河南省许昌市重点中学2011生物新课标复习课同步学案（必修一）：4-1 物质跨膜运输的实例

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一、细胞的吸水和失水
1．原理：发生渗透作用，必须具备两个条件。
(1)具有半透膜：水分子可以通过，而蔗糖等大分子不能通过的膜，如玻璃纸(又叫赛璐玢)。21世纪教育网
(2)膜两侧溶液具有浓度差。
2．动物细胞的吸水和失水(以红细胞为例：红细胞膜相当于一层半透膜)
(1)当外界溶液浓度<细胞质浓度时，细胞吸水膨胀。
(2)当外界溶液浓度>细胞质浓度时，细胞失水皱缩。
(3)当外界溶液浓度＝细胞质浓度时，水分进出平衡。
3．植物细胞的吸水和失水
(1)在成熟的植物细胞中的液体环境主要指的是
液泡里的细胞液，细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质称为原生质层，它相当于一层半透膜。
(2)成熟植物细胞，当细胞液浓度小于外界溶液浓度，则发生质壁分离现象；当细胞液浓度大于外界溶液浓度时，则发生质壁分离复原。
二、实验探究植物细胞吸水和失水
1．探究实验的一般过程21世纪教育网
提出问题→作出假设→设计实验→进行实验→分析结果，得出结论→表达和交流→进一步探究。
2．实验原理
成熟的植物细胞的原生质层相当于一层半透膜，细胞液具有一定的浓度，能够渗透失水和吸水。
3．实验过程
制作装片→显微镜观察→实验现象(细胞发生质壁 分离和复原)→得出结论。
[互动探究]　在实验中为什么选择紫色洋葱磷片叶作实验材料？
[提示]　紫色洋葱鳞片叶中有紫色的液泡，便于实验观察。
要点归纳
一、渗透系统的组成分析及应用
1．渗透系统的组成(如图)及特点
(1)半透膜，可以是生物性的选择透过性膜，如细胞膜，也可以是物理性的过滤膜，如玻璃纸。
(2)半透膜两侧的溶液具有浓度差。
2．渗透作用的发生
(1)若S1溶液浓度大于S2，则单位时间内由S2→S1的水分子数多于S1→S2，外观上表现为S1液面上升；若S1溶液浓度小于S2，则情况相反，外观上表现为S1液面下降。
(2)在达到渗透平衡后，若存在如图所示的液面差Δh，则S1溶液浓度仍大于S2。
3．渗透系统的应用
(1)比较不同溶液浓度大小
漏斗内 烧杯内
溶液浓度 M N
现象及结论 ①若漏斗内液面上升，则M>N②若漏斗内液面不变，则M＝N③若漏斗内液面下降，则M(2)验证渗透作用发生的条件
①具有半透膜
②具有浓度差
二、细胞的吸水和失水21世纪教育网
1．动物细胞的吸水和失水
(1)当外界溶液的浓度比细胞质的浓度低时，细胞吸水膨胀。
(2)当外界溶液的浓度比细胞质的浓度高时，细胞失水皱缩。
(3)当外界溶液的浓度与细胞质的浓度相同时，水分子进出细胞处于动态平衡。
2．成熟的植物细胞的吸水和失水
(1)植物细胞的结构特点
①细胞壁：全透性。②细胞膜：具有选择透过性。③细胞质：内有大液泡。
④大液泡：里面的液体称细胞液，具有一定的浓度。
⑤原生质层：细胞膜和液泡膜以及这两层膜之间的细胞质称为原生质层。
(2)植物细胞吸水方式21世纪教育网
①未形成液泡的细胞，靠吸胀作用吸水：这样的细胞主要靠细胞内的蛋白质、淀粉和纤维素等亲水性物质吸收水分，叫做吸胀作用。干燥的种子和根尖分生区的细胞，主要靠吸胀作用吸收水分。
注意：蛋白质、淀粉和纤维素的亲水性依次减弱。
②液泡形成以后，细胞主要靠渗透作用吸水：细胞液浓度>外界溶液浓度—细胞吸水；细胞液浓度<外界溶液浓度—细胞失水。
(3)成熟的植物细胞是一个渗透系统：植物细胞的最外面是细胞壁，主要由纤维素分子组成，分子间空隙较大，一切溶剂和溶质都能够透过，细胞壁是全透性的。细胞膜和液泡膜是选择透过性膜。我们可以把细胞膜、液泡膜以及两膜之间的其他原生质当作一层选择透过性膜，“膜”内的细胞液有一定的浓度，与细胞外的溶液存在浓度差。这样 ，细胞也就通过这层选择透过性膜与外界环境中的溶液发生渗透作用。
三、植物细胞吸水和失水的实验探究过程及应用
1．探究性实验的一般过程：根据观察到的现象，提出问题→作出假设→预测结果→进行实验→分析结果得出结论→表达交流→进一步探究。
2．假设：原生质层相当于一层半透膜。
3．预期结果：由于原生质层相当于一层半透膜，水分子可以自由透过，而蔗糖分子不能透过，因此，在清水中植物细胞的中央液泡会变大，细胞膨胀。
4．实验流程
5．实验结论
成熟植物细胞能与外界溶液发生渗透作用，当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞失水，发生质壁分离；当外界溶液浓度小于细胞液浓度时，细胞吸水，发生质壁分离复原。
感悟拓展
1．渗透系统组成的条件
①渗透系统适用于比较溶质不能透过半透膜的溶液浓度的大小。
②两溶液间的水分子进行双向运动，我们只是观测出由水分子双向运动的差所导致的液面改变。
③溶液浓度指摩尔浓度而非质量浓度，如10%葡萄糖溶液和10%蔗糖溶液的质量浓度相同，但摩尔浓度是10%蔗糖溶液的小，故水由蔗糖向葡萄糖溶液移动。
2．细胞吸水和失水原理在生产生活中的应用
(1)对农作物的合理灌溉，既满足了作物对水分的需要，同时也降低了土壤溶液的浓度，有利于水分的吸收。
(2)盐碱地中的植物不易存活或一次施肥过多造成“烧苗”现象，都是因为土壤溶液浓度过高，甚至超过了根细胞液浓度，导致根细胞不易吸水甚至失水造成的。
(3)糖渍、盐渍食品不易变质的原因是在食品外面和内部形成很高浓度的溶液，使微生物不能在其中生存和繁殖，所以能较长时间的保存。
(4)医用的生理盐水浓度为0.9%，其渗透压与人体细胞外液的渗透压相当，可以使人体细胞保持正常的形态和功能。
3．植物细胞吸水和失水的实验探究
实验中注意事项
(1)选择有大的液泡且最好液泡带有颜色的细胞作实验材料。21世纪教育网
(2)滴加蔗糖溶液和清水时，必须在实验桌上进行，不能在显微镜的载物台上进行。
(3)本实验选用0.3 g/mL的蔗糖溶液(此浓度下既明显出现质壁分离，又不致杀死细胞)。浓度过高，质壁分离速度虽快，但不久细胞会因失水过多而死亡，不能再进行质壁分离复原；浓度过低不能引起质壁分离或质壁分离速度太慢。此外，8%的食盐溶液，5%的硝酸钾溶液等也可使用。盐酸、酒精、醋酸等溶液能杀死细胞，不适于做质壁分离的溶液。
典例导悟
1利用紫色的洋葱外表皮细胞和不同浓度的蔗糖溶液，可以探究细胞质壁分离复原。下列有关该实验的叙述正确的是 (　　)
A．该实验只是观察了质壁分离和复原现象，没有设计对照实验
B．在逐渐发生质壁分离的过程中，细胞的吸水能力逐渐增强
C．将装片在酒精灯上加热后，再观察质壁分离现象
D．不同浓度蔗糖溶液下发生质壁分离的细胞，滴加清水后都能复原。
解析　该实验中多组实验(不同浓度的蔗糖溶液)之间已进行了相互对照，且每组实验前、后又进行了对照，故有对照实验；在发生质壁分离过程中，细胞液的浓度逐渐增大，故细胞的吸水能力逐渐增强；该实验不需加热，否则细胞会受热死亡，观察不到质壁分离及复原现象；若蔗糖溶液的浓度过大，细胞会因失水过多而死亡，将不会再复原。
答案　B21世纪教育网
下列能发生质壁分离现象的细胞是 (　　)
A．胚乳细胞　　　　　 B．人的口腔上皮细胞
C．分生区细胞 D．根成熟区细胞
答案　D
解析　发生质壁分离的条件有三个：①必须是成熟的植物细胞；②细胞必须有活性；③细胞外界溶液浓度大于细胞液浓度。从题中所给条件可知，A、C两选项均是植物细胞，但无中央液泡；B选项为人体细胞，显然不行，故答案应为D。
自主梳理
1．对无机盐的吸收实例
(1)水稻和番茄对同一离子的吸收量不同。
(2)水稻和番茄对不同离子的吸收量不同。
(3)人体甲状腺滤泡上皮细胞可以逆相对含量梯度从血液中吸收碘。
(4)不同微生物对不同矿物质的吸收表现出较大的差异。
2．生物膜的特性
物质跨膜运输并不都是顺相对含量梯度的，而且细胞对物质的输入和输出有选择性。即细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜。这种膜可以让水分子自由通过，一些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。
[互动探究]　半透膜和选择透过性膜有哪些异同点？
[提示]　①相同点：某些物质可以通过，另一些物质不能通过。
②不同点：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。
要点归纳21世纪教育网
1．番茄和水稻吸收矿质离子的比较
科学家将番茄和水稻分别放在含有Ca2＋、Mg2＋和Si4＋的培养液中培养，结果及分析如下：
(1)不同植物细胞对同一无机盐离子、同一植物细胞对不同无机离子的吸收均有差异，说明植物细胞膜对无机盐离子的吸收具有选择性。
(2)番茄吸收Ca2＋、Mg2＋多，吸收Si4＋少；水稻吸收Si4＋多，而吸收Ca2＋、Mg2＋少，从营养学角度讲番茄的补钙效果比水稻好。
(3)水稻吸收水的相对速度比吸收Ca2＋、Mg2＋的大，造成培养液中Ca2＋、Mg2＋浓度上升；番茄吸收水的相对速度比吸收Si4＋的大，造成培养液中Si4＋浓度上升。
(4)植物细胞在同一时间吸收离子和吸水的量不同，即吸收离子和吸收水是两个不同的过程。
2．人体甲状腺滤泡上皮细胞吸收碘的特点
人体甲状腺滤泡上皮细胞内碘的浓度比血液高20～25倍，说明碘进入甲状腺滤泡上皮细胞是从低浓度→高浓度，即逆浓度梯度。
3．微生物吸收矿物质的特点
不同微生物对不同矿物质的吸收表现出较大的差异。
(1)不同微生物的细胞膜结构有一定的差异。
(2)不同微生物对矿物质的吸收有选择性。
(3)不同微生物对各种矿物质的需要量不同。
4．实例分析结论
(1)细胞膜和其他生物膜一样都是选择透过性膜。
它具有的特点是：
①水分子可以自由通过。
②一些需要的离子和小分子也可以通过。
③其他的离子、小分子和大分子则不能通过。
(2)物质通过生物膜的跨膜运输，有的是顺相对含量梯度的，有的是逆相对含量梯度的。
(3)细胞对于物质输入和输出及选择性是通过细胞膜实现的。
感悟拓展
1．生物膜的结构特点——具有一定的流动性，原因是构成生物膜的磷脂分子和蛋白质分子都是可移动的。
2．生物膜的功能特性——具有选择透过性，原因是膜上载体的种类和数量不同。
典例导悟
例二 将等量的、微量的NH、PO、K＋、Ca2＋共同置于100 mL蒸馏水中，再放入一些新鲜的水稻根尖，一段时间后，测定溶液中上述四种离子和水的含量变化(见下表)。实验结果可以说明 (　　)
项目 H2O NH+4 K＋ Ca2＋ PO43-
减少量 0% 23% 12% 37% 14%
根对水的吸收和对矿质离子的吸收是两个相对独立的过程　
②根对矿质离子的吸收不是等比例进行的　
③根细胞吸收矿质离子的方式是主动运输　
④根吸收矿质离子的过程不受温度的影响
A．只有①②　　B．只有①③ C．只有①②③ D．都正确
解析　本题考查植物细胞吸收水分和无机盐的关系，以及理解应用能力、数据分析与判断能力等。从表中可以看出：水没有减少，而矿质离子不同程度的减少，所以吸收水和吸收矿质离子是两个相对独立的过程，且不同矿质离子的吸收不成比例。表中不能看出根尖对矿质离子的吸收是主动运输方式，以及是否受温度的影响。[来源:21世纪教育网]
答案　A
水溶性染色剂(PI)能与核酸结合而使细胞核着色，可将其应用于细胞死活的鉴别。细胞浸泡于一定浓度的PI中，仅有死亡细胞的核会被染色，活细胞则不着色，但将PI注射到活细胞中，则细胞核会着色。利用PI鉴别细胞死活的基本原理是 (　　)
A．死细胞与活细胞的核酸结构不同 B．死细胞与活细胞的核酸含量不同
C．活细胞能分解染色剂PI D．活细胞的细胞膜阻止PI的进入
答案　D
解析　本题旨在考查细胞膜的功能特点——选择透过性以及阅读能力、知识迁移能力、理解分析能力。活细胞的细胞膜具有选择透过性以保证物质选择性地出入细胞，维持正常的生命活动。水溶性染色剂(PI)不是细胞所需物质，因而不能通过活细胞的细胞膜。细胞死亡后，细胞膜及其他生物膜的选择透过性丧失，溶于水中的物质(如PI)都可以通过，而使细胞核着色。21世纪教育网