4.1.2 探究植物细胞的吸水和失水实验与被动运输（课件PPT）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中生物必修1 分子与细胞（人教版2019）

细胞的物质输入和输出 第4章 第1节　被动运输 第2课时　探究植物细胞的吸水和失水实验与被动运输 返回目录 生物学　必修1 　 教材梳理·新知全解 关键能力·合作探究 随堂检测·要点速记 课时作业(十三) 目 录 Contents 教材梳理·新知全解 探究•实践1　探究植物细胞的吸水和失水 一层半透膜 细胞液 大 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 小于 质壁分离 大于 质壁分离复原 返回目录 生物学　必修1 　 知识点2　被动运输 扩散 不需要 简单的扩散 转运蛋白 高浓度 低浓度 高浓度 低浓度 返回目录 生物学　必修1 　 否 否 CO2 水通道蛋白 返回目录 生物学　必修1 　 顺浓度梯度 自身结合部位 构象 直径和形状 大小和电荷 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 关键能力·合作探究 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 探究点1　探究植物细胞的吸水和失水 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 探究点2　自由扩散和协助扩散 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 随堂检测·要点速记 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 返回目录 生物学　必修1 　 制 作 者：状元桥 适用对象：高中学生 制作软件：Powerpoint2010、 Photoshop cs3 运行环境：WindowsXP以上操作系统 [课标要求] 1.设计实验探究植物细胞的失水和吸水过程(科学探究)。　2.掌握被动运输的类型、特点和实例(科学思维)。 1．实验原理 (1)成熟的植物细胞的原生质层相当于______________。 (2)原生质层的内侧__________与外界溶液可形成浓度差。 (3)原生质层比细胞壁的伸缩性______。 2．实验材料 紫色的洋葱鳞片叶。 3．实验试剂 质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液，清水。 4．实验流程 5．实验结论 (1)当细胞液浓度________外界溶液浓度时，细胞失水，原生质层和细胞壁分离，发生____________。 (2)发生质壁分离的细胞，当细胞液浓度________外界溶液浓度时，细胞吸水，发生________________。 1．概念：物质以________方式进出细胞，__________消耗细胞内化学反应所释放的能量。 2．被动运输的两种类型 方　式 自由扩散(简单扩散) 协助扩散(易化扩散) 定　义 物质通______________作用进出细胞的方式 借助膜上的____________进出细胞的物质扩散方式 物质运输方向 __________一侧→ __________一侧 __________一侧→ __________一侧 方　式 自由扩散(简单扩散) 协助扩散(易化扩散) 特点 是否耗能 否 ______ 是否需转 运蛋白 ______ 是 实例 O2、__________、甘油、乙醇、苯等 葡萄糖进入红细胞、水分子借助______________进出细胞 3.转运蛋白 (1)定义：镶嵌在膜上的，协助离子和一些小分子有机物______________跨膜运输的蛋白质。 (2)分类及其特点 ①载体蛋白：只容许与________________相适应的分子或离子通过，转运过程都会发生自身________的改变。 ②通道蛋白：只容许与自身通道的______________相适配、______________相适宜的分子或离子通过，且通过时不需要与通道蛋白结合。 试从物质运输动力角度分析，为什么自由扩散和协助扩散被称为被动运输？ 提示　自由扩散和协助扩散的运输动力都是膜两侧物质的浓度差，即都是顺浓度梯度进行的，不需要消耗能量，所以统称为被动运输。 由教材P66图 4-4“自由扩散和协助扩散示意图”并结合教材相关内容，回答下列问题： (1)图中圆点及圆点多少表示什么含义？ (2)从与转运物质的关系分析，载体蛋白和通道蛋白在运输物质时有什么区别？ (3)由图示分析，自由扩散和协助扩散是顺浓度梯度还是逆浓度梯度运输？需要消耗能量吗？ 提示　(1)表示细胞内外某种物质及其浓度的大小。 (2)载体蛋白需要与物质结合，通道蛋白不需要与物质结合。 (3)二者都是顺浓度梯度运输的；都不需要消耗能量。 1．实验的分析 (1)原理：成熟的植物细胞与外界溶液构成一个渗透系统，原生质层相当于半透膜；细胞液有一定浓度，与外界溶液能形成一定的浓度差，可发生渗透作用。 (2)质壁分离的原因及表现分析 ②表现 (3)实验注意问题 ①实验材料：要选取成熟的、液泡带有一定颜色的植物组织进行实验，这样便于观察实验现象，如紫色的洋葱鳞片叶外表皮细胞。 ②实验试剂——蔗糖溶液的浓度 a．若蔗糖溶液浓度过低，不足以引起质壁分离。 b．若蔗糖溶液浓度过高，可能造成植物细胞失水过多、过快而死亡。 ③实验操作过程 a．滴加蔗糖溶液或清水时，应在载物台上操作，滴加液体不要太多，避免污染物镜镜头。 b．观察质壁分离的时间不宜过长，以免细胞因长时间处于失水状态而死亡，影响对复原现象的观察。 2．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(溶质不能透过半透膜)中只发生质壁分离现象，不能发生自动复原现象(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(溶质可透过半透膜)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，不适于做质壁分离实验的溶液。 3．“探究植物细胞的吸水和失水”实验的对照分析 该实验存在两组对照实验，均为自身对照。自身对照指对照组和实验组在同一研究对象上进行，是实验前后之间的对照。 【例1】 (2024·山东)仙人掌的茎由内部薄壁细胞和进行光合作用的外层细胞等组成，内部薄壁细胞的细胞壁伸缩性更大。水分充足时，内部薄壁细胞和外层细胞的渗透压保持相等；干旱环境下，内部薄壁细胞中单糖合成多糖的速率比外层细胞快。下列说法错误的是(　　) A．细胞失水过程中，细胞液浓度增大 B．干旱环境下，外层细胞的细胞液浓度比内部薄壁细胞的低 C．失水比例相同的情况下，外层细胞更易发生质壁分离 D．干旱环境下内部薄壁细胞合成多糖的速率更快，有利于外层细胞的光合作用 答案　B 解析　细胞失水过程中，水从细胞液流出，细胞液浓度增大，A项正确；依题意，干旱环境下，内部薄壁细胞中单糖合成多糖的速率比外层细胞快，则外层细胞的细胞液单糖多，且外层细胞还能进行光合作用合成单糖，故外层细胞液浓度比内部薄壁细胞的细胞液浓度高，B项错误； 依题意，内部薄壁细胞细胞壁的伸缩性比外层细胞的细胞壁伸缩性更大，失水比例相同的情况下，外层细胞更易发生质壁分离，C项正确；依题意，干旱环境下，内部薄壁细胞中单糖合成多糖的速率比外层细胞快，有利于外层细胞光合作用产物向内部薄壁细胞转移，可促进外层细胞的光合作用，D项正确。 【例2】 如图所示为某学生利用紫色洋葱鳞片叶外表皮进行的某实验的基本操作步骤。请据图回答问题： (1)你认为他做该实验的目的是________________________，该实验________(填“有”或“无”)对照实验。 (2)B步骤主要观察洋葱鳞片叶外表皮细胞中紫色________的大小和________的位置。 (3)C步骤中吸水纸的作用是___________________________。 (4)某学生在F步骤观察时，视野中的细胞与D步骤看到的完全一样，最可能的原因是_________________________________。 解析 (1)据图分析，结合实验过程可知，C和E步骤是改变细胞外溶液浓度的大小，观察其对洋葱鳞片叶外表皮细胞的影响，可推知此实验的目的可能是观察植物细胞的质壁分离与复原(或探究植物细胞的失水和吸水，或证明原生质层相当于一层半透膜)。(2)B步骤时还没有发生质壁分离，此时主要是观察洋葱鳞片叶外表皮细胞中紫色液泡的大小和原生质层的位置，以便与D步骤比较。(3)C步骤中吸水纸的作用是使洋葱鳞片叶外表皮细胞浸润在蔗糖溶液中。(4)F步骤时洋葱鳞片叶外表皮细胞不能发生质壁分离复原的原因可能是质壁分离时间过长，细胞长时间浸润在质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液中导致细胞失水过多而死亡或0.3 g/mL蔗糖溶液对所用表皮细胞来说浓度过高，会使其失水过快、过多而死亡。 答案 (1)观察植物细胞的质壁分离与复原(或探究植物细胞的失水和吸水，或证明原生质层相当于一层半透膜，答案合理即可)　有 (2)液泡　原生质层　(3)引流，使细胞浸润在蔗糖溶液中　 (4)细胞失水过多而死亡 (1)若例2图C步骤滴加的是质量浓度大于0.5 g/mL的蔗糖溶液，洋葱鳞片叶外表皮细胞________(填“能”或“不能”)发生质壁分离现象，F步骤________(填“能”或“不能”)观察到质壁分离复原现象，原因是______________________________________。 (2)若例2图C步骤滴加的是物质的量浓度为1 mol/L的KNO3溶液，洋葱鳞片叶外表皮细胞发生质壁分离后又自动复原，其自动复原是因为__________________________________________。 (3)若例2图C步骤滴加的是质量分数为15%的盐酸溶液，则D步骤________(填“能”或“不能”)观察到质壁分离现象。 解析 (1)在高浓度的外界溶液中，紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞失水速率快，细胞能发生质壁分离，但会因失水过多而死亡，不能发生质壁分离复原。(2)KNO3溶液中的K＋和NO都可以被细胞吸收，使细胞液浓度增大，一段时间后细胞液的浓度大于外界KNO3溶液的浓度，使细胞吸水而发生质壁分离复原。(3)盐酸处理后细胞死亡，原生质层失去选择透过性，细胞不能发生质壁分离。 答案 (1)能　不能　外界溶液浓度过高，细胞失水过多而死亡 (2)K＋和NO会进入细胞内，使细胞外溶液浓度低于细胞液浓度，细胞吸水　(3)不能 1．自由扩散 一些小分子物质很容易自由地通过细胞膜的磷脂双分子层，如氧气、二氧化碳；甘油、乙醇、苯等脂溶性小分子有机物也较易通过自由扩散进出细胞。细胞膜的通透性主要取决于分子大小和分子极性，方向取决于膜两侧浓度高低。 2．协助扩散 (1)概念：由膜上转运蛋白协助的小分子物质顺浓度梯度跨膜运输的方式。 (2)特点：转运速率高、存在最大转运速率、具有特异性、有转运蛋白参与。 (3)转运蛋白：分为载体蛋白和通道蛋白，前者既可介导被动运输，又可介导主动运输，后者只能介导被动运输。 ①载体蛋白及其功能：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转运，一种特异性载体只转运一种类型的分子或离子。 ②通道蛋白及其功能：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。分子或离子通过通道蛋白时，不需要与通道蛋白结合。 ③实例：血液中葡萄糖进入红细胞、水分子通过水通道蛋白进入细胞。 ④示意图 被动运输的影响因素 (1)自由扩散的影响因素：物质运输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。(如图A) (2)协助扩散的影响因素：除了膜内外物质浓度梯度的大小外，还与膜上转运蛋白的数量有关。当转运蛋白达到饱和时，物质浓度再增加，物质运输速率也不再增加。(如图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。(如图C) 【例3】 水分子可以以简单扩散的方式通过细胞膜，但扩散速度非常缓慢。科学研究证明，水分子跨越细胞膜的快速运输是通过细胞膜上的一种水通道蛋白实现的。下列相关说法错误的是(　　) A．水分子可以以协助扩散的方式进入细胞 B．水通道蛋白可以使双缩脲试剂变紫，原因是其具有氨基 C．哺乳动物肾小管、集合管细胞应分布较多的水通道蛋白 D．水通道蛋白可以使水分子通过，但其他分子或离子则不能通过 答案　B 解析　水分子通过水通道蛋白运输属于协助扩散，A项正确；水通道蛋白能使双缩脲试剂产生紫色反应，原因是其具有肽键，B项错误；哺乳动物肾小管、集合管对水的重吸收很快，原因是分布有较多的水通道蛋白，C项正确；水通道蛋白是专门运输水分子的，其他分子或离子不能通过，D项正确。 【例4】 研究发现，水分子进入植物细胞的两种方式如图所示。下列叙述错误的是(　　) A．根细胞吸水能力与其细胞液中水的相对含量有关 B．土壤溶液浓度过高时，植物细胞吸水需要消耗能量 C．水分子通过水通道蛋白是顺相对含量梯度运输的 D．水分子不通过水通道蛋白的跨膜运输方式为自由扩散 答案　B 解析　根毛细胞吸水能力与其细胞液中水的相对含量有关，例如细胞液中水的相对含量少，根毛细胞吸水能力强，A项正确；土壤溶液浓度过高时，植物细胞可能会发生渗透失水，且该过程不需要消耗能量，B项错误；据题图分析，水分子通过水通道蛋白是顺相对含量梯度进行的，C项正确；水分子不通过水通道蛋白的跨膜运输方式为自由扩散，水分子通过水通道蛋白的跨膜运输方式为协助扩散，D项正确。 转运蛋白的类型 类型 载体蛋白 通道蛋白 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。分为水通道蛋白和离子通道蛋白两种类型，分子或离子通过通道蛋白时，不需要与通道蛋白结合 类型 载体蛋白 通道蛋白 举例 葡萄糖、氨基酸、核苷酸或某些离子等的载体蛋白 水通道蛋白、Na＋、K＋、Ca2＋等的离子通道蛋白 图示 1．将洋葱细胞放入大于细胞液浓度的KNO3溶液中，一段时间后，用显微镜观察发现该细胞未发生质壁分离，其原因可能是该细胞(　　) ①是死细胞　②是根尖分生区细胞　③大量失水　④质壁分离后又自动复原 A．①②③ B．①③④ C．①②④ D．②③④ 答案　C 解析　渗透作用发生的条件是具有半透膜和半透膜两侧有浓度差。如果细胞失去活性，则细胞膜是全透性的，不会发生质壁分离，①正确；植物根尖分生区细胞无大液泡，不能发生质壁分离，②正确；KNO3溶液浓度大于细胞液浓度，则洋葱细胞会发生失水，但若细胞大量失水，则会发生质壁分离，与题意不符，③错误；K＋和NO均可被细胞吸收，因此，将细胞放入KNO3溶液中，细胞可能先渗透失水发生质壁分离，后因细胞吸收K＋和NO，使细胞液浓度升高，发生质壁分离自动复原，④正确。 2．某研究小组用5种植物材料进行质壁分离实验。在相同的放大倍数下，记录视野中的细胞数目，然后滴加蔗糖溶液，记录从滴加蔗糖溶液到发生初始质壁分离的平均时间，绘制成下图。下列说法正确的是(　　) A．据图分析可知，5种植物材料中山茶细胞最小 B．该实验在观察质壁分离现象时，没有设计对照实验 C．若在发生质壁分离后滴加清水，则5种材料复原时间都不同 D．5种材料中，红花继木发生质壁分离的速度最快 答案　D 解析　由题图信息可知，在相同的放大倍数下，记录视野中细胞数目以山茶细胞最少，说明其细胞体积最大，A项错误；该实验中的各组材料之间相互对照，所以本实验不需要单独设计对照实验，B项错误；根据各组实验结果，只能得到几种植物细胞质壁分离的平均时间不同，无法推知滴加清水后，它们质壁分离后的复原时间是否相同，C项错误；各组实验中，红花继木细胞在滴加蔗糖溶液后，发生初始质壁分离的平均时间最短，故其质壁分离的速度最快，D项正确。 3．(2024·黑吉辽改编)研究人员对小鼠进行致病性大肠杆菌接种，构建腹泻模型。用某种草药进行治疗，发现草药除了具有抑菌作用外，对于空肠、回肠黏膜细胞膜上的水通道蛋白3(AQP3)的相对表达量也有影响，结果如图所示。下列叙述不正确的是(　　) A．水的吸收以自由扩散为主、水通道蛋白的协助扩散为辅 B．模型组空肠黏膜细胞对肠腔内水的吸收减少，引起腹泻 C．治疗后空肠、回肠AQP3相对表达量提高，缓解腹泻，减少致病菌排放 D．治疗后回肠AQP3相对表达量高于对照组，可使回肠对水的转运增加 答案　A 解析　水分子跨膜运输的主要方式是经过水通道蛋白的协助扩散，A项错误；模型组空肠AQP3相对表达量降低，空肠黏膜细胞对肠腔内水的吸收减少，引起腹泻，B项正确；治疗后空肠、回肠AQP3相对表达量提高，对水的转运增加，缓解腹泻，减少致病菌排放，C项正确；治疗组回肠AQP3相对表达量高于对照组，可使回肠对水的转运增加，D项正确。 4．协助扩散需要细胞膜上载体蛋白或通道蛋白的协助。如图甲、乙分别表示载体介导和通道介导的两种协助扩散方式，其中通道介导的扩散速率比载体介导的快得多。下列有关叙述正确的是(　　) A．该过程的运输速率与膜两侧浓度差完全呈正相关 B．载体蛋白和通道蛋白均具有一定的特异性 C．甲、乙两种方式均存在溶质分子与相应蛋白质的结合过程 D．该过程需要消耗能量 答案　B 解析　协助扩散需要转运蛋白的协助，其运输速率既与膜两侧浓度差相关，又与转运蛋白的数量相关，因此并不是与膜两侧浓度差完全呈正相关，A项错误；载体蛋白和通道蛋白均具有一定的特异性，B项正确；载体蛋白在转运离子或分子时会与离子或分子结合，而离子或分子通过通道蛋白时，不需要与通道蛋白结合，C项错误；该过程为协助扩散，协助扩散不需要消耗能量，D项错误。 5．用2 mol·L－1的乙二醇溶液和2 mol·L－1的蔗糖溶液分别浸泡某种植物细胞，观察质壁分离现象，得到其原生质体(除去细胞壁的整个植物细胞)体积的变化情况如图所示。请据图回答： (1)原生质体体积A→B段的变化说明：在该段时间内水分子从原生质体____________，细胞液浓度将会____________。 (2)在1分钟后，处于2 mol·L－1蔗糖溶液中的细胞，其细胞液浓度将会____________，此时，在细胞壁与原生质层之间充满了__________。 (3)原生质层包括__________、__________、______________。 (4)在1分钟后，处于2 mol·L－1乙二醇溶液中的细胞，其原生质体体积的变化是由于__________逐渐进入细胞内，引起细胞液浓度__________。 (5)并不是该植物的所有活细胞均可发生质壁分离，能发生质壁分离的植物细胞必须具有____________。 解析 (1)A→B段原生质体体积减小，说明在该段时间内水分子从原生质体渗出，细胞液浓度变大。(2)分析2 mol·L－1蔗糖溶液的曲线变化，在1分钟以后原生质体体积保持不变，且一直小于初始状态时的体积，说明细胞的失水达到最大限度，其细胞液浓度将会保持不变，细胞一直处于质壁分离状态。由于细胞壁是全透性的，则在细胞壁与原生质层之间充满了蔗糖溶液。(3)原生质层包括细胞膜、液泡膜和两膜之间的细胞质。(4)分析2 mol·L－1的乙二醇溶液的曲线变化，在1分钟以后原生质体的体积不断增大，最后恢复原状，说明1分钟以后，由于乙二醇进入细胞，细胞液浓度变大，细胞开始吸水，发生质壁分离复原。(5)成熟的植物细胞，即含有大液泡的细胞，才能发生质壁分离。 答案 (1)渗出　变大　(2)不变　蔗糖溶液　 (3)细胞膜　液泡膜　两膜之间的细胞质　 (4)乙二醇　变大　(5)大液泡 要点速记 1．红细胞吸水和失水的现象，植物细胞质壁分离及其复原的实验，说明细胞可以通过渗透作用吸水和失水。 2．动物细胞的细胞膜、植物细胞的原生质层都相当于一层半透膜。 3．一些不带电荷的无机小分子和脂溶性的小分子有机物可以通过自由扩散方式进出细胞。离子和一些小分子有机物如葡萄糖、氨基酸等的跨膜运输必须借助于转运蛋白。 4．转运蛋白包括载体蛋白和通道蛋白两类。借助载体蛋白或通道蛋白顺浓度梯度，不需要细胞提供能量的运输方式，叫作协助扩散。 $$