2020年高考生物专题复习：细胞的结构和物质运输

2020年高考生物专题复习：细胞的结构和物质运输一、教学内容细胞的物质输入和输出物质跨膜运输的实例探究植物细胞的吸水和失水物质跨膜运输的方式二、重点和难点1.教学重点举例说出细胞膜是选择透过性膜.物质进出细胞的方式.2.教学难点尝试提出问题，作出假设.主动运输.进行图表数据的解读.三、具体内容第1节物质跨膜运输的实例1.动物细胞的吸水和失水用哺乳动物的细胞制备细胞膜时，加入的清水能使烧杯中的红细胞胀破.这是由于红细胞细胞质的浓度大于外界溶液浓度，单位体积内的水分子数少于外界溶液.由于细胞内外水分子数不平衡，水分又能通过细胞膜，而细胞内的大分子物质等不能通过细胞膜，水分子趋向平衡的运动，使红细胞吸水.若将红细胞放入一种高浓度溶液中呢？结果必然是细胞失水而皱缩.若将红细胞放入与细胞质的浓度相同的溶液中呢？结果是细胞既不吸水，也不失水，红细胞不变形.我们静脉注射用的生理盐水的浓度，就是与血浆的浓度相等.2.植物细胞的吸水和失水，（1）渗透作用的原理① 渗透作用的概念：渗透作用是指水分子（或）其他溶剂分子通过半透膜的扩散.② 发生渗透作用的条件：一是具有半透膜；二是半透膜两侧的溶液具有浓度差.即一个完整的渗透系统由两个溶液（A 和 B ）以及隔在二者中间的半透膜这三者构成.半透膜与生物膜有什么联系和区别？半透膜是指一些物质可以透过，另一些物质不能透过的多孔性薄膜.从结构上看，生物膜相当于于半透膜.但是，从功能上看，半透膜（如动物的膀胱膜、玻璃纸）对物质的透性取决于它的分子间隙，只要分子直径小于此间隙的物质就可以通过.而生物膜是选择透过性 膜，只有被选择吸收的物质才能通过，其具体表现是：①脂溶性物质优先通过；② 水分子 可以自由通过生物膜上的通道；③ 细胞选择的离子和小分子可以通过；④ 细胞需要的一些 大分子物质采用膜泡运输的方式进出细胞；⑤ 不被细胞选择的离子、小分子、大分子不能 通过.③ 原理：当溶液浓度 A>B 时，水分就通过半透膜由 B 流向 A ；当溶液浓度 A<B 时，水分就通过半透膜由 A 流向 B ；当溶液浓度 A=B 时，则处于动态平衡状态.一个成熟的植物细胞连同外界溶液正好符合两个溶液体系（细胞液和土壤溶液）和一层半透膜（原生质层） 故可通过渗透作用吸水和失水.由上可知，不管细胞吸水还是失水，水分总是由相对含量多 的地方通过半透膜流向相对含量少的地方，即由低浓度溶液流向高浓度溶液.④ 渗透作用的结果：从微观水平分析，水分子可以通过半透膜进行双向扩散；从宏观水平观察，水分子是从低浓度溶液流向高浓度溶液，直至达到动态平衡.（2）植物细胞的吸水和失水① 吸水方式未成熟的植物细胞主要靠吸胀作用吸收水分；成熟的植物细胞主要靠渗透作用吸收水分.②成熟的植物细胞是一个渗透系统.3. 物质跨膜运输的其他实例细胞的吸水和失水是水分子顺相对含量的梯度跨膜运输，即从含水量相对较高的一侧向相对较低的一侧运输.但某些物质在跨膜运输时不一定是顺浓度梯度的.细胞膜和其他生物膜对物质的通过具有选择性，它允许水分子以渗透的形式自由通过，被选择吸收的离子和小分子也可以通过，而不被选择吸收的离子、小分子和大分子则不能通过.所以生物膜是一种选择透过性膜，这对细胞维持正常的生命活动起了重要作用.探究1：探究植物细胞的吸水和失水观察植物细胞的吸水和失水1.实验原理（1）原生质层伸缩性比细胞壁伸缩性大.（2）当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞失水，原生质层收缩，进而质壁分离.（3）当细胞液浓度大于外界溶液浓度时，细胞渗透吸水，使质壁分离复原.2.实验过程吸引清水制作洋葱鳞片叶表皮临时装片高倍显微镜观察①有一个紫色的中央大液泡②原生质层紧贴细胞壁0.3g/mL蔗糖溶液吸水纸吸引①中央液泡逐渐变小（紫色高倍显微镜观察加深）②原生质层与细胞壁逐渐分离吸水纸高倍显微镜观察①中央液泡逐渐胀大②原生质层逐渐贴近细胞壁3.实验结论（1）成熟的植物细胞能与外界溶液发生渗透作用.（2）当外界溶液大于细胞液浓度时，细胞失水.（3）当外界溶液小于细胞液浓度时，细胞吸水.本实验的方法与技巧（1）取材：选取紫色明显的洋葱表皮，撕取的表皮不宜过大或过厚，避免带有叶肉.（2）制装片：装片标本周围若有气泡，将会阻止蔗糖溶液扩散.（3）质壁分离试剂浓度要适当.若浓度过低则不能引起质壁分离或者速度太慢，实验效果不佳；若浓度过高，虽然质壁分离速度快且效果明显，但将导致细胞脱水死亡，无法发生质壁分离后的复原现象.（4）发生了质壁分离的细胞，再做质壁分离复原实验时，间隔的时间不能过长，否则将因原生质脱水变性而导致实验失败.（5）滴加蔗糖溶液和清水，必须在实验桌上进行，而不能在显微镜的载物台上直接进行.滴加蔗糖溶液或清水时，必须重复几次.（6）作分离剂所具备的条件.：① 要对细胞无毒害作用.② 浓度要适当，如 5%的 KNO 3 或 Ca （NO 3）2，只有在保证细胞不被损害的条件下，才 能得到预期的效果.（7）实验中三次观察的分析.① 正常状态的观察（作为自身前后对照）；② 分离状态的观察；③ 复原状态的观察.三次观察主要观察以下方面：① 液泡颜色及大小变化；② “质”与“壁”的位置关系.质壁分离与质壁分离复原实验的应用（1）判断细胞的死活：可根据课后实验方法设计一死细胞与活细胞在一定浓度蔗糖溶液中的对比实验，观察有无质壁分离及复原现象.死细胞无质壁分离现象.（2）观察植物细胞膜（光镜下） 由于植物细胞的细胞膜与细胞壁紧贴在一起，用普通的光学显微镜不能观察到细胞膜，但发生质壁分离的细胞，其细胞膜与细胞壁之间发生不同程度的分离，此时则可用光学显微镜观察到细胞膜.（3）测定细胞液的浓度：可将取材于同一部位制成的若干植物细胞的临时装片，分别置于一系列不同浓度梯度的蔗糖溶液中，通过观察发生质壁分离的临界蔗糖溶液浓度来确定细胞液的大致浓度.（4）可验证成熟的植物细胞是一个渗透系统或成熟植物细胞能发生渗透作用.（5）动物细胞能发生渗透作用，但因无细胞壁，故动物细胞不会发生质壁分离现象 .而渗透原理在动物细胞中也有广泛的应用，如要得到细胞膜，可将哺乳动物的红细胞置于纯水中，使细胞渗透吸水过多而胀破，从而得到细胞膜.第 3 节 物质跨膜运输的方式1. 被动运输的类型物质进出细胞是顺浓度梯度的扩散，叫做被动运输，它分为自由扩散和协助扩散两大类.（1）自由扩散物质通过简单的扩散进出细胞，叫做自由扩散.水、氧气、二氧化碳等分子很小，很容易自由地通过细胞膜的磷脂双分子层.这些分子通过细胞膜时遵循扩散作用的原理，即物质从高浓度一边，穿过细胞膜到达低浓度一边，直到平衡为止.（2）协助扩散进出细胞的物质借助载体蛋白的扩散，叫做协助扩散.离子和一些较大的分子，不能自由地通过细胞膜，必须由镶嵌在细胞膜上载体蛋白的协助，才能完成顺浓度梯度的跨膜运输.概念：在载体的协助下，消耗细胞内代谢所释放的能量，把被选择吸收的物质从低浓度的一边通过细胞膜运输到高浓度的一边，这种物质出入细胞的方式叫做主动运输.举例：小肠绒毛上皮细胞对K+、Na+、葡萄糖、氨基酸等营养物质的吸收，就是通过主动输进行的.意义：主动运输这种物质出入细胞的方式，能够保证活细胞按照生命活动的需要，主动地选择吸收所需要的营养物质，排出新陈代谢产生的废物和对细胞有害的物质.可见，主动运输对于活细胞完成各项生命活动有重要作用.影响主动运输的因素：首先是栽体蛋白的种类数量，它决定所运输的物质种类和数量.其次，由于主动运输需要消耗能量，所以凡是能够影响能量供应的因素也都影响主动运输速度，如温度、氧气浓度等.第三，主动运输速度与物质浓度有关.它们的关系可用下图表示.2.胞吞和胞吐用一种无毒染料（例如刚果红）将酵母菌染成红色，放到草履虫培养液中，不久草履虫细胞里面出现了红色的食物泡.这种吞食固体颗粒的作用叫做胞吞.很多细胞都有这种能力，我们体内的白细胞能将侵入体内的外来物（如细菌等）吞入，起着保卫身体的作用.胞吞使一些不能穿过细胞膜的物质如食物颗粒、蛋白质大分子等，都能进入细胞之中，形成含有液体或固体的小泡（食物泡）.这时，细胞质中的溶酶体很快地和这种小泡融合，O溶酶体中所含的酶把食物颗粒、蛋白质大分子等水解为小分子物质，供细胞利用.与胞吞相反，有些物质在细胞膜内被一层膜所包围，形成小泡，小泡逐渐移到细胞表面，小泡膜与细胞膜融合在一起，并且向细胞外张开，使内含物质排出细胞外，这种现象叫做胞吐.细胞通过胞吐向外分泌物质.胰腺细胞分泌酶原粒（蛋白质）就是胞吐.酶原粒是在高尔 基体中产生的，这些包以外膜的酶原粒脱离高尔基体后，逐渐向细胞表面移行，在与细胞膜 接触后，外膜与细胞膜融合并裂开，将内含物释放出去.自由扩散、协助扩散和主动运输的比较物质出入细胞的方式自由扩散协助扩散细胞膜内外物质浓度的高低高浓度→低浓度高浓度→低浓度是否需要载体不需要需要是否消耗能量不消耗不消耗图 例 举 例H 2O 、 2、CO 2、 苯、乙醇、甘油红细胞吸收葡萄糖小肠吸收葡萄主动运输低浓度→高浓度需要消耗 ATP糖、氨基酸、无机盐；肾小管集合管吸收各种离子等【典型例题】例 1 取新鲜的马铃薯块茎，去皮后切取两个大小相同的立方块，一块放在浓盐水中，另一块放在清水中（如下图 a 、b 所示）.请判断一段时间后它们的变化，并解释原因.（1）图 a 中马铃薯块_________（收缩、不变、膨胀），解释原因：_________.（（2）图 b 中马铃薯块_________（收缩、不变、膨胀），解释原因：_____________________.解析：本题通过对实验结果的预测，考查植物细胞渗透原理.当外界溶液浓度高于细胞液浓度时，细胞通过渗透作用失去水分；当外界溶液浓度小于细胞液浓度时，细胞通过渗透作用 吸收水分.细胞失水，植物组织收缩；细胞吸水，植物组织膨胀.答案： 1）收缩 浓盐水浓度高于马铃薯块的茎细胞液浓度，细胞失水，植物组织收缩（2）膨胀 清水浓度低于马铃薯块的茎细胞液浓度，细胞吸水，植物组织膨胀例 2 为了检测麦种的质量，将麦种 100 粒浸入红墨水 2h 后用刀片纵向剖开，发现胚乳被染红 95％，胚被染红 30％，因而断定麦种发芽率太低不宜作种.下列对此检测原理最正确的解释是（ ）A . 胚和胚乳都具有选择透过性，细胞不需要的色素不会被吸附和吸收B . 胚如果是活细胞，红色素就不会被选择吸收C . 胚乳没有细胞结构，主要成分是淀粉，可吸附色素D . 胚乳的活细胞少，对色素不具选择吸收作用解析：种子萌发的前提条件是要保证胚的完整性和必须是活的，这里胚被染红 30％，如果胚是活细胞，红色素就不会被选择吸收，说明胚中 30％的细胞已死亡，故断定麦种发芽率 很低.答案：B例 3. 对法囊藻（一种海藻）的细胞液中各种离子浓度的分析表明，细胞液中的成分与海水的成分很不相同，下图阴影部分代表法囊藻的离子浓度.（ 1）K +和 Cl -在细胞内积累，而Na +等在细胞液中的含量低于海水的含量.这表明___________.（2）K +和 Cl -进入细胞的运输方向是_______；这种吸收方式是_______，这种吸收方式（所需要的两个基本条件是______和______.（3）Na+和Ca2+进入细胞的转运方向是________，它们的吸收方式属于_____________.（4）法囊藻的细胞液中各种离子浓度与海水中各种离子浓度不成比例，其结构基础是______________.解析：由图可以看出：K+、Na+、Cl-、Ca2+的吸收都与海水中的含量不成比例，这表明对矿质元素的吸收具有选择性.K+和Cl-进入细胞的运输方向是：从低浓度到高浓度，是主动运输，主动运输需要的基本条件是载体和消耗能量ATP.Na+和Ca2+进入细胞虽然是顺浓度梯度，即从高浓度一侧到低浓度一侧，但也是主动运输，既需要载体也消耗能量.有些矿质元素的吸收，都与细胞膜上的载体数量有关，这就是选择吸收的结构基础.答案：1）细胞对矿质元素离子的吸收具有选择性（2）从低浓度到高浓度主动运输载体能量（ATP）（3）从高浓度到低浓度主动运输（4）细胞膜的载体种类和数量例4.某科学家在研究细胞膜运输物质时发现有下列四种关系，分别用下图中四种曲线表示，在研究具体的物质X时，发现与曲线②和④相符，试问：细胞膜运输物质X的方式是（）A.主动运输B.自由扩散C.内吞D.外排解析：曲线①说明运输速度与物质浓度呈正相关，不受其他因素的限制，应为自由扩散.因为氧气浓度的高低影响细胞呼吸，影响细胞能量的供应，而主动运输需要消耗能量，曲线③说明运输速度与氧气浓度无关，说明这种方式不是主动运输，而是一种被动运输方式（可能是自由扩散，也可能是协助扩散）.相反，曲线②在一定浓度范围内随物质浓度升高而速度加快，当达到一定程度后，由于受到载体数量的限制，不再增加而维持稳定，说明这种运输需要载体，不是自由扩散，可能是协助扩散，也可能是主动运输.曲线④说明吸收速度与氧， （气浓度有关，根据上面的分析，这个过程是需要能量的，只能是主动运输，所以综合来看，应当是主动运输.所以答案选 A . 答案：A例 5. 如下图变形虫内伸缩泡的周围有许多小泡，小泡周围义分布着一层线粒体，而伸缩泡的主要功能就是排出细胞内多余的水分，所以伸缩泡内液体的浓度就比细胞内其他部分低（据研究其浓度只有细胞质的一半） 伸缩泡内的 Na +是细胞质的 33 倍，而 K +则是细胞质 的 0.85 倍，而伸缩泡周围的小泡要不断地抽取 Na +，排出 K +，才能形成比细胞质浓度低的 小液泡，这些小泡经融合并把液体排入到伸缩泡内，再由伸缩泡排出体外.（1）伸缩小泡这种抽取 Na +，排出 K +的过程是属于______运输方式，须经______的协助才能完成这一过程.（2）图中小泡层的周围分布着一层线粒体，推断其原因可能是________.解析：伸缩泡周围的小泡要不断地抽取 Na +，排出 K +，均逆物质的浓度梯度进行，故为主动运输的方式，小泡周围的线粒体为主动运输提供能量.答案： 1）主动 载体（2）有利于及时供应伸缩小泡进行主动运输时所需的能量例 6. 下列各组细胞都主要依靠渗透作用吸水的是（ ）A . 干种子细胞、根毛细胞B . 分生区细胞、叶肉细胞C . 叶肉细胞、根毛细胞D . 干种子细胞、分生区细胞解析：半透膜两侧的溶液存在浓度差是渗透作用产生的条件之一，成熟植物细胞具有中央大 液泡，细胞液与细胞外溶液能形成一定的浓度差，能产生渗透作用.叶肉细胞、根毛细胞属 于成熟植物细胞，而干种子细胞、分生区细胞、形成层细胞等没有形成大的中叶液泡.答案：C。