物质跨膜运输的实例.doc

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1、物质跨膜运输的实例讲课人：韩 丽导入新课：同学们，在我们日常生活中，有没有哪些现象说明生物体失去水分或者失去水分呢？平常我们吃比较咸的食物（腌制的咸菜、瓜子）时，口腔和唇的黏膜会有干燥难受的感觉；在日常生活中，苹果放置时间长了，果皮会变得皱巴巴的；白菜、空心菜等青菜放置时间长了叶子会萎焉，而卖菜的阿姨经常向青菜上洒水，青菜就会变得硬挺，那是因为水分进入了菜叶细胞内，再如泡在盐水中的萝卜条会软缩，泡在清水中的萝卜条会更加硬挺。任何一个生命系统都不是孤立封闭的，都与外界有物质的交换，包括从外界摄取物质，同时也及时地把代谢废物排出体外。那么物质是如何进出细胞的呢？首先我们来分析一下水是如何进出细胞的

2、。一、渗透作用P60问题探讨：漏斗管内的液面为什么会升高？key：蔗糖不能透过玻璃纸，水分子可自由通过。由于单位体积蔗糖溶液中的水分子比单位体积清水中的水分子少，所以单位时间内通过玻璃纸进入长颈漏斗的水分子数目多于从长颈漏斗渗出的水分子数量，因此漏斗内的液面会上升。漏斗内液面是否会无限上升？如不会，什么时候会停止上升？key：不会无限上升，当单位时间内透过半透膜进入漏斗内的水分子数量从漏斗中渗出的水分子数量相同时，液面则将停止上升。如果用一层纱布代替玻璃纸，漏斗管内的液面还会升高吗？key：用纱布代替玻璃纸时，因为纱布的孔隙比较大，蔗糖分子也可以自由通过，因而液面不会升高。如果烧杯中不是清水，

3、而是同样浓度的蔗糖溶液，结果会怎样？key：半透膜两侧溶液的浓度相等，单位时间内通过玻璃纸进入长颈漏斗的水分子数目等于从长颈漏斗渗出的水分子数量，液面不会上升。通过以上问题，可得出发生渗透现象的条件：具有半透膜；半透膜两侧的溶液存在浓度差。1、定义：指水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜，从相对含量高的地方向相对含量低的地方流动。【水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜，从低浓度溶液向高浓度溶液的扩散。】发生渗透现象的条件：具有半透膜；半透膜两侧的溶液存在浓度差。半透膜：指一类可以让小分子物质通过而大分子物质不能通过的一类薄膜的总称。在日常生活中，常见的半透膜可以是生物性的选择透过性膜，如鸡蛋膜、鸡

4、的嗉囊、鱼鳔、蚕豆种皮、青蛙皮、动物的膀胱、肠衣，也可以是物理性的过滤膜，如玻璃纸。小分子和大分子的界定是依据膜的种类不同而划分范围的。例如，对于鸡蛋膜来说，葡萄糖分子就是大分子物质，而对于透析管来说葡萄糖是小分子物质；对于肠衣来说，碘和葡萄糖是小分子物质，而淀粉是大分子物质。这里的浓度指的是溶质物质的量浓度（分子数目的多少），而不是质量浓度，更不是溶剂的浓度，质量浓度相同的情况下，溶质的相对分子质量越大，其浓度越低。浓度差的实质是单位体积溶液中溶质分子数的差，即物质的量浓度之差。如10%葡萄糖溶液和10%蔗糖溶液的质量浓度相同，但摩尔浓度是10%蔗糖溶液的小，故水由蔗糖向葡萄糖溶液移动。 水

5、分子的移动方向：双向移动，但最终结果是单位体积内水分子数多(低浓度)的溶液流向单位体积内水分子数少(高浓度)的溶液。发生渗透平衡只意味着半透膜两侧水分子移动达平衡状态，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。2、渗透原理：蔗糖溶液中单位体积内的水分子比清水中单位体积内的水分子少，在单位时间内由清水进入蔗糖溶液的水分子数比由蔗糖进入清水的水分子数多，因此，一段时间后，漏斗管内的液面会上升。特别提醒：分析渗透作用时常犯的一个错误是认为水分子只是从低浓度向高浓度移动，其实水分子既从低浓度向高浓度溶液移动，同时也由高浓度溶液向低浓度溶液移动，只有由低浓度溶液向高浓度溶液移动的水分子数量相对

6、较多。3、如何确定溶剂的渗透方向 溶剂的渗透方向应根据单位体积溶剂分子数多少判断，即溶剂分子从单位体积溶剂分子数多(溶质分子数少)的一侧向单位体积溶剂分子数少(溶质分子数多)的一侧扩散(对于溶质而言，只考虑溶质分子数目而不考虑溶质分子的体积)。若半透膜两侧是同种溶液，根据质量分数或物质的量浓度判定都可以；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的分子数多少，如半透膜两侧为质量分数相同的葡萄糖溶液和蔗糖溶液，葡萄糖溶液一侧单位体积葡萄糖分子数多(水分子数少)，水分子由蔗糖溶液一侧透过半透膜向葡萄糖溶液一侧渗透。典型例题：如果将质量分数为10%的蔗糖溶液和质量分数为10%的葡萄糖溶

7、液分别置于“U”形管的左右两侧，中间用半透膜隔开(允许水分子和葡萄糖分子通过半透膜，不允许蔗糖通过)，使两者的液面相平，如下图所示。开始和一段时间后液面情况是()左侧高于右侧右侧高于左侧左右两侧一样无法确定A B C D思路点拨：渗透压的高低与溶质颗粒的多少有关，与溶质分子的质量无关。在比较不同溶液的渗透压的大小时，不能用质量分数的大小来比较，而应用物质的量的浓度来比较。方法技巧：读图析图(1)两侧溶液的物质的量浓度，大的一侧渗透压高，小的一侧渗透压低，水分子由低浓度一侧高浓度一侧。(2)两侧溶液中的溶质是否能通过半透膜，若不能，则只是高浓度一侧液面升高；若能，则先是高浓度一侧液面升高，随后另

8、一侧液面升高，最后两侧液面相平。(3)在达到渗透平衡时，一般两侧溶液的浓度并不相等，因为液面高的一侧形成的静水压，会阻止溶剂由低浓度一侧向高浓度一侧扩散。(4) B图中若浸在烧杯低浓度溶液中的是透析袋，由于透析袋内的溶质分子不能透过，吸收一定水分后，膨胀到一定程度，受到透析袋的束缚力，水分子进出达到动态平衡。此时透析袋内外的溶液浓度是不相等的，透析袋内溶液浓度仍高于烧杯中的液体浓度。验证渗透作用的发生验证渗透作用的发生需具半透膜 验证发生水分子的移动需具浓度差探究物质能否通过半透膜(以碘和淀粉为例) 4.渗透装置的应用可用于确认与比较两种不同溶液的浓度(或渗透压)大小二细胞的吸水和失水1、动物

9、细胞的吸水和失水（以红细胞为例）动物细胞的吸水和失水的条件：细胞的细胞膜相当于渗透装置中的一层半透膜；细胞质具有一定浓度，与外界溶液形成一定的浓度差。当外界溶液的浓度比细胞质的浓度低时，细胞吸水膨胀；当外界溶液的浓度比细胞质的浓度高时，细胞失水皱缩；当外界溶液的浓度与细胞质的浓度相同时，水分进出细胞处于动态平衡。0.9%的NaCl溶液或5%的葡萄糖溶液与血浆的渗透压大致相等，故0.9%的NaCl溶液或5%的葡萄糖溶液为血浆的等渗溶液，前者又叫做生理盐水。凡高于0.9%的NaCl溶液称为高渗溶液，低于者则称为低渗溶液。红细胞内的血红蛋白等有机物一般不能透过细胞膜。2、植物细胞的吸水和失水未成熟的

10、植物细胞（未形成液泡）主要靠吸胀作用吸水，干燥的种子和根尖分生区细胞主要靠吸胀作用吸水；成熟的植物细胞（形成了液泡）主要靠渗透作用吸水。吸胀作用吸水是靠物质的亲水性起作用（如：蛋白质淀粉纤维素），亲水性越强，吸水能力越大。植物细胞在形成中央大液泡之前靠吸胀作用吸水。（当大分子的淀粉和蛋白质等处于凝胶状态时，这些大分子之间有大大小小的缝隙。水分子会迅速地以扩散作用或毛细管作用等形式进入凝胶内部，具有极性的水分子与亲水凝胶结合起来，使其膨胀，这种现象叫吸胀作用。原生质凝胶吸胀作用的大小与该物质的亲水性大小有关，蛋白质、淀粉、纤维素的亲水性一次递减。因此大豆（含蛋白质多）比玉米种子（含蛋白质相对少）

11、的吸胀作用要大。干燥种子的吸胀作用的力量相当大，人们用大豆等种子填入岩石裂缝中，灌水后，大豆的吸胀力可使岩石崩裂；将大豆从动物的枕骨大孔装入颅腔内，加水后利用大豆的吸胀作用可将头颅分开。）成熟植物细胞的结构：成熟的植物细胞由于中央液泡占据了细胞的大部分空间，将细胞质挤成一薄层，所以细胞内的液体环境主要指的是液泡里面的细胞液。细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质称为原生质层。水分进出细胞要经过原生质层。成熟植物细胞吸水和失水的条件：成熟植物细胞中的原生质层（细胞膜+液泡膜+二者之间的细胞质）相当于渗透装置中的一层半透膜；细胞液（特指液泡内的液体）具有一定浓度，与外界溶液形成一定的浓度差。当细胞液

12、浓度外界溶液浓度低时，细胞吸水，细胞呈膨胀状态；当细胞液浓度外界溶液浓度低时，细胞失水，质壁分离；当细胞液浓度外界溶液浓度时，水分进出细胞处于动态平衡，细胞既不吸水也不失水。原生质层和原生质体的关系：原生质层是成熟的植物细胞内相当于半透膜的结构，由细胞膜、液泡膜以及两膜之间的细胞质组成，不包括细胞核和液泡内的细胞液。此结构仅存在于成熟的植物细胞中；原生质体是去除了植物细胞壁后所剩下的具有生物活性的植物细胞结构，包括细胞膜、细胞质、细胞核三部分，常作为植物细胞融合的材料。3、无论细胞吸水还是失水，水分子通过原生质层的扩散都是双向进行的，只不过在细胞吸水时，由外向内扩散的水分子总数多于由内向外扩散

13、的水分子总数；细胞失水时，由内向外扩散的水分子总数多于由外向内扩散的水分子总数。从整体上看，水的扩散方向是从低浓度的溶液到高溶度的溶液。想一想：当外界溶液的浓度低时，动物细胞一定会由于吸水而涨破吗？植物细胞呢？key：动物细胞会，植物细胞不会，因为植物细胞外面还有一层细胞壁，对细胞起支持和保护作用。4、注意：分生区细胞和干种子细胞因无大液泡，不能发生渗透作用，无质壁分离和复原现象。植物细胞有细胞壁的存在，不管失水还是吸水，细胞体积变化不大。但动物细胞体积会发生明显变化。三、植物细胞质壁分离及复原实验质壁分离中的“质壁”分别指：原生质层和细胞壁1、实验原理：成熟植物细胞的原生质层相当于一层半透膜

14、，细胞液具有一定的浓度，能渗透吸水或失水。2、质壁分离及复原的原因：内因：原生质层具有半透性；原生质层与细胞壁的伸缩性不同；外因：外界溶液浓度与细胞液浓度不同。当细胞液的浓度小于外界溶液的浓度时，细胞就会通过渗透作用而失水，细胞液中的水分就透过原生质层进入到外界溶液中，使细胞壁和原生质层都出现一定程度的收缩。由于原生质层比细胞壁的伸缩性大，当细胞不断失水时，原生质层就会与细胞壁逐渐分离开来，也就是逐渐发生了质壁分离。当细胞液的浓度大于外界溶液的浓度时，细胞就会通过渗透作用而吸水，外界溶液中的水分就通过原生质层进入到细胞液中，整个原生质层就会慢慢地恢复成原来的状态，紧贴细胞壁，使植物细胞逐渐发生

15、质壁分离复原。3、方法步骤4、实验现象结果：当把洋葱鳞片叶外表皮浸润在0.3g/mL的蔗糖溶液中，中央液泡逐渐变小，细胞液紫色加深，原生质层与细胞壁逐渐分离，发生质壁分离现象；当把洋葱鳞片叶外表皮浸润在清水中时，中央液泡逐渐涨大，细胞液紫色逐渐变浅，原生质层逐渐贴近细胞壁，慢慢恢复成原来状态，发生质壁分离复原。【质壁分离时能观察到的现象：中央液泡逐渐变小；细胞液颜色由浅变深；原生质层与细胞壁逐渐分离。质壁分离复原时观察到的现象：中央液泡逐渐涨大；细胞液颜色由深变浅；原生质层逐渐贴近细胞壁。】注：不论是质壁分离还是质壁分离复原，整个过程中变大变小的是液泡大小，而不是细胞大小，整个过程中细胞大小不

16、变，因为植物细胞最外面有一层细胞壁，细胞壁的伸缩性很小。上述现象是实验中先显微镜下看到的微观现象，现实生活中，我们从宏观上来考虑，质壁分离时，植物由坚挺萎焉；质壁分离复原时，植物体由萎焉坚挺。5、特别提醒在实验中，当质壁分离现象出现后，观察时间不宜过长，以免细胞因长期处于失水状态而死亡，影响质壁分离复原现象的观察。实验成功的关键是实验材料的选择，必须选择有大液泡并有颜色的植物活细胞（eg.洋葱鳞片叶外表皮细胞，液泡非常大，液泡中含花青素，呈紫色），便于在显微镜下观察。不能选用叶肉细胞，因为叶肉细胞的液泡基本无色，且叶绿体的绿色对实验有干扰。成熟的植物细胞具有中央大液泡，质壁分离及复原现象明显，

17、当然，无中央大液泡的植物细胞以及原核细胞也能发生质壁分离，但现象不明显。动物细胞由于没有细胞壁，不能发生质壁分离。若用洋葱鳞片叶内表皮(无紫色大液泡)进行实验，可选择外界溶液为一定浓度的大分子有颜色溶液，如胭脂红(水溶性大分子食用色素，呈红色)，由于细胞壁具有全透性，则可以观察到如B的实验现象。试剂的选择：一是对细胞无毒害；二是浓度适当。常选用0.3g/mL的蔗糖溶液作为分离剂。若浓度低于0.3g/mL，质壁分离不明显或不发生；若高于0.3g/mL，质壁分离速度快，甚至会使细胞失水过多而死亡，不能发生质壁分离。若使用浓度为0.5g/mL的蔗糖溶液，则质壁分离现象明显，但不能复原。因为浓度过高，

18、细胞过度失水，导致死亡。若使用浓度为1mol/mL的醋酸溶液，则不发生质壁分离及复原现象。因为醋酸能杀死细胞，使原生质层失去选择透过性。（盐酸、酒精、醋酸等溶液能杀死细胞，不适于用做质壁分离的外界溶液。）若使用浓度为1mol/mL的KNO3溶液，则细胞能发生质壁分离，并能自动复原。因为K+和NO3+可被细胞吸收，使细胞液浓度增大，细胞渗透吸水。（刚开始时，细胞外界浓度大于细胞液浓度，细胞失水，出现质壁分离现象。但由于K+和NO3-是植物细胞所需要的，细胞膜为选择透过性膜，离子可通过主动运输进入到植物细胞中，从而使细胞内的浓度增大，造成细胞外界溶度小于细胞液的情况，细胞转而吸水，也就是说细胞出现

19、质壁分离复原现象。）当以可吸收的物质做溶质时(如甘油、尿素、KNO3、乙二醇等)，可出现质壁分离和自动复原现象。本实验所用的方法为引流法，吸水纸引流是为了使细胞完全浸入蔗糖溶液中，采用了自身对照(前测和后测)。强调本实验至始至终都是用低倍镜在观察，由于洋葱细胞比较大，用低倍镜就可以观察得很清楚，换用高倍镜反而看不清楚。教材63页图43，据图分析洋葱表皮细胞显微观察时细胞核明显吗？(不明显，主要是紫色大液泡)。质壁分离时“白色部分”是细胞质吗？(是浓度降低的外界溶液)。能观察到叶绿体和染色体吗？(无叶绿体；高度分化不分裂，观察不到染色体)。必需用高倍镜吗？(不是，低倍镜观察已很清楚，换用高倍镜反

20、而看不清楚。)。判断细胞是否发生质壁分离及复原的规律(1)从细胞角度分析具有中央大液泡的成熟活植物细胞才可发生质壁分离现象。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)从溶液角度分析在溶质可穿膜的溶液中细胞会发生先质壁分离后自动复原现象。在溶质不能穿膜的溶液中细胞只会发生质壁分离现象，不能自动复原。在高浓度溶液中细胞可发生质壁分离现象，但会因过度失水而死亡不再复原。四、物质跨膜运输的其他实例1、细胞吸水和失水是水分子顺相对含量梯度跨膜运输的过程。课程导入：水是从单位体积中水分子多的一侧向水分子少的一侧运输，那么其他物质是否也都是从浓度高的一侧向浓度低的一侧跨膜运输呢？P63资料

21、分析讨论：水稻培养液里的Ca2+和Mg2+浓度为什么会增高？key：水稻吸收水分和其他离子多，而吸收Ca2+和Mg2+较少，所以培养液里的Ca2+和Mg2+浓度为什么会增高。不同作物对无机盐的吸收有差异吗？key：有明显差异，水稻吸收大量的Si4+而番茄几乎不吸收；番茄吸收Ca2+和Mg2+较多。水分子跨膜运输是顺浓度梯度的，其他物质的跨膜运输也是这样吗？key：水分子跨膜运输是顺相对含量梯度的，但其他物质并不都这样，比如水稻吸收大量的Si4+就是逆相对含量梯度，这取决于细胞生命活动的需要。细胞对物质的吸收有选择吗?如果有，这种选择性有普遍性吗？key：根据水稻和番茄对于这三种离子的吸收情况可

22、知细胞对物质的吸收具有选择性，这种选择性具有普遍性。2、细胞对无机盐离子吸收的实例实例1、不同植物对同一溶液中不同离子的吸收量不同，如水稻吸收Si4+多，吸收Ca2+、Mg2+较少，番茄吸收Ca2+、Mg2+较多，吸收Si4+较少。实例2、不同植物对同一种无机盐的阴离子的吸收量不同，如硫酸铵溶液中，植物吸收的铵根比硫酸根多；硝酸钠溶液中，植物吸收硝酸根比钠离子多；在硝酸铵溶液中，植物吸收硝酸根和铵根一样多。实例3、人体甲状腺滤泡上皮细胞具有很强的摄取碘的能力。甲状腺滤泡上皮细胞中碘的含量明显高于血液中碘的含量。实例4、海带细胞内碘的浓度比海水中碘的质量浓度高很多，但海带还可以从海水中吸收碘。实

23、例5、不同微生物对不同矿物质的吸收表现出很大的差异。原因：细胞对物质的吸收具有选择透过性，这种选择透过性与细胞膜上载体的种类和数量有关。3、物质跨膜运输的特点物质跨膜运输并不都是顺相对含量梯度的；细胞对物质的输入和输出有选择性，取决于细胞生命活动的需要。4、运输方向细胞吸水和失水是水分子顺相对含量梯度跨膜运输。细胞对一些离子（Ca2+、Mg2+等）可逆相对含量梯度运输。5、说明问题 细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜；这种膜可以让水分子自由通过，一些离子和小分子也可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过。（选择透过性的结构基础是细胞膜上载体蛋白的种类和数量不同。）半透膜和选择透过性膜的

24、异同：半透膜是指某些物质可以通过，而另一些物质不能透过的多孔性薄膜（如动物的膀胱、肠衣等）。能否通过半透膜往往取决于分子的大小；而选择透过性膜是指细胞膜等生物膜，由于膜上具有载体等结构，不同生物的细胞膜上载体种类和数量不同，构成了对不同物质的吸收与否和吸收多少的选择性。当细胞死亡时，细胞膜便失去选择透过性，变为全透膜。因此半透膜与选择透过性膜是两类概念不同的膜。它们的相同点是都可以让水分子自由通过，都不允许大分子物质通过。它们的不同点是只要分子、离子等微粒比半透膜孔径小，就能通过半透膜；而对选择透过性膜来说，即便是直径小的离子、小分子，只要不是细胞所要选择吸收的，也不能通过。选择透过性膜是生理

25、学上的概念，它具有生物活性；半透膜是物理学上的概念，物质的透过与不透过，取决于半透膜孔隙的直径大小。选择透过性膜一定是半透膜，半透膜不一定是选择透过性膜。五、细胞吸水和失水在生产生活中的应用1、合理灌溉问题：对农作物合理灌溉，既是满足作物对水分的需要，同时也降低了土壤溶液的浓度，促进水分的吸收，取得了少水高效的效果。2、防腐杀菌：在高浓度溶液中，细菌等微生物将因失水过多而死亡，从而有效防止了食品腐烂变质。腌制食品过程中，糖类、盐渍食品（如盐渍新鲜鱼、肉）不变质的原因是形成了很高浓度的溶液，使微生物（如细菌）不能在上面生存、繁殖，从而可较长时间的保存。3、“烧苗”现象：盐碱地中植物更易缺水或不易

26、存活，一次施肥过多，会造成“烧苗”现象。这时因为土壤溶液浓度过高，甚至超过了根细胞液浓度吗，根就不易吸水或因失水而造成“烧苗”现象。4、“午休”现象：夏季中午叶的气孔关闭，是为了减少水分过度散失，气孔关闭导致CO2吸收障碍，降低光合作用。5、生理盐水：医用的生理盐水浓度为0.9%，这个浓度与人的血浆及细胞内的浓度相等，即为等渗溶液。处在等渗溶液中的细胞，细胞吸水的速率与失水的速率相等，维持细胞正常形态。六、质壁分离及复原实验的应用1、判断细胞的死活（死细胞不会发生质壁分离）2、该实验可证明细胞膜的存在:发生质壁分离时，原生质层的外界面即为细胞膜。3、测定细胞液的浓度范围 将同一部位的组织制成若干个临时装片，分别置于不同浓度的蔗糖溶液中，细胞液浓度介于未发生质壁分离和刚刚发生质壁分离的两种蔗糖溶液的浓度之间。4、比较不同植物细胞的细胞液浓度大小 不同植物细胞同一浓度的蔗糖溶液镜检刚刚发生质壁分离时所需时间的比较判断细胞液浓度大小(时间越短，细胞液浓度越小)。5、比较一系列溶液的浓度的大小 同一植物的相同成熟细胞未知浓度的溶液镜检记录刚刚发生质壁分离所需时间比较所用时间长短判断溶液浓度的大小(时间越短，未知溶液的浓度越大)。