4.1 被动运输-【精准备课】2024-2025学年高一生物同步教学精优课件（人教版2019必修1）

细胞的边界：细胞膜（质膜） 1 第4章 细胞的物质输入和输出 2 第1节 被动运输 主讲教师：zeg 3 聚焦 1 细胞在什么情况下吸水或失水？ 2 植物细胞的质壁分离与复原现象说明什么？ 3 两种被动运输的方式有什么异同？ 视频见U盘该课件文件夹 细胞界新闻30min 《动物细胞游泳时裂开，抢救无效》 5 1 水进出细胞的原理 6 问题探讨 在一个长颈漏斗的漏斗口外密封上一层玻璃纸，往漏斗内注入蔗糖溶液，然后将漏斗浸入盛有清水的烧杯中，使漏斗管内外的液面高度相等。过一段时间后，会出现如图所示现象。 玻璃纸（又叫赛璐玢）是一种半透膜，水分子可以自由透过它，而蔗糖分子则不能。 讨论：漏斗管内的液面为什么会升高？如果漏斗管足够长，管内的液面会无限升高吗？为什么？ 教材P62 7 动画演示 动画演示 蔗糖分子 渗透现象演示 问题探讨 水分子 半透膜 问题探讨 烧杯内的溶剂——水分子通过半透膜向漏斗内扩散，导致漏斗内水柱升高，液面上升。 讨论：漏斗管内的液面为什么会升高？ 扩散：分子从高浓度一侧向低浓度一侧运动的现象。 扩散 笔记P62 9 问题探讨 渗透作用：水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜的扩散。 渗透 半透膜 笔记P62 10 漏斗管内的液面升高过程中，漏斗内水分子会通过半透膜进入到烧杯内吗？ 问题探讨 会，半透膜两侧的水分子双向运动。因为水分子可以自由透过半透膜，烧杯内清水中的水分子渗透到漏斗内蔗糖溶液的同时，漏斗内蔗糖溶液中的水分子也会进入到烧杯内的清水中。但是清水中水分子的相对含量高于蔗糖溶液，所以从烧杯内渗透到漏斗内的水分子数多于从漏斗内进入到烧杯内的水分子数，最终导致漏斗内液面升高； 也就是单位时间从烧杯内渗透到漏斗内的水分子数大于从漏斗内进入到烧杯内的水分子数，实际观察到的是水分子渗透差异导致的结果。 教材P62 11 问题探讨 水分子渗透方向： 从水的相对含量高的一侧向水的含量相对低的一侧渗透。 渗透 半透膜 含水量低 含水量高 溶液浓度低 溶液浓度高 从溶液浓度低的一侧向溶液浓度高的一侧渗透。 笔记P62 12 问题探讨 液面不会升高。因为半透膜两侧含水量相同，水分子数进出平衡。 讨论：如果烧杯中不是清水，而是同样浓度的蔗糖溶液，液面高度如何变化？ 液面不会升高。因为纱布不是半透膜，孔隙很大，具有全透性，水分子和蔗糖分子都能通过，纱布两侧分子进出平衡。 讨论：如果用一层纱布代替玻璃纸，漏斗管内的液面还会升高吗？ 渗透作用发生条件：半透膜 + 浓度差 思考下面讨论题，尝试总结渗透作用发生的条件 物质的量浓度，非质量浓度， 实质上指渗透压。 笔记P62 13 问题探讨 此时半透膜两侧浓度相等吗？ 不相等。正是半透膜两侧浓度不同，即存在浓度差，才能产生渗透压与水柱产生的静水压相互作用，从而导致水分子渗透平衡。 不会。当管内的液面上升到一定高度之后，管中的水柱产生静水压（指液体在一个容器中因重力作用产生的压强），加快漏斗中水分子向烧杯流动的速度，当水柱静水压与半透膜两侧渗透压使水分子渗透达到平衡，液面将不再上升。 讨论：如果漏斗管足够长，管内的液面无限升高吗？ 笔记P62 14 1.1 水进出动物细胞原理 水分子通过细胞膜进出动物细胞是通过渗透作用吗？（提出问题） 以哺乳动物红细胞为例进行探究，怎样设计实验？ 教材P63 15 探究·实践 做出假设：水分子通过细胞膜进出哺乳动物红细胞原理是渗透作用。 实验原理：渗透作用（水分子通过半透膜的扩散） 实验材料： 渗透装置 哺乳动物红细胞 哺乳动物红细胞 渗透作用发生 条件1：半透膜 条件2：浓度差（半透膜两侧水含量不同） ✔ How❓ 16 探究·实践 渗透条件1：细胞膜相当于半透膜，是选择性透过性膜。 选择透过性膜：指具有活性的生物膜。对物质的通过既具有半透膜的物理性质，还具有主动的选择性，如细胞膜。 选择透过性膜一定是半透膜，半透膜不一定是选择透过性膜。 笔记P63 哺乳动物红细胞 哺乳动物成熟红细胞内的血红蛋白等有机物能通过细胞膜吗？这些有机物相当于【问题探讨】所示渗透装置中的什么物质？ 不能；血红蛋白相当于蔗糖分子。 探究·实践 资料1 医用生理盐水是质量分数为0.9%的氯化钠溶液，正是人体内细胞所处的液体环境溶质的浓度，该液体环境渗透压90%以上来源于Na+和Cl-。 资料2 给患者输液时，医生一般会将药物溶解在质量分数为5%的葡萄糖溶液中。 哺乳动物红细胞 渗透条件2：红细胞内部血红蛋白相当于蔗糖分子，细胞质的质量分数等于0.9%的氯化钠溶液，或者5%的葡萄糖溶液。 18 探究·实践 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 实验方法步骤 0.09%NaCl溶液 （低渗溶液） 9%NaCl溶液 （高渗溶液） 0.9%NaCl溶液 （等渗溶液） 教材P63 探究·实践 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 实验结果 0.09%NaCl溶液 （低渗溶液） 9%NaCl溶液 （高渗溶液） 0.9%NaCl溶液 （等渗溶液） 细胞吸水膨胀 细胞失水皱缩 细胞形态不变 教材P63 实验结论：水进出动物细胞原理是通过渗透作用 探究·实践 21 1.2 水进出植物细胞原理 水分子进出植物细胞也是通过渗透作用吗？（提出问题） 植物细胞什么结构相当于半透膜？ 实验如何设计？ 教材P63 22 探究·实践 做出假设：水分子进出植物细胞原理是渗透作用。 实验原理：渗透作用（水分子通过半透膜的扩散） 实验材料： 成熟的植物细胞 成熟的植物细胞模式图 液泡膜 细胞膜 细胞壁 (全透性） 细胞质 （内有细胞液） 原生质层 教材P63 23 探究·实践 渗透条件1：原生质层相当于半透膜，是选择性透过性膜。 渗透条件2：液泡内的细胞液含有糖类、色素和蛋白质等相当于蔗糖分子，形成一定浓度的溶液。 成熟的植物细胞模式图 液泡膜 细胞膜 细胞质 原 生 质 层 渗透作用发生 条件1：半透膜 条件2：浓度差（半透膜两侧水含量不同） How❓ ✔ 探究·实践 材料用具 实验材料：紫色洋葱鳞片叶外表皮 实验仪器：刀片，镊子，滴管，载玻片，盖玻片，吸水纸，显微镜等。 实验试剂：质量浓度为0.3 g/mL蔗糖溶液、清水 教材P64 25 探究·实践 实验设计思路及预期结果 质壁分离：细胞失水过程中，由于原生质层伸缩性比细胞壁大，原生质层就会与细胞壁逐渐分离开的现象。 浓度差 外界溶液设置 预期实验结果 外界溶液浓度大于 细胞液浓度 外界溶液浓度小于 细胞液浓度 质量浓度 0.3 g/mL蔗糖溶液 细胞失水， 中央液泡体积变小，质壁分离 清水 细胞吸水， 中央液泡体积变大，细胞坚挺 探究·实践 实验方法步骤 制作洋葱鳞片叶外表皮临时装片 低倍显微镜观察 紫色的中央大液泡 原生质层紧贴细胞壁 0.3 g/mL 蔗糖 吸水纸吸引（重复几次） 教材P64 27 探究·实践 实验方法步骤 清水 吸水纸吸引（重复几次） 低倍显微镜观察 中央液泡逐渐变小，紫色逐渐加深 原生质层与细胞壁逐渐分离 质壁分离 低倍显微镜观察 中央液泡逐渐变大，紫色逐渐变浅 原生质层与细胞壁逐渐紧贴 质壁分离复原 教材P64 28 探究·实践 实验结论：水进出植物细胞原理是通过渗透作用 原生质层相当于半透膜 注意事项： 实验材料的选择 (1)所选材料应选择带有颜色的细胞 (2)观察的是同一区域细胞，因为实验遵循自身前后对照 使用的是低倍镜观察 探究·实践 实验拓展——实验材料可否更换 根尖分生区细胞？ 根尖成熟区细胞？ 幼嫩小叶黑藻叶肉细胞？ 成熟叶片黑藻叶肉细胞？ 探究·实践 ✔ ✔ ✖ ✖ 实验拓展——实验材料可否更换 幼嫩小叶黑藻叶肉细胞？ 成熟叶片黑藻叶肉细胞？ 探究·实践 ✔ ✖ 高倍显微镜下黑藻的叶绿体（幼嫩小叶） 高倍显微镜下黑藻细胞质壁分离现象 实验拓展——质壁分离的应用： 判断成熟植物细胞的死活 探究·实践 一定浓度 蔗糖溶液 发生 质壁分离 不发生 质壁分离 实验拓展——质壁分离的应用： 比较不同植物细胞的细胞液浓度大小 探究·实践 同一浓度 蔗糖溶液 发生质壁分离所需时间越短， 细胞液浓度越小； 实验拓展——细胞外液中的溶质分子可以进入细胞 滴加一定浓度的KNO3溶液，该浓度大于细胞液浓度但可维持正常细胞活性，KNO3可被细胞吸收。 实验现象：发生质壁分离，没有滴加清水，会自动出现质壁分离复原现象。 原因：外界溶液浓度较大，细胞发生质壁分离；但细胞会主动吸收K+、NO3- ，细胞液浓度逐渐增大，细胞开始吸水，发生质壁分离复原现象。 探究·实践 实验拓展——细胞外液中的溶质分子可以进入细胞 滴加一定浓度的KNO3溶液(该浓度大于细胞液浓度但可维持细胞活性，KNO3可被细胞吸收） 其他溶液：较高浓度的葡萄糖溶液，尿素溶液，甘油溶液也会出现质壁分离复原现象。 探究·实践 实验拓展——细胞外液中的溶质分子可以进入细胞 尝试用曲线图表示该现象 探究·实践 时间/min 细胞失水量 a b 时间/min 原生质体体积 A B C 实验拓展——细胞外液中的溶质分子可以进入细胞 曲线解析： （1）a点之前：细胞失水（速率逐渐减小），质壁分离；细胞液浓度小于外界溶液浓度； （2）a点之后b点之前：细胞吸水，开始质壁分离复原；细胞液浓度大于外界溶液浓度； （3）b点：质壁分离完全复原，吸水量等于失水量； （4）a点：细胞失水量最大，细胞液浓度等于外界溶液浓度； 探究·实践 实验拓展——细胞外液中的溶质分子可以进入细胞 请用曲线图表示该现象 （5）细胞液浓度增大原因：细胞主动吸收外界溶液中的溶质分子； （6）细胞吸收溶质分子时间：a点以后细胞液浓度已经大于外液溶液浓度，故细胞主动吸收溶质分子发生在a点之前。 （7）b点细胞浓度与初始细胞浓度大小比较：细胞失水量＝吸水量，但细胞主动吸收溶质分子，溶剂量不变，溶质增多，故b点细胞浓度大于初始细胞浓度。 探究·实践 小结：物质以扩散的方式进出细胞，不消耗细胞内化学反应释放的能量，这种跨膜运输方式 称为被动运输。 教材P65 40 2 自由扩散和协助扩散 41 2. 自由扩散和协助扩散 解决以下问题，展示学习成果： 什么是自由扩散？举例说明以自由扩散方式进出细胞的物质 葡萄糖小分子有机物以及离子等物质以什么方式进出细胞呢？ 转运蛋白分为哪几类？分别有什么特点？ 什么是协助扩散？举例说明以协助扩散方式进出细胞的物质 水分子以自由扩散还是协助扩散方式进出细胞呢？ 教材P66-67 42 2.1 自由扩散 自由扩散：物质通过简单的扩散作用进出细胞，也叫简单扩散。 举例：O2、CO2 小分子物质；甘油、脂肪酸、乙醇、苯、性激素等脂溶性小分子物质； 浓度高 浓度低 分子运输方向：高浓度一侧运输到低浓度一侧 分子运输动力：两侧浓度差 教材P66 43 2.2 协助扩散 人工脂双层膜对不同分子的通透性 葡萄糖小分子有机物以及离子等物质以什么方式进出细胞呢？ 亲水“头部” 疏水“尾部” 44 2.2 协助扩散 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有机物、带电离子等顺浓度梯度跨膜运输的膜蛋白称为转运蛋白。 45 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。 通道蛋白： 只容许与自身通道的直径和形状相适配、大小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，不需要与通道结合。 教材P66-67 2.2 协助扩散 46 2.2 协助扩散 协助扩散：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扩散，叫做协助扩散，也叫易化扩散。 举例：葡萄糖进入红细胞 分子运输方向：高浓度一侧运输到低浓度一侧 分子运输动力：两侧浓度差 教材P66 47 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 协助扩散 顺浓度梯度 不需要 需要 不消耗 不消耗 顺浓度梯度 小结：自由扩散与协助扩散特征 48 2.2 协助扩散 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。 对比人工合成脂双层和生物膜对这些物质的通透性发现，人工合成膜对水分子的通透性却小于与生物膜对水分子的通透性，由此推断细胞膜上可能存在特殊的输送水分子的通道。 水分子以自由扩散还是协助扩散方式进出细胞呢？ 教材P67 49 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新的膜蛋白，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，放在同一水溶液中，发现有AQP1蛋白的细胞体积变大。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。 2.2 协助扩散 含AQP1蛋白 不含AQP1蛋白 50 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。 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。 2.2 协助扩散 51 水分子 水通道蛋白 2.2 协助扩散 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。 教材P67 52 资料1 研究表明，葡萄糖进入哺乳动物肝细胞时，如果使用药物限制膜蛋白的活动，则葡萄糖的运输速率迅速下降，如果减少能量的供应，却对运输没有影响。 学以致用 （1）依据资料1，可判断葡萄糖进入哺乳动物肝细胞的运输方式是 _________，判断依据是_________________________________ ________________________________________。 协助扩散 葡萄糖进入哺乳动物肝细胞与能量无关 且受膜蛋白活性影响 资料2 浓度差与O2跨红细胞膜时运输速率、葡萄糖跨红细胞膜时运输速率的关系如下表所示。 学以致用 浓度差 （mmol/L） 1.5 3 4.5 6 7.5 9 运输速率（相对值） 8 16 24 32 40 48 O2跨红细胞膜时的运输速率 浓度差 （mmol/L） 1.5 3 4.5 6 7.5 9 运输速率（相对值） 8 16 24 32 32 32 葡萄糖跨红细胞膜时的运输速率 （2）分析O2和葡萄糖跨红细胞膜时的运输速率分别与浓度差具有怎样的关系? 随浓度差增大，O2跨红细胞膜时的运输速率增大。 在一定范围内，随浓度差增大,葡萄糖跨红细胞膜时的运输速率增大,当浓度差达到一定数值后，运输速率保持不变。 2.4 自由扩散与协助扩散曲线图 判断：哪条曲线是自由扩散/协助扩散？请说出判断依据。 ② 运输速率 膜两侧的浓度差 运输速率 膜两侧的浓度差 ① 通过载体蛋白的协助扩散具饱和性 55 2.4 自由扩散与协助扩散曲线图 尝试总结影响自由扩散、协助扩散的因素。 ② 运输速率 膜两侧的浓度差 运输速率 膜两侧的浓度差 ① 影响自由扩散的因素： 温度 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 56 3 课堂小结 57 3. 课堂小结 被动运输 自由扩散 协助扩散 磷脂双分子层 载体蛋白 转运蛋白 通道蛋白 水通道蛋白 水分子进出细胞 属于 包括 穿过 借助 包括 如 4 练习与应用 59 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。 （ ） 4.1 概念检测 ✔ ✖ ✖ 60 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 （ ） 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 4.1 概念检测 D 61 4.2 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。 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。 62 2. 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 （ ） 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 4.1 概念检测 B 63 . 4.2 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。 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：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。 64 谢谢聆听! 同学们辛苦啦！ 65 $$