胞是在吸水还是失水,因此,无法确定此时细胞液的浓度与外界溶液的浓度大小关系。(3)对植物细胞而言,由于细胞壁的存在,且细胞壁的弹性有限,因此,细胞不可能无限吸水;当细胞因吸水体积
25、增大到细胞壁所能膨大的最大限度时,细胞将不再吸水。(4)液泡体积不再增大时,细胞液浓度不一定和外界溶液的浓度相等,也可能是由于细胞壁的束缚,虽然细胞液的浓度大于外界溶液的浓度,液泡体积也不再增大。答案:(1)小于 下降 小于(2)外界溶液 D(3)不能 细胞壁对原生质层有支持和保护的作用(4)不一定6.(2011新课标全国卷)将人的红细胞放入4蒸馏水中,一段时间后,红细胞破裂,主要原因是()A.红细胞膜具有水溶性B.红细胞的液泡体积增大C.蒸馏水大量进入红细胞D.低温时红细胞膜流动性增大【解析】选C。细胞膜具有脂溶性;动物细胞没有液泡,动物细胞的细胞膜相当于一层半透膜,可通过渗透作用吸水或失水
26、;将人的红细胞放入蒸馏水中,尽管温度较低,但不影响水分子进入红细胞内,蒸馏水大量进入红细胞,而动物细胞没有细胞壁的保护,吸水过多而涨破;低温时红细胞膜流动性减小。【易错提醒】解题时要防止信息误导,本题中给了信息点“4”,答案D项出现了“低温”,很容易引起错误解答。应注意膜的流动性受温度影响,在一定温度范围内,随温度升高,膜的流动性增强。7.(2011新课标全国卷)撕取紫色洋葱外表皮,分为两份,假定两份外表皮细胞的大小、数目和生理状态一致,一份在完全培养液中浸泡一段时间,浸泡后的外表皮称为甲组;另一份在蒸馏水中浸泡相同时间,浸泡后的外表皮称为乙组。然后,两组外表皮都用浓度为0.3 g/mL的蔗糖
27、溶液处理,一段时间后表皮细胞中的水分不再减少,此时甲、乙两组细胞水分渗出量的大小,以及水分运出细胞的方式是()A.甲组细胞的水分渗出量与乙组细胞的相等,主动运输B.甲组细胞的水分渗出量比乙组细胞的高,主动运输C.甲组细胞的水分渗出量比乙组细胞的低,被动运输D.甲组细胞的水分渗出量与乙组细胞的相等,被动运输【解析】选C。本题考查了植物细胞的结构和渗透吸水的原理。和蒸馏水相比,完全培养液浓度较高,所以在蒸馏水中洋葱表皮细胞吸水较多,但是有细胞壁保护,细胞并未破裂;当把二者都放入浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液中时,必然导致这两个细胞发生失水,一直到和外界蔗糖溶液渗透压相等时失水停止,显然乙组吸水多,浓度低,故放在蔗糖溶液中失水较多;水分出入细胞的方式是自由扩散,属于被动运输。8.(2010上海高考)某同学拟选择一种半透性的膜材料,用于自制渗透计。他采用如图1所示的装置(示意图),对收集到的四种材料甲、乙、丙和丁进行实验,得到了倒置漏斗中的液面高度随时间变化的曲线(如图2)。据图分析,该同学应选择的膜材料是()A.甲 B.乙 C.丙 D.丁【解析】选A。用甲、乙、丙、丁四种膜材料进行实验,只有甲一定是只允许水分子通过,为半透膜的理想材料。
