第7讲 物质跨膜运输的实例

第7讲物质跨膜运输的实例、方式

考点1物质跨膜运输的实例1．渗透作用

2．动物细胞的吸水和失水

(1)动物细胞发生渗透作用的条件

(2)现象

①当外界溶液的浓度<细胞质的浓度，细胞吸水膨胀。

②当外界溶液的浓度>细胞质的浓度，细胞失水皱缩。

③当外界溶液的浓度＝细胞质的浓度，细胞形态正常。

3.植物细胞的吸水和失水

原理和现象：

①外界溶液浓度>细胞液浓度时，细胞失水，发生质壁分离现象。

②外界溶液浓度<细胞液浓度时，细胞吸水，发生质壁分离复原现象。

特别提醒

(1)能发生质壁分离的细胞是成熟的含有中央大液泡的植物细胞，并且液泡中有颜色便于观察；动物细胞无细胞壁，不可能发生质壁分离。

(2)由于细胞壁是全透性的，质壁分离时，细胞壁与细胞膜之间充满的是外界溶液。

(3)蔗糖溶液浓度不能过高(如0.5 g/mL)，否则会因为失水过多而死亡。

(4)如果用可穿膜的物质(尿素、脂肪酸、甘油、乙二醇、KNO3等)溶液实验时，会出现质壁分离并自动复原(因为细胞失水质壁分离的同时，会通过自由扩散或主动运输吸收该类物质；当细胞液浓度大于外界溶液时，细胞开始吸水，质壁分离复原)。

(5)细胞液浓度越大，细胞吸水能力越强(细胞随着质壁分离的进

行，吸水能力不断增强)。部分植物为抵抗外界高浓度的不良环境，细胞会通过增加细胞液浓度，从而增加吸水能力。

(6)当植物吸水时，由于外面有细胞壁，不会因吸水而涨破。

拓展辨析

原生质：a.泛指细胞内的全部生命物质，不包括细胞壁；

b.包括细胞膜、细胞质和细胞核三部分，其主要成分为核酸、蛋白质和脂类；

c.动物细胞可以看作一团原生质。

细胞质：指细胞中细胞膜以内、细胞核以外的全部物质。

原生质层：成熟的植物细胞的细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质，可看作一层半透膜。

判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．细胞膜对膜两侧物质的进出具有选择性。(√)

2．植物细胞的原生质层由细胞膜和液泡膜组成。(×)

3．发生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。(√) 4．将动物细胞放入一定浓度的外界溶液中，不能发生渗透作用。(×)

5．质壁分离过程中，细胞液浓度增大，细胞吸水能力减弱。(×)

6．质壁分离过程中，细胞膜与细胞壁之间、细胞膜与液泡膜之间的液体均为外界溶液。(×)

(必修1P60图4－1改编)将人的红细胞放入4 ℃蒸馏水中，一段时间后红细胞破裂，主要原因是(C)

A．红细胞膜具有水溶性

B．红细胞的液泡体积增大

C．蒸馏水大量进入红细胞

D．低温时红细胞膜流动性增大

解析：将人的红细胞放入 4 ℃蒸馏水中，红细胞会因大量蒸馏水进入而破裂；红细胞膜是脂溶性的；人的红细胞没有液泡；因低温时分子运动减慢而导致细胞膜的流动性降低。

常见渗透装置图分析

(1)图1中，若S1溶液的浓度大于S2溶液的浓度，则单位时间内由S2→S1的水分子数多于S1→S2，外观上表现为S1液面上升；若S1溶液的浓度小于S2溶液的浓度，则情况相反，外观上表现为S1液面下降。

(2)在达到渗透平衡后，若存在如图2所示的液面差Δh，则S1溶液的浓度仍大于S2溶液的浓度。因为液面高的一侧形成的压强，会阻止溶剂由低浓度一侧向高浓度一侧扩散。

●考向突破1渗透作用的原理及应用

1．(2020·广西南宁三中高三开学考试)某同学设计的实验如图所示，实验开始时，U形管两侧液面相等，图中半透膜允许单糖通过。据图分析，下列说法错误的是(A)

A．若U形管中加入两种浓度不等的蔗糖溶液，当液面停止上升时，半透膜两侧溶液浓度一定是相等的

B．若U形管中加入两种浓度不等的蔗糖溶液，则实验现象为高浓度一侧的液面上升

C．若U形管中加入两种浓度不等的葡萄糖溶液，则实验现象为高浓度一侧液面先上升，随后另一侧液面上升，最后两侧液面持平D．若U形管中加入两种浓度不等的蔗糖溶液，当液面停止上升时，半透膜两侧水分子移动达到平衡状态

解析：由题干可知，实验开始时，U形管两侧液面等高，当U 形管中加入两种浓度不等的蔗糖溶液时，水分子从低浓度一侧流向高浓度一侧的较多，即高浓度一侧的液面上升，低浓度一侧的液面下降，直至液面不再变化，此时半透膜两侧浓度差产生的渗透压力与液面差产生的压力达到平衡，所以半透膜两侧溶液浓度不会相等，A错误，B正确；当液面停止上升时，半透膜两侧水分子移动达到平衡状态，D正确；若U形管中加入两种浓度不等的葡萄糖溶液，开始时水分子总体表现为由低浓度一侧向高浓度一侧扩散，因此高浓度一侧液面先上升，但随着葡萄糖分子通过半透膜进入低浓度一侧，最后两侧液面会持平，C正确。

2．取生理状态相同的某种植物新鲜叶片若干，去除主脉后剪成大小相同的小块，随机分成三等份，之后分别放入三种浓度的蔗糖溶液(甲、乙、丙)中，一定时间后测得甲的浓度变小，乙的浓度不变，丙的浓度变大。假设蔗糖分子不进出细胞，则关于这一实验结果，下列说法正确的是(D)

A．实验前，丙的浓度＞乙的浓度＞甲的浓度

B．乙的浓度不变是因为细胞内蔗糖浓度与乙的浓度相等

C．实验中，细胞与蔗糖溶液间的水分移动属于协助扩散

D．甲、丙的浓度变化是由水分在细胞与蔗糖溶液间移动引起的

解析：甲的浓度变小说明细胞失水，甲的浓度大于细胞液的浓度，乙的浓度不变说明乙的浓度与细胞液浓度相等，丙的浓度变大说明细胞吸水，丙的浓度小于细胞液浓度，故实验前，浓度大小关系为甲>乙>丙，A错误；乙浓度不变是因为细胞液的浓度和乙的浓度相等，B错误；水分子的移动属于自由扩散，C错误；渗透作用是由于水分子的移动引起的，D正确。

3．(2020·湖北咸宁二中模拟)半透膜对淀粉和葡萄糖的通透性不同(如图Ⅰ)，预测图Ⅱ(开始时漏斗内外液面相平)的实验结果最可能的是(D)

A．图甲中水柱a将持续上升

B．图甲中水柱a将保持不变

C．图乙中水柱b将保持不变

D．图乙中水柱b将先上升后下降

解析：因淀粉不能透过半透膜，故图甲中的水柱a上升到最大高度后将静止；因葡萄糖可以透过半透膜，故图乙漏斗内液体先表现吸水，水柱b上升，因葡萄糖的外渗，最终扩散平衡时内外葡萄糖浓度相等，即内外液面相平。

技巧点拨

渗透方向及浓度大小的判断

(1)判断溶剂渗透的总方向

①若半透膜两侧是同种溶液，根据质量浓度或物质的量浓度判定。

②若半透膜两侧是不同的溶液，物质的量浓度才能体现溶质或溶剂分子数的多少，如半透膜两侧为质量分数相同的葡萄糖溶液和蔗糖溶液，则葡萄糖溶液一侧单位体积中葡萄糖分子数多(水分子数少)，水分子由蔗糖溶液一侧通过半透膜向葡萄糖溶液一侧扩散。

(2)判断半透膜两侧溶液浓度大小

若渗透平衡后，半透膜两侧液面仍存在液面差，则半透膜两侧溶液就存在浓度差，液面差越大，浓度差就越大，且液面高的一侧溶液浓度高。

●考向突破2细胞失水和吸水

4．(不定项选择题)下列有关细胞吸水和失水的叙述，错误的是(BC)

A．水分子进出细胞取决于细胞内外溶液的浓度差

B．当外界溶液的浓度比细胞质的浓度低时，哺乳动物红细胞失水皱缩

C．当外界溶液的浓度比细胞液的浓度低时，洋葱鳞片叶的表皮细胞吸水涨破

D．用紫色洋葱鳞片叶外表皮不同部位观察到的质壁分离程度可能不同

解析：水分子进出细胞取决于细胞内外溶液的浓度差，当外界溶液浓度高于细胞液(质)浓度，细胞失水，当外界溶液浓度低于细胞液(质)浓度，细胞吸水；当外界溶液的浓度低时，红细胞一般会因持续吸水而涨破；植物细胞有细胞壁，不会吸水涨破；紫色洋葱鳞片叶外表皮不同部位细胞的细胞液浓度不一定都相同，用相同浓度的外界溶液进行质壁分离实验时观察到的质壁分离程度可能不同。

5．某实验小组在室温条件下，将紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞置于一定浓度的某溶液中，测得细胞液浓度与该溶液浓度的比值(P值)随时间的变化曲线如图所示。下列相关叙述错误的是(B)

A．该溶液可以是一定浓度的KCl溶液

B．细胞在t1时刻开始从外界溶液中吸收溶质

C．t1～t2时间段内，液泡体积有所增大

D．若降低温度，则t1～t2时间段会变长

解析：据图分析，细胞液浓度与该溶液浓度的比值(P值)随时间的变化逐渐增大，最后趋于稳定，即细胞液浓度不断增加，且最后是细胞外液的3倍，说明在该溶液中细胞先不断失水，后溶质分子进入液泡，导致细胞液浓度高于该溶液，因此该溶液可以是一定浓度的KCl溶液，A正确；细胞在t1时刻之前就已经开始从外界溶液中吸收溶质，B错误；t1～t2时间段内，细胞液浓度大于该溶液，则细胞吸水导致液泡体积有所增大，C正确；若降低温度，该溶液中的溶质分子进入细胞的速度会降低，则t1～t2时间段会变长，D正确。

6．如图为渗透平衡时的装置(糖类不能通过半透膜)，烧杯的液面高度为a，漏斗的液面高度为b，液面差m＝b－a。在此基础上继续实验，以渗透平衡时的液面差为观测指标，正确的是(D)

A．若向漏斗中滴入清水，平衡时m将增大

B．若向漏斗中加入蔗糖分子，则平衡时m不变

C．若向漏斗中加入蔗糖酶，则平衡时m不变

D．达到新的平衡时，水分子进出半透膜的速率相等

解析：若向漏斗中滴入清水，渗透压降低，吸水能力减弱，则平衡时m将减小；若向漏斗中加入蔗糖分子和蔗糖酶，渗透压增大，则平衡时m值将增大；达到新的平衡时，水分子进出半透膜的速率相等，液面不再升高。

技巧点拨

细胞吸水、失水的判断方法

(1)通过比较细胞外溶液和细胞液的浓度大小来判断。当细胞外溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞失水；当细胞外溶液浓度小于细胞

液浓度时，细胞吸水。当细胞外溶液与细胞液的浓度相等时，细胞失水量和吸水量相等，处于动态平衡。

(2)根据重量或长度变化(如萝卜条)来判定。若重量增加或长度变长，则吸水；反之则失水。

考点2物质跨膜运输的方式

1．物质出入细胞的方式

(1)填写物质跨膜运输的方式、特点：

甲：自由扩散；高浓度→低浓度；不需要载体蛋白；不需要能量。

乙：协助扩散；高浓度→低浓度；需要载体蛋白；不需要能量。

丙：主动运输；低浓度→高浓度；需要载体蛋白；需要能量。

丁：a为胞吞，b为胞吐；需要(填“需要”或“不需要”)能量，同时体现了细胞膜的流动性。

(2)大分子物质进出细胞

特别提醒

(1)归纳记忆同一物质的不同运输方式

①葡萄糖????? 进入红细胞：协助扩散 ?????进入小肠绒毛上皮细胞肾小管重吸收葡萄糖主动运输

②Na ＋：进入神经细胞：协助扩散，靠离子通道。

运出神经细胞：主动运输，Na ＋—K ＋泵。

③K ＋：进入神经细胞：主动运输，Na ＋—K ＋泵。

运出神经细胞：协助扩散，靠离子通道。

(2)关于物质运输的易错点

①小分子物质的运输方式不一定都是被动运输和主动运输，如神经递质的释放是胞吐(外排)作用。

②生物大分子不一定都是以胞吞、胞吐方式运输的，如RNA 和蛋白质可通过核孔出入细胞核。

③消耗能量的运输方式并不一定就是主动运输，胞吞和胞吐也消耗能量。

④小分子跨膜运输体现了膜的功能特点——选择透过性；胞吞和胞吐体现了膜的结构特点——流动性。

⑤大分子胞吞、胞吐过程中穿过的生物膜层数为0层。

2.影响物质跨膜运输因素的模型分析

(1)浓度差对物质跨膜运输的影响

浓度差主要影响自由扩散和协助扩散。自由扩散中，浓度差越大，运输速率越大；协助扩散中，浓度差达到一定程度后运输速率不再继续增加，原因是受载体数量的限制。

(2)载体数量对跨膜运输的影响

载体蛋白主要影响协助扩散和主动运输。其他条件适宜的情况下，载体蛋白数量越多，运输速率越大。自由扩散不受载体蛋白数量的影响。

(3)氧气含量对跨膜运输的影响

通过影响细胞的呼吸进而影响主动运输的速率。

①P点时，无氧呼吸为主动运输提供能量。

②PQ段：随着氧气含量的增加，有氧呼吸产生的能量越多，主动运输的速率也越大。

③Q点以后：当氧气含量达到一定程度后，受载体蛋白数量以及其他的因素限制，运输速率不再增加。

(4)温度

判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．顺浓度梯度运输的都是自由扩散，逆浓度梯度运输的都是主动运输。(×)

2．被动运输都是顺浓度梯度的运输。(√)

3．胞吐过程充分体现了细胞膜上载体蛋白的专一性。(×) 4．细胞吸收不同矿质元素离子的速率都相同。(×)

5．相对分子质量较小的物质或离子都可以通过自由扩散方式进入细胞。(×)

6．同一种物质进出不同细胞时，运输方式可能不同。(√) 7．质壁分离过程中水分子扩散只能单向进行。(×)

(必修1P73“与社会的联系”改编)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载体蛋白，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载体蛋白的种类和数量来实现的。

依据模式图确认物质出入细胞的方式及影响因素。

(1)图2、4、5中物质运输方式依次为自由扩散；主动运输；胞吞、胞吐。

(2)写出下列影响物质出入细胞的因素所对应的图。

①图中仅受“浓度差”制约的为图1、图2。

②加入蛋白酶处理会受影响的是图3、图4、图5。

③加入呼吸酶抑制剂处理，会受影响的是图4、图5。

(3)神经递质的释放应符合上图中哪种模式？该运输方式具有哪些特点？

答案：图5。需要消耗能量，不需要载体等。

●考向突破1物质出入细胞方式的判断

1．(2020·河北唐山质检)下列关于物质跨膜运输的叙述，错误的是(B)

A．协助扩散比自由扩散转运速率大

B．温度降低不影响甘油和脂肪酸进出细胞的速率

C．主动运输通常使被转运物质在细胞内外的浓度差加大

D．某些小分子物质也可以通过胞吐的方式通过细胞膜

解析：协助扩散需要膜蛋白的帮助，比自由扩散的速率要快几个数量级，A正确；甘油和脂肪酸以自由扩散的方式进出细胞，低温会影响细胞膜的流动性，从而影响甘油和脂肪酸进出细胞的速率，B错误；主动运输为逆浓度梯度进行，所以可使被转运物质在细胞内外的浓度差加大，C正确；某些小分子物质也可以通过胞吐的方式通过细胞膜，例如神经递质，D正确。

2．(2020·河北百校联盟一联)物质跨膜运输分为甲、乙两大类，①②③④四小类，如下图所示。下列相关叙述错误的是(D)

A．图中甲和乙分别指的是被动运输和主动运输

B．图中物质a、b、c均顺浓度梯度进行跨膜运输

C．图中跨膜运输类型③可表示红细胞吸收葡萄糖

D．图中跨膜运输类型④可表示钠离子运入神经细胞

解析：从图中信息可知类型①应为自由扩散，而甲又包括类型①②③，可见甲应为被动运输，乙为主动运输，A正确；被动运输，物质的跨膜运输方向为顺浓度梯度，B正确；红细胞吸收葡萄糖为协助扩散，需要载体蛋白的协助(介导)，C正确；神经细胞内钠离子浓度低于细胞外钠离子浓度，可见钠离子运入神经细胞是顺浓度梯度，即协助扩散，而类型④为主动运输，D错误。

3．(2020·四川石室中学模拟)甲图中曲线a、b表示物质跨膜运输的两种方式，乙图表示细胞对大分子物质胞吞和胞吐的过程。下列相关叙述中错误的是(C)

A．甲图中a表示自由扩散，b表示协助扩散或主动运输

B．甲图中b曲线达到最大转运速率后的限制因素是载体的数量C．乙图中的胞吐和胞吞过程说明细胞膜具有选择透过性

D．乙图中的胞吐和胞吞过程都需要消耗ATP

解析：甲图中a曲线随着被转运物质浓度的增加转运速率不断增大，故a表示自由扩散，b曲线开始时随着被转运物质浓度的增加，转运速率增大，但转运速率增大到一定程度后不再改变，说明需要载体的协助，为协助扩散或主动运输，A正确；协助扩散和主动运输都需要载体，达到最大转运速率后，限制因素为载体的数量，B正确；乙图中的胞吐和胞吞能体现细胞膜的结构特点——具有一定的流动性，C错误；主动运输、胞吐和胞吞都需要消耗ATP，D正确。

整合提升

物质出入细胞方式的判断方法

(1)根据分子的大小、是否需要能量和载体蛋白进行判断

(2)根据物质运输方向判断：顺浓度梯度的跨膜运输方式是自由扩散或协助扩散，逆浓度梯度的跨膜运输方式一定是主动运输。

(3)根据物质运输达到平衡时的浓度判断：若达到平衡时细胞内外仍存在浓度差，则是主动运输，因为自由扩散和协助扩散达到平衡时内外浓度相等。

●考向突破2影响物质跨膜运输的因素及实验探究

4．(2020·山东济南平阴一中高三模拟)氰化物是一种剧毒物质，其通过抑制[H]与O2的结合，使得组织细胞不能利用氧气而陷入内窒息。如图为研究植物根尖吸收钾离子的相关实验。下列分析不正确的是(D)

A．通过实验甲可以判断植物根尖细胞吸收K＋属于主动运输

B．实验甲中，4 h后氧气消耗速率下降是因为细胞外K＋浓度降低

C．实验乙中，4 h后吸收K＋的能量可能来自无氧呼吸

D．实验乙加入氰化物后，细胞对氧气的吸收速率不变

解析：由实验甲可知，加入KCl后，氧气的消耗速率增加，说

明植物根尖细胞吸收K＋需要消耗能量，属于主动运输，A项正确；实验甲中，4 h后氧气消耗速率下降是因为细胞外K＋浓度降低，细胞吸收K＋的量减少，B项正确；实验乙中，4 h 后组织细胞吸收K＋的速率不再降低，说明此时细胞已经不能利用氧气，其吸收K＋的能量可能来自无氧呼吸，C项正确；氰化物能抑制[H]与O2的结合，因此实验乙加入氰化物后，细胞对氧气的吸收速率下降，D项错误。

5．(2020·河北邯郸摸底)肝细胞和细菌都能以协助扩散的方式吸收葡萄糖，其中细菌协助葡萄糖运输的载体蛋白为GLUT1，肝细胞协助葡萄糖运输的载体蛋白为GLUT2，其运输的速率和葡萄糖浓度的关系如图所示。下列推测不正确的是(C)

A．GLUT1对葡萄糖的亲和力比GLUT2对葡萄糖的亲和力大

B．葡萄糖能以相同的方式进入红细胞和肝细胞

C．两种载体蛋白都需要内质网、高尔基体的加工

D．载体蛋白的存在能显著提高细胞摄取葡萄糖的速率

解析：GLUT1对葡萄糖的转运速率比GLUT2对葡萄糖的转运速率快，因此，GLUT1对葡萄糖的亲和力比GLUT2对葡萄糖的亲和力大；葡萄糖进入红细胞、肝细胞的方式均为协助扩散；细菌细胞中没有内质网和高尔基体；比较三条曲线，脂双层运输葡萄糖的速率较其他两个都慢，说明载体蛋白的存在能显著提高细胞摄取葡萄糖的速率。

6．(不定项选择题)将三组生理状态相同的某植物幼根分别培养在含有相同培养液的密闭培养瓶中，一段时间后，测定根吸收某一矿质元素离子的量。培养条件及实验结果见下表：

A．有氧条件有利于该植物幼根对该离子的吸收

B．该植物幼根对该离子的吸收与温度的变化无关

C．氮气环境中该植物幼根细胞吸收该离子不消耗ATP

D．与空气相比，氮气环境有利于该植物幼根对该离子的吸收

解析：温度为17 ℃条件下，氮气(缺氧)环境中该植物幼根对离子的吸收量比氧气环境中低，说明有氧条件有利于该植物幼根吸收该离子，同时说明幼根吸收该离子为主动运输，A项正确、D项错误；氮气环境中该植物幼根细胞吸收该离子仍需要消耗ATP，此时幼根消耗的ATP是无氧呼吸产生的，C项错误；空气中培养，温度为17 ℃时，离子吸收量明显高于3 ℃时，可知该植物幼根对该离子的吸收与温度有关，B项错误。

实验5探究植物细胞的失水和吸水

1．实验原理

(2)观察指标：中央液泡大小、原生质层的位置、细胞大小。

2．实验步骤

3．现象与结论

1．细胞能否发生质壁分离和复原的判断方法

(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(如根尖分生区细胞)不发生质壁分离和复原现象。

②具有中央大液泡的成熟植物细胞可发生质壁分离和复原现象。

(2)从溶液角度分析

①在一定浓度(溶质不能透过膜)的溶液中只会发生质壁分离现象，不能发生质壁分离后自动复原现象(只有用清水或低渗溶液处理，方可复原)。

②在一定浓度的溶液(如KNO3、甘油等)中因为溶质可透过膜进入细胞，使细胞液浓度增大，可发生质壁分离后自动复原现象。

③在较高浓度溶液中发生质壁分离现象，因过度失水而不会发生质壁分离复原现象。

④在过高浓度的溶液中或使用1 mol/L的醋酸溶液，细胞不发生质壁分离及复原现象，因为细胞死亡失去选择透过性。

2．质壁分离和复原实验的拓展应用

(1)判断成熟植物细胞的死活

(2)测定细胞液浓度范围

(3)比较不同成熟植物细胞的细胞液浓度

(4)鉴别不同种类的溶液(如KNO3溶液和蔗糖溶液)

●考向突破探究植物细胞的失水和吸水

1．(2020·湖南长沙调研)下列有关“观察植物细胞的质壁分离和复原”的实验操作，叙述正确的是(B)

A．在步骤C中只需滴加1滴蔗糖溶液

B．整个实验现象的观察应在低倍镜下

C．步骤A具体操作过程为“解离→染色→漂洗→制片”

D．步骤F观察实验结果和步骤D相比，液泡颜色变深

解析：在步骤C引流操作中需滴加多滴蔗糖溶液，用吸水纸在对侧吸引，A错误；在高倍镜下引流易污染镜头，该实验全程应在低倍镜下观察，B正确；步骤A制片时不需要进行解离、染色，C错误；质壁分离复原的细胞液泡吸水，颜色变浅，D错误。

2．(2020·河南安阳一模)某研究小组用5种植物材料进行质壁分离实验。在相同的放大倍数下，记录视野中的细胞数目，然后滴加蔗糖溶液，记录从滴加蔗糖溶液到发生“初始质壁分离”的平均时间，绘制成下图。下列说法正确的是(D)