第1节 第2课时 探究植物细胞的吸水和失水与被动运输

第1节第2课时探究植物细胞的吸水和失水与被动运输学有目标——课标要求必明记在平时——核心语句必背1.说明两种被动运输方式的异同2.尝试提出问题，作出假设，对探究活动进行设计3.进行关于植物细胞吸水和失水的实验设计和操作1.植物细胞发生质壁分离的原因：①外界溶液的浓度大于细胞液浓度；②原生质层的伸缩性大于细胞壁2.细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜，选择透过性是活细胞的一个重要特征3.被动运输是物质以扩散方式进出细胞，不需要消耗细胞内化学反应所释放的能量，包括自由扩散和协助扩散【主干知识梳理】一、探究植物细胞吸水和失水1．实验原理(1)成熟的植物细胞的原生质层相当于___________。(2)原生质层的内侧_______与外界溶液可形成浓度差。2．实验材料：紫色的洋葱鳞片叶。3．实验试剂：质量浓度为_________的蔗糖溶液，清水。一层半透膜细胞液0.3g/mL4．实验流程5．实验结果(1)当细胞液浓度_____外界溶液浓度时，细胞失水，原生质层和细胞壁分离，发生_________。(2)发生质壁分离的细胞，当细胞液浓度_____外界溶液浓度时，细胞吸水，发生_____________。二、被动运输1．概念物质以扩散方式进出细胞，不需要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。小于质壁分离大于质壁分离复原2．类型(1)_____扩散：物质通过简单的扩散作用进出细胞的方式，如二氧化碳、甘油、乙醇等。(2)_____扩散：借助膜上的转运蛋白进出细胞的方式，如水分子、葡萄糖、氨基酸等。3．影响因素(1)被动运输的速率直接受膜内外物质_________大小的影响。(2)协助扩散的速率还与_________的数量有关。浓度梯度转运蛋白【教材微点发掘】1．如图表示正在进行质壁分离的紫色洋葱细胞(由教材第63页图4­2变化而来)，请分析：(1)实验时一定要选择紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞吗？提示：不一定。但紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的细胞液中含有色素，使液泡呈现紫色，便于观察。(2)b的大小和颜色如何发生变化？提示：b逐渐变小，颜色逐渐加深。(3)当停止质壁分离时，b与c的浓度_____。相等2．物质顺浓度梯度扩散进出细胞的过程称为被动运输，分析教材第66页图4­4，回答下列问题：(1)图中圆点及圆点多少表示什么含义？提示：表示细胞内外两种物质及其浓度大小。(2)图中，物质通过简单的扩散作用进出细胞，叫作_________；进出细胞的物质借助_________(可分为载体蛋白和________两种类型)的扩散，叫作________。(3)由图示分析，自由扩散和协助扩散是顺浓度梯度运输的还是逆浓度梯度运输的？需要消耗能量吗？提示：二者都是顺浓度梯度进行的，都不需要消耗能量。自由扩散转运蛋白通道蛋白协助扩散(4)写出下列物质的跨膜运输方式①O2和CO2进出肺泡：_________。②苯被鼻黏膜细胞吸收：_________。③红细胞吸收血液中的葡萄糖：_________。④水分子进出根毛细胞：___________________。⑤胆固醇进入肝细胞：_________。⑥甘油和乙醇被小肠上皮细胞吸收：_________。自由扩散自由扩散协助扩散自由扩散或协助扩散自由扩散自由扩散概念体系新知探究(一)探究植物细胞的吸水和失水【探究·深化】[问题驱动]

如图是将紫色洋葱鳞片叶的外表皮细胞先放到0.3g/mL的蔗糖溶液中(甲)，再放到清水中(乙)的实验过程的图解。请分析回答下列问题：(1)实验中共涉及三次显微镜观察，其中第一次观察的目的是什么？提示：观察正常洋葱鳞片叶外表皮细胞的状态，以便与处理后的状态形成对照。(2)为什么用紫色洋葱鳞片叶外表皮作为实验材料？提示：紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的细胞液中有花青素，使液泡中的细胞液呈紫色，有利于观察。(3)如果没有细胞壁，细胞会发生质壁分离现象吗？提示：不会发生质壁分离现象，只发生渗透吸水或失水。(4)本实验选用0.3g/mL的蔗糖溶液作试剂，若浓度过高或过低对实验有何影响？提示：选用0.3g/mL的蔗糖溶液作试剂，既明显出现质壁分离现象，又不会杀死细胞。若浓度过高，质壁分离速度过快，细胞会因失水过多而死亡，不能再进行质壁分离复原；若浓度过低，不能引起质壁分离或质壁分离速度太慢。(5)发生质壁分离的洋葱表皮细胞的原生质层与细胞壁之间是何物质？提示：因为细胞壁是全透性的，所以洋葱表皮细胞的原生质层与细胞壁之间是蔗糖溶液。(6)若用合适浓度的KNO3溶液进行该实验，结果会发生质壁分离与复原吗？提示：开始外界溶液浓度较大，细胞发生质壁分离；细胞主动吸收K＋和NO后，随着细胞液浓度增大，质壁分离后又会自动复原。[重难点拨]

1．质壁分离实验中的两次自身对照组别实验组实验情况对照组实验情况第一次经质量浓度为0.3g/mL的蔗糖溶液处理后发生质壁分离的洋葱鳞片叶外表皮细胞自然状态下的洋葱鳞片叶外表皮细胞第二次用清水处理后发生了质壁分离复原的细胞发生了质壁分离的洋葱鳞片叶外表皮细胞2．质壁分离的条件(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)不发生质壁分离及复原现象。②具有中央大液泡的成熟植物活细胞可发生质壁分离及复原现象。(2)从溶液角度分析①在一定浓度的溶液(溶质不能透过膜)中只发生质壁分离现象，不能发生自动复原现象(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(溶质可透过膜)中发生质壁分离后可自动复原，如甘油、尿素、乙二醇、KNO3溶液等。③在高浓度溶液中质壁分离现象明显，但溶液浓度过高时不能发生质壁分离复原，因为溶液浓度过高，细胞会因过度失水而死亡。④盐酸、酒精、醋酸等溶液能杀死细胞，不适于作质壁分离实验的溶液。【典题·例析】[典例1]如图为某同学利用紫色洋葱鳞片叶作为实验材料，观察植物细胞质壁分离与复原的基本操作步骤。下列相关叙述错误的是

(

)A．第二次观察(d)和第一次观察(b)形成对照，第三次观察(f)和第二次观察(d)形成对照B．该实验用显微镜主要观察原生质层和细胞壁的位置关系、液泡的颜色和大小等C．如果将蔗糖溶液换成浓度适宜的KNO3溶液，则可以省略过程eD．增大蔗糖溶液的浓度，实验效果会更明显且不影响细胞的活性[解析]题图中共有三次显微镜观察，第二次观察与第一次观察形成对照，第三次观察与第二次观察形成对照；观察的指标主要是原生质层和细胞壁的位置关系以及液泡的大小和颜色；如果将蔗糖溶液换成适宜浓度的KNO3溶液，由于在细胞失水的同时，不断以主动运输的方式获得K＋和NO，导致细胞液浓度升高，当其大于外界溶液浓度时，细胞开始吸水，从而出现质壁分离自动复原的现象；如果蔗糖溶液的浓度过高，会导致细胞过度失水而死亡。故选D。[答案]

D[典例2]

(2023·全国甲卷)探究植物细胞的吸水和失水实验是高中学生常做的实验。某同学用紫色洋葱鳞片叶外表皮为材料进行实验，探究蔗糖溶液、清水处理外表皮后，外表皮细胞原生质体和液泡的体积及细胞液浓度的变化。图中所提到的原生质体是指植物细胞不包括细胞壁的部分。下列示意图中能够正确表示实验结果的是(

)[解析]

用30%蔗糖溶液处理紫色洋葱鳞片叶外表皮，细胞失水，随着时间的延长，原生质体和液泡的体积均减小，细胞液浓度升高，用清水处理后，细胞吸水，原生质体和液泡的体积均逐渐恢复，细胞液浓度降低，A、B错误。当蔗糖溶液浓度小于紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的细胞液浓度时，细胞吸水，由于有细胞壁的阻碍，原生质体和液泡的体积均略微增加，此时细胞液浓度略微降低；当蔗糖溶液浓度大于紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的细胞液浓度时，细胞失水，且随着蔗糖溶液浓度的增加，细胞失水增多，原生质体和液泡的体积均逐渐减小，细胞液浓度增加，C正确，D错误。[答案]

C方法规律不同外界溶液中植物细胞的变化分析将成熟的植物细胞依次浸于蒸馏水、物质的量浓度为0.3g/L的蔗糖溶液和0.5g/L的尿素溶液中，原生质体(即植物细胞中细胞壁以内的部分)的体积随时间变化如图，分析如下：(1)A曲线表示细胞在蒸馏水中：细胞略膨胀，但是由于细胞壁的存在，原生质体的体积不能无限膨胀。(2)B曲线表示细胞在0.5g/L的尿素溶液中：细胞先因渗透失水而发生质壁分离，后由于尿素能进入细胞，使得质壁分离后的细胞因吸水而自动复原。KNO3、甘油、乙二醇等溶液中也可发生质壁分离后自动复原现象。(3)C曲线表示细胞在0.3g/L的蔗糖溶液中：蔗糖不能进入细胞，因此质壁分离后细胞不能发生自动复原。【应用·体验】1．“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”实验中，用显微镜观察到的结果如图所示。下列叙述正确的是(

)

A．由实验结果推知，甲图细胞是有活性的B．与甲图细胞相比，乙图细胞的细胞液浓度较低C．丙图细胞的体积将持续增大，最终胀破D．若选用根尖分生区细胞为材料，质壁分离现象更明显解析：能发生质壁分离的细胞应为活的植物细胞，据图分析，从甲到乙发生了质壁分离现象，说明甲细胞是活细胞，A正确；乙图所示细胞发生质壁分离，该过程中细胞失水，故与甲图相比，乙图细胞的细胞液浓度较高，B错误；由于有细胞壁的限制，丙图细胞体积不会持续增大，且不会涨破，C错误；根尖分生区细胞无中央大液泡，不能发生质壁分离现象，D错误。答案：A

2．撕取洋葱外表皮分别放置在一定浓度的蔗糖和KNO3溶液中，细胞失水量的变化情况如图所示。下列叙述正确的是

(

)解析：由曲线分析可知，曲线乙表示KNO3溶液组细胞的液泡体积的变化，A错误；a点是个拐点，a点之前细胞失水，a点之后细胞又吸水，所以a点表示曲线乙中水分子进出细胞达到动态平衡状态，B正确；b点时由于K＋和NO－3大量进入细胞，细胞液渗透压应大于实验初始时的渗透压，C错误；两条曲线变化趋势的差异是因为细胞能主动吸收K＋和NO－3，而不能吸收蔗糖分子，D错误。答案：B

新知探究(二)被动运输的类型和特点【探究·深化】[问题驱动]

物质顺浓度梯度扩散进出细胞的过程称为被动运输，结合下图分析其特点。1．对两种方式进行比较，完成下表(1)方式a中，物质通过简单的扩散作用进出细胞，叫作_________。(2)方式b、c中，进出细胞的物质借助转运蛋白(载体蛋白或通道蛋白)的扩散，叫作_________。方式转运方向是否需要转运蛋白是否消耗能量方式a___浓度→___浓度___________________________________方式b、c___浓度→___浓度_____________________________高高低低不需要不消耗需要不消耗自由扩散协助扩散2．膜上的两种转运蛋白比较名称转运对象特点载体蛋白与自身结合部位相适应的__________每次转运时都会发生________的改变通道蛋白与自身通道的____________相适配、___________相适宜的分子或离子转运分子______与通道蛋白结合分子或离子自身构象直径和形状大小和电荷不需要[重难点拨]

影响被动运输的因素(1)图A表示的运输方式是自由扩散，转运速率主要取决于膜两侧物质的浓度差。(2)图B表示的运输方式可能是协助扩散，ab段主要受膜两侧浓度差的影响，bc段受到转运蛋白数量的限制，运输速率不能再上升。[典例1]如图表示与自由扩散、协助扩散有关的图例或曲线。下列选项中对应正确的是

(

)【典题·例析】A．肺泡上皮细胞吸收氧气——①④B．人的成熟红细胞吸收葡萄糖——②③C．甘油进出细胞——①③D．肌肉细胞吸收水——②④[解析]

①②表示两种跨膜运输方式，分别是自由扩散、协助扩散，③④表示两种影响因素曲线，分别对应自由扩散、协助扩散。肺泡上皮细胞吸收氧气的方式是自由扩散，对应①③，A错误；人的成熟红细胞吸收葡萄糖的过程属于协助扩散，对应②④，B错误；甘油进出细胞的过程属于自由扩散，对应①③，C正确；肌肉细胞吸收水的方式是自由扩散和协助扩散，可对应①②③④，D错误。[答案]

C[典例2]图中甲、乙分别表示载体蛋白介导和通道蛋白介导的两种跨膜运输方式。下列叙述正确的是(

)A．载体蛋白和通道蛋白在细胞膜上是静止不动的B．载体蛋白和通道蛋白均具有一定的专一性C．甲、乙两种方式中只有甲属于被动运输D．甲、乙中载体蛋白和通道蛋白转运溶质分子的作用机制相同[解析]

载体蛋白和通道蛋白在细胞膜上不是静止不动的，二者都具有流动性，A错误；甲、乙两种方式都是将溶质分子从高浓度一侧运输到低浓度一侧，且需要转运蛋白的协助，都属于被动运输中的协助扩散，C错误；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，而且每次转运时都会发生自身构象的改变，而分子或离子通过通道蛋白时，不需要与通道蛋白结合，二者作用机制不同，D错误。[答案]

B【应用·体验】1．甲、乙两种物质分别以自由扩散和协助扩散进入细胞，如果以人工合成的无蛋白磷脂双分子膜代替细胞膜，并维持其他条件不变，则 (

)A．甲物质的运输被促进 B.乙物质的运输被促进C．甲物质的运输被抑制

D．乙物质的运输被抑制解析：是否需要转运蛋白是自由扩散与协助扩散的区别。由于人工合成的无蛋白磷脂双分子膜无蛋白质，也就没有转运蛋白，协助扩散将受到抑制。故选D。答案：D

2．如图表示一种物质的跨膜运输方式，下列叙述正确的是

(

)A．该膜中载体蛋白也能运输蔗糖B．碘以该方式进入海带细胞C．该方式不会出现饱和现象D．该方式发生在被运输物质从高浓度到低浓度时解析：据图可知，葡萄糖进入细胞需要载体蛋白，而不需要能量，故该跨膜运输方式为协助扩散，只能从高浓度一侧运输到低浓度一侧；跨膜运输中的载体蛋白具有专一性，运输葡萄糖的载体蛋白不能运输蔗糖；碘进入细胞的方式为主动运输，而不是协助扩散；由于膜上运输相应物质的转运蛋白数量是有限的，故该运输方式会达到饱和。故选D。答案：D科学探究——植物细胞质壁分离实验的应用1．判断成熟植物细胞是活细胞还是死细胞2