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第四单元 细胞的物质输入和输出
第一步：单元学习目标整合
细胞膜具有选择透过性
有些物质顺浓度梯度进出细胞，不需要额外提供能量；有些物质逆浓度梯度进出细胞，需要能量和载体蛋白
大分子物质可以通过胞吞、胞吐进出细胞
第二步：单元思维导图回顾知识
第三步：单元重难知识易混易错
渗透作用的方向：低浓度溶液至高浓度溶液
例题：如图实验装置，玻璃槽中是蒸馏水，半透膜允许单糖透过，倒置的长颈漏斗中先装入蔗糖溶液，一段时间后再加入蔗糖酶（不考虑蔗糖酶对渗透压的影响），最可能的实验现象是( )
A.加酶前，达到渗透平衡时，漏斗内外渗透压相等
B.加酶前，漏斗中液面先上升后下降
C.加酶后，由于蔗糖水解，最终漏斗中的液面将升高
D.加酶后，达到渗透平衡时，漏斗内外渗透压相等
【答案】D
【解析】加酶前，达到渗透平衡时，漏斗内液面会高于烧杯中液面出现一个稳定的高度差，是由于高度差产生的柱压和浓度差产生的渗透压相等达动态平衡，漏斗内外渗透压并不相等，A错误； 加酶前，由于蔗糖溶液浓度大于蒸馏水，因而开始时漏斗液面上升，一段时间后由于压力差的存在，液面不再继续升高，B错误； 加入酶后，蔗糖水解为单糖，溶液浓度增大，导致继续吸水，液面继续上升，但由于单糖分子可通过半透膜进入蒸馏水中，使外界溶液浓度增大，半透膜两侧浓度差减小，从而使液面下降，达到渗透平衡时，漏斗内外渗透压相等，C错误，D正确。
植物细胞的吸水和失水
（1）获得具有中央液泡的成熟植物细胞
（2）原理
当外界溶液的浓度大于细胞液浓度时，细胞就通过渗透作用失水，植物细胞就发生质壁分离现象。
将已发生质壁分离的植物细胞放入清水中，此时细胞液的浓度高于外界清水，植物细胞吸水，发生质壁分离复原现象。
例题：2.兴趣小组的同学在时间1时先用四种溶液（a d）分别处理紫色洋葱鳞片叶外表皮，时间2时再用清水处理，观察并记录视野中某个细胞原生质体体积的变化，结果如图所示（原生质体:细胞壁以内各种结构的总称）。下列叙述中正确的是( )
A.若选用紫色洋葱鳞片叶内表皮进行上述实验，原生质体体积不会出现图示变化
B.表皮细胞先经a c处理再经清水处理后，原生质体体积相等与细胞壁有关
c.b中的细胞用清水处理前就已复原，一定与细胞主动吸收某些―物质有关
D.d的渗透压应该高于b和c，经d处理后细胞仍能选择性地吸收物质
【答案】B
【解析】紫色洋葱鳞片叶内表皮细胞是成熟植物细胞，进行实验会出现图示变化，A错误；表皮细胞先经a c处理再经清水处理后，原生质体体积相等与细胞壁有关，B正确；b中的细胞可以发生质壁分离的自动复原，因此b可能代表KNO3溶液、尿素溶液等，细胞可以主动运输的方式吸收KNO3，但是以自由扩散的方式吸收尿素，因此不一定与细胞主动吸收某些物质有关，C错误;d的渗透压高于b和c，细胞处于d中会因过度失水而死亡，因此经d处理后的细胞不能选择性地吸收物质，D错误。
只有活的，成熟的植物细胞才能发生质壁分离和复原：无液泡的细胞不发生质壁分离和复原，已发生质壁分离的细胞在死亡后无法复原。
例题：将洋葱鳞片叶外表皮细胞浸润在一定浓度的KNO3溶液中，表皮细胞发生了质壁分离，一段时间后，绝大多数表皮细胞的质壁分离会自动复原，极少数质壁分离的细胞无法复原。对此现象，下列说法错误的是( )
A.发生质壁分离的实质是细胞质和细胞壁的分离
B.质壁分离过程中，细胞膜可局部或全部脱离细胞壁
C.由于细胞失水的同时，K+、通过主动运输进入表皮细胞，故发生质壁分离后会自动复原
D.极少数质壁分离的细胞无法复原可能是因为这些细胞由于失水过快、过多使细胞死亡
【答案】A
【解析】植物细胞的质壁分离：当细胞液的浓度小于外界溶液的浓度时，细胞就会通过渗透作用而失水，细胞液中的水分就透过原生质层进入到溶液中，使细胞壁和原生质层都出现一定程度的收缩。由于原生质层比细胞壁的收缩性大，当细胞不断失水时，原生质层就会与细胞壁分离。发生质壁分离的实质是原生质层和细胞壁的分离，A错误：质壁分离过程中，细胞膜与细胞壁之间存在不同程度的分离，细胞膜可局部或全部脱离细胞壁，B正确； C、由于K+、可以通过主动运输进入表皮细胞，故发生质壁分离后会自动复原，C正确：极少数质壁分离的细胞无法复原的原因可能是这些细胞由于失水过快、过多使细胞死亡，D正确。
被动运输：由高浓度至低浓度，包括自由扩散和协助扩散
例题：水通道蛋白普遍存在于动、植物及微生物细胞中。它所介导的自由水快速被动地跨生物膜转运，是水进出细胞的主要途径。下列相关叙述正确的是( )
A.水分子只能依赖于水通道蛋白进出细胞
B.载体蛋白在协助物质进出细胞时，其结构一般会发生变化
C.水通道蛋白在细胞膜上的排布，有镶嵌在表面、贯穿、嵌入等几种形式
D.不同细胞膜上的水通道蛋白，其种类和数量均相同
【答案】B
【解析】水分子除了依赖水通道蛋白，还可以通过自由扩散的方式进出细胞，A错误;载体蛋白只容许与自身结合部位相适应的分子或离子通过，而且每次转运时都会发生自身构象的改变，所以载体蛋白在转运物质过程中，其结构一般会发生变化，B正确;水通道蛋白位于细胞膜上，往往贯穿于磷脂双分子层中，C错误;蛋白质是生命活动的承担者，不同细胞的功能不同，故细胞膜表面的水通道蛋白种类和数量不同，D错误。
主动运输：由低浓度至高浓度，包括主动运输。
例题：研究发现，人体细胞的细胞质基质中Ca2+浓度要比内质网中和内环境中Ca2+浓度都低很多。当内质网中Ca2+浓度过高时，Ca'2+诱导内质网膜上的某种蛋白质由二聚体聚合为四聚体，而这种四聚体中会出现Ca2+通道，Ca2+经Ca2+通道外流至细胞质基质，当内质网中Ca2+浓度恢复正常时，四聚体又会变为二聚体，Ca2+通道消失。下列叙述错误的是( )
A.内质网中Ca2+浓度维持相对稳定的调节方式中有负反馈调节
B.Ca2+运出细胞和Ca2+进入内质网均属于消耗能量的跨膜运输
C.内质网膜上Ca2+通道的数量受该膜两侧Ca2+浓度差的影响
D.某人出汗后常出现抽搐现象，可能是血Ca2+浓度过高所致
【答案】D
【解析】根据题干信息可知，当内质网中Ca2+浓度过高时，Ca2+诱导出现Ca2+通道，Ca2+外流至细胞质基质，使内质网中Ca2+浓度恢复正常，这种内质网中Ca2+浓度维持相对稳定的调节方式中有负反馈调节，A正确；Ca2+运出细胞和Ca2+进入内质网均为逆浓度梯度的跨膜运输，该跨膜运输应为主动运输，而主动运输消耗能量，B正确；当内质网中Ca2+浓度过高时，会引起内质网膜上Ca2+通道出现，当内质网中Ca2+浓度恢复正常时，Ca2+通道消失，可见内质网膜上Ca2+通道的数量受该膜两侧Ca2+浓度差的影响，C正确；某人出汗后常出现抽搐现象，可能是Ca2+随汗液排出，血Ca2+浓度过低所致，D错误。
影响物质跨膜运输的因素
（1）物质浓度（在一定浓度范围内）
图1表示的运输方式可以为自由扩散，该方式只收膜内外物质浓度差的影响，浓度差越大，自由扩散的速率越大。
图2表示的运输方式是协助扩散或主动运输，这两种方式都受膜内外物质的浓度差和载体数量的影响。图中P点之后，物质运输速率不再增加的限制因素是载体的数量。
（2）氧气浓度
图3表示的运输方式可以为自由扩散或协助扩散，这两种运输方式都不消耗能量，不受O2浓度的影响。
图4表示的运输方式可以为主动运输。图中O2浓度为0时，离子吸收速率不再为0，其原因是细胞通过无氧呼吸提供能量，P点之后运输速率不变的限制因素是载体的数量。
温度：温度主要通过影响酶的活性及膜的流动性进而影响物质的运输速率。
例题：下图是不同物质进出细胞的运输速率与影响因素关系图，有关分析正确的是( )
A.①、③、⑤只能表示自由扩散
B.②、④、⑥最大速率的限制因素相同
C.水的转运可以是⑤，也可以是⑥
D.葡萄糖的转运可以是②，也可以是⑥
【答案】D
【解析】①③表示被动运输，⑤可以表示不需要载体蛋白的运输方式，A错误；②的限制因素是转运蛋白的数量，④的限制因素是载体数量，⑥的限制因素是物质浓度或者能量，B错误；水需要通道蛋白而不是载体蛋白，不可以是⑥，C错误；葡萄糖的转运可以是协助扩散也可以是主动运输。D正确。
7. 胞吞和胞吐不是跨膜运输
跨膜运输包括主动运输和被动运输，是由物质直接穿过细胞膜完成的物质进出细胞的物质运输方式，其动力来自物质的浓度差或由ATP提供。胞吞和胞吐是借助于膜的融合完成的，与膜的流动性有关，它是大分子和颗粒性物质进出细胞的物质运输方式，靠ATP提供动力。
例题：外泌体是细胞通过胞吐方式释放的包含RNA和蛋白质的小囊泡，其主要来源于细胞内溶酶体内陷形成的多囊泡体，经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到细胞外。肿瘤来源的外泌体可导致大量新生血管的生成，促进肿瘤的生长与侵袭。下列叙述错误的是( )
A.外泌体释放到细胞外的过程需要消耗ATP
B.外泌体释放的同时将细胞中的遗传物质排到细胞外
C.多囊泡体外膜与细胞膜融合的过程体现了生物膜的流动性
D.设法抑制肿瘤细胞释放外泌体是开辟治疗癌症的新途径之一
【答案】B
【解析】外泌体释放到细胞外的过程属于胞吐，需要消耗ATP，A正确； 外泌体释放的同时将细胞中的RNA和蛋白质排到细胞外，没有遗传物质DNA，B错误； 多囊泡体外膜具有膜结构，与细胞膜融合的过程体现了生物膜的流动性，C正确； 肿瘤来源的外泌体可导致大量新生血管的生成，促进肿瘤的生长与侵袭。故设法抑制肿瘤细胞释放外泌体是开辟治疗癌症的新途径之，D正确。
故选：B。
第四步：单元核心素养对接高考
渗透作用的原理在生产生活中的实际应用比比皆是，如植物的灌溉、腌制食品的制作、微生物的防御等，因此学习本单元内容时，应紧密结合学生已有的生活经验。对本单元所提供的活动，教师可以进行改进，也可以在活动后进行拓展。例如，在“探究植物细胞的吸水和失水”基础上，可以进一步测定植物细胞液的浓度；在“观察变形虫吞噬食物的过程”基础上，可以进一步了解人体白细胞是如何吞噬人侵的细菌的。这有助于拓宽学生的眼界，加强学生对知识的理解和应用，提高学生解决问题的。
知识点1 物质进出细胞方式的比较：
运输物质 方式 方向 载体 能量 实例
离子、小分子 自由扩散 高浓度→低浓度 不需要 不消耗 O2、CO2、甘油、脂肪酸、脂溶性维生素、胆固醇等
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 葡萄糖、氨基酸、各种离子等
大颗粒 胞吞：如白细胞吞噬病菌，与溶酶体结合，将之分解
胞吐：分泌是外排的一种，如胰岛素的分泌
例题1：ABC转运蛋白是一类跨膜转运蛋白，参与细胞吸收多种营养物质，每一种ABC转运蛋白对物质运输具有特异性。ABC转运蛋白的结构及转运过程如图所示(其中ATP分解为ADP和Pi的过程可为细胞内的生命活动提供能量)，下列有关叙述正确的是( )
A.ABC转运蛋白在协助物质跨膜运输中无空间结构的改变
B.图示ABC转运蛋白可协助葡萄糖顺浓度梯度进入细胞
C.图中ABC转运蛋白可协助细胞需要的各种营养物质跨膜运输
D.若ATP水解受阻，ABC转运蛋白不能完成转运过程
【答案】D
【解析】据图可知，ABC转运蛋白的功能发挥伴随ATP水解的过程，故若ATP水解受阻，ABC转运蛋白不能完成转运过程，D正确。O2的跨膜运输方式为自由扩散，不需要载体蛋白协助，A错误。据图可知：ABC转运蛋白发挥作用过程伴随水解ATP，产生能量，葡萄糖顺浓度梯度进入细胞不需要耗能，B错误。
据题干信息可知“每一种ABC转运蛋白对物质运输具有特异性”，故Cl-和氨基酸跨膜运输依赖的转运蛋白不同，C错误。
例题2：【2022·山东】和是植物利用的主要无机氮源，的吸收由根细胞膜两侧的电位差驱动，的吸收由H+浓度梯度驱动，相关转运机制如图。铵肥施用过多时，细胞内的浓度增加和细胞外酸化等因素引起植物生长受到严重抑制的现象称为铵毒。下列说法正确的是( )
A.通过AMTs进入细胞消耗的能量直接来自ATP
B.通过SLAH3转运到细胞外的方式属于被动运输
C.铵毒发生后，增加细胞外的会加重铵毒
D.载体蛋白NRT1.1转运和H+的速度与二者在膜外的浓度呈正相关
【答案】B
【解析】本题考查被动运输和主动运输的区别。的吸收由根细胞膜两侧的电位差驱动，能量不是来自ATP，A项错误；的吸收由H+浓度梯度驱动，属于主动运输，进行的是逆浓度梯度运输，因此通过SLAH3转运到细胞外的方式是顺浓度梯度运输，属于被动运输，B项正确；铵毒发生后，增加细胞外的，可以促使H+向细胞内转运，减少细胞外的H+，从而减轻铵毒，C项错误；载体蛋白NRT1.1转运属于主动运输，主动运输的速率与浓度差无必然关系；运输H+属于协助扩散，协助扩散在一定范围内与浓度差呈正相关，超过一定范围后不成比例，D项错误。
知识点2 植物细胞质壁分离与复原的观察与应用
实验过程
应用
（1）判断成熟植物是否为活细胞：
待测成熟植物细胞＋一定浓度的蔗糖溶液发生质壁分离→是活细胞；
待测成熟植物细胞＋一定浓度的蔗糖溶液不发生质壁分离→是死细胞。
（2）测定细胞液浓度范围：
待测成熟植物细胞＋一系列浓度梯度的蔗糖溶液细胞液浓度介于未发生质壁分离和刚发质壁分离的蔗糖溶液浓度之间。
（3）比较不同成熟植物细胞的细胞液浓度：
不同成熟植物细胞＋同一浓度的蔗糖溶液发生质壁分离所需时间越短，细胞液浓度越小，反之细胞液浓度越大。
（4）比较不同溶液浓度大小：
相同植物细胞＋不同浓度蔗糖溶液质壁分离速率越快，分离程度越大，蔗糖溶液浓度越大；反之，蔗糖溶液浓度越小。
例题1：【2022·浙江】“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”实验中，用显微镜观察到的结果如图所示。
下列叙述正确的是( )
A.由实验结果推知，甲图细胞是有活性的
B.与甲图细胞相比，乙图细胞的细胞液浓度较低
C.丙图细胞的体积将持续增大，最终胀破
D.若选用根尖分生区细胞为材料，质壁分离现象更明显
【答案】A
【解析】本题考查植物细胞质壁分离和复原实验。题图甲中洋葱表皮细胞发生了质壁分离，只有活细胞才能发生质壁分离，A正确；题图乙中细胞发生质壁分离是细胞失水造成的，细胞失水后细胞液浓度升高，B错误；由于植物细胞壁的伸缩性有限，题图丙中细胞的体积不会持续增大，更不会胀破，C错误；根尖分生区细胞没有中央大液泡，不能作为植物细胞质壁分离和复原实验的材料，D错误。
例题2：【2022·湖南】原生质体(细胞除细胞壁以外的部分)表面积大小的变化可作为质壁分离实验的检测指标。用葡萄糖基本培养基和NaCl溶液交替处理某假单胞菌，其原生质体表面积的测定结果如图所示。下列叙述错误的是( )
A.甲组NaCl处理不能引起细胞发生质壁分离，表明细胞中NaCl浓度≥0.3mol/L
B.乙、丙组NaCl处理皆使细胞质壁分离，处理解除后细胞即可发生质壁分离复原
C.该菌的正常生长和吸水都可导致原生质体表面积增加
D.若将该菌先65 ℃水浴灭活后，再用NaCl溶液处理，原生质体表面积无变化
【答案】A
【解析】本题考查细胞吸水和失水的有关知识。甲组NaCl处理不能引起细胞发生质壁分离，说明假单胞菌细胞内液的渗透压大于外界NaCl溶液的渗透压，而细胞内液的渗透压不仅仅是由NaCl引起，A错误；乙、丙组中，用NaCl处理时原生质体表面积均低于初始值，说明细胞发生质壁分离，而处理解除后原生质体表面积均高于初始值，说明细胞发生质壁分离复原，B正确；由题意及题图可知，细胞在吸水和正常生长时原生质体表面积都会增加，C正确；细菌灭活后，细胞膜失去选择透过性，再用NaCl溶液处理，原生质体表面积将不发生变化，D正确。
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