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第4章 细胞的物质输入和输出
思维导图
提出假说
课标要求
概念：细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖活动
物质通过被动运输、主动运输等方式进出细胞，以维持细胞的正常代谢活动。
（1）阐明质膜具有选择透过性。
（2）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；有些物质逆浓度。
（3）举例说明大分子物质可以通过胞吞、胞吐进出细胞。
活动要求
通过模拟实验探究膜的透性。尝试制作真核细胞的模型。
观察植物细胞的质壁分离和复原。
核心知识.答题必备
1．渗透作用发生的两个条件：一是具有半透膜，二是存在浓度差。2．原生质层包括细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质。3．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。4．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。5．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。6．自由扩散既不需要转运蛋白，也不需要能量，气体及脂溶性物质以自由扩散的方式运输。7．协助扩散需要转运蛋白，但不需要能量，如红细胞吸收葡萄糖。
8．主动运输时物质逆浓度梯度进行跨膜运输。9．主动运输既需要能量，又需要载体蛋白，无机盐离子主要以主动运输的方式出入细胞。10．大分子物质进出细胞的方式是胞吞和胞吐。11．胞吞、胞吐也是一种跨膜运输方式，需要消耗能量，不需要转运蛋白，需要膜上蛋白质的参与。12．胞吞、胞吐的结构基础是生物膜的流动性。13．影响跨膜运输的因素有物质浓度、O2浓度、温度等。
核心知识.答题必备
一、水进出细胞的原理
注意：这里的浓度是溶质物质的量浓度，不是溶质的质量浓度。例如向两烧杯水中，各加入1g葡萄糖和1g蔗糖完全溶解后，葡萄糖溶液的物质的量浓度大于蔗糖溶液物质的量浓度
1）概念：
3） 发生条件:
具有半透膜；半透膜两侧的溶液具有浓度差
4）对渗透作用的理解
溶液A浓度大于溶液B，水分子净移动方向：
溶液A浓度小于溶液B，水分子净移动方向：
5）渗透作用装置的分析
a. 水分子能通过半透膜，而蔗糖分子无法通过。
b. 单位体积的液体中，蔗糖溶液中的水分子少于清水
中的水分子，所以水分子由清水移向蔗糖溶液的速
率大于反向移动速率，从而导致长颈漏斗内的液体
总量增多、液面升高，直至达到动态平衡。
水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜的扩散，称为渗透作用。
2） 渗透的方向：
1. 渗透作用
注意：1.液面稳定时，处于动态平衡，两者之间还是有水分子进出，只不过数目基本相同。2.液面稳定后，只要存在液面差，原高浓度的溶液仍大于原低浓度的溶液
关于半透膜：一些物质能透过另一些物质不能透过的多孔性薄膜，比如动物膀胱、玻璃纸、肠衣、鸡蛋的卵壳膜
水分子从水的相对含量高的一侧向相对含量低的一侧渗透
从B A移动
从A B 移动
烧杯清水浓度
>
蔗糖溶液渗透压
烧杯清水渗透压
>
蔗糖溶液浓度
渗透压的大小取决于单位体积溶质微粒数目的多少
蔗糖溶液
清水
蔗糖溶液对清水的渗透压（F1)
水柱产生的静水压（F2)
达到渗透平衡，此时半透膜两侧水分子交换速率相等，液面不再升高
渗透平衡后，漏斗内溶液浓度依旧高于烧杯内溶液浓度
一、水进出细胞的原理
1. 渗透作用
如果在漏斗中加入蔗糖酶，液面会怎么变化（前提半透膜允许单糖分子通过）？
先升高，后下降，最终内外液面平齐。
1.右图表示在U型管底部中央放置一半透膜(不允许溶质分子透过)。A液和B液原先体积相同，由于浓度不同，后来产生一个高度差ΔH。请问ΔH主要取决于(　　)
A．A液和B液的溶质分子大小
B．A液和B液所在管的粗细
C．A液和B液的溶剂是否相同
D．A液和B液的浓度差大小
半透膜两侧溶液的浓度差越大，水分子透过的数量越多，产生的液柱高度差越大。
√
外界溶液浓度<细胞质浓度，细胞就通过渗透作用_____________;
外界溶液浓度>细胞质浓度，细胞就通过渗透作用 ；
外界溶液浓度＝细胞质浓度 细胞_______________。
（1）条件
“半透膜”
浓度差：
：____________________________
细胞膜相当于半透膜
与外界溶液之间具有浓度差
细胞质
（2）原理与现象
失水皱缩
吸水膨胀
形态不变
将哺乳动物的红细胞放入不同浓度的氯化钠溶液中时
注意:在该条件下水分进出细胞处于动态平衡
水进出其他动物细胞的原理与进出红细胞的原理是一样的，都是通过渗透作用
2. 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
a. 当细胞液的浓度小于外界溶液的浓度时，细胞就通过 失水，发生 现象。
b.当细胞液的浓度大于外界溶液的浓度时，细胞就通过 吸水，发生 _____现象。
（2）原理和现象
渗透作用
质壁分离
质壁分离复原
（1）成熟植物细胞的结构
注意：发生质壁分离的内因是原生质层比细胞壁的伸缩性大； 外因是外界溶液浓度大于细胞液浓度
渗透作用
注意：对于成熟的植物细胞，水进出细胞主要指水经过原生质层进出液泡。
3.植物细胞的吸水和失水(以成熟植物细胞为例)
（全透性，伸缩性小）
细胞壁
细胞膜
细胞质
液泡膜
细胞液
原生质层
（有一定浓度，与外界溶液能形成一定的浓度差）
（伸缩性大， 具有选择透过性）
该状态的细胞下一步是吸水、失水还是处于水分进出动态平衡？
都有可能
1.实验原理
（1）成熟的植物细胞构成渗透系统，可发生渗透作用
（2）原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性
二、探究植物细胞的吸水和失水(以成熟植物细胞为例)
蔗糖溶液
半透膜
清水
细胞液
细胞膜
细胞质
细胞外液
原生质层
液泡膜
细胞壁
1.将人体红细胞置于浓度为1.%的氯化钠溶液中，观察到红细胞的最终状态如图所示。此时该细胞
A. 发生质壁分离
B. 正在进行渗透作用
C. 细胞膜选择透性可能已丧失
D. 细胞内液浓度一定等于外界溶液浓度
外界溶液浓度大于细胞液浓度，细胞失水皱缩，因为是人体细胞不会发生质壁分离，因细胞内外浓度差过大，此时细胞可能已经失水过多而死亡，细胞膜选择透性可能已丧失。
2．某学生在显微镜下观察到紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞质壁分离或复原的过程，如图为该学生画的细胞图像。下列叙述正确的是(　)

A．图中1、2、6组成了细胞的原生质层
B．此状态下，5处的浓度可能大于、小于或等于7处的浓度
C．图中结构1不具有伸缩性，结构2和4具有伸缩性
D．水分子进出4的方式不是渗透作用
√
原生质层包括细胞膜、液泡膜和细胞质，应该由2、4、5组成，A错误；
由题图可知，此状态下的紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞处于质壁分离或质壁分离复原状态，因此细胞可能处于吸水、失水或动态平衡等状态，无法确切判断5处与7处的浓度大小，B正确；
结构1是细胞壁，具有一定的伸缩性，C错误；
4是液泡膜，是选择透过性膜，水分子进出4的方式是渗透作用，D错误。
提出假说
3.右图是三个相邻的植物细胞，以及它们之间水分流动方向的示意图。图中三个植物细胞的细胞液，在浓度上的关系是
A. 甲>乙>丙 B. 甲>乙，且乙<丙
C. 甲<乙<丙 D. 甲<乙，且乙>丙
水分子的流动方向是从低浓度细胞液到高浓度细胞液，图中由甲流向乙和丙，甲的浓度最低，丙接受来自甲和乙的水分子，丙的浓度最高。
故选C。
（1）选材：
（2）本实验三次低倍镜观察，对照类型为自身前后对照，对照组？实验组？分别观察质壁分离状态和复原状态。
（3）质壁分离中的“质壁”分别是？
（4）质壁分离时，在细胞壁和细胞膜之间，充满的液体是？
（5）在质壁分离的过程中：细胞液浓度、细胞液渗透压（吸水能力）、色素（量、颜色）各是怎样变化的？细胞大小呢？
用黑藻细胞也可以，黑藻细胞的细胞质中含有较多绿色的叶绿体，也可以明显观察到质壁分离现象。
二、探究植物细胞的吸水和失水(以成熟植物细胞为例)
2. 实验步骤——观察植物细胞的质壁分离和复原实验
原因:紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的细胞液中 有花青素,使液泡中的细胞液呈紫色,有利于观察
第二、三次观察
第一次观察
原生质层、细胞壁
外界溶液
在质壁分离中液泡体积逐渐变小；液泡颜色逐渐变深；细胞液浓度逐渐变大，吸水能力逐渐变强，失水能力逐渐减弱。细胞大小基本不变。
质壁分离自动复原的例子：
①开始时，外界KNO3溶液的浓度大于细胞液浓度，植物细胞由于失水而发生质壁分离；
②但由于K+和NO3－是植物需要的离子，可被植物细胞吸收，这样就增大了细胞液的浓度，当细胞液浓度大于外界溶液浓度时，植物细胞再从外界吸收水分，引起质壁分离复原。
质壁分离的条件：
内因：
外因：
二、探究植物细胞的吸水和失水(以成熟植物细胞为例)
成熟植物活细胞；原生质层相当于半透膜；半透膜两侧有浓度差
质壁分离的原因：
原生质层比细胞壁的伸缩性大
外界溶液浓度>细胞液浓度
复原的条件：
已经发生质壁分离的活细胞、外界溶液浓度小于细胞液浓度
甘油、尿素、KNO3、乙二醇、葡萄糖等
提出假说
1.将紫色洋葱鳞片叶表皮浸润在一定浓度的蔗糖溶液中，稍后进行显微观察，结果如下图。下列有关叙述正确的是
A. ①是细胞壁，是植物细胞的边界
B. ③是细胞质，其中含有多种细胞器
C. ②是液泡，其体积变小，颜色变深
D. ③的空间大小与细胞内外的浓度差有关
细胞的边界是细胞膜，不是细胞膜，A错误；③是外界溶液，B错误；②是细胞液，C错误；在一定范围内，浓度差越大，③的空间越大，D正确。
2．在“探究植物细胞的吸水和失水”实验中，对紫色洋葱鳞片叶外表皮临时装片进行了三次观察(如下图所示)。 下列有关叙述正确的是(　)
A．第一次观察时容易看到紫色大液泡和较大的无色细胞质基质区域
B．第二次观察时可以发现细胞质壁分离首先发生在细胞的角隅处
C．吸水纸的主要作用是吸除滴管滴加的多余液体，以免污染镜头
D．为了节约实验时间，通常可以省略第一次显微观察步骤
√
第一次观察时由于未滴加蔗糖溶液，细胞还没有发生质壁分离，故较易观察到的是紫色的大液泡，由于此时液泡占整个细胞体积的比例较大，因此观察到的无色的细胞质基质区域应较小，A错误。
第二次观察时已经通过引流法使紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞浸润在蔗糖溶液中，可以发现首先从细胞的角隅处开始发生质壁分离，B正确。
吸水纸的主要作用是吸引蔗糖溶液或清水，使溶液浸润整个标本，C错误。
第一次显微观察是为了获得实验前的现象，以便于和实验中的现象变化进行前后对照，因此不能省略，D错误。
3.下图是植物细胞某种生理实验过程的图解，下列说法不正确的是(　)

A．农作物施肥后出现“烧苗”现象与图中甲过程相似
B．2、3、4构成了该细胞的原生质层
C．细胞在图中乙变化过程中吸水能力逐渐降低
D．外界的蔗糖分子可进入1和3
√
据题图可知，图中甲表示质壁分离过程，图中乙表示质壁分离的复原过程；1表示蔗糖溶液，2表示细胞膜，3表示细胞质，4表示液泡膜，5表示细胞液。农作物施肥后发现有“烧苗”现象，原因是植物根细胞在高浓度溶液中失水过多，与图中甲过程相似，A正确；
原生质层包括细胞膜、液泡膜和两层膜之间的细胞质，即图中2、3、4，B正确；
该细胞的失水和吸水主要取决于液泡中的细胞液与外界溶液浓度差，图中乙过程细胞一直在吸水，内外浓度差减小，吸水能力逐渐降低，C正确；
由于细胞壁具有全透性，蔗糖分子可进入1，但是不能进入3，D错误。
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释放的能量，这种物质跨膜运输方式称为被动运输
（1）概念：
1.被动运输
自由扩散和协助扩散
（2）分类：
三、自由扩散和协助扩散
2.自由扩散
（1）概念
物质通过简单的扩散作用进出细胞的方式，称为自由扩散，也叫简单扩散。
①顺浓度梯度运输，即从高浓度一侧向低浓度一侧运输。
②不需要转运蛋白。
③不消耗能量。
（2）特点
（4）举例
O2、CO2、甘油、乙醇、苯、水等。
3.协助扩散
（1）概念
这种借助膜上转运蛋白进出细胞的物质扩散方式，为协助扩散，也叫易化扩散。
（2）特点
①顺浓度梯度运输。②需要转运蛋白的协助。 ③不消耗能量。
①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，且每次转运时都会发生自身构象的改变。②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。
（3）转运蛋白的分类
（5）举例
注意：
此浓度是研究对象的浓度
（3）影响因素
膜内外物质浓度梯度的大小（浓度差）等
注意：既可以自由扩散也可以通过水通道蛋白进行协助扩散
膜内外物质浓度梯度的大小（浓度差），转运蛋白的种类和数量等
红细胞吸收葡萄糖、水。
（4）影响因素
1. 图中①②③表示物质出入细胞的不同方式，下列说法不正确的是(　)

A．①是自由扩散，影响其物质运输速率的因素只有细胞内外的物质浓度
B．②中载体蛋白与运输的物质结合后，通过自身构象的改变来转运物质
C．②中的物质运输速率与载体蛋白的数量有关，不需要消耗能量
D．③中离子或分子通过通道蛋白时，不需要与通道蛋白结合
√
①运输方向是从高浓度一侧运输到低浓度一侧，不需要载体和能量，表示自由扩散，影响其物质运输速率的因素除细胞内外的物质浓度外，还有温度，A错误；
②是协助扩散，载体蛋白与物质结合后，通过改变自身构象来转运物质，B正确；
②是协助扩散，物质运输速率与载体蛋白的数量有关，不需要消耗能量，C正确；
③中离子或分子通过通道蛋白时，不需要与通道蛋白结合，D正确。
（1）概念
四、主动运输
物质逆浓度梯度进行跨膜运输，需要载体蛋白的协助，同时还需要消耗细胞内化学反应所释放的能量，这种方式称为主动运输。
（2）特点
（3）举例
（4）影响因素
载体蛋白的种类和数量，
氧气浓度、温度等影响能量的因素
（5）意义
主动运输普遍存在于动植物和微生物细胞中，通过主动运输来选择吸收所需要的物质，排除代谢废物和对细胞有害的物质，从而保证细胞和个体生命活动的需要。
①逆浓度梯度运输，即从低浓度向高浓度运输。②需要载体蛋白。③需要消耗能量。
小肠吸收葡萄糖、氨基酸、无机盐等。
注意：葡萄糖的不同运输方式：进入红细胞是协助扩散；进入小肠绒毛细胞和肾小管重吸收葡萄糖是主动运输。
1.下图是人体小肠上皮细胞中进行的某种物质跨膜运输方式的示意图，下列哪组物质的运输方式与图示符合(　　)

A．O2、CO2　　　　　　　　
B．H2O、K＋
C．葡萄糖、氨基酸
D．甘油、脂肪酸
√
胞吞 胞吐
概念
方向
能量来源
举例
意义 细胞外
细胞内
五、胞吞与胞吐
细胞外
细胞内
注意：胞吞和胞吐体现了细胞膜具有一定的流动性；此外胞吞和胞吐的物质可以是固体，也可以是液体。一般是一些颗粒性物质、蛋白质等大分子；不需用转运蛋白。
大分子物质与膜上的蛋白质结合引起这部分细胞膜内陷，形成小囊，包围着大分子。然后小囊从细胞膜上分离下来，形成囊泡。进入细胞内部，叫胞吞
细胞需要外排的大分子物质先在细胞内形成囊泡，囊泡移动到细胞膜处。与细胞膜融合将大分子排出细胞，这种现象叫胞吐。
细胞呼吸释放的能量（ATP提供）
细胞呼吸释放的能量（ATP提供）
吞噬细胞吞噬抗原、变形虫摄取水中的有机物颗粒
乳腺细胞合成的蛋白质、内分泌腺细胞合成的蛋白类激素、消化腺细胞分泌的消化酶
可以实现大分子或颗粒状物质进出细胞，
保证细胞对物质运输的需求及生命活动的正常进行
特别提醒：
（1）从低浓度一侧向高浓度一侧运输一定是主动运输，因为逆浓度梯度运输需要消耗能量。
（2）同一种物质进出不同细胞时，运输方式可能不同，如红细胞吸收葡萄糖的方式是协助扩散，小肠上皮细胞吸收葡萄糖的方式则是主动运输。
（3）Na＋、K＋等无机盐离子一般以主动运输的方式进出细胞，但也可通过协助扩散进出细胞，比如静息电位时钾离子外流为协助扩散，动作电位时钠离子内流为协助扩散。
（4）RNA和蛋白质等大分子物质通过核孔进出细胞核，而不是通过胞吞、胞吐作用。
（6）被动运输、主动运输是小分子物质的跨膜运输方式，体现了生物膜的选择透过性特点。胞吞与胞吐体现了生物膜具有一定的流动性特点。
（7）判断葡萄糖、氨基酸等分子出入细胞的方式要看具体信息，若为从高浓度到低浓度的运输，则为协助扩散，若为从低浓度到高浓度的运输，则为主动运输。
（8）大分子物质出入细胞一定经过胞吐或胞吞，但胞吞、胞吐的物质未必都是大分子物质，如释放的神经递质。
（9）消耗能量的物质运输方式有主动运输、胞吞和胞吐。
（10）胞吐过程一定会发生囊泡膜与细胞膜的融合。
1.下图是细胞对生物大分子的胞吞(左)和对细菌的吞噬作用(右)示意图，下列叙述错误的是(　　)

A．该图体现了生物膜具有流动性
B．该图说明高尔基体与溶酶体的形成有关
C．该图说明不同生物膜在结构上具有一定的联系
D．该图说明胞吞和吞噬都需要消耗能量
√
胞吞和吞噬过程体现了生物膜具有流动性，A项正确；
溶酶体内的酶的本质为蛋白质，蛋白质由核糖体合成，内质网加工，高尔基体再加工和修饰，最终由高尔基体形成溶酶体，B项正确；
胞吞过程中囊泡的膜最终与细胞膜融合，吞噬过程中细胞膜转化成了囊泡的膜，体现了细胞内不同生物膜在结构上具有一定的联系，C项正确；
题图不能说明胞吞和吞噬过程都需要消耗能量，D项错误。
(1)图示表示的跨膜运输方式
甲：________；乙：________；丙：________；丁：________。
(2)图中物质a为________，b为________，c为________。它们都属于________。
(3)影响跨膜运输方式的因素
甲：______________；乙：______；丙、丁：________________。
主动运输
自由扩散
协助扩散
协助扩散
载体蛋白
通道蛋白
载体蛋白
转运蛋白
载体蛋白和能量
浓度差
浓度差和转运蛋白
(1) 物质的浓度（差）对跨膜运输的影响
浓度差主要影响自由扩散和协助扩散。自由扩散中，浓度差越 ，运输速率越 ；协助扩散中，浓度差达到一定程度后运输速率不再继续增加，原因是受 的限制。主动运输不受浓度差的影响。
大
转运蛋白数量
大
六、影响物质跨膜运输因素
(2)转运蛋白数量对跨膜运输的影响
转运蛋白影响 、载体蛋白影响___________。其他条件适宜的情况下，协助扩散中，转运蛋白数量越多，运输速率越大；主动运输中，载体蛋白数量达到一定程度后运输速率不再增加，可能原因是受能量供应限制。自由扩散不受转运蛋白数量的影响。
协助扩散
主动运输
六、影响物质跨膜运输因素
(3)氧气含量对跨膜运输的影响
通过影响细胞的呼吸进而影响主动运输的速率。
①P点时： 为物质的运输提供能量。
②PQ段：随着氧气含量的增加，有氧呼吸产生的能量越 ，主动运输的速率越大。
③Q点以后：当氧气含量达到一定程度后，受载体蛋白数量以及其他限制因素的影响，运输速率不再增加。
注意：氧气浓度为0时，主动运输也不会停止，因为此时，细胞仍可进行无氧呼吸为其提供能量，但当呼吸强度为0时，主动运输就无法进行，也变为0。
无氧呼吸
多
环境因素可以影响主动运输的速率。
大分子有机物需要有载体蛋白的协助才能进人细胞内。
需要消耗能量的运输方式都是主动运输。
胞吞和胞吐时，需到蛋白质的协助。
无机盐离子进出细胞都是通过主动运输进行的。
√
×
×
√
×
提出假说
判断正误
1．下图表示营养液中K＋浓度及溶氧量对小麦根系细胞K＋吸收速率的影响。下列有关两曲线形成机理的解释，正确的是(　　)
　
A．ab段的形成是由于细胞膜上载体蛋白数量未达到饱和且能量充足
B．cd段的形成是由于细胞内K＋过多，细胞大量排出
C．e点表明植物根系可以通过自由扩散的方式吸收K＋
D．bc段、fg段的形成一定是由于细胞膜上载体蛋白数量有限
√
由题图可以看出，ab段K＋的吸收速率随营养液中K＋浓度的升高而增加，因此ab段的影响因素是营养液中K＋的浓度，且此时载体蛋白数量未达到饱和、能量充足，A项正确。
cd段形成的原因是cd段营养液浓度过高，细胞失水，代谢减弱，因此细胞吸收K＋的速率减慢，B项错误。
e点表示营养液中不含氧气，细胞可以通过无氧呼吸为K＋的吸收供能，不能证明K＋的吸收方式为自由扩散，C项错误。
bc段K＋的吸收速率不再随着K＋浓度的升高而增加，因此影响bc段的因素可能是细胞膜上的载体蛋白数量，也可能是细胞内能量的多少；fg段K＋的吸收速率不随着氧气含量的升高而增加，说明吸收速率不随着供能多少而变化，因此影响fg段K＋吸收速率的因素可能是载体蛋白数量和K＋浓度，D项错误。

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