1、 积跬步以至千里 积怠惰以致深渊- 1 -第 4 章 第四章细胞的物质输入和输出第 3 节 物质跨膜运输的实例自主学习项 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；离子通过细胞膜一.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
2、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 ATP，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
3、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 32。（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
4、。其物质的运输速度与其浓度差关系可用图 43 3 的坐标图表示。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 43 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。前述的自由扩散和协助（易化）扩散都属
5、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 43 5 示） ，因而不需要供能。另外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高一生物组题：苏志英审核：高一生物组积跬步以至千里 积怠惰以致深渊- 2 -逆电化学势差而移动。体
6、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。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 436 。图中出现一段平台期同样是因为载体的数量是有限的。图 434 图 435图 43 2 图 43 3 图 43 6二、大分子物质的过膜运输方式1.胞吞 2.胞吐习题详解一、练习（课本 P73）（一）基础题1.D 2.A（二）拓展题 提示：此题与后面
7、酶及呼吸作用的知识相关。低温环境肯定会影响物质的跨膜运输。温度会影响分子运动的速率，影响酶的活性而影响化学反应的速率，因此，组成细胞膜的分子的流动性也会相应降低，呼吸作用释放能量的过程也会因有关酶的活性降低而受到抑制。这些都会影响物质跨膜运输的速率。二、旁栏思考题（课本 P72）这是细胞的胞吞作用，对于人体起免疫保护作用。三、技能训练（课本 P73）1.K+和 Mg2+是通过主动运输进入细胞的。 2.Na+和 Cl是通过主动运输排出细胞的。3.因为以上四种离子细胞膜内外的浓度差较大，细胞只有通过主动运输才能维持这种状况。六、本节聚焦（课本 P70）1.有自由扩散、协助扩散、主动运输三种穿膜运输
8、方式，生物大分子通过胞吞、胞吐属于膜泡运输。2.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C 2 高 浓 度C 1扩 散低 浓 度位 能 梯 度浓 度 梯 度主 动 转 运细 胞 外质 膜细 胞 内葡 萄 糖透 过 体 葡 萄 糖葡 萄 糖 与透 过 体 结 合 透 过 体 构 象 改 变运输速率浓 度 差运输速率耗 氧 量运输速率浓 度 差积跬步以至千里 积怠惰以致深渊- 3 -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。3.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
9、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。课堂训练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
10、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5.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 43 8 为物质出入细胞膜的示意图，请据图回答： A 代表_ 分子；B 代表 _；D 代表_。细胞膜从功能上来说，它是一层_膜。科学家发现，当
11、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_。在 ae 的五种过程中，代表被动运输的是_ 。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_。细胞膜上与细胞识别、信息传递有密切关系的化学物质是_。 图 43 88.图 43 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： 运输速率浓 度A 运输速率耗 氧 量B 图 439心肌细胞吸收氧气和葡萄糖的方式依次为_（填序号） 。分 别 代 表 各 种 物 质 分 子 或 离 子能 量能量a b c dA DBe积跬步以至千里 积怠惰以致深渊- 4 -图 B 中出现平区的主要原因是
12、_。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_。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 4310 所示。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_。课后拓展细胞膜主动运输功能的实验 图 4
13、3 10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 ）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。 心 脏动 脉 嗦 囊卵 巢马 氏 管 口脑腹 神 经 索图 4311（2 ）在干净载玻片上放上几条马氏管，滴上一滴
14、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：溶液中Na的量24 2211加 入某 药 物 加 入 ATP注 入 Na24 时 间积跬步以至千里 积怠惰以致深渊- 5 -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。参考答案：1.A 2.C 3.B 4.B 5.C 6.C 7.蛋白质 磷脂分子 多糖/ 糖蛋白/糖被 选择透过性 流动性 b、 c、 d b a 糖被/糖蛋白8.A 图和 B 图 载体蛋白的数量有限 毒素只对钙离子的载体蛋白起抑制作用主动吸收需要的能量来不及提供 9.消耗能量 主动运输 抑制细胞呼吸从而抑制能量的产生
