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第4章 细胞的物质输入和输出
第1节 被动运输
(一)教学目标
1.阐明细胞膜的选择透过性。
2.阐明被动运输的原理和特点。
(二)教学重点和难点
1.教学重点
(1)被动运输的原理和特点。
(2)探究植物细胞的吸水和失水。
2.教学难点
(1)探究植物细胞的吸水和失水。
(2)转运蛋白的种类和作用。
渗透作用：水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜的扩散。
渗透作用条件：
半透膜
两侧存在浓度差
渗透作用中膜两侧溶液的浓度是质量浓度
方向：水分子从水的相对含量高的一侧 相对含量低的一侧。
半透膜是一种只允许离子和小分子扩散进出的薄膜，而生物大分子物质不能自由通过半透膜，原因是半透膜孔隙的大小比离子和小分子大，但比生物大分子例如蛋白质、淀粉等小，如羊皮纸、玻璃纸等都属于半透膜。
半透膜透过物质具有选择性，一般只允许透过溶剂、小分子溶质，不允许大分子溶质。
漏斗管内的液面为什么会升高？
烧杯中的水扩散到漏斗中的速度比漏斗中的水扩散到烧杯中的速度相对更快些，导致漏斗中水量增加，液面上升。
如果漏斗足够长，管内的液面会无限升高吗？为什么？
不会。漏斗管中的液面升高时，液体产生的静水压随之变大，当静水压增大到与渗透压相等时，单位时间内透过半透膜进出长颈漏斗的水分子数相等。因此，液面高度差不会一直升高。
溶质颗粒对水的吸引力F1（溶液渗透压）
液面差产生的压力△G（静水压）
半透膜
2. 如果用一层纱布代替玻璃纸，还会出现原来的现象吗？
不会，因为纱布不是半透膜，孔隙很大，可溶于水的物质都能够自由通过，包括水分子和蔗糖分子都能通过。
3.如果烧杯内不是清水，而是同样浓度的蔗糖溶液，结果会怎样？
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，由清水进入蔗糖溶液的水分子数等于由蔗糖溶液进入清水的水分子数。
4、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？
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。
5．如果渗透实验中，半透膜的面积增大一倍，其他条件不变，液面高度差ΔH会不会变化？达到ΔH的时间会不会变化？
高度差取决于内外溶液的浓度差，浓度差不变，高度差不会变化。但是由于半透膜面积增大，透过速率随之增大，所以达到ΔH的时间会变短。
方法技巧 渗透现象中液面变化的判断方法
半透膜两侧分别为浓度不同的A、B溶液，有以下三种情况：
(1)若A侧溶质(如葡萄糖等)可以通过半透膜，B侧溶质不能通过半透膜，则最终B侧液面升高。
(2)若A侧和B侧溶质是同种物质且均不能通过半透膜，则最终浓度高的一侧液面升高。
(3)若A、B两侧溶液的溶质均能通过半透膜，则最终两侧不存在高度差。
半透膜两侧为质量分数相同的葡萄糖溶液和蔗糖溶液，则葡萄糖溶液一侧单位体积中葡萄糖分子数多(水分子数少)，表现为水分子由蔗糖溶液一侧通过半透膜向葡萄糖溶液一侧扩散。
浓度差越大，液面差越大，且液面高的一侧溶液浓度高。
选择透过性膜 生物学上的概念　 具有生物活性，即使是小分子，只要不是细胞选择吸收的，也不能通过。选择透过性膜可以看成是功能完善的一类半透膜
生物膜 活的生物膜属于选择透过性膜。当细胞死亡后，细胞膜等生物膜变为全透性 概念范畴 特点
半透膜 物理学上的概念　 物质能否通过半透膜，取决于半透膜孔隙直径的大小
活的生物膜具有半透性、选择性，透析膜（一种半透膜）只有半透性，不具有选择性。
讨论：
1.红细胞内的血红蛋白等有机物能够透过细胞膜吗？这些有机物相当于“问题探讨”所示装置中的什么物质？
红细胞中的有机物有的能通过细胞膜，有的不能。
血红蛋白是有机大分子物质，不能透过细胞膜，它相当于“问题探讨”中的蔗糖分子。
2.红细胞的细胞膜是否相当于一层半透膜？
是。但细胞膜具有生命活性，物质通过细胞膜的方式不只是简单扩散。
3.当外界溶液浓度低时，红细胞一定会由于吸水而涨破吗？
不一定。因为红细胞吸水膨胀后细胞内液浓度也会下降，如果外界溶液浓度不是很低，有可能细胞内液浓度下降后与外界溶液的浓度达到平衡，此时，红细胞将不再吸水。
4.红细胞吸水或失水取决于什么条件？
取决于红细胞内外溶液的浓度差，一般情况下，浓度差越大时，细胞吸水或失水越多。
5.想一想临床上输液为什么要用（质量分数为0.9% 的Nacl ）生理盐水？
因为生理盐水的浓度与血浆的浓度基本一致，血细胞不会因为过度吸水或失水而出现形态和功能上的异常。
原生质体：去除细胞壁后剩下的细胞结构。
半透膜
1、渗透作用中的——玻璃纸
2、水进出动物细胞中的——
动物细胞的细胞膜
3、水进出植物细胞中的——
原生质层、液泡膜
[小提醒]　
(1)动物细胞没有细胞壁，吸水能涨破；
植物细胞由于有细胞壁，可维持细胞形态，吸水过多不会涨破。
(2)渗透作用必须有半透膜，扩散作用则不一定需要；
渗透作用仅指溶剂分子，扩散作用适用于各种物质；
将有些萎蔫的菜叶浸泡在清水中，此时外界盐溶液的浓度小于细胞内的浓度,导致细胞吸水,不久，菜叶就会变得硬挺。
白菜剁碎做馅时,常常要放些盐,此时外界盐溶液的浓度大于细胞内的浓度,导致细胞失水,因此有水分渗出。
一次施肥太多，当土壤溶液浓度大于根毛细胞液浓度时,根毛细胞不仅不能从土壤中吸水,反而会使细胞液中的水分渗到土壤里去,就会造成植物失水,这就是“烧苗”现象。
提出问题：
水分进出植物细胞是通过渗透作用吗？
原生质层是否相当于一层半透膜？
作出假设:
细胞膜和液泡膜是生物膜，具有选择透过性，那么原生质层也具有选择透过性，相当于半透膜。
当细胞液溶质浓度＞外界溶液溶质浓度时，会使值物细胞吸水。
当细胞液溶质浓度＜外界溶液溶质浓度时，会使植物细胞失水。
质壁分离：原生质层与细胞壁分离
方法步骤
1.选取新鲜洋葱鳞片叶，用刀片在外表皮上划一方框，用镊子撕下表皮。在洁净的载玻片上滴一滴清水，将撕下的表皮放在水滴中展平，盖上盖玻片，制成临时装片。
2.用低倍显微镜观察洋葱鳞片叶外表皮细胞中紫色的中央液泡的大小，以及原生质层的位置。
3.从盖玻片的一侧滴入蔗糖溶液，在盖玻片的另一侧用吸水纸引流。这样重复几次，洋葱鳞片叶外表皮就浸润在蔗糖溶液中。
4.用低倍显微镜观察，看细胞的中央液泡是否逐渐变小，原生质层在什么位置，细胞大小是否变化。
5.在盖玻片的一侧滴入清水，在盖玻片的另一侧用吸水纸引流。这样重复几次，洋葱鳞片叶外表皮细胞又浸润在清水中。
6.用低倍显微镜观察，看中央液泡是否逐渐变大，原生质层的位置有没有变化，细胞的大小有没有变化。
质壁分离现象观察效果明显
有紫色色素，观察效果明显
观察 次数 观察现象 中央液泡 原生质层位置 细胞大小
第一次
第二次
第三次
有一个紫色中央液泡
逐渐变小(紫色变深)
逐渐变大(紫色变浅)
紧贴细胞壁
与细胞壁逐渐分离
逐渐贴近细胞壁
不变
基本不变
基本不变
植物细胞的原生质层相当于一层半透膜，植物细胞也是通过渗透作用吸水和失水的。
当细胞液的浓度小于外界溶液的浓度时，细胞液中的水就透过原生质层进入外界溶液中，使细胞壁和原生质层都出现一定程度的收缩。当细胞不断失水时，由于原生质层比细胞壁的伸缩性大，原生质层与细胞壁逐渐分离开来，也就是逐渐发生了质壁分离
当细胞液的浓度大于外界溶液的浓度时，外界溶液中的水就透过原生质层进入细胞液中，整个原生质层就会慢慢地恢复成原来的状态，使植物细胞逐渐发生质壁分离的复原
植物失水
植物吸水
微思考
如果在显微镜下一个视野中发现有一个细胞未发生质壁分离而其他细胞都发生了质壁分离，可能的原因是什么？
提示：细胞死亡，不能发生渗透作用。
0.3g/mL蔗糖溶液
0.5g/mL蔗糖溶液
像水分子这样，物质以扩散方式进出细胞，不需要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。
被动运输又分为自由扩散和协助扩散两类。
1
自由扩散
物质通过简单的扩散作用进出细胞的方式叫做自由扩散，也叫简单扩散。
相对含量低
相对含量高
实例：
O2、CO2、水分子、脂质、
甘油、乙醇、苯、胆固醇
特点：
影响因素：
膜内外浓度差
顺浓度梯度
不需要转运蛋白
不消耗能量
甘油、乙醇等分子为什么能以自由扩散的方式进出细胞？
因为甘油、乙醇等都是脂溶性物质，与磷脂分子有较强的亲和力，容易通过磷脂双分子层出入细胞。
借助细胞膜上的转运蛋白进出细胞的物质扩散方式，叫做协助扩散，也叫易化扩散。
实例：
葡萄糖进入红细胞
特点：
影响因素：
膜内外浓度差、膜上转运蛋白的数量
需要转运蛋白
顺浓度梯度
不消耗能量
2
协助扩散
水分子进行细胞的方式为自由扩散和协助扩散（主要）
肾小管细胞吸收水
水分子通过通道蛋白进出细胞
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。
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。
①载体蛋白（需要与物质结合）
②通道蛋白(不需要与物质结合)
转运蛋白
1.载体蛋白的特性
(1)专一性：一种载体蛋白在对细胞内外物质进行运输时,只能对应地运送唯一的一种或性质非常相近的一类物质。
(2)饱和性：细胞膜上的载体蛋白数量有限，当所有载体蛋白都已承担相应的运输任务时，运输的速度不再因其他条件而加快。
2.通道蛋白的特性
(1)具有极高的转运速率。
(2)没有饱和值。
(3)并非连续性开放。
由于自由扩散与协助扩散都是顺浓度梯度进行跨膜运输的，不需要消耗细胞内化学反应产生的能量，因此膜内外物质浓度梯度的大小会直接影响物质运输的速率。
协助扩散需要转运蛋白，因而某些物质运输的速率还与转运蛋白的数量有关。
自由扩散
转运速率主要取决于细胞内外物质的浓度差
协助扩散
ab段的限制因素是
细胞内外物质的浓度差
bc段转运速率不再增加，说明限制因素不再是浓度差，而是转运蛋白的数量
自由扩散
协助扩散
一、概念检测
物质跨膜运输的方式与物质的特点和细胞膜的结构有关。判断下列有关物质跨膜运输的表述是否正确。
（1）细胞膜和液泡膜都相当于半透膜。（ ）
（2）水分子进入细胞，是通过自由扩散方式进行的。 （ ）
（3）载体蛋白和通道蛋白在转运分子和离子时，其作用机制是一样的。 （ ）
×
√
×
2. 基于对植物细胞质壁分离原理的理解判断，下列各项无法通过质壁分离实验证明的是（ ）
A.成熟植物细胞的死活
B.原生质层比细胞壁的伸缩性大
C.成熟的植物细胞能进行渗透吸水
D.水分子可以通过通道蛋白进入细胞
D
3.假如将甲乙两个植物细胞分别放入蔗糖溶液和甘油溶液中，两种溶液的浓度均比细胞液的浓度高，在显微镜下连续观察，可以预测甲乙两细胞的变化是（ ）
A.甲乙两细胞发生质壁分离后，不发生质壁分离复原
B.甲乙两细胞都发生质壁分离，但乙细胞很快发生质壁分离复原
C.只有乙细胞发生质壁分离，但不会发生质壁分离复原
D.甲乙两细胞发生质壁分离，随后都很快发生质壁分离复原
B
二、拓展应用
1.细胞液中物质的浓度对于维持细胞的生命活动非常重要。现提供紫色洋葱鳞片叶表皮细胞，请设计实验，测定该细胞的细胞液浓度相当于多少质量分数的蔗糖溶液。写出你的实验思路，并分析其中的基本原理。
可以配制出一系列浓度梯度的蔗糖溶液,将紫色洋葱鳞片叶表皮细胞置于配好的各种浓度的蔗糖溶液中，适当时间后用显微镜观察细胞质壁分离情况。记录刚好发生质壁分离的细胞所用的蔗糖溶液浓度，以及刚好尚未发生质壁分离的细胞所用的蔗糖溶液浓度，据此推算出细胞液溶质浓度应介于这两个浓度之间。
2.温度变化会影响水分通过半透膜的扩散速率吗？请你提出假设，并设计检验该假设的实验方案。
假设：温度变化会影响水分通过半透膜的扩散速率。
将该渗透装置置于不同温度的环境中，通过比较不同温度下漏斗管液面上升速度的快慢，判定温度是否影响水分子的扩散速度，实验中要注意排除各种无关变量的干扰，如置于不同温度中的漏斗内的蔗糖溶液的量和浓度必须相等，以确保实验的准确性。

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