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第1节 被动运输
第四章 细胞的物质的输入和输出
课标要求 核心素养
举例说明有些物质顺浓度梯度进出细胞，不需要额外提供能量。 1.生命观念：感悟正常的物质进出对细胞代谢的重要意义，认同生物体的结构和功能相适应的特点。
2．科学探究：通过对“探究植物细胞的吸水和失水”实验的设计和操作，进一步掌握探究类实验的设计思路，提升实验操作能力。
高浓度的蔗糖溶液
清水
渗透作用
扩散作用
渗透作用
分子从高浓度一侧向低浓度一侧运动的现象。
半透膜
一段
时间
一段
时间
1.什么是扩散作用？
2.如果在烧杯中间添加一块半透膜后会出现什么现象？
3.什么是渗透作用呢？
渗透作用
染料分子
水分子
长颈漏斗
蔗糖溶液
清水
半透膜
开始液面
半透膜
课本P62
“选择透过膜”
【问题探讨】
Na+
葡萄糖
Na+
葡萄糖
水
水
蔗糖
蛋白质
半透膜
半透膜是一类可以让分子（水/离子/葡萄糖）物质通过，而较大分子（蔗糖）物质不能通过的一类多孔性膜。如：玻璃纸。
课本P62
【问题探讨】
课本P62
【问题探讨】
思考下列问题：
1.漏斗管内的液面为什么会升高？如果漏斗管足够长，管内的液面会无限升高吗？为什么？
2.如果用一层纱布代替玻璃纸，漏斗管内的液面还会升高吗？
3.如果烧杯中不是清水，而是同样浓度的蔗糖溶液，结果会怎样？
1.漏斗管内的液面为什么会升高？
多
少
由于蔗糖溶液中水的相对含量（单位体积中的水分子数）比烧杯中的水的含量低，因此，烧杯中的水扩散到漏斗中的速度相对更快，导致漏斗中水量增加，液面上升。
如果漏斗管足够长，管内的液面会无限升高吗？为什么？
不会，当管内的液面上升到一定高度之后，管中的水柱产生的压力将加快漏斗中水分向外扩散的速度，最终达到平衡，液面将不再上升。
课本P62
【问题探讨】
2.如果用一层纱布代替玻璃纸，漏斗管内的液面还会升高吗？
3.如果烧杯中不是清水，而是同样浓度的蔗糖溶液，结果会怎样？
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。
单位时间透过玻璃纸进出水分子量相同，故漏斗管液面不变
条件一 ：半透膜
条件二：浓度差
课本P62
【问题探讨】
1.渗透作用概念:
2.渗透作用发生条件:
①具有半透膜
②半透膜两侧溶液存在浓度差
3.渗透作用结果：
溶液浓度低
渗透压低
溶液浓度高
渗透压高
含水量高
含水量低
4.渗透作用中水分子流动的方向
半透膜
水（溶剂）
蔗糖（溶质）
水分子或其他溶剂分子透过半透膜的扩散
水分子可以通过半透膜进行双向扩散，直到水分子进出速率达到动态平衡。
从溶质的角度分析：
低浓度溶液→高浓度溶液
从水分子自身的角度分析：
高含量一侧→低含量一侧
一、水进出细胞的原理
渗透压：溶质微粒对水的吸引力
半透膜
选择透过性膜
概念
特点
材料
指某些物质可以透过，而另一些物质不能透过的多孔性薄膜
指水分子能自由通过，细胞要选择吸收的离子和小分子也可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过的生物膜
透过的依据是分子或离子的大小，不具有选择性
膜上的蛋白质决定了一些分子可以通过，另一些分子不能通过，具有选择透过性
玻璃纸、动物膀胱、鱼鳔、花生种皮等
细胞膜、液泡膜和由其构成的原生质层等
半透膜和选择透过性膜比较
蔗糖分子
半透膜
水分子
类比推理
如果将装置中的漏斗换成细胞还会不会吸水？
一、水进出细胞的原理
（一）动物细胞的吸水和失水
0.9%NaCl
红细胞
清水
9%NaCl
外界溶液：
在以上各种外界溶液中会发生什么？
一、水进出细胞的原理
清水
9%盐水
0.9%生理盐水
一、水进出细胞的原理
（一）动物细胞的吸水和失水
蔗糖溶液
细胞质
细胞膜
细胞外液
半透膜
清水
外界溶液浓度 细胞质浓度：细胞失水皱缩。
外界溶液浓度 细胞质浓度：水分进出处动态平衡。
＝
＜
＞
外界溶液浓度 细胞质浓度：细胞吸水膨胀。
是的。
细胞质
清水
细胞膜
不能。
（半透膜）
（蔗糖溶液）
2．红细胞的细胞膜是不是相当于“问题探讨”中所说的半透膜？
课本P63【思考与讨论】
红细胞相当于一个渗透装置
一、水进出细胞的原理
（一）动物细胞的吸水和失水
1．红细胞内的血红蛋白等有机物能够透过细胞膜吗？
3.当外界溶液的浓度低时，红细胞一定会由于吸水而涨破吗？
细胞质
清水
细胞膜
不一定！
（半透膜）
（蔗糖溶液）
主要取决于红细胞内外的浓度差，差值越大，吸水或失水越多。
所有的动物细胞都相当于一个渗透装置，细胞膜相当于半透膜
4．红细胞吸水或失水的多少与什么有关？
课本P63【思考与讨论】
一、水进出细胞的原理
（一）动物细胞的吸水和失水
一、水进出细胞的原理
1、在青菜上放一些盐,一会儿后就可看到水分渗出。
2、对农作物施肥过多，会造成“烧苗”现象。
3、放蔫的青菜用清水浸泡一会儿后，又恢复新鲜。
生活现象：
植物细胞会出现渗透失水和吸水的情况吗？
成熟的植物细胞模式图
细胞壁
细胞膜
细胞液
细胞质
液泡膜
原生质层
1、、细胞内的液体环境主要指的是__________________
2、________________________组成原生质层
3、水分子进出细胞主要指的是水分子通过________进出______
细胞里面的细胞液
原生质层
液泡
全透、伸缩性小
半透、伸缩性大
细胞膜、细胞质、液泡膜
（二）植物细胞的吸水与失水
纤维素和果胶组成
一、水进出细胞的原理
滴加0.3 g/L
蔗糖溶液
质壁分离：原生质层和细胞壁分离
细胞壁
细胞膜
细胞质
液泡膜
原生质层
细胞壁
细胞膜
细胞质
液泡膜
原生质层
将植物细胞放置于一浓度较高的溶液（0.3 g/L蔗糖溶液）中，会有怎样的变化？
H2O少
H2O多
（二）植物细胞的吸水与失水
一、水进出细胞的原理
滴加清水
细胞壁
细胞膜
细胞质
液泡膜
原生质层
细胞壁
细胞膜
细胞质
液泡膜
原生质层
将质壁分离的细胞放置于清水（浓度较比细胞液低）中，又会有怎样的变化？
质壁分离复原：原生质层恢复原状，和细胞壁再次紧贴
H2O多
H2O少
（二）植物细胞的吸水与失水
一、水进出细胞的原理
滴加蔗糖溶液
滴加清水
质壁分离
质壁分离复原
归纳小结：
1、对于成熟植物细胞来说，____________相当于半透膜，其伸缩性_______
2、细胞壁是__________，溶于水的物质都可以通过细胞壁，而且细胞壁的伸缩性________
3、当外界溶液浓度大时，细胞渗透失水，原生质层缩小程度较细胞壁缩小程度____，发生_________________________分离
4、将质壁分离的细胞置于低浓度溶液中，液泡吸水，原生质层恢复原状，即发生________________________
原生质层
大
全透的
小
大
原生质层与细胞壁
质壁分离复原
提出问题
作出假设
设计实验
进行实验
实验结论
表达与交流
进一步探究
（三）探究植物细胞的吸水和失水
实验现象

中央液
泡大小
原生质层
的位置
细胞
大小
蔗糖
溶液
清水
变小
逐渐恢复原来大小
原生质层恢复原来位置
原生质层脱离细胞壁
略变大
略变小
1.原生质层相当于半透膜
2.植物细胞也是通过渗透作用吸水和失水的
植物细胞会由于过多吸水而涨破吗？
一、水进出细胞的原理
3次观察，形成前后自身对照
（引流法）
（引流法）
方
法
步
骤
（三）植物细胞的吸水和失水
质壁分离
质壁分离的复原
观看动画，描述发生的现象。
一、水进出细胞的原理
1.植物细胞质壁分离现象
外界溶液浓度 细胞液的浓度，细胞渗透失水
>
结果分析：
细胞失水时细胞壁和原生质层都会出现一定程度的收缩,但原生质层的伸缩性更大,故原生质层会与细胞壁发生分离。
外因：
内因：
一、水进出细胞的原理
（三）探究植物细胞的吸水和失水
外界溶液浓度 细胞液的浓度，
细胞渗透吸水
<
2.植物细胞质壁分离复原现象
结果分析：
一、水进出细胞的原理
（三）探究植物细胞的吸水和失水
发生质壁分离，但不能质壁分离复原。
（因为细胞已经严重失水而死亡了)
因细胞主动或被动吸收溶质微粒而使细胞液浓度增大，植物细胞会吸水引起质壁分离后的自动复原。
如果滴加的是0.5 g/ml的蔗糖溶液，实验结果如何？
将0.3g/ml的蔗糖溶液换成适宜浓度的甘油\乙二醇溶液\尿素溶液\KNO3溶液，实验结果会有什么不同？？
一、水进出细胞的原理
思考
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
有一个紫色的中央液泡
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
质壁分离
质壁分离复原
不变
基本不变
基本不变
该实验过程共观察了3次，每一次是什么样的实验现象呢？
思考
第一次观察
滴加蔗糖溶液后观察
再次滴加清水溶液后观察
一、水进出细胞的原理
要观察细胞发生质壁分离和复原，对材料有哪些要求？
①成熟植物的活细胞（有细胞壁）；
②外界溶液与细胞液存在浓度差；
③有中央大液泡（颜色为深色或者
有较明显的参照物）
思考
紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞
绿色植物叶肉细胞
一、水进出细胞的原理
1.质壁分离产生的条件：
①具有大液泡；②具有细胞壁；③活细胞。
2.质壁分离产生的原因：
内因：原生质层伸缩性大于细胞壁伸缩性
外因：外界溶液浓度>细胞液浓度
3.植物吸水方式有两种：
①渗透作用(形成液泡)
②吸胀作用(未形成液泡）如：干种子、根尖分生区细胞通过亲水性物质(蛋白质、淀粉、纤维素)吸水。
小结：
气管、支气管不断分支，最终形成肺泡
CO2 ，O2在肺泡中与血液的交换示意图
资料1：
血管
（毛细管）
肺泡
空气
进进出出
二、自由扩散和协助扩散
人工合成脂双层
细胞膜示意图
资料2：
人工合成脂双层和细胞膜的区别
二、自由扩散和协助扩散
科研人员对同种物质在人工膜和生物膜中的透性做了比较，如图。
气体和甘油对人工膜和生物膜透性相同，它们通过扩散作用进出细胞
O2\CO2\N2\苯
H2O、尿素、甘油
葡萄糖\蔗糖
带电离子
资料3：
不带电非极性小分子
不带电荷的极性小分子
大的不带电荷的极性分子
H+\Na+\k+\Ca2+\Mg2+
请据图分析气气体和甘油是如何进出细胞的
二、自由扩散和协助扩散
（一）自由扩散
（1）概念：
（2）实例：
水、O2、CO2、甘油、乙醇、苯、脂溶性小分子
（3）特征：
①顺浓度梯度运输
②不需要转运蛋白
③不需要消耗能量
课本P66
二、自由扩散和协助扩散
物质通过简单扩散作用进出细胞的方式，叫做自由扩散。
后来的研究发现，水分子在通过细胞膜时的速率高过人工膜，由此推断细胞膜上可能存在特殊的输送水分子的通道。
生物膜和人工膜对多种物质的通透性
资料4：
水分子比较小，在活细胞中含量最多，人们曾经认为它们以自由穿过细胞膜磷脂分子的间隙而进出细胞。
二、自由扩散和协助扩散
资料5：
1988年，美国科学家阿格雷从红细胞和肾小管细胞中分离出一种新的膜蛋白，后来经过实验获得了该蛋白的氨基酸序列结构，证实了水通道蛋白的存在。目前，人们已经从细菌、酵母菌、植物、动物的细胞中分离出多种水通道蛋白。
水通道蛋白结构模式图
水
细胞膜
水分子进行细胞的方式为自由扩散和协助扩散（更多的是借助细胞膜上的水通道蛋白以协助扩散的方式进出细胞。）
二、自由扩散和协助扩散
钾离子通道模式图
20世纪80年代，科学家又从蚕豆保卫细胞中检测出K+的通道。1998年，美国科学家麦金农（R.Mackinon）解析了K+通道蛋白的立体结构。
资料6：
二、自由扩散和协助扩散
浓度梯度
钠一葡萄糖共转运蛋白(SGLT)重吸收葡萄糖
高
低
资料7：
图中葡萄糖转运载体通过构象变化将葡萄糖运进细胞和运出细胞。对组织细胞而言，膜外葡萄糖浓度较高，所以载体更多的将葡萄糖运进细胞
二、自由扩散和协助扩散
（二）协助扩散
（1）概念：
（2）实例：
葡萄糖、氨基酸等进入红细胞
血浆中Na+进入神经细胞；水等
（3）特征：
①顺浓度梯度运输
②需要转运蛋白
③不需要消耗能量
课本P66
借助膜上的转运蛋白进出细胞的物质扩散方式。
*研究表明，水分子更多的是借助细胞膜上的水通道蛋白以协助扩散方式进出细胞的。
二、自由扩散和协助扩散
（三）转运蛋白
课本P66 图4-4
定义：镶嵌在膜上的一些特殊的蛋白质，能够协助离子和一些小分子有机物顺浓度梯度跨膜运输，这些蛋白质称为转运蛋白。
类型
载体蛋白
通道蛋白
只容许与自身结合部位相适应的分子或离子通过
发生自身构象的改变
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
不发生构象的改变
二、自由扩散和协助扩散
通道蛋白
载体蛋白
转运蛋白
协助扩散
（三）转运蛋白
二、自由扩散和协助扩散
载体蛋白 通道蛋白
转运特点 只容许与自身结合部位相适应的分子或离子通过 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
自身构象
是否与转运的分子结合
是否有特异性
实例
改变
不改变
结合
不结合
具有
具有
葡萄糖通过载体蛋白进入红细胞
水分子通过水通道蛋白进出细胞
（三）转运蛋白
二、自由扩散和协助扩散
像水分子这样，物质以 进出细胞, 消耗细胞内
化学反应所释放的 ,这种物质跨膜运输方式称为 。
被动运输
扩散方式
不需要
能量
被动运输
浓度梯度
物质均以扩散的方式进出细胞
都是顺浓度梯度的跨膜运输
均不需要消耗细胞内化学反应所释放的能量
相对含量低
相对含量高
3.归纳：被动运输
自由扩散和协助扩散有哪些共性
二、自由扩散和协助扩散
三、影响跨膜运输的因素
影响自由扩散和协助扩散的直接因素可能有哪些？
1.膜内外物质的浓度梯度
2.膜上的转运蛋白数量对协助扩散的速率有直接影响
影响自由扩散的因素
温度
膜两侧的浓度差
影响协助扩散的因素
温度
膜两侧的浓度差
转运蛋白的数量
三、影响跨膜运输的因素

被动运输——自由扩散
浓度差（Mmol/L） 5 10 15 20 25 30
运输速度 （离子/秒） 2.4 4.7 7.3 9.5 12.2 14.4
结论：物质的运输速度与物质浓度差成______关系，自由扩散过程只受_______影响。
正比
浓度差
三、影响跨膜运输的因素

被动运输——协助扩散
结论：在一定浓度范围内，物质的运输速率与物质浓度差成______关系，超过一定的浓度后，协助扩散中物质运输速率受________限制。
正比
蛋白质
浓度差 （Mmol/L） 1.5 3 4.5 6 7.5 9
速率 （离子/秒） 8 15 24 30 31 31
实例：水进出细胞的原理
小
结
载体蛋白：
葡萄糖协助扩散进入细胞过程
转运蛋白
通道蛋白：
K+通道关闭
K+通道开启
水分子进出细胞的方式：自由扩散和协助扩散
水分子
水通道蛋白
气管、支气管不断分支，最终形成肺泡
O2在肺泡中与血液的交换
肾小管对水的重吸收
一、概念检测
1.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。(x)
(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。(x)
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(D)
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
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(B)
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璧分离复原
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
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的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。
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。
二、拓展应用
提示: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。
假设:温度变化会影响水分通过半透膜的扩散速率设计实验提示:可以借用本节问题探讨中的渗透装置进行实验。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。
拓展：壁分离及其复原的应用
（1）判断细胞的死活
（2）测定细胞液浓度范围
（3）比较不同植物细胞的细胞液浓度
（4）农业生产中的水肥管理
（5）生活中杀菌、防腐、腌制食品
（6）鉴别不同种类的溶液。
成熟植物细胞+不同种类溶液→质壁分离→溶质不能通过半透膜的溶液（如蔗糖溶液）
质壁分离后又自动复原→溶质能通过半透膜的溶液
（如KNO3、尿素、甘油、乙二醇等溶液）

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