必修1课题4细胞代谢物质进出细胞的方式.docx
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必修1课题4细胞代谢物质进出细胞的方式
第二板块:
细胞代谢(第四~五章)
物质进出细胞的方式能跨膜:
被动运输(自由扩散和协助扩散)、主动运输
不能跨膜:
胞吞和胞吐
知识体系
代谢中两种重要的物质——酶和ATP
细胞代谢细胞呼吸
光合作用
化能合成作用
课题4:
细胞代谢——物质进出细胞的方式
考纲:
最新考纲
细解考点
核心素养
1.物质出入细胞的方式(Ⅱ)
2.实验:
通过模拟实验探究膜的透性
3.实验:
观察植物细胞的质壁分离和复原
1.说出发生渗透作用的条件
2.说明细胞的吸水和失水并能解释生产和生活中发生的渗透现象
3.说明植物细胞发生质壁分离的原理和过程
4.举例说明自由扩散、协助扩散和主动运输的特点
5.说明影响自由扩散、协助扩散和主动运输的因素
6.说明大分子物质出入细胞的方式及特点
7.根据渗透作用和物质出入细胞的方式解释生产和生活中的问题
1.生命观念——物质与能量观:
理解细胞内物质运输与能量供应的关系
2.科学思维——归纳与演绎:
分析不同物质跨膜运输实例,归纳跨膜运输的方式与特点;模型与建立:
建立渗透作用的实验模型
3.科学探究——设计实验与结果分析:
设计实验探究膜的透性;分析植物细胞的质壁分离及质壁分离复原实验
4.社会责任——根据渗透作用和物质运输的原理指导灌溉和施肥
全国卷考情
2018·全国卷Ⅱ
(2)、2017·全国卷Ⅱ(4)、2016·全国卷Ⅰ
(2)、2015·全国卷Ⅱ
(1)、2015·全国卷Ⅱ(3)、2014·全国卷Ⅰ(4)、2013·全国卷Ⅰ(3)
课标导航
1.理解生物膜的流动镶嵌模型,了解对生物膜结构的探究历程;
2.认识细胞的吸水和失水现象,理解植物细胞吸水和失水的原理;解释植物细胞质壁分离和复原的原因;
3.理解物质跨膜运输的方式,包括主动运输和被动运输以及胞吞和胞吐等;理解细胞膜是一层选择透过性膜;
4.实验:
植物细胞吸水和失水的实验探究。
高考定位
1.高考将细胞膜的结构和功能联系在一起进行考查,可以是填图作答题,也可以是其他形式的试题;
2.细胞的吸水和失水,植物细胞的质壁分离和复原是高考多年考查的重点,常以选择题、非选择题形式从理解能力层次进行考查;
3.物质出入细胞的方式是高考常考内容,常结合细胞膜的结构和细胞代谢进行考查;
4.关于物质出入细胞方式的实验与探究是近年高考考查的重点。
【预测题型】选择、实验分析、实验设计
1.图4-7、8:
比较:
自由扩散/协助扩散/主动运输
【提醒】影响物质跨膜运输的因素:
(如何理解?
)
内因:
载体种类和数量、细胞呼吸强度。
外因:
膜两侧的浓度差、氧气含量、温度、pH等。
【提醒】绘出含氧量、离子浓度对物质吸收影响曲线。
【回扣教材】
1.教材60页[问题探讨]——渗透装置的条件及原理,鉴别10%、30%蔗糖溶液实验设计。
2.教材61~62页[探究]实验的基本步骤,尤其“作出假设”和最后一步“进一步探究”。
3.教材63页图4-3,据图分析洋葱表皮细胞显微观察时细胞核明显吗?
(不明显,主要是紫色大液泡)。
质壁分离时“白色部分”是细胞质吗?
(是外界溶液)。
能观察到叶绿体和染色体吗?
(无叶绿体;高度分化不分裂,观察不到染色体)。
必需用高倍镜吗?
(不是,低倍镜观察已很清楚)。
4.教材63页[资料分析]植物吸收无机盐的特点、方式及结构基础。
胞吞
不能跨膜
胞吐
主动运输
能跨膜自由扩散
被动运输
协助扩散
一、胞吞、胞吐
1.适用范围:
大分子物质
2.生理基础:
细胞膜具有流动性
3.特点:
不需要载体,但需要消耗ATP
4.此过程伴随着膜面积的变化:
胞吐——膜面积变大;胞吞——膜面积变小
5.举例
胞吐:
①递质小泡释放递质②分泌蛋白的分泌
胞吞:
吞噬细胞吞噬细菌
二、跨膜运输的三种方式
(一)比较
共性
个性
自由扩散
协助扩散
不消耗(能量)ATP
高浓度→低浓度
不需要载体
需要载体
协助扩散
主动运输
需要载体
不消耗ATP
消耗ATP
(二)标志性特征
1.自由扩散:
不需要载体。
2.协助扩散:
需要载体,但不消耗ATP。
3.主动运输:
消耗ATP,逆浓度差。
4.胞吞胞吐:
不需要载体,消耗ATP。
(三)模式图
(四)举例
1.协助扩散:
①葡萄糖进入红细胞
②形成静息电位时K+外流,及形成动作电位时Na+内流。
2.主动运输:
葡萄糖(除进红细胞外)、氨基酸、无机盐
3.自由扩散:
气体(氧气、二氧化碳)、甘油、脂肪酸、维生素D、性激素、胆固醇、酒精、苯、尿素等。
(五)三种方式中,对细胞完成生命活动最有意义的方式是——主动运输
△理由是:
它能保证活细胞能够按照生命活动的需要,主动选择吸收所需要的营养物质,排除代谢废物和对细胞有害的物质。
△主动运输需要两个条件:
载体和能量
1.载体
(1)它是膜上的蛋白质不是糖蛋白。
(2)具有特异性
(3)可以反复利用
(4)由基因决定,人为不能改变。
2.能量
(1)主要来自细胞有氧呼吸。
(2)人为可改变,通过改变细胞呼吸强度来实现。
例如:
中耕松土,向培养液中通空气。
△物质出入细胞方式的综合比较
项目
离子和小分子物质
大分子和颗粒性物质
自由扩散
协助扩散
主动运输
胞吞
胞吐
运输方向
高浓度→低浓度
高浓度→低浓度
低浓度→高浓度
细胞外→细胞内
细胞内→细胞外
运输动力
浓度差
浓度差
能量(ATP)
能量(ATP)
能量(ATP)
载体蛋白
不需要
需要
需要
不需要
不需要
实例
水、CO2、甘油、脂肪酸、乙醇、苯、尿素等
红细胞吸收葡萄糖等
K+、Na+等离子,小肠吸收氨基酸、葡萄糖等
白细胞吞噬病菌、变形虫摄取食物颗粒等
各种分泌蛋白,如抗体、消化酶、蛋白质类激素等
易错警示 有关物质出入细胞的8个“不要漏掉”
(1)需要载体蛋白协助的运输方式除主动运输外不要漏掉协助扩散。
(2)消耗能量的运输方式除主动运输外不要漏掉胞吞和胞吐。
(3)从高浓度到低浓度的运输方式除自由扩散外不要漏掉协助扩散,有些主动运输也可以从高浓度到低浓度运输。
(4)影响协助扩散运输速率的因素除载体蛋白数量外不要漏掉浓度差。
(5)与主动运输有关的细胞器除供能的线粒体外不要漏掉载体蛋白的合成场所——核糖体。
(6)运输速率与O2浓度无关的运输方式除自由扩散外不要漏掉协助扩散。
(7)胞吞(吐)的大分子物质穿过细胞膜的层数为0,因为该过程是通过膜的融合将物质转入或转出细胞的。
(8)RNA和蛋白质等大分子物质进出细胞核,是通过核孔,而不是通过胞吞、胞吐。
(五)根据影响跨膜运输因素的曲线确定运输方式
(1)物质浓度
(2)氧气浓度
(3)温度:
温度可影响生物膜的流动性和酶的活性,因而会影响物质跨膜运输的速率。
三、对生物膜结构的探索历程
1.细胞膜对不同物质的通透性不同,脂溶性物质更容易通过细胞膜。
由此可见,细胞膜的成分中含有脂质。
2.对哺乳动物红细胞膜进行化学分析发现,细胞膜的主要成分有脂质和蛋白质。
3.用丙酮从人的红细胞中提取脂质,在空气——水界面上铺成单分子层,测得单分子层面积恰好是红细胞表面积的2倍,这说明细胞膜上的脂质分子是两层分子。
4.用电镜观察细胞膜,看见了暗——亮——暗三层结构,由此提出细胞膜的模型是:
蛋白质——脂质——蛋白质,中间亮层是脂质分子,两边暗层是蛋白质分子。
5.人鼠细胞的融合实验,证明细胞膜有流动性。
6.由桑格和尼克森提出细胞膜的流动镶嵌模型,他们采用的方法是模型构建法。
四、物质跨膜运输的实例分析(水、无机盐)
A.水
(一)细胞吸水的主要方式:
渗透作用
▲吸胀作用:
少量,不是主要方式(干种子用亲水性物质)
1.渗透装置:
半透膜——玻璃纸、活体生物膜
浓度差
1.清水2.蔗糖溶液3.半透膜
2.渗透作用发生的表现是:
漏斗管液面上升了一定的高度。
(1)上升的原因是:
单位体积内,清水中的水分子数多于蔗糖溶液。
单位时间内,进入漏斗的水分子多于出来的。
(2)随着液面高度的上升,液面上升的速率变小,上升的幅度减小,因为浓度差减小了。
(3)液面最终上升的高度主要取决于浓度差。
(4)渗透作用发生后,半透膜两侧的溶液浓度都会发生改变(水除外)。
3.渗透作用
水分子通过半透膜的扩散作用。
扩散——水:
水多→水少
溶液:
低→高
★体积分数相同的蔗糖溶液和葡萄糖溶液,葡萄糖溶液的摩尔浓度高,葡萄糖可过膜。
4.易错警示——关于渗透系统中的3个“比较”
(1)渗透平衡与溶液浓度的内涵
发生渗透平衡只意味着半透膜两侧水分子移动达平衡状态,既不可看作没有水分子移动也不可看作两侧溶液浓度相等。
溶液浓度指物质的量浓度而非质量浓度。
(2)半透膜与选择透过性膜的比较
区别:
①半透膜是无生命的物理性薄膜,物质能否通过取决于分子的大小。
②选择透过性膜是具有生命的生物膜,载体蛋白的存在决定了其对不同物质吸收的选择性。
细胞死亡或膜载体蛋白失活后,其选择透过性丧失。
共性:
都允许水分子自由通过,而不允许生物大分子物质通过。
(3)原生质层与原生质体的比较
①原生质层在成熟的植物细胞内相当于半透膜的结构,由细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质组成,不包括细胞核和液泡内的细胞液。
此结构仅存在于成熟的植物细胞中。
②原生质体是去除了植物细胞壁后所剩下的具有生物活性的植物细胞结构,包括细胞膜、细胞质、细胞核三部分。
【深挖教材】
(1)渗透作用与扩散作用有何区别?
提示:
渗透作用的发生必须有半透膜或选择透过性膜,扩散作用则不一定有膜的参与,扩散作用适用于各种物质,渗透作用仅指溶剂分子。
(2)渗透作用中,膜两侧溶液的浓度指的是质量浓度吗?
提示:
不是,溶液浓度指物质的量浓度。
【深度思考】对于植物细胞来说,单位时间内,水分子进出细胞的数量相等时,细胞内外液体的浓度一定相等吗?
提示:
不一定。
植物细胞有细胞壁的支持、保护作用,当单位时间内水分子进出植物细胞数量相等时,有可能细胞液浓度大于细胞外溶液浓度。
有关渗透作用的3个易错点
(1)渗透系统的溶液浓度指物质的量浓度而非质量浓度,实质是指渗透压,如质量分数为10%的葡萄糖溶液和质量分数为10%的蔗糖溶液的质量浓度相等,但质量分数为10%蔗糖溶液的渗透压小,故水可通过半透膜由蔗糖溶液向葡萄糖溶液移动。
(2)水分子的运输特点:
无论细胞吸水或失水,水分子的移动方向都是双向的。
(3)渗透平衡≠浓度相等。
渗透平衡只意味着半透膜两侧水分子移动达到平衡状态,既不可看作没有水分子移动,也不可看作两侧溶液浓度相等。
(二)成熟的动植物细胞都是渗透装置
1.动物细胞
(1)
细胞膜(半透膜)
膜内外具有浓度差
(2)动物细胞
①高渗溶液:
失水皱缩
②等渗溶液:
保持正常形态
③低渗溶液:
细胞吸水膨胀,乃至涨破。
(3)启发:
①离体的动物细胞要置于生理盐水(0.9%NaCl)中才能维持正常形态。
②使动物细胞破裂的方法是放在蒸馏水中。
2.植物细胞
(1)模式图
(2)证明实验:
质壁分离和质壁分离复原
☆质壁分离
①含义:
质——原生质层;壁——细胞壁
②条件(原因):
外因——外界溶液浓度大于细胞液浓度
内因——原生质层伸缩性大于细胞壁
△加热使原生质层失去选择透过性
③模式图
※外界溶液浓度变小;细胞液浓度变大。
△细胞失水
△细胞:
体积——变小;重量——变小
△液泡:
体积——变小;颜色——加深;细胞液——浓度变大,渗透压变大,相对吸水力变大。
△随着质壁分离的发生:
细胞失水速率——降低;细胞失水幅度——降低;细胞液浓度——升高;
外界溶液浓度——升高;浓度差——减小。
△细胞体积缩小的程度主要取决于两个因素:
浓度差大小;细胞壁伸缩性大小
☆质壁分离复原
①条件:
外界溶液浓度小于细胞液浓度
不一定用清水,但是在清水中复原的速度最快。
②在复原过程中,细胞所发生的变化,与质壁分离时正好相反。
③自动复原
a.条件:
NaCl、KNO3、CO(NH2)2、C6H12O6等溶液。
特点:
溶质是小分子或离子。
b.原因:
质壁分离后溶质中的小分子或离子慢慢通过原生质层进入液泡,使细胞液浓度升高,一旦高于外界溶液,细胞重新吸水。
c.这样的溶液不适合做质壁分离和复原的实验。
提醒:
①质壁分离与复原实验中存在两次自身对照:
第一次是自然状态与质壁分离状态对照,第二次是复原员后状态与质壁分离状态对照。
②盐酸、酒精、醋酸等溶液能杀死细胞,不适于作为质壁分离实验的溶液。
☆应用
①用来判断植物细胞的死活
将细胞置于高渗溶液中;用红墨水对组织染色;观察细胞质流动;已处于离体状态中的细胞放在清水中,看是否复原。
②给植物细胞去壁时,先使其发生质壁分离,再用纤维素酶、果胶酶处理。
再生细胞壁时,也可以通过质壁分离判断。
☆质壁分离实验的拓展应用
a.判断成熟植物细胞是否有生物活性
+
→镜检
b.测定细胞液浓度范围
+
镜检⇓
细胞液浓度介于未发生质壁分离和刚发生质壁分离的蔗糖溶液浓度之间
c.比较不同植物细胞的细胞液浓度
+
镜检⇓
发生质壁分离所需时间越短,细胞液浓度越小,反之则细胞液浓度越大
d.鉴别不同种类的溶液(如KNO3和蔗糖溶液)
+
⇓
镜检
e.比较未知浓度溶液的浓度大小
同一植物的成熟细胞+未知浓度的溶液
刚刚发生质壁分离所需时间→比较所用时间长短→判断溶液浓度的大小(时间越短,未知溶液的浓度越大)
实验单一变量:
未知浓度的溶液。
f.验证原生质层和细胞壁伸缩性大小
成熟植物细胞+分离剂
实验单一变量:
植物细胞原生质层和细胞壁的伸缩性差异。
#关于质壁分离和复原实验的四个注意点
(1)将发生质壁分离的植物细胞置于低浓度的溶液或蒸馏水中,植物细胞会发生质壁分离的复原,但如果所用溶液为葡萄糖、KNO3、尿素、乙二醇等能被细胞吸收的物质,发生质壁分离后因细胞主动或被动吸收溶质而使细胞液浓度增大,植物细胞会吸水引起质壁分离后的自动复原。
(2)质壁分离过程中,外界溶液浓度大于细胞液浓度,植物细胞吸水能力逐渐增强;质壁分离复原过程中,外界溶液浓度小于细胞液浓度,植物细胞吸水能力逐渐减弱。
(3)质壁分离与复原过程中水分子的移动是双向的,但结果是单向的。
(4)本实验用显微镜观察了三次,第一次与第二次形成对照,第三次与第二次形成对照,该对照方法为自身对照。
A.无机盐
(一)吸收方式:
主动运输
(二)吸收特点:
选择性吸收
1.含义
①细胞对无机盐离子吸收的多少,与它在溶液中的浓度不一定成正比。
②同一种植物对不同种无机盐离子的吸收量往往不同。
③不同种植物对同种无机盐离子的吸收量往往不同。
④如果某植物吸收某种离子的量为0,则说明该植物细胞膜没有与之相应的离子载体。
⑤吸收后某些离子浓度比初始浓度大,不是因为它们从植物细胞中排出,而是因为细胞吸水的速率大于其吸收离子的速率。
2.原因:
主要取决于细胞膜上载体的种类和数量。
(三)与吸水的关系:
植物根吸水和吸收无机盐是两个相对独立的过程。
各吸收各的。
a.根能否吸水主要取决于浓度差。
根能否吸收无机盐取决于载体和能量。
b.根吸收无机盐离子增多时可以促进根对水的吸收。
(四)应用
1.给农作物施肥的同时,要做两件事:
①及时浇水,避免烧苗;②及时松土,促进对无机盐离子的吸收。
2.干旱时,植物会提高根细胞细胞液的浓度,以提高其吸水能力。
①把一部分自由水转化成结合水。
②水解酶活性增强(大分子→小分子,溶质↑)。
③生长在盐碱地和干旱地区的植物,其根细胞细胞液浓度普遍偏高。
④用培养液培养植物时,培养一段时间后,溶液中某些例子的浓度不降反升,可能的原因是:
根吸水的速率大于吸收该种离子的速率。
⑤轮作:
避免连续种植某一种农作物使土壤中某些无机盐离子缺乏。
【深挖教材】囊性纤维病是细胞中某种蛋白质结构异常,影响了Na+和Cl-的跨膜运输,这一事例说明这种结构蛋白属于细胞膜上的 ,也反映了细胞膜对离子的吸收具有选择性是通过细胞膜上 来实现的。
提示:
载体蛋白 载体蛋白的种类和数量
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1.渗透系统的组成条件
如图所示,作为一个渗透系统,须同时具备以下两个条件:
(1)具有半透膜
(2)半透膜两侧为溶液体系(S1、S2),且两侧溶液具有浓度差。
2.渗透作用的发生
(1)若S1浓度>S2浓度,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。
(2)若S1浓度 (3)Δh到达一定高度时,由半透膜进出漏斗的水分子数相等,渗透系统达到平衡状态,液面不再变化。 3.本教材质壁分离和复原实验中是否存在对照实验? 试具体分析说明。 提示 本实验存在两组对照实验 4.教材规定实验中的“显色”归纳 [规律方法] 归纳法记忆同一物质的不同运输方式 (1)葡萄糖 (2)Na+ (3)K+
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