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高三数学第4章 细胞的物质输入和输出 第1节 第3节人教实验版

【本讲教育信息】
一. 教学内容：
第4章 细胞的物质输入和输出
第1节 物质跨膜运输的实例
探究1：探究植物细胞的吸水和失水
第3节 物质跨膜运输的方式

二. 重点和难点
1. 教学重点
举例说出细胞膜是选择透过性膜。
物质进出细胞的方式。
2. 教学难点
尝试提出问题，作出假设。
主动运输。
进行图表数据的解读。

三. 具体内容
第1节 物质跨膜运输的实例
1. 动物细胞的吸水和失水
用哺乳动物的细胞制备细胞膜时，加入的清水能使烧杯中的红细胞胀破。这是由于红细胞细胞质的浓度大于外界溶液浓度，单位体积内的水分子数少于外界溶液。由于细胞内外水分子数不平衡，水分又能通过细胞膜，而细胞内的大分子物质等不能通过细胞膜，水分子趋向平衡的运动，使红细胞吸水。
若将红细胞放入一种高浓度溶液中呢？结果必然是细胞失水而皱缩。若将红细胞放入与细胞质的浓度相同的溶液中呢？结果是细胞既不吸水，也不失水，红细胞不变形。我们静脉注射用的生理盐水的浓度，就是与血浆的浓度相等。
2. 植物细胞的吸水和失水
（1）渗透作用的原理
① 渗透作用的概念：渗透作用是指水分子（或）其他溶剂分子通过半透膜的扩散。
② 发生渗透作用的条件：一是具有半透膜；二是半透膜两侧的溶液具有浓度差。即一个完整的渗透系统由两个溶液（A和B）以及隔在二者中间的半透膜这三者构成。
半透膜与生物膜有什么联系和区别？
半透膜是指一些物质可以透过，另一些物质不能透过的多孔性薄膜。从结构上看，生物膜相当于于半透膜。但是，从功能上看，半透膜（如动物的膀胱膜、玻璃纸）对物质的透性取决于它的分子间隙，只要分子直径小于此间隙的物质就可以通过。而生物膜是选择透过性膜，只有被选择吸收的物质才能通过，其具体表现是：① 脂溶性物质优先通过；② 水分子可以自由通过生物膜上的通道；③ 细胞选择的离子和小分子可以通过；④ 细胞需要的一些大分子物质采用膜泡运输的方式进出细胞；⑤ 不被细胞选择的离子、小分子、大分子不能通过。
③ 原理：当溶液浓度A>B时，水分就通过半透膜由B流向A；当溶液浓度A的植物细胞主要靠吸胀作用吸收水分；成熟的植物细胞主要靠渗透作用吸收水分。
②成熟的植物细胞是一个渗透系统。

3. 物质跨膜运输的其他实例
细胞的吸水和失水是水分子顺相对含量的梯度跨膜运输，即从含水量相对较高的一侧向相对较低的一侧运输。但某些物质在跨膜运输时不一定是顺浓度梯度的。
细胞膜和其他生物膜对物质的通过具有选择性，它允许水分子以渗透的形式自由通过，被选择吸收的离子和小分子也可以通过，而不被选择吸收的离子、小分子和大分子则不能通过。所以生物膜是一种选择透过性膜，这对细胞维持正常的生命活动起了重要作用。

探究1：探究植物细胞的吸水和失水
观察植物细胞的吸水和失水
1. 实验原理
（1）原生质层伸缩性比细胞壁伸缩性大。
（2）当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞失水，原生质层收缩，进而质壁分离。
（3）当细胞液浓度大于外界溶液浓度时，细胞渗透吸水，使质壁分离复原。
2. 实验过程

3. 实验结论
（1）成熟的植物细胞能与外界溶液发生渗透作用。
（2）当外界溶液大于细胞液浓度时，细胞失水。
（3）当外界溶液小于细胞液浓度时，细胞吸水。
本实验的方法与技巧
（1）取材：选取紫色明显的洋葱表皮，撕取的表皮不宜过大或过厚，避免带有叶肉。
（2）制装片：装片标本周围若有气泡，将会阻止蔗糖溶液扩散。
（3）质壁分离试剂浓度要适当。若浓度过低则不能引起质壁分离或者速度太慢，实验效果不佳；若浓度过高，虽然质壁分离速度快且效果明显，但将导致细胞脱水死亡，无法发生质壁分离后的复原现象。
（4）发生了质壁分离的细胞，再做质壁分离复原实验时，间隔的时间不能过长，否则将因原生质脱水变性而导致实验失败。
（5）滴加蔗糖溶液和清水，必须在实验桌上进行，而不能在显微镜的载物台上直接进行。滴加蔗糖溶液或清水时，必须重复几次。
（6）作分离剂所具备的条件。
① 要对细胞无毒害作用。
② 浓度要适当，如5%的KNO3或Ca（NO3）2，只有在保证细胞不被损害的条件下，才能得到预期的效果。
（7）实验中三次观察的分析。
① 正常状态的观察（作为自身前后对照）；
② 分离状态的观察；
③ 复原状态的观察。
三次观察主要观察以下方面：
① 液泡颜色及大小变化；
② “质”与“壁”的位置关系。
质壁分离与质壁分离复原实验的应用
（1）判断细胞的死活：可根据课后实验方法设计一死细胞与活细胞在一定浓度蔗糖溶液中的对比实验，观察有无质壁分离及复原现象。死细胞无质壁分离现象。
（2）观察植物细胞膜（光镜下）：由于植物细胞的细胞膜与细胞壁紧贴在一起，用普通的光学显微镜不能观察到细胞膜，但发生质壁分离的细胞，其细胞膜与细胞壁之间发生不同程度的分离，此时则可用光学显微镜观察到细胞膜。
（3）测定细胞液的浓度：可将取材于同一部位制成的若干植物细胞的临时装片，分别置于一系列不同浓度梯度的蔗糖溶液中，通过观察发生质壁分离的临界蔗糖溶液浓度来确定细胞液的大致浓度。
（4）可验证成熟的植物细胞是一个渗透系统或成熟植物细胞能发生渗透作用。
（5）动物细胞能发生渗透作用，但因无细胞壁，故动物细胞不会发生质壁分离现象。而渗透原理在动物细胞中也有广泛的应用，如要得到细胞膜，可将哺乳动物的红细胞置于纯水中，使细胞渗透吸水过多而胀破，从而得到细胞膜。

第3节 物质跨膜运输的方式
1. 被动运输的类型
物质进出细胞是顺浓度梯度的扩散，叫做被动运输，它分为自由扩散和协助扩散两大类。
（1）自由扩散
物质通过简单的扩散进出细胞叫做自由扩散。水、氧气、二氧化碳等分子很小，很容易自由地通过细胞膜的磷脂双分子层。这些分子通过细胞膜时遵循扩散作用的原理，即物质从高浓度一边，穿过细胞膜到达低浓度一边，直到平衡为止。
（2）协助扩散
进出细胞的物质借助载体蛋白的扩散，叫做协助扩散。离子和一些较大的分子，不能自由地通过细胞膜，必须由镶嵌在细胞膜上载体蛋白的协助，才能完成顺浓度梯度的跨膜运输。

概念：在载体的协助下，消耗细胞内代谢所释放的能量，把被选择吸收的物质从低浓度的一边通过细胞膜运输到高浓度的一边，这种物质出入细胞的方式叫做主动运输。
举例：小肠绒毛上皮细胞对K+、Na+、葡萄糖、氨基酸等营养物质的吸收，就是通过主动输进行的。
意义：主动运输这种物质出入细胞的方式，能够保证活细胞按照生命活动的需要，主动地选择吸收所需要的营养物质，排出新陈代谢产生的废物和对细胞有害的物质。可见，主动运输对于活细胞完成各项生命活动有重要作用。
影响主动运输的因素：首先是栽体蛋白的种类数量，它决定所运输的物质种类和数量。其次，由于主动运输需要消耗能量，所以凡是能够影响能量供应的因素也都影响主动运输速度，如温度、氧气浓度等。第三，主动运输速度与物质浓度有关。它们的关系可用下图表示。

2. 胞吞和胞吐
用一种无毒染料（例如刚果红）将酵母菌染成红色，放到草履虫培养液中，不久草履虫细胞里面出现了红色的食物泡。这种吞食固体颗粒的作用叫做胞吞。很多细胞都有这种能力，我们体内的白细胞能将侵入体内的外来物（如细菌等）吞入，起着保卫身体的作用。
胞吞使一些不能穿过细胞膜的物质如食物颗粒、蛋白质大分子等，都能进入细胞之中，形成含有液体或固体的小泡（食物泡）。这时，细胞质中的溶酶体很快地和这种小泡融合，溶酶体中所含的酶把食物颗粒、蛋白质大分子等水解为小分子物质，供细胞利用。
与胞吞相反，有些物质在细胞膜内被一层膜所包围，形成小泡，小泡逐渐移到细胞表面，小泡膜与细胞膜融合在一起，并且向细胞外张开，使内含物质排出细胞外，这种现象叫做胞吐。细胞通过胞吐向外分泌物质。胰腺细胞分泌酶原粒（蛋白质）就是胞吐。酶原粒是在高尔基体中产生的，这些包以外膜的酶原粒脱离高尔基体后，逐渐向细胞表面移行，在与细胞膜接触后，外膜与细胞膜融合并裂开，将内含物释放出去。
自由扩散、协助扩散和主动运输的比较
物质出入细胞的方式
细胞膜内外物质浓度的高低
是否需要载体
是否消耗能量
图　例
举　例
自由扩散
高浓度→低浓度
不需要
不消耗

H2O、O2、CO2、苯、乙醇、甘油
协助扩散
高浓度→低浓度
需要
不消耗

红细胞吸收葡萄糖
主动运输
低浓度→高浓度
需要
消耗ATP

小肠吸收葡萄
糖、氨基酸、无机盐；肾小管集合管吸收各种离子等

【典型例题】
[例1] 取新鲜的马铃薯块茎，去皮后切取两个大小相同的立方块，一块放在浓盐水中，另一块放在清水中（如下图a、b所示）。请判断一段时间后它们的变化，并解释原因。

（1）图a中马铃薯块_________（收缩、不变、膨胀），解释原因：_________。
（2）图b中马铃薯块_________（收缩、不变、膨胀），解释原因：_____________________。
解析：本题通过对实验结果的预测，考查植物细胞渗透原理。当外界溶液浓度高于细胞液浓度时，细胞通过渗透作用失去水分；当外界溶液浓度小于细胞液浓度时，细胞通过渗透作用吸收水分。细胞失水，植物组织收缩；细胞吸水，植物组织膨胀。
答案：（1）收缩 浓盐水浓度高于马铃薯块的茎细胞液浓度，细胞失水，植物组织收缩
（2）膨胀 清水浓度低于马铃薯块的茎细胞液浓度，细胞失水，植物组织膨胀

[例2] 为了检测麦种的质量，将麦种100粒浸入红墨水2h后用刀片纵向剖开，发现胚乳被染红95％，胚被染红30％，因而断定麦种发芽率太低不宜作种。下列对此检测原理最正确的解释是（ ）
A. 胚和胚乳都具有选择透过性，细胞不需要的色素不会被吸附和吸收
B. 胚如果是活细胞，红色素就不会被选择吸收
C. 胚乳没有细胞结构，主要成分是淀粉，可吸附色素
D. 胚乳的活细胞少，对色素不具选择吸收作用
解析：种子萌发的前提条件是要保证胚的完整性和必须是活的，这里胚被染红30％，如果胚是活细胞，红色素就不会被选择吸收，说明胚中30％的细胞已死亡，故断定麦种发芽率很低。
答案：B

[例3] 对法囊藻（一种海藻）的细胞液中各种离子浓度的分析表明，细胞液中的成分与海水的成分很不相同，下图阴影部分代表法囊藻的离子浓度。

（1）K+和Cl-在细胞内积累，而Na+等在细胞液中的含量低于海水的含量。这表明___________。
（2）K+和Cl-进入细胞的运输方向是_______；这种吸收方式是_______，这种吸收方式所需要的两个基本条件是______和______。
（3）Na+和Ca2+进入细胞的转运方向是__它们的吸收方式属于_____________。
（4）法囊藻的细胞液中各种离子浓度与海水中各种离子浓度不成比例，其结构基础是______________。
解析：由图可以看出：K+、Na+、Cl-、Ca2+的吸收都与海水中的含量不成比例，这表明对矿质元素的吸收具有选择性。
K+和Cl-进入细胞的运输方向是：从低浓度到高浓度，是主动运输，主动运输需要的基本条件是载体和消耗能量ATP。Na+和Ca2+进入细胞虽然是顺浓度梯度，即从高浓度一侧到低浓度一侧，但也是主动运输，既需要载体也消耗能量。有些矿质元素的吸收，都与细胞膜上的载体数量有关，这就是选择吸收的结构基础。
答案：（1）细胞对矿质元素离子的吸收具有选择性
（2）从低浓度到高浓度 主动运输 载体 能量（ATP）
（3）从高浓度到低浓度 主动运输
（4）细胞膜的载体种类和数量
[例4] 某科学家在研究细胞膜运输物质时发现有下列四种关系，分别用下图中四种曲线表示，在研究具体的物质X时，发现与曲线②和④相符，试问：细胞膜运输物质X的方式是（ ）

A. 主动运输 B. 自由扩散 C. 内吞 D. 外排
解析：曲线①说明运输速度与物质浓度呈正相关，不受其他因素的限制，应为自由扩散。因为氧气浓度的高低影响细胞呼吸，影响细胞能量的供应，而主动运输需要消耗能量，曲线③说明运输速度与氧气浓度无关，说明这种方式不是主动运输，而是一种被动运输方式（可能是自由扩散，也可能是协助扩散）。相反，曲线②在一定浓度范围内随物质浓度升高而速度加快，当达到一定程度后，由于受到载体数量的限制，不再增加而维持稳定，说明这种运输需要载体，不是自由扩散，可能是协助扩散，也可能是主动运输。曲线④说明吸收速度与氧气浓度有关，根据上面的分析，这个过程是需要能量的，只能是主动运输，所以综合来看，应当是主动运输。所以答案选A。
答案：A

[例5] 如下图变形虫内伸缩泡的周围有许多小泡，小泡周围义分布着一层线粒体，而伸缩泡的主要功能就是排出细胞内多余的水分，所以伸缩泡内液体的浓度就比细胞内其他部分低（据研究其浓度只有细胞质的一半），伸缩泡内的Na+是细胞质的33倍，而K+则是细胞质的0.85倍，而伸缩泡周围的小泡要不断地抽取Na+，排出K+，才能形成比细胞质浓度低的小液泡，这些小泡经融合并把液体排入到伸缩泡内，再由伸缩泡排出体外。

（1）伸缩小泡这种抽取Na+，排出K+的过程是属于______运输方式，须经______的协助才能完成这一过程。
（2）图中小泡层的周围分布着一层线粒体，推断其原因可能是________。
解析：伸缩泡周围的小泡要不断地抽取Na+，排出K+，均逆物质的浓度梯度进行，故为主动运输的方式，小泡周围的线粒体为主动运输提供能量。
答案1）主动 载体
（2）有利于及时供应伸缩小泡进行主动运输时所需的能量

[例6] 下列各组细胞都主要依靠渗透作用吸水的是（ ）
A. 干种子细胞、根毛细胞 B. 分生区细胞、叶肉细胞
C. 叶肉细胞、根毛细胞 D. 干种子细胞、分生区细胞
解析：半透膜两侧的溶液存在浓度差是渗透作用产生的条件之一，成熟植物细胞具有中央大液泡，细胞液与细胞外溶液能形成一定的浓度差，能产生渗透作用。叶肉细胞、根毛细胞属于成熟植物细胞，而干种子细胞、分生区细胞、形成层细胞等没有形成大的中叶液泡。
答案：C

【模拟试题】
1. 将人类的红细胞置于不同浓度蔗糖液中，浸泡半小时之后的结果如下图。依照血球外形的变化判断蔗糖液的浓度，由高到低排列，正确的是（ ）
A. 甲＞乙＞丙＞丁 B. 丁＞甲＞乙＞丙
C. 丙＞丁＞甲＞乙 D. 丙＞乙＞丁＞甲

2. 酵母菌培养基中，常含有一定浓度的葡萄糖，但当葡萄糖浓度过高时，反而抑制了微生物的生长，原因是（ ）
A. 失水影响其生活 B. 碳源太丰富
C. 改变了酵母菌的pH D. 葡萄糖不是酵母菌的原料
3. 取正常生活的两个成熟植物细胞甲和乙，分别放入蔗糖溶液和甘油溶液中，两种溶液的溶质质量分数均比细胞液的高。在显微镜下连续观察甲、乙两种细胞的变化是（ ）
A. 均发生质壁分离，不发生质壁分离复原
B. 均发生质壁分离，但随后甲细胞又发生质壁分离复原
C. 均发生质壁分离，但随后乙细胞又发生质壁分离复原
D. 均发生质壁分离，随后均发生质壁分离复原
4. 通过质壁分离实验不可以鉴定（ ）
A. 成熟植物细胞的死活
B. 蛋白质、淀粉、纤维素的亲水性依次递减
C. 植物细胞能否进行渗透吸水
D. 植物细胞细胞液的大致浓度
5. 将n块（n＞5）质量、体积相同并去皮的马铃薯块茎分别放在不同的质量浓度的蔗糖溶液中，15min后，测定马铃薯块茎的质量，并根据测定结果制成直角坐标图。在下图中，你认为能表示本实验结果的是（ ）

6. 将新鲜的苔藓植物叶片，放入其中加有少量红墨水的质量浓度为0.3g/mL的蔗糖溶液中，在显微镜下观察，你会看到苔藓细胞的状态如下图所示。此时，部位①和②的颜色分别是（ ）。
A. ①无色、②绿色 B. ①红色、②绿色
C. ①红色、②无色 D. ①红色、②红色

7. 将一植物细胞放入KN03溶液中，一段时间后发生了质壁分离，下列说法不正确的是（ ）
A. 此细胞是活细胞
B. 原生质层具有选择透过性
C. 发生质壁分离的细胞一段时间后可自动质壁分离复原
D. 原生质层两侧溶液存在浓度差，KN03溶液浓度低于细胞液浓度
8. 夏季高温时段，用较低温度的地下水灌溉，容易导致农作物萎蔫。其主要原因是（ ）
A. 叶片蒸腾剧烈，水分散失快
B. 植物体温度下降，气孔关闭
C. 根系对矿质元素吸收减少
D. 根系渗透吸水下降
9. 下列跨膜运输的生理活动，属于主动运输的是（ ）
A. 酒精进入胃黏膜细胞
B. 二氧化碳由静脉血进入肺泡内
C. 原尿中的葡萄糖进入肾小管上皮细胞
D. 水分子出入细胞
10. 若用呼吸酶抑制剂处理小肠绒毛上皮，则会明显影响其细胞吸收的物质是（ ）
A. 氧气、甘油 B. 脂肪酸、水
C. 葡萄糖、水 D. 钾离子、氨基酸
11. 一项研究发现，某植物根系对某营养物质的吸收，与该物质溶液浓度的关系如图所示。从图中曲线可以看出，在一定浓度范围内，该植物根系对该物质的吸收速率随浓度增加而增加，当达到P点后吸收速率不再增加。有人认为这种现象可表明该植物根系对该物质的吸收方式为主动吸收，也有人认为是被动吸收，请设计一个实验加以确定。

（1）设计实验步骤____________。
（2）预测实验结果并分析__________。
12. 若给你提供洋葱、蔗糖、蒸馏水和必要的工具，请你设计一个测定洋葱表皮细胞液浓度范围的使验方案。
（1）实验原理：_________________________
（2）实验的主要步骤：____________________
① 配制________________。
② 制作_____________。
③ 显微镜观察__________。
（3）实验结论：假若有下表中的观察现象（浓度单位：mol／L）：
浓度
……
0.11
0.12
0.125
0.13
0.14
……
质壁分离

未发生分离
刚发生分离
分离显著
分离显著

则此细胞液的浓度范围为_

【试题答案】
1. D 2. A 3. C 4. B 5. D 6. B 7. D
8. D 9. C 10. D
11.（1）① 取甲、乙2组生长发育相同的植株，放入适宜浓度的含有该营养物质的溶液中；② 甲组的根系给正常的呼吸条件，乙组的根系完全抑制呼吸，其他条件相同；③ 一段时间后测定两组植株的根系对该物质的吸收速率。
（2）① 若两组植株的根系对该物质的吸收率一样，说明该植物的根系对该物质不是主动吸收；② 若乙组吸收速率明显小于甲组吸收速率，或者完全不吸收，说明该植物根系对该物质是主动吸收。
解析：由于主动运输需要消耗能量，可以从抑制细胞呼吸的角度去考虑。至于实验的预期结果，需要考虑周全，如果只有三种可能结果，尽量不要遗漏，如果有许多种可能结果，根据题目要求尽量答主要的。
12. （1） 渗透作用，当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞失水，原生质层收缩，进而质壁分离；
（2）主要步骤设计：
配制具有一系列浓度梯度的蔗糖溶液；
分别用上述浓度制作洋葱表皮细胞装片；
用显微镜逐个观察装片，记录现象，然后得出结论。
（3）该洋葱表皮细胞液的浓度是介于质壁分离与刚发生质壁分离的两种相邻蔗糖溶液的浓度之间，即0.12~0.125mol/L之间。