第4章 第1节 被动运输（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中生物必修1分子与细胞（人教版2019 单选版）

第1节　被动运输 课时目标 1.运用结构与功能观，理解细胞的失水和吸水与其结构相适应。(生命观念) 2．采用比较与归纳、模型与建模的方法，说明自由扩散和协助扩散的区别。(科学思维) 3．探究植物细胞的吸水和失水。(科学探究) 4．基于细胞失水和吸水的原理，指导农业生产和合理施肥。(社会责任) [对应学生用书P65] 一、水进出细胞的原理 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，称为渗透作用。 (2)方向：如果半透膜两侧存在浓度差，渗透的方向就是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。 2．动物细胞的吸水和失水(以哺乳动物的红细胞为例) (1)条件及现象 条件 现象 外界溶液的浓度＜细胞质的浓度 细胞吸水膨胀 外界溶液的浓度＞细胞质的浓度 细胞失水皱缩 外界溶液的浓度＝细胞质的浓度 细胞形态不变 (2)结论：动物细胞的细胞膜相当于半透膜。 3．植物细胞的渗透系统 (1)成熟植物细胞的结构 (2)植物细胞内的液体环境主要是指液泡里面的细胞液。 二、探究植物细胞的吸水和失水 1．实验原理 (1)原生质层与细胞壁的特点 ①原生质层的伸缩性比细胞壁大。 ②细胞壁是全透性的，原生质层具有选择透过性。 (2)外界溶液的浓度对细胞的影响 ①当外界溶液的浓度高于细胞液的浓度时，细胞就会失水。 ②当外界溶液的浓度低于细胞液的浓度时，细胞就会吸水。 2．实验步骤 3．实验结果 外界溶液 中央液泡 大小及颜色 原生质层的位置 细胞大小 蔗糖溶液 变小，变深 与细胞壁分离 基本不变 清水 恢复原状，变浅 与细胞壁紧贴 基本不变 4.实验结论：植物细胞的原生质层相当于一层半透膜。 三、自由扩散和协助扩散 1．被动运输的概念：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，这种物质跨膜运输方式称为被动运输。 2．被动运输的类型 (1)自由扩散：物质通过简单的扩散作用进出细胞的方式。 (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。 3．转运蛋白的类型：可以分为载体蛋白和通道蛋白两种类型。 ◆视野拓展 淡化海水的原理 　淡化海水利用的是反渗透技术，通过对半透膜一侧的海水施加压力，让水分子可以通过半透膜，但其他物质不能通过。 ◆名师点睛 1．滴加蔗糖溶液或清水时，应在载物台上操作，通过前后对比观察细胞的吸水和失水情况。 2．选用的蔗糖溶液浓度要适宜 (1)浓度过低：不足以引起质壁分离或质壁分离所需时间过长。 (2)浓度过高：可能造成植物细胞失水过多、过快而死亡，不能发生质壁分离复原现象。 3．常见物质的跨膜运输方式 (1)O2、CO2等气体和乙醇、甘油、苯等脂溶性小分子有机物的跨膜运输方式是自由扩散。 (2)一些离子，如Na＋进入神经细胞，K＋出神经细胞；一些小分子有机物，如葡萄糖进入红细胞，这些物质的跨膜运输方式都是协助扩散。 ◆思维启迪 1．人们连续嗑咸味瓜子时，会感觉口腔黏膜比较干，为什么？ 提示：咸味瓜子会导致细胞外的溶液浓度大于细胞质的浓度，使口腔黏膜细胞失水。 2．用盐腌制蔬菜的初期会产生很多水分，这些水分的出现主要和植物的哪种细胞器有关？ 提示：液泡。 3．输液时为何要用质量分数为0.9%的NaCl溶液？ 提示：质量分数为0.9%的NaCl溶液与细胞质的浓度相等，可以维持细胞的正常形态。 ◆基础速判(对的画“√”，错的画“×”) 1．洋葱叶肉细胞的细胞膜和液泡膜都是半透膜。(　　√　　) 2．植物细胞的细胞壁是半透膜。(　　×　　) 提示：细胞壁具有全透性，不属于半透膜。 3．同种物质在不同情况下的运输方式可能不同。(　　√　　) 4．载体蛋白和通道蛋白在转运分子或离子时，作用机理是一样的。(　　×　　) 提示：载体蛋白需要与转运的分子或离子结合，自身构象改变，通道蛋白无须与通过的分子或离子结合。 5．温度变化会影响分子通过细胞膜的速率。(　　√　　) 6．性激素通过协助扩散进入靶细胞。(　　×　　) 提示：性激素为脂溶性小分子有机物，通过自由扩散进入靶细胞。 [对应学生用书P67] 任务一__水进出细胞的原理 下图是渗透现象示意图。 [问题探究] 1．漏斗管内的液面升高的原因：单位体积的清水中的水分子数________蔗糖溶液中的水分子数，单位时间内由清水进入蔗糖溶液的水分子数________由蔗糖溶液进入清水的水分子数。 答案：大于　大于 2．如果漏斗管足够长，管内的液面会不会一直升高？为什么？ 答案：不会一直升高。因为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子向外扩散的速率，最终半透膜两侧水分子的交换速率相同，液面不再上升。 3．如果用纱布代替半透膜，漏斗管内的液面会不会升高？为什么？ 答案：不会。因为纱布是全透性的，水分子和蔗糖分子都能通过。 1．渗透作用需具备的两个条件 (1)具有半透膜。 (2)半透膜两侧溶液存在浓度差。 2．水分子的运动规律 (1)半透膜两侧的水分子进行双向运动，液面变化是由水分子双向运动差异导致的。 (2)当液面高度不再变化时，水分子仍进出半透膜，但进出达到动态平衡。 3．渗透作用中液面变化的判断方法 半透膜A、B两侧分别为浓度不同的溶液，其液面变化有以下三种情况： (1)若A侧溶质(如葡萄糖等)可以通过半透膜，B侧溶质不能通过半透膜，则最终B侧液面升高。 (2)若A侧和B侧溶质是同种物质且均不能通过半透膜，则最终浓度高的一侧液面升高。 (3)若A侧和B侧溶质均能通过半透膜，则最终两侧液面不存在高度差。 渗透平衡≠浓度相等 渗透平衡只意味着半透膜两侧水分子移动达到平衡状态，既不可看作没有水分子移动，也不可看作两侧溶液浓度相等。渗透平衡后，原溶液浓度高的一侧液面升高，并且液面高的一侧平衡后溶液浓度也高；浓度差越大，液面高度差也越大。 1．将盛有一定浓度蔗糖溶液的透析袋(蔗糖分子不能透过)浸入蒸馏水中，下列能正确表示透析袋中蔗糖溶液浓度与时间关系的是(　　　　　) [答题指导] B　解析：透析袋中溶液的浓度高，透析袋渗透吸水，蔗糖溶液浓度下降，当达到平衡时，蔗糖溶液浓度不变。故选B。 2．(2024·北京丰台高一检测)在低渗溶液中，细胞吸水膨胀，吸水过多可能导致细胞破裂。不同细胞通过不同的机制避免细胞过度膨胀，下图是各种方式的模式图。下列相关叙述错误的是(　　　　　) A．发生渗透吸水时，水分子从高浓度溶液向低浓度溶液扩散 B．动物细胞避免吸水涨破需要将离子运出细胞，降低细胞吸水量 C．植物细胞的水分进出达到平衡时，细胞内外溶液浓度不一定相等 D．外界溶液浓度升高，原生生物收缩泡的伸缩频率会降低 A　解析：发生渗透吸水时，水分子从低浓度溶液向高浓度溶液扩散，A错误；动物细胞避免吸水涨破需要将离子运出细胞，以减小细胞内液的渗透压，降低细胞吸水量，B正确；植物细胞在低浓度溶液中会发生吸水，但是由于细胞壁的支撑作用，吸水到一定程度后达到平衡，但此时细胞外溶液浓度仍可能小于细胞液浓度，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，若外界溶液浓度升高，其收缩泡的伸缩频率会降低，D正确。 任务二__探究植物细胞的吸水和失水 将紫色洋葱鳞片叶的外表皮细胞置于质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液中，发生的变化如下图所示。 [问题探究] 1．质壁分离过程中，b的大小和颜色如何变化？其吸水能力又如何变化？ 答案：b是液泡，质壁分离过程中，液泡逐渐变小、细胞液颜色逐渐变深，吸水能力逐渐增强。 2．当质壁分离停止时，c中的液体是浓度降低的外界溶液，原因是什么？ 答案：细胞壁是全透性的，且有水分子通过原生质层渗透出来。 3．若将图中细胞再次放到清水中，细胞会发生什么变化？ 答案：细胞会发生质壁分离的复原。 4．若将实验材料换成洋葱根尖分生区细胞，能否进行此实验？为什么？ 答案：不能，因为洋葱根尖分生区细胞无大液泡，不会发生质壁分离。 1．质壁分离及复原现象发生的条件 (1)从细胞角度分析 ①死细胞、动物细胞及未成熟的植物细胞(如根尖分生区细胞)不发生质壁分离及复原现象。 ②具有中央大液泡的成熟植物细胞可发生质壁分离及复原现象。 (2)从溶液角度分析 ①在一定浓度的溶液(溶质不能透过膜)中只发生质壁分离，不能发生自动复原(只有用清水或低渗溶液处理，方可复原)。 ②在一定浓度的溶液(溶质可透过膜)中发生质壁分离后可自动复原，如甘油、尿素、乙二醇、KNO3溶液等。 ③在高浓度溶液中质壁分离现象明显，但溶液浓度过高时不能发生质壁分离复原，因为溶液浓度过高，细胞会因过度失水而死亡。 ④盐酸、酒精、醋酸等溶液能杀死细胞，不适合作为质壁分离及复原实验的溶液。 2．质壁分离及复原实验中的两组对照 组别 对照组 实验组 第一组 自然状态下的洋葱鳞片叶外表皮细胞 经质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液处理后发生质壁分离的洋葱鳞片叶外表皮细胞 第二组 发生了质壁分离的洋葱鳞片叶外表皮细胞 用清水处理后发生了质壁分离复原的洋葱鳞片叶外表皮细胞 3.质壁分离及复原实验的拓展应用 (1)判断成熟植物细胞的死活 (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 实验材料选择的提醒 (1)选择的材料必须是活细胞，因为只有活细胞的原生质层才具有选择透过性，否则将不会发生质壁分离及复原现象。 (2)要用含有中央大液泡的植物细胞，未形成中央大液泡的细胞靠吸胀作用吸水，如风干的种子、分生组织细胞等。 (3)细胞最好有颜色，易于观察，如紫色洋葱鳞片叶的外表皮细胞。 1．图1为光学显微镜下观察到的某植物细胞质壁分离及复原的实验结果图，图2为该实验流程图。下列说法正确的是(　　　　　) A．图1细胞若继续发生质壁分离，则该细胞的吸水能力增强 B．图1所示结果只能在图2中d处观察到 C．若图1视野比较暗，则只能通过调节反光镜使视野变亮 D．图2实验没有设置对照 A　解析：图1细胞若继续发生质壁分离，细胞失水，则该细胞的吸水能力不断增强，A正确；图1所示结果可能处于质壁分离过程中或平衡状态，也可能处于质壁分离复原的过程中，因此可能在图2中d处或f处观察到，B错误；若图1视野比较暗，可以通过调节反光镜和光圈使视野变亮，C错误；图2实验前后形成自身对照，D错误。 2．(2024·宁波高一检测)某同学利用单层细胞的匐灯藓拟叶进行质壁分离及复原实验。实验中，依次观察到甲、乙、丙三个显微视野，乙、丙的外界溶液分别为一定浓度的蔗糖溶液和清水。下列叙述正确的是(　　　　　) A.本实验可用叶绿体的分布作为质壁分离的判断依据 B．由实验结果推知，甲图匐灯藓细胞均无活性 C．乙图细胞的细胞液浓度比甲图细胞的低 D．丙图细胞的体积将持续增大，最终涨破 A　解析：叶绿体为绿色，本实验可用叶绿体的分布作为质壁分离的判断依据，A正确；实验中，依次观察到甲、乙、丙三个显微视野，乙图细胞发生了质壁分离，丙图细胞发生了质壁分离复原，则说明甲图中匐灯藓细胞均有活性，B错误；乙图细胞发生了质壁分离，细胞失水，细胞液浓度增大，则乙图细胞的细胞液浓度比甲图细胞的高，C错误；由于细胞壁的作用，丙图细胞的体积不会持续增大，不会涨破，D错误。 任务三__自由扩散和协助扩散 下图为物质通过被动运输跨膜进出细胞的两种方式示意图。 [问题探究] 1．物质利用转运蛋白进出细胞的运输方式是[　　]__________。氧气进出细胞的运输方式是[　　]__________。 答案：①　协助扩散　②　自由扩散 2．从物质运输动力角度分析，为什么①和②都属于被动运输？ 答案：①协助扩散和②自由扩散的运输动力都是物质浓度差，即都是顺浓度梯度进行的，不需要消耗能量，所以都属于被动运输。 1．载体蛋白和通道蛋白的比较 项目 载体蛋白 通道蛋白 图示 作用 特点 只容许与自身结合部位相适应的分子或离子通过，而且每次转运时都会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 相同点 化学本质均为蛋白质，均分布在细胞的膜结构中，都有控制特定物质跨膜运输的功能；对被运输的物质具有高度的特异性 2.被动运输的影响因素 (1)自由扩散的速率主要取决于膜内外物质浓度梯度的大小，也与物质分子大小和脂溶性有关，如下图A： (2)协助扩散的速率除了取决于膜内外物质浓度梯度的大小，还与膜上转运蛋白的数量有关。超过一定浓度后，物质浓度再增加，物质运输速率也不再增加，如下图B： (3)被动运输不消耗能量，所以物质运输速率和细胞能量供应无关，如下图C： 特殊物质的运输方式的分析 一些离子(如Na＋、K＋)和小分子有机物(如葡萄糖)进出细胞的运输方式并不一定都是协助扩散，需要具体分析。 1．物质跨膜运输方式与物质的特点和细胞膜的结构有关。下列有关物质跨膜运输的叙述，错误的是(　　　　　) A．细胞膜和液泡膜都属于半透膜 B．载体蛋白的每次转运都会发生自身构象的改变 C．通道蛋白只容许与自身通道直径和形状相适配、大小和电荷相适宜的分子或离子通过 D．水分子进出细胞，都是通过自由扩散方式进行的 D　解析：细胞膜和液泡膜都属于半透膜，A正确；载体蛋白在转运离子或分子时，会与离子或分子结合，导致自身构象发生改变，B正确；通道蛋白只容许与自身通道直径和形状相适配、大小和电荷相适宜的分子或离子通过，C正确；水分子更多地借助细胞膜上的水通道蛋白以协助扩散方式进出细胞，D错误。 2．(2024·南通高一检测)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(　　　　　) A．方式1的运输速率比方式2更慢 B．两种运输方式都与环境温度有关 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2进入细胞需要与通道蛋白结合 A　解析：水分子通过方式1时，在磷脂双分子层中间要经过疏水端，因此与方式2相比，方式1的运输速率更慢，A正确；温度升高会使水分子运输速率加快，温度低则运输慢，但哺乳动物自身有调节体温的能力，体温处于相对稳定的状态，因此体外环境温度变化基本不会影响水的两种运输方式，B错误；水分子运输量除了与细胞膜上磷脂分子的紧密程度、通道蛋白数量相关，还与H2O在膜两侧的含量差异有关，C错误；水分子通过方式2，即通过通道蛋白进行运输时，并不与通道蛋白结合，D错误。 3．细胞膜上的通道蛋白根据功能分为水通道蛋白和离子通道蛋白。下图为肾小管上皮细胞重吸收水分的过程和K＋通道蛋白的结构示意图。下列有关叙述正确的是(　　　　　) A．运送K＋的通道蛋白与水通道蛋白是同种蛋白质 B．水分子和K＋通过通道蛋白进出细胞的方式相同 C．通道蛋白或贯穿、或嵌入、或覆盖于磷脂双分子层 D．水分子和K＋进入细胞与细胞膜的选择透过性无关 B　解析：通道蛋白具有特异性，运送K＋的通道蛋白与水通道蛋白不是同一种蛋白质，A错误；水分子和K＋通过通道蛋白进出细胞的方式均为协助扩散，B正确；通道蛋白贯穿于磷脂双分子层，C错误；水通道蛋白与K＋通道蛋白分别只运输水分子和K＋通过细胞膜，说明水分子与K＋进入细胞与细胞膜的选择透过性有关，D错误。 [对应学生用书P71] 转运蛋白——结构与功能观 葡萄糖转运蛋白家族包括GLUT1～GLUT14，均参与葡萄糖的运输。其中GLUT2是肝细胞的葡萄糖转运蛋白，其作用过程如下图所示。 设计1：考查知识迁移能力 (1)与葡萄糖转运蛋白的合成和运输有关的细胞器有____________________________。 设计2：考查科学思维 (2)上述葡萄糖进入肝细胞的方式是__________，影响葡萄糖进入肝细胞速率的因素有____________________________________。 设计3：考查长句表达能力与生命观念 (3)上述转运蛋白在转运葡萄糖之前空间结构发生了变化，能否继续转运葡萄糖？其与通道蛋白有什么异同点？ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 答案：(1)核糖体、内质网、高尔基体、线粒体 (2)协助扩散　细胞内外葡萄糖的浓度差、GLUT2的数量 (3)不能。相同点：均起运输作用。不同点：①载体蛋白能与特定的溶质分子结合，通过一系列构象改变介导溶质分子的跨膜运输，具有饱和性。②通道蛋白不需要与溶质分子结合，只有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才能通过，没有饱和性。 解析：(1)葡萄糖转运蛋白是位于细胞膜上的蛋白质，在核糖体上合成后，进入内质网和高尔基体进行加工、修饰，且该过程需要线粒体提供能量。(2)分析题图可知，葡萄糖分子顺浓度梯度进入细胞，且需要转运蛋白的协助，属于协助扩散，故影响葡萄糖进入肝细胞速率的因素包括细胞内外葡萄糖的浓度差、GLUT2的数量等。(3)若转运蛋白在转运葡萄糖之前空间结构发生了变化，则不能继续转运葡萄糖。由于GLUT2在发挥作用时空间结构发生了变化，故属于载体蛋白，与通道蛋白一样均可运输物质。载体蛋白在发挥作用时，需与所运输物质结合，空间构象发生变化，具有饱和性；而通道蛋白不需要与所运输物质结合，空间构象也不会发生变化，没有饱和性。 [对应学生用书P72] 1．植物细胞的质壁分离过程中，与细胞壁分离的是(　　　　　) A．细胞核 B．原生质层 C．细胞质 D．液泡膜 B　解析：植物细胞的质壁分离现象指的是原生质层与细胞壁的分离，B正确。 2．淡水中生活的原生动物，如草履虫，能通过伸缩泡排出细胞内过多的水，以防止细胞涨破。如果将草履虫放入蒸馏水中，其伸缩泡的伸缩频率将会(　　　　　) A．不变 B．减慢 C．加快 D．无法判断 C　解析：草履虫细胞质浓度比蒸馏水大，会从外界不断吸收水分，为防止细胞涨破，草履虫会通过加快伸缩泡的伸缩频率排出多余水分，C正确。 3．(2024·济南高一检测)把白菜剁碎做馅时，常常要放些盐。放盐后稍等一会儿就可以看到有水分渗出。下列关于该过程的叙述，正确的是(　　　　　) A．外界盐溶液的浓度大于细胞内的浓度，细胞吸水 B．外界盐溶液的浓度大于细胞内的浓度，细胞失水 C．外界盐溶液的浓度小于细胞内的浓度，细胞吸水 D．外界盐溶液的浓度小于细胞内的浓度，细胞失水 B　解析：白菜剁碎做馅时要放些盐，使外界盐溶液的浓度大于白菜细胞内的浓度，引起白菜细胞大量渗透失水，B正确。 4．下列关于植物细胞吸水和失水实验的过程，叙述正确的是(　　　　　) A．该实验没有设置对照 B．实验材料换成黑藻也能观察到实验现象 C．实验步骤中吸水纸的作用是吸去多余的蔗糖溶液 D．该实验中显微镜下能观察到水分子的双向运动 B　解析：该实验用显微镜观察了三次，第二次与第一次形成对照，第三次与第二次形成对照，该对照方法为自身对照，可见，该实验有设置对照，A错误；成熟黑藻细胞的液泡无色，但叶绿体的存在使原生质层呈绿色，因此将实验材料换成黑藻也能观察到实验现象，B正确；实验步骤中吸水纸的作用是引流，目的是使洋葱鳞片叶表皮细胞浸润在蔗糖溶液或清水中，以便观察质壁分离或质壁分离复原现象，C错误；该实验中显微镜下不能观察到水分子的双向运动，D错误。 5．下列有关物质跨膜运输的说法，错误的是(　　　　　) A．红细胞去除膜蛋白后水的运输速率会降低 B．一种物质不会有多种跨膜运输方式 C．通道蛋白介导的水分子的协助扩散速率比自由扩散快 D．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 B　解析：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入红细胞，故红细胞去除膜蛋白后水的运输速率会降低，A正确；一种物质可以有多种跨膜运输方式，如水可以进行自由扩散，也可以借助水通道蛋白进行协助扩散，B错误；细胞膜上磷脂分子具有疏水的尾部，对水分子的跨膜运输有一定的阻碍作用，故通道蛋白介导的水分子的协助扩散速率比自由扩散快，C正确；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，被运输物质不需要与通道蛋白结合，D正确。 6．某同学用蔗糖溶液进行实验，观察植物细胞质壁分离与复原。图甲是实验中观察到的某细胞图像，图乙是实验过程中原生质体大小变化情况曲线图(原生质体的初始大小相对值记为1)。 (1)实验材料最好选用洋葱________________(填“管状叶的叶肉细胞”“鳞片叶的内表皮细胞”或“根尖的分生区细胞”)，图甲A中充满的是____________，B处的颜色为________。 (2)如果实验中所用的蔗糖溶液浓度过高，则无法观察到图乙中________(用字母表示)段，原因是________________________________________________________，质壁分离后不能复原。 答案：(1)管状叶的叶肉细胞　蔗糖溶液　绿色 (2)cd　蔗糖溶液浓度过高导致细胞失水过多而死亡 解析：(1)洋葱管状叶的叶肉细胞中含有叶绿体，细胞呈现绿色，用管状叶的叶肉细胞做实验材料，不用染色也能观察到明显的质壁分离现象；洋葱鳞片叶的内表皮细胞无色，用鳞片叶的内表皮细胞做实验材料，需要染色；根尖的分生区细胞无中央大液泡，不能发生质壁分离。由于细胞壁具有全透性，故图甲A中充满的是蔗糖溶液；B处为细胞质，含有叶绿体，颜色为绿色。(2)如果实验中所用的蔗糖溶液浓度过高，会导致细胞在短时间大量失水而死亡，观察不到图乙中cd段所发生的质壁分离复原现象。 学科网（北京）股份有限公司 $$