4.1被动运输课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

第4章 细胞的物质输入和输出 第1节被动运输 与生活的联系 你吃比较咸的食物时，例如你吃腌 制的咸菜，连续嗑盐的瓜子等，你 的口腔和唇的黏膜有什么感觉?为 什么? 糖拌西红柿放置一段时间后，会出 现很多“汁”,“汁”中的水是哪 来的? 滴入墨水处和旁边的浓度差将会减小。 扩散是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移直到均匀分布的 现象。 扩散作用 半透膜 蔗糖溶液 水分子 蔗糖分子 玻璃纸(半透膜) 清水 渗透作用：水分子(或其它溶剂分子)通过半透膜的扩散。 Q1. 漏斗内的液面为什么会 升高? 单位时间 从清水流 入蔗糖溶 液中的水 分子数 单位时间 从蔗糖溶 液流入清 水中的水 分子数 半透膜：让小分子 通过而大分子不能 通过的一类多孔性 薄膜的总称 问题探讨 不会，当管内的液面上升到 一定高度之后，管中的水柱 产生的重力将加快漏斗中水 分向外扩散的速度，当 漏斗内渗透压三液柱的压力， 最终达到平衡，液面将不再 上升。 Q2. 如果漏斗管足够长，管 内的液面会无限升高吗? 为什么? 蔗糖溶液 玻璃纸(半透膜) 清水 溶液渗透压：指溶液中溶质微粒对水的吸引力。 问题探讨 水分子 蔗糖分子 半透膜 一.渗透作用的原理： 思考：B和C的液面会升高吗?(不会) 30%蔗糖溶液 30%蔗糖溶液 纱布 玻璃纸 玻璃纸 清水 3 0%蔗糖溶液 B C 发生渗透作用的条件是什么?①具有半透膜 ②半透膜两侧的溶液具有浓度差 30%蔗糖溶液 清水 相对含量高一>相对含量低 低浓度溶液—→高浓度溶液 渗透压低— →渗透压高 水的 含量 半透膜 溶液 浓度 水分子 渗透作用中水分子的运动方向： 蔗糖溶液 玻璃纸(半透膜) 清水 渗透 压 蔗糖分子 细胞是个开放的生命系统 细胞膜作为细胞的边界 具有选择透过性 一 . 水进出细胞的原理 1.水进出动物细胞的原理 细胞吸水膨胀 细胞失水皱缩 细胞保持正常状态 外界溶液浓度小 于 _细胞质浓度外界溶液浓度大于细胞质浓度 外界溶液浓度 等于_ 细胞质浓度 思考 ·讨论 强化夯实，小组讨论： 1.血红蛋白是有机大分子物质，不能透过细胞膜，它相当于“问题探讨”中的蔗糖分子。 2 . 红细胞的细胞膜是否相当于 一 层半透膜? 是 3.不 一定。因为红细胞吸水膨胀后细胞内液浓度也会下降，如果外界溶液浓度不是很 低，有可能细胞内液浓度下降后与外界溶液的浓度达到平衡，此时，红细胞将不再吸水。 4.取决于红细胞内外溶液的浓度差，一般情况下，浓度差越大时，细胞吸水或失水越多。 5.因 为生理盐水的浓度与血浆的浓度基本一致，血细胞不会因为过度吸水或失水而出 现形态和功能上的异常。 外界溶液 基细 质 相当于 蔗糖溶液一 细胞膜 相当于 半透膜 ①红细胞与外界溶液组成了一个渗透系统。 ②红细胞的细胞膜相当于一层半透膜，水分通过渗透作用进出红细胞。 一.水进出细胞的原理 2.水进出植物细胞的原理 植物细胞会出现渗透失水和吸水的情况吗? 生活现象： 1、在青菜上放一些盐，一会儿后就可看到水 分渗出。 2、对农作物施肥过多，会造成“烧苗”现 象。 3、放蔫的青菜用清水浸泡一会儿后，又恢 复新鲜。 植物细胞吸水和失水是否也是发生了渗透作用呢? 已知：细胞膜和液泡膜都是生物膜， 都具有选择透过性。 能否把整个原生质层看作是一层半透膜呢 ? 是否满足发生渗透作用的条件：①具有半透膜②半透膜两侧的溶液具有浓度差 细胞膜 细胞质 液泡膜 细胞壁 (全透性) 成熟植物细胞模式图 原生质层 细胞液 原生质层是否相当于一层半透膜? 水分进出植物细胞是通过渗透作用吗? 一 原生质层相当于一层半透膜，水分进出植物细胞是通过渗透作用。 探究 实践——探究植物细胞的吸水和失水 设计实验 进行实验， 观察并记录结! 分析结果，得 表达与交流 进 一 步探究 外界溶液一 细胞质 相当于 半透膜 细胞壁 质层 原生 · 科 学 探 究 的 一 提出问题 作出假设 细胞膜 液泡膜 般 过 程 蔗糖溶液 细胞液 相当于 — — 原生质层是否相当于一层半透膜? 水分进出植物细胞是通过渗透作用吗? → 原生质层相当于一层半透膜，水分进出植物细胞是通过渗透作用。 一 实验思路：将植物细胞分别浸润在较高浓度的蔗糖溶液 进行实验， 观察并记录结果 分析结果，得出结论 ↓ 表达与交流 进一步探究 探究 实践——探究植物细胞的吸水和失水 · 科 学 探 究 的 和清水中，用显微镜观察液泡、原生质层、 细胞大小的变化。 提出问题 作出假设 设计实验 蔗糖溶液 吸水纸 低倍镜 下观察 吸水纸 低倍镜 下观察 清水 低倍镜 下观察 制片 (某种植 物细胞) 一 般 过 程 四、实验探究——观察植物细胞吸水和失水 在盖玻片的一侧滴加 0.3g/mL的蔗糖溶液，在另 一侧用吸水纸引流 在盖玻片的一侧滴加 清水，在另一侧用吸 水纸引流 盖上盖玻片，制成洋 葱鳞片叶外表皮临时 装片 撕取洋葱鳞片叶 外表皮 低倍镜观察 低倍镜观察 低倍镜观察 滴清水 探究 · 实践——探究植物细胞的吸水和失水——低倍物镜 进行实验， 观察并记录结果 分析结果，得出结论 表达与交流 进一步探究 中央液泡 逐渐变小， 颜色变深 逐渐变大， 颜色变浅 原生质层 的位置 逐渐脱离 细胞壁 逐渐恢复 原来位置 现象 试剂 蔗糖溶液 清水 细胞大小 基本不变 基本不变 提出问题 作出假设 设计实验 0.3g/mL的 蔗糖溶液 清水 ● ● 科 学 探 究 的 一 般 过 程 结论： (1)植物细胞的原生质层相当于一层半透膜； (2)植物细胞也是通过渗透作用吸水和失水的。 当外界溶液浓度>细胞液浓度 细胞失水，原生质层与细胞壁分离开来—→ 质壁分离 探究 实践——探究植物细胞的吸水和失水 观察并记录结果 分析结果，得出结论 表达与交流 进一步探究 当外界溶液浓度<细胞液浓度 细胞吸水，与细胞壁分离的原生 质层慢慢恢复原来的状态 提出问题 作出假设 设计实验 进行实验， → 质壁分离复原 · —— (1)质壁分离的内因和外因： ● 内 因 ：原生质层具有选择透过性 原生质层的伸缩性>细胞壁的伸缩性 ● 外 因 ：外界溶液浓度>细胞液浓度 (2)观察质壁分离和复原，对材料的要求： ●活细胞 ●细胞有大液泡 ●外界溶液浓度>细胞液浓度 (3)介于细胞膜与细胞壁之间的溶液：外界溶液 提出问题 作出假设 设计实验 进行实验， 观察并记录结果 分析结果，得出结论 表达与交流 进一步探究 探究 ·实践——探究植物细胞的吸水和失水 科 学 探 究 的 一 般 过 程 6—— >—— 入 1.植物细胞会由于过多吸水而涨破吗? 不会。(因为细胞壁具有保护和支持的作用) 2.如果滴加的是0.5 g/ml 的蔗糖溶液，实验结果如何? 发生质壁分离，但不能质壁分离复原。 (因为细胞已经严重失水而死亡了) 3.可以选用黑藻或者洋葱鳞片叶内表皮细胞进行实验吗? 提出问题 作出假设 I 设计实验 进行实验， 观察并记录结果 分析结果，得出结论 表达与交流 进一步探究 探究 ·实践——探究植物细胞的吸水和失水 科 学 探 究 的 一 般 过 程 (1)判断细胞的死活 (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 (4)农业生产中的水肥管理 (5)生活中杀菌、防腐、腌制食品 (6)鉴别不同种类的溶液。 成熟植物细胞+不同种类溶液→质壁分离→溶质不能通过半透膜的 溶液(如蔗糖溶液);质壁分离后又自动复原→溶质能通过半透 膜的溶液( 如KNO₃ 、尿素、甘油、乙二醇等溶液) 质壁分离及其复原的应用 渗透装置 蔗糖溶液 渗透作用原理 清水 半透膜一 动物细胞 植物细胞 细胞膜原生质层 实例： 洋葱细胞 半透膜 浓度差 实例： 哺乳动物 红细胞 渗透吸水或失水 半透膜 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 反应所释放的 能量，这 种物质跨膜运输方式称为 被动运输 等渗溶液 正常 正常 高渗溶液 动 物 细 胞 植 物 细 胞 H₂O 质壁分离 被动运输 涨破 肿胀 H₂O H₂O 低渗溶液 皱缩 H₂O 问题探讨 非极性分子 小的不带电荷 的极性分子 大的不带电荷 的极性分子 O₂ CO₂ N₂ 苯 H₂O 尿素 甘油 葡萄糖 蔗糖 H+Na+ 离子 HCO³K+ Ca²+Cl- Mg²+ 图1.人工脂双层膜对不同分子的通透性 10-1010-810-610-410-21 10² 人工膜的通透性(cm·s-1) 图2.生物膜和人工膜对多种物质的通透性 O₂ H₂O CO₂ 甘油 10² 生 物 膜 的 透 104 10-6 c m 10-8 · s - 10-10 ) 1 O Na+ OCr 通 10-2 被动运输 细胞外 细胞内 自由扩散 协助扩散 协助扩散 ① 自由扩散(简单扩散) 物质通过简单的扩散作用进出细胞的方式 ②协助扩散(易化扩散) 物质借助膜上的转运蛋白进出细胞的扩散方式 被动运输 物质跨膜运输 的方式 运输方向 是否需要 转运蛋白 是否 消耗能量 被动 运输 自 由 扩散 顺浓度梯度 不需要 不消耗 协助 扩散 顺浓度梯度 需要 不消耗 被动运输 比较自由扩散和协助扩散，并完成下列表格。 被动运输 思考：水分子从水多的一侧向水少的一侧扩散，属于哪种方式的扩散? 10² 资料1:水分子比较小，在活细 胞中含量最多，人们曾经认为它 H,0 们以自由穿过细胞膜磷脂分子的 oo2 间隙而进出细胞。 10-4 后来的研究发现，水分子在通过细 Na+ 甘油 胞膜时的速率高过人工膜，由此推 10-8 Cl- 断细胞膜上可能存在特殊的输送水 分子的通道。 10-6 10-2 0₂ 10-10 10-8 10-6 10-4 10² 人工膜的通透性 (cm·s-1) 生物膜的通透性 (cm · s-1) 10-10 被动运输 资料2:1988年，美国科学家阿格雷在分离纯化多种 红细胞膜上的蛋白质时，发现了个疏水性跨膜蛋白 (命名为“AQP1”), 他将含有AQP1 蛋白和不含 有此蛋白的细胞进行了对比实验，将这2种细胞放在 同一水溶液中，结果如图。 阿格雷的“水通道验证实 验”发现了什么?说明了 水分子在细胞的运输还存 在怎样的方式? 0.5min 含AQP1 蛋 白的细胞 不含AQP1 蛋白的细 胞 1.5 min 2.5 min 3.5 min 被动运输 资料3:为了进一步验证，科研人员将AQP1导入脂 质体中进行重组脂质体实验，结果发现，重组脂质 体对水的转运活性比普通脂质体高出了10倍。 从重组脂质体实验，你还 能对细胞中水的运输方式 或特点做出什么猜测吗? 被动运输 正常成年人每天产生的原尿约 为180 L , 最终只有约1.5 L的 尿液排出。其他的水去哪了? 被肾小管细胞吸收进入血液了。 该过程需要水分子大量、快速 通过细胞膜进入肾脏细胞，自 由扩散的运输速率远不能满足 生命活动的需要，而协助扩散 能提高水的转运速率。 肾小管和集合管 重吸收 分泌 肾小管周围毛细血管 H₂O 滤过 原尿 小管液 H₂O 含水通道的 小泡内移 H₂O ATP cAMP 激素 受体 血液 肾小球 终尿 血 管 激素 H₂O 被动运输 水分子很小，不带电荷但具有 极性，尽管能够以自由扩散过 膜，但是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。 被动运输 20世纪80年代，科学家又从蚕豆保 卫细胞中检测出K+的通道。1998年， 美国科学家麦金农(R.Mackinon) 解析了K+通道蛋白的立体结构。 钾离子通道模式图 转运蛋白 通道蛋白 载体蛋白 只容许与自身通道直径和形状 相匹配、大小和电荷相适宜的 分子或离子通过；不需要与分 子或离子结合。 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。 钠离子 钾离子 葡萄糖 氨基酸 载 体 蛋 白 通 道 蛋 白 转运特点 只容许与自身结合部 位相适应的分子或离 子通过 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 自身构象 改变 不改变 是否与转运 的分子结合 结合 不结合 是否有特异 性 具有 具有 实例 葡萄糖通过载体蛋 白进入红细胞 水分子通过水通道蛋白 进出细胞 曲线解读 判断：哪条曲线是自由扩散/协助扩散?请说出判断依据。 通过转运蛋白的协助扩散具饱和性 膜两侧的浓度差 影响协助扩散的因素： 温度 膜两侧的浓度差 转运蛋白的数量 影响自由扩散的因素： 温度 膜两侧的浓度差 影响因素 膜两侧的浓度差 运 输 速 率 浓度差 载体蛋白通道蛋白 如 水通道蛋白 渗透装置 渗透作用原理 动物细胞 细胞膜 细胞质 原生质层 课堂总结 水分子进出细胞 协助扩散 借助 转运蛋白 包括 半透膜 渗透作用 被动运输 自由扩散 穿过 磷脂双分子 被动运输 包括 植物细胞 细胞液 实例： 洋葱细胞 实例： 红细胞 属于 层 想，这是为什么呢? 油脂类物质通过自由扩散的方式被 细胞吸收，能吸收一部分空气的水 分，同时它可以使一部分自由水转 化为结合水，减少水分的散失，降 低结冰点；从而可以防干燥，还能 一定程度上防冻。 与生活的联系 绝大部分保湿防冻产品中都有油脂类物质(如：甘油),想— 润肤霜 练习与应用 一、概念检测 1. 物质跨膜运输的方式与物质的特点和细胞膜的结构有关。判断下列有 关物质跨膜运输的表述是否正确。 (1)细胞膜和液泡膜都相当于半透膜。(√ ) (2)水分子进入细胞，是通过自由扩散方式进行的。 ( × ) (3)载体蛋白和通道蛋白在转运分子和离子时，其作用机制是一样的。 ( X) 2.基于对植物细胞质壁分离原理的理解判断，下列各项无法通过质壁分 离实验证明的是( D ) A.成熟植物细胞的死活 B.原生质层比细胞壁的伸缩性大 C.成熟的植物细胞能进行渗透吸水 D.水分子可以通过通道蛋白进入细胞 3.假如将甲乙两个植物细胞分别放入蔗糖溶液和甘油溶液中，两 种溶液的浓度均比细胞液的浓度高，在显微镜下连续观察，可以 预测甲乙两细胞的变化是 ( B ) A.甲乙两细胞发生质壁分离后，不发生质壁分离复原 B.甲乙两细胞都发生质壁分离，但乙细胞很快发生质壁分离复原 C.只有乙细胞发生质壁分离，但不会发生质壁分离复原 D.甲乙两细胞发生质壁分离，随后都很快发生质壁分离复原 二、拓展应用 1.细胞液中物质的浓度对于维持细胞的生命活动非常重要。现提供紫色 洋葱鳞片叶表皮细胞，请设计实验，测定该细胞的细胞液的浓度相当于 多少质量分数的蔗糖溶液。写出你的实验思路，并分析其中的基本原理。 【提示】可以配制出一系列浓度梯度的蔗糖溶液，将紫色洋葱鳞片叶表 皮细胞置于配好的各种浓度的蔗糖溶液中，适当时间后用显微镜观察 细胞质壁分离情况。记录刚好发生质壁分离的细胞所用的蔗糖溶液浓 度，以及刚好尚未发生质壁分离的细胞所用的蔗糖溶液浓度，据此推 算出细胞液溶质浓度应介于这两个浓度之间。 二 、拓展应用 2.温度变化会影响水分通过半透膜的扩散速率吗?请你提出假设， 并设计检验该假设的实验方案。 【答案】假设：温度变化会影响水分通过半透膜的扩散速率。设计实验 提示：可以借用本节问题探讨中的渗透装置进行实验。将该渗透装置置 于不同温度的环境中，通过比较不同温度下漏斗管液面上升速度的快慢， 判定温度是否影响水分子的扩散速度，实验中要注意排除各种无关变量 的干扰，如置于不同温度中的漏斗内的蔗糖溶液的量和浓度必须相等， 以确保实验的准确性。 $$