第4章細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出第1節(jié)被動(dòng)運(yùn)輸課標(biāo)定位1.水進(jìn)出細(xì)胞的原理分析滲透現(xiàn)象、哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞的吸水與失水現(xiàn)象。2.探究植物細(xì)胞的吸水和失水觀察植物細(xì)胞的吸水和失水,增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí),領(lǐng)悟科學(xué)探究的方法。3.自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散舉例說明有些物質(zhì)順濃度梯度進(jìn)出細(xì)胞,不需要額外提供能量。素養(yǎng)闡釋1.基于滲透現(xiàn)象、水進(jìn)出哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞的事實(shí),歸納水進(jìn)出動(dòng)物細(xì)胞的原理;構(gòu)建并運(yùn)用滲透系統(tǒng)模型,結(jié)合成熟植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),解釋植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原現(xiàn)象,歸納水進(jìn)出植物細(xì)胞的原理。素養(yǎng)闡釋2.基于探究水進(jìn)出植物細(xì)胞的原理這一實(shí)驗(yàn),體驗(yàn)科學(xué)探究的一般過程,提高動(dòng)手操作能力和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力,并能運(yùn)用到其他類似的科學(xué)探究活動(dòng)中。3.基于細(xì)胞吸水和失水的原理,理解被動(dòng)運(yùn)輸?shù)母拍?基于細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),理解自由擴(kuò)散、協(xié)助擴(kuò)散;運(yùn)用轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念歸納出被動(dòng)運(yùn)輸?shù)念愋秃吞攸c(diǎn)。一、水進(jìn)出細(xì)胞的原理1.滲透作用(1)概念:指水分子(或其他溶劑分子)通過半透膜的擴(kuò)散。(2)滲透作用產(chǎn)生的條件:一是具有半透膜,二是半透膜兩側(cè)的溶液存在濃度差。2.動(dòng)、植物細(xì)胞的吸水和失水(1)動(dòng)物細(xì)胞的吸水和失水②現(xiàn)象a.外界溶液的濃度<細(xì)胞質(zhì)的濃度?細(xì)胞吸水膨脹。b.外界溶液的濃度>細(xì)胞質(zhì)的濃度?細(xì)胞失水皺縮。c.外界溶液的濃度=細(xì)胞質(zhì)的濃度?細(xì)胞形態(tài)不變。半透膜與選擇透過性膜的比較①區(qū)別:半透膜是無生命的物理性薄膜,物質(zhì)能否通過取決于分子的大小;選擇透過性膜是具有生命的生物膜,載體蛋白的存在決定了其對(duì)不同物質(zhì)吸收的選擇性。細(xì)胞死亡或膜載體蛋白失活后,選擇透過性膜的選擇透過性喪失。②共性:都不允許大分子物質(zhì)通過。(2)植物細(xì)胞的吸水和失水(以成熟植物細(xì)胞為例)①原理②觀察植物細(xì)胞吸水和失水的步驟③現(xiàn)象a.當(dāng)外界溶液的濃度大于細(xì)胞液溶質(zhì)的濃度時(shí),細(xì)胞就通過滲透作用失水,植物細(xì)胞就發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象。b.將已發(fā)生質(zhì)壁分離的植物細(xì)胞放入清水中,此時(shí)細(xì)胞液溶質(zhì)的濃度高于外界清水,植物細(xì)胞就吸水,發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象。二、自由擴(kuò)散和協(xié)助運(yùn)輸1.被動(dòng)運(yùn)輸(1)概念:物質(zhì)以擴(kuò)散方式進(jìn)出細(xì)胞,不需要消耗細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量,這種物質(zhì)跨膜運(yùn)輸方式稱為被動(dòng)運(yùn)輸。(2)分類:自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散。2.自由擴(kuò)散:物質(zhì)通過簡(jiǎn)單的擴(kuò)散作用進(jìn)出細(xì)胞的方式,叫作自由擴(kuò)散,也叫簡(jiǎn)單擴(kuò)散。3.協(xié)助擴(kuò)散:借助膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)出細(xì)胞的物質(zhì)擴(kuò)散方式,叫作協(xié)助擴(kuò)散,也叫易化擴(kuò)散。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可分為載體蛋白和通道蛋白兩種類型。4.自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散(連線)答案:①—b—Ⅰ

②—a—Ⅱ

【預(yù)習(xí)檢測(cè)】

1.判斷正誤。(1)滲透作用中膜兩側(cè)溶液的濃度指的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)。(

)(2)在滲透作用中,當(dāng)半透膜兩側(cè)溶液濃度相等時(shí),水分子不再通過半透膜。(

)(3)將動(dòng)物細(xì)胞放入一定濃度的外界溶液中,不能發(fā)生滲透作用。(

)(4)植物細(xì)胞的原生質(zhì)層包括細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。(

)××××(5)與白色花瓣相比,采用紅色花瓣更有利于質(zhì)壁分離現(xiàn)象的觀察。(

)(6)“質(zhì)壁分離”中的“質(zhì)”是指細(xì)胞質(zhì),“壁”是指細(xì)胞壁。(

)(7)乙醇、苯進(jìn)入細(xì)胞的方式為簡(jiǎn)單擴(kuò)散。(

)(8)載體蛋白只容許與自身結(jié)合部位相適應(yīng)的分子或離子通過。(

)√×√√2.甲、乙兩種物質(zhì)分別依賴自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞。如果以人工合成的無蛋白磷脂雙分子膜代替細(xì)胞膜,并維持其他條件不變,則(

)A.甲運(yùn)輸被促進(jìn) B.乙運(yùn)輸被促進(jìn)C.甲運(yùn)輸被抑制 D.乙運(yùn)輸被抑制解析:協(xié)助擴(kuò)散必須有轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與才能進(jìn)行,無轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,協(xié)助擴(kuò)散將被抑制。答案:D知識(shí)點(diǎn)一滲透作用發(fā)生的條件問題引領(lǐng)1.圖甲表示剛開始時(shí)燒杯和漏斗內(nèi)的兩液面是持平的,達(dá)到滲透平衡后形成了圖乙所示的情況,兩液面形成的高度差為Δh。請(qǐng)據(jù)圖思考并回答下列問題。(1)在由圖甲到圖乙的過程中,S1溶液與S2溶液的濃度發(fā)生了怎樣的變化?提示:在由圖甲到圖乙的過程中,水分子最終表現(xiàn)為由S2溶液進(jìn)入S1溶液中,所以造成了S1溶液的濃度減小,S2溶液的濃度增大。(2)達(dá)到滲透平衡后(即高度差Δh不再改變時(shí)),水分子是否不再通過半透膜進(jìn)行跨膜運(yùn)輸?比較此時(shí)S1與S2溶液濃度的大小。提示:達(dá)到滲透平衡后,水分子仍然可以通過半透膜進(jìn)行跨膜運(yùn)輸,只不過膜兩側(cè)水分子的運(yùn)輸達(dá)到了平衡,所以高度差才不會(huì)發(fā)生變化。此時(shí),S1溶液的濃度仍大于S2溶液的濃度。2.根據(jù)水分子進(jìn)出哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞的狀況,分析下列問題。(1)紅細(xì)胞內(nèi)的血紅蛋白等大分子有機(jī)物能透過細(xì)胞膜嗎?細(xì)胞膜是否相當(dāng)于半透膜?提示:不能;是。(2)判斷水分子進(jìn)出哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞的現(xiàn)象是否屬于滲透現(xiàn)象并說明理由。提示:屬于。具備滲透作用的兩個(gè)條件——有半透膜且半透膜兩側(cè)的溶液具有濃度差。(3)臨床上輸液為什么要用生理鹽水?提示:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的氯化鈉溶液(即生理鹽水)的滲透壓與血漿、組織液的基本一樣,所以不會(huì)讓細(xì)胞失水或者過度吸水,所以輸液用生理鹽水可維持血細(xì)胞的正常形態(tài)。3.下圖表示正在發(fā)生質(zhì)壁分離的紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞。請(qǐng)分析回答下列問題。(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要選擇紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞嗎?提示:不一定。但紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞的細(xì)胞液中含有色素,使液泡呈現(xiàn)紫色,更有利于觀察。(2)b的顏色和大小如何發(fā)生變化?提示:b的顏色逐漸加深;b逐漸變小。(3)該實(shí)驗(yàn)無獨(dú)立的對(duì)照組,為什么還叫作對(duì)照實(shí)驗(yàn)?提示:在該實(shí)驗(yàn)中,對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組在同一對(duì)象上先后進(jìn)行,屬于自身對(duì)照。歸納提升1.判斷滲透系統(tǒng)中液體變化的方法(如下圖)(1)液面變化的判斷①若A側(cè)溶質(zhì)可以通過半透膜,B側(cè)溶質(zhì)不能通過半透膜,則B側(cè)液面升高。②若A側(cè)和B側(cè)溶質(zhì)相同,且均不能通過半透膜,則濃度高的一側(cè)液面升高。③若半透膜兩側(cè)的溶質(zhì)均能通過半透膜,則不存在高度差。(2)高度差的大小決定于濃度差的大小,濃度差越大,高度差越大。(3)濃度變化:滲透系統(tǒng)中,溶質(zhì)不能通過半透膜時(shí),實(shí)驗(yàn)剛開始濃度大的一側(cè)達(dá)到平衡后的濃度仍大于另一側(cè)。2.細(xì)胞能否發(fā)生質(zhì)壁分離及復(fù)原的判斷方法(1)從細(xì)胞角度分析①死細(xì)胞、動(dòng)物細(xì)胞不能發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象。②成熟且具有中央大液泡的植物細(xì)胞易發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象,而未成熟的植物細(xì)胞(如根尖分生區(qū)細(xì)胞等)不具有大液泡,則不易發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象。③細(xì)菌細(xì)胞能發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象,但現(xiàn)象不明顯。(2)從溶液角度分析①在一定濃度的溶液(溶質(zhì)不能穿膜)中只發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象。②在一定濃度的溶液(溶質(zhì)可穿膜)中發(fā)生質(zhì)壁分離后可自動(dòng)復(fù)原,如甘油、尿素、乙二醇、KNO3溶液等。③在高濃度溶液中質(zhì)壁分離現(xiàn)象明顯,但溶液濃度過高時(shí)不能發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原,因?yàn)槿芤簼舛冗^高,細(xì)胞會(huì)因過度失水而死亡。④鹽酸、酒精、醋酸等溶液能殺死細(xì)胞,不適于作質(zhì)壁分離實(shí)驗(yàn)的溶液。質(zhì)壁分離和復(fù)原實(shí)驗(yàn)的拓展應(yīng)用(1)判斷成熟植物細(xì)胞的死活(2)測(cè)定細(xì)胞液濃度范圍

(3)比較不同成熟植物細(xì)胞的細(xì)胞液濃度(4)鑒別不同種類的溶液(如KNO3溶液和蔗糖溶液)典型例題某同學(xué)設(shè)計(jì)的滲透裝置實(shí)驗(yàn)如下圖所示(開始時(shí)狀態(tài)),燒杯中盛放有蒸餾水。圖中半透膜允許單糖透過。倒置的長(zhǎng)頸漏斗中先裝入蔗糖溶液一段時(shí)間后再加入蔗糖酶(微量)。下列有關(guān)該實(shí)驗(yàn)的敘述,正確的是(

)A.漏斗中液面開始時(shí)先上升,加酶后即下降B.漏斗中液面先上升,加酶后繼續(xù)上升,然后下降,最后保持內(nèi)外液面基本相平C.漏斗中液面先上升,加酶后繼續(xù)上升,然后保持一定的液面高度差不變D.加酶后在燒杯中可檢測(cè)出的有機(jī)物僅有葡萄糖解析:長(zhǎng)頸漏斗中開始有蔗糖溶液,滲透壓較高,液面上升。加酶后蔗糖在蔗糖酶的作用下水解為葡萄糖和果糖,溶質(zhì)分子數(shù)目增多,滲透壓更高,液面繼續(xù)上升。但是單糖分子可以通過半透膜進(jìn)入燒杯中,導(dǎo)致漏斗中液體的滲透壓下降,燒杯中液體的滲透壓升高,所以漏斗內(nèi)液面下降,最終漏斗內(nèi)外液面基本相平。答案:B【變式訓(xùn)練】

1.成熟植物細(xì)胞的主要吸水方式是滲透吸水。某興趣小組為研究滲透吸水做了一個(gè)實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易滲透吸水裝置如圖甲所示。圖甲漏斗內(nèi)液面上升的高度與時(shí)間的關(guān)系如圖乙所示。一成熟植物細(xì)胞被放在某外界溶液中,其所處的狀態(tài)(此時(shí)細(xì)胞有活性)如圖丙所示。下列相關(guān)敘述錯(cuò)誤的是(

)A.由圖甲中漏斗內(nèi)液面上升可知,實(shí)驗(yàn)開始時(shí)b側(cè)液體濃度大于a側(cè)B.由圖乙可知,圖甲中漏斗內(nèi)溶液的吸水速率在下降C.圖丙中相當(dāng)于圖甲中c結(jié)構(gòu)的是③④⑤D.把圖丙所示狀態(tài)的細(xì)胞放在清水中,會(huì)發(fā)生質(zhì)壁分離解析:圖甲漏斗內(nèi)液面上升,說明實(shí)驗(yàn)開始時(shí)b側(cè)液體濃度大于a側(cè)。隨漏斗內(nèi)液面上升,半透膜(c)兩側(cè)的濃度差越來越小,故漏斗內(nèi)溶液的吸水速率在下降。圖丙中③細(xì)胞膜、⑤液泡膜及兩者之間的④細(xì)胞質(zhì)相當(dāng)于半透膜。把圖丙細(xì)胞放在清水中,會(huì)發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原。答案:D2.下圖中甲、乙、丙分別是細(xì)胞在不同濃度溶液中水分子的跨膜運(yùn)輸示意圖(箭頭大小代表水分子數(shù)的多少)。請(qǐng)回答下列問題。(1)若將人的成熟紅細(xì)胞放入清水中,會(huì)出現(xiàn)如圖

(填題圖編號(hào))所示現(xiàn)象,最終紅細(xì)胞會(huì)

。

(2)若將洋蔥表皮細(xì)胞放在質(zhì)量濃度為0.3g/mL的蔗糖溶液中,會(huì)出現(xiàn)如圖

(填題圖編號(hào))所示現(xiàn)象。達(dá)到平衡時(shí),水分子進(jìn)出細(xì)胞的狀況如圖

(填題圖編號(hào))所示。然后將其放在清水中,則達(dá)到平衡時(shí)細(xì)胞內(nèi)液滲透壓

(填“大于”“小于”或“等于”)清水的滲透壓。

(3)若某葉肉細(xì)胞正處于圖甲所示狀態(tài),一段時(shí)間內(nèi)細(xì)胞體積增大且最終

(填“會(huì)漲破”或“不會(huì)漲破”)。

解析:(1)將人的成熟紅細(xì)胞放入清水中,由于發(fā)生滲透作用,從細(xì)胞外進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的水分子多于從細(xì)胞內(nèi)到細(xì)胞外的水分子,因此細(xì)胞吸水,如圖甲所示。動(dòng)物細(xì)胞無細(xì)胞壁,紅細(xì)胞會(huì)因吸水過多而漲破。(2)將洋蔥表皮細(xì)胞放在質(zhì)量濃度為0.3

g/mL的蔗糖溶液中,由于細(xì)胞外界溶液濃度較大,細(xì)胞失水,如圖丙所示。達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),水分子進(jìn)出細(xì)胞的速率相等,如圖乙所示。此時(shí)將其放入清水中,細(xì)胞內(nèi)液滲透壓較高,細(xì)胞吸水,但由于細(xì)胞壁的存在,細(xì)胞不會(huì)一直吸水,最終水分子進(jìn)出細(xì)胞的速率達(dá)到平衡,如圖乙所示。此時(shí)細(xì)胞內(nèi)外仍存在濃度差,細(xì)胞內(nèi)液滲透壓較高。(3)若某葉肉細(xì)胞正處于圖甲所示狀態(tài),細(xì)胞體積會(huì)增大,但不會(huì)漲破,因?yàn)橛屑?xì)胞壁的保護(hù)作用。答案:(1)甲漲破(2)丙乙大于(3)不會(huì)漲破知識(shí)點(diǎn)二被動(dòng)運(yùn)輸問題引領(lǐng)下圖為不同的物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的不同方式,請(qǐng)據(jù)圖思考并回答下列問題。1.請(qǐng)說出圖中所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)姆绞郊芭袛嗟睦碛?。提?圖1是自由擴(kuò)散,理由是物質(zhì)由高濃度向低濃度運(yùn)輸,不需要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,也不需要消耗能量;圖2是協(xié)助擴(kuò)散,理由是通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的協(xié)助,不需要消耗能量。2.圖2中的兩種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有什么特點(diǎn)?提示:(1)通道蛋白只容許與自身通道的直徑和形狀相適配、大小和電荷相適宜的分子或離子通過。分子或離子通過通道蛋白時(shí),不需要與通道蛋白結(jié)合。(2)載體蛋白只容許與自身結(jié)合部位相適應(yīng)的分子或離子通過,而且每次轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)都會(huì)發(fā)生自身構(gòu)象的改變。歸納提升1.自由擴(kuò)散與協(xié)助擴(kuò)散的比較2.離子通道蛋白和載體蛋白(離子泵)的異同(1)相同點(diǎn):化學(xué)本質(zhì)均為蛋白質(zhì),均分布在細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)中,都有控制特定物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)墓δ堋?2)不同點(diǎn):①通道蛋白參與的物質(zhì)跨膜運(yùn)輸,在運(yùn)輸過程中并不與被運(yùn)輸?shù)姆肿咏Y(jié)合,只容許與自身通道的直徑和形狀相適配、大小和電荷相適宜的分子或離子順濃度梯度跨膜運(yùn)輸,所以運(yùn)輸時(shí)不消耗能量。②載體蛋白參與的跨膜