第四章　细胞的物质输入和输出
复习
一、细胞的吸水和失水
二、物质跨膜运输的其他实例
三、物质跨膜运输的方式
（教师资源·备选题库）
1.（2013年浙江五校联考）为研究甲地某植物能不能移植到乙地生长，某生物学研究性学习小组设计了一个测定该植物细胞液浓度的实验方案，实验结果如下表：

他们又测定了乙地土壤溶液浓度，发现乙地土壤溶液的浓度适合该植物生长，则乙地土壤溶液的浓度最可能是（　　）
A.≥0.2　　　　　　 B.≤0.2
C.<0.2 D.0.15<土壤溶液<0.3
解析：由表格信息知：该植物细胞液浓度为0.2 mol/L，该植物要能在乙地生长，则必须保证能正常吸水，即土壤溶液浓度小于细胞液浓度。
答案：C
2.（2010年高考广东卷）如图是植物根从土壤中吸收某矿质离子示意图。据图判断，该离子跨膜进入根毛细胞的方式为（　　）
A.自由扩散　　　　 B.协助扩散
C.主动运输 D.被动运输
解析：分析该物质跨膜运输的示意图可知，该矿质离子的跨膜运输是由低浓度到高浓度，不仅需要载体蛋白的协助，还需要消耗能量，故为主动运输。
答案：C
3.（2010年高考天津卷）下列关于物质跨膜运输的叙述，错误的是 （　　）
A.主动运输过程中，需要载体蛋白协助和ATP提供能量
B.在静息状态下，神经细胞不再进行葡萄糖的跨膜运输
C.质壁分离过程中，水分子外流导致细胞内渗透压升高
D.抗体分泌过程中，囊泡膜经融合成为细胞膜的一部分
解析：无论是静息状态，还是兴奋状态，神经细胞都要不断地从细胞外吸收葡萄糖，以保证细胞内能源物质的充足供应。主动运输是既需载体协助又消耗ATP的物质跨膜运输过程。质壁分离过程中，水分子的外流导致细胞内液浓度升高，进而使渗透压升高。抗体分泌过程中，囊泡膜与细胞膜融合成为细胞膜的一部分，进而将大分子的抗体排到细胞外。
答案：B
4.用完全培养液在两个相同的容器内分别培养水稻和番茄苗，假设两植物的吸水速率相同，一段时间后，测定培养液中各种离子与实验开始时各种离子浓度之比如图所示：
该实验的结果不能说明 （　　）
A.水稻吸收水的相对速率比吸收Ca2＋、Mg2＋的大
B.与番茄相比，水稻对Si4＋需要量大，对Ca2＋需要量小
C.不同植物根尖细胞膜上载体蛋白的种类和数量是不同的
D.植物对各种离子的吸收速率与溶液中的离子浓度有关
解析：培养水稻的溶液中，实验后Ca2＋、Mg2＋与实验前的比值大于1，说明Ca2＋、Mg2＋浓度增大，即吸收水多于吸收Ca2＋、Mg2＋的量。水稻吸收的Si4＋多，对Ca2＋、Mg2＋吸收量少，而番茄吸收的Ca2＋和Mg2＋较多，对Si4＋吸收量少。这体现了植物对无机盐离子的吸收具有选择性，其原因在于不同植物根尖细胞膜上载体蛋白的种类和数量是不同的。图中并不能看出植物体对各种离子的吸收速率与溶液中的离子浓度有关。
答案：D
5.（2013年肇庆模拟）生物膜系统在细胞的生命活动中起着重要的作用。请回答：
（1）通过有关方法，测得多种膜的化学成分，如下表：

依据上表数据，请分析构成细胞膜与细胞器膜的化学物质组成上的异同点是：____________________________________。
（2）下列各图表示在一定范围内细胞膜外物质进入细胞膜内的三种不同情况。

依据上图指出A、B、C中表示被动的物质运输方式是　　　　。上述三种运输方式中，哪一种加入呼吸抑制剂后曲线会发生变化　　　　。原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
解析：（1）从表格中比较分析可以看出，细胞膜和细胞器膜的组成成分中都有脂质和蛋白质。但是细胞器（线粒体和叶绿体）膜都没有糖类，蛋白质的比例比较高。（2）图中显示的物质进出细胞的方式属于被动运输方式的是A和B，C属于主动运输的方式，与载体和能量有关。
答案：（1）都有脂质和蛋白质；细胞器膜没有糖类，并且蛋白质比例较高　（2）A和B　C　主动运输需要细胞呼吸提供能量
考点一　物质跨膜运输的方式及影响因素
1.物质跨膜方式图解
2.物质进出细胞的方式
（1）小分子和离子的跨膜运输
（2）大分子和颗粒性物质进出细胞的方式
3.影响物质跨膜运输的因素
（1）物质浓度（一定范围内）
（2）氧气浓度
（3）温度
［特别提醒］
（1）在一定浓度范围内，协助扩散或主动运输速率不再随物质浓度的增大而加快时，主要是因为细胞膜上运输该物质的载体蛋白的数量有限。主动运输还可能受细胞内能量供应的限制。
（2）O2浓度是通过影响细胞呼吸产生能量的多少来影响主动运输速率的。
（3）同一种物质进出不同细胞时，运输方式可能不同，如红细胞吸收葡萄糖为协助扩散，小肠细胞吸收葡萄糖则是主动运输。
（4）RNA和蛋白质等大分子物质进出细胞核，是通过核孔，而不是胞吞、胞吐。
（5）Na＋、K＋等无机盐离子一般以主动运输进出细胞，但也可以通过协助扩散或离子通道进出细胞。
1.（2010年高考山东卷）如图中曲线a、b表示物质跨（穿）膜运输的两种方式，下列表述正确的是 （　　）

A.脂溶性小分子物质不能通过方式a运输
B.与方式a有关的载体蛋白覆盖于细胞膜表面
C.方式b的最大转运速率与载体蛋白数量有关
D.抑制细胞呼吸对方式a和b的转运速率均有影响
解析：据图分析，曲线a表示被转运分子的转运速率与浓度成正比，符合自由扩散的特点。曲线b表示在被转运分子的浓度较低时，随着浓度提高，转运速率增加，浓度较高时出现饱和现象，符合协助扩散和主动运输的特点（受载体数量限制）。A项中，脂溶性小分子的跨膜运输方式是自由扩散；B项中，自由扩散与细胞膜表面的载体蛋白无关；D项中抑制细胞呼吸，停止能量供给，影响主动运输，但对自由扩散和协助扩散无影响。
答案：C
考点二　生物膜选择透过性
1.实例
3.实验验证
4.根对离子吸收的曲线模型
（1）氧分压与根吸收离子速率的关系（见下图）

①AB段表示在一定范围内，根吸收离子的速率随氧分压的升高而加快。
②BC段表示当氧分压增大到一定值时，根吸收离子的速率不再随氧分压升高而加快，这是由于根吸收离子还与根细胞膜上载体的数量有关。
（2）根吸收离子与溶液中离子浓度的关系（见下图）

①曲线AB段表示在一定离子浓度范围内，根吸收离子的速率随离子浓度的增大而加快。
②曲线BC段表示当离子浓度增大到一定数值时，根的吸收速率不再增加，这是由根细胞膜上载体的数量决定的。
③曲线CD段表示当离子浓度过高时，将会使根细胞失水，从而影响根细胞正常的代谢活动，使离子吸收速率下降。
［知识拓展］
植物对水分和离子吸收的关系相对独立
（1）区别
（2）联系
①矿质元素必须溶解在水中呈离子状态，才能被细胞吸收。
②吸收矿质元素离子的多少可以调节细胞液的浓度，影响对水分的吸收。
③矿质元素离子被吸收后随水分在导管中运输，蒸腾作用在促进水分运输的同时也促进矿质元素离子的运输。
2.科学家在研究钠离子通过细胞膜的运输方式时，做了下述实验：先向枪乌贼神经纤维里注入微量的放射性同位素24Na＋，不久可测得神经纤维周围溶液中存在24Na＋。如果在神经纤维膜外溶液中先后加入某药物和ATP，测得神经纤维周围溶液中24Na＋的量如下图所示。请回答：
（1）据实验过程及图示，某药物对钠离子通过细胞膜的影响是　　　　。而ATP对此过程的影响是_________________________。
（2）实验说明神经纤维排出24Na＋需要　　　　，24Na＋通过细胞膜的方式是__________________________________________。
（3）若将图中纵坐标改为“细胞中24Na＋的量”（其他实验条件不变），在图中画出相应的曲线以表示细胞中24Na＋的量的变化（注入神经纤维中24Na＋的总量为2.2）。
（4）葡萄糖分子既能以自由扩散方式，又能以协助扩散方式跨膜运转，这两种方式的共同特点是____________________________；
葡萄糖协助扩散的速率比自由扩散的高105倍，这是因为协助扩散有　　　　。
解析：从图中看出该药物会阻止24Na＋的运输，可能是抑制细胞呼吸的能量供应或载体活性，但添加ATP后又恢复，说明其抑制的是细胞呼吸，实验证明24Na＋的吸收消耗能量，属主动运输；若将纵坐标改为细胞中24Na＋的量，其相应的曲线变化应与溶液中的曲线趋势相反；自由扩散与协助扩散方式的共同点是顺浓度梯度，不消耗能量，协助扩散比自由扩散快的原因是协助扩散有载体蛋白的协助。
答案：（1）该药物会阻止24Na＋通过细胞膜　ATP可以解除药物的抑制作用　（2）消耗ATP　主动运输

（3）见图：

（4）顺浓度梯度扩散、不消耗能量　载体蛋白的协助
一、通过模拟实验探究膜的透性
1.渗透系统的组成与探究
（1）渗透系统
①组成：一个完整的渗透系统，由两个溶液体系（S1和S2）以及在两者中间的半透膜组成。
②发生渗透作用的条件：一是具有半透膜，二是半透膜两侧溶液具有浓度差。
③水分的流动判断：当溶液浓度S1＞S2时，水分就通过半透膜由S2流向S1；当溶液浓度S1＜S2时，水分就通过半透膜由S1流向S2；当溶液S1＝S2时，则处于动态平衡状态。
［特别提醒］
当渗透装置达到平衡后，虽然存在液面差△h，但是S1溶液浓度仍不等于S2溶液浓度，且△h的高低决定于起始S1与S2的浓度差。
（2）渗透系统组成的实验探究
［特别提醒］
渗透作用的发生特点
（1）水分子总是由溶液浓度低的部位向浓度高的部位渗透。
（2）半透膜两侧溶液浓度差是渗透作用发生的动力，既决定着渗透的方向，又决定着渗透的速度，即浓度差越大，渗透越快。
2.探究物质能否通过半透膜（以碘和淀粉为例）
3.一U形管中装有两种不同的溶液R和S，并被一半透膜（X）隔开。与S相比，R溶液浓度较低。图1中阴影的深浅即代表浓度高低。当U形管内达到平衡时，溶液表面与浓度的关系是（答题时参看图2）（　　）
图2
A.右侧较高，两溶液浓度相等
B.右侧较高，且右侧浓度较高
C.左侧较高，且右侧浓度较低
D.两侧高度相等，浓度相等
解析：由于R浓度低于S，因此开始时水由R→S扩散，使S液面升高。随扩散的进行，R的渗透压增大，S的渗透压减小，液面差使S侧相对于R侧又产生了一个静水压，其中S侧的渗透压是使R侧水向S侧渗透的动力，而R侧的渗透压及S侧产生的静水压则是阻止水由R→S扩散的阻力，当S渗＝R渗＋静水压时，两溶液达到渗透平衡，但此时，S侧不仅液面高且浓度也较高。
答案：B
二、洋葱表皮细胞的质壁分离及复原
1.植物细胞质壁分离及质壁分离复原的原理
2.植物细胞质壁分离及质壁分离复原实验材料选择
新鲜紫色洋葱鳞茎外表皮是进行此项实验的较理想材料。它既容易被剥离而制成临时装片，又很容易在显微镜下观察。实践证明：质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液很容易使洋葱鳞茎外表皮细胞发生质壁分离，短时间内对细胞的伤害很小；而清水又可使质壁分离得到复原。
3.实验步骤
4.实验结论：成熟的植物细胞能与外界溶液发生渗透作用；当外界溶液浓度＞细胞液浓度时，细胞失水，发生质壁分离；当外界溶液浓度＜细胞液浓度时，细胞吸水，发生质壁分离复原。
［特别提醒］
（1）实验对象：同一个成熟的植物细胞。
（2）在这一实验中有两次对照，具体分析如下：
（3）植物细胞发生质壁分离的原因及表现
5.细胞是否发生质壁分离及其复原的判断方法
（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，不适于作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。
6.植物细胞质壁分离实验的应用
（1）证明细胞的死活：此实验中，细胞始终是活的，死细胞不能发生质壁分离和复原。
（2）测定细胞液的浓度：梯度浓度法。即撕取数片紫色洋葱鳞片叶表皮，分别放入不同浓度的蔗糖溶液中，则细胞液浓度介于细胞尚未发生质壁分离和最初发生质壁分离的两种相邻的溶液之间。
（3）验证原生质层和细胞壁伸缩性大小
设计思路：成熟植物细胞＋一定浓度的蔗糖溶液→镜检。
发生质壁分离现象：细胞壁伸缩性小于原生质层伸缩性。
不发生质壁分离现象：细胞壁伸缩性大于或等于原生质层伸缩性。
（4）鉴定不同种类的溶液（如一定浓度的KNO3和蔗糖溶液）
设计思路：成熟的植物细胞＋不同种类溶液。
只发生质壁分离现象→溶质不能通过半透膜的溶液（如蔗糖溶液）；
质壁分离后自动复原→溶质能通过半透膜的溶液（如KNO3溶液）。
（5）比较不同植物细胞的细胞液浓度
不同植物细胞＋放在同一浓度的蔗糖溶液，镜检刚发生质壁分离时所需时间，比较判断质壁分离速度，速度越大植物细胞细胞液浓度越小。
（6）比较未知浓度溶液的浓度大小
把同一植物的成熟细胞放在未知浓度的溶液中，镜检刚刚发生质壁分离所需时间，比较所用时间。
4.回答下列与细胞有关的实验问题。
（1）下列4项实验中，需保持细胞生理活性的有　　　　（填序号）。
①观察叶绿体和原生质的流动
②观察洋葱鳞片叶内表皮细胞中DNA的分布
③探究酵母菌的呼吸方式
④红细胞中血红蛋白的提取和分离
（2）按下面步骤进行质壁分离实验。
步骤一：在洁净的载玻片中央加一滴清水，取一片藓类小叶，盖上盖玻片。
步骤二：从盖玻片一侧滴入0.3 g/mL的蔗糖溶液，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引。这样重复几次，使盖玻片下面的藓类小叶浸润在0.3 g/mL的蔗糖溶液中。
步骤三：在显微镜下观察，结果如图所示。

①图中A、B处的颜色分别是_______________________________
　　　　　　　　　　　。
②如果上述实验步骤二中从盖玻片的一侧滴入的是加有伊红（植物细胞不吸收的红色染料）的0.3 g/mL的蔗糖溶液，则在显微镜下观察到A、B处颜色分别是______________________________。
③如果将步骤二中浸润在0.3 g/mL的蔗糖溶液中的藓类小叶的装片，放在80 ℃条件下处理一段时间（装片中的藓类小叶保持在0.3 g/mL的蔗糖溶液中）。在显微镜下清晰地观察到细胞结构后，为更准确地判断A处颜色，对显微镜的操作方法是　　　　、　　　　。如果A处呈绿色，可能的原因是__________________________________
______________________________________________________。
解析：（1）①③细胞需保持活性，否则叶绿体和原生质不会流动，酵母菌也不会呼吸，②④在操作过程中皆会杀死细胞，不需要保持细胞活性。（2）细胞壁是全透性的，A处是蔗糖溶液呈无色，B处是叶绿体，含叶绿素，呈绿色。为更准确地判断A处颜色，对显微镜的操作方法应是改变光圈大小，调节反光镜；由于80 ℃环境中细胞膜、叶绿体膜会变性失活，失去选择透过性，叶绿素穿过叶绿体膜、细胞膜进入A处。
答案：（1）①③　（2）①无色、绿色　②红色、绿色　③改变光圈大小　调节反光镜（电光源亮度）　高温下细胞膜、叶绿体膜均失去选择透过性，叶绿素等色素进入A处
类型一　渗透作用的应用
［例1］　（2013年琼海模拟）某同学在实验室中做“观察洋葱表皮细胞的质壁分离和复原”实验时，在老师的帮助下，进行了一系列的创新实验，实验步骤和现象如下表：
对上表的推断或解释不正确的是（　　）
A.x为质壁分离，因为细胞壁伸缩性弱于原生质层
B.y为质壁分离，可能导致细胞失水过多而死亡
C.z为细胞稍增大，细胞液颜色逐渐变浅
D.④组细胞大小无变化是因为细胞吸水量等于失水量
［听课记录］　由于细胞壁伸缩性弱于原生质层，植物细胞在高浓度蔗糖溶液中发生质壁分离，但如果蔗糖溶液浓度过高（如0.5 g·mL－1），可能导致植物细胞失水过多死亡，A、B正确；在1 mol·L－1KNO3溶液中，细胞先发生质壁分离，后来细胞吸收K＋和NO使细胞液浓度升高而发生自动复原，再滴加清水，细胞会吸水，体积稍增大，C正确；在1 mol·L－1醋酸溶液中，植物细胞也会发生质壁分离，D错误。
［答案］　D
类型二　影响物质跨膜运输的因素分析
［例2］（2013年三明模拟）图中曲线a、b表示分子跨膜运输速率与O2浓度的关系，下列分析不正确的是（　　）
A.曲线a代表被动运输，曲线b代表主动运输
B.曲线a代表的分子跨膜运输一定不需要载体蛋白
C.曲线b转运速率达到饱和的原因是细胞膜上载体蛋白数量有限
D.温度可影响生物膜的流动性从而对曲线a、b的转运速率均有影响
［听课记录］　O2与细胞呼吸有关，细胞呼吸产生能量，即主动运输的运输速率与O2浓度有关。协助扩散和主动运输均需要载体蛋白。由图判断曲线a代表被动运输，曲线b代表主动运输。被动运输包括自由扩散和协助扩散，协助扩散需要载体蛋白。物质运输与膜的流动性有关，膜的流动性的速率与温度有关。
［答案］　B
类型三　渗透作用的实验分析
［例3］　为探究膜的透性，设计了如图所示的实验装置，其中E、F、G为用猪膀胱制成的小袋，内盛有溶液甲或溶液乙，上端分别接上口径相同的小玻璃管，起初3支小玻璃管内的液面高度相同，已知体积VG＞VE＝VF，甲、乙、丙三种溶液分别为质量浓度为0.2 g/mL、0.1 g/mL、0.3 g/mL的蔗糖溶液。
（1）几分钟后，3支小玻璃管中的现象是_____________________
___________________________________________________。
（2）对比分析e、f小玻璃管中的现象可见，实验的自变量是______________________________________。
（3）该实验说明__________________________________________
______________________________________________________。
（4）若将两组这样的装置，一组放于37 ℃的恒温箱中，一组放于0 ℃的恒温箱中，几分钟后观察，可见两装置中e玻璃管中的现象是___________________________________________________________，说明____________________________________________。
［听课记录］　（1）由于溶液丙浓度最大，所以E、F、G均渗透失水，液面下降。E、F相比，E中溶液浓度为0.2 g/mL，F中溶液浓度为0.1 g/mL，E与外界溶液浓度差较小，失水较少，因而e管下降程度小于f管。F、G相比，G表面积大，失水多，因而g管下降程度大于f管。因此液面下降程度为g管>f管>e管。
（2）e、f管中由于溶液浓度的不同造成液面下降程度不同，自变量是溶液浓度。
（3）该实验证明了水分子由低浓度一侧向高浓度一侧扩散，膜两侧浓度差越大扩散速度越快。
（4）在一定范围内，温度越高，物质跨膜运输的速率越快，因此在37 ℃时e玻璃管下降程度较0 ℃时大。
［答案］　（1）液面都下降，下降程度g管>f管>e管
（2）溶液浓度　（3）水分能通过半透膜从浓度低的一侧向浓度高的一侧扩散，浓度差越大扩散速度越快　（4）两装置中e玻璃管的液面都下降，放于37 ℃恒温箱中的较放于0 ℃恒温箱中的下降程度大　温度影响物质跨膜运输的速率
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