4.1细胞通过质膜与外界进行物质交换课件-2024-2025学年高一上学期生物沪科版（2020）必修1

代谢废物如： 尿素 问题聚焦： 什么物质可以透过质膜？ 物质跨膜的条件与动力？ 血液中： 血细胞 蛋白质 葡萄糖、氨基酸 水 离子：Na+ K+ CL- 通过透析过程，引出问题1.尿素可以透过的动力，以及其他物质是否可以透过？如何保证不被排除血液呢？ 4.1 细胞通过质膜与外界进行物质交换 食物中的营养物质需要经过消化才能被吸收 蛋白质 氨基酸 核酸 核苷酸 多糖 单糖 人工磷脂双分子层透性实验 脂肪酸 亲脂 亲水 是否有这些物质就一定会吸收呢？ 物质跨膜运输的动力来源？ 高浓度向低浓度方向运动 扩散 1、自由扩散 例：①N2、O2、CO2 等气体 ②乙醇、甘油、尿素等亲水性小分子以及水 ③脂肪酸等脂溶性小分子 动力：膜两侧的浓度差 浓度差越大，扩散速度越快 肺泡 肺泡处气体交换示意图 动脉端 静脉端 静脉血 动脉血 ③氨基酸、葡萄糖等亲水性有机分子和离子均被阻挡 人工磷脂双分子层透性实验 是否有这些物质就一定会吸收呢？ 2、协助扩散 例：葡萄糖、氨基酸以及离子等； 葡萄糖进入红细胞等 Na+、Cl- 进入神经细胞等 ....... 浓度差 运输速度 影响因素：细胞内外浓度差 和转运蛋白的数量 前一个神经元 下一个神经元 Cl-内流 神经递质 Na+ 1957年，卢卡斯和纽豪斯两位眼科住院医生正在用老鼠做一项实验，以研究一种特殊的眼疾（3）。在实验过程中，他们给新生小鼠喂食味精，发现所有小鼠视网膜内神经层都被广泛破坏。成年小鼠也出现了类似的破坏，但没有新生小鼠严重。他们的实验结果发表在《眼科档案》上，很快就被人遗忘了。在这篇报告之前的十年里，大量的味精不仅被添加到成人食品中，而且也被添加到婴儿食品中，其剂量与实验动物的剂量相当 最近的分子研究更详细地揭示了这种破坏的机制（7）。早期观察到，当体外的神经元暴露在谷氨酸盐中，然后清洗干净，细胞在大约一个小时内表现得完全正常，在此期间它们迅速发生细胞死亡。研究人员发现，当钙从培养基中除去时，细胞继续存活。随后的研究表明，谷氨酸和其他兴奋性氨基酸附着在一个专门的受体家族(NMDA、红氨酸、AMPA和代谢物)上，这些受体反过来直接或间接地打开神经元细胞膜上的钙通道，让钙涌入细胞。如果不加以控制，这种钙将引发一系列反应，包括自由基的产生，类二十烷素的产生，以及脂质过氧化，这将破坏细胞。有了这种钙引发的刺激，神经元变得非常兴奋，重复地发射脉冲，直到细胞死亡，因此被称为兴奋毒素。 河鲀毒素 钠离子通道蛋白阻断剂，引发中毒，中毒潜伏期很短，短至10-30min，长至3-6h发病，发病急，如果抢救不及时，中毒后最快的10min内死亡，最迟4-6h死亡。中毒后也缺乏有效的解救措施。毒素纯品在医药方面用途广泛，具有极高商业价值 阿斯巴甜可代谢成神经递质，影响神经系统， 水分子的被动运输　 通过自由扩散进出细胞 借助细胞质膜上的水通道蛋白以协助扩散方式进出细胞（更多） 低浓度溶液 （水分子多） 高浓度溶液 （水分子少） 渗透 水通道蛋白结构模式图 资料：一个健康的成年人每天产生约180L原尿，每天最终排出体外的尿液大约只有1L 饮水机的桶装水~18L 暗示了水分子不容易进入蛙卵，也说明蛙卵细胞膜上可能没有水通道蛋白！因此，阿格雷和同事在克隆到CHIP28的基因后，将其mRNA注入非洲爪蟾的卵母细胞，这样成功表达的CHIP28会整合到卵母细胞膜上。结果发现，成功表达了CHIP28基因的卵母细胞在低渗缓冲液中体积迅速膨大，而没有表达CHIP28基因的卵母细胞则没有发生任何改变！为了排除细胞膜上其他蛋白质对CHIP28作用的影响，增强说服力，阿格雷还进行了脂质体重组实验，将CHIP28重组到脂质体上，最后直接证实CHIP28本身就是水通道蛋白。从此确定了细胞膜上存在转运水的特异性通道蛋白，CHIP28也成为了人类发现的第一个水通道蛋白，被命名为AQP1，阿格雷也因此获得2003年诺贝尔化学奖。 当外界溶液浓度>细胞内浓度 当外界溶液浓度≈细胞内浓度 当外界溶液浓度< 细胞内浓度 红细胞膜上有水通道蛋白 溶质 水 蛙卵为什么在池塘中不会吸水胀破？ 可能是因为缺少水通道蛋白 如何证明？ 导入水通道蛋白的基因/ 转录形成的mRNA 表达出水通道蛋白 蛙卵细胞吸水胀破死亡 2003年 Agre 诺贝尔奖 红细胞膜上找到一种蛋白质，发现在肾脏中有很多，认为是水通道有关，后来发现蛙卵不会吸水胀破，于是。。。 Alphafold3 （2024年诺贝尔化学奖） 小肠上皮细胞 肠腔 组织细胞间隙 葡萄糖 3、主动运输 能量 能量 3、主动运输 影响因素： 转运蛋白数量 能量供应 人体细胞内外离子浓度 钠钾泵 3、主动运输 甲状腺滤泡上皮细胞内碘浓度比血液中的高20~25倍。 碘浓度低 碘浓度高 甲状腺细胞吸收碘离子 3、主动运输 滤泡细胞合成甲状腺激素 信天翁的盐腺 桐花树（红树林）泌盐 逆浓度梯度运输 4、胞吞 ①变形虫等单细胞生物从外界环境中摄取食物 ②白细胞吞噬人侵的细菌和病毒,细胞从血液中吸收脂蛋白 消耗能量 5、胞吐 （1）形成分泌蛋白 消化酶 蛋白质类激素 抗体 （2）神经细胞释放神经递质（大多为小分子） 消耗能量 代谢废物如： 尿素 问题聚焦： 物质跨膜的条件与动力？ 透析过程中，如何保证小分子营养物质不会减少？ 如何保证水分子能够更多地排出血液？ 患者同时患有高钾血症，透析液中钾离子浓度应如何调整？ 血液中： 血细胞 蛋白质 葡萄糖、氨基酸 水 离子：Na+ K+ CL- 思考题 1.下图a、b、c分别属于哪种运输方式？ 2、化肥施加过多，出现烧苗现象，原因是什么？ 外界溶液浓度高于细胞内液体浓度，植物细胞失水过多死亡 模拟质膜透性实验 淀粉溶液 碘液 淀粉不可以透过透析袋 碘液中的碘单质可以透过透析袋 半透膜 通过模拟实验直观观察膜的半透性 观察外界溶液对植物细胞质壁分离和复原的影响 洋葱鳞茎叶外表皮细胞 实验原理：P74 1、外界溶液浓度>细胞液浓度 2、细胞壁伸缩性较弱 原生质体（植物细胞脱去细胞壁的部分）变形 实验材料： 30%蔗糖溶液 细胞壁 细胞膜 内质网 细胞核 液泡 叶绿体 原生质体 线粒体 （细胞液） 高尔基体 首先，请大家结合学习单，回顾渗透作用相关的内容。提问：渗透作业相关概念。请大家观察ppt上的图，一段时间后，漏斗的页面有什么变化？（升高） 试着从半透膜的选择透过性角度进行解释。（水分子通过半透膜进入漏斗），所以该装置中水分移动方向为： 将细胞放在浓度较高的外界溶液中，它是否也会出现水分移动的现象呢？你能进行合理的推测吗？ 我们先来回忆一下植物细胞的结构。（液泡体积很大，其中的液体占植物细胞的绝大部分，我们称为细胞液） 水分会每时每刻通过水通道蛋白进出细胞，而细胞壁因为主要成分是纤维素和果胶，所以他的伸缩性远低于原生质体。且细胞壁具有全透性 当把植物细胞放在浓度较高的外界溶液中时，细胞失水， 黑藻叶肉细胞质壁分离 分析质壁分离程度的方法 质壁分离后如何复原？ 滴加清水 观察表4-2 P75，思考出现此结果的原因 1min内外界溶液浓度高于细胞液浓度，细胞中水分流失，植物细胞发生质壁分离 1min后出现质壁分离自动复原现象，因为植物细胞吸收外界溶液中的K+、NO3-，细胞液浓度高于外界溶液浓度，水分更多地进入细胞中 思考：此时，细胞的状态、外界溶液浓度与细胞液溶液浓度的关系以及水分运动方向 1）外>内 水向外流 2）外≈内 进出平衡 滴加一定浓度的蔗糖溶液，一段时间后，显微镜观察到的细胞 如果滴加的是KNO3溶液,会有什么不同的情况？ 1) 2) 3) 外<内 水进入细胞 思考 ①N2、O2、CO2 等小分子气体容易从磷脂分子间透过； ②乙醇、甘油、尿素等亲水性小分子以及水也可以透过； 脂肪酸等脂溶性小分子也可以透过 ③氨基酸、葡萄糖等亲水性有机分子和离子均被阻挡 人工磷脂双分子层透性实验 是否有这些物质就一定会吸收呢？ 小肠上皮细胞吸收葡萄糖 前一个神经元 下一个神经元 兴奋性神经递质 Cl-内流 抑制性神经递质 神经递质 Na+ 1957年，卢卡斯和纽豪斯两位眼科住院医生正在用老鼠做一项实验，以研究一种特殊的眼疾（3）。在实验过程中，他们给新生小鼠喂食味精，发现所有小鼠视网膜内神经层都被广泛破坏。成年小鼠也出现了类似的破坏，但没有新生小鼠严重。他们的实验结果发表在《眼科档案》上，很快就被人遗忘了。在这篇报告之前的十年里，大量的味精不仅被添加到成人食品中，而且也被添加到婴儿食品中，其剂量与实验动物的剂量相当 最近的分子研究更详细地揭示了这种破坏的机制（7）。早期观察到，当体外的神经元暴露在谷氨酸盐中，然后清洗干净，细胞在大约一个小时内表现得完全正常，在此期间它们迅速发生细胞死亡。研究人员发现，当钙从培养基中除去时，细胞继续存活。随后的研究表明，谷氨酸和其他兴奋性氨基酸附着在一个专门的受体家族(NMDA、红氨酸、AMPA和代谢物)上，这些受体反过来直接或间接地打开神经元细胞膜上的钙通道，让钙涌入细胞。如果不加以控制，这种钙将引发一系列反应，包括自由基的产生，类二十烷素的产生，以及脂质过氧化，这将破坏细胞。有了这种钙引发的刺激，神经元变得非常兴奋，重复地发射脉冲，直到细胞死亡，因此被称为兴奋毒素。 河鲀毒素 钠离子通道蛋白阻断剂，引发中毒，中毒潜伏期很短，短至10-30min，长至3-6h发病，发病急，如果抢救不及时，中毒后最快的10min内死亡，最迟4-6h死亡。中毒后也缺乏有效的解救措施。毒素纯品在医药方面用途广泛，具有极高商业价值 阿斯巴甜可代谢成神经递质，影响神经系统， 培养液 植物质膜透性实验 ------- 培养一段时间后， 培养液中的物质浓度 Ca2+ Mg2+ SO42- 需要转运蛋白！ Ca2+ Mg2+ SO42- 吸收/排出？ 顺浓度/逆浓度？ Alphafold3 （2024年诺贝尔化学奖） 昏睡症 Lavf58.20.100 Lavf58.12.100 $$