第4章 细胞的物质输入和输出 第1节 被动运输-2024-2025学年高一生物必修一（人教版）教学课件

第1节被动运输第4章细胞的物质输入和输出1.探究植物细胞的吸水和失水。2.阐明被动运输的原理和特点。3.阐明细胞膜的选择透过性。「学习目标」预习案·自主学习一、水进出细胞的原理1.渗透作用(1)概念。水分子(或其他溶剂分子)通过

的扩散。

(2)渗透作用发生的条件。①具有

。②半透膜两侧存在

。半透膜半透膜浓度差2.水进出动物细胞(2)条件及现象。①外界溶液的浓度<细胞质的浓度,细胞

。②外界溶液的浓度>细胞质的浓度,细胞

。③外界溶液的浓度=细胞质的浓度,细胞形态

。细胞膜细胞质吸水膨胀失水皱缩不变3.水进出植物细胞(1)成熟植物细胞的结构。全透性小选择透过性半透膜大液泡膜细胞液(2)原理和现象。①外界溶液浓度

细胞液浓度时,发生

现象。②外界溶液浓度

细胞液浓度时,失水的细胞发生

现象。二、实验:探究植物细胞的吸水和失水1.实验材料紫色洋葱鳞片叶外表皮。大于质壁分离小于质壁分离的复原2.实验方法(1)探究性实验的一般过程:根据观察到的现象,提出问题→作出

→设计

→进行实验→分析

,得出结论→表达和交流→进一步探究。(2)假设:

相当于一层半透膜。(3)原理:①当外界溶液浓度大于细胞液浓度时,细胞会

水。反之,细胞会

水。②原生质层比细胞壁的伸缩性大。假设实验结果原生质层失吸3.实验步骤及现象紫色蔗糖溶液逐渐变小加深逐渐分离逐渐变大变浅4.实验结论成熟的植物细胞的

相当于一层半透膜,细胞液具有一定的浓度,植物细胞能够通过

作用失水和吸水。三、被动运输1.被动运输概念物质以

方式进出细胞,

消耗细胞内化学反应所释放的能量,这种物质跨膜运输方式称为被动运输,包括自由扩散和协助扩散。原生质层渗透扩散不需要2.自由扩散和协助扩散(1)被动运输的类型。物质进出细胞的方式自由扩散(也叫简单扩散)协助扩散(也叫易化扩散)概念物质通过简单的

进出细胞的方式借助膜上的

进出细胞的物质扩散方式条件不需要

,不消耗

需要

,不消耗能量运输方向

一侧→

一侧举例O2、CO2、甘油、乙醇、苯等进出细胞离子、葡萄糖、氨基酸等的顺浓度梯度跨膜运输扩散作用转运蛋白转运蛋白能量转运蛋白高浓度低浓度(2)转运蛋白。①概念:镶嵌在膜上的一些特殊的蛋白质,能够协助物质

梯度跨膜运输,这些蛋白质称为转运蛋白。②分类。顺浓度分类载体蛋白通道蛋白特点只容许与自身结合部位相适应的分子或离子通过;载体蛋白转运物质时自身构象

发生改变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;分子或离子通过通道蛋白时,

与通道蛋白结合举例协助葡萄糖进入红细胞的载体蛋白等水通道蛋白、钾离子通道蛋白、钙离子通道蛋白、钠离子通道蛋白等会不需要[正误判断](1)当外界溶液的浓度比细胞液的浓度低时,洋葱鳞片叶的表皮细胞会吸水涨破。(

)提示:由于植物细胞壁的保护,洋葱表皮细胞不会吸水涨破。(2)在一定范围内随着紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞失水的进行,紫色越来越深。(

)(3)植物细胞和动物细胞的吸水和失水与外界溶液浓度有关。(

)(4)物质被动运输进出细胞时与细胞膜的流动性无关。(

)提示:物质被动运输进出细胞时与细胞膜的流动性有关。×√√×(5)水分子多以自由扩散的方式进出细胞。(

)提示:水分子多以协助扩散的方式进出细胞。(6)通道蛋白转运分子或离子时要与分子或离子结合,发生构象变化。(

)提示:载体蛋白转运分子或离子时要与分子或离子结合,发生自身构象变化,而通道蛋白在转运分子或离子时,不需要与转运的分子或离子结合。××探究案·互动探究探究一水进出细胞的原理「问题情境」用半透膜封住长颈漏斗的口部,在长颈漏斗内注入一定浓度的蔗糖溶液,然后把漏斗放到清水中,使内外液面相平,一段时间后会出现液面上升的现象,这就是渗透现象。结合如图分析渗透现象发生的条件和原理。(1)漏斗管内的液面为什么会升高?提示:单位体积的清水中水分子数大于蔗糖溶液中的水分子数。单位时间内由清水进入蔗糖溶液的水分子多于由蔗糖溶液进入清水的水分子。(2)如果漏斗管足够长,管内的液面会无限升高吗?为什么?提示:不会。由于烧杯中与漏斗中的液体具有浓度差,故存在渗透压,所以水分子有进入漏斗的趋势;但是液面差Δh会产生相应的压强,当Δh产生的压强与渗透压平衡时,半透膜两侧水分子的交换速率相同,液面将不再升高。(3)如果用纱布代替玻璃纸(半透膜),漏斗管内液面还会升高吗?为什么?提示:不会,因为纱布是全透性的,水分子和蔗糖溶液都能通过。(4)如果烧杯内不是清水,而是同浓度的蔗糖溶液,漏斗液面还会升高吗?为什么?提示:液面不会升高,因为半透膜两侧溶液的浓度相等,单位时间内进出半透膜的水分子数相等。(5)渗透装置中,当漏斗内溶液不再上升时,半透膜两侧的溶液浓度相同吗?为什么?提示:不同。渗透作用停止时,漏斗内液面不再上升,水分子通过半透膜的双向扩散速率相等,但漏斗内溶液浓度仍高于烧杯中溶液浓度;这是漏斗内液面升高产生的作用力加大,阻止烧杯中水分子向漏斗扩散的缘故。归纳总结关于水进出细胞的三点易错(1)无论细胞吸水还是失水,水分子通过半透膜的扩散都是双向进行的。(2)渗透平衡只意味着半透膜两侧的水分子移动达到平衡状态,既不可看作没有水分子移动,也不可看作膜两侧溶液浓度绝对相等。(3)并不是所有的植物细胞都通过渗透作用吸水和失水,未形成成熟大液泡的细胞靠吸胀吸水。1.如图是渗透平衡时的装置,半透膜只能让溶剂分子透过。烧杯的液面高度为a,漏斗管中的液面高度为b,液面差m=b-a,在此基础上继续实验,以再次达到平衡时液面差为观测指标。下列说法正确的是(

)A.若向烧杯中加入适量清水,平衡时m将变大B.若向漏斗管中加入蔗糖酶将蔗糖水解为单糖,平衡时b升高,m变大C.若向烧杯中加入适量蔗糖,平衡时m将变大D.若向漏斗管中加入适量清水,平衡时m将变大「即时应用」√解析:向烧杯中加入适量清水后,a会增大,由于漏斗中溶质的量没变,渗透压也没改变,则吸收的水量也将保持不变,b也在a增大的基础上增大,但b的增加值小于a,平衡时m将减小;若向漏斗管中加入蔗糖酶,则一分子蔗糖在蔗糖酶的作用下可水解成两分子单糖,漏斗管内溶液中的溶质分子增多,吸水能力增强,平衡时b升高,m变大;若向烧杯中加入适量蔗糖,烧杯中溶液的浓度增大,与漏斗管内蔗糖溶液之间的浓度差减小,平衡时m将变小;若向漏斗管中加入适量清水,漏斗管内蔗糖溶液的浓度会减小,与烧杯中溶液之间的浓度差也减小,平衡时m将变小。2.某同学设计实验如图所示,实验开始时,U形管两侧液面相等,图中半透膜允许单糖通过。据图分析,以下说法错误的是(

)A.若U形管中加入两种浓度不等的蔗糖溶液,当液面停止上升时,半透膜两侧溶液浓度一定是相等的B.若U形管中加入两种浓度不等的蔗糖溶液,则实验现象为高浓度的一侧液面上升C.若U形管中加入两种浓度不等的葡萄糖溶液,则实验现象为高浓度一侧液面先升高,随后另一侧液面升高,随后两侧液面会持平D.若U形管中加入两种浓度不等的蔗糖溶液,当液面停止上升时,半透膜两侧水分子移动达到动态平衡状态√解析:U形管中加入两种浓度不等的蔗糖溶液,当液面停止上升时,只是水分子的进出处于动态平衡状态,半透膜两侧溶液浓度不一定是相等的;U形管中加入两种浓度不等的蔗糖溶液,水分子从低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度溶液的量比从高浓度溶液进入低浓度溶液的多,则实验现象为高浓度的一侧液面上升;U形管中加入两种浓度不等的葡萄糖溶液,水分子从低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度溶液中,则实验现象为高浓度一侧液面先升高,由于葡萄糖从高浓度的溶液通过半透膜可进入低浓度溶液中,则低浓度一侧液面会升高,随后两侧液面会持平;U形管中加入两种浓度不等的蔗糖溶液,当液面停止上升时,半透膜两侧水分子移动达到动态平衡状态。探究二探究植物细胞的吸水和失水「问题情境」如图是将紫色洋葱鳞片叶的外表皮细胞先放到质量浓度为0.3g/mL的蔗糖溶液中(甲),再放到清水中(乙)的实验过程的图解,请分析回答下列问题。(1)该细胞的原生质层包括图中的哪些部分(请用图中数字回答)?提示:包括②③④。(2)甲过程中,⑤的颜色如何变化?其吸水能力又如何变化?提示:颜色逐渐变深;吸水能力逐渐增强。(3)甲过程中,进入①和④的物质分别是什么液体?提示:由于细胞壁是全透性的,故进入①的是蔗糖溶液,而进入④细胞质的只有水。(4)甲过程和乙过程分别是什么过程?提示:甲过程是质壁分离过程;乙过程是质壁分离复原过程。(5)放入蔗糖溶液中细胞变化的原因是什么?提示:外界溶液的浓度大于细胞液的浓度,且原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性。(6)实验中共涉及三次显微镜观察,其中第一次观察的目的是什么?提示:观察正常洋葱鳞片叶外表皮细胞的状态,以便与处理后的细胞状态形成对照。归纳总结1.质壁分离及复原现象发生的条件(1)从细胞角度分析。①死细胞、动物细胞及未成熟的植物细胞(如根尖分生区细胞)不发生质壁分离及复原现象。②具有中央大液泡的成熟植物细胞可发生质壁分离及复原现象。(2)从溶液角度分析。①在一定浓度的溶液(溶质不能透过膜)中只发生质壁分离现象,不能发生自动复原现象(只有用清水或低渗溶液处理,方可复原)。②在一定浓度的溶液(溶质可透过膜)中发生质壁分离后可自动复原,如甘油、尿素、乙二醇、KNO3溶液等。③在高浓度溶液中质壁分离现象明显,但溶液浓度过高时不能发生质壁分离复原,因为溶液浓度过高,细胞会因过度失水而死亡。④盐酸、酒精、醋酸等溶液能杀死细胞,不适于作质壁分离实验的溶液。2.植物细胞质壁分离及其复原实验原理的应用(1)判断成熟植物细胞的死活。(2)测定细胞液浓度范围。(3)比较不同成熟植物细胞的细胞液浓度。3.保卫细胞吸水膨胀使植物气孔张开。适宜条件下,制作紫鸭跖草叶片下表皮临时装片,观察蔗糖溶液对气孔开闭的影响,如图为操作及观察结果示意图。下列叙述错误的是(

)A.比较保卫细胞细胞液浓度,③处理后>①处理后B.质壁分离现象最可能出现在滴加②后的观察视野中C.滴加③后有较多水分子进入保卫细胞D.推测3种蔗糖溶液浓度高低为②>①>③「即时应用」√解析:①处理后细胞吸水量少于③处理后细胞吸水量,说明保卫细胞细胞液浓度①处理后>③处理后;②处理后细胞失水,故质壁分离现象最可能出现在滴加蔗糖溶液②后的观察视野中;滴加蔗糖溶液③后细胞大量吸水,故滴加蔗糖溶液③后有较多水分子进入保卫细胞;推测3种蔗糖溶液浓度高低为②>①>③。4.某学习小组在做植物细胞质壁分离与复原的实验时,发现洋葱鳞片叶外表皮不容易撕取,改用洋葱鳞片叶内表皮进行实验。实验试剂有0.3g·mL-1的蔗糖溶液及伊红染液。已知伊红是不能被植物细胞吸收的红色染料。下列有关叙述不正确的是(

)A.该实验至少需要用显微镜观察3次B.质壁分离与复原实验的“质”包括上图中的②③④⑤C.在蔗糖溶液中加入伊红染液,步骤d中可观察到液泡呈无色D.若步骤f未能观察到质壁分离复原现象,可能是细胞失水时间过长而死亡√解析:观察细胞的质壁分离和复原的实验至少需要用显微镜观察3次,第一次观察正常的细胞,以便与后面的两次观察形成对照,第二次观察发生质壁分离的细胞,第三次观察发生质壁分离复原的细胞;质壁分离与复原实验的“质”指原生质层,包括②细胞膜、④液泡膜和⑤细胞质;在蔗糖溶液中加入伊红染液,由于伊红是不能被植物细胞吸收的红色染料,所以步骤d细胞发生质壁分离时,外界溶液呈红色,而液泡中的细胞液呈无色;若步骤f未能观察到质壁分离复原现象,可能是细胞失水时间过长导致细胞失去活性而死亡。长句应答将洋葱表皮细胞放入KNO3中发生质壁分离后能自动复原,其原因是

。随着时间的延长,K+、

被细胞吸收,提高了细胞液的浓度,细胞吸水探究三自由扩散和协助扩散「问题情境」下图表示几种不同的物质通过细胞膜的几种方式。(1)说出图中①②③分别是哪种运输方式,判断的依据是什么?提示:①表示自由扩散,②③表示协助扩散。①不需要转运蛋白的协助,②③需要转运蛋白的参与。(2)氧气和二氧化碳等气体分子以什么方式进出细胞?并分析其原因。提示:以自由扩散的方式,因为氧气和二氧化碳等气体分子的相对分子质量较小,很容易穿过细胞膜的磷脂双分子层。(3)影响通道蛋白转运速率的因素有哪些?提示:通道蛋白转运速率与膜两侧的浓度差和通道蛋白的数量等有关。(4)分析载体蛋白和通道蛋白分别是如何转运分子或离子的,这两种转运蛋白在转运分子或离子时是否都有特异性。提示:载体蛋白与特定(与自身结合部位相适应)的分子或离子结合,通过自身构象的改变完成转运;通道蛋白只容许特定(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,不需要与分子或离子结合。这两种转运蛋白均具有特异性。归纳总结1.自由扩散和协助扩散的比较项目自由扩散协助扩散运输方向高浓度→低浓度高浓度→低浓度是否需要转运蛋白不需要需要是否消耗能量不消耗不消耗举例①水分子(小部分);②小分子物质,如氧、二氧化碳;③脂溶性小分子有机物,如甘油、乙醇、苯①水分子(大部分)通过通道蛋白进出细胞;②葡萄糖进入红细胞2.被动运输的影响因素(1)自由扩散的影响因素:物质运输速率主要取决于膜内外物质浓度梯度的大小,也与物质分子大小和脂溶性有关。(如图A)(2)协助扩散的影响因素:除了膜内外物质浓度梯度的大小外,还与膜上转运蛋白的数量有关。当转运蛋白达到饱和时物质浓度再增加,物质运输速率也不再增加。(如图B)(3)被动运输不消耗能量,所以物质运输速率和细胞能量供应无关。(如图C)5.1988年,科学家成功将水通道蛋白分离出来,证明水分子可以通过协助扩散方式进出细胞。下列相关叙述正确的是(

)A.水通道蛋白转运水分子时需要消耗ATPB.水通道蛋白每次转运水分子时都会发生自身构象的改变C.水通道蛋白转运水分子时,水通道蛋白需要与水分子结合D.水分子通过协助扩散进出细胞的速率与水通道蛋白数量有关「即时应用」√解析:水通道蛋白转运水分子为协助扩散,不需要消耗ATP;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,分子或离子通过通道蛋白时,不需要与通道蛋白结合,故水通道蛋白转运水分子时,不与水分子结合,也不会发生自身构象的改变;协助扩散的速率取决于浓度差和转运蛋白的数量,故水分子通过协助扩散进出细胞的速率与水通道蛋白数量有关。长句应答与自由扩散相比,协助扩散的特点是

。需要转运蛋白的协助6.图中甲、乙分别表示载体介导和通道介导的两种跨膜运输方式,其中通道介导的扩散速度比载体介导的约快1000倍。下列叙述正确的是(

)A.甲、乙两种方式均属于被动运输B.载体蛋白具有专一性,通道蛋白则没有C.载体蛋白和通道蛋白在细胞膜上是静止不动的D.载体蛋白在转运物质时自身构象不会发生改变√解析:甲、乙两种方式都是将溶质分子从高浓度一侧运输到低浓度一侧,需要转运蛋白的协助,均属于被动运输中的协助扩散;载体蛋白和通道蛋白均具有一定的专一性,只能运输相应的物质;载体蛋白和通道蛋白在细胞膜上不是静止不动的;载体蛋白在转运离子或分子时,会与离子或分子结合,自身构象会发生改变。课堂小结思维导图金句必备1.原生质层包括细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质。2.植物细胞发生质壁分离的原因:(1)外界溶液浓度大于细胞液浓度;(2)原生质层的伸缩性大于细胞壁。3.只有活的成熟植物细胞才可以发生质壁分离,动物细胞和根尖分生区细胞不发生质壁分离。4.成熟植物细胞在一定浓度的KNO3、尿素等溶液中,会发生先质壁分离后质壁分离自动复原的现象。5.自由扩散既不需要转运蛋白,也不需要消耗能量,气体及脂溶性物质等以自由扩散的方式运输。6.协助扩散需要转运蛋白,但不需要消耗能量,如红细胞吸收葡萄糖。随堂检测1.将紫色洋葱鳞片叶内表皮细胞置于适宜浓度的胭脂红溶液(胭脂红是一种水溶性的大分子色素,呈红色)中观察质壁分离现象,然后再进行质壁分离复原实验。下列叙述错误的是(

)A.本实验的对照类型属于自身对照B.本实验需在显微镜下进行多次观察C.质壁分离复原过程中细胞中的红色区域变小D.细胞在胭脂红溶液中发生质壁分离后,不需滴加清水即可自动复原√12341234解析:该实验的对照类型是自身前后对照,处理前属于对照组,处理后属于实验组;第一次是刚制好装片时用显微镜观察紫色洋葱鳞片叶内表皮细胞的正常形态,第二次是滴加胭脂红溶液后观察一次它的质壁分离形态,第三次就是滴加清水后观察它的质壁分离复原形态,至少要观察3次,故本实验需在显微镜下进行多次观察;由于细胞液无色,胭脂红不能透过细胞膜,因此质壁分离复原过程中,细胞液的体积变大,细胞中的红色区域变小;胭脂红是大分子,不能被吸收到细胞内,细胞在胭脂红溶液中发生质壁分离后,需滴加清水才能使细胞发生质壁分离复原。2.耐盐碱水稻是指能在盐浓度0.3%以上的盐碱地生长的水稻品种。现有普通水稻和耐盐碱水稻若干,由于标签损坏无法辨认类型。某兴趣小组使用0.3g·mL-1的KNO3溶液分别处理两组水稻细胞,结果如图。下列叙述正确的是(

)A.a→b段,Ⅰ组水稻细胞的吸水能力逐渐减弱B.b→c段是由于添加清水C.Ⅱ组水稻的曲线不能无限上升仅受限于细胞壁的伸缩性D.Ⅱ组水稻原生质体的体积增加,说明Ⅱ组水稻为耐盐碱水稻√2341解析:a→b段Ⅰ组水稻细胞发生质壁分离,细胞失水导致细胞液浓度逐渐升高,细胞的吸水能力逐渐增大;b→c段由于外界离子进入,使细胞液浓度增加,细胞吸水发生质壁分离复原,在这个过程中没有添加清水;Ⅱ组水稻的曲线不能无限上升除受限于细胞壁的伸缩性外,还受到细胞内外浓度差的影响;Ⅰ组水稻细胞先发生质壁分离再复原,Ⅱ组水稻原生质体的体积增加,说明Ⅱ组水稻细胞液浓度比较大,能从外界溶液中吸水,因此Ⅰ组是普通水稻,Ⅱ组是耐盐碱水稻。23413.通道蛋白可分为两大类:水通道蛋白和离子通道蛋白。如图为肾小管上皮细胞重吸收水分子和K+通道蛋白的立体结构示意图。下列有关通道蛋白的叙述错误的是(

)A.通道蛋白参与的物质运输方式为协助扩散,不消耗能量B.不同细胞都是通过调节细胞膜上通道蛋白的开关来调节相关物质的运输C.通道蛋白具有特异性,待转运的物质不需要与相应的通道蛋白结合D.肾小管上皮细胞重吸收水分子的运输速率远大于水分子自由扩散的速率√34123412解析:通道蛋白参与的物质运输方式为协助扩散,不消耗能量;水分子和K+的运输需要借助通道蛋白来实现,机体可通过调节细胞膜上通道蛋白的数量或开关来调节物质的运输;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,故分子或离子通过通道蛋白时,不需要与通道蛋白结合;肾小管上皮细胞重吸收水分子为协助扩散,其运输速率远大于水分子自由扩散的速率。4.根据探究植物细胞的吸水和失水实验,回答下列问题。Ⅰ.实验器材:紫色的洋葱鳞片叶外表皮细胞等。(1)Ⅱ.实验原理:A.成熟的植物细胞的原生质层相当于一层

。

B.

具有一定