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第2单元　细胞的基本结构与物质运输
第3课　细胞的物质输入和输出
[复习目标]　1.结合细胞膜的化学组成，理解细胞膜具有选择透过性的原因。(生命观念)　2.比较自由扩散、协助扩散、主动运输和胞吞、胞吐方式的异同点，并能根据一种物质进出细胞的特点判断其运输方式。(科学思维)　3.选择合适的实验材料，观察植物细胞的质壁分离与复原，分析实验结果，得出实验结论。(科学探究)
考点一　渗透作用与细胞的吸水和失水
1．渗透作用
(1)概念：水分子(或其他溶剂分子)通过半透膜的扩散。
(2)发生的条件
(3)渗透作用的实质：单位时间内由清水进入蔗糖溶液中的水分子多于由蔗糖溶液进入清水中的水分子，导致蔗糖溶液液面上升。
提醒：关于渗透装置的两个“≠”
①渗透≠扩散：渗透作用必须通过半透膜，扩散则不一定需要；扩散适用于各种物质，渗透仅指溶剂分子。渗透是一种特殊的扩散。
②渗透平衡≠两侧溶液浓度相等：渗透平衡时半透膜两侧液面仍存在液面高度差，则半透膜两侧溶液就存在浓度差，且液面高的一侧溶液浓度高。
2．动植物细胞的吸水和失水
(1)动物细胞的吸水和失水
②现象
(2)植物细胞的吸水和失水(以成熟植物细胞为例)
①原理
②现象
[教材深挖]
(1)(必修1 P62小字，拓展)细胞膜与半透膜类似，又有所不同的原因：半透膜是多孔的物理性薄膜，物质能否通过取决于微粒的大小和膜的孔径大小；细胞膜属于具有活性的生物膜，有选择透过性，不同物质的通过性不仅取决于分子大小，还与膜上转运蛋白的种类和数量等有关。
(2)(必修1 P63拓展)对于动植物细胞来说，单位时间内，水分子进出细胞的数量相等时，细胞内外液体的浓度一定相等吗？为什么？
提示：不一定。对于动物细胞来说，水分子进出细胞的数量相等时，细胞内外溶液的浓度相等。但植物细胞有细胞壁的支持、保护作用，单位时间内水分子进出植物细胞的数量相等时，有可能细胞液浓度大于细胞外溶液浓度。
[易错辨析]
1．当外界溶液浓度低时，哺乳动物成熟红细胞一定会吸水涨破。(×)
2．红细胞吸水与失水的多少取决于红细胞内外浓度的差值。(√)
3．植物细胞内的液体环境主要指的是细胞质基质中的细胞液。(×)
4．植物细胞的原生质层包括细胞膜、细胞质和细胞核。(×)
　渗透作用的现象分析
(1)渗透系统的溶液浓度指物质的量浓度而非质量浓度：如质量分数为10%的葡萄糖溶液和质量分数为10%的蔗糖溶液的质量浓度相等，但质量分数为10%的蔗糖溶液的渗透压小，故水可通过半透膜由蔗糖溶液向葡萄糖溶液移动。
(2)水分子移动方向：由低浓度溶液流向高浓度溶液是表观现象，实际上水分子是双向移动的，只是由低浓度溶液流向高浓度溶液的水分子数较多。
(3)漏斗内液面上升的原因：单位时间内由清水进入蔗糖溶液中的水分子数多于由蔗糖溶液进入清水中的水分子数。
(4)漏斗内液面停止上升的原因：随着液面的不断上升，漏斗内液体的压强越来越大，从而使水分子从漏斗内移向烧杯的速率加快，水分子进出漏斗的速率越来越接近，直至完全相等，漏斗内液面不再升高，此时水分子的进出达到动态平衡。
命题点1　围绕渗透作用的原理考查科学思维
1．(2022·湖北联考)某兴趣小组用图甲研究渗透作用，a和b均为蔗糖溶液，c允许单糖通过。图乙为实验结果。下列说法正确的是(　　)
甲　　　　　　　　乙
A．烧杯中蔗糖溶液浓度大于漏斗中蔗糖溶液浓度
B．若t2时刻在烧杯中加入蔗糖酶，则Δh最终将变小
C．t2时刻半透膜两侧蔗糖溶液浓度相同
D．若t2时刻在漏斗中加入蔗糖酶，则Δh将先变大后变小
解析：选D。分析图乙，Δh先增加后趋于稳定，说明漏斗中蔗糖溶液浓度大于烧杯中蔗糖溶液浓度，A错误；若t2时刻在烧杯中加入蔗糖酶，蔗糖分解为单糖，烧杯内溶液浓度会升高，由于c允许单糖通过，继而烧杯内溶液浓度会下降，则Δh将先变小后变大，B错误；t2时刻半透膜两侧水分子进出速率相等，但是由于漏斗与烧杯的液面不一样高，所以膜两侧溶液浓度不相等，C错误；若t2时刻在漏斗中加入蔗糖酶，蔗糖分解为单糖，漏斗内溶液浓度会升高，由于c允许单糖通过，继而漏斗内的溶液浓度会下降，则Δh将先变大后变小，D正确。
命题点2　围绕动植物细胞吸水与失水的原理考查科学探究
2．(2021·广东卷)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
解析：选A。蔗糖分子属于二糖，不能进入保卫细胞，在清水中，保卫细胞因渗透吸水导致气孔开放，据题图可知，滴加蔗糖溶液①，保卫细胞气孔张开程度几乎与初始状态一样，推测蔗糖溶液①的浓度近似等于保卫细胞细胞液浓度，滴加蔗糖溶液②，保卫细胞气孔关闭，推测蔗糖溶液②的浓度高于保卫细胞细胞液浓度，故质壁分离最可能出现在滴加蔗糖溶液②后观察的视野中，B正确；滴加蔗糖溶液③，保卫细胞气孔张开比初始状态更大，推测蔗糖溶液③的浓度低于保卫细胞的细胞液浓度，滴加蔗糖溶液③后有更多的水分子进入保卫细胞，故蔗糖溶液③处理后的保卫细胞细胞液浓度<蔗糖溶液①处理后的保卫细胞细胞液浓度，A错误，C正确；由以上分析可知，3种蔗糖溶液浓度高低为②>①>③，D正确。
3．(2022·济南市模拟)如图是高等动、植物与原生生物细胞避免渗透膨胀的三种机制。下列叙述正确的是(　　)
A．动、植物细胞吸水达到渗透平衡时，细胞内外溶液浓度相等
B．成熟植物细胞发生渗透吸水，以细胞膜充当发生渗透所需的半透膜
C．动物细胞避免渗透膨胀需要蛋白质协助
D．若将原生生物置于低渗溶液中，其收缩泡的伸缩频率减慢
解析：选C。动、植物细胞在低浓度溶液中都会发生渗透吸水，吸水到一定程度后均会达到渗透平衡，动物细胞吸水达到渗透平衡时，细胞内外溶液浓度相等，植物细胞吸水达到渗透平衡时，由于细胞壁的支撑作用，细胞外溶液浓度仍可能小于细胞液浓度，A错误；成熟植物细胞发生渗透吸水，以原生质层充当发生渗透所需的半透膜，B错误；动物细胞需要载体蛋白协助将离子转运到细胞外，以减小细胞内溶液的渗透压，避免渗透膨胀，C正确；原生生物生活在低渗溶液中，会通过收缩泡将多余的水排到细胞外，其收缩泡的伸缩频率会加快，D错误。
考点二　(实验)探究植物细胞的吸水和失水
1．实验原理
2．实验步骤
3．实验结论
(1)植物细胞的原生质层相当于一层半透膜。
(2)当外界溶液溶质的浓度大于细胞液浓度时：细胞失水。
(3)当外界溶液溶质的浓度小于细胞液浓度时：细胞吸水。
1．实验分析
(1)本实验存在两组对照实验
(2)不同外界溶液中植物细胞的变化分析
将成熟的植物细胞依次浸于蒸馏水、物质的量浓度为0.3 mol/L的蔗糖溶液和0.5 mol/L的尿素溶液中，原生质体(即植物细胞中细胞壁以内的部分)的体积随时间变化如图，分析如下：
①A曲线表示细胞在蒸馏水中：细胞略膨胀，但是由于细胞壁的存在，原生质体的体积不能无限增大。
②B曲线表示细胞在0.5 mol/L的尿素溶液中：细胞先因渗透失水而发生质壁分离，后由于尿素能进入细胞，使得质壁分离后的细胞因吸水而自动复原。细胞在甘油、乙二醇等溶液中也可发生质壁分离后自动复原的现象。
③C曲线表示细胞在0.3 mol/L的蔗糖溶液中：蔗糖不能进入细胞，因此质壁分离后细胞不能发生自动复原。
2．植物细胞质壁分离及复原的拓展应用
(1)判断成熟植物细胞是活细胞还是死细胞
(2)测定细胞液浓度范围
(3)比较不同植物成熟细胞的细胞液浓度
(4)鉴别不同种类的溶液(如乙二醇溶液和蔗糖溶液)
命题点1　教材基础实验
1．下列有关“观察植物细胞的质壁分离和复原”的实验操作，叙述正确的是(　　)
A．在步骤C中只需滴加1滴蔗糖溶液
B．整个实验现象的观察应维持在低倍镜下
C．步骤A具体操作过程为“解离→染色→漂洗→制片”
D．步骤F观察实验结果和步骤D相比，液泡颜色变深
解析：选B。步骤C引流操作为从盖玻片的一侧滴加蔗糖溶液，用吸水纸在另一侧吸引，需重复几次，使洋葱鳞片叶外表皮细胞浸润在蔗糖溶液中，A错误；整个实验现象都应在低倍镜下观察，B正确；步骤A制片时不需要进行解离、漂洗和染色，C错误；质壁分离复原的细胞，细胞吸水，液泡颜色变浅，D错误。
命题点2　高考拓展延伸
2．(2022·湖南卷)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≥0.3 mol/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
解析：选A。分析甲组结果可知，随着培养时间延长，与0时(原生质体表面积大约为0.5 μm2)相比，原生质体表面积增加逐渐增大，甲组NaCl处理不能引起细胞发生质壁分离，说明细胞吸水，表明细胞中浓度>0.3 mol/L，但不一定是细胞内NaCl浓度≥0.3 mol/L，A错误；分析乙、丙组结果可知，与0时(原生质体表面积大约分别为0.6 μm2、0.75 μm2)相比，乙、丙组原生质体表面积略有下降，说明乙、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，B正确；该菌的正常生长，细胞由小变大可导致原生质体表面积增加，该菌吸水也会导致原生质体表面积增加，C正确；若将该菌先65 ℃水浴灭活，细胞死亡，原生质层失去选择透过性，再用NaCl溶液处理，原生质体表面积无变化，D正确。
考点三　物质出入细胞的方式
1．被动运输
(1)概念：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的物质跨膜运输方式。
(2)类型
①自由扩散：物质通过简单的扩散作用进出细胞的方式。如CO2、O2、甘油、乙醇、苯等。
②协助扩散：借助膜上的转运蛋白进出细胞的物质扩散方式，如离子和葡萄糖、氨基酸等一些小分子有机物。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的方式进出细胞的。
(3)运输方向：顺浓度梯度进行跨膜运输。
(4)膜上的两种转运蛋白比较
名称 转运对象 特点
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 每次转运时都会发生自身构象的改变
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 转运分子或离子不需要与通道蛋白结合
(5)影响因素
①影响自由扩散的因素：膜内外物质浓度梯度。
②影响协助扩散的因素：膜内外物质浓度梯度和转运蛋白的数量。
[教材深挖]
(必修1 P67正文，拓展)水分子难以大量通过自由扩散进出细胞，从细胞膜的结构分析，其原因是细胞膜以磷脂双分子层作为基本支架，水分子难以大量通过磷脂双分子层中的疏水区域。
2．主动运输
(1)概念：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。
(2)过程：被运输的物质(离子或分子)与膜上载体蛋白的特定部位结合后，在细胞内化学反应释放的能量推动下，载体蛋白的空间结构发生变化，就将它所结合的离子或分子从细胞膜一侧转运到另一侧并释放出来，载体蛋白随后恢复原状，又可以去转运同种物质的其他离子或分子。
(3)载体蛋白的特点：一种载体蛋白通常只适合与一种或一类离子或分子结合。
(4)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，排出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。
[教材深挖]
(必修1 P70与社会的联系)引起囊性纤维化疾病的直接原因是肺部支气管上皮细胞表面转运氯离子的载体蛋白功能发生异常，导致患者支气管中黏液增多，造成细菌感染，根本原因是由于三个碱基对缺失造成基因突变。
3．大分子进出细胞的方式——胞吞和胞吐
(1)概念
①胞吞：当细胞摄取大分子时，首先是大分子与细胞膜上的蛋白质结合，从而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。
②胞吐：细胞需要外排的大分子，先在细胞内形成囊泡，囊泡移动到细胞膜处，并与之融合将大分子排出细胞。
(2)特点
①主要运输生物大分子，如蛋白质、多糖。
②需要(填“需要”或“不需要”)消耗能量。
③不需要转运蛋白协助，但需要特定的膜蛋白参与。
④依赖膜的流动性。
(3)实例
①胞吞：吞噬细胞吞噬病原体，单细胞动物(草履虫、变形虫)吞噬食物颗粒。
②胞吐：分泌蛋白的分泌、变形虫排出食物残渣和废物。
[教材深挖]
(必修1 P72与社会的联系)引发阿米巴痢疾的原因是在人体肠道内寄生的一种变形虫——痢疾内变形虫，能通过胞吐作用分泌蛋白分解酶，溶解人的肠壁组织，通过胞吞作用“吃掉”肠壁组织细胞，并引发阿米巴痢疾。
4．物质跨膜运输的方式与细胞膜结构的关系
(1)协助扩散和主动运输依赖细胞膜上转运蛋白的种类和数量，或转运蛋白空间结构的变化，这也是细胞膜具有选择透过性的结构基础。
(2)胞吞和胞吐也需要膜上蛋白质的参与，更离不开磷脂双分子层的流动性。
[易错辨析]
1．甘油是极性分子，所以不能以自由扩散的方式通过细胞膜。(×)
2．分子或离子通过通道蛋白时，需要与通道蛋白结合。(×)
3．水分子主要通过自由扩散进出细胞的。(×)
4．主动运输都是逆浓度梯度进行的。(√)
5．胞吞、胞吐是特殊的现象，它们运输物质不需要消耗细胞呼吸所释放的能量。(×)
6．胞吞、胞吐依赖于膜的流动性，主动运输、协助扩散与膜的流动性无关。(×)
1．归纳概括通道蛋白与载体蛋白的异同
2．“三看法”快速判定物质出入细胞的方式
3．影响物质出入细胞的因素的曲线分析
(1)物质浓度(在一定的范围内)
(2)氧气浓度
命题点1　围绕物质进出细胞方式的判断考查生命观念
1．(2021·山东卷)液泡是植物细胞中储存Ca2＋的主要细胞器。液泡膜上的H＋焦磷酸酶可利用水解无机焦磷酸释放的能量跨膜运输H＋，建立液泡膜两侧的H＋浓度梯度。该浓度梯度驱动H＋通过液泡膜上的载体蛋白CAX完成跨膜运输，从而使Ca2＋以与H＋相反的方向同时通过CAX进入液泡并储存。下列说法错误的是(　　)
A．Ca2＋通过CAX的跨膜运输方式属于协助扩散
B．Ca2＋通过CAX的运输有利于植物细胞保持坚挺
C．加入H＋焦磷酸酶抑制剂，Ca2＋通过CAX的运输速率变慢
D．H＋从细胞质基质转运到液泡的跨膜运输方式属于主动运输
解析：选A。Ca2＋通过CAX的跨膜运输方式为主动运输，所需要的能量由 H＋顺浓度梯度产生的势能提供，A错误；Ca2＋通过CAX的运输进入液泡增加细胞液的浓度，有利于植物细胞保持坚挺，B正确；加入H＋焦磷酸酶抑制剂，则液泡中的H＋浓度降低，液泡膜两侧的H＋浓度梯度差减小，为Ca2＋通过CAX的运输提供的能量减少，C正确；H＋从细胞质基质转运到液泡的跨膜运输方式需要水解无机焦磷酸释放的能量来提供，为主动运输，D正确。
2．(2022·如皋市一模)图1为氨基酸和Na＋进出肾小管上皮细胞的示意图，图2表示甲、乙两种小分子物质在细胞内外的浓度情况。下列相关叙述错误的是(　　)
图1
图2
A．图1中氨基酸运出肾小管上皮细胞的方式属于被动运输
B．使用呼吸抑制剂不会影响肾小管上皮细胞将氨基酸运进细胞
C．图2中的甲可代表图1中的Na＋，进出均需要转运蛋白
D．图2中的乙可代表图1中的氨基酸，进出均需要转运蛋白
解析：选B。根据分析可知，肾小管上皮细胞将氨基酸排出到组织液，是顺浓度梯度运输，需要转运蛋白协助，是协助扩散，即属于被动运输，A正确；肾小管上皮细胞从肾小管吸收氨基酸是从低浓度向高浓度运输，是逆浓度梯度运输，因此是主动运输，需要消耗Na＋在细胞内外浓度差而形成的势能，不需要呼吸作用提供能量，但是Na＋在细胞内外浓度差的维持依靠Na＋的主动运输，其需要消耗呼吸作用合成的ATP，故使用呼吸抑制剂会影响肾小管上皮细胞将氨基酸运进细胞，B错误；图2中的甲物质细胞内的浓度低于细胞外，图1中Na＋在细胞内的浓度低于细胞外，故图2中的甲可代表图1中的Na＋，Na＋进入细胞的方式是协助扩散，Na＋运出细胞的方式是主动运输，两种运输方式都需要转运蛋白协助，C正确；图2中的乙物质细胞内的浓度高于细胞外，图1中氨基酸在细胞内的浓度高于细胞外，氨基酸进入细胞的方式是主动运输，氨基酸运出细胞的方式是协助扩散，两种运输方式都需要转运蛋白协助，D正确。
[提醒]　关于物质进出细胞方式的几点提醒
(1)同一种物质进出细胞的运输方式不一定相同，人的红细胞吸收葡萄糖的方式是协助扩散，肾小管细胞重吸收葡萄糖的方式是主动运输。
(2)消耗能量的运输方式不一定是主动运输，也可能是胞吞或胞吐。
(3)需要转运蛋白的运输方式不一定是主动运输，也可能是协助扩散。
(4)通过胞吞、胞吐运输的不一定是大分子物质，如神经递质通过胞吐释放。
(5)顺浓度运输不一定是自由扩散方式，也可能是协助扩散。
命题点2　围绕物质进出细胞方式考查科学思维及科学探究
3．(多选) (2022·沈阳市一模)在适宜条件下用含有不同浓度的物质X营养液培养龙眼幼苗，并测定龙眼幼苗对物质X的吸收速率，结果如图所示。据图推测下列相关叙述错误的是(　　)
A．细胞吸收物质X可能需要载体蛋白
B．细胞吸收物质X一定需要能量的供给
C．在物质X跨膜运输过程中，龙眼细胞膜上转运蛋白的构象不会发生改变
D．当浓度大于0.5 mmol·L－1后，细胞吸收物质X的速率将始终保持不变
解析：选BCD。根据试题分析，物质X跨膜运输方式可能是协助扩散或者主动运输，两种运输方式都需要载体蛋白，A正确；根据试题分析，物质X跨膜运输方式可能是协助扩散或者主动运输，其中协助扩散不需要能量供应，B错误；在物质X跨膜运输过程中，物质X和转运的蛋白结合时，转运蛋白的构象可以发生改变，C错误；当浓度大于0.5 mmol·L－1后有可能浓度过大发生质壁分离，细胞生命活动受到影响，从而影响对物质X的吸收速率，D错误。
4．(2022·山东百师联盟联考)柽柳是强耐盐植物，它的根部能够吸收无机盐，叶子和嫩枝可以将吸收到植物体内的无机盐排出体外。为探究根部对无机盐X的吸收方式，某兴趣小组的同学利用生理状况相同的多条柳根、已知浓度的X溶液、X载体抑制剂和呼吸抑制剂做了以下实验：
甲组：6条柽柳根＋X的溶液→一段时间后测溶液中X的浓度，计算X吸收速率
乙组：6条柽柳根＋X的溶液＋X载体抑制剂→一段时间后测溶液中X的浓度，计算X吸收速率
丙组：6条柽柳根＋X的溶液＋呼吸抑制剂→一段时间后测溶液中X的浓度，计算X吸收速率
下列对实验思路或实验结论的叙述不正确的是(　　)
A．甲、乙、丙三组不同的处理方法是自变量，不同处理方法后X的吸收速率是因变量
B．若乙组溶液中X的吸收速率比甲组的低，说明X是通过主动运输吸收的
C．若丙组溶液中X的吸收速率与甲组的吸收速率相等，说明X是通过被动运输吸收的
D．若乙、丙两组溶液中X的吸收速率小于甲组的吸收速率，说明X是通过主动运输吸收的
解析：选B。由题干可知，甲组是对照组，乙、丙组是实验组，不同的处理方法是自变量，实验前后X的吸收速率是因变量，A正确；使用X载体抑制剂，乙组溶液中X的吸收速率比甲组的低，也可能是协助扩散，B错误；若丙组溶液中X的吸收速率与甲组的吸收速率相等，说明没有消耗能量，X是通过被动运输吸收的，C正确；乙、丙两组溶液中X的吸收速率都小于甲组的吸收速率，说明吸收X既需要载体，又消耗能量，X是通过主动运输吸收的，D正确。
[技法提炼]　探究物质跨膜运输方式的实验设计思路
(1)探究是主动运输还是被动运输
(2)探究是自由扩散还是协助扩散
[真题演练]
1．(2022·全国甲卷)植物成熟叶肉细胞的细胞液浓度可以不同。现将a、b、c三种细胞液浓度不同的某种植物成熟叶肉细胞，分别放入三个装有相同浓度蔗糖溶液的试管中，当水分交换达到平衡时观察到：①细胞a未发生变化；②细胞b体积增大；③细胞c发生了质壁分离。若在水分交换期间细胞与蔗糖溶液没有溶质的交换，下列关于这一实验的叙述，不合理的是(　　)
A．水分交换前，细胞b的细胞液浓度大于外界蔗糖溶液的浓度
B．水分交换前，细胞液浓度大小关系为细胞b>细胞a>细胞c
C．水分交换平衡时，细胞c的细胞液浓度大于细胞a的细胞液浓度
D．水分交换平衡时，细胞c的细胞液浓度等于外界蔗糖溶液的浓度
解析：选C。由“①细胞a未发生变化”可推出细胞a在该蔗糖溶液中的吸水量等于失水量，即水分交换前，细胞a的细胞液浓度与外界蔗糖溶液的浓度相等；由“②细胞b体积增大”可推出细胞b在该蔗糖溶液中的吸水量大于失水量，即水分交换前，细胞b的细胞液浓度大于外界蔗糖溶液的浓度；由“③细胞c发生了质壁分离”可推出细胞c在该蔗糖溶液中的失水量大于吸水量，即水分交换前，细胞c的细胞液浓度小于外界蔗糖溶液的浓度；综合上述分析可以推出，水分交换前，细胞b的细胞液浓度大于外界蔗糖溶液的浓度，A合理。水分交换前，细胞液浓度大小关系为细胞b>细胞a>细胞c，B合理。水分交换平衡时，细胞a和细胞c的细胞液浓度都与各自所处的外界蔗糖溶液的浓度相等，由于细胞c发生了质壁分离，有水进入蔗糖溶液中，故水分交换平衡时，细胞c的细胞液浓度小于细胞a的细胞液浓度，C不合理，D合理。
2．(2022·湖北卷)哺乳动物成熟红细胞的细胞膜含有丰富的水通道蛋白，硝酸银(AgNO3)可使水通道蛋白失去活性。下列叙述错误的是(　　)
A．经AgNO3处理的红细胞在低渗蔗糖溶液中会膨胀
B．经AgNO3处理的红细胞在高渗蔗糖溶液中不会变小
C．未经AgNO3处理的红细胞在低渗蔗糖溶液中会迅速膨胀
D．未经AgNO3处理的红细胞在高渗蔗糖溶液中会迅速变小
解析：选B。经AgNO3处理的红细胞，水通道蛋白失去活性，但水可以通过自由扩散的形式进出细胞，故其在低渗蔗糖溶液中会吸水膨胀，在高渗蔗糖溶液中会失水变小，A正确，B错误；未经AgNO3处理的红细胞，水可通过水通道蛋白快速进出细胞，也可通过自由扩散进出细胞，故其在低渗蔗糖溶液中会迅速吸水膨胀，在高渗蔗糖溶液中会迅速失水变小，C、D正确。
3．(2022·山东卷)NO和NH是植物利用的主要无机氮源，NH的吸收由根细胞膜两侧的电位差驱动，NO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NH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．NH通过AMTs进入细胞消耗的能量直接来自ATP
B．NO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NO会加重铵毒
D．载体蛋白NRT1.1转运NO和H＋的速度与二者在膜外的浓度呈正相关
解析：选B。由题干信息可知，NH的吸收是根细胞膜两侧的电位差驱动的，所以NH通过AMTs进入细胞消耗的能量不是来自ATP，A错误。由图上可以看到，NO进入根细胞膜是H＋的浓度梯度驱动进行的逆浓度梯度运输，所以NO通过SLAH3转运到细胞外是顺浓度梯度运输，属于被动运输，B正确。铵毒发生后，H＋在细胞外更多，增加细胞外的NO，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错误。据图可知，载体蛋白NRT1.1转运NO属于主动运输，主动运输的速率与其浓度无必然关系；运输H＋属于协助扩散，协助扩散在一定范围内呈正相关，超过一定范围后不成比例，D错误。
4．(2021·全国甲卷)植物的根细胞可以通过不同方式吸收外界溶液中的K＋。回答下列问题：
(1)细胞外的K＋可以跨膜进入植物的根细胞。细胞膜和核膜等共同构成了细胞的生物膜系统，生物膜的结构特点是_________________________。
(2)细胞外的K＋能够通过离子通道进入植物的根细胞。离子通道是由__________________复合物构成的，其运输的特点是_______________(答出1点即可)。
(3)细胞外的K＋可以通过载体蛋白逆浓度梯度进入植物的根细胞。在有呼吸抑制剂的条件下，根细胞对K＋的吸收速率降低，原因是____________________。
解析：(1)生物膜的结构特点是具有一定的流动性。(2)离子通道是由蛋白质复合物构成的，一种离子通道只允许一种离子通过，而另一些离子则不容易通过，即离子通道具有选择性。(3)细胞外的K＋可以通过载体蛋白逆浓度梯度进入植物的根细胞，可知是主动运输过程，主动运输需要消耗能量，而细胞中的能量由细胞呼吸提供，因此呼吸抑制剂会影响细胞对K＋的吸收速率。
答案：(1)具有一定的流动性　(2)蛋白质　选择性　(3)细胞逆浓度梯度吸收 K＋是主动运输过程，需要能量，呼吸抑制剂会影响细胞呼吸供能，故使细胞主动运输速率降低
[长句特训]
　细胞膜上转运蛋白分为载体蛋白和通道蛋白两种类型。载体蛋白既可以介导主动运输又可以介导被动运输，而通道蛋白只能介导被动运输。图1和图2分别是载体蛋白和通道蛋白的示意图。
图1
图2
设问形式1　图文转化，长句特训类命题
(1)图1中的载体蛋白转运溶质时与图2中K＋通过细胞膜时运输机制的不同点是_________________________。
设问形式2　思维创新类命题
(2)通道蛋白分为水通道蛋白和离子通道蛋白，研究发现水分子通过水通道蛋白的速率高于通过人工膜的速率，为验证这一现象，请完善下面的实验思路和实验结果。
实验思路：
①实验组将水通道蛋白插入人工制作的脂质体(双层磷脂分子组成的人工膜)，对照组则使用_______________________。
②两组脂质体内加入一定浓度的蔗糖溶液，置于清水中，一段时间后，观察并记录____________________________________。
预期结果：____________________________。
解析：(1)根据图示信息作答：从图1中可以看出溶质和载体蛋白结合后，载体蛋白发生了自身构象的改变，而K＋通过细胞膜时，是利用通道蛋白进入细胞内，不需要与通道蛋白结合。(2)该实验目的是验证水分子通过水通道蛋白的速率高于通过人工膜的速率，所以自变量是膜上是否有通道蛋白，因此：①实验组将水通道蛋白插入人工制作的脂质体，对照组需要制作不含该水通道蛋白的等体积脂质体。②两组脂质体内加入一定浓度的蔗糖溶液，置于清水中，由于膜内外存在浓度差，且膜内浓度高于膜外，所以脂质体可以吸收水分并涨破，因此观察并记录两组脂质体吸水涨破的时间；如果实验组的脂质体吸水涨破的时间小于对照组的，说明有蛋白质的脂质体吸水速率高于没有蛋白质的脂质体。
答案：(1)图1中溶质和载体蛋白结合后，载体蛋白发生了自身构象的改变，而K＋通过细胞膜时，是利用通道蛋白进入细胞内，不需要与通道蛋白结合　(2)①不含该水通道蛋白的等体积脂质体　②两组脂质体吸水涨破的时间　实验组的脂质体吸水涨破的时间小于对照组
第3课　细胞的物质输入和输出
[基础练透]
1．如图装置中，甲、乙、丙中分别放置了相等物质的量浓度的蔗糖溶液、麦芽糖溶液和乳糖溶液(溶液体积关系：V甲＝V丙A．若向甲、丙中分别加入等体积相同物质的量浓度的蔗糖酶和乳糖酶，稳定后液面高度：乙>甲>丙
B．若向乙中加入一定量麦芽糖酶溶液，稳定后液面高度：乙<甲＝丙
C．若向丙中加入一定量的半乳糖后，稳定后液面高度：甲＝乙＝丙，并且甲、乙、丙中半乳糖含量相同
D．本实验中半乳糖等单糖分子从浓度高的一侧向浓度低的一侧通过半透膜的扩散称为渗透作用
解析：选B。向甲、丙中分别加入等体积相同物质的量浓度的蔗糖酶和乳糖酶，甲中的蔗糖水解成两分子单糖，丙中的乳糖分解为两分子单糖，都可通过半透膜进入乙中，引起乙液面升高，稳定后液面高度乙＞甲＝丙，A错误；向乙中加入一定量麦芽糖酶溶液后，乙中的麦芽糖水解为两分子的葡萄糖，会通过半透膜分别进入甲和丙，稳定后液面高度乙＜甲＝丙，B正确；向丙中加入一定量的半乳糖后，由于半乳糖可以通过半透膜，因此稳定后液面高度甲＝乙＝丙，但因为乙体积最大，所以乙中半乳糖含量最多，C错误；渗透作用是指水分子或其他溶剂分子通过半透膜的扩散过程，本实验中水分子是溶剂分子，故本实验中半乳糖等单糖分子从浓度高的一侧向浓度低的一侧通过半透膜的扩散，不能称为渗透作用，D错误。
2．(2022·山东滨州模拟)以紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞作为观察植物细胞质壁分离和复原实验的材料，下列有关说法正确的是(　　)
A．正在发生质壁分离的细胞，其吸水能力逐渐减弱
B．正在发生质壁分离的细胞，其紫色区域逐渐缩小，该区域颜色逐渐变深
C．发生质壁分离后完全复原的细胞，其细胞液浓度最终与外界溶液浓度相同
D．该实验不选择紫色洋葱鳞片叶内表皮细胞作材料，是由于该类细胞不能发生质壁分离
解析：选B。紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的细胞液呈紫色，正在发生质壁分离的细胞，因不断失水导致细胞液的浓度逐渐增大，紫色区域逐渐缩小，颜色逐渐变深，其吸水能力逐渐增强，A错误，B正确；因具有支持和保护作用的细胞壁也有一定程度的伸缩性，发生质壁分离后完全复原的细胞，其细胞液浓度最终与外界溶液浓度相同或大于外界溶液浓度，C错误；该实验不选择紫色洋葱鳞片叶内表皮细胞作材料，是由于该类细胞的细胞液无色，不易观察质壁分离及其复原现象，D错误。
3．科研人员将某种植物叶片置于一定浓度的乙二醇溶液和蔗糖溶液中，培养相同时间后检测其原生质体(去掉细胞壁的植物细胞)体积的变化，结果如图所示。下列相关叙述错误的是(　　)
A．用于培养植物叶片的甲溶液和乙溶液起始浓度可能相同
B．甲溶液是乙二醇溶液，乙溶液是蔗糖溶液
C．2 min后，处于乙溶液中的植物细胞可能已经死亡
D．C点时甲溶液中的溶质开始进入细胞，细胞开始发生质壁分离复原
解析：选D。实验开始时，甲溶液中的植物叶片原生质体的相对体积大于乙溶液中原生质体的相对体积，原因可能是甲溶液中的乙二醇分子进入细胞导致细胞液浓度增大引起的，甲、乙溶液起始浓度可能相同，A正确；植物细胞在甲溶液中先质壁分离后复原是因为乙二醇分子可以进入细胞，B正确；2 min后，处于乙溶液中的植物细胞原生质体的相对体积不再改变可能是植物细胞过度失水而死亡，C正确；C点前甲溶液中的溶质就开始进入细胞，D错误。
4．(2022·辽宁模拟)下列关于物质跨膜运输的说法，错误的是(　　)
A．二氧化碳在大气中的浓度极低，为其从人体内自由扩散而出，提供了便利条件
B．一氧化碳对人体有害也能自由扩散进入人体，说明细胞膜对物质进出的控制是相对的
C．转运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自身构象都会改变
D．分子或离子通过通道蛋白时，不需要与通道蛋白结合
解析：选C。二氧化碳的跨膜运输方式是自由扩散，顺浓度梯度运输，在大气中的浓度极低，人体内浓度更高，为其从人体内自由扩散而出，提供了便利条件，A正确；一氧化碳对人体有害，但其跨膜运输方式是自由扩散，顺浓度梯度运输，故如果外界CO的浓度高，也能自由扩散进入人体，说明细胞膜对物质进出的控制是相对的，B正确；转运蛋白可分为载体蛋白和通道蛋白，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，且每次转运自身构象都会改变，但通道蛋白的机制不同，C错误；分子或离子通过通道蛋白时，不需要与通道蛋白结合，D正确。
5．(2022·泉州市二模)下列关于跨膜运输的叙述，正确的是(　　)
A．神经细胞K＋外流不需要蛋白质协助
B．血浆中的O2进入红细胞需要蛋白质协助
C．氨基酸能以主动运输的方式被小肠上皮细胞吸收
D．蛋白质和RNA能以胞吞或胞吐的方式进出细胞核
解析：选C。离子无法直接穿过磷脂双分子层，故神经细胞K＋外流，需要蛋白质协助，A错误；血浆中的O2进入红细胞是自由扩散，不需要蛋白质协助，B错误；氨基酸逆浓度梯度进入小肠上皮细胞时，是以主动运输的方式被小肠上皮细胞吸收，C正确；蛋白质和RNA通过核孔进出细胞核，不是以胞吞或胞吐的方式进出细胞核，D错误。
6．植物细胞膜上存在“H＋－ATP酶”(质子泵)，其水解ATP的活性位点在细胞内。如图为质子泵运输和由质子泵运输偶联引起的相关运输过程示意图。当细胞外侧H＋浓度增加时，可使细胞膜两侧产生电化学势梯度。下列叙述错误的是(　　)
A．细胞外的H＋顺浓度梯度运输到细胞内
B．细胞外的K＋利用电化学势梯度跨膜运输的方式属于协助扩散
C．细胞外的I－可与H＋一起经膜上的载体蛋白同向运输到细胞内
D．ATP驱动细胞膜上的质子泵将细胞内的H＋运向细胞外
解析：选B。据图分析，细胞外的H＋顺浓度梯度运输到细胞内，属于协助扩散，A正确；细胞外的K＋运输到细胞内是逆浓度梯度运输，属于主动运输，B错误；细胞外的I－可与H＋一起经膜上的载体蛋白同向运输到细胞内，其中H＋运输到细胞内是协助扩散，而I－运输到细胞内是主动运输，C正确；细胞膜上的质子泵将细胞内的H＋运向细胞外的能量来源于ATP水解，D正确。
7．(多选)美国科学家阿格雷和麦金农因研究细胞膜中的通道蛋白获得了诺贝尔奖，阿格雷成功分离出了水通道蛋白，麦金农测出了K＋通道蛋白的立体结构。水通道蛋白的发现使人们认识到水分子可以通过自由扩散和水通道蛋白两种途径进出细胞。如图为肾小管上皮细胞重吸收水分和K＋通道蛋白协助物质运输的示意图，下列与通道蛋白有关的叙述不正确的是(　　)
A．水分子通过自由扩散的方式进出细胞的速率大于通过水通道蛋白进出细胞的速率
B．推测肾小管上皮细胞重吸收水分的能力与其膜上水通道蛋白的数量有关
C．K＋通道蛋白运输物质的方式为主动运输，需要消耗ATP
D．水分子或K＋通过其通道蛋白时，需要与通道蛋白结合
解析：选ACD。由于有通道蛋白协助，水分子通过协助扩散的方式进出细胞的速率大于通过自由扩散进出细胞的速率，A错误；肾小管上皮细胞重吸收水分的能力与其膜上水通道蛋白的数量有关，通道蛋白数量越多，越有利于对水的重吸收，B正确；由题图可知，K＋可从高浓度到低浓度运输，故K＋通道蛋白运输物质的方式为协助扩散，不需要消耗ATP，C错误；由题图可知，水分子或K＋通过其通道蛋白时，不需要与通道蛋白结合，D错误。
8．黑藻是一种常见的单子叶沉水植物，其叶片小而薄，叶肉细胞内有大而清晰的叶绿体，液泡无色。某同学利用黑藻进行观察细胞质流动以及观察黑藻叶肉细胞质壁分离和复原现象，实验步骤如图所示。请据图回答：
(1)在制作黑藻叶片临时装片时，先在载玻片上滴加______________，把黑藻叶片放入并展平，然后加上______________，进行观察。
(2)步骤①中，可观察到黑藻叶肉细胞中的原生质层的位置是______________。
(3)若步骤②中，从一侧滴加的是加有伊红(植物细胞不吸收的红色染料)的0.3 g/mL蔗糖溶液，则在显微镜下观察到A、B处颜色分别是____________________。
(4)现欲探究温度对黑藻细胞质流动的影响，请你简要写出实验的主要思路：_________________________________。
答案：(1)清水(或蒸馏水)　盖玻片　(2)紧贴细胞壁　(3)绿色、红色　(4)设立等温度梯度的细胞质流动的分组实验，对比实验结果，得出结论
[能力提升]
9．(2022·广东潮州模拟)线粒体外膜分布着孔蛋白构成的通道蛋白，分子量小于5000 Da的丙酮酸可以经此通道通过。线粒体内膜由于蛋白质含量高导致通透性低，丙酮酸通过与H＋(质子)协同运输[利用H＋(质子)电化学梯度]的方式由膜间隙进入线粒体基质，如图所示。下列相关分析正确的是(　　)
A．丙酮酸经过孔蛋白进入线粒体膜间隙的方式为自由扩散
B．线粒体内外膜通透性不同的原因是膜上的转运蛋白的种类不同
C．H＋(质子)通过质子泵由线粒体基质进入膜间隙的方式为主动运输
D．加入蛋白质变性剂会提高线粒体内膜对各种物质运输的速率
解析：选C。根据题意可知，线粒体外膜的通道蛋白可以让丙酮酸通过，不需要消耗能量，因此为协助扩散，A错误；线粒体外膜上含有孔蛋白构成的通道蛋白，可以被动运输丙酮酸，内膜上有质子泵逆浓度转运氢离子，膜上的转运蛋白种类和数目有差异导致了线粒体内外膜的通透性不同，B错误；H＋(质子)通过质子泵由线粒体基质进入膜间隙是逆浓度梯度，且需要载体蛋白，因此为主动运输，C正确；蛋白质变性剂会使蛋白质变性，从而失活，H＋(质子)通过质子泵由线粒体基质进入膜间隙需要载体蛋白，所以运输速率会减小，D错误。
10．图示为一类特殊的蛋白质复合物SNARE(可溶性N—乙基马来酰亚胺敏感的融合蛋白附着蛋白受体)在囊泡锚定和融合中的作用机制，图中GTP的生理功能及产生均与ATP类似。下列叙述不正确的是(　　)
A．在囊泡运输货物过程中，需要消耗能量
B．如图所示的过程体现了生物膜对物质的主动运输
C．如图所示的过程体现了生物膜的结构特点
D．货物准确运输到目的地需要细胞骨架的协助，该骨架主要由蛋白质组成
解析：选B。囊泡运输货物需要能量，线粒体是细胞动力车间，是能量供应站，在囊泡运输货物过程中囊泡周围会出现线粒体，A正确；题图所示的过程体现了生物膜对物质的胞吞或胞吐作用，不是主动运输，B错误；如图所示的过程中囊泡膜与靶膜融合，体现了生物膜具有一定的流动性，C正确；货物准确运输到目的地需要膜的融合，需要细胞骨架的协助，而细胞骨架是由蛋白质纤维组成的网架结构，D正确。
11．(多选)细胞质酸化是植物面临的生存威胁之一，液泡可对细胞内的环境起调节作用，这与液泡膜上的质子泵(H＋-ATP酶)密切相关，H＋-ATP酶以ATP水解产生的能量将H＋泵入液泡，以维持胞质pH平衡。如图为液泡膜上H＋-ATP酶维持细胞质pH平衡示意图，下列说法错误的是(　　)
A．H＋-ATP酶的作用是催化ATP水解，但不能作为运输H＋载体
B．细胞外H＋进入细胞质基质的过程不消耗细胞提供的能量
C．细胞外环境、细胞质基质、液泡液三者中，pH最大的是液泡液
D．H＋-ATP酶运输H＋的方式是主动运输，该过程影响H＋运输速率的因素有温度、O2浓度等
解析：选AC。酶具有催化作用，结合图示可知，H＋-ATP酶还能运输H＋，是H＋的载体蛋白，A错误。结合图示可知，H＋运出细胞需要消耗能量，因此运进细胞属于协助扩散，不消耗能量，B正确。结合图示可知，H＋主动运输进入液泡，方向为低→高，因此细胞质基质中的H＋浓度低，结合图示可知，细胞质基质中的H＋比细胞外的低，因此细胞质基质中的H＋浓度最小，pH最大，C错误。 H＋-ATP酶运输H＋时消耗ATP和需要载体蛋白，属于主动运输；温度(影响分子运动、影响呼吸产生ATP)、O2的浓度(影响呼吸中ATP的合成)、载体蛋白的数量等都会影响主动运输的速率，D正确。
12．(2022·涪城区模拟)为研究某种植物叶片细胞吸收物质X的方式，选用生理状况基本相同的，且细胞膜中缺少蛋白A的该植物叶肉细胞为材料，在氧浓度等条件适宜的情况下进行如表所示的实验。
组别 第一步 第二步 第三步 结果
A 细胞内注入少量蒸馏水 放入含物质X的培养液中培养，物质X用放射性同位素标记 培养相同时间后检测细胞内的放射性强度 无放射性
B 细胞内注入蛋白A的mRNA 放射性强
C 细胞内注入蛋白A的mRNA 放入含物质X(用放射性同位素标记)和氯化汞的培养液中培养 放射性弱
据表回答下列问题：
(1)实验说明：该mRNA________(填“转录”或“翻译”)的蛋白A参与物质X的运输，且蛋白A的功能可能会受到________的抑制。
(2)上述实验不能证明该植物叶片细胞吸收物质X的方式为主动运输，为进一步探究叶片细胞吸收物质X的跨膜运输方式，可在________(填“有”或“无”)氧条件下，进行与________组相同操作的D组实验。如果实验结果为____________________________，则说明为协助扩散；如果实验结果为__________________，则说明为主动运输。
解析：(1)分析表格可知，细胞内注入蛋白A的mRNA，可以通过翻译，合成蛋白A，因而可以运输物质X，所以可以检测到放射性，但C组因含有氯化汞放射性较B组弱，说明氯化汞抑制物质X的运输，其原因可能是影响蛋白A的功能。(2)上述实验不能证明该植物叶片细胞吸收物质X的方式为主动运输，为进一步探究叶片吸收物质X的跨膜运输方式，可在无氧条件下，进行与B组相同操作的D组实验；如果实验结果为B组和D组细胞内的放射性强度相同，则说明为协助扩散；如果实验结果为D组细胞内的放射性强度小于B组细胞，则说明为主动运输。
答案：(1)翻译　氯化汞　(2)无　B　B组和D组细胞内的放射性强度相同　D组细胞内的放射性强度小于B组细胞

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