4.1被动运输第2课时教学设计-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

第2课时 自由扩散和协助扩散 目标素养 1．举例说明有些物质顺浓度梯度进出细胞，不需要额外提供能量。 2．举例说明自由扩散、协助扩散的特点和区别。 重点难点 重点 被动运输的原理和特点。 难点 转运蛋白的种类、作用和特点。 教学准备 教师准备 1．制作课件。 2．查阅通道蛋白发现的科学史。 学生准备 1．复习细胞膜的结构、磷脂分子的特点。 2．预习协助扩散的内容，对转运蛋白做初步了解。 导入新课 导入一 半透膜是指某些物质可以透过，而另一些物质不能透过的多孔性薄膜。透过的依据是分子或离子的大小，不具有选择性。 系统的边界-细胞膜则可以控制物质进出细胞：水分子能自由通过，细胞选择吸收的离子和小分子也可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过，具有选择透过性。我们把这样的膜称为生物膜，如细胞膜、液泡膜等。 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。 导入二 教师 水分子或其他溶剂分子通过半透膜的扩散称为渗透作用。成熟植物细胞的细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质称为原生质层，原生质层相当于一层半透膜。当细胞液与外界溶液之间出现浓度差时，细胞就会吸水或失水。由于原生质层和细胞壁的伸缩性不同，从而发生质壁分离或质壁分离复原。 我们上节课把液泡中富含色素的植物细胞-紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞，先后浸入蔗糖溶液和清水中，通过观察液泡大小和颜色的变化，推测出水通过原生质层顺着相对含量梯度进出细胞的情况： 外界溶液浓度＞细胞液浓度：细胞失水→原生质层的伸缩性＞细胞壁的伸缩性→质壁分离。 外界溶液浓度＜细胞液浓度：细胞吸水→原生质层逐渐恢复→质壁分离复原。 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。 教学过程 环节一：被动运输的类型 教师 出示人工脂双层膜对不同分子的通透性及磷脂分子示意图： 提问：人工脂双层膜对不同分子的通透性有哪些差异？为什么？ 提示：磷脂分子一端是极性的头部，另一端是长长的非极性的脂肪酸链构成的尾部，相对排列成脂双层后，小分子比大分子更容易穿膜，非极性分子比极性分子更容易穿膜。O2、CO2、N2、苯是非极性的小分子物质，较容易通过脂双层；而尿素、甘油等虽然是极性分子，但是分子量小且不带电荷，也能够通过脂双层。葡萄糖、蔗糖相对分子质量比较大，而且具有极性，这两个因素共同导致其无法通过脂双层。构成脂双层的磷脂分子具有长长的疏水的尾部，所以带电荷的离子难以通过。 一、自由扩散 教师进行讲解： 磷脂双分子层是细胞膜的基本支架。O2、CO2、N2、苯、尿素、甘油等物质可以自由通过脂双层，也可以通过细胞膜。 1．概念：我们将物质通过简单的扩散作用进出细胞的方式，称为自由扩散，也叫简单扩散。是被动运输的方式之一。 2．运输方向：顺浓度梯度（或顺相对含量梯度）。 3．实例：水、尿素、气体（O2、CO2、N2等）、脂溶性小分子（甘油、乙醇、苯等）。 4．意义：自由扩散对于所有的细胞都非常重要。如我们熟悉的呼吸作用的过程中，O2是细胞代谢所必需的，而CO2是代谢的废物，，O2、CO2必须时刻通过自由扩散进出细胞。在人体的肺部，顺浓度梯度的自由扩散是O2进入红细胞和CO2出红细胞的唯一方式，细胞只有不断获得O2并排出CO2，完成物质交换，进而实现能量转换，才能保证生命活动的正常进行。 二、协助扩散 偶有所得 过渡：葡萄糖、氨基酸、无机盐离子等是所有细胞生命活动所必需的，它们不能通过人工膜，但是一定有办法通过细胞膜。葡萄糖等物质如何通过细胞膜呢？ 与人工合成的脂双层相比较，构成细胞膜的脂双层中多出了一些物质，这就是膜蛋白。膜蛋白的种类很多，其中可以协助极性小分子、带电的离子等进行跨膜运输的膜蛋白称为转运蛋白。 教师 用课件出示协助扩散的概念、运输方向、实例和特点。 1．概念：离子和一些小分子有机物如葡萄糖、氨基酸等，不能自由地通过细胞膜，需要借助膜上的转运蛋白进出细胞，叫作协助扩散，也叫易化扩散。 2．运输方向：顺浓度梯度（或顺相对含量梯度）。 3．实例：水分子进出细胞（水通道蛋白）、葡萄糖进入红细胞（载体蛋白）、外流和Na+内流（离子通道蛋白）等。 （1）葡萄糖进入红细胞 （2）神经纤维上内流 4．特点：（1）需要转运蛋白协助；（2）不需要消耗能量。 三、被动运输 过渡：自由扩散和协助扩散的本质都是扩散。物质顺浓度梯度进出细胞，不需要额外提供能量，因此它们统称为被动运输。 布置学习任务：比较自由扩散和协助扩散，并完成下面的表格。 物质跨膜运输的方式 浓度梯度 是否需要转运蛋白 是否消耗能量 被动运输 合作学习，完成表格。 教师 进行评价并用课件演示自由扩散和协助扩散的异同点。 自由扩散和协助扩散的异同点： 物质跨膜运输的方式 浓度梯度 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 四、拓展 引领学生探究某物质跨膜运输的方式是自由扩散还是协助扩散，进行归纳。 设计意图 通过分析现象、列举实例、看示意图等活动，调动学生的思维，积极讨论和探索，归纳并区分被动运输的两种方式，对自由扩散和协助扩散建立较为清晰的认知，最后学以致用，尝试探究被动运输的方式。 环节二：转运蛋白的类型 转运蛋白可以分为载体蛋白和通道蛋白两种类型。物质借助细胞膜上的载体蛋白或通道蛋白，顺浓度梯度进出细胞的方式叫作协助扩散。 一、载体蛋白 教师 过渡：哺乳动物的红细胞需要不断从血浆中吸收葡萄糖。红细胞膜上有一类跨膜的载体蛋白，可与膜一侧溶液中的葡萄糖结合，然后蛋白质空间结构改变，将葡萄糖转运到膜的另一侧并释放。 出示葡萄糖协助扩散进入细胞的过程示意图： 观察示意图，思考载体蛋白的特点，讨论其有无特异性。 进行小组讨论。 细胞膜上的葡萄糖载体蛋白处于起始状态时，其向膜外侧暴露葡萄糖分子的结合位点，使位点与葡萄糖分子结合。通过信号的传递，载体蛋白状态转化，将结合位点暴露在膜内，葡萄糖分子便进入了细胞内。由结合位点的特异性可知，载体蛋白具有特异性。 教师 用课件演示载体蛋白的特点：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，而且每次转运时都会发生自身构象的改变。 二、通道蛋白 过渡：细胞膜中还有被称为“通道”的膜蛋白，如神经细胞膜上有通道、通道等离子通道，给特定离子提供了跨膜扩散的途径。很多离子通道的开放和关闭是可控的。 教师用课件出示资料： 资料1 生物膜和人工膜对多种物质的通透性坐标图： 提问：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？ 提示：学生可能有两种观点。①水分子很小，可能是通过自由扩散的方式过膜；②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，疏水的尾部不停地摆动，极性分子很难通过，所以水分子虽然很小，也难以用自由扩散的方式通过磷脂双分子层。 分析上图，甘油、 位于斜率等于1的直线上，属于自由扩散过膜，而H2O 不在这条斜率等于1的直线上，故可能以自由扩散的方式过膜，也可能以其他方式过膜。 资料2 水分子比较小，在活细胞中含量最多，人们曾经认为它们是自由穿过细胞膜磷脂双分子层的间隙而进出细胞的。后来的研究发现，水分子通过细胞膜的速率高过通过人工膜，由此推断细胞膜上可能存在特殊的输送水分子的通道。 资料3 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，发现了一个疏水性跨膜蛋白（命名为“AQP1”），他将含有AQP1蛋白的细胞和不含有此蛋白的细胞放在同一水溶液中进行实验，结果如图： 为了进一步验证，科研人员将AQP1蛋白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。 分析资料，归纳水分子跨膜运输的方式。 学生 进行资料分析，归纳结论。 结论：水分子很小，不带电荷但具有极性。水分子可以通过膜上磷脂分子间的空隙以自由扩散的方式进出细胞，但是更多的是借助细胞膜上的水通道蛋白（如图）以协助扩散的方式进出细胞。 水通道蛋白 资料4 麦金农利用X射线晶体成像技术，获得了世界上第一张钾离子通道的高清晰度照片，它可以让科学家观测到仰离子通道在钾离子进入前的状态、钾离子在其中的状态以及钾离子穿过后的状态。这样，人们就可以“看见”钾离子是如何通过通道的。2003年，麦金农获得了诺贝尔化学奖。 与此同时，钙离子通道蛋白、钠离子通道蛋白等的结构被一一解析。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。例如，钾离子通道蛋白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。 教师 引领学生在分析资料的基础上归纳通道蛋白的特点：分子或离子通过通道蛋白时，不需要与通道蛋白结合，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。 教师 进行补充强调：离子通道蛋白介导的协助扩散，在协助运输的过程中，电信号、化学信号和力学信号对门控进行开关指导，使特异性离子得以通过。 教师 布置学习任务：列表对载体蛋白和通道蛋白进行比较。 项目 载体蛋白 通道蛋白 转运特点 是否与转运的分子结合 构象是否改变 是否具有特异性 实例 图示 学生填写完成后，教师进行评价，并用课件出示表格。 项目 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 是否与转运的分子结合 结合 不结合 构象是否改变 改变 改变 是否具有特异性 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 图示 教学研讨 本节课的教学设计，注重分析图片，列表比较、分析资料，穿插学生活动和教师讲解，帮助学生理解被动运输的分类，自由扩散和协助扩散的特点、转运蛋白的种类及特点等。发现新教材的改变，重视新增知识点的学习。由于新教材对载体蛋白和通道蛋白的叙述较为简洁，不易于学生理解，在这部分内容的教学中，通过列表将两者进行进一步讲解和辨析。为了帮助学生增加感性认识，a克服对微观结构认识的困难，通过展示图片，结合物理、化学知识以及学生的生活经验，突破学习难点。通过引导学生分析图示进而探讨载体蛋白的作用机理，有利于培养学生的科学思维。 通过资料分析，引导学生逐步发现水通道蛋白，水通道蛋白的存在，打破了水分子仅靠自由扩散进出细胞的一般认知，还有占据了更主要部分的水分子跨膜运输，这大大提高了水分子转运的效率。 学科网（北京）股份有限公司 $$