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第1节　被动运输　第2课时　自由扩散和协助扩散
高中生物学　必修1　分子与细胞·学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1．生命观念：对多个实例进行分析、推理、归纳和概括，阐释被动运输的原理和特点，认同生物体结构和功能相适应的观点。
2．科学思维：通过模型构建，比较自由扩散和协助扩散的异同点，形成对物质跨膜运输方式的基本认识。
3．社会责任：运用被动运输的概念解决生产实践中的问题，关注生产及生活等社会问题，形成一定的社会责任感。
二、情境导入
细胞是一个开放的系统，细胞膜是细胞生命系统的边界。物质进出细胞必须经过细胞膜。氧气、二氧化碳等小分子物质，以及葡萄糖、离子等，是如何进出细胞的？是否都需要消耗能量？这就是本课时要探究的内容。
三、自主预学
（一）知识梳理
一、被动运输的概念
1．被动运输：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。
二、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。
2．特点：顺浓度梯度跨膜运输；不需要转运蛋白；不消耗能量(ATP)。
3．条件(动力)：浓度差。
4．实例：O2、CO2、甘油、乙醇、苯等物质进出细胞。
三、协助扩散
1．概念：借助膜上的转运蛋白进出细胞的物质扩散方式。
2．特点：顺浓度梯度跨膜运输；需要转运蛋白；不消耗能量(ATP)。
3．条件：需借助膜上的转运蛋白。
4．实例：葡萄糖进入红细胞。
四、转运蛋白
转运蛋白分为载体蛋白和通道蛋白两种类型。
五、影响被动运输的因素
(1)膜内外物质浓度梯度的大小。
(2)某些物质的运输速率还与转运蛋白的数量有关。
(3)温度变化会影响物质运输速率。
（二）判断正误
判断下列说法是否正确，正确的填“√”，错误的填“×”。
(1)和水一样相对分子质量小的物质都可以通过自由扩散进出细胞。________
(2)同种物质在不同情况下的运输方式可能不同。________
(3)温度变化会影响分子通过细胞膜的速率。________
(4)载体蛋白和通道蛋白在转运物质时，其作用机制是一样的。________
(5)自由扩散和协助扩散都不需要转运蛋白和能量。________
(6)协助扩散的速率与膜两侧的浓度差成正比。________
四、课堂探究
探究一　自由扩散和协助扩散
[材料情境]资料1：物质顺浓度梯度扩散进出细胞的过程称为被动运输，下图为被动运输的两种方式。
图1　被动运输的两种方式示意图
资料2：下表为乙醇和葡萄糖分子进入细胞的运输速率与浓度差之间的关系。
运输速率/(分子·秒 ) 乙醇 葡萄糖
浓度差为0 mmol/L 0 0
浓度差为1.5 mmol/L 3 8
浓度差为3 mmol/L 6 15
浓度差为4.5 mmol/L 9 24
浓度差为6 mmol/L 12 30
浓度差为7.5 mmol/L 15 31
浓度差为9 mmol/L 18 31
1．资料1中，物质通过简单的扩散作用进出细胞的方式称为自由扩散。方式b、c中，借助转运蛋白进出细胞的物质扩散方式称为协助扩散。
2．下列物质中，以自由扩散方式运输的是________；以协助扩散方式运输的是________。①O2和CO2进出肺泡　②苯被鼻黏膜细胞吸收　③红细胞吸收血液中的葡萄糖　④胆固醇进入肝细胞　⑤甘油和乙醇被小肠上皮细胞吸收
3．资料1中方式b、c有何异同？
4．依据资料2，请在坐标中绘出乙醇分子进入细胞的运输速率与浓度差之间的关系曲线。据此可知，影响物质自由扩散的因素是________。
图2　绘制乙醇运输速率与浓度差关系曲线
5．依据资料2，请在坐标中绘出葡萄糖分子进入细胞的运输速率与浓度差之间的关系曲线。浓度差在7.5 mmol/L以后运输速率不再增加的原因是________。
图3　绘制葡萄糖运输速率与浓度差关系曲线
6．结合问题5分析，物质协助扩散的影响因素有哪些？
影响自由扩散和协助扩散的因素及转运蛋白
1．影响自由扩散和协助扩散的因素
运输方式 影响因素 影响趋势
自由扩散 膜两侧物质的浓度差 与浓度差呈正相关
协助扩散 膜两侧物质的浓度差；膜上转运蛋白的种类和数量 当转运蛋白达到饱和时，即使增大浓度差，运输速率也不再增加
2．膜上的两种转运蛋白分析
图4　载体蛋白与通道蛋白的比较
3．载体蛋白的特性：(1)专一性：一种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。(2)饱和性：细胞膜上的载体蛋白数量有限，当所有载体蛋白都承担运输任务时，运输速率不再因其他条件改变而加快。
4．（2025·舟山五校联考）如图甲、乙分别表示载体蛋白介导和通道蛋白介导的两种协助扩散方式，其中通道蛋白介导的扩散速度比载体蛋白介导的快得多。下列有关叙述正确的是(　　)
图5　载体蛋白和通道蛋白介导的协助扩散示意图
A．载体蛋白和通道蛋白均具有一定的特异性
B．甲、乙两种方式均需要消耗能量
C．甲、乙两种方式在转运物质的过程中空间构象都不发生改变
D．甲、乙两种方式运输速率都与膜两侧物质的浓度梯度无关
5．自由扩散、协助扩散是两种物质跨膜运输方式，下图中①②是这两种运输方式的示意图，③④表示这两种运输方式的曲线。下列相关叙述中错误的是(　　)
图6　自由扩散与协助扩散示意图及运输速率曲线
A．这两种物质运输方式都不需要消耗细胞内化学反应所释放的能量
B．图②中的载体蛋白只容许与自身结合部位相适应的物质通过，而且每次转运时都会发生自身构象的改变
C．图①③可用于表示自由扩散，不需要转运蛋白，其运输速率只受膜内外物质浓度梯度的大小影响
D．葡萄糖进入红细胞的跨膜运输方式可以用图②④表示
五、分层训练
课后分层练(十三)　自由扩散和协助扩散
(选择题每题5分，非选择题每题15分)
【基础巩固练】
考点一　被动运输的种类
1．2019年诺贝尔生理学或医学奖授予了发现细胞如何感知和适应氧气供应的科学家。氧气进入细胞的方式是(　　)
A．主动运输　　B．自由扩散　　C．协助扩散　　D．渗透作用
2．下列关于被动运输的叙述，错误的是(　　)
A．包括自由扩散和协助扩散
B．只能顺浓度梯度进行运输
C．都不需要转运蛋白
D．都不需要消耗能量
3．尿素通道蛋白是一类特异性通透尿素的跨膜蛋白，能介导尿素快速通过细胞膜。下列有关叙述错误的是(　　)
A．该通道蛋白转运尿素体现了蛋白质的运输功能
B．尿素通过尿素通道蛋白时不与通道蛋白结合
C．尿素的这种跨膜运输方式不需要消耗能量
D．该通道蛋白也能转运水分子、无机盐离子等
考点二　被动运输的影响因素
4．如图为水分子通过哺乳动物细胞膜的两种方式，下列相关叙述正确的是(　　)
图7　水分子通过哺乳动物细胞膜的两种方式
A．方式1的运输速率比方式2更慢
B．两种运输方式都与体外环境温度有关
C．水分子总运输量仅由通道蛋白数量决定
D．水分子通过方式1的运输量只与细胞膜上磷脂分子的紧密程度相关
5．细胞膜上存在水通道蛋白，为了探究它在水分子进出细胞中的作用，研究人员分别取细胞膜上含水通道蛋白(A组)和除去水通道蛋白(B组)的同种细胞，置于低渗溶液中，定时测量细胞体积，结果如图。下列关于水分子进出细胞的叙述，错误的是(　　)
图8　含水通道蛋白与除去水通道蛋白细胞体积随时间变化曲线
A．水分子进出A组细胞的主要方式为协助扩散
B．A组细胞体积达到最大后水分子不再进入细胞
C．水分子可以通过自由扩散的方式进出细胞
D．水分子进入细胞时不需要和水通道蛋白结合
6．GLUT2是肝细胞的葡萄糖转运蛋白，其作用过程如下图所示。下列相关叙述错误的是(　　)
图9　GLUT2转运葡萄糖过程示意图
A．GLUT2顺浓度梯度转运葡萄糖
B．GLUT2的空间结构可发生改变
C．GLUT2的数量与转运葡萄糖的速率无关
D．GLUT2的转运功能具有专一性
【综合提升练】
7．如图是在停止能量供应的条件下得出的曲线，图中a、b表示物质跨膜运输的两种方式，下列叙述正确的是(　　)
图10　停止能量供应时物质跨膜运输方式曲线
A．脂溶性小分子物质不能通过方式a运输
B．与方式a有关的转运蛋白覆盖于细胞膜表面
C．方式b的最大运输速率与转运蛋白数量有关
D．方式a和b的运输速率均与膜内外物质的浓度差成正比
8．(2022·湖北高考)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
9．白头翁是临床常用中药，具有抗菌、抗炎等药理作用。白头翁皂苷(B4)是从其根茎中分离出来的活性物质。探究B4的跨膜转运机制有助于理解B4的作用机理。
(1)细胞膜是控制物质进出细胞的门户，这体现了细胞膜具有________。研究者以人胚肾细胞为研究对象，用不同浓度B4处理细胞1小时，测定胞内B4含量(以每mg胞内蛋白中B4的量为标定)的变化，结果如图1。结果表明，B4进入细胞的转运方式以被动运输为主，理由是________。
图11　胞内B4含量与B4浓度的关系(图1)
(2)用浓度为30 μg·mL 的B4处理细胞不同时间，记录胞内B4含量，结果如图2。而无细胞的含B4培养液中B4含量不随时间增加而明显变化。对图2中B4含量在1小时达到峰值后下降的原因，提出三种假设，其中不合理的是________。
图12　胞内B4含量随时间变化(图2)
假设1：B4被细胞排出；假设2：B4不稳定，易发生自身降解；假设3：B4被细胞代谢为其他物质。
(3)细胞膜上存在药物转运蛋白OC、OA和P，其中OC、OA为摄入型转运蛋白，P为外排型转运蛋白。
①分别用OC抑制剂、OA抑制剂和P抑制剂处理人胚肾细胞，检测B4处理后的人胚肾细胞内B4含量的变化，发现仅使用OC抑制剂处理组与对照组有显著差异，且胞内B4含量显著低于对照组。综上可以确定B4进入细胞的方式是________。请在下图中画出上述研究所得的结论。
图13　细胞膜上转运蛋白示意图
②为了进一步确定胞内B4含量下降并非由细胞对其外排所引起，还应补充的实验是________(思路)。
六、参考答案
（一）自主预学·判断正误
（1）×　（2）√　（3）√　（4）×　（5）×　（6）×
解析：（1）和水一样相对分子质量小的物质的运输方式可能是自由扩散，也可能是协助扩散等其他方式，故错误。（2）同种物质在不同情况下的运输方式可能不同，如葡萄糖进入红细胞为协助扩散、进入小肠上皮细胞为主动运输，正确。（3）温度变化影响分子运动速率，进而影响分子通过细胞膜的速率，正确。（4）载体蛋白和通道蛋白在转运分子或离子时作用机制不同，两者在运输物质时空间结构的变化不同。（5）协助扩散需要借助膜上的转运蛋白。（6）协助扩散的速率还与膜上转运蛋白的数量有关。
（二）课堂探究·探究一
探究2　自由扩散：①②④⑤；协助扩散：③。
探究3　相同点：b、c都需要转运蛋白协助，都是顺浓度梯度的跨膜运输；不同点：b由载体蛋白协助，c由通道蛋白协助。
探究4　乙醇的运输速率与浓度差成正比(曲线为一条过原点的倾斜直线)；影响物质自由扩散的因素是溶液的浓度差。
图14　乙醇运输速率与浓度差关系曲线
探究5　葡萄糖的运输速率随浓度差增大而增大，达到一定值后趋于平缓不再增加；原因是受到转运蛋白数量的限制。
图15　葡萄糖运输速率与浓度差关系曲线
探究6　物质的浓度差和转运蛋白的数量。
（三）课堂例题解析
例题4　A
解析：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，通道蛋白只容许与自身通道的直径和形状相匹配的分子或离子通过，故载体蛋白和通道蛋白均具有特异性，A正确；两种方式均为顺浓度梯度运输，需要转运蛋白，但不需要消耗能量，B错误；载体蛋白转运物质时需与被转运物质结合，空间构象发生改变，C错误；两种方式运输的动力都是浓度差，运输速率与浓度梯度在一定范围内成正比，D错误。
例题5　C
解析：自由扩散和协助扩散都是顺浓度梯度运输，不消耗细胞内化学反应所释放的能量，A正确；载体蛋白具有特异性，每次转运时自身构象发生改变，B正确；图①③表示自由扩散，不需要转运蛋白，但运输速率受温度等因素影响，不只受膜内外浓度梯度大小影响，C错误；葡萄糖进入红细胞的方式为协助扩散，用图②④表示，D正确。
（四）课后分层练(十三)
1　B
解析：氧气分子较小，可通过简单的扩散作用穿过磷脂双分子层进出细胞，属于自由扩散。
2　C
解析：被动运输包括自由扩散和协助扩散，自由扩散不需要转运蛋白，协助扩散需要转运蛋白，C错误。
3　D
解析：尿素通道蛋白转运尿素体现蛋白质的运输功能；尿素通过通道蛋白时不与通道蛋白结合，属于协助扩散，不消耗能量；通道蛋白具有专一性，只能转运尿素，不能转运水分子和无机盐离子。
4　A
解析：水分子通过方式1直接穿过磷脂双分子层，需经过疏水端，速率比方式2经水通道蛋白更慢，A正确；哺乳动物体温相对稳定，体外温度变化对两种运输方式影响不大，B错误；水分子运输量还受膜两侧浓度差影响，不只由通道蛋白数量决定，C错误；方式1的运输量还与膜两侧水分子含量差有关，D错误。
5　B
解析：A组细胞体积增加大于B组，说明水分子进出A组细胞主要方式为协助扩散，A正确；细胞体积达到最大后水分子进出达到平衡，并非不再进入细胞，B错误；B组没有水通道蛋白但体积仍增大，说明水分子可自由扩散进出细胞，C正确；水分子通过通道蛋白时不与通道蛋白结合，D正确。
6　C
解析：GLUT2顺浓度梯度转运葡萄糖，属于协助扩散；从状态A、B可判断GLUT2空间结构可发生改变；转运速率与转运蛋白数量有关，C错误；转运蛋白具有专一性。
7　C
解析：停止能量供应条件下，曲线a运输速率与浓度差成正比，为自由扩散；b为协助扩散。脂溶性小分子可通过a运输；方式a不需转运蛋白；b的最大运输速率受转运蛋白数量限制；a与浓度差成正比，但b在载体饱和后速率不再随浓度差增加。
8　B
解析：经AgNO3处理后水通道蛋白失活，水分子不能通过水通道蛋白运输，但仍可通过自由扩散进出细胞，在高渗蔗糖溶液中经AgNO3处理的红细胞仍会失水变小，故B错误；低渗溶液中细胞吸水膨胀，高渗溶液中细胞失水变小。
9　（1）选择透过性　B4进入细胞的量与胞内B4浓度呈正相关(或胞内B4含量随B4浓度增加而上升)　（2）假设2　（3）①协助扩散(依赖OC转运蛋白)　②将含B4的细胞置于不含B4的培养液中，一段时间后检测培养液中是否出现B4
解析：（1）细胞膜控制物质进出细胞体现选择透过性；胞内B4含量随B4浓度增加而上升，说明转运方式以被动运输为主。（2）无细胞培养液中B4含量不随时间变化，说明B4不会自发降解，故假设2不合理。（3）①仅OC抑制剂处理组有显著差异且胞内B4含量显著低于对照组，说明B4经OC转运蛋白进入细胞，为协助扩散。②为排除外排，将含B4细胞置于不含B4的培养液中，检测培养液中是否出现B4。

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