高中生物思维导图 细胞的物质输入和输出 Word版含解析

4.细胞的物质输入和输出

4.1物质跨膜运输的实例

一、渗透实验

1．扩散现象：分子不停地做无规则的运动——布朗运动

2．渗透现象

（1）漏斗实验

（2）条件

①半透膜：小分子可以通过，大分子不能通过的多孔性薄膜；无活性，即无选择透过性，所有小分子可过1）如玻璃纸（赛璐玢），膀胱膜、肠衣、羊皮纹、胶棉薄膜、鸡蛋的卵壳膜等

2）物质能否通过取决于物质分子的直径与半透膜空隙的大小：知识联想：滤膜法微生物计数

3）半透膜的面积越大，渗透越快

4）实验验证：换成纱布后，漏斗内液面不上升

②半透膜两侧的溶液存在浓度差

1）差值越大，吸/失水多且快

2）浓度指物质的量浓度（c=n/V=m/MV），即渗透压

3）备注

a．如质量分数为10%的葡萄糖、蔗糖溶液

b．质量分数为10%的葡萄糖（相对分子质量M小）溶液的渗透压大

c．∴水可通过半透膜由蔗糖溶液向葡萄糖溶液移动

4）实验验证：

a．漏斗内为蔗糖、烧杯内为清水：漏斗液面上升

b．漏斗、烧杯为相同浓度的蔗糖：漏斗液面不变

c．漏斗内为清水、烧杯内为蔗糖：漏斗液面下降

d．漏斗内为蔗糖、烧杯内为清水，平衡后再加入蔗糖酶：漏斗液面先上升；加入酶、以及酶水解蔗糖为葡萄糖后，漏斗内浓度变大，继续上升一段；当葡萄糖透过膜，漏斗内浓度变小，液面下降；最后漏斗内保留酶，保持一定的高度

（3）渗透作用

①水分子(或其它溶剂分子)透过半透膜

②从低浓度（物质的量浓度）溶液向高浓度溶液；从相对含量多的地方向相对含量少的地方

③扩散的现象

（4）结果

①微观：水分子通过半透膜，双向扩散

②宏观：水从低浓度向高浓度流动，至动态平衡

③平衡后：半透膜两侧存在液面差；两侧溶液浓度不相等，漏斗里的浓度更大；液面差的高低取决于半透膜两侧溶液起始浓度差的大小

3．异同

（1）运动对象不同：扩散是溶质/物质运动；渗透是水/溶剂运动

（2）运动方向不同：扩散是高浓度到低浓度；渗透是低到高（从相对含量高到低）

（3）是否需要介质：扩散不需要膜；渗透需要半透膜

（4）扩散是溶质从高浓度到低浓度运动，至动态平衡

（5）渗透是特殊扩散：是溶剂从相对含量高到低的运动，即顺相对含量的梯度跨膜运输；至动态平衡4．应用：反渗透膜，制纯水，海水淡化

二、探究实验

1．步骤：提出问题→作出假设→设计实验→结果预测→进行实验→记录结果→分析结果→得出结论→表达和交流→进一步探究

2．变量

（1）定义：也称因子，指实验过程中所被操作的特定因素或条件

（2）分类：

①自变量：也称实验变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件

②因变量：也称反应变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果

③无关变量：也称控制变量，指实验中除实验变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件；描述语：等量且适量的X溶液，生长状况相似的生物，适宜的环境中（包括温度、光照、pH、营养物质等），处理相同时间

④额外变量：也称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果

（3）实验关键：控制、减少无关变量，以减少误差；单一变量原则，是处理实验中的复杂关系的准则之一三、细胞的吸水和失水

1．动物细胞

（1）取材：哺乳动物成熟红细胞，结构特殊易对比

（2）方法：引流法（吸水纸）；高倍镜观察

（3）半透膜：细胞膜

（4）浓度差：细胞质和外界溶液具有浓度差，差值越大：渗透速度越快；渗透程度越大

①外界溶液浓度>细胞质浓度：失水皱缩；细胞质量减少，体积变小，浓度增加；失水结束后，无浓度差

②外界溶液浓度<细胞质浓度：吸水膨胀至胀破；细胞质量增加，体积变大，浓度减少；吸水结束后，无浓度差

③外界溶液浓度=细胞质浓度：动态平衡；正常状态

2．植物细胞：质壁分离实验

（1）取材：

①要求：

1）植物（有细胞壁，若用细菌，质壁分离不明显；动物无细胞壁，不能发生）

2）成熟（有中央大液泡，原生质层有叶绿体∴不用染色）

3）活细胞（活的才会质壁分离）

②紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞：液泡紫色，原生质层绿色；若用内表皮或液泡不含色素的细胞，可在蔗糖溶液中加入红墨水，观察原生质层与细胞壁之间是否进入有色的蔗糖溶液

（2）方法：引流法（吸水纸）；在低倍镜观察下进行操作

（3）试剂：质量浓度为0.3g/mL的蔗糖溶液，清水

（4）半透膜：原生质层，细胞膜、液泡膜，及两层膜之间的细胞质；不包括细胞核、液泡内的细胞液、细胞壁；仅存在于成熟的植物细胞中；原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性，且有选择透过性；放在不同浓度的溶液中，植物细胞的质壁分离，证明原生质层有伸缩性，且大于细胞壁；植物个体或器官的变大/变小，证明细胞壁有伸缩性。当植物细胞不能复原，或植物个体/器官不能再变小，说明浓度过大，细胞、植物/器官已死亡。液泡里有细胞液。知识关联：原生质体特指去除细胞壁的植物细胞

（5）浓度差：细胞液和外界溶液具有浓度差，差值越大：渗透速度越快；渗透程度越大

①外界溶液浓度>细胞液浓度：失水皱缩，质壁分离（先从角隅处分离）；细胞壁与原生质层间为外界溶液。细胞质量减少，体积变小，浓度增加，一定范围内细胞的吸水能力逐渐增加，液泡颜色变深；质壁分离结束后，无浓度差

②外界溶液浓度<细胞液浓度：吸水膨胀；质壁分离复原（细胞壁保护不会破）。细胞质量增加，体积变大（原生质层变薄），浓度减少，吸水能力逐渐减少，液泡颜色变浅；由于细胞壁的保护，吸水结束后，可能存在浓度差，且细胞液浓度大

1）外界溶液浓度=细胞液浓度：动态平衡，正常状态

（6）质壁分离

①观察：涉及“显微观察”实验中唯一的一个“只在低倍镜下”观察。中央液泡大小；原生质层的位置

②现象

1）第一次观察（未滴入蔗糖），紫色大液泡，较小的带绿色的细胞质基质区域

2）第二次观察（已滴入蔗糖），首先在细胞角隅处分离，然后其他地方也分离

3）第三次观察（已滴入清水），质壁复原

4）同一植物的同一部位，因为各细胞的细胞液浓度不同，并不是所有的细胞会出现质壁分离

③原因

1）内因：原生质层相当于半透膜（渗透失水原因1），且伸缩性大于细胞壁（质壁分离原因1）

2）外因：外界溶液浓度大于细胞液浓度（渗透失水原因2，质壁分离原因2）

④表现

1）宏观：植物由坚挺→萎蔫

2）微观：液泡由大变小，细胞液颜色由浅变深，原生质层与细胞壁分离

⑤对照

1）第一次，自然状态与质壁分离状态对照

2）第二次，复原后状态与质壁分离状态对照

⑥拓展

1）若用紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞（紫色），观察液泡的大小变化及颜色变化

2）若用紫色洋葱鳞片叶内表皮细胞（无色），可用带颜色的蔗糖溶液（染料是大分子，不被细胞吸收）进行实验，观察细胞壁与细胞膜间大小变化及颜色变化

3）若用绿色植物的叶肉细胞（绿色），观察细胞膜与液泡膜间的绿色（叶绿体）区域大小变化及颜色变化；且是活细胞进行实验，∴不可以统计叶绿体数目（叶绿体数目多，会重叠；活细胞有胞质环流现象）

（7）考点

①细胞需要的小分子溶液：如硝酸钾、尿素、甘油溶液，既可使细胞发生质壁分离，又可以使它自动复原（离子被吸收）；复原后，由于溶质的进入，而细胞的体积几乎不变，∴细胞液浓度变大；离子通过主动运输进入，需要载体和能量

②强酸/碱、高温溶液：无质壁分离及复原现象；盐酸，醋酸，杀死细胞，使细胞成为全透性

③高浓度溶液：质壁分离明显，但细胞会失水死亡，无复原现象

④当细胞处于质壁分离状态时

1）可能正在发生质壁分离，细胞液浓度小于外界溶液浓度

2）可能已经完成质壁分离，细胞液浓度等于外界溶液浓度

3）可能正在质壁分离复原，细胞液浓度大于外界溶液浓度

⑤红细胞置于等渗浓度的NaCl、KCl溶液：在NaCl溶液中，红细胞保持正常形态。红细胞主动吸收K离子，∴红细胞膨胀甚至破裂

（8）应用：

①判断细胞的死活

②测定细胞液的浓度：介于未质壁分离和刚质壁分离之间

③验证生物膜的选择透过性：溶质种类，即是否可通过膜，如硝酸钾和蔗糖溶液

④验证细胞膜与细胞壁的伸缩性不同

⑤比较细胞液浓度大小：不同细胞置于同种浓度的溶液中，质壁分离快且程度大的细胞液浓度小

⑥比较溶液浓度大小：同种细胞置于不同溶液中，质壁分离快且程度大的溶液浓度大

⑦鉴定不同种类的溶液：如硝酸钾、蔗糖溶液

⑧观察植物细胞膜

（9）植物的吸水方式

①蒸腾作用

1）概念：是水分从活的植物体表面(主要是叶子)以水蒸汽状态散失到大气中的过程

2）影响：外界环境条件（主要是温度），植物本身的调节和控制

3）过程：土壤中的水分→根毛→根内导管→茎内导管→叶内导管→气孔→大气

4）作用：生态系统的水循环，植物中水及无机盐的运输，植物降温

5）实例：新鲜蔬菜在空气中萎蔫

②渗透吸水：必须含液泡的植物成熟活细胞

③吸胀吸水：不含液泡的干种子，在亲水物质（蛋白质）的作用下吸水

④代谢吸水：利用细胞呼吸释放的能量，使水分经过质膜进入细胞的过程；当通气良好引起细胞呼吸加剧时，细胞吸水便增强

3．本质：水分子顺相对含量的梯度跨膜运输至动态平衡

四、其他实例

1．不同物种对同种离子的吸收不同：取决于不同物种的细胞膜上该离子载体的数量

2．同种物种对不同离子的吸收不同：取决于膜上不同种类的离子载体的数量

3．同种物种不同时期对离子的吸收不同：不同时期细胞对离子的需求不同

4．某物种吸收某离子的量为0：说明该物种细胞膜上没有与之相应的离子载体

5．吸收后培养液中某些离子浓度比初始浓度大：不是细胞中排出，而是因为吸水的速率大于其吸收离子的速率；同理，浓度变小，说明该离子的吸收速率快于水的吸收

6．体现出对物质具有选择性：水与离子的进出细胞相对独立；不都是顺相对含量梯度进行

五、总结：细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜

1．活细胞的重要特征：细胞膜上具有载体，且不同生物的细胞膜上载体种类和数量不同，构成了对不同物质吸收与否和吸收多少的选择性

4.2生物膜的流动镶嵌模型

一、对生物膜结构的探索历程

1．膜成分探究

（1）提出问题：为什么生物膜能够控制物质进出？与生物膜的结构有什么关系？

（2）实验观察：细胞膜对不同物质的通透性不同，脂溶性物质更容易通过

（3）提出假设：细胞膜由脂质组成

（4）实验验证：提取细胞膜：哺乳动物成熟红细胞；吸水胀破法；血影：溶血后的细胞膜外壳。化学分析：主要成分是脂质和蛋白质

2．膜结构探索

（1）引出问题

①脂质如何构成细胞膜？事实：空气-水界面上，单分子层面积是细胞表面积的2倍；必须采用只有细胞膜的细胞，原核生物或哺乳动物成熟的红细胞。结论：细胞膜中，脂质以双分子层的形式存在

②蛋白质如何构成细胞膜？推测：蛋白质均匀、固定的覆盖在脂质两侧。电镜观察：暗-亮-暗三层结构（2）建立模型：蛋白质-脂质-蛋白质的暗-亮-暗三层静态模型（蛋白质主要在两侧，脂质主要在中间）（3）完善模型：质疑：生物膜不可能是静态的→实验研究：人细胞和鼠细胞融合实验→实验结论：细胞膜具有流动性→修改模型：流动镶嵌模型

二、流动镶嵌模型的基本内容

1．细胞膜的结构

（1）脂质

①成分

1）磷脂：甘油；亲水的磷酸“头部”；疏水的脂肪酸“尾部”

2）糖脂

3）固醇：维持细胞膜的流动性，分布在磷脂双分子层内部。胆固醇，动物细胞，支原体细胞膜的成分，运输脂质物质。植物固醇，豆固醇

②磷脂分子：由甘油、脂肪酸和磷酸等组成。亲水的磷酸“头部”排在外侧（细胞外的环境为液体，细胞内的基质为液体）；疏水的脂肪酸“尾部”排在内侧

③功能：磷脂双分子层是细胞膜的基本支架

④特点：流动的。磷脂分子的运动方式：旋转；摆动；侧向运动；翻转运动

⑤应用：搅动或处理后呈球形。双层，类似膜，内外都是“头”。单层，外“头”内“尾”。人工脂质体，水溶性药物存在于双层球形的内部；脂溶性药物存在于双层球形的环中，或单层球形

（2）蛋白质

①位置：有的镶在表面，有的部分或全部嵌入，有的贯穿，分布的不对称性

②功能：膜功能的主要承担者（蛋白质的种类数量越多，膜的功能越复杂）；参与膜的构成；载体的作用；跨膜运输

③特点：分布的不对称性；载体的专一性（决定了膜的选择透过性）；大多数运动的（协助扩散、主动运输的载体蛋白；蛋白质的运动也要求磷脂层运动）

（3）糖类

①位置：细胞外侧→判断细胞内外表面的重要指标

②功能：与其他物质结合

1）糖被（糖蛋白）：识别，信息交流，保护，润滑，免疫

2）糖脂

2．结构特点

（1）有序性：磷脂的分布；蛋白质的分布

（2）不对称性：内外两层脂类分子的种类和含量有很大差异；内外两层蛋白质分布的位置、数量、外侧的氨基酸残基种数有差异；外侧有糖脂和糖蛋白，内侧有ATP的能量供应

（3）流动性

①原因：膜结构中的蛋白质分子可以运动和脂质分子可以流动；不同细胞膜上所含蛋白质和磷脂的比例不同，这与膜的功能有关；细胞在不同时期，细胞膜的成分和含量会发生变化

②影响因素

1）主要是温度，在适当的温度范围内，随外界温度的升高，膜的流动性增强；使细胞膜的相对面积增大，厚度减小；温度高出一定范围，导致膜破坏

2）其次，如渗透压导致细胞吸水、失水→细胞体积的变化

③实验验证：细胞融合（荧光标记法）

④实例：细胞生长，细胞分裂，分泌蛋白的合成加工，细胞融合，胞吐（大分子的输出），胞吞（吞噬细胞的吞噬作用），细菌进入血管内，溶酶体的自噬、自溶，质壁分离与复原，变形虫的捕食和运动，物质运输，细胞识别

3．功能特点：选择透过性

（1）原因：遗传特性；载体的种类和数量；选择透过性

（2）影响因素：内因，磷脂双分子层、载体蛋白的种类和数量；外因，温度、氧气等影响呼吸作用的因素（3）实验验证：有颜色的细胞，放入无色溶液中，然后再用高温、强酸碱等处理，观察颜色变化

（4）实例

①物质运输：形式，主动运输和协助扩散。植物根对矿质元素的选择性吸收，神经细胞对钾的吸收、对钠的排出，肾小管的重吸收和分泌，小肠的吸收

②信息传递：激素、递质、淋巴因子的识别作用

4.3物质进出细胞方式

一、离子和小分子物质：跨膜运输

1．被动运输

（1）自由扩散：物质通过简单的扩散作用进出细胞

①原因：浓度差

②影响因素：溶质的浓度梯度，正比例图像

③实例：小分子：水、O2、CO2；脂溶性物质：甘油、乙醇、苯

④特征：方向，顺浓度梯度运输；载体，不需要；能量，不需要消耗

⑤比方：顺流而下-不耗能；不借助船-不需要载体；木块-代表一类物质

（2）协助扩散：进出细胞的物质借助载体蛋白的扩散

①原因：浓度差；载体蛋白协助

②影响因素：溶质的浓度梯度；载体的种类和数量（饱和现象）

③实例：离子和一些较大的分子，如葡萄糖进入红细胞，神经纤维的静息电位（K+外流）、动作电位（Na+内流）的形成

④特征：方向，顺浓度梯度运输；载体，需要，包括载体蛋白和通道蛋白；能量，不需要消耗

⑤比方：顺流而下-不耗能；借助船的-需要载体；铁块-代表一类物质

⑥特点：①在一定范围内，比自由扩散转运速率高；②存在最大转运速率，在一定限度内运输速率同物质浓度成正比。饱和现象：如超过一定限度，浓度再增加，运输也不再增加；③有特异性，即与特定溶质结合

2．主动运输：从低浓度一侧运输到高浓度一侧（即逆浓度梯度运输），需要载体蛋白的协助，需要的能量（ATP，由新陈代谢产生）进出细胞的物质运输

（1）原因：载体蛋白协助；能量供应（新陈代谢产生ATP）

（2）影响因素：能量（氧浓度：在一定范围内，增大氧气浓度，主动运输速率加快（但加快的幅度在减小）直到稳定；温度：影响酶的活性，进而影响呼吸所提供的能量）；载体的种类和数量（饱和现象）

（3）实例：小肠吸收葡萄糖、氨基酸、核苷酸、无机盐；肾小管集合管吸收离子；细胞维持K内Na外的状态

（4）特征：

①方向，逆浓度梯度运输，实现细胞膜两侧的离子浓度差

②载体，需要，包括载体蛋白和离子泵；某些载体具有ATP酶活性，即水解ATP提供能量

③能量，需要，细胞膜内提供ATP（判断细胞膜的内外）

④特例：

1）小肠上皮细胞吸收葡萄糖，可由电化学梯度（电势能）提供能量。过程：钠离子和葡萄糖通过同一个载体进入细胞；钠离子由高浓度经载体运输到细胞内，同时产生电势能（∴协助扩散）；而电势能又使葡萄糖通过同一载体进入细胞（主动运输）；即两种物质同时同向经同一载体进入细胞。

2）离子泵：ATP或电化学或光能供能，经同一载体，3个钠离子出2个钾离子进；即两种物质同时反向经同一载体进出细胞

⑤浓度，在载体没有饱和、能量供应充足的情况下，增加被运输物质的浓度，主动运输的速率加快

（5）比方：逆流而上-耗能；人划动-供能；借助船的-需要载体；石块-代表一类物质

（6）意义：

①主动运输普遍存在于动植物和微生物细胞中

②细胞膜的主动运输是活细胞的特性

③实现离子在细胞内外浓度不同（逆浓度运输，使浓度小的一侧变得更小）

④保证了活细胞能够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

（7）注意

①同一物质，进出细胞方式可不同：葡萄糖进入红细胞/小肠细胞；肾小管管腔的氨基酸通过主动运输进入上皮细胞，通过协助扩散出上皮细胞；肾小管管腔的Na离子通过协助扩散进入上皮细胞，通过主动运输出上皮细胞

②有些物质，运输的方式不同：氨基酸，可通过细胞膜上的载体进行主动运输；在细胞内，通过tRNA进行运输

（8）病变

①囊性纤维病

1）症状：肺部细胞外侧Na+的聚积形成黏液而易受细菌伤害

2）病因：缺少跨膜蛋白→影响Cl-的转运→影响Na+的转运（电荷平衡）→影响水分子转运→形成黏液→细菌繁殖→肺功能受损

②胱氨酸尿症

1）症状：尿液中含有大量的胱氨酸；尿液pH下降，胱氨酸沉淀成结石

2）病因：细胞膜上相应的载体蛋白缺陷，造成转动功能降低

③肾性糖尿病

1）症状：能吃能喝尿糖干瘦

2）病因：细胞膜中转运糖类的载体蛋白缺失

二、颗粒和大分子物质：膜泡运输

1．分类：胞吞；胞吐

2．条件：细胞摄取或排出大分子和颗粒物质的方式；必形成囊泡，质膜的融合

3．原理：生物膜的流动性

4．特征：方式，物质通过小泡转移；载体，不需要；能量，需要

5．影响因素：与细胞代谢有关的因素

6．方向

（1）胞吞：细胞外→内。大分子附着在细胞膜表面→膜内陷形成小囊，包围大分子→小囊从细胞膜上分离下来→囊泡→细胞内部

（2）胞吐：细胞内→外。细胞需要外排的分子先在细胞内形成囊泡→移动到细胞膜处→与细胞膜融合→排出细胞

7．实例

（1）胞吞：单细胞动物吞食；白细胞吞噬病菌

（2）胞吐：大分子激素的分泌、消化酶的分泌、浆细胞分泌抗体、神经递质的释放三、判断运输方式

1．判断细胞膜内外：外有糖蛋白；内有ATP、细胞器等

2．载体

（1）无载体，自由扩散，胞吞、胞吐

（2）有载体

①载体蛋白：不需要能量，为协助扩散；需要能量，为主动运输

②通道蛋白：协助扩散

③离子泵：主动运输

3．浓度

（1）低→高，一定为主动运输

（2）高→低，一定为被动运输；不需载体：自由扩散；高→低，需要载体：协助扩散4．能量

（1）耗能，小分子或离子：主动运输；耗能，大分子：胞吞、胞吐

（2）不耗能，被动运输；不耗能，需要载体：协助扩散；不耗能，不需载体：自由扩散5．物质

（1）水、脂溶性物质、气体，自由扩散

（2）氨基酸、离子，主要是主动运输

（3）颗粒、大分子，胞吞、胞吐

6．曲线

（1）有饱和点，协助扩散或主动运输

（2）与横坐标因素成正比，自由扩散

（3）与呼吸作用、氧浓度有关，主动运输

7．物质进出方向

（1）进细胞：高浓度到低浓度，自由/协助扩散；低浓度到高浓度，主动运输

（2）出细胞：高浓度到低浓度，自由/协助扩散；低浓度到高浓度，主动运输

8．柱形图：物质在细胞内外含量对比

（1）细胞外的柱形高、内低：若物质进细胞，自由/协助扩散；出，主动运输

（2）外低内高：进，主动运输；出，自由/协助扩散

9．是否“跨膜”

（1）自由扩散、协助扩散、主动运输属于

（2）胞吞、胞吐、核孔运输、囊泡运输，不属于“跨膜”，即跨0层膜

10．细胞核的运输：小分子，核膜运输，属于跨膜运输；大分子，核孔运输，需要载体能量，但不是跨膜运输，不是进出细胞的运输方式

四、影响因素

1．物质浓度

（1）自由扩散，运输速率与物质浓度呈正相关

（2）协助扩散、主动运输，由于有载体蛋白的参与，有饱和点

2．氧气浓度

（1）自由扩散和协助扩散不受氧气影响

（2）主动运输受氧气影响且有饱和点；胞吞/吐受氧气影响

3．温度

（1）影响生物膜的流动性和酶活性

（2）一定范围内的温度升高，加快自由扩散

（3）协助扩散、主动运输与温度呈倒U型

五、实验设计

1．主动/被动运输

（1）植株+培养液+呼吸抑制剂：

①对某物质吸收减弱或停止→主动运输

②不影响物质吸收→被动运输

2．自由/协助扩散

（1）植株+培养液+蛋白抑制剂/蛋白酶

①对某物质吸收减弱或停止→协助扩散

②不影响物质吸收→自由扩散

六、应用

1．人工膜技术

（1）脂溶性药物在双层膜的中间；水溶性药物在双层膜的内部（2）外膜可携带特定的抗体等，起识别作用

（3）抗体与靶细胞识别后，诱发膜融合或胞吞，进入细胞内