第4章 细胞的物质输入和输出
本章知识框架
物质跨膜运输的实例
生物膜的流动镶嵌模型
物质跨膜运输的方式
一.渗透作用概念
1、水分子(或其他溶剂分子)透过半透膜的扩散,称为渗透作用
3、条件
(1)半透膜
(2)膜两侧的溶液具有浓度差
(玻璃纸、细胞膜、原生质层)
(渗透压差)
从低浓度到高浓度
2、方向:
第1节 物质跨膜运输的实例
选择透过性膜
物理膜
生物膜。
分子直径大于膜孔隙的物质不能通过半透膜,反之则能
水分子,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
半透膜上的孔隙大小决定的
磷脂双分子层的物理化学性质和膜上蛋白载体共同决定的
相同点
物理性过滤膜(无生物活性,如动物膀胱、玻璃纸、肠衣、鸡蛋的卵壳膜)
具有生物活性,如细胞膜、原生质层
能通过的物质
决定物质能否通过是由
膜的性质
都有选择透过性
思考:半透膜等于选择透过性膜吗?
半透膜
水分子只进不出吗?
半透膜两侧溶液的水分子是进行双向运动的,我们只是观察由双向水分子运动快慢的差异所导致的液面改变。水分子进入的速率大于出来的速率,液面升高,当二者速率相等时,液面不再升高。
液面停止上升后,漏斗内外溶液浓度相等吗?
内部(蔗糖溶液)浓度高于外部(清水)浓度。
随着液面升高液注产生的压力逐渐增大使水分子向外出速率逐渐增加,同时由于内外溶液浓度差逐渐减小导致水分子由于渗透压向内进的速率逐渐减小,直到进出速率相等时,液面不再升高。
二、渗透系统的应用
1.比较不同溶液浓度大小
①若漏斗内液面上升,则M N
②若漏斗内液面不变,则M N
③若漏斗内液面下降,则M N
2.验证渗透作用发生的条件是什么?
>
<
=
(1)具半透膜。
(2)具有浓度差。
【知识运用】
有两瓶蔗糖溶液,一瓶10%,一瓶20%,可是标签掉了,请用上述装置,设计实验将它们区分?
利用上述装置,在烧杯中加入蔗糖溶液A,在漏斗中装入蔗糖溶液B,观察其液面变化,若液面上升,则A是10%,B是20%;若液面下降,则结果相反。
如何证明淀粉和碘液哪种物质可以通过半透膜?请用上述装置,设计实验加以证明?
运用上述装置,在烧杯中加入淀粉溶液,在漏斗中装入碘液,观察颜色变化。
若漏斗内变蓝说明淀粉可以透过半透膜而碘液不能透过;若烧杯内变蓝说明碘液可以透过半透膜而淀粉不能透过;若漏斗内和烧杯内都变蓝则淀粉和碘液都可透过半透膜;若漏斗内和烧杯内都不变蓝则说明淀粉和碘液都不可以透过半透膜。
条件
有半透膜
半透膜两侧的溶液存在浓度差
..
.
渗透作用
:水分子或其他溶剂分子透过半透膜的扩散,称渗透作用.
概念
方向:
高浓度 低浓度
总结:
玻璃纸、细胞膜、原生质层
指溶剂分子(如水、酒精、丙酮等)穿过半透膜从低浓度一侧向高浓度一侧移动的过程。
指一些小分子物质(如水、O2、CO2、苯、乙醇、甘油等)从浓度高的一侧向浓度低的一侧运输的过程。
半透膜
渗透:
扩散:
如下图所示,在U型管中部c处装有半透膜,在a侧加入红色的细胞色素c(分子量为1.3万道尔顿的蛋白质)水溶液,b侧加入清水,并使a、b两侧液面高度一致,经过一段时间后,实验结果将是( )
A.a、b两侧液面高度一致,b侧无色。
B. a、b两侧液面高度一致,b侧红色。
C.a液面低于b液面, b侧无色。
D.a液面高于b液面,b侧无色
D
C
二、细胞的吸水和失水方式:
动植物细胞吸水和失水原理都是渗透作用吗?
YES!
渗透作用
【补充—吸胀吸水:实际上,幼嫩的植物细胞(如分生区细胞)和干种子由于没有大液泡,而是靠细胞内的亲水性物质(如蛋白质、淀粉、纤维素)吸收水分,这种方式称为吸胀吸水。成熟的植物细胞靠的是渗透吸水,如不特别说明,我们都指的是成熟植物细胞,所以渗透吸水是植物细胞吸水的主要方式】
观察动物细胞的吸水和失水
失水 皱缩
水分进出处动态平衡
吸水 膨胀
动物细胞的什么结构相当于半透膜?
细胞膜
动物细胞的膜两侧溶液是什么?
细胞质与外界溶液
(人:细胞内液与细胞外液)
动物细胞什么条件下失水,什么条件下吸水?
动物细胞吸水或失水的多少取决于什么条件?
细胞内外浓度差
成熟的植物细胞就是一个渗透系统
内溶液
外界溶液
半透膜
原生质层与原生质体的区别
细胞膜、细胞质、细胞核统称为原生质;
去掉细胞壁的植物细胞特称为原生质体。
细胞壁
原生质层
细胞膜
液泡膜
细胞质
大液泡
大于
失水
小于
吸水
等于
不吸水
也不失水
结论
2)细胞吸水还是失水取决于外界溶液浓度与细胞质浓度的差值
外界溶液浓度>细胞质浓度 细胞失水
外界溶液浓度<细胞质浓度 细胞吸水
1)动植物细胞是一个渗透系统
细胞膜
原生质层
细胞质与外界溶液
细胞液与外界溶液
三、实验:观察植物细胞的质壁分离和质壁分离复原现象
1、实验原理?
2、“质”、“壁”、分别指什么?
3、“质壁分离复原现象”不要简说成“复原现象”
4、质壁分离后在细胞膜与细胞壁之间是什么?
5、实验材料有什么要求?
6、实验材料为什么选择紫色洋葱鳞片叶外表皮?
7、用什么方法改变外界溶液?
(1)渗透作用: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。
(2)原生质层伸缩性大于细胞壁
原生质层 细胞壁
外界溶液
成熟的、活的、植物细胞
液泡呈紫色,便于观察
引流法,在盖玻片一侧滴加液体,用吸水纸在盖玻片另一侧用吸水纸吸引,重复两到三次,直到将洋葱鳞片叶完全浸润
三、实验:观察植物细胞的质壁分离和质壁分离复原现象
1、实验原理?
2、“质”、“壁”、分别指什么?
3、“质壁分离复原现象”不要简说成“复原现象”
4、质壁分离后在细胞膜与细胞壁之间是什么?
5、实验材料有什么要求?
6、实验材料为什么选择紫色洋葱鳞片叶外表皮?
7、用什么方法改变外界溶液?
(1)渗透作用: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。
(2)原生质层伸缩性大于细胞壁
原生质层 细胞壁
外界溶液
成熟的、活的、植物细胞
液泡呈紫色,便于观察
引流法,在盖玻片一侧滴加液体,用吸水纸在盖玻片另一侧用吸水纸吸引,重复两到三次,直到将洋葱鳞片叶完全浸润
8、实验用的蔗糖溶液浓度?
9、当外界溶液浓度为0.1g/ml 、0.5g/ml时分别是什么结果 ?
10、质壁分离自动复原现象
0.3g/ml(或描述为30%)
无特别说明情况下,我们这样考虑:0.1g/ml(10%)时,细胞吸水,体积变大; 0.5g/ml(50%)时,细胞失水出现质壁分离,由于失水过多死亡,无法再复原,膜也失去选择透过性,变为全透性。
如果外界溶液是一定浓度无机盐溶液(如KNO3溶液)或小分子溶液(如尿素溶液、葡萄糖溶液、甘油溶液、乙醇溶液等),细胞先失水出现质壁分离现象,由于无机盐离子(K+和NO3-)通过主动运输或小分子(尿素分子、葡萄糖分子、甘油分子、乙醇分子)通过自由扩散进入细胞,使细胞液浓度逐渐增大,细胞开始吸水,又出现质壁分离自动复原现象
1.制作临时装片:紫色的洋葱鳞片叶表皮细胞
2.低倍镜观察:①有紫色液泡 ②原生质层紧贴细胞壁
3.
4.低倍镜观察: ①中央液泡逐渐变小(紫色加深)
②原生质层与细胞壁逐渐分离
5.
6.低倍镜观察: ①中央液泡逐渐胀大
②原生质层逐渐贴近细胞壁
实验流程:
⑴质壁分离:
当外界溶液浓度>细胞液浓度时,植物通过渗透作用失水,发生质壁分离
条件、外因:
内因:
原生质层收缩性大于细胞壁
现象:液泡体积( );液泡颜色( )
原因分析:
变小
变深
外界溶液
⑴质壁分离:
当外界溶液浓度>细胞液浓度时,植物通过渗透作用失水,发生质壁分离
条件、外因:
内因:
原生质层收缩性大于细胞壁
现象:液泡体积( );液泡颜色( )
原因分析:
变小
变深
外界溶液
⑵ 质壁分离复原:
现象:液泡体积( );液泡颜色( )。
当外界溶液浓度<细胞液浓度,植物细胞通过渗透作用吸水,发生质壁分离的细胞会出现质壁分离复原现象
条件、原因:
变浅
变大
现象记录
变小
逐渐恢复原来大小
原生质层恢复原来位置
原生质层脱离细胞壁
基本不变
基本不变
1、提出问题:根据现象提出有价值的问题。
2、作出假设:对问题进行假设。
3、设计实验:设计思路,预期结果,制定方案。
4、进行实验:观察想象,记录结果。
5、分析结果:结果与预期一致,可得出结论。
6、表达和交流:交流、质疑、解释。
探究的一般过程:
(1)判断植物细胞的死活
(2)测定植物细胞的细胞液浓度范围
(3)比较不同细胞的细胞液浓度大小
(4)鉴别不同种类的溶液(如KNO3和蔗糖溶液)
11、渗透作用原理的应用
配置一系列梯度浓度的蔗糖溶液,当植物细胞既不吸水也不失水时,此时的蔗糖溶液浓度范围即为细胞液浓度范围
只出现质壁分离现象的为蔗糖溶液;出现质壁分离现象后又自动复原的为KNO3溶液
将要比较的细胞置于同一浓度的蔗糖溶液中,比较发生质壁分离的程度,质壁分离越明显的细胞的浓度越低。浓度差越大,失水越快
2.质壁分离与复原实验流程
[链一串]
1.细胞是否发生质壁分离及其复原的判断
(1)从细胞角度分析:
①死细胞、动物细胞及未成熟的植物细胞不发生质壁分离现象。
②具有中央大液泡的成熟植物细胞可发生质壁分离现象。
③盐酸、酒精、醋酸等溶液能杀死细胞,不适于用做质壁分离的外界溶液。
(2)从溶液角度分析:
①在一定浓度(溶质不能透膜)的溶液中可发生质壁分离现象。
②在一定浓度(溶质可透膜)的溶液中可发生质壁分离后自动复原。如甘油、尿素、乙二醇、KNO3等。
③在高浓度溶液中可发生质壁分离现象,但不会发生质壁分离复原现象。
放入30%蔗糖溶液中不会发生质壁分离的一组细胞是( )
①洋葱根尖生长点细胞 ②人的口腔上皮细胞 ③洋葱表皮细胞 ④干种子细胞 ⑤蛔虫卵细胞 ⑥洋葱根毛细胞
A.①④⑤⑥ B.②③④⑤
C.①②④⑤ D.①②④⑥
C
下列能够表示洋葱表皮细胞在质壁分离及复原过程中液泡体积变化的图形是 ( )
B
用洋葱鳞片叶表皮制备“观察细胞质壁分离实验”的临时装片,观察细胞的变化。下列有关实验操作和结果的叙述,正确的是( )
A.将装片在酒精灯上加热后,再观察细胞质壁分离现象
B.在盖玻片一侧滴入清水,细胞吸水膨胀但不会破裂
C.用不同浓度的硝酸钾溶液处理细胞后,均能观察到质
壁分离复原现象
D.当质壁分离不能复原时,细胞仍具正常生理功能
B
以紫色洋葱鳞茎表皮为材料观察植物细胞质壁分离现象,下列叙述错误的是 ( )
A.在发生质壁分离的细胞中能观察到紫色中央液泡逐渐缩小
B.滴加30%的蔗糖溶液比10%蔗糖溶液引起细胞质壁分离所需时间短
C.发生质壁分离的细胞放入清水中又复原,说明细胞保持活性
D.用高浓度的NaCl溶液代替蔗糖溶液不能引起细胞质壁分离
D
为研究植物a能不能移植到b地生长,某生物学研究性学习小组设计了一测定植物a细胞液浓度的实验方案,实验结果如下表:
他们又测定了b地土壤溶液浓度。为保证植物a移植后能正常生存,该地土壤溶液的浓度应( )
A.≥0.2 B.≤0.2 C.≥0.3 D.<0.2
D
下列现象属于渗透作用的是( )
①水分子通过植物细胞的细胞壁 ②水分子或其他溶剂分子通过细胞膜 ③蔗糖分子通过细胞壁 ④水分子或其他溶剂分子通过液泡膜 ⑤水分子或其他溶剂分子通过原生质层 ⑥干大豆种子泡在清水中逐渐胀大 ⑦暑天新鲜蔬菜在空气中萎蔫
A.①②③ B.③④⑤
C.②④⑤ D.①③⑤
C
二、物质跨膜运输的其他实例
不同
不同
选择性
2.番茄和水稻吸水和吸收无机盐的分析
(1)水稻吸收水的相对速度比吸收Ca2+、Mg2+ 。
(2)番茄吸收水的相对速度比吸收Ca2+、Mg2+ 。
(3)植物吸收水和无机盐是何种关系?
。
大(或快)
小(或慢)
植物吸收水和吸收无机盐是两个相对独立的过程
【变式备选】如图1所示的甲、乙、丙三个渗透装置中,三个漏斗颈的内径相等,漏斗内盛有浓度相同的蔗糖溶液,且漏斗内液面高度相同,漏斗口均封以半透膜,置于同一个水槽的清水中。三个渗透装置的半透膜的面积和所盛蔗糖溶液的体积不同,如表所示。
图2中曲线1、2、3表示漏斗液面高度随时间的变化情况。则曲线1、2、3与甲、乙、丙三个装置的对应关系是( )
A.1—丙;2—甲;3—乙
B.1—乙;2—甲;3—丙
C.1—甲;2—乙;3—丙
D.1—丙;2—乙;3—甲
【解析】选A。根据表格信息,乙的半透膜的面积比甲小,单位时间内渗透的水分子数相对少,漏斗液面高度升高的相对较慢,但最终到达的平衡点甲、乙应该相同,故图2中曲线3代表乙,曲线2代表甲。甲和丙比较,半透膜的面积相同,蔗糖溶液体积丙多于甲,漏斗液面高度丙应该比甲高,曲线1应代表丙。
当外界溶液的浓度低时,红细胞一定会吸水而涨破吗?
当外界溶液的浓度低于红细胞内部的浓度时,红细胞一般会因持续吸水而涨破。
1.(2012·广东)(双选)小杨对4种实验材料的研究及观察记录见下表,正确的是( )
BC
【真题体验】
2. (2011·佛一模,2)紫色洋葱表皮细胞发生质壁
分离后,在显微镜下观察到 ( )
C
排雷 明确显微状态下各细胞结构的位置。
3. (2006·上海卷,32) 将相同的四组马铃薯条分别
浸入四种溶液,一小时后测定薯条质量变化的
百分率,结果如下表。下列叙述中正确的是
溶液 质量变化率
Ⅰ +8%
Ⅱ -6%
Ⅲ -4%
Ⅳ 0%
A.Ⅰ的浓度最低 B.Ⅱ的浓度较Ⅲ低
C.Ⅳ的浓度最高 D.Ⅳ可能是蒸馏水
A
细胞吸水和失水的原理及应用:关注对渗透作用原理的相关实验设计,渗透作用原理的实践应用。
观察植物细胞的质壁分离和复原的实验考查。
二.动物细胞的吸水和失水
水的进出方向——顺相对含量的梯度进出动物细胞的
三.植物细胞的吸水与失水情况
植物细胞内的液体环境主要是指____________
液泡中的细胞液
科学探究步骤
提出问题
作出假设
设计实验
进行实验
分析结果
表达与交流
(原生质层是一层半透膜吗?)
(原生质层相当于一层半透膜)
(设计方案、预期结果…)
(按预定方案进行实验)
(分析实验结果,得出结论:……)
(总结,写实验报告并适当交流)
植物细胞的吸水和失水
植物细胞的质壁分离及复原现象:
正常情况下的细胞
滴加蔗糖溶液后的细胞
四.物质跨膜运输的其他实例
⑴同一种植物对________的吸收有差异,不同植物对________的吸收也有差异,说明植物细胞膜对无机盐离子的吸收具有___。 ⑵水稻吸收水的相对速率比吸收Ca2+、Mg2+的_,造成培养液中Ca2+、Mg2+浓度__;番茄吸收水的相对速率比吸收Si4+的_,造成培养液中Si4+浓度__。
同一种无机盐离子
不同种无机盐离子
选择性
大
上升
大
上升
2.微生物吸收无机盐离子的特点 不同微生物对不同无机盐离子的吸收表现出较大的差异: ⑴不同微生物对无机盐离子的吸收有___。 ⑵不同微生物对各种无机盐离子的___不同。
选择性
需要量
突破考点·提炼方法
考点1 对比突破法——三组易混名词辨析
2.K+通过细胞膜属于渗透作用 ( )
[判一判]
1.扩散作用和渗透作用的关系 物质从高浓度区域向低浓度区域的运动称为扩散作用。渗透作用是一种特殊方式的扩散,它是指水分子或其他溶剂分子通过半透膜(或选择透过性膜)进行的扩散。
考点剖析
1.渗透作用的发生需要依赖半透膜和膜两侧的浓度差( )
×
√
C
排雷 明确两种膜的本质区别——是否具有选择性;
共性——允许水分子通过,大分子都不能通过。
2.关于选择透过性膜与半透膜的关系,正确的说法是 ( ) ①具有半透性必然具有选择透过性 ②具有选择透过性必然具有半透性 ③活的生物膜才具有选择透过性 ④只有活的生物膜才具有半透性 A.①③ B.①④ C.②③ D.②④
2.半透膜和选择透过性膜的关系 ①半透膜是指小分子物质能通过,而大分子物质不能通过的膜。半透膜不一定是活的生物膜。如玻璃纸即为没有活性的半透膜。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是否吸收选择性。细胞死亡或膜载体蛋白失活后,其选择透过性丧失。活的生物膜不仅具有半透性,还具有选择透过性。
考点剖析
共性:都允许水分子自由通过,而不允许大分子物质通过。
3.原生质层和原生质体的关系
⑴原生质层是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。
⑵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,常作为植物细胞融合的材料。
1.下列现象属于渗透作用的是 ( ) ①水分子通过植物细胞的细胞壁 ②水分子或其他溶剂分子通过细胞膜 ③蔗糖分子通过细胞壁 ④水分子或其他溶剂分子通过液泡膜 ⑤水分子或其他溶剂分子通过原生质层 ⑥干大豆种子泡在清水中逐渐胀大 ⑦暑天新鲜蔬菜在空气中萎蔫 A.①②③ B.③④⑤ C.②④⑤ D.①③⑤
变式练习:
C
考点 2 提升实验的分析判断能力——渗透系统和渗透作用
1.渗透系统的组成(如图)及条件
⑴半透膜,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。
⑵半透膜两侧的溶液具有浓度差。浓度差的实质是单位体积溶液中溶质分子数的差,即物质的量浓度之差。
考点剖析
2.比较不同溶液浓度大小
3.探究物质能否通过半透膜(以碘和淀粉为例)
4.图1表示物质扩散的图解,图2是设计证明图1物质扩散成立的实验装置。下列有关叙述正确的是( )
A.图甲中水柱a将持续上升
B.图甲中水柱a将先上升后下降
C.图乙中水柱b将持续上升
D.图乙中水柱b将先上升后下降
【解析】 由于淀粉不能透过半透膜,故水柱a表现为先上
升,后保持不变;葡萄糖能透过半透膜,水柱b表现为先上升,后由于葡萄糖透过半透膜进入清水中,水柱b将下降。
(2011·天津卷,2) 将紫色洋葱鳞片叶表皮浸润在0.3g/mL的蔗糖溶液中,1分钟后进行显微观察,结果见右图。下列叙述错误的是( )
A
A.图中L是细胞壁,M是液泡,
N是细胞质B.将视野中的细胞浸润在清水中,
原生质体会逐渐复原C.实验说明细胞膜与细胞壁在物质
透过性上存在显著差异D.洋葱根尖分生区细胞不宜作为该实验
的实验材料
考点 3 观察类实验技能提升
——观察植物细胞的质壁分离及复原
考点剖析
1.实验原理
成熟的植物细胞构成渗透系统可发生渗透作用。
当细胞液浓度<外界溶液浓度时,失水,质壁分离; 当细胞液浓度>外界溶液浓度时,吸水,质壁分离复原。
注意 ①分生区细胞和干种子细胞因无大液泡,不能发生渗透作用,无质壁分离和复原现象。 ②植物细胞有细胞壁的存在,不管失水还是吸水,细胞体积变化不大。但动物细胞体积会发生明显变化。
⑴原因
2.质壁分离的原因分析
⑵表现
宏观:坚挺→萎蔫 烧苗
液泡:大→小
微观 细胞液颜色:浅→深
原生质层:与细胞壁分离
果是双向水分子运动的差别所导致的现象。 ⑶质壁分离后在细胞壁和细胞膜之间充满的是浓度降低的外界溶液,因细胞壁是全透性且有水分子通过原生质层渗出来。 ⑷若用50%蔗糖溶液做实验,能发生质壁分离但不能复原,因为细胞过度失水而死亡。 ⑸若用尿素、乙二醇、KNO3、NaCl做实验会出现自动复原现象,因外界物质会转移到细胞内而引起细胞液浓度升高。
特别提醒 ⑴实验成功的关键 实验成功的关键是实验材料的选择,必须选择有大液泡并有颜色的植物细胞,便于在显微镜下观察。 ⑵质壁分离和质壁分离复原中水分子移动是双向的,结
1. (2006·江苏卷,11) 将一植物细胞放入KNO3溶液中,
一段时间后发生了质壁分离,下列说法不正确的是
A.此细胞是活细胞
B.原生质层具有选择透过性
C.发生质壁分离的细胞一段时间后可自动
质壁分离复原
D.原生质层两侧溶液存在浓度差,KN03溶液浓度
低于细胞液浓度
D
变式练习:
2.将新鲜的苔藓植物叶片放入有少量红墨水、含量为30%的蔗糖溶液中,在显微镜下观察,你会看到细胞的状态如图所示,此时部位①②的颜色分别是 ( ) A.①无色 ②绿色 B.①红色 ②绿色 C.①红色 ②无色 D.①红色 ②红色
解析 细胞壁具有全透性,红墨水将透过细胞壁到达①处;②细胞质基质中有叶绿体故呈绿色。
B
3.质壁分离实验的拓展应用
(见练习册P32)
(2)测定细胞液浓度范围
(1)判断成熟植物细胞是否有生物活性
能使50%的细胞发生质壁分离的溶液浓度即为细胞液浓度。
利用渗透作用实验原理可以测定细胞液浓度的大概范围。将细胞液相同的某种植物细胞(如下图所示),置于不同溶液的蔗糖溶液中,出现a~d四种细胞状态,则细胞液浓度最精确的范围是下列哪两个细胞之间? A c~d B a~c C a~d D d~c
C
(3)比较不同植物细胞的细胞液浓度
(4)鉴别不同种类
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