第二单元 第10讲　物质进出细胞的方式及影响因素

第10讲物质进出细胞的方式及影响因素[课标要求]1.举例说明有些物质顺浓度梯度进出细胞,不需要额外提供能量,有些物质逆浓度梯度进出细胞,需要能量和载体蛋白。2.举例说明大分子物质可以通过胞吞、胞吐进出细胞。考点一被动运输、主动运输与胞吞、胞吐1.被动运输(1)概念:物质以扩散方式进出细胞,消耗细胞内化学反应所释放的能量,这种物质跨膜运输方式称为被动运输。

(2)类型:分为自由扩散和协助扩散两类。[思考]水分子难以大量通过自由扩散进出细胞,从细胞膜的结构分析,其原因是什么?(3)转运蛋白:包括通道蛋白和载体蛋白。2.主动运输3.胞吞和胞吐1.判断正误(1)(必修1P67正文)水分子主要是通过自由扩散进出细胞的。()(2)(必修1P71正文)大分子有机物要通过转运蛋白的作用才能进入细胞内,并且要消耗能量。()(3)(必修1P72练习与应用)主动运输都是逆浓度梯度进行的。()(4)(必修1P72与社会的联系)变形虫既能通过胞吞摄取单细胞生物等食物,又能通过胞吐排出食物残渣和废物。()2.规范表达(1)(必修1P67正文拓展)水通道蛋白(AQP)是一类细胞膜通道蛋白。检测人唾液腺正常组织和水肿组织中3种AQP基因mRNA含量,发现AQP1和AQP3基因mRNA含量无变化,而水肿组织AQP5基因mRNA含量是正常组织的2.5倍。①AQP蛋白转运水进入细胞需要消耗ATP吗?请说明理由。②检测结果表明,是否只有AQP5蛋白参与人唾液腺水肿的形成?请说明理由。(2)(必修1P69正文拓展)主动运输过程中载体蛋白发生怎样的变化?(3)(必修1P72概念检测)果脯在腌制过程中慢慢变甜是不是细胞通过主动运输吸收糖分的结果?为什么?“三看法”判断物质进出细胞方式能力1结合转运蛋白的种类和功能,考查科学思维及获取信息的能力1.(2024·四川成都模拟)研究发现物质出入细胞有多种方式,有些物质的出入需要转运蛋白的协助。协助物质进出细胞的转运蛋白包括载体蛋白和通道蛋白,且载体蛋白协助物质进出细胞时可能消耗能量,也可能不消耗能量,而通道蛋白协助物质进出细胞时不消耗能量。下列叙述正确的是()[A]无转运蛋白参与的物质进出细胞的方式只有胞吞、胞吐[B]Na+能通过通道蛋白的协助逆浓度梯度运出细胞[C]在主动运输中协助物质进出细胞的蛋白质是载体蛋白[D]物质依靠通道蛋白进出细胞的方式需要消耗ATP能力2结合物质出入细胞方式的判断考查获取信息能力2.(2024·河南濮阳模拟)图1为氨基酸和Na+进出肾小管上皮细胞的示意图,图2表示甲、乙两种小分子物质在细胞内外的浓度情况。下列相关叙述错误的是()[A]图1中氨基酸运出肾小管上皮细胞的方式属于被动运输[B]使用呼吸抑制剂不会影响肾小管上皮细胞将氨基酸运进细胞[C]图2中的甲可代表图1中的Na+,进出均需要转运蛋白[D]图2中的乙可代表图1中的氨基酸,进出均需要转运蛋白关注物质进出细胞方式的5点“不一定”(1)同一种物质进出细胞的运输方式不一定相同,如人的红细胞吸收葡萄糖的方式是协助扩散,肾小管上皮细胞重吸收葡萄糖的方式是主动运输。(2)消耗能量的运输方式不一定是主动运输,也可能是胞吞或胞吐。(3)需要载体蛋白的运输方式不一定是主动运输,也可能是协助扩散。(4)通过胞吞、胞吐运输的不一定是大分子物质,如神经递质通过胞吐释放。(5)顺浓度运输的方式不一定是自由扩散,也可能是协助扩散。考点二影响物质跨膜运输速率的因素分析1.影响物质跨膜运输速率的因素(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。(2)转运蛋白数量对跨膜运输的影响。转运蛋白数量影响协助扩散和主动运输,自由扩散不受转运蛋白数量的影响。(3)氧气含量对跨膜运输的影响:通过影响细胞呼吸进而影响主动运输的速率。提醒红细胞主动运输速率与O2含量的关系同左图。(4)温度对跨膜运输的影响。2.探究物质跨膜运输方式的实验设计思路(1)探究是主动运输还是被动运输。(2)探究是自由扩散还是协助扩散。1.判断正误(1)(必修1P67正文拓展)自由扩散的速率仅与所运输物质的浓度差有关,与环境温度无关。()(2)(必修1P70正文拓展)当氧气浓度为零时,人体肝细胞吸收葡萄糖的速率为零。()2.规范表达(必修1P72拓展应用2)柽柳是强耐盐植物,它的叶子和嫩枝可以将吸收到植物体内的无机盐排出体外。柽柳的根部吸收无机盐离子是主动运输还是被动运输?如果要设计实验加以证明,请说出实验思路。能力3结合物质跨膜运输的影响因素,考查科学思维3.(2024·云南昆明模拟)细胞可运用不同的方式跨膜转运物质,下列相关叙述错误的是()[A]物质自由扩散进出细胞的速率既与浓度梯度有关,也与分子大小有关[B]小肠上皮细胞摄入和运出葡萄糖与细胞质中各种溶质分子的浓度有关[C]神经细胞膜上运入K+的载体蛋白和运出K+的通道蛋白都具有特异性[D]肾小管上皮细胞通过主动运输方式重吸收氨基酸能力4结合物质跨膜运输的有关实验,考查科学探究能力4.(2024·河南郑州月考)为探究细胞吸收葡萄糖的条件,将兔的成熟红细胞和肌肉细胞分别置于含有5.0%葡萄糖的培养液中进行实验,一段时间后测定培养液中葡萄糖的含量,结果如下表。以下分析正确的是()组别培养条件肌肉细胞成熟红细胞甲加入葡萄糖载体抑制剂5.0%5.0%乙加入呼吸抑制剂4.7%3.5%丙不做任何处理2.5%3.5%[A]该实验的对照组为甲组,因变量为培养液中葡萄糖的含量[B]甲组与丙组比较,可知肌肉细胞和成熟红细胞吸收葡萄糖均需要通道蛋白[C]乙组与丙组比较,可知肌肉细胞和成熟红细胞吸收葡萄糖均需要能量[D]实验结果说明肌肉细胞吸收葡萄糖的方式既有主动运输,也有协助扩散考向一结合生命观念及科学思维,考查物质出入细胞的方式1.(2024·浙江1月选考,3)婴儿的肠道上皮细胞可以吸收母乳中的免疫球蛋白,此过程不涉及()[A]消耗ATP [B]受体蛋白识别[C]载体蛋白协助 [D]细胞膜流动性2.(2024·甘肃卷,2)维持细胞的Na+平衡是植物的耐盐机制之一。盐胁迫下,植物细胞膜(或液泡膜)上的H+ATP酶(质子泵)和Na+H+逆向转运蛋白可将Na+从细胞质基质中转运到细胞外(或液泡中),以维持细胞质基质中的低Na+水平(见下图)。下列叙述错误的是()[A]细胞膜上的H+ATP酶磷酸化时伴随着空间构象的改变[B]细胞膜两侧的H+浓度梯度可以驱动Na+转运到细胞外[C]H+ATP酶抑制剂会干扰H+的转运,但不影响Na+转运[D]盐胁迫下Na+H+逆向转运蛋白的基因表达水平可能提高3.(2023·辽宁卷,4)血脑屏障的生物膜体系在控制物质运输方式上与细胞膜类似。下表中相关物质不可能存在的运输方式是()选项通过血脑屏障生物膜体系的物质运输方式[A]神经生长因子蛋白胞吞、胞吐[B]葡萄糖协助扩散[C]谷氨酸自由扩散[D]钙离子主动运输考向二结合科学探究考查影响细胞物质运输的因素4.(2023·湖南卷,8)盐碱胁迫下植物应激反应产生的H2O2对细胞有毒害作用。禾本科农作物AT1蛋白通过调节细胞膜上PIP2s蛋白磷酸化水平,影响H2O2的跨膜转运,如图所示。下列叙述错误的是()[A]细胞膜上PIP2s蛋白高磷酸化水平是其提高H2O2外排能力所必需的[B]PIP2s蛋白磷酸化被抑制,促进H2O2外排,从而减轻其对细胞的毒害[C]敲除AT1基因或降低其表达可提高禾本科农作物的耐盐碱能力[D]从特殊物种中发掘逆境胁迫相关基因是改良农作物抗逆性的有效途径5.(2022·海南卷,16)细胞膜上存在的多种蛋白质参与细胞的生命活动。回答下列问题。(1)细胞膜上不同的通道蛋白、载体蛋白等膜蛋白,对不同物质的跨膜运输起着决定性作用,这些膜蛋白能够体现出细胞膜具有的功能特性是

。

(2)细胞膜上的水通道蛋白是水分子进出细胞的重要通道,水分子借助水通道蛋白进出细胞的方式属于。

(3)细胞膜上的H+ATP酶是一种转运H+的载体蛋白,能催化ATP水解,利用ATP水解释放的能量将H+泵出细胞,导致细胞外的pH;此过程中,H+ATP酶作为载体蛋白在转运H+时发生的变化是。

(4)细胞膜上的受体通常是蛋白质。人体胰岛B细胞分泌的胰岛素与靶细胞膜上的受体结合时,会引起靶细胞产生相应的生理变化,这一过程体现的细胞膜的功能是

。

(5)植物根细胞借助细胞膜上的转运蛋白逆浓度梯度吸收磷酸盐,不同温度下吸收速率的变化趋势如图。与25℃相比,4℃条件下磷酸盐吸收速率低的主要原因是。

热点情境2主动运输的三种能量来源[情境链接]根据能量来源不同,主动运输可分为ATP直接提供能量(ATP驱动泵)、间接提供能量(协同转运蛋白)以及光驱动泵三种基本类型。(如图所示)1.ATP驱动泵ATP驱动泵直接利用水解ATP释放的能量,实现离子或小分子逆浓度梯度或电化学梯度的跨膜运输。这种主动运输是一种能量偶联的化学反应过程,即离子或小分子逆电化学梯度的运输与ATP水解相偶联。2.协同转运蛋白协同转运蛋白介导各种离子和分子的跨膜运输。这种转运蛋白包括两种类型:同向转运蛋白和反向转运蛋白。这两类转运蛋白使一种离子或分子逆浓度梯度转运与另一种或多种其他离子或分子顺浓度梯度的转运偶联起来。与ATP驱动泵直接利用水解ATP提供能量的方式不同,协同转运蛋白所利用的能量储存在其中一种溶质的电化学梯度中。在动物细胞膜上,Na+是常用的协同转运离子,它的电化学梯度为另一种物质的主动运输提供了驱动力。由于Na+电化学梯度的形成需要Na+K+泵水解ATP,因此,协同转运是一种间接消耗能量的主动运输方式(如下图)。3.光驱动泵当细菌紫膜质被重组到人工脂质囊泡时,经科学家们通过实验证明在有光的条件下,它能够将H+泵到囊泡内,产生一个质子梯度。当这些囊泡与从线粒体中纯化的ATP合成酶混合时,该系统就催化ATP的合成(如图丙)。这个ATP的形成需要H+浓度梯度,且研究人员发现减少系统中的紫膜质或增加解偶联剂都会减少ATP的合成(如图甲、乙、丁)。[典型例题](2021·山东卷,2)液泡是植物细胞中储存Ca2+的主要细胞器,液泡膜上的H+焦磷酸酶可利用水解无机焦磷酸释放的能量跨膜运输H+,建立液泡膜两侧的H+浓度梯度。该浓度梯度驱动H+通过液泡膜上的载体蛋白CAX完成跨膜运输,从而使Ca2+以与H+相反的方向同时通过CAX进入液泡并储存。下列说法错误的是()[A]Ca2+通过CAX的跨膜运输方式属于协助扩散[B]Ca2+通过CAX的运输有利于植物细胞保持坚挺[C]加入H+焦磷酸酶抑制剂,Ca2+通过CAX的运输速率变慢[D]H+从细胞质基质转运到液泡的跨膜运输方式属于主动运输[迁移应用]1.(2024·广东珠海调研)研究发现,植物细胞可以利用H+形成的浓度差提供的能量,通过蔗糖H+同向运输器吸收蔗糖分子。如图为蔗糖分子的跨膜运输示意图,下列相关叙述错误的是()[A]H+可采用不同的方式进行跨膜转运[B]加入H+ATP酶抑制剂不会影响蔗糖的运输速率[C]H+ATP酶既具有催化功能,又具有运输功能[D]H+ATP酶发挥作用时,其空间结构会发生改变2.(2024·甘肃金昌期中)冰菜是一种耐盐性极强的盐生植物,其茎、叶表面有盐囊细胞,富含钠、钾、胡萝卜素、氨基酸、抗酸化物等,是具有很高营养价值的蔬菜。如图表示盐囊细胞中4种离子的转运方式。下列叙述错误的是()[A]P型和V型ATP酶转运H+为Na+、K+的转运提供动力[B]NHX运输Na+有利于降低细胞质基质中Na+含量,提高耐盐性[C]在CLC开放后,H+和Cl-顺浓度梯度转运的方式属于主动运输[D]盐囊细胞膜上的某些载体蛋白可以同时具有运输和催化的功能3.(2024·广东阳江模拟)α变形菌的细胞膜镶嵌有光驱动蛋白,其作为“质子泵”可将H+从细胞内侧泵到细胞膜外,形成的H+浓度梯度(化学势能)可用于ATP合成、物质的跨膜运输或驱动细菌鞭毛运动。如图为α变形菌能量转化的部分示意图。下列叙述正确的是()[A]质子泵将H+从细胞内侧泵到细胞膜外,有利于调节α变形菌细胞的pH[B]H+从细胞内侧泵到细胞膜外过程中,光驱动蛋白的构象不会发生变化[C]H+从细胞内侧泵到细胞膜外没有消耗ATP,为被动运输[D]α变形菌的鞭毛运动可利用光能作为直接能源4.(2022·山东卷,3)NO3-和NH4+是植物利用的主要无机氮源,NH4+的吸收由根细胞膜两侧的电位差驱动,NO3-的吸收由H+浓度梯度驱动,相关转运机制如图。铵肥施用过多时[A]NH4+通过AMTs[B]NO3-通过[C]铵毒发生后,增加细胞外的NO3[D]载体蛋白NRT1.1转运NO3-和H第10讲物质进出细胞的方式及影响因素考点一被动运输、主动运输与胞吞、胞吐必备知识·梳理1.(1)不需要(2)转运蛋白高低高低不需要不消耗[思考]细胞膜以磷脂双分子层作为基本支架,水分子难以大量通过磷脂双分子层中的疏水区域。(3)协助扩散主动运输特异性2.载体蛋白逆消耗能量载体蛋白代谢废物深挖教材1.(1)×水分子主要是通过协助扩散进出细胞的。(2)×大分子有机物要进入细胞内的方式是胞吞,该过程不需要转运蛋白,但要消耗能量。(3)√(4)√2.(1)①不需要。通道蛋白参与的是被动运输(协助扩散),不消耗能量。②不是。AQP1和AQP3基因mRNA含量无变化,而水肿组织AQP5基因mRNA含量是正常组织的2.5倍,说明AQP5基因mRNA含量在水肿组织和正常组织中有差异,但不能说明只有AQP5蛋白参与人唾液腺水肿的形成。(2)离子或分子与载体蛋白结合后,载体蛋白的空间结构发生变化,运输完成后载体蛋白又恢复原状。(3)不是,腌制果脯时由于细胞外液浓度过高,细胞失水死亡,然后糖分大量扩散进入细胞才导致果脯变甜。关键能力·提升能力11.C无转运蛋白参与的物质进出细胞的方式有自由扩散、胞吞和胞吐;Na+通过载体蛋白的协助逆浓度梯度运出细胞,通道蛋白只能进行顺浓度梯度运输;在主动运输中协助物质进出细胞的蛋白质是载体蛋白;物质依靠通道蛋白进出细胞的方式是协助扩散,属于被动运输不需要消耗ATP。能力22.B据题图分析可知,肾小管上皮细胞将氨基酸顺浓度梯度运出,需要转运蛋白协助,是协助扩散,即属于被动运输;肾小管上皮细胞从肾小管管腔吸收氨基酸是从低浓度向高浓度的逆浓度梯度运输,需要消耗由Na+在细胞内、外浓度差而形成的势能,不需要呼吸作用提供能量,但是Na+在细胞内、外浓度差的维持依靠Na+的主动运输,其过程需要消耗呼吸作用合成的ATP,故使用呼吸抑制剂会影响肾小管上皮细胞将氨基酸运进细胞;图2中的甲物质细胞内的浓度低于细胞外,图1中Na+在细胞内的浓度低于细胞外,故图2中的甲可代表图1中的Na+,Na+进入细胞的方式是协助扩散,Na+运出细胞的方式是主动运输,两种运输方式都需要转运蛋白协助;图2中的细胞内乙物质的浓度高于细胞外,图1中氨基酸在细胞内的浓度高于细胞外,氨基酸进入细胞的方式是主动运输,运出细胞的方式是协助扩散,两种运输方式都需要转运蛋白协助。考点二影响物质跨膜运输速率的因素分析必备知识·梳理1.(1)转运(2)能量2.(1)主动运输被动运输(2)协助扩散自由扩散深挖教材1.(1)×自由扩散的速率既与所运输物质的浓度差有关,又与环境温度有关。(2)×肝细胞吸收葡萄糖的方式为主动运输,即使氧气浓度为零,人体肝细胞吸收葡萄糖的速率也不为零,因为肝细胞可通过无氧呼吸供能。2.取甲、乙两组生长状态基本相同的柽柳幼苗,放入适宜浓度的含有Ca2+、K+的培养液中。甲组给予正常的细胞呼吸条件,乙组抑制细胞呼吸,一段时间后测定两组植株根系对Ca2+、K+的吸收速率。若两组植株对Ca2+、K+的吸收速率相同,说明柽柳从土壤中吸收无机盐为被动运输;若乙组吸收速率明显小于甲组吸收速率,说明柽柳从土壤中吸收无机盐是主动运输。关键能力·提升能力33.B物质通过自由扩散的方式进出细胞的速率与浓度梯度有关,也与分子大小有关;小肠上皮细胞摄入葡萄糖为主动运输,与其他溶质分子浓度无关,运出葡萄糖为协助扩散,与细胞质中葡萄糖分子的浓度有关,与细胞质中其他溶质分子的浓度无关;膜转运蛋白包括载体蛋白和通道蛋白,二者都具有特异性,载体蛋白只允许与自身结合部位相适应的分子或离子通过,通道蛋白只允许与自身通道的直径和形状相适配、大小和电荷相适宜的分子或离子通过;肾小管上皮细胞重吸收氨基酸的方式是主动运输。能力44.D由于甲组加入葡萄糖载体抑制剂,乙组加入呼吸抑制剂,而丙组不加入葡萄糖载体抑制剂和呼吸抑制剂,因此该实验中,甲组和乙组为实验组,丙组为对照组,实验的自变量为是否添加抑制剂和细胞种类,因变量为培养液中葡萄糖的含量;甲组与丙组比较,自变量为是否加入葡萄糖载体抑制剂,结果显示甲组成熟红细胞和肌肉细胞培养液中葡萄糖含量不变,丙组成熟红细胞和肌肉细胞培养液中葡萄糖的含量均减少,说明肌肉细胞和成熟红细胞吸收葡萄糖均需要蛋白质协助,但不确定是否为通道蛋白;乙组与丙组比较,自变量为是否加入呼吸抑制剂,结果显示乙组肌肉细胞培养液中葡萄糖含量高于丙组,成熟红细胞培养液中葡萄糖含量两组相等,可知肌肉细胞吸收葡萄糖需要能量,成熟红细胞吸收葡萄糖不需要消耗能量;由以上分析可知,肌肉细胞吸收葡萄糖的方式既有主动运输,也有协助扩散。研练真题·感悟高考考向一1.C免疫球蛋白的化学本质是蛋白质,是有机大分子物质,吸收方式为胞吞,需要消耗ATP,胞吞体现了细胞膜具有一定的流动性的结构特点;免疫球蛋白是有机大分子物质,细胞吸收该物质,需要受体蛋白的识别,不需要载体蛋白的协助。2.C细胞膜上的H+ATP酶介导H+向细胞外转运时为主动运输,H+ATP酶磷酸化时伴随着空间构象的改变;H+顺浓度梯度进入细胞所产生的势能是驱动Na+转运到细胞外的直接动力;H+ATP酶抑制剂干扰H+的转运,进而影响膜两侧H+浓度,对Na+的运输同样起到抑制作用;耐盐植株的Na+H+逆向转运蛋白比普通植株多,以适应高盐环境,因此盐胁迫下Na+H+逆向转运蛋白的基因表达水平可能提高。3.C神经生长因子蛋白是生物大分子,以胞吞、胞吐的方式通过生物膜细胞,与生物膜的流动性有关;葡萄糖进入哺乳动物成熟红细胞的方式为协助扩散;谷氨酸跨膜运输需要载体蛋白的协助,不能为自由扩散,当谷氨酸作为神经递质出细胞时为胞吐,也不是自由扩散;钙离子通过生物膜需要载体蛋白,运输方式可能为主动运输。考向二4.B由题右图的信息可知,AT1蛋白缺陷,可以促进PIP2s蛋白的磷酸化,进而促进H2O2排出膜外;据题左图的信息可知,AT1蛋白能够抑制PIP2s蛋白的磷酸化,减少了H2O2从膜内运输到膜外的量,导致抗氧化胁迫能力弱,不能减轻H2O2对细胞的毒害;敲除AT1基因或降低其表达,可提高禾本科农作物抗氧化胁迫的能力,进而提高其成活率;从特殊物种中发掘逆境胁迫相关基因,可通过基因工程技术改良农作物抗逆性。5.【答案】(1)选择透过性(2)协助扩散(3)下降自身构象发生改变(或空间结构发生改变)(4)进行细胞间的信息交流(5)呼吸酶的活性降低,主动运输所需的能量减少【解析】(1)细胞膜上存在对不同物质的跨膜运输起决定性作用的膜蛋白,这些膜蛋白能够体现出细胞膜具有选择透过性这一功能特性。(2)水分子借助细胞膜上的水通道蛋白进出细胞,这种借助膜上转运蛋白顺浓度梯度进出细胞的物质扩散方式称为协助扩散。(3)细胞膜上的H+ATP酶能利用ATP水解释放的能量将H+泵出细胞,导致细胞外的H+增多,pH下降;载体蛋白在每次转运时都会发生自身构象的改变。(4)胰岛B细胞分泌的胰岛素,随血液到达全身各处,与靶细胞的细胞膜表面的受体结合,将信息传递给靶细胞,引起靶细胞产生相应的生理变化,该过程体现了细胞膜具有进行细胞间信息交流的功能。(5)根细胞吸收磷酸盐的方式为主动运输,影响其运输速率的因素有载体蛋白的数量及能量的供应等,4℃条件下,呼吸酶的活性降低,细胞呼吸供能减少,从而使磷酸盐吸收速率下降。热点情境2主动运输的三种能量来源[典型例题]ACa2+通过CAX的跨膜运输方式为主动运输,所需要的能量由H+浓度梯度产生的势能提供;Ca2+通过CAX的运输进入液泡,增大了细胞液的渗透压,有利于植物细胞吸水进而保持坚挺;加入H+焦磷酸酶抑制剂会抑制H+从细胞质基质进入液泡,则液泡中的H+浓度降低,液泡膜两侧的