第4章 细胞的物质输入和输出 第1节　被动运输(共46张PPT)

(共46张PPT)
第4章　细胞的物质输入和输出
2019版生物学必修1 《分子与细胞》
同步课件
新课程标准内容 学科核心素养
1.阐明质膜具有选择透过性。 2.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;有些物质逆浓度梯度进出细胞,需要能量和载体 蛋白。 3.举例说明大分子物质可以通过胞吞、胞吐进出细胞。 4.教学活动: (1)通过模拟实验探究膜的 透性。 (2)观察植物细胞的质壁分离和复原。 1.生命观念:(1)基于结构与功能观阐明生物膜的选择透过性,尤其是生物膜可以通过消耗能量进行主动运输。(2)基于细胞膜的选择透过性,认同生命的自主性,从而更深刻地理解生命的本质。
2.科学思维:(1)通过膜成分与结构的分析,深刻理解生物膜的多种功能;(2)利用物质跨膜运输的相关原理,对其他成分物质出入细胞的方式进行推理和判断。
3.科学探究:基于探究水进出植物细胞的原理这一实验,体验科学探究的一般过程,提高动手操作能力和设计实验的能力,并能运用到其他类似的科学探究活动中。
4.社会责任:(1)能够运用物质跨膜运输的知识解释生活中常见的生物学现象,分析和解决各种具体问题。如蔬菜腌制、合理施肥等。(2)能够运用物质跨膜运输的知识,解释某些疾病发病的机理,倡导健康的生活方式等。
第1节　被动运输
学习目标
1.通过“探究植物细胞的吸水和失水”实验,说明水分子进出植物细胞的原理,阐释原生质层的选择透过性与质壁分离及其复原的关系。
2.通过水分进出细胞方式的探究学习,初步建构被动运输的概念,能比较自由扩散和协助扩散的异同点。
3.通过对被动运输的具体实例的讨论,分析细胞膜的成分、结构与物质跨膜运输功能之间的关系,尝试运用物质跨膜运输的知识解决有关实际问题。
问题探究·知识生成
新知探究一　水进出细胞的原理
建立概念·达成素养
问题探究
资料1:将一枚生鸡蛋的钝端轻轻敲碎部分蛋壳,用镊子将蛋壳敲碎部位的壳膜撕下,将蛋清和蛋黄倒出。用清水仔细清洗蛋壳内外(注意不要损伤壳膜)。然后把蛋壳的尖端约0.5～1.0 cm 浸泡在食醋(或稀盐酸)溶液中1～2 h。待浸泡部位的蛋壳酥软时,用镊子轻轻取下蛋壳(注意不要损伤壳膜)。用吸水纸将蛋壳内外的水吸干后,向上述蛋壳内注入质量分数30%的蔗糖溶液,观察尖端是否有液体滴出,用舌尖舔舐露出壳膜的蛋壳外表面,检测是否有甜味。
问题(1):如果蛋壳膜外表面滴出的液体没有甜味,说明什么
提示:蛋壳膜是一种半透膜,水分子可以通过,蔗糖分子不能通过。
问题(2):如果将蛋壳膜扎上小洞,渗出的液体是否有甜味
提示:有。因为小洞太大,蔗糖分子也可以通过。
问题(3):如果将上述装满蔗糖溶液的蛋壳约1/2浸入装有清水的烧杯中,可以观察到什么现象 为什么
提示:蛋壳内的液体增多并溢出。因为烧杯内的水分子可以通过蛋壳膜进入蛋壳内,但是蔗糖分子不能通过蛋壳膜。
资料2:病理性细胞水肿,又称“水样变性”,是细胞可逆性损伤的一种形式,常是细胞损伤中最早出现的改变。其机制为线粒体受损,最终导致细胞内钠离子和水过多积聚,细胞内液增多。
问题(4):细胞水肿说明细胞内外的液体浓度不同,肿胀程度与何种因素有关
提示:肿胀程度取决于细胞膜内外溶液的浓度差大小,浓度差越大,水肿程度越高。
问题(5):细胞水肿的发生与渗透装置有哪些原理上的异同点
提示:细胞的吸水与渗透装置都符合渗透作用的原理,即存在半透膜和浓度差。细胞水肿现象中水分子通过的半透膜为细胞膜,有生物活性;渗透装置中的半透膜没有生物活性。
问题(6):临床上输液为什么要用生理盐水
提示:生理盐水与血浆是等渗溶液,可以维持细胞正常形态。
归纳总结
水进出细胞的原理
(1)水分子(或其他溶剂分子)通过 的扩散,称为渗透作用。渗透作用的条件:一是具有 ;二是半透膜两侧溶液存在 ,此处浓度是指物质的量浓度。
(2)水分子进出动物细胞的原理符合渗透作用的原理。其中的半透膜即细胞膜。当细胞内液的浓度大于细胞外液时,细胞 ;当细胞内液的浓度小于细胞外液时,细胞 。
半透膜
半透膜
浓度差
吸水膨胀
失水皱缩
即时应用
1.如图为渗透装置示意图,a、b分别为不同浓度的蔗糖溶液。据图判断,下列叙述错误的是(　 　)
A.若c为一层纱布,则不会发生此现象
B.实验开始时,c两侧的溶液浓度大小是a>b
C.实验过程中漏斗管内的液面先上升后保持稳定
D.当漏斗管内的液面停止上升时,水分子进出漏斗达到动态平衡
B
解析:由题图可知,漏斗管内液面上升,故实验开始时溶液浓度大小是b>a。
2.如图为渗透作用实验,开始时如图(一),A代表清水,B、C代表蔗糖溶液,过一段时间后结果如图(二),漏斗管内液面不再变化,H1、H2表示漏斗管内液面与清水的液面差。下列说法中错误的是(　 　)
A.图(二)中B的浓度等于C的浓度
B.图(一)中B的浓度大于C的浓度
C.图(一)A中水分子扩散到B的速度大于A中水分子扩散到C的速度
D.图(二)A中水分子扩散到B的速度等于B中水分子扩散到A的速度
A
解析:当管中液面上升到一定程度(如H1、H2)时,液柱产生的静水压与渗透压相等,渗透压越大,表明溶液的浓度越大,H1>H2,说明图(二)中B的渗透压大于C的渗透压,即B的浓度一定大于C的浓度;图(一)B的浓度大于C的浓度,所以A中水分子扩散到B的速度大于A中水分子扩散到C的速度;图(二)中H1高度处于稳定状态,则A中水分子扩散到B的速度等于B中水分子扩散到A的速度。
新知探究二　探究植物细胞的吸水和失水
问题探究
活动1:如图是植物细胞的结构简图,请与渗透装置比较,回答问题。
问题(1):植物细胞的哪些结构相当于一层半透膜
提示:细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质,即原生质层,相当于一层半透膜。
问题(2):浓度差指的是哪两种溶液浓度之间的差异
提示:细胞液与外界溶液之间存在浓度差。
问题(3):细胞壁对植物细胞的吸水和失水有没有影响
提示:没有,细胞壁是全透性的,不影响水分子的通过,但能防止吸水后植物细胞破裂。
活动2:原生质层真的相当于一层半透膜吗 请通过下列问题讨论,设计实验加以探究。
问题(4):若假设正确,当外界溶液浓度高于细胞液浓度时,细胞就会 .
(填“吸水”或“失水”);当外界溶液浓度低于细胞液浓度时,细胞就会
(填“吸水”或“失水”)。
问题(5):为便于观察,我们常利用紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞、一定浓度的蔗糖溶液和清水为材料进行实验。请简要叙述实验设计思路并预测实验结果(实验思路应包括材料的选择与处理、如何设置自变量——相应的浓度差、如何检测因变量——观察实验现象)。
失水
吸水
提示:①将紫色洋葱鳞片叶外表皮制成临时装片,在显微镜下观察正常洋葱鳞片叶外表皮细胞的形态。预测结果:原生质层紧贴细胞壁,液泡较大、几乎充满整个细胞。②采取引流法将临时装片中的清水替换为质量分数为
0.3 g/mL 的蔗糖溶液,创造细胞液和外界溶液之间的浓度差,观察洋葱鳞片叶外表皮细胞的形态(原生质层位置变化、液泡和细胞大小变化)。预测结果:原生质层逐渐变薄并与细胞壁分离,液泡变小、颜色加深,细胞大小基本不变。③采取引流法将临时装片中质量分数为0.3 g/mL的蔗糖溶液替换为清水,创造细胞液和外界溶液之间的浓度差。观察洋葱鳞片叶外表皮细胞的形态(原生质层位置变化、液泡和细胞大小变化)。预测结果:原生质层逐渐变厚并逐渐与细胞壁贴紧,液泡变大、颜色变浅,细胞大小基本不变。
归纳总结
动植物细胞的吸水和失水
(1)当外界溶液浓度大于细胞液浓度时,植物细胞就会 ,出现 .
现象。当外界溶液浓度小于细胞液浓度时,质壁分离的植物细胞就会
,发生 现象。
(2)动物细胞和植物细胞都是通过 吸水和失水的。
(3)像水分子这样,物质以 进出细胞,不需要消耗细胞内化学反应所释放的 ,这种物质跨膜运输方式称为被动运输。
失水
质壁
吸水
分离
质壁分离的复原
渗透作用
扩散方式
能量
植物细胞质壁分离及其复原原理的应用
(1)判断成熟植物细胞的死活
拓展
(2)测定细胞液浓度范围
(3)比较不同成熟植物细胞的细胞液浓度
即时应用
3.以紫色洋葱鳞片叶为材料进行细胞质壁分离和复原实验,原生质层长度和细胞长度分别用X和Y表示(如图),在处理时间相同的前提下正确的是(　 　)
A.同一细胞用不同浓度蔗糖溶液处理,X/Y值越小,则紫色越浅
B.不同细胞用相同浓度蔗糖溶液处理,X/Y值越小,则越易复原
C.同一细胞用不同浓度蔗糖溶液处理,X/Y值越大,则所用蔗糖溶液浓度越高
D.不同细胞用相同浓度蔗糖溶液处理,X/Y值越大,则细胞正常形态时细胞液吸水能力越强
D
解析:当同一细胞用不同浓度蔗糖溶液处理时,X/Y值越小,失水越多,则紫色越深,此时所用蔗糖溶液浓度越高;当不同细胞用相同浓度蔗糖溶液处理时,X/Y值越小,失水越多,则越不易复原;X/Y值越大,失水越少,则细胞正常形态时细胞液浓度越高,吸水能力越强。
4.取洋葱的少量组织细胞制成图A的临时装片,再用0.3 g/mL 的蔗糖溶液和清水按照如图所示流程研究植物细胞的吸水和失水,整个实验过程保证细胞始终为生活状态。据图回答下列问题。
解析:(1)紫色的洋葱鳞片叶外表皮带有颜色,便于观察,因此实验室一般选用洋葱鳞片叶外表皮细胞作为实验材料。(2)B过程观察的是正常的细胞,D过程观察的是发生质壁分离的细胞,由于植物细胞最外面是细胞壁,且其伸缩性很小,因此发生质壁分离时整个植物细胞体积基本不变;细胞质壁分离过程中水分从细胞液进入外界溶液中,导致外界溶液浓度减小。(3)E过程是在盖玻片一侧滴加清水,在另一侧用吸水纸吸引,使溶液浸润整个标本。
(1)实验室一般选用洋葱鳞片叶　　(填“内”或“外”)表皮细胞作为实验材料。
(2)与B过程相比,D过程观察到的植物细胞的体积变化是　　　　　　　;D过程中植物细胞所处外界溶液的浓度变化是　　　　　　　。
(3)E过程是在盖玻片一侧滴加　　　　　　　,在另一侧用吸水纸吸引,使溶液浸润整个标本。
答案:(1)外　(2)基本不变(或略微变小)　减小 (3)清水
解析:(4)加清水后,植物细胞发生质壁分离复原,在此过程中,由于细胞内的渗透压变小而导致植物细胞的吸水能力减弱,水分进入液泡,导致液泡体积变大。(5)把洋葱鳞片叶外表皮细胞放在一定浓度的KNO3溶液中,细胞先失水,发生质壁分离。当钾离子和硝酸根离子进入细胞后,细胞液浓度升高,细胞吸水,发生质壁分离的复原,因此若将蔗糖溶液换为一定浓度的KNO3溶液,则D过程观察到的现象是细胞先质壁分离,然后质壁分离自动复原。
(4)F过程中细胞吸水能力逐渐　　　　 　(填“增强”或“减弱”),液泡体积
　　　　　(填“变大”或“变小”)。
(5)若将蔗糖溶液换为一定浓度的KNO3溶液,则D过程观察到的现象是细胞　　　.
　　　　　　　　　　　。
答案:(4)减弱　变大 (5)先质壁分离,然后质壁分离自动复原
新知探究三　自由扩散和协助扩散
问题探究
活动1: 阅读教材P66第1段及图4-4,思考下列问题。
问题(1):氧气和二氧化碳等气体分子为什么能以自由扩散的方式进出细胞
提示:氧气和二氧化碳等气体分子的相对分子质量较小,很容易穿过细胞膜的磷脂双分子层。
问题(2):甘油、乙醇、苯等脂溶性小分子为什么能以自由扩散的方式进出细胞
提示:甘油、乙醇、苯等脂溶性小分子容易与细胞膜的磷脂分子结合,通过磷脂分子间隙进出细胞。
问题(3):以上实例体现了哪种生物学观念
提示:结构和功能观。细胞膜的磷脂双分子层结构决定了气体小分子、脂溶性小分子等可以通过磷脂分子间隙进出细胞。
活动2: 阅读下面的资料,分析并回答相关问题。
人工膜(特定条件下人工合成的磷脂双分子层,如图)常被用于膜通透性的研究。科学家用人工膜实验发现:K+不能透过,如果在人工膜上加少量的缬氨霉素(一种短肽),K+便可通过膜,由高浓度向低浓度扩散。
问题(4):该实验中K+通过人工膜的运输方向是什么 缬氨霉素分子在K+的跨膜运输中起什么作用
提示:由高浓度向低浓度运输;缬氨霉素起到转运K+的作用。
问题(5):你能比较氧气等气体分子和以上实验中K+通过细胞膜的相同点和不同点吗
提示:相同点为两者都是由高浓度向低浓度的扩散,不消耗细胞内化学反应产生的能量;不同点为后者需要缬氨霉素的协助,前者不需要。
问题(6):阅读教材P66第2段至P67,结合上述资料,分析载体蛋白和通道蛋白分别是如何转运分子或离子的 这两种转运蛋白在转运分子或离子时是否都有特异性 水分子进出细胞的方式是什么
提示:载体蛋白与特定(与自身结合部位相适应)的分子或离子结合,通过自身构象的改变完成转运;通道蛋白只容许特定(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,不需要与分子或离子结合。这两种转运蛋白均具有特异性。水分子进出细胞的方式是自由扩散或协助扩散。
归纳总结
(1)自由扩散:物质通过简单的 作用进出细胞的方式。
(2)协助扩散:借助膜上的 进出细胞的物质扩散方式。
(3)自由扩散和协助扩散的比较
项目 自由扩散 协助扩散
不同点 (填“需要”或“不需要”)转运蛋白协助;运输速率取决于膜内外 . . (填“需要”或“不需要”)转运蛋白协助;运输速率取决于膜内外 .
.
相同点 都是 (填“顺浓度”或“逆浓度”)梯度的跨膜运输; (填“消耗”或“不消耗”)细胞内化学反应产生的能量 扩散
转运蛋白
不需要
物质浓度
梯度的大小
需要
物质浓度梯度
的大小和转运蛋白数量
顺浓度
不消耗
自由扩散和协助扩散的运输速率与细胞内外物质浓度梯度的大小及能量的关系曲线
(1)自由扩散:物质运输速率主要取决于膜内外物质浓度梯度的大小。
(如图A)
拓展
(2)协助扩散:物质运输速率除了与膜内外物质浓度梯度的大小有关外,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)
即时应用
5.如果使用药物限制细胞膜上蛋白质的活性,则物质X的运输速率迅速下降,如果抑制呼吸作用,却对运输速率没有影响。对该物质运输方式的叙述错误的是(　 　)
A.该方式是被动运输
B.与甘油进入细胞的方式相同
C.该方式是顺浓度梯度运输的
D.葡萄糖进入人的成熟红细胞通常为该种方式
B
解析:根据协助扩散需要载体蛋白的协助和不需要消耗能量的特点,确定该物质运输方式属于协助扩散,为被动运输;甘油进入细胞的方式是自由扩散,所以两者运输方式不同;由于物质X进入细胞时不需要消耗能量,所以是顺浓度梯度运输的;葡萄糖进入人的成熟红细胞需要载体蛋白协助,但不消耗能量,为协助扩散。
6.如图是人体细胞膜的亚显微结构模式图,a、b为物质运输的两种方式,下列相关叙述正确的是(　 　)
A.a可以表示二氧化碳运出细胞
B.b可以体现细胞膜的功能特点
C.温度变化对a方式没有影响
D.a、b与细胞膜的结构特点无关
B
解析:Ⅰ侧有糖蛋白,是细胞膜外表面。a表示物质顺浓度梯度以自由扩散的方式运入细胞;b表示物质顺浓度梯度运入细胞,需要载体蛋白的协助,其方式为协助扩散,可以体现细胞膜的功能特点(选择透过性);温度变化会影响磷脂双分子层的流动性,进而对a方式产生影响;自由扩散与协助扩散均与细胞膜的结构特点(具有一定的流动性)有关。
联系实际·素养落实
[生活情境]
“九曲黄河万里沙,浪淘风簸自天涯。”千百年来,万里黄河在山东入海,填海造地在鲁北地区形成了广阔的平原,但同时也由于距离海洋较近,形成的近海土地盐碱化严重。山东省一些临海地区都曾有大面积的盐碱地。
盐碱地不适合绝大多数植物生存。其初步治理主要采取灌溉低盐水,使水溶性盐碱物质沉降等措施。
知识迁移·培养能力
探究:(1)盐碱地不适合大多数植物生存的原因是什么
提示:盐碱地中的土壤溶液浓度高于植物根系细胞液的浓度,植物根细胞无法从土壤溶液中吸收足够的水分,甚至部分细胞会因失水而代谢缓慢乃至死亡。
(2)如果通过显微镜观察的方法验证上述判断,请写出实验的思路。(土壤溶液的具体获取方法不做要求)
提示:将不适合在盐碱地种植的某种植物的根系细胞制成临时装片,放到显微镜下观察,观察到细胞的形态后再向盖玻片的一侧滴加土壤溶液,在另一侧用吸水纸引流,观察细胞形态的变化。如果滴加土壤溶液前细胞形态正常,滴加后细胞出现质壁分离现象,则可以验证上述判断。
(3)如果土壤溶液中某种离子的浓度大于细胞液。试判断该离子进入细胞的方式。细胞失水过程中水分子的跨膜运输方式是什么
提示:离子由高浓度溶液经细胞膜进入细胞属于协助扩散。细胞失水过程中水分子的跨膜运输可能是自由扩散,也可能是协助扩散。
课堂小结
完善概念图 关键语句
1.渗透作用就是水分子(或其他溶剂分子)通过半透膜的扩散,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。
2.不带电的无机小分子如CO2、O2和脂溶性的有机小分子可以通过自由扩散的方式进出细胞。
3.离子和一些小分子有机物的跨膜运输必须借助于转运蛋白。
4.借助转运蛋白顺浓度梯度运输的,叫作协助扩散。协助扩散不需要细胞提供能量。
随堂反馈
1.利用高浓度食盐溶液杀菌防腐的原理是(　 　)
A.由于食盐中的氯有杀菌作用
B.由于高浓度食盐溶液的水分不足,细胞不能生存
C.由于渗透作用,使细菌细胞的水渗出而死亡
D.由于食盐是中性,不适于细菌生长
C
解析:在高浓度的食盐溶液环境中,细菌会因细胞渗透作用失水过多而死亡。
2.某生物兴趣小组为研究渗透现象,将一个长颈漏斗的漏斗口外密封上一层玻璃纸(水分子可以自由透过,蔗糖分子不能通过),往漏斗内注入蔗糖溶液(S1),然后将漏斗浸入盛有蔗糖溶液(S2)的烧杯中,使漏斗管内外的液面高度相等。过一段时间后,出现如图所示的现象。下列相关叙述错误的是
(　 　)
A.开始注入的蔗糖溶液S1的浓度大于S2的浓度
B.当漏斗内外的高度差达到平衡时,仍有水分子透过玻璃纸
C.若向漏斗中加入蔗糖分子,则再平衡时m变小
D.若吸出漏斗中高出烧杯液面的溶液,再次平衡时m将变小
C
解析:漏斗内液面上升,则漏斗内溶液浓度大于漏斗外溶液浓度,即S1溶液的浓度大于S2溶液的浓度;渗透平衡时,烧杯中的水分子仍然能够透过玻璃纸进入漏斗,即进入漏斗和流出漏斗的水达到动态平衡;若向烧杯中加入蔗糖分子,会导致两侧溶液浓度差变大,漏斗内液面上升,再次平衡时m将增大;达到渗透平衡时,漏斗内的溶液(S1)浓度减小,漏斗内溶液(S1)和漏斗外溶液(S2)浓度差减小,此时若吸出漏斗中高出烧杯液面的溶液,再次平衡时m将变小。
3.下列与植物细胞的吸水和失水的探究实验材料及外界溶液有关的正确叙述分别是(　 　)
①实验材料必须是成熟的植物活组织细胞
②细胞液最好有颜色,便于观察和判断细胞质壁分离和复原的程度
③细胞液必须有颜色,否则不能发生质壁分离和复原
④外界溶液的浓度应适中,不能过低或过高
⑤外界溶液必须对细胞无毒害
⑥外界溶液的浓度无特殊要求,任何浓度均可以
A.①②、⑤⑥ B.①②、④⑤
C.①③、④⑤ D.①③、⑤⑥
B
解析:细胞液有颜色,不是发生质壁分离的条件,有颜色只是为了便于观察;对外界溶液的浓度有要求,浓度过高可导致细胞死亡,无法观察到细胞吸水后的质壁分离复原现象。
4.(不定项)将家兔红细胞置于不同浓度的溶液中,水分子的跨膜运输示意图如图(箭头方向表示水分子的进出,箭头粗细表示水分子出入的多少)。下列叙述正确的是(　 　)
A.一段时间后,甲细胞会发生质壁分离
B.能发生渗透作用的是甲细胞和丙细胞
C.水分子进出家兔红细胞膜的主要方式是协助扩散
D.若将甲、乙和丙细胞同时分别置于蒸馏水中,甲细胞先破裂
BC
解析:家兔红细胞属于动物细胞,没有细胞壁,不能发生质壁分离;渗透作用的条件是半透膜和浓度差,甲细胞和丙细胞与外界溶液存在浓度差,能发生渗透作用;水分子跨膜运输的主要方式是协助扩散;将甲、乙和丙细胞同时分别置于蒸馏水中,丙细胞由于开始时吸水膨胀,则放在蒸馏水中先破裂。
5.如图是物质跨膜运输的两种方式,据图回答问题。
(1)填写以下有关跨膜运输方式及结构的名称。
图甲:　　　　　　　；图乙:　　　　　　　。
解析:(1)由题图分析可知,甲图为自由扩散,乙图为协助扩散。
答案:(1)自由扩散　协助扩散
(2)浓度差会影响图甲与图乙的物质运输。图甲中,膜两侧的浓度差越大,运输速率
　　　　　 　 　;图乙中,浓度差达到一定程度后,运输速率不再继续增加,原因是　　　　　　　　。
(3)转运蛋白可以分为 两种类型。其中只允许与自身结合部位相适应的分子或离子通过的是　　　　　　　。
解析:(2)影响自由扩散的因素只有膜两侧转运物的浓度差。由于协助扩散需要载体蛋白的协助,在被转运物浓度较低时,转运蛋白相对充足,随着被转运物的浓度差增大,其转运速率不断加快。当转运蛋白达到饱和时,转运速率不再随着浓度差的增大而增大。
(3)转运蛋白包括载体蛋白和通道蛋白两种。其中载体蛋白在转运物质时与被转运物结合,只允许与自身结合部位相适应的分子或离子通过。
答案:(2)越快　受载体蛋白数量的限制
(3)载体蛋白和通道蛋白　载体蛋白