4.1被动运输课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

细胞是个开放的生命系统 在第3章学习了细胞的基本结构。细胞作为基本的生命系统,具有系统的一般特征:有边界、有系统内各组分的分工合作,有控制中心起调控作用。同时,细胞还是一个开放的生命系统,需要时刻与外界进行物质交流、能量转换。 第1节 被动运输 第4章 细胞的物质输入和输出 细胞膜作为细胞的边界,不仅把细胞与外界环境分隔开,还具有控制物质进出的功能,即它是一种选择透过性膜。这是细胞膜的结构示意图,细胞各部分的结构与其功能是相适应的,那么,为什么细胞膜具有选择透过性呢?细胞膜是怎样控制物质输入和输出的呢?细胞膜对物质进出的控制与其结构又有什么联系? 这就是今天课程的主要内容:第四章 细胞的物质输入和输出 第一节被动运输 半透膜:是具有一定孔径,可以让小分子物质通过(如水分子),而大分子物质不能通过的一类薄膜。物质能否通过只与孔径大小有关。 蔗糖溶液 玻璃纸(半透膜) 清水 半透膜 蔗糖分子 水分子 讨论1: 漏斗管内液面为什么会升高? 问题探讨 扩散: 分子从相对含量高的一侧向相对含量低的一侧运动的现象。 问题探讨(P.60) 蔗糖溶液 玻璃纸(半透膜) 清水 半透膜 蔗糖分子 水分子 讨论1: 漏斗管内液面为什么会升高? 浓度: 蔗糖>清水 单位体积水分子数: 蔗糖<清水 单位时间内由清水 蔗糖溶液的水分子数多于蔗糖溶液 清水。 问题探讨 分析实验现象 讨论1:漏斗管内液面为什么会升高? h 蔗糖溶液 清水 半透膜 由于蔗糖溶液中水的相对含量(单位体积中的水分子数)比烧杯中的水的相对含量低,因此,烧杯中的水扩散到漏斗中的速度比漏斗中的水扩散到烧杯中的速度相对更快,导致漏斗中水量增加,液面上升。 蔗糖溶液 清水 半透膜 水分子的移动是双向的 水分子多 水分子少 总体方向: 讨论2: 液面升高时,水分子的运动方向是什么? 问题探讨 图2 渗 透 渗透作用 The osmosis 渗透作用 1.概念: _(或其他_分子)通过半透膜的扩散。 水分子 溶剂 h 蔗糖溶液 清水 半透膜 图1 扩 散 在这里,我们先明确两个概念: 扩散:分子从高浓度一侧向低浓度一侧运动的现象,叫扩散。如图1所示,物质从浓度高的A区向浓度低的B区扩散,最终达到平衡。生活中有很多扩散的例子,比如从厨房飘出的饭菜香 渗透作用:水分子或其他溶剂分子通过半透膜的扩散,称为渗透作用。如图2所示。 从扩散和渗透作用的示意图中,可以看出两种方式有什么异同吗?渗透作用特指水分子或其它溶剂分子的扩散,而且是通过半透膜的扩散 6 渗透作用 The osmosis _(或其他_分子)通过半透膜的扩散。 水分子 溶剂 相对含量高 相对含量低 溶液浓度 水的含量 低浓度溶液 高浓度溶液 1.概念: 2.渗透方向: 渗透作用 渗透作用 The osmosis 分析实验现象 液面会持续升高吗?为什么?液柱稳定后,半透膜两侧溶液浓度是否相等? 讨论3: 不会,当管内的液面上升到一定高度之后,管中的水柱产生的压力将加快漏斗中水分向外扩散的速度,最终达到平衡(水分子进出速度相等),液面不再上升。 不相等。 渗透作用 The osmosis 分析实验现象 h 蔗糖溶液 清水 半透膜 讨论4:若用纱布代替玻璃纸,漏斗的液面还会升高吗? 不会,因为纱布不是半透膜,孔隙很大,水和蔗糖分子都能通过,很快烧杯和漏斗中溶液浓度相等,液面不会升高 讨论5:如果烧杯中不是清水,而是同样浓度的蔗糖溶液,结果会怎样? 漏斗液面不变。 讨论6:请你总结渗透作用发生的条件。 渗透作用 The osmosis ②半透膜的两侧的溶液具有浓度差 ①半透膜 _(或其他_分子)通过半透膜的扩散 水分子 溶剂 3.发生条件: 玻璃纸,肠系膜,蛋壳膜,鱼鳔等 相对含量高 相对含量低 溶液浓度 水的含量 低浓度溶液 高浓度溶液 1.概念: 2.渗透方向: 渗透作用 (注意:溶液浓度指物质的量浓度,而非质量浓度) 10%葡萄糖溶液的物质的量浓度大,因此水分子由10%蔗糖溶液 10%葡萄糖溶液较多,右侧液面升高 渗透作用 The osmosis 渗透装置的变式 1、半透膜只允许水分子通过 液面 (等高) 2 mol/L 蔗糖溶液 2 mol/L 葡萄糖溶液 半透膜 液面不变 ① 液面 (等高) 10% 蔗糖溶液 10% 葡萄糖溶液 半透膜 ② 水进出细胞的原理 高浓度溶液 生理盐水 蒸馏水 动物细胞的吸水和失水 吸水膨胀 失水皱缩 保持原态 外界浓度 细胞质浓度 < 外界浓度 细胞质浓度 > 外界浓度 细胞质浓度 = 水分子通过细胞膜进出细胞的原理也是渗透作用吗? 基于渗透现象的分析,请你推测,水分子通过细胞膜是什么方式?有的同学会说,可能是通过渗透作用。下面我们以哺乳动物红细胞吸水和失水为例,一起讨论。如图所示,将哺乳动物成熟的红细胞放入不同浓度的NaCl溶液中,一段时间后,红细胞发生了以下的变化:当外界溶液溶质的浓度比细胞质的浓度低时,即红细胞处于高浓度溶液中,细胞吸水膨胀;当红细胞处于低浓度溶液中时,细胞失水皱缩;当外界溶液的浓度与红细胞的细胞质浓度相同时,细胞形态不变。 1、红细胞内的血红蛋白等有机物能够透过细胞膜吗?这些有机物相当于“问题探讨”所示装置中的什么物质? 2、红细胞的细胞膜是否相当于一层半透膜? 3、当外界溶液溶质的浓度低时,红细胞一定会由于吸水而涨破吗? 4、红细胞吸水或失水取决于什么条件? 5、想一想临床上输液为什么要用生理盐水。 思考 讨论 红细胞中的血红蛋白是大分子有机物,不能透过细胞膜,它相当于“问题探讨”所示装置中的蔗糖分子。 是(相当于)。 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。 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。 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。 水进出动物细胞的原理 外界溶液 细胞膜 半透膜 蔗糖溶液 细胞质基质 相当于 相当于 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。 14 细胞膜 细胞质 液泡膜 原生质层 由于中央大液泡的存在,细胞质被挤成一薄层。 水分主要存在于成熟植物细胞的液泡中。因此我们说的水分进出植物细胞主要是指水经过原生质层进出液泡。 水又是怎样进出植物细胞的呢? 细胞壁(全透性,伸缩性小) 细胞液(具有一定的浓度) 植物细胞的吸水和失水 水进出细胞的原理 提出问题 作出假设 设计实验 进行实验,记录结果 分析结果,得出结论 表达与交流 水分进出植物细胞是通过渗透作用吗? 原生质层是否相当于半透膜? 提出问题 作出假设 设计实验 进行实验,记录结果 分析结果,得出结论 表达与交流 水分进出植物细胞是通过渗透作用;原生质层相当于一层半透膜 提出问题 作出假设 设计实验 进行实验,记录结果 分析结果,得出结论 表达与交流 设计方案 实验设计的思路: 若水分进出植物细胞是通过渗透作用;原生质层相当于一层半透膜, 当外界溶液浓度高于细胞液浓度时,植物细胞会_水;当外界溶液浓度低于细胞液浓度时,植物细胞会_水。 失 吸 可选液泡可见的植物细胞 紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞 细胞液有颜色 水分进出植物细胞主要指进出液泡 哪种材料适合观察细胞吸水和失水? 怎样改变外界溶液的浓度? 质量浓度0.3g/ml的蔗糖溶液;清水 细胞吸水和失水后可出现哪些可观察的变化? 提出问题 作出假设 设计实验 进行实验,记录结果 分析结果,得出结论 表达与交流 将洋葱鳞片叶外表皮细胞浸润在较高浓度的蔗糖溶液中,观察其液泡大小的变化;再浸润在清水中,观察其液泡大小的变化。 原生质层相当于一层半透膜,水分子可以自由通过,而蔗糖分子不能通过。 预期结果 设计方案 细胞_,中央液泡变小 外界溶液浓度小于细胞液浓度 外界溶液浓度大于细胞液浓度 失水 细胞_,中央液泡变大 吸水 提出问题 作出假设 设计实验 进行实验,记录结果 分析结果,得出结论 表达与交流 板书 再次滴加清水溶液后观察 提出问题 作出假设 设计实验 进行实验,记录结果 分析结果,得出结论 表达与交流 正常的洋葱 外表皮细胞 0.3g/mL的蔗糖溶液 质壁分离的 洋葱表皮细胞 清水 质壁分离复原的 洋葱表皮细胞 实验现象: 液泡大小 原生质层的位置 细胞大小 0.3 g/ml 蔗糖溶液 清水 变小 逐渐恢复原来大小 恢复原来位置 脱离细胞壁 基本不变 基本不变 提出问题 作出假设 设计实验 进行实验,记录结果 分析结果,得出结论 表达与交流 实验结论: (1)植物细胞的 相当于一层半透膜; (2)植物细胞也是 吸水和失水的。 ①当细胞液浓度小于外界溶液浓度时, ②当细胞液浓度大于外界溶液浓度时, 细胞失水,发生质壁分离。 细胞吸水,发生质壁分离复原。 原生质层 通过渗透作用 细胞的吸水和失水 Water absorption and loss of cells 实验原理 ②原生质层比细胞壁的伸缩性_ ①成熟植物细胞的原生质层相当于一层_ 细胞液与外界溶液具有一定的浓度差,能渗透吸水和失水 内因: 外因: 半透膜 大 植物细胞 原生质层相当于半透膜 细胞液与外界溶液具有浓度差 实验:探究植物细胞的吸水和失水 1.下图是某同学观察植物细胞质壁分离和复原实验时拍下的显微照片,此时细胞液浓度与外界溶液浓度的关系是? 2.质壁分离过程中细胞的吸水能力怎么变? 思考: 3.分析盐碱地不利于植物生长的原因。为什么有些植物耐盐碱? 耐盐碱植物-刺槐 1、选材要求: 活的、成熟的植物细胞 紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞 黑藻叶片细胞 特别提醒: (液泡有一定颜色便于观察,若无,也可使用较多叶绿体的材料,如观察黑藻叶绿体分布情况判断细胞是否发生质壁分离现象) 2、在一定浓度的甘油、尿素、乙二醇、KNO3等溶液中 特别提醒: 3、质壁分离后在细胞壁和细胞膜之间充满的是 4、选择对细胞无毒害作用(本实验需保持细胞活性。盐酸、酒精、醋酸等溶液能杀死细胞,不宜选择),浓度适中的外界溶液,浓度过高会导致细胞失水过多而死亡。 0.3g/mL的蔗糖溶液 5、本实验存在自身前后对照。且本实验共低倍镜观察3次。 6、质壁分离与复原过程中水分移动是双向的,总结果是单向的。 先发生质壁分离 再发生质壁分离自动复原。 外界溶液。 质壁分离与复原实验的拓展 判断成熟植物细胞的死活 测定细胞液浓度范围 待测成熟植物细胞 一定浓度 蔗糖溶液 镜检 发生质 壁分离 无质壁 分离 待测成熟植物细胞 一系列浓度梯度的蔗糖溶液 镜检 1 2 活细胞 死细胞 细胞液浓度介于未发生质壁分离和刚发生质壁分离的两蔗糖溶液浓度之间 3 比较不同植物细胞的细胞液浓度 比较未知浓度溶液的浓度大小 不同植 物细胞 同一浓度蔗糖溶液 镜检 发生质壁分离所需时间越短,细胞液浓度 ,反之则细胞液浓度 同一植物的 相同成熟细胞 未知 浓度的溶液 镜检 发生质壁分离所需时间越短 ,未知溶液的浓度 ,反之则未知溶液的浓度 4 质壁分离与复原实验的拓展 越小 越大 越大 越小 质壁分离与复原实验的拓展 6 农业生产中的水肥管理 7 生活中杀菌、防腐、腌制食品 5 鉴别不同种类的溶液(如KNO3溶液和蔗糖溶液) 成熟植 物细胞 不同种 类溶液 镜检 只发生 质壁分离 质壁分离 后自动复原 溶质不能透过半透膜(如蔗糖溶液) 溶质能透过半透膜(如KNO3溶液) 自由扩散和协助扩散 被动运输: 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的物质跨膜运输方式。 协助扩散 被动运输 自由扩散 { 像像水分子这样,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的物质跨膜运输方式。运输动力来自于细胞内外物质的浓度差。 被动运输又分为自由扩散和协助扩散两类 人工合成的脂双层对物质的通透性 人工合成脂双层 细胞膜示意图 肺泡内 肺泡细胞 当肺泡内氧的浓度大于肺泡细胞内部氧的浓度时 肺泡内 肺泡细胞内部 O2 扩散 作用 自由扩散 1.自由扩散 2.协助扩散 通道蛋白 载体蛋白 那么这种顺浓度梯度,以膜内外浓度差为动力的物质运输方式,我们统称为被动运输。板书大括号。 资料1:水分子比较小,在活细胞中含量最多,人们曾经认为它们以自由穿过细胞膜磷脂分子的间隙而进出细胞。 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? 后来的研究发现,水分子在通过细胞膜时的速率高过人工膜,由此推断细胞膜上可能存在特殊的输送水分子的通道。 现在,请同学思考:水从水多的一侧向水少的一侧扩散,属于哪种方式的扩散呢? 有的同学会说,水分子很小,应该是通过自由扩散的方式过膜;有的同学可能会想到水分子是极性分子,而磷脂分子具有亲水的头部和长长的疏水的尾部,疏水的尾部不停的摆动,极性分子很难通过,所以水分子虽然很小,也难以通过自由扩散的方式通过磷脂双分子层。这些同学分析的都有一定道理,但是水分子过膜的方式不能仅通过理论分析得出,必须通过实验证实。现在,我们一起看2个资料:资料1-水分子比较小,在活细胞中含量最多,人们曾经认为它们以自由穿过细胞膜磷脂分子的间隙而进出细胞。后来的研究发现,水分子在通过细胞膜时的速率高过人工膜(如图中的曲线所示,横坐标是各种物质对人工膜的通透性,纵坐标是各种物质对生物膜的通透性;氧气在两种膜中的通透性最高,而且是一致的,说明氧气透过人工膜和生物膜的方式是一致的,均以自由扩散的方式过膜;二氧化碳和甘油也是如此;但是水分子对生物膜的通透性约为10的-2次方 cm每秒,但是对人工膜的通透性约为10 的-3方cm每秒,即水通过生物膜的速率是人工膜的10倍),由此推断细胞膜上可能存在特殊的输送水分子的通道。 36 资料2: 1988年,美国科学家阿格雷从红细胞和肾小管细胞中分离出一种新的膜蛋白,后来经过实验获得了该蛋白的氨基酸序列结构,证实了水通道蛋白的存在。目前,人们已经从细菌、酵母菌、植物、动物的细胞中分离出多种水通道蛋白。 水通道蛋白结构模式图 资料2:1988年,美国科学家阿格雷从红细胞和肾小管细胞中分离出一种新的膜蛋白,后来经过实验获得了该蛋白的氨基酸序列结构,证实了水通道蛋白的存在。目前,人们已经从细菌、酵母菌、植物、动物的细胞中分离出多种水通道蛋白。关于人类对通道蛋白的探索历程,在必修1 被动运输一节的生物科学史话 板块有详细的描述,建议同学们课下阅读。 37 肾小管对水的重吸收 在肾小囊形成的原尿流经肾小管时,其中的水分、无机盐、葡萄糖等有用的物质被肾小管吸收重新入血。一个正常人每天形成原尿约150升,但是形成的终尿只有1.5升左右。原尿中的那么多的水分去哪里了呢? 38 钾离子通道模式图 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。 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,美国科学家麦金农解析了K+通道蛋白的立体结构。与此同时,钙离子、钠离子等通道蛋白的结构一一被解析,科学家们发现,细胞膜上存在多种离子的通道蛋白,如果这些通道蛋白结构异常,会引起很多疾病,比如说钾离子通道在所有细胞的信号转导中起重要作用,在调节神经细胞的神经递质释放、骨骼肌收缩、心率等方面发挥重要作用;钙离子通道异常可能会导致高血压等疾病。科学家们一直在积极研究通道蛋白的作用机制,探索调控通道蛋白的药物,以治疗疾病,维护人类健康。 39 项 目 自由扩散 协助扩散 运输方向 是否需要转运蛋白 是否消耗细胞内的能量 影响因素 举例 不需要 需要 不消耗 不消耗 O2、H2O、CO2、尿素、甘油、乙醇 葡萄糖通过红细胞膜 高浓度 低浓度 高浓度 低浓度 自由扩散和协助扩散 浓度差、温度 浓度差,转运蛋白的数量、温度 被动运输的特点:顺浓度梯度,不消耗能量。 甲表示_,乙表示_, b、d分别表示_和_,水进出细胞的方式是_(填字母) 下图是物质跨膜运输方式的示意图,其中a-d表示运输方式,甲、乙表示物质,回答下列问题: 磷脂双分子层 载体蛋白 协助扩散 自由扩散 c、d $$