物质跨膜运输的方式

第3节物质跨膜运输的方式●从容说课生物膜是一种选择透过性膜，它的选择性是与其结构密切相关的，那生物膜的这种选择性功能是如何实现的呢？则在这一节中来阐述.主要介绍两大块内容，一是小分子或离子进出细胞膜的方式，包括自由扩散、协助扩散、主动运输，要求学生理解这三种方式的相同点和不同点，主要从膜两侧的浓度差、是否需要载体、是否需要消耗能量、代表的例子等方面来进行对比.二是大分子物质进出细胞的方式，包括胞吞和胞吐，这部分内容和前面所学的“分泌蛋白的合成和运输”有关联的地方，同时这又是对生物膜具有流动性的一个很好的佐证，老师要引导学生将知识融会贯通.本节教材中的“问题探讨”设置很好，有启发性和思考性，通过对比不同物质通过不含蛋白质的人工脂双层的实验结果，引导学生思考为什么葡萄糖不能通过脂双层，而小肠上皮细胞不仅能吸收水，还能大量吸收葡萄糖，很自然地引出后面的协助扩散和主动运输.值得注意的是，“问题探讨”并未将所有该提的问题和盘托出，而是鼓励学生自己提出问题.比如，学生可能会问：“钠离子、钾离子也不能通过脂双层，但是却能够被细胞吸收，这是为什么？”也为后面讲述主动运输埋下了伏笔，同时也培养了提出问题的能力.本节内容属于原理性的内容，但学生并不难掌握，通过自学课本，结合老师的动画课件演示，学生还是能很容易比较出三种方式的异同的.但是学生应用这些基本知识解决实际问题习题时，可能会有一定难度.所以建议采用“先学后教，当堂训练”的教学方法能取得较好的教学效果，老师先引导学生自学并总结对比三种跨膜运输的方式之异同，然后老师稍做点拨，最后精选一些习题让学生当堂训练.在精选的习题中，可以突出一些对坐标图表分析的题型，因为新教材越来越强调解读数学坐标图表的能力，并要求学生能用坐标图表来表达一些结论.本节内容在对坐标图表分析上有较好教学价值.●三维目标1.知识与技能（1）举例说明物质跨膜运输方式的类型及特点.（2）说出被动运输与主动运输方式的异同点.（3）阐述主动运输对细胞生活的意义.（4）正确解读坐标数据图表.2.过程与方法（1）运用类比和对比的方法进行学习，抓住关键，掌握本质.（2）运用表格的方式进行总结，简洁明了.3.情感态度与价值观本节情感态度与价值观的教学价值方面不太明显，主要强调积极思考，主动自觉.●教学重点1.小分子和离子跨膜运输的方式：自由扩散、协助扩散和主动运输.2.大分子跨膜运输的方式：胞吞和胞吐.●教学难点主动运输.●教具准备自由扩散、协助扩散、主动运输、胞吞、胞吐五种跨膜运输方式的多媒体演示课件●课时安排1课时●教学过程［课前准备］（1）用于指导学生对比学习三种运输方式的表格.（2）自由扩散、协助扩散、主动运输、胞吞、胞吐五种跨膜运输方式的多媒体演示课件.（3）精选一些相关的习题，用于当堂训练.［情境创设］前面我们讲到生物膜是半透膜，有的分子可以通过而有的分子和离子则不能通过，下面我们看看图4－3－1：图4－3－1教师：首先大家仔细观察，这张图所反映的膜是不是生物膜？为什么？学生：不是生物膜，它只有磷脂双分子层，中间没有镶嵌蛋白质.教师：很好，观察很准确.这是人工合成的没有蛋白质的脂双层膜.研究它的通透性.大家看什么分子能通过人工合成的脂双层？什么分子不能通过人工合成的脂双层？学生：氧气、二氧化碳、氮气、水等小分子很容易通过合成的脂双层；苯、甘油、乙醇等脂溶性的分子也可以通过；氨基酸、葡萄糖等较大的有机分子和带电荷的离子则不能通过合成的脂双层.教师：很好，大家发现葡萄糖分子不能自由通过人工合成的无蛋白质的脂双层，但我们又知道细胞生命活动中是离不开葡萄糖的，细胞需要不断补充葡萄糖以提供能量，也就是说葡萄糖肯定是可以通过细胞膜进到细胞内部的.那这又该如何解释呢？学生：因为人工脂双层中是没有蛋白质的，会不会是蛋白质对葡萄糖等物质的运输起了作用呢？教师：想得很好，大家看这个图还能发现什么问题？学生：前面我们讲了水稻、番茄会有选择地吸收离子，而这个图中显示离子是不能通过脂双层的，会不会离子的吸收也与蛋白质有关？教师：很好，大家开始具备一些分析问题的能力了.其实蛋白质在物质的跨膜运输中起了十分重要的作用.那下面我们就一起来学习物质跨膜运输的方式.［师生互动］1.小分子或离子的跨膜运输教师：这部分内容不难，要求大家先进行自学，首先大家看物质的跨膜运输有几种方式？学生：两大类三种：被动运输（自由扩散、协助扩散）和主动运输.教师：那这几种方式有什么异同呢？我们如何来区分它们？希望大家能通过自学总结出来.大家可以结合这个表格来总结：项目自由扩散协助扩散主动运输细胞膜两侧物质浓度差是否需要载体蛋白学生活动：阅读课本按表格进行总结.（约给学生十分钟时间）在老师的引导下完成表格.老师展示自由扩散、协助扩散和主动运输三种跨膜运输的多媒体动画.（动画演示之前要交代清楚背景知识，如什么图形代表什么物质，哪边是细胞膜内侧，哪边是细胞膜外侧等，教师：自由扩散和协助扩散需要消耗能量吗？为什么？学生：自由扩散和协助扩散都不需要消耗细胞代谢产生的能量.因为二者都是顺物质的浓度梯度进行的.教师：自由扩散和协助扩散有什么异同？学生：自由扩散与协助扩散的共同之处是都是顺着物质的浓度梯度进行的，都不需要细胞消耗能量.不同之处是：前者不需要蛋白质的协助，后者必须有蛋白质的协助才能实现.因为有蛋白质的协助，协助扩散的速度远远比自由扩散快.教师：为什么自由扩散和协助扩散被称为被动运输？学生：因为自由扩散和协助扩散都是顺物质的浓度梯度进行的，不需要细胞消耗能量，所以统称为被动运输.教师：主动运输与被动运输的区别是什么？这对于细胞的生活有什么意义？学生：最大的区别是是否消耗能量.主动运输普遍存在于动植物和微生物细胞中，保证了活细胞能按照生命活动的需要，主动选择吸收所需要的营养物质，主动排出代谢废物和对细胞有害的物质.2.大分子的跨膜运输载体蛋白虽能帮助许多离子和小的分子通过细胞膜，但对于一些像蛋白质这样的大分子的运输是无能为力的，那这些特别大的分子是如何进出细胞的呢？我们来回忆一下我们以前讲的分泌蛋白是如何运输的.学生：通过高尔基体形成小囊泡将分泌蛋白包住，然后小囊泡移动到细胞膜处，与细胞膜融合，将蛋白质分泌出去.教师：很好，其实大家已经知道了大分子的蛋白质是如何排出的，就是通过这种方式，叫做胞吐.那大家知道白细胞是如何吃掉病菌的吗？学生：通过细胞膜内陷形成小囊泡包住细菌，然后囊泡从细胞膜上脱离出来，在细胞内杀死细菌.教师：对了，这其实也就是大分子物质进入细胞膜的方式，叫胞吞.［教师精讲］1.小分子或离子的跨膜运输（1）自由扩散一滴蓝墨水滴到清水中，很快就会分散到清水中，使清水呈现蓝色，这就是扩散.水分子和脂溶性的小分子物质按照一般扩散作用的原理从分子密度高的地方向分子密度低的地方运动，能够自由通过细胞膜，这种方式称为自由扩散.前面我们所讲的渗透作用水分子的移动也就是自由扩散.脂溶性小分子和不带电的极性小分子顺浓度梯度扩散通过质膜的过程，不需要特殊的膜装置协助，也不直接消耗A TP，是自由扩散，属于被动运输.扩散是有方向的，总是从高浓度向低浓度的方向发生物质的转移.自由扩散的动力是物质由高浓度流向低浓度的倾向.例如CO2、O2、N2进出红细胞，取决于血液和肺泡中该气体的浓度差.脂溶性的甾类小分子激素（性激素、肾上腺皮质激素）以及酰胺类、甘油、乙醇等出入细胞是自由扩散.自由扩散的速度基本上取决于分子的大小和油溶度，分子越小，油溶度越大，扩散速度越快.还与分子的大小、溶解性和电性有关.例如，由于膜的基本结构是脂类双分子层，所以疏水性分子较易扩散，而亲水性分子和离子主要是通过膜上小孔进行扩散，这种小孔的直径小于1.0 nm，因此只有不大于1.0 nm的分子才能穿膜扩散.同种分子的扩散速度取决于膜两侧的分子浓度差，浓度差越大，扩散速度越快.用坐标图表示，如图4－3－2.图4－3－2（2）协助扩散一些非脂溶性的物质或水溶性强的物质，依靠细胞膜上镶嵌在脂质双分子层中特殊蛋白质的“帮助”，顺着化学浓度梯度扩散的过程.即将本来不能或极难进行的跨膜扩散变得容易进行，所以叫做协助扩散.协助扩散也是顺着浓度梯度扩散，也不需要细胞提供代谢能量，但扩散速度确远远大于自由扩散.其物质的运输速度与其浓度差关系可用图4－3－3的坐标图4－3－3图表示.当细胞外侧浓度增加到一定的时候，运输速度不再增加，这是因为受到载体数量的限制.例如，存在于红细胞膜中的葡萄糖透过体已经分离纯化出来，并已查明是一种相对分子质量为45 000的蛋白质.将这种透过体嵌入人工制造的脂双层中，葡萄糖分子就能很快穿过脂双层.大体来说，葡萄糖首先结合到这一透过体的表面，使透过体在构象上发生变化，出现通道，葡萄糖分子就可从这一通道进入细胞之中.如图4－3－4：图4－3－4（3）主动运输主动运输指细胞通过本身的某种耗能过程，将某种物质的分子或离子由膜的低浓度一侧移向高浓度一侧的过程.按照热力学定律，溶液中的分子由低浓度区域向高浓度区域移动，就像举起重物或推物体沿斜坡上移，或使电荷逆电场方向移动一样，必须由外界供给能量.在膜的主动转运中，能量只能由膜或膜所属的细胞来供给，这就是主动的含义.前述的单纯扩散和易化扩散都属于被动转运，其特点是在这样的物质转运过程中，物质分子只能作顺浓度差，即由膜的高浓度一侧向低浓度一侧的净移动，而它所通过的膜并未对该过程提供能量.被动转运时物质移动所需的能量来自高浓度所含的势能（图4－3－5示），因而不需要另外图4－3－5供能.被动转运最终可能达到的平衡点是膜两侧该物质的浓度差为零的情况；如果被动转运的是某种离子，则离子移动除受浓度差的影响外，还受当时电场力的影响，亦即当最终的平衡点达到时，膜两侧的电—化学势的差应为零.主动转运与此不同，由于膜以某种方式提供了能量，物质分子或离子可以逆浓度或逆电—化学势差而移动.体内某种物质分子或离子由膜的低浓度一侧向高浓度一侧移动，结果是高浓度一侧浓度进一步升高，而另一侧该物质愈来愈少，甚至可以全部被转运到另一侧.如小肠上皮细胞吸收某些已消化的营养物；肾小管上皮细胞对小管液中某些“有用”物质进行重吸收，均属此现象.由于此过程在热力学上为耗能过程，不可能在无供能的情况下自动进行，因此如果在生物体内出现这种情况，说明有主动的跨膜转运在进行，必定伴随了能源物质（常常是ATP）的消耗.主动运输因要消耗能量，而能量的产生又与有氧呼吸的耗氧量有关，所以其运输速度与耗氧量有关，用坐标图表示为图4－3－6.图中出现一段平台期同样是因为载体的数量是有限的.图4－3－62.胞吞和胞吐一些大分子或物质团块的转运，是通过胞吞作用和胞吐作用来实现的.①胞吞：胞吞是指物质通过细胞膜的运动，从细胞外进入细胞内的过程.如果进入的是固体物质，称为吞噬；如果是液态物质，称为吞饮.胞吞过程进行时，首先是细胞膜“辨认”环境中的某物质.这一“辨认”过程可能与细胞膜表面存在的特殊受体以及被吞物质所带的电荷和其表面的粗糙程度有关.接着是膜和该物质接触，引起膜的形态和机能的变化.接触处的膜内陷.其周围的膜形成了突出的伪足并包围该物质，然后，伪足相互接触并发生膜的融合和断裂，于是异物和包围它的一部分细胞膜一起内陷而进入细胞内.在胞质内，吞噬物与溶酶体接触后，两膜融合成一体，溶酶体内的水解酶即可将进入的物质进行消化.吞噬现象见于中性粒细胞与巨噬细胞对细菌、异物、组织碎片等的吞噬；吞饮现象见于人体毛细血管、肝、小肠上皮等细胞借以摄取外界蛋白质、脂肪等.②胞吐：胞吐是指物质通过细胞膜的运动，从细胞内排出到细胞外的过程.它是细胞把代谢产物或腺细胞的分泌物排到细胞外的方式.以腺细胞分泌酶原的过程为例，当胞吐作用进行时，腺细胞内的酶原颗粒逐渐向细胞的顶端靠近.最后酶原颗粒外包裹的膜和细胞膜接触并融合，在融合处形成小孔，致使酶原颗粒内容物放出细胞外.胞吞和胞吐作用也都是耗能的主动转运过程.［评价反馈］1.人体组织细胞从组织液中吸收甘油的量主要取决于A.组织液中甘油的浓度B.细胞膜上甘油载体的数量C.细胞的呼吸作用强度D.细胞膜上载体的种类2.海带细胞中碘的浓度比海水中碘的浓度高很多倍，但仍然能吸收碘，原因是A.海带细胞能够通过自由扩散的方式吸收碘B.海带细胞膜上运载碘的载体多，通过协助扩散的方式吸收C.海带细胞膜上运载碘的载体多，通过主动运输方式吸收D.海带细胞不断消耗碘元素，细胞内碘浓度不断降低3.实验表明，K+不能通过磷脂双分子层的人工膜，但如在人工膜中加入少量缬氨霉素（含12个氨基酸的脂溶性抗菌素）时，K+则可以通过膜从高浓度处向低浓度处扩散.这种物质通过膜的方式是A.自由扩散B.协助扩散C.主动运输D.胞饮作用4.下列物质中易通过细胞膜的是A.淀粉B.甘油C.蛋白质D.糖类的曲线.影响5.图4－3－7是胡萝卜在不同的含氧情况下从硝酸钾溶液中吸收K+和NO3A、B两点和B、C两点吸收量不同的因素分别是图4－3－7A.载体数量、能量B.能量、载体数量C.载体数量、离子浓度D.能量、离子浓度6.对细胞膜的选择性起主要作用的物质是A.胆固醇B.多糖C.蛋白质D.磷脂7.图4－3－8为物质出入细胞膜的示意图，请据图回答：图4－3－8①A代表________分子；B代表________；D代表________.②细胞膜从功能上来说，它是一层___________膜.③科学家发现，当温度升高到一定程度时，B的厚度变薄而面积增大，这说明B具有___________.④在a～e的五种过程中，代表被动运输的是___________.⑤可能代表氧气运输过程的是图中编号________；葡萄糖从肠腔进入小肠上皮细胞的过程是图中编号________.⑥细胞膜上与细胞识别、信息传递有密切关系的化学物质是________.8.图4－3－9中纵坐标表示物质通过心肌细胞细胞膜的运输速率.请据图回答：图4－3－9①心肌细胞吸收氧气和葡萄糖的方式依次为________（填序号）.②图B中出现平区的主要原因是___________.③若对心肌细胞施用某种毒素，结果钙离子吸收量明显减少，而钾离子、葡萄糖等物质的吸收量不受影响，其原因是___________.④若用呼吸抑制剂处理心肌细胞，则钙离子、钾离子、葡萄糖等物质的吸收均受到明显影响，其原因是___________.9.科学家在研究钠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的量如图4－3－10所示.图4－3－10由此可见，神经纤维排出24Na需要________，24Na通过细胞膜的方式是________.药物的作用机理是______________________.参考答案：1.A2.C3.B4.B5.B6.C7.蛋白质磷脂分子多糖/糖蛋白/糖被②选择透过性③流动性④b、c、d⑤ b a ⑥糖被/糖蛋白8.①A图和B图②载体蛋白的数量有限③毒素只对钙离子的载体蛋白起抑制作用④主动吸收需要的能量来不及提供9.消耗能量主动运输抑制细胞呼吸从而抵制能量的产生［课堂小结］这节课主要学习了物质的跨膜运输方式，分为两大类：被动运输和主动运输.被动运输包括自由扩散和协助扩散，它们都是顺浓度梯度运输的过程，不需要消耗能量，但协助扩散需要载体蛋白协助.主动运输是逆浓度梯度运输的过程，需要消耗细胞的能量，还需要载体蛋白的协助.［布置作业］完成书本“技能训练”（P73）［课后拓展］细胞膜主动运输功能的实验实验目的：验证和认识细胞主动运输的基本原理，学会研究活细胞生理功能的操作方法.实验原理：细胞主动运输是一种耗能的活性功能.它的运输速度跟环境有关，运用高温明显抑制主动运输的进行，因此，也就能观察到主动运输现象.材料器具：活蝗虫，蟋蟀，蟑螂（蜚蠊）或其他大型昆虫；培养皿或小烧杯，镊子，解剖针，解剖蜡盘，剪刀，载玻片，酒精灯，显微镜；昆虫任氏液，酚红染液.实验步骤：（1）在解剖蜡盘内用大头针固定活蝗虫，腹面向上.剪开腹部，剪去蝗虫的足和翅，沿虫体背面左侧气门上方，由腹部末端向前剪至头部，再从右侧气门上方从腹部末端剪至头部.除去背部的外骨骼、体壁和肌肉，露出其内部器官，在中后肠交界处可以看到有数十条盲管游离在血腔内，这就是昆虫的排泄器官马氏管（见图4-3-11）.小心分离马氏管，沿根部剪断，立即投入不含酚红的任氏液中.图4－3－11（2）在干净载玻片上放上几条马氏管，滴上一滴含有酚红染料的任氏液，放在显微镜下观察，可以看到马氏管管腔内的红色染料逐步积累，并逐渐超过管外的浓度.（3）取几根马氏管，放于60 ℃以上水浴锅中水浴，使马氏管失去活性，再重复步骤2，观察有何不同.（4）在0 ℃、15 ℃、30 ℃等不同温度下水浴数分钟，重复步骤2，观察染料主动吸收的不同速度.注意事项：昆虫马氏管离体一段时间内仍保持活性，这跟环境、温度等条件有关，一般可保持活性一二小时.操作宜快速细心，环境温度以20 ℃左右为宜.酚红染液宜淡，否则难以显示马氏管内浓度高出管外浓度.分析和讨论：活性马氏管有主动运输功能，能逆浓度吸收染料.失活马氏管已成为物理性渗透系统，不具主动运输功能.实验表明主动运输的速度跟环境温度有关.●板书设计第3节物质跨膜运输的方式项目自由扩散协助扩散主动运输细胞膜两侧物质浓度差由高浓度到低浓度由高浓度到低浓度由低浓度到高浓度是否需要载体蛋白不需要需要需要是否消耗细胞内的能量不消耗不消耗需要消耗代表例子氧气、水、二氧化碳、苯等通过细胞膜葡萄糖通过红细胞膜葡萄糖、氨基酸通过小肠上皮细胞膜；离子通过细胞膜二、大分子的跨膜运输方式1.胞吞2.胞吐。