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第10讲　物质进出细胞的方式及影响因素
[课标要求]
1.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;有些物质逆浓度梯度进出细胞,需要能量和载体蛋白。
2.举例说明大分子物质可以通过胞吞、胞吐进出细胞。
考点一
被动运输、主动运输与胞吞、胞吐
1.被动运输
(1)概念:物质以扩散方式进出细胞, 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。
基础知识·整合
不需要
(2)类型:分为自由扩散和协助扩散两类。
转运
高
低
高
低
不需要
不消耗
蛋白
(3)转运蛋白:包括通道蛋白和载体蛋白。
协助扩散
主动运输
特异性
2.主动运输
载体
逆
消耗能量
载体蛋白
代谢废物
蛋白
3.胞吞和胞吐
深挖教材
1.判断正误
(1)(必修1 P67正文)水分子主要是通过自由扩散进出细胞的。(　　)
×
【提示】 水分子主要是通过协助扩散进出细胞的。
(2)(必修1 P71正文)大分子有机物要通过转运蛋白的作用才能进入细胞内,并且要消耗能量。(　　)
【提示】 大分子有机物要进入细胞内的方式是胞吞,该过程不需要转运蛋白,但要消耗能量。
×
(3)(必修1 P72练习与应用)主动运输都是逆浓度梯度进行的。(　　)
(4)(必修1 P72与社会的联系)变形虫既能通过胞吞摄取单细胞生物等食物,又能通过胞吐排出食物残渣和废物。(　　)
√
√
2.规范表达
(必修1 P67 正文拓展)水通道蛋白(AQP)是一类细胞膜通道蛋白。检测人唾液腺正常组织和水肿组织中3种AQP基因mRNA含量,发现AQP1和AQP3基因mRNA含量无变化,而水肿组织中AQP5基因mRNA含量是正常组织的2.5倍。
(1)AQP蛋白转运水进入细胞需要消耗ATP吗 请说明理由。
【提示】 不需要。通道蛋白参与的是被动运输(协助扩散),不消耗能量。
(2)检测结果表明,是否只有AQP5蛋白参与人唾液腺水肿的形成 请说明理由。
【提示】 不是。AQP1和AQP3基因mRNA含量无变化,而水肿组织中AQP5基因mRNA含量是正常组织的2.5倍,说明AQP5基因mRNA含量在水肿组织和正常组织中有差异,但不能说明只有AQP5蛋白参与人唾液腺水肿的形成。
关注物质进出细胞方式的5点“不一定”
(1)同一种物质进出细胞的运输方式不一定相同,如人的红细胞吸收葡萄糖的方式是协助扩散,肾小管上皮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)需要载体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)顺浓度运输的方式不一定是自由扩散,也可能是协助扩散。
重难知识·透析
能力1　结合转运蛋白的种类和功能,考查科学思维及获取信息的能力
1.(2025·河南卷,3)耐寒黄花苜蓿的基因M编码的蛋白M属于水通道蛋白家族,将基因M转入烟草植株可提高其耐寒能力。下列叙述错误的是(　　)
A.细胞内的结合水占比增加可提升植物的耐寒能力
B.低温时,水分子通过与蛋白M结合转运到细胞外
C.蛋白M增加了水的运输能力,但不改变水的运输方向
D.水通道蛋白介导的跨膜运输不是水进出细胞的唯一方式
关键能力·提升
B
【解析】 细胞内的结合水占比增加可提升植物的耐寒能力;水分子通过细胞膜上的通道蛋白进行跨膜运输时,不与通道蛋白相结合;蛋白M是细胞膜上的水分子通道蛋白,增加了水的运输能力,但不改变水的运输方向,水的运输方向为顺浓度梯度;水进出细胞的方式有水通道蛋白介导的协助扩散和自由扩散。
能力2　结合物质出入细胞方式的判断考查获取信息能力
2.(2025·四川卷,4)某细菌能将组氨酸脱羧生成组胺和CO2,相关物质的跨膜运输过程如下图。下列叙述正确的是(　　)
A.转运蛋白W可协助组氨酸逆浓度梯度进入细胞
B.胞内产生的组胺跨膜运输过程需要消耗能量
C.转运蛋白W能同时转运两种物质,故不具特异性
D.CO2分子经自由扩散,只能从胞内运输到胞外
B
【解析】 分析题图可知,转运蛋白W可协助组氨酸顺浓度梯度进入细胞;胞内产生的组胺逆浓度跨膜运输,属于主动运输,需要消耗能量,能量由组氨酸的电化学梯度提供;转运蛋白W能同时转运两种物质,也具有特异性;CO2分子经自由扩散,也可以从胞外运输至胞内,例如从血浆进入肺部细胞。
考点二
影响物质跨膜运输速率的
因素分析
1.影响物质跨膜运输速率的因素
(1)浓度差对物质跨膜运输的影响。
转运
浓度差主要影响自由扩散和协助扩散。
基础知识·整合
(2)转运蛋白数量对跨膜运输的影响。
能量
转运蛋白数量影响协助扩散和主动运输,自由扩散不受转运蛋白数量的影响。
(3)氧气含量对跨膜运输的影响:通过影响细胞呼吸进而影响主动运输的速率。
提醒　红细胞主动运输速率与O2含量的关系同左图。
(4)温度对跨膜运输的影响。
2.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。
主动运输
被动运输
(2)探究是自由扩散还是协助扩散。
协助扩散
自由扩散
深挖教材
1.判断正误
(1)(必修1 P67正文拓展)自由扩散的速率仅与所运输物质的浓度差有关,与环境温度无关。(　　)
×
【提示】 自由扩散的速率既与所运输物质的浓度差有关,又与环境温度有关。
(2)(必修1 P70正文拓展)当氧气浓度为零时,人体肝细胞吸收葡萄糖的速率为零。(　　)
【提示】 肝细胞吸收葡萄糖的方式为主动运输,即使氧气浓度为零,人体肝细胞吸收葡萄糖的速率也不为零,因为肝细胞可通过无氧呼吸供能。
×
2.规范表达
(必修1 P72拓展应用2)柽柳是强耐盐植物,它的叶子和嫩枝可以将吸收到植物体内的无机盐排出体外。柽柳的根部吸收无机盐离子是主动运输还是被动运输 如果要设计实验加以证明,请说出实验思路。
【提示】 取甲、乙两组生长状态基本相同的柽柳幼苗,放入适宜浓度的含有Ca2+、K+的培养液中。甲组给予正常的细胞呼吸条件,乙组抑制细胞呼吸,一段时间后测定两组植株根系对Ca2+、K+的吸收速率。若两组植株对Ca2+、K+的吸收速率相同,说明柽柳从土壤中吸收无机盐为被动运输;若乙组吸收速率明显小于甲组吸收速率,说明柽柳从土壤中吸收无机盐是主动运输。
能力3　结合物质跨膜运输的影响因素,考查科学思维
3.(2025·广东卷,8)物质跨膜运输是维持细胞正常生命活动的基础,下列叙述正确的是(　　)
A.呼吸时O2从肺泡向肺毛细血管扩散的速率受O2浓度的影响
B.心肌细胞主动运输Ca2+时参与转运的载体蛋白仅与Ca2+结合
C.血液中葡萄糖经协助扩散进入红细胞的速率与细胞代谢无关
D.集合管中Na+与通道蛋白结合后使其通道开放进而被重吸收
A
关键能力·提升
【解析】 O2从肺泡向肺毛细血管扩散属于自由扩散,速率主要受O2浓度影响;心肌细胞主动运输Ca2+时消耗能量,载体蛋白结合Ca2+,通常还需催化ATP水解,以结合磷酸基团从而磷酸化,并非仅与Ca2+结合;葡萄糖进入红细胞为协助扩散,速率受浓度差和载体数量影响,红细胞代谢会影响细胞内葡萄糖浓度,从而影响葡萄糖进入红细胞的速率;集合管中Na+重吸收主要通过主动运输,需载体蛋白且消耗能量,而非通过通道蛋白进行的被动运输。
热点情境2　
主动运输的三种能量来源
[情境链接]
根据能量来源不同,主动运输可分为ATP直接提供能量(ATP驱动泵)、间接提供能量(协同转运蛋白)以及光驱动泵三种基本类型。(如图所示)
1.ATP驱动泵
ATP驱动泵直接利用水解ATP释放的能量,实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输。这种主动运输是一种能量偶联的化学反应过程,即离子或小分子逆电化学梯度的运输与ATP水解相偶联。
2.协同转运蛋白
协同转运蛋白介导各种离子和分子的跨膜运输。这种转运蛋白包括两种类型:同向转运蛋白和反向转运蛋白。这两类转运蛋白使一种离子或分子逆浓度梯度转运与另一种或多种其他离子或分子顺浓度梯度的转运偶联起来。与ATP驱动泵直接利用水解ATP提供能量的方式不同,协同转运蛋白所利用的能量储存在其中一种溶质的电化学梯度中。在动物细胞膜上,Na+是常用的协同转运离子,它的电化学梯度为另一种物质的主动运输提供了驱动力。
由于Na+电化学梯度的形成需要Na+-K+泵水解ATP,因此,协同转运是一种间接消耗能量的主动运输方式(如下图)。
3.光驱动泵
当细菌紫膜质被重组到人工脂质囊泡时,经科学家们通过实验证明在有光的条件下,它能够将H+泵到囊泡内,产生一个质子梯度。当这些囊泡与从线粒体中纯化的ATP合成酶混合时,该系统就催化ATP的合成(如图丙)。这个ATP的形成需要H+浓度梯度,且研究人员发现减少系统中的紫膜质或增加解偶联剂都会减少ATP的合成(如图甲、乙、丁)。
[迁移应用]
1.(2025·广州三模)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
A
【解析】 Ca2+通过CAX的跨膜运输方式为主动运输,所需要的能量由H+浓度梯度产生的势能提供;Ca2+通过CAX的运输进入液泡,增大了细胞液的渗透压,有利于植物细胞吸水进而保持坚挺;加入H+焦磷酸酶抑制剂会抑制H+从细胞质基质进入液泡,则液泡中的H+浓度降低,液泡膜两侧的H+浓度梯度差减小,Ca2+通过CAX的运输速率减慢;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,为主动运输。
2.(2025·江门联考)研究发现,植物细胞可以利用H+形成的浓度差提供的能量,通过蔗糖-H+同向运输器吸收蔗糖分子。如图为蔗糖分子的跨膜运输示意图,下列相关叙述错误的是(　　)
A.H+可采用不同的方式进行跨膜转运
B.加入H+-ATP酶抑制剂不会影响蔗糖的运输速率
C.H+-ATP酶既具有催化功能,又具有运输功能
D.H+-ATP酶发挥作用时,其空间结构会发生改变
B
【解析】 由题图分析可知,H+可采用主动运输和协助扩散的方式进行跨膜转运;加入H+-ATP酶抑制剂会影响H+运出细胞,进而影响细胞对蔗糖的吸收;H+-ATP酶既具有催化功能(催化ATP水解),又具有运输物质功能(运输H+);H+-ATP酶作为载体蛋白发挥作用时,其空间结构会发生改变。
B
3.(2025·重庆卷,8)骨关节炎是一种难以治愈的常见疾病,研究发现患者软骨细胞膜上的Na+通道蛋白明显多于正常人,从而影响NCX载体蛋白对Ca2+的运输,据图分析,下列叙述错误的是(　　)
A.Na+通道运输Na+不需要消耗ATP
B.运输Na+时,Na+通道和NCX载体均需与Na+结合
C.患者软骨细胞的Ca2+内流增多
D.与NCX载体相比,Na+通道更适合作为研究药物的靶点
【解析】 Na+通道运输Na+属于协助扩散,协助扩散不需要消耗能量;Na+通过通道蛋白时,不需要与通道蛋白结合;因为患者软骨细胞膜上Na+通道蛋白增多,会使Na+内流增多,胞内Na+会积累,NCX载体会将胞内过多的Na+逆浓度排出胞外,需要利用Ca2+产生的电化学势能提供能量,所以使得Ca2+内流增多;因为患者的Na+通道蛋白明显多于正常人,所以与NCX载体相比,
Na+通道更适合作为研究药物的靶点。
4.α-变形菌的细胞膜镶嵌有光驱动蛋白,其作为“质子泵”可将H+从细胞内侧泵到细胞膜外,形成的H+浓度梯度(化学势能)可用于ATP合成、物质的跨膜运输或驱动细菌鞭毛运动。如图为α-变形菌能量转化的部分示意图。下列叙述正确的是(　　)
A.质子泵将H+从细胞内侧泵到细胞膜外,有利于调节α-变形菌细胞的pH
B.H+从细胞内侧泵到细胞膜外过程中,光驱动蛋白的构象不会发生变化
C.H+从细胞内侧泵到细胞膜外没有消耗ATP,为被动运输
D.α-变形菌的鞭毛运动可利用光能作为直接能源
A
【解析】 质子泵将H+从细胞内侧泵到细胞膜外,改变了细胞的pH,有利于调节α-变形菌细胞的pH;光驱动蛋白属于载体蛋白,在运输物质过程中发生构象的变化,所以H+从细胞内侧泵到细胞膜外过程中,光驱动蛋白的构象发生了变化;H+从细胞内侧泵到细胞膜外需要光能驱动,为主动运输;α-变形菌的鞭毛运动消耗的能量是ATP中的化学能,不能利用光能作为直接能源。

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