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全国通用高中生物 一轮复习 第二单元 专题三 细胞代谢课件PPT
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这是一份全国通用高中生物 一轮复习 第二单元 专题三 细胞代谢课件PPT，共60页。PPT课件主要包含了考情解读，必备知识通关，解题能力提升，突破攻略，实验流程等内容，欢迎下载使用。
考点1 渗透作用的原理和应用 必备知识通关 解题能力提升 考法1 渗透作用的模型分析 考点2 实验：观察植物细胞的质壁分离和复原 必备知识通关 解题能力提升 考法2 植物细胞的质壁分离与复原的判断及其拓展应用
考点3 实验：细胞内的有机物的观察与鉴定 必备知识通关 解题能力提升 考法3 物质出入细胞 考法4 不同因素对物质运输的影响分析 “双一流”名校冲刺 经典回顾1 载体蛋白的种类
课标要求实验:通过模拟实验探究膜的透性；实验:观察植物细胞的质壁分离和复原；阐明质膜具有选择透过性;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;举例说明大分子物质可以通过胞吞、胞吐进出细胞。
高考怎么考高考注重对渗透作用原理、质壁分离现象分析、物质跨膜运输方式的判断等基础知识的考查,体现高考对基础性知识的要求。预计2022年高考可能会通过图示或材料信息考查物质跨膜运输方式的判断等。通过载体蛋白的最新科研进展在治疗疾病方面的应用、人工膜在海水淡化等方面的应用等新情境,让考生用所学知识解释或解决生物学现象或问题,体现了高考对知识综合性、应用性和创新性的要求。预计2022年高考可能会通过设置新情境考查渗透作用原理等在实际生产实践中的应用。
考点 1 渗透作用的原理和应用
1.渗透作用(1)概念:指水分子(或者其他溶剂分子)透过半透膜的扩散。(2)发生条件:①具有半透膜;②半透膜两侧的溶液存在浓度差。2.细胞的吸水和失水
说明 通过渗透作用发生的两个条件——半透膜和浓度差,采用类比的思想方法分析植物细胞和动物细胞的结构,理解细胞吸水和失水的原理。3.相似概念辨析(1)原生质体和原生质层①原生质体特指去除细胞壁的植物细胞。②原生质层由细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质组成,不包括细胞核和液泡内的细胞液两部分,且仅存在于成熟的植物细胞中。(2)半透膜和选择透过性膜①半透膜是指无生物活性的多孔性薄膜。决定物质进出的因素是分子的大小。
②选择透过性膜是指有生物活性的生物膜,决定物质进出的因素包括载体的种类和数目。③两者都允许水分子自由通过。(3)渗透作用与扩散
误区警示 有关渗透作用的四个误区水分子的运输特点:无论细胞吸水还是失水,半透膜两侧水分子的移动都是双向的。渗透平衡的实质:渗透平衡只意味着半透膜两侧水分子移动达到平衡状态,既不可看作没有水分子移动,也不可看作两侧溶液浓度绝对相等。浓度的实质:渗透系统中的溶液浓度指物质的量浓度,而非质量浓度。观察指标:漏斗内液面的变化,不能用烧杯内液面的变化,因其现象不明显。
考法1 渗透作用的模型分析 无论是示意图还是装置图,解决问题的核心都是半透膜、半透膜两侧的浓度差。不同装置间存在相同点:
(1)渗透体系液面变化达到平衡前,从微观角度看:水分子移动速率整体上表现为v1>v2;从宏观角度看:高浓度一侧液面上升,低浓度一侧液面下降(溶质不能通过半透膜)。(2)渗透体系液面变化达到平衡后,从微观角度看:水分子移动速率整体上表现为v3=v4;从宏观角度看:原溶液浓度高的一侧液面高(溶质不能通过半透膜),同一体系中浓度差越大,则液面高度差也越大。(3)水分子扩散的动力:浓度差→水分子总是从浓度低的一侧向浓度高的一侧扩散。
(4)液面的变化情况可依据两侧溶液中的溶质是否能通过半透膜,分为两种情况。①若不能通过半透膜,则原高浓度溶液侧液面升高;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溶液向高浓度溶液扩散。②若仅一种溶质(位于高浓度一侧)能通过半透膜,则刚开始高浓度溶液侧液面升高,然后另一侧液面升高。
命题角度1 渗透系统与渗透作用的分析示例1 如图为常见的两种渗透装置图(图中S1为0.3 ml/L的蔗糖溶液、S2为蒸馏水、S3为0.3 ml/L的葡萄糖溶液;已知葡萄糖能通过半透膜,但蔗糖不能通过半透膜),两装置半透膜面积相同,初始时半透膜两侧液面高度一致,装置甲一段时间后向S1中加入蔗糖酶。有关叙述错误的是A.实验刚刚开始时,装置甲和装置乙中水分子从S2侧进入另一侧的速度一样B.装置乙的现象是S3侧液面先上升后下降,最终S3和S2液面持平C.漏斗中液面先上升,加酶后继续上升,然后下降D.装置甲、乙达到渗透平衡时,水分子均不从S2侧进入另一侧
思路分析▶解析▶根据渗透作用的原理,实验刚刚开始时,由于装置甲和装置乙中半透膜两侧的溶液浓度差相同,两装置半透膜面积相同,所以水分子从S2侧进入另一侧的速度一样,A正确;由于葡萄糖能通过半透膜,所以装置乙的现象是S3侧液面先上升后下降,最终S3和S2液面持平,B正确;装置甲因渗透作用,水分子进入漏斗使漏斗中液面上升,加酶后,漏斗中溶液浓度增大,液面会继续上升,但是由于蔗糖被水解为葡萄糖和果糖,其中葡萄糖能通过半透膜,所以漏斗内溶液浓度减小,液面开始下降,C正确;在达到渗透平衡时,水分子的进出达到动态平衡,即两装置中水分子仍从S2侧进入另一侧,D错误。答案▶D
渗透装置中水分子渗透方向与溶液浓度的判断(假设溶质不能通过半透膜)
命题角度2 细胞吸水和失水情况分析考情回顾 判断正误:1.[2020全国卷Ⅱ,T3B]探究人体红细胞因失水而发生的形态变化时,可用肉眼直接观察。( )2.[2020全国卷Ⅰ,T4C改编]哺乳动物的红细胞可用于观察细胞的吸水和失水。( )答案▶1.✕ 2.√
示例2 [植物细胞的吸水和失水分析][2017全国卷Ⅱ,4,6分]将某种植物的成熟细胞放入一定浓度的物质A溶液中,发现其原生质体(即植物细胞中细胞壁以内的部分)的体积变化趋势如图所示。下列叙述正确的是A.0~4 h内物质A没有通过细胞膜进入细胞内B.0~1 h内细胞体积与原生质体体积的变化量相等 C.2~3 h内物质A溶液的渗透压小于细胞液的渗透压D.0~1 h内液泡中液体的渗透压大于细胞质基质的渗透压
思路分析▶解答本题的关键是学会分析曲线图。由图可知,0~1 h内原生质体的相对体积减小,细胞失水,植物细胞发生质壁分离;2~4 h内原生质体的相对体积增大,细胞吸水,植物细胞发生质壁分离复原,据此分析各选项作出正确判断。 解析▶该植物细胞质壁分离后的复原是因为物质A进入了细胞,使细胞液渗透压升高导致细胞吸水,A项错误;植物细胞发生质壁分离的内因是原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性,所以0~1 h内,细胞体积变化量小于原生质体体积的变化量,B项错误;2~3 h内原生质体的相对体积增大,此时细胞液的渗透压大于细胞外溶液的渗透压, C项正确;0~1 h内原生质体的相对体积减小,液泡中的水分进入细胞质基质,此时细胞质基质的渗透压大于液泡中液体的渗透压, D项错误。答案▶D
核心素养解读 本题主要考查的核心素养是科学思维和科学探究,具体表现在两个角度:
情景转化[科学探究——实验原理分析]该题实验中用到的物质A溶液可能是适宜浓度的 (填“KNO3溶液”或“蔗糖溶液”),原因是 。[科学思维——分析与综合]若该细胞放在不同浓度的物质A溶液中,最后没有发生质壁分离后的自动复原,原因可能是什么? 答案▶1.KNO3溶液 K+和N可被细胞吸收,使细胞液浓度增大,所以细胞先发生质壁分离后又自动复原,蔗糖分子不能透过原生质层,不会使细胞发生质壁分离后的自动复原 2.提示:物质A溶液的初始浓度太高,细胞在高浓度溶液中失水死亡。
示例3 [动物细胞的吸水和失水分析][2017浙江4月选考,14,2分]将家兔红细胞置于不同浓度的溶液中,水分子的跨膜运输示意图如下(箭头方向表示水分子的进出,箭头粗细表示水分子进出的多少)。下列叙述正确的是A.一段时间后,甲细胞会发生质壁分离B.能发生渗透作用的是甲细胞和丙细胞C.光学显微镜下可观察到乙细胞有水分子的进出D.若将甲、乙和丙细胞同时分别置于蒸馏水中,甲细胞先破裂
解析▶家兔红细胞没有细胞壁,不会发生质壁分离,A错误。分析示意图,甲和丙细胞与外界溶液都存在浓度差,能发生渗透作用,B正确。光学显微镜下看不到乙细胞有水分子的进出,C错误。若将实验前的甲、乙、丙细胞同时分别置于蒸馏水中,由于甲、乙和丙细胞来自同一只家兔,细胞内液的浓度几乎相同,将其置于蒸馏水中,应该同时破裂;若将实验后的甲、乙、丙细胞同时分别置于蒸馏水中,由于丙细胞开始时已经吸水膨胀,则其在蒸馏水中应先破裂,D错误。答案▶B
考点 2 实验:观察植物细胞的质壁分离和复原
1.实验原理(1)成熟的植物细胞的原生质层相当于一层半透膜。(2)细胞液具有一定的浓度,能渗透吸水和失水。(3)原生质层比细胞壁的伸缩性大得多。
名师提醒实验选择紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的原因是其细胞液中含有色素,使液泡呈现紫色,便于实验现象的观察。无色洋葱鳞片叶内表皮细胞也可以发生质壁分离,只不过实验现象不容易观察到。质壁分离过程中,植物细胞吸水能力的变化取决于细胞液浓度的变化:失水→质壁分离→细胞液浓度变大→细胞吸水能力变强。当给出某细胞的质壁分离状态图时,不可盲目地确定此细胞一定正在发生质壁分离。因为此时细胞可能正在发生质壁分离,也可能正在发生质壁分离复原,或正处于水分子进出平衡状态。该实验中进行了三次显微镜观察,并存在两次自身对照:第一次是质壁分离状态与自然状态对照,第二次是复原状态与质壁分离状态对照。
考法6 植物细胞的质壁分离与复原的判断及其拓展应用1.细胞能否发生质壁分离和复原的判断(1)从细胞角度分析判断依据:活的且有大液泡和细胞壁的细胞。①死细胞、动物细胞不发生质壁分离现象。②成熟且具有中央大液泡的植物细胞易发生质壁分离现象,而未成熟的植物细胞(如根尖分生区细胞等)不具有大液泡,则不易发生质壁分离现象。
(2)从溶液角度分析判断依据:能保持细胞活性且能与细胞液形成浓度差的溶液。①在一定浓度的溶液(溶质不能穿膜)中只发生质壁分离现象。②在一定浓度的溶液(溶质可穿膜)中发生质壁分离后可自动复原,如甘油、尿素、KNO3溶液等。③在高浓度溶液中质壁分离现象明显,但溶液浓度过高时细胞会因过度失水而死亡,因此不能发生质壁分离复原。④盐酸、酒精、醋酸等能杀死细胞,使原生质层失去选择透过性,不能作为质壁分离实验的溶液。
2.质壁分离和复原实验的拓展应用(1)判断成熟植物细胞的死活(2)测定细胞液的浓度范围
(3)比较不同植物细胞的细胞液浓度的大小(4)鉴别某物质是否能通过膜结构
命题角度3 分析质壁分离和复原实验的选材、原理、操作和现象考情回顾 判断正误:[2020全国卷Ⅰ,T4A改编]大蒜根尖分生区细胞可用于观察细胞的质壁分离与复原。( )[2020山东,T3C]质壁分离过程中,黑藻细胞绿色加深、吸水能力减小。( )[2020江苏,T25B改编]用0.3 g/mL蔗糖溶液处理的紫色洋葱鳞片叶外表皮装片,紫色的液泡逐渐变小,颜色逐渐变深。( )[2019海南,T7B]需在高倍镜下才能观察到洋葱鳞片叶外表皮细胞的质壁分离。( )[2019江苏,T22B]在蔗糖溶液中加入适量红墨水,可用于观察白洋葱鳞片叶表皮细胞的质壁分离。( )
答案▶1.×(提示:根尖分生区细胞无中央大液泡,不能用于观察质壁分离与复原) 2.×(提示:质壁分离过程中细胞吸水能力逐渐增大) 3.√ 4.×(提示:用紫色洋葱鳞片叶外表皮制作临时装片,在低倍镜下就能观察到细胞的质壁分离) 5.√(提示:在蔗糖溶液中加入适量红墨水后,由于细胞壁是全透的,细胞膜具有选择透过性,红墨水不能通过细胞膜进入细胞中,细胞壁与原生质层之间充满着红色溶液,白洋葱鳞片叶表皮细胞的原生质层为无色,因此可以用于观察细胞的质壁分离)
示例4 [新课标全国卷Ⅰ高考,4,6分]下列关于植物细胞质壁分离实验的叙述,错误的是A.与白色花瓣相比,采用红色花瓣有利于实验现象的观察B.用黑藻叶片进行实验时,叶绿体的存在会干扰实验现象的观察C.用紫色洋葱鳞片叶外表皮不同部位观察到的质壁分离程度可能不同D.紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的液泡中有色素,有利于实验现象的观察
思路分析▶理解植物细胞质壁分离的原理、熟悉实验选材的原则是解答本题的关键,同时要注意挖掘隐含信息:液泡内细胞液的颜色和细胞质中叶绿体的颜色有利于观察质壁分离现象。解析▶红色花瓣的色素存在于液泡中,便于观察细胞的质壁分离现象,A项正确。用黑藻叶片进行质壁分离实验时,能够以叶绿体为标志观察到原生质体的变化,有利于实验现象的观察,B项错误。由于不同部位的细胞细胞液浓度可能不同,故用同一浓度的蔗糖溶液做实验,观察到的不同部位细胞的质壁分离程度可能不同,C项正确。紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的液泡中含有色素,有利于观察液泡大小的变化,D项正确。答案▶B
拓展延伸1.对于质壁分离过程的图像,需要注意细胞核一直在原生质层内,细胞液的颜色深浅变化能够反映质壁分离的程度。2.做质壁分离和复原实验时,可根据实际情况对实验材料进行选择,但是实验材料应该满足以下三个条件之一:液泡有颜色;液泡没颜色时,原生质层有颜色(叶绿体);液泡和原生质层都没有颜色,外界溶液有颜色(加有颜色的溶液)。因此,可以选用紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞,也可以选用黑藻细胞(液泡没有颜色,但含有叶绿体)。一般不用无颜色的洋葱鳞片叶内表皮细胞。
命题角度4 质壁分离和复原实验的拓展应用示例5 [海南高考,10,2分]取生理状态相同的某种植物新鲜叶片若干,去除主脉后剪成大小相同的小块,随机分成三等份,之后分别放入三种浓度的蔗糖溶液(甲、乙、丙)中,一定时间后测得甲的浓度变小,乙的浓度不变,丙的浓度变大。假设蔗糖分子不进出细胞,则关于这一实验结果,下列说法正确的是A.实验前,丙的浓度>乙的浓度>甲的浓度B.乙的浓度不变是因为细胞内蔗糖浓度与乙的浓度相等C.实验中,细胞与蔗糖溶液间的水分移动属于协助扩散D.甲、丙的浓度变化是由水分在细胞与蔗糖溶液间移动引起的
思路分析▶解析▶当外界溶液浓度大于细胞液浓度时,细胞失水,反之细胞吸水,两者浓度相等时,吸水量与失水量相等,水分进出达到动态平衡状态。分析实验结果可知,实验过程中,甲溶液中植物细胞失水,乙溶液中植物细胞水分进出达到动态平衡,丙溶液中植物细胞吸水,所以实验前甲的浓度>乙的浓度>丙的浓度,A错误;乙的浓度不变是因为外界溶液与细胞液是等渗溶液,水分进出达到动态平衡,并非细胞内的蔗糖浓度与乙的浓度相等,B错误;实验中细胞与蔗糖溶液间的水分移动属于自由扩散,C错误;甲、丙的浓度变化是由水分在细胞与蔗糖溶液间移动引起的,D正确。答案▶D
考点 3 物质出入细胞的方式
一、小分子和离子的跨膜运输方式
二、大分子和颗粒性物质出入细胞的方式
误区警示 明辨物质运输的四个“不一定”1.小分子物质的运输方式不一定都是被动运输或主动运输,如神经递质的释放方式是胞吐。2.生物大分子不一定都是以胞吞、胞吐方式运输的,如RNA和蛋白质可通过核孔出入细胞核。3.需要细胞代谢供能的运输方式不一定就是主动运输,胞吞和胞吐也消耗能量。4.无机盐离子的运输方式不一定是主动运输,如兴奋产生过程中的K+外流和Na+内流的方式均为协助扩散。
考法3 物质出入细胞方式的判断1.实验法探究物质跨膜运输的方式(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
2.三看法快速判断物质出入细胞的方式
3.不同情境中运输方式的判断(1)运输模型图中运输方式的判断:甲为主动运输,乙为自由扩散,丙、丁为协助扩散。
(2)运输曲线图中运输方式的判断[具体曲线见考法4]①有饱和点的曲线表示协助扩散或主动运输;②运输速率与浓度差成正比关系的曲线表示自由扩散;③运输速率与呼吸强度或氧浓度有关系的曲线表示主动运输、胞吞或胞吐。4.归纳法记忆同一物质的不同运输方式
命题角度5 结合材料信息或图像考查物质跨膜运输的方式考情回顾 判断正误:[2018全国卷Ⅱ,T2A、C、D]巨噬细胞摄入病原体的过程属于协助扩散;( )神经细胞受到刺激时产生的Na+内流属于被动运输;( )护肤品中的甘油进入皮肤细胞的过程属于主动运输。( )[2018北京理综,T1][题干信息:细胞膜的选择透过性保证了细胞内相对稳定的微环境。下列物质中,以(自由)扩散方式通过细胞膜的是]Na+;( )二氧化碳;( )RNA;( )胰岛素。( )
[2017浙江11月选考,T7C](题干信息:下列物质出入细胞过程中,需消耗ATP的是)矿质离子逆浓度梯度转运至根细胞内。( )[2016全国卷Ⅲ,T1A]细胞膜两侧的离子浓度差是通过自由扩散实现的。( )答案▶1.×(提示:巨噬细胞摄入病原体的过程属于胞吞) √ ×(提示:护肤品中的甘油进入皮肤细胞的过程属于自由扩散) 2.×(提示:Na+通过细胞膜的方式有协助扩散和主动运输) √(提示:自由扩散不需要载体蛋白、不消耗ATP,以自由扩散方式通过细胞膜的物质有水、氧气、二氧化碳、脂溶性物质等) ×(提示:RNA是生物大分子,一般不能以自由扩散的方式通过细胞膜) ×(提示:胰岛素是蛋白质,以胞吐的方式运出细胞) 3.√ 4.×(提示:自由扩散顺浓度梯度进行,不能维持细胞膜两侧的浓度差,细胞膜两侧的离子浓度差通过主动运输实现)
示例6 研究人员为研究小肠绒毛上皮细胞对葡萄糖的转运方式进行了相关体外实验。若用蛋白质抑制剂处理小肠绒毛,葡萄糖的转运速率为0;在外界葡萄糖浓度为5 mM时,抑制细胞呼吸与正常情况下,细胞转运葡萄糖的速率不同,且有一种情况下速率为0;在外界葡萄糖浓度为100 mM时,抑制细胞呼吸情况下,葡萄糖的转运速率与正常情况相比有所下降但不为0。下列相关叙述错误的是A.小肠绒毛上皮细胞内葡萄糖的浓度大于5 mMB.外界葡萄糖浓度较低时,小肠绒毛上皮细胞可通过主动运输吸收葡萄糖C.小肠绒毛上皮细胞转运葡萄糖的速率一直与外界葡萄糖的浓度呈正比D.小肠绒毛上皮细胞转运葡萄糖既可以逆浓度梯度进行也可以顺浓度梯度进行
解析▶ 据题干信息“用蛋白质抑制剂处理小肠绒毛,葡萄糖的转运速率为0”,说明葡萄糖的运输需要蛋白质作为载体,运输方式为协助扩散或主动运输,在外界葡萄糖浓度为 5 mM时,抑制细胞呼吸,葡萄糖转运速率为0,正常情况下则不为0,说明该浓度下细胞转运葡萄糖的方式有主动运输,且小肠绒毛上皮细胞内葡萄糖的浓度大于5 mM,A正确;小肠绒毛上皮细胞吸收葡萄糖的方式有主动运输,外界葡萄糖浓度较低时,小肠绒毛上皮细胞可通过主动运输吸收葡萄糖,B正确;协助扩散或主动运输两种方式下,细胞转运葡萄糖的速率都不可能一直与外界葡萄糖的浓度呈正比,C错误;据题干信息“外界葡萄糖浓度为100 mM时,抑制细胞呼吸情况下,葡萄糖的转运速率与正常情况相比有所下降但不为0”,说明该过程存在主动运输,而抑制细胞呼吸仍存在葡萄糖的转运,说明该过程存在协助扩散,前者可以逆浓度梯度进行,后者顺浓度梯度进行,D正确。答案▶C
链接新教材 载体蛋白和通道蛋白
命题角度6 胞吞和胞吐考情回顾 1.[2018海南,T7改编]小麦种子萌发过程中,α-淀粉酶在糊粉层的细胞中合 成,在胚乳中分解淀粉。该酶从糊粉层细胞排到细胞外的方式是 。 2.[2016全国卷Ⅰ,T31(3)]免疫细胞行使免疫功能时,会涉及胞吞和胞吐这两种物质跨膜运输方式,这两种方式的共同点有 (答出两点即可)。 答案▶1.含该酶的囊泡与质膜融合排出(提示:α-淀粉酶的化学本质是大分子蛋白质,从糊粉层细胞排到细胞外的方式是胞吐) 2.能运输生物大分子等、运输过程中形成囊泡、需要消耗能量
示例7 [新课标全国卷Ⅱ,3,6分]下列过程中,不属于胞吐作用的是A.浆细胞分泌抗体到细胞外的过程B.mRNA从细胞核到细胞质的过程C.分泌蛋白从胰腺的腺泡细胞到胞外的过程D.突触小泡中的神经递质释放到突触间隙的过程
解析▶抗体是分泌蛋白,浆细胞分泌抗体到细胞外的过程,属于胞吐作用,A正确;mRNA通过核孔从细胞核进入细胞质,不属于胞吐作用,B错误;分泌蛋白从胰腺的腺泡细胞到胞外的过程,属于胞吐作用,C正确;突触小泡与突触前膜融合,将神经递质释放到突触间隙,属于胞吐作用,D正确。答案▶B
考法4 不同因素对物质跨膜运输的影响分析1.物质浓度差对物质跨膜运输的影响(主要影响自由扩散和协助扩散)
自由扩散中,浓度差越大,运输速率越大;协助扩散中,浓度差达到一定程度后运输速率不再继续增大的原因是受载体数量(主要影响协助扩散和主动运输)的限制。
2.氧气浓度及呼吸作用强度对物质跨膜运输的影响(主要影响主动运输和胞吞、胞吐)
(1)由于自由扩散和协助扩散不需要消耗细胞代谢产生的能量,因此其运输速率与氧气浓度和呼吸作用强度无关。(2)有氧呼吸和无氧呼吸都可以为主动运输提供能量,因此,氧气浓度为0时,可由无氧呼吸为其提供能量,故图B中曲线的起点不在原点。一定要注意图B、C的区别。
(3)如果是哺乳动物成熟红细胞,A图也可以表示某物质的主动运输的运输 速率与氧气浓度的关系。3.温度对物质跨膜运输的影响(影响所有运输方式) 温度影响物质运输速率时,既与分子的运动有关,也与细胞呼吸有关。
命题角度7 结合图像或实验考查物质跨膜运输的影响因素考情回顾 判断正误:[2018全国卷Ⅰ,T3B]农田适时松土有利于农作物根细胞对矿质元素的吸收。( )[2018海南,T6D改编](题干信息:将水稻幼苗培养在含MgSO4的培养液中,一段时间后,发现营养液中Mg2+和S的含量下降,下列叙述合理的是)降低温度会影响水稻根系对Mg2+的吸收。( ) 答案▶1.√ 2.√(提示:温度能影响细胞膜的流动性,也会影响细胞呼吸相关酶的活性,进而影响物质跨膜运输的速率,因此降低温度会影响水稻根系对Mg2+的吸收)
示例8 [结合图像]如图甲、乙分别是洋葱根尖在不同含氧量及不同底物浓度情况下(其他条件适宜),从含硝酸钾的全营养液中吸收N的速率曲线图。下列相关描述错误的是A.a点时影响离子吸收速率的主要因素是能量B.b点时离子吸收速率不再增大是因为载体的数量有限C.c点时影响离子吸收速率的主要因素是底物浓度D.d点时离子吸收速率不再增大是因为底物浓度太高,细胞发生质壁分离
思路分析▶解析▶洋葱根尖吸收N的方式是主动运输,吸收速率受能量、载体和底物浓度的影响。a点时离子吸收速率未达到最大,限制因素主要是O2浓度,而O2浓度通过影响呼吸作用产生的能量影响吸收速率,故此时主要影响因素是能量,A正确;b点时离子吸收速率不再随O2浓度增大而增大,此时的限制因素是载体的数量,B正确;c点时离子吸收速率未达到最大,此时影响离子吸收速率的主要因素是底物浓度,C正确;d点时离子吸收速率不再随底物浓度增大而增大,主要是因为载体数量有限,D错误。答案▶D
示例9 [结合图像和实验][2019海南,27,10分]在适宜条件下,测得的某植物根细胞对a、b两种物质的吸收速率与外界溶液中这两种物质浓度的关系如图所示(a、b两条曲线分别代表植物根细胞对不同浓度a、b两种物质的吸收速率)。回答下列问题。(1)根据实验结果发现a是通过自由扩散方式跨膜运输的。自由扩散的含义是 。 (2)实验结果表明:当外界溶液中b的浓度达到一定数值时,再增加b的浓度,根细胞对b的吸收速率不再增加。可能的原因是 。
(3)王同学据图认为b的跨膜运输方式是主动运输,李同学则认为是协助扩散。请设计实验确定王同学的判断是否正确。要求简要写出实验思路、预期结果和结论。解析▶(1)自由扩散是指物质通过简单的扩散作用进出细胞。(2)由于载体的数量是有限的,当外界溶液中b的浓度达到一定数值时,再增加b的浓度,根细胞对b的吸收速率不再增加。(3)由于协助扩散需要载体,但不消耗细胞代谢产生的能量,而主动运输需要载体和细胞代谢产生的能量,所以可以通过改变细胞呼吸的方式来确定b的跨膜运输方式。 取甲、乙两组长势相同的某植物根细胞,放入适宜浓度的含有b的培养液中。 甲组根细胞给予正常的呼吸条件,乙组根细胞抑制细胞呼吸,其他条件都相同。 一段时间后测定两组根细胞对b的吸收速率。 预测实验结果并分析: a.若甲、乙两组根细胞对b的吸收速率基本相同,则说明根细胞吸收b的方式不是主动运输。 b.若乙组根细胞的吸收速率明显小于甲组根细胞的吸收速率,说明根细胞吸收b的方式是主动运输。
答案▶(1)物质通过简单的扩散作用进出细胞 (2)载体数量饱和 (3)实验思路:将长势相同的某植物根细胞平均分为两组,甲组放在氧气充足条件下,乙组放在无氧条件下, 将甲、乙两组植物根细胞放在其他条件相同且适宜的条件下培养,并分别测定根细胞对b物质的吸收速率。 预期结果和结论:若甲组根细胞对b物质的吸收速率大于乙组, 则说明b物质的跨膜运输方式为主动运输;若甲组和乙组根细胞对b物质的吸收速率大致相同,则说明b物质的跨膜运输方式为协助扩散。
双一流”名校冲刺
经典回顾1 载体蛋白的种类高中阶段接触到的载体蛋白有很多种类,不同载体蛋白的功能和作用机理各不相同,考生复习过程中容易出现知识上的混乱,高考对载体蛋白的考查又是如何体现的呢?下面分别以钠钾泵、同向转运体、离子泵、质子泵为研究对象,结合历年经典高考真题,构建较为完整的题型体系,帮助考生科学备考。
1.钠钾泵与同向转运体(1)钠钾泵(也称钠钾转运体),为蛋白质分子,协助细胞内外Na+和K+的转运。每消耗一个ATP分子,逆浓度梯度泵出三个Na+和泵入两个K+,保持膜内高钾、膜外高钠的不均匀离子分布。(2)同向转运体:使两种物质进行同向跨膜运输的载体蛋白。已知甲状腺滤泡上皮细胞内碘浓度比血液中的高20~25倍,碘进入甲状腺滤泡上皮细胞的方式为主动运输。示例10题干信息显示钠—碘同向转运体借助Na+的浓度梯度将碘通过主动运输转运进甲状腺滤泡上皮细胞,换句话说,碘主动运输所需能量来自Na+浓度梯度差所形成的势能。
示例10 [2020山东,8,2分]碘是甲状腺激素合成的重要原料。甲状腺滤泡上皮细胞膜上的钠—钾泵可维持细胞内外的Na+浓度梯度,钠—碘同向转运体借助Na+的浓度梯度将碘转运进甲状腺滤泡上皮细胞,碘被甲状腺过氧化物酶活化后,进入滤泡腔参与甲状腺激素的合成。下列说法正确的是A.长期缺碘可导致机体的促甲状腺激素分泌减少B.用钠—钾泵抑制剂处理甲状腺滤泡上皮细胞,会使其摄碘能力减弱C.抑制甲状腺过氧化物酶的活性,可使甲状腺激素合成增加D.使用促甲状腺激素受体阻断剂可导致甲状腺激素分泌增加
解析▶碘是甲状腺激素合成的重要原料,长期缺碘可导致甲状腺激素的合成和分泌减少,进而通过反馈调节导致机体的促甲状腺激素分泌增多,A错误;甲状腺滤泡上皮细胞膜上的钠—钾泵可维持细胞内外的Na+浓度梯度,钠—碘同向转运体借助Na+浓度梯度将碘转运进甲状腺滤泡上皮细胞,用钠—钾泵抑制剂处理甲状腺滤泡上皮细胞,会使其摄碘能力减弱,B正确;由题意可知,碘被甲状腺过氧化物酶活化后,进入滤泡腔参与甲状腺激素的合成,故抑制甲状腺过氧化物酶的活性,会使甲状腺激素的合成减少,C错误;使用促甲状腺激素受体阻断剂可使甲状腺激素的分泌减少,D错误。答案▶B
2.离子泵 离子泵属于复合蛋白,既具有酶的催化功能(催化ATP水解),又具有运输离子的功能,通过主动运输的方式对特定离子进行跨膜运输。前面介绍的钠钾泵就是一种特殊的离子泵。示例11 [结合材料信息][2016全国卷Ⅰ,2,6分]离子泵是一种具有ATP水解酶活性的载体蛋白,能利用水解ATP释放的能量跨膜运输离子。下列叙述正确的是A.离子通过离子泵的跨膜运输属于协助扩散B.离子通过离子泵的跨膜运输是顺着浓度梯度进行的C.动物一氧化碳中毒会降低离子泵跨膜运输离子的速率D.加入蛋白质变性剂会提高离子泵跨膜运输离子的速率
思路分析▶解析▶由题干离子泵“能利用水解ATP释放的能量跨膜运输离子”可知,离子通过离子泵的跨膜运输属于主动运输,A项错误;由题干信息可知,离子通过离子泵的跨膜运输属于主动运输,主动运输逆浓度梯度进行,B项错误;动物一氧化碳中毒会降低其体内红细胞运输氧气的能力,导致动物体内细胞有氧呼吸强度降低,供能减少,离子泵跨膜运输离子的速率下降,C项正确;由题干信息可知,离子泵是一种载体蛋白,加入蛋白质变性剂会使载体蛋白变性,降低离子泵跨膜运输离子的速率, D项错误。答案▶B
3.质子泵 质子泵有多种类型,高考题中涉及的有两类:一种是利用ATP水解释放的能量,逆浓度梯度转运H+的质子泵;另一种是利用H+顺浓度梯度跨膜运输产生的能量来合成ATP的质子泵。
示例12 [2019全国卷Ⅱ,3,6分]某种H+-ATPase是一种位于膜上的载体蛋白,具有ATP水解酶活性,能够利用水解ATP释放的能量逆浓度梯度跨膜转运H+。①将某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定pH的溶液中(假设细胞内的pH高于细胞外),置于暗中一段时间后,溶液的pH不变。②再将含有保卫细胞的该溶液分成两组,一组照射蓝光后溶液的pH明显降低;另一组先在溶液中加入H+-ATPase的抑制剂(抑制ATP水解),再用蓝光照射,溶液的pH不变。根据上述实验结果,下列推测不合理的是A.H+-ATPase位于保卫细胞质膜上,蓝光能够引起细胞内的H+转运到细胞外B.蓝光通过保卫细胞质膜上的H+-ATPase发挥作用导致H+逆浓度梯度跨膜运输C.H+-ATPase逆浓度梯度跨膜转运H+所需的能量可由蓝光直接提供D.溶液中的H+不能通过自由扩散的方式透过细胞质膜进入保卫细胞
解析▶细胞内的pH高于细胞外,照射蓝光后溶液的pH明显降低,说明在蓝光照射下细胞内的H+由细胞内转运到细胞外,推测H+-ATPase位于保卫细胞质膜上,A正确;结合①、②分析,可知蓝光照射导致的H+逆浓度梯度跨膜运输应是蓝光通过保卫细胞质膜上的H+-ATPase实现的,B正确;H+-ATPase逆浓度梯度跨膜转运H+所需的能量由ATP水解直接提供,C错误;抑制H+-ATPase的活性,再用蓝光照射,溶液的pH不变,说明溶液中的H+不能通过自由扩散的方式经细胞质膜进入保卫细胞,D正确。答案▶C
考点1 渗透作用的原理和应用 必备知识通关 解题能力提升 考法1 渗透作用的模型分析 考点2 实验：观察植物细胞的质壁分离和复原 必备知识通关 解题能力提升 考法2 植物细胞的质壁分离与复原的判断及其拓展应用
考点3 实验：细胞内的有机物的观察与鉴定 必备知识通关 解题能力提升 考法3 物质出入细胞 考法4 不同因素对物质运输的影响分析 “双一流”名校冲刺 经典回顾1 载体蛋白的种类
课标要求实验:通过模拟实验探究膜的透性；实验:观察植物细胞的质壁分离和复原；阐明质膜具有选择透过性;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;举例说明大分子物质可以通过胞吞、胞吐进出细胞。
高考怎么考高考注重对渗透作用原理、质壁分离现象分析、物质跨膜运输方式的判断等基础知识的考查,体现高考对基础性知识的要求。预计2022年高考可能会通过图示或材料信息考查物质跨膜运输方式的判断等。通过载体蛋白的最新科研进展在治疗疾病方面的应用、人工膜在海水淡化等方面的应用等新情境,让考生用所学知识解释或解决生物学现象或问题,体现了高考对知识综合性、应用性和创新性的要求。预计2022年高考可能会通过设置新情境考查渗透作用原理等在实际生产实践中的应用。
考点 1 渗透作用的原理和应用
1.渗透作用(1)概念:指水分子(或者其他溶剂分子)透过半透膜的扩散。(2)发生条件:①具有半透膜;②半透膜两侧的溶液存在浓度差。2.细胞的吸水和失水
说明 通过渗透作用发生的两个条件——半透膜和浓度差,采用类比的思想方法分析植物细胞和动物细胞的结构,理解细胞吸水和失水的原理。3.相似概念辨析(1)原生质体和原生质层①原生质体特指去除细胞壁的植物细胞。②原生质层由细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质组成,不包括细胞核和液泡内的细胞液两部分,且仅存在于成熟的植物细胞中。(2)半透膜和选择透过性膜①半透膜是指无生物活性的多孔性薄膜。决定物质进出的因素是分子的大小。
②选择透过性膜是指有生物活性的生物膜,决定物质进出的因素包括载体的种类和数目。③两者都允许水分子自由通过。(3)渗透作用与扩散
误区警示 有关渗透作用的四个误区水分子的运输特点:无论细胞吸水还是失水,半透膜两侧水分子的移动都是双向的。渗透平衡的实质:渗透平衡只意味着半透膜两侧水分子移动达到平衡状态,既不可看作没有水分子移动,也不可看作两侧溶液浓度绝对相等。浓度的实质:渗透系统中的溶液浓度指物质的量浓度,而非质量浓度。观察指标:漏斗内液面的变化,不能用烧杯内液面的变化,因其现象不明显。
考法1 渗透作用的模型分析 无论是示意图还是装置图,解决问题的核心都是半透膜、半透膜两侧的浓度差。不同装置间存在相同点:
(1)渗透体系液面变化达到平衡前,从微观角度看:水分子移动速率整体上表现为v1>v2;从宏观角度看:高浓度一侧液面上升,低浓度一侧液面下降(溶质不能通过半透膜)。(2)渗透体系液面变化达到平衡后,从微观角度看:水分子移动速率整体上表现为v3=v4;从宏观角度看:原溶液浓度高的一侧液面高(溶质不能通过半透膜),同一体系中浓度差越大,则液面高度差也越大。(3)水分子扩散的动力:浓度差→水分子总是从浓度低的一侧向浓度高的一侧扩散。
(4)液面的变化情况可依据两侧溶液中的溶质是否能通过半透膜,分为两种情况。①若不能通过半透膜,则原高浓度溶液侧液面升高;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溶液向高浓度溶液扩散。②若仅一种溶质(位于高浓度一侧)能通过半透膜,则刚开始高浓度溶液侧液面升高,然后另一侧液面升高。
命题角度1 渗透系统与渗透作用的分析示例1 如图为常见的两种渗透装置图(图中S1为0.3 ml/L的蔗糖溶液、S2为蒸馏水、S3为0.3 ml/L的葡萄糖溶液;已知葡萄糖能通过半透膜,但蔗糖不能通过半透膜),两装置半透膜面积相同,初始时半透膜两侧液面高度一致,装置甲一段时间后向S1中加入蔗糖酶。有关叙述错误的是A.实验刚刚开始时,装置甲和装置乙中水分子从S2侧进入另一侧的速度一样B.装置乙的现象是S3侧液面先上升后下降,最终S3和S2液面持平C.漏斗中液面先上升,加酶后继续上升,然后下降D.装置甲、乙达到渗透平衡时,水分子均不从S2侧进入另一侧
思路分析▶解析▶根据渗透作用的原理,实验刚刚开始时,由于装置甲和装置乙中半透膜两侧的溶液浓度差相同,两装置半透膜面积相同,所以水分子从S2侧进入另一侧的速度一样,A正确;由于葡萄糖能通过半透膜,所以装置乙的现象是S3侧液面先上升后下降,最终S3和S2液面持平,B正确;装置甲因渗透作用,水分子进入漏斗使漏斗中液面上升,加酶后,漏斗中溶液浓度增大,液面会继续上升,但是由于蔗糖被水解为葡萄糖和果糖,其中葡萄糖能通过半透膜,所以漏斗内溶液浓度减小,液面开始下降,C正确;在达到渗透平衡时,水分子的进出达到动态平衡,即两装置中水分子仍从S2侧进入另一侧,D错误。答案▶D
渗透装置中水分子渗透方向与溶液浓度的判断(假设溶质不能通过半透膜)
命题角度2 细胞吸水和失水情况分析考情回顾 判断正误:1.[2020全国卷Ⅱ,T3B]探究人体红细胞因失水而发生的形态变化时,可用肉眼直接观察。( )2.[2020全国卷Ⅰ,T4C改编]哺乳动物的红细胞可用于观察细胞的吸水和失水。( )答案▶1.✕ 2.√
示例2 [植物细胞的吸水和失水分析][2017全国卷Ⅱ,4,6分]将某种植物的成熟细胞放入一定浓度的物质A溶液中,发现其原生质体(即植物细胞中细胞壁以内的部分)的体积变化趋势如图所示。下列叙述正确的是A.0~4 h内物质A没有通过细胞膜进入细胞内B.0~1 h内细胞体积与原生质体体积的变化量相等 C.2~3 h内物质A溶液的渗透压小于细胞液的渗透压D.0~1 h内液泡中液体的渗透压大于细胞质基质的渗透压
思路分析▶解答本题的关键是学会分析曲线图。由图可知,0~1 h内原生质体的相对体积减小,细胞失水,植物细胞发生质壁分离;2~4 h内原生质体的相对体积增大,细胞吸水,植物细胞发生质壁分离复原,据此分析各选项作出正确判断。 解析▶该植物细胞质壁分离后的复原是因为物质A进入了细胞,使细胞液渗透压升高导致细胞吸水,A项错误;植物细胞发生质壁分离的内因是原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性,所以0~1 h内,细胞体积变化量小于原生质体体积的变化量,B项错误;2~3 h内原生质体的相对体积增大,此时细胞液的渗透压大于细胞外溶液的渗透压, C项正确;0~1 h内原生质体的相对体积减小,液泡中的水分进入细胞质基质,此时细胞质基质的渗透压大于液泡中液体的渗透压, D项错误。答案▶D
核心素养解读 本题主要考查的核心素养是科学思维和科学探究,具体表现在两个角度:
情景转化[科学探究——实验原理分析]该题实验中用到的物质A溶液可能是适宜浓度的 (填“KNO3溶液”或“蔗糖溶液”),原因是 。[科学思维——分析与综合]若该细胞放在不同浓度的物质A溶液中,最后没有发生质壁分离后的自动复原,原因可能是什么? 答案▶1.KNO3溶液 K+和N可被细胞吸收,使细胞液浓度增大,所以细胞先发生质壁分离后又自动复原,蔗糖分子不能透过原生质层,不会使细胞发生质壁分离后的自动复原 2.提示:物质A溶液的初始浓度太高,细胞在高浓度溶液中失水死亡。
示例3 [动物细胞的吸水和失水分析][2017浙江4月选考,14,2分]将家兔红细胞置于不同浓度的溶液中,水分子的跨膜运输示意图如下(箭头方向表示水分子的进出,箭头粗细表示水分子进出的多少)。下列叙述正确的是A.一段时间后,甲细胞会发生质壁分离B.能发生渗透作用的是甲细胞和丙细胞C.光学显微镜下可观察到乙细胞有水分子的进出D.若将甲、乙和丙细胞同时分别置于蒸馏水中,甲细胞先破裂
解析▶家兔红细胞没有细胞壁,不会发生质壁分离,A错误。分析示意图,甲和丙细胞与外界溶液都存在浓度差,能发生渗透作用,B正确。光学显微镜下看不到乙细胞有水分子的进出,C错误。若将实验前的甲、乙、丙细胞同时分别置于蒸馏水中,由于甲、乙和丙细胞来自同一只家兔,细胞内液的浓度几乎相同,将其置于蒸馏水中,应该同时破裂;若将实验后的甲、乙、丙细胞同时分别置于蒸馏水中,由于丙细胞开始时已经吸水膨胀,则其在蒸馏水中应先破裂,D错误。答案▶B
考点 2 实验:观察植物细胞的质壁分离和复原
1.实验原理(1)成熟的植物细胞的原生质层相当于一层半透膜。(2)细胞液具有一定的浓度,能渗透吸水和失水。(3)原生质层比细胞壁的伸缩性大得多。
名师提醒实验选择紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的原因是其细胞液中含有色素,使液泡呈现紫色,便于实验现象的观察。无色洋葱鳞片叶内表皮细胞也可以发生质壁分离,只不过实验现象不容易观察到。质壁分离过程中,植物细胞吸水能力的变化取决于细胞液浓度的变化:失水→质壁分离→细胞液浓度变大→细胞吸水能力变强。当给出某细胞的质壁分离状态图时,不可盲目地确定此细胞一定正在发生质壁分离。因为此时细胞可能正在发生质壁分离,也可能正在发生质壁分离复原,或正处于水分子进出平衡状态。该实验中进行了三次显微镜观察,并存在两次自身对照:第一次是质壁分离状态与自然状态对照,第二次是复原状态与质壁分离状态对照。
考法6 植物细胞的质壁分离与复原的判断及其拓展应用1.细胞能否发生质壁分离和复原的判断(1)从细胞角度分析判断依据:活的且有大液泡和细胞壁的细胞。①死细胞、动物细胞不发生质壁分离现象。②成熟且具有中央大液泡的植物细胞易发生质壁分离现象,而未成熟的植物细胞(如根尖分生区细胞等)不具有大液泡,则不易发生质壁分离现象。
(2)从溶液角度分析判断依据:能保持细胞活性且能与细胞液形成浓度差的溶液。①在一定浓度的溶液(溶质不能穿膜)中只发生质壁分离现象。②在一定浓度的溶液(溶质可穿膜)中发生质壁分离后可自动复原,如甘油、尿素、KNO3溶液等。③在高浓度溶液中质壁分离现象明显,但溶液浓度过高时细胞会因过度失水而死亡,因此不能发生质壁分离复原。④盐酸、酒精、醋酸等能杀死细胞,使原生质层失去选择透过性,不能作为质壁分离实验的溶液。
2.质壁分离和复原实验的拓展应用(1)判断成熟植物细胞的死活(2)测定细胞液的浓度范围
(3)比较不同植物细胞的细胞液浓度的大小(4)鉴别某物质是否能通过膜结构
命题角度3 分析质壁分离和复原实验的选材、原理、操作和现象考情回顾 判断正误:[2020全国卷Ⅰ,T4A改编]大蒜根尖分生区细胞可用于观察细胞的质壁分离与复原。( )[2020山东,T3C]质壁分离过程中,黑藻细胞绿色加深、吸水能力减小。( )[2020江苏,T25B改编]用0.3 g/mL蔗糖溶液处理的紫色洋葱鳞片叶外表皮装片,紫色的液泡逐渐变小,颜色逐渐变深。( )[2019海南,T7B]需在高倍镜下才能观察到洋葱鳞片叶外表皮细胞的质壁分离。( )[2019江苏,T22B]在蔗糖溶液中加入适量红墨水,可用于观察白洋葱鳞片叶表皮细胞的质壁分离。( )
答案▶1.×(提示:根尖分生区细胞无中央大液泡,不能用于观察质壁分离与复原) 2.×(提示:质壁分离过程中细胞吸水能力逐渐增大) 3.√ 4.×(提示:用紫色洋葱鳞片叶外表皮制作临时装片,在低倍镜下就能观察到细胞的质壁分离) 5.√(提示:在蔗糖溶液中加入适量红墨水后,由于细胞壁是全透的,细胞膜具有选择透过性,红墨水不能通过细胞膜进入细胞中,细胞壁与原生质层之间充满着红色溶液,白洋葱鳞片叶表皮细胞的原生质层为无色,因此可以用于观察细胞的质壁分离)
示例4 [新课标全国卷Ⅰ高考,4,6分]下列关于植物细胞质壁分离实验的叙述,错误的是A.与白色花瓣相比,采用红色花瓣有利于实验现象的观察B.用黑藻叶片进行实验时,叶绿体的存在会干扰实验现象的观察C.用紫色洋葱鳞片叶外表皮不同部位观察到的质壁分离程度可能不同D.紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的液泡中有色素,有利于实验现象的观察
思路分析▶理解植物细胞质壁分离的原理、熟悉实验选材的原则是解答本题的关键,同时要注意挖掘隐含信息:液泡内细胞液的颜色和细胞质中叶绿体的颜色有利于观察质壁分离现象。解析▶红色花瓣的色素存在于液泡中,便于观察细胞的质壁分离现象,A项正确。用黑藻叶片进行质壁分离实验时,能够以叶绿体为标志观察到原生质体的变化,有利于实验现象的观察,B项错误。由于不同部位的细胞细胞液浓度可能不同,故用同一浓度的蔗糖溶液做实验,观察到的不同部位细胞的质壁分离程度可能不同,C项正确。紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞的液泡中含有色素,有利于观察液泡大小的变化,D项正确。答案▶B
拓展延伸1.对于质壁分离过程的图像,需要注意细胞核一直在原生质层内,细胞液的颜色深浅变化能够反映质壁分离的程度。2.做质壁分离和复原实验时,可根据实际情况对实验材料进行选择,但是实验材料应该满足以下三个条件之一:液泡有颜色;液泡没颜色时,原生质层有颜色(叶绿体);液泡和原生质层都没有颜色,外界溶液有颜色(加有颜色的溶液)。因此,可以选用紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞,也可以选用黑藻细胞(液泡没有颜色,但含有叶绿体)。一般不用无颜色的洋葱鳞片叶内表皮细胞。
命题角度4 质壁分离和复原实验的拓展应用示例5 [海南高考,10,2分]取生理状态相同的某种植物新鲜叶片若干,去除主脉后剪成大小相同的小块,随机分成三等份,之后分别放入三种浓度的蔗糖溶液(甲、乙、丙)中,一定时间后测得甲的浓度变小,乙的浓度不变,丙的浓度变大。假设蔗糖分子不进出细胞,则关于这一实验结果,下列说法正确的是A.实验前,丙的浓度>乙的浓度>甲的浓度B.乙的浓度不变是因为细胞内蔗糖浓度与乙的浓度相等C.实验中,细胞与蔗糖溶液间的水分移动属于协助扩散D.甲、丙的浓度变化是由水分在细胞与蔗糖溶液间移动引起的
思路分析▶解析▶当外界溶液浓度大于细胞液浓度时,细胞失水,反之细胞吸水,两者浓度相等时,吸水量与失水量相等,水分进出达到动态平衡状态。分析实验结果可知,实验过程中,甲溶液中植物细胞失水,乙溶液中植物细胞水分进出达到动态平衡,丙溶液中植物细胞吸水,所以实验前甲的浓度>乙的浓度>丙的浓度,A错误;乙的浓度不变是因为外界溶液与细胞液是等渗溶液,水分进出达到动态平衡,并非细胞内的蔗糖浓度与乙的浓度相等,B错误;实验中细胞与蔗糖溶液间的水分移动属于自由扩散,C错误;甲、丙的浓度变化是由水分在细胞与蔗糖溶液间移动引起的,D正确。答案▶D
考点 3 物质出入细胞的方式
一、小分子和离子的跨膜运输方式
二、大分子和颗粒性物质出入细胞的方式
误区警示 明辨物质运输的四个“不一定”1.小分子物质的运输方式不一定都是被动运输或主动运输,如神经递质的释放方式是胞吐。2.生物大分子不一定都是以胞吞、胞吐方式运输的,如RNA和蛋白质可通过核孔出入细胞核。3.需要细胞代谢供能的运输方式不一定就是主动运输,胞吞和胞吐也消耗能量。4.无机盐离子的运输方式不一定是主动运输,如兴奋产生过程中的K+外流和Na+内流的方式均为协助扩散。
考法3 物质出入细胞方式的判断1.实验法探究物质跨膜运输的方式(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
2.三看法快速判断物质出入细胞的方式
3.不同情境中运输方式的判断(1)运输模型图中运输方式的判断:甲为主动运输,乙为自由扩散,丙、丁为协助扩散。
(2)运输曲线图中运输方式的判断[具体曲线见考法4]①有饱和点的曲线表示协助扩散或主动运输;②运输速率与浓度差成正比关系的曲线表示自由扩散;③运输速率与呼吸强度或氧浓度有关系的曲线表示主动运输、胞吞或胞吐。4.归纳法记忆同一物质的不同运输方式
命题角度5 结合材料信息或图像考查物质跨膜运输的方式考情回顾 判断正误:[2018全国卷Ⅱ,T2A、C、D]巨噬细胞摄入病原体的过程属于协助扩散;( )神经细胞受到刺激时产生的Na+内流属于被动运输;( )护肤品中的甘油进入皮肤细胞的过程属于主动运输。( )[2018北京理综,T1][题干信息:细胞膜的选择透过性保证了细胞内相对稳定的微环境。下列物质中,以(自由)扩散方式通过细胞膜的是]Na+;( )二氧化碳;( )RNA;( )胰岛素。( )
[2017浙江11月选考,T7C](题干信息:下列物质出入细胞过程中,需消耗ATP的是)矿质离子逆浓度梯度转运至根细胞内。( )[2016全国卷Ⅲ,T1A]细胞膜两侧的离子浓度差是通过自由扩散实现的。( )答案▶1.×(提示:巨噬细胞摄入病原体的过程属于胞吞) √ ×(提示:护肤品中的甘油进入皮肤细胞的过程属于自由扩散) 2.×(提示:Na+通过细胞膜的方式有协助扩散和主动运输) √(提示:自由扩散不需要载体蛋白、不消耗ATP,以自由扩散方式通过细胞膜的物质有水、氧气、二氧化碳、脂溶性物质等) ×(提示:RNA是生物大分子,一般不能以自由扩散的方式通过细胞膜) ×(提示:胰岛素是蛋白质,以胞吐的方式运出细胞) 3.√ 4.×(提示:自由扩散顺浓度梯度进行,不能维持细胞膜两侧的浓度差,细胞膜两侧的离子浓度差通过主动运输实现)
示例6 研究人员为研究小肠绒毛上皮细胞对葡萄糖的转运方式进行了相关体外实验。若用蛋白质抑制剂处理小肠绒毛,葡萄糖的转运速率为0;在外界葡萄糖浓度为5 mM时,抑制细胞呼吸与正常情况下,细胞转运葡萄糖的速率不同,且有一种情况下速率为0;在外界葡萄糖浓度为100 mM时,抑制细胞呼吸情况下,葡萄糖的转运速率与正常情况相比有所下降但不为0。下列相关叙述错误的是A.小肠绒毛上皮细胞内葡萄糖的浓度大于5 mMB.外界葡萄糖浓度较低时,小肠绒毛上皮细胞可通过主动运输吸收葡萄糖C.小肠绒毛上皮细胞转运葡萄糖的速率一直与外界葡萄糖的浓度呈正比D.小肠绒毛上皮细胞转运葡萄糖既可以逆浓度梯度进行也可以顺浓度梯度进行
解析▶ 据题干信息“用蛋白质抑制剂处理小肠绒毛,葡萄糖的转运速率为0”,说明葡萄糖的运输需要蛋白质作为载体,运输方式为协助扩散或主动运输,在外界葡萄糖浓度为 5 mM时,抑制细胞呼吸,葡萄糖转运速率为0,正常情况下则不为0,说明该浓度下细胞转运葡萄糖的方式有主动运输,且小肠绒毛上皮细胞内葡萄糖的浓度大于5 mM,A正确;小肠绒毛上皮细胞吸收葡萄糖的方式有主动运输,外界葡萄糖浓度较低时,小肠绒毛上皮细胞可通过主动运输吸收葡萄糖,B正确;协助扩散或主动运输两种方式下,细胞转运葡萄糖的速率都不可能一直与外界葡萄糖的浓度呈正比,C错误;据题干信息“外界葡萄糖浓度为100 mM时,抑制细胞呼吸情况下,葡萄糖的转运速率与正常情况相比有所下降但不为0”,说明该过程存在主动运输,而抑制细胞呼吸仍存在葡萄糖的转运,说明该过程存在协助扩散,前者可以逆浓度梯度进行,后者顺浓度梯度进行,D正确。答案▶C
链接新教材 载体蛋白和通道蛋白
命题角度6 胞吞和胞吐考情回顾 1.[2018海南,T7改编]小麦种子萌发过程中,α-淀粉酶在糊粉层的细胞中合 成,在胚乳中分解淀粉。该酶从糊粉层细胞排到细胞外的方式是 。 2.[2016全国卷Ⅰ,T31(3)]免疫细胞行使免疫功能时,会涉及胞吞和胞吐这两种物质跨膜运输方式,这两种方式的共同点有 (答出两点即可)。 答案▶1.含该酶的囊泡与质膜融合排出(提示:α-淀粉酶的化学本质是大分子蛋白质,从糊粉层细胞排到细胞外的方式是胞吐) 2.能运输生物大分子等、运输过程中形成囊泡、需要消耗能量
示例7 [新课标全国卷Ⅱ,3,6分]下列过程中,不属于胞吐作用的是A.浆细胞分泌抗体到细胞外的过程B.mRNA从细胞核到细胞质的过程C.分泌蛋白从胰腺的腺泡细胞到胞外的过程D.突触小泡中的神经递质释放到突触间隙的过程
解析▶抗体是分泌蛋白,浆细胞分泌抗体到细胞外的过程,属于胞吐作用,A正确;mRNA通过核孔从细胞核进入细胞质,不属于胞吐作用,B错误;分泌蛋白从胰腺的腺泡细胞到胞外的过程,属于胞吐作用,C正确;突触小泡与突触前膜融合,将神经递质释放到突触间隙,属于胞吐作用,D正确。答案▶B
考法4 不同因素对物质跨膜运输的影响分析1.物质浓度差对物质跨膜运输的影响(主要影响自由扩散和协助扩散)
自由扩散中,浓度差越大,运输速率越大;协助扩散中,浓度差达到一定程度后运输速率不再继续增大的原因是受载体数量(主要影响协助扩散和主动运输)的限制。
2.氧气浓度及呼吸作用强度对物质跨膜运输的影响(主要影响主动运输和胞吞、胞吐)
(1)由于自由扩散和协助扩散不需要消耗细胞代谢产生的能量,因此其运输速率与氧气浓度和呼吸作用强度无关。(2)有氧呼吸和无氧呼吸都可以为主动运输提供能量,因此,氧气浓度为0时,可由无氧呼吸为其提供能量,故图B中曲线的起点不在原点。一定要注意图B、C的区别。
(3)如果是哺乳动物成熟红细胞,A图也可以表示某物质的主动运输的运输 速率与氧气浓度的关系。3.温度对物质跨膜运输的影响(影响所有运输方式) 温度影响物质运输速率时,既与分子的运动有关,也与细胞呼吸有关。
命题角度7 结合图像或实验考查物质跨膜运输的影响因素考情回顾 判断正误:[2018全国卷Ⅰ,T3B]农田适时松土有利于农作物根细胞对矿质元素的吸收。( )[2018海南,T6D改编](题干信息:将水稻幼苗培养在含MgSO4的培养液中,一段时间后,发现营养液中Mg2+和S的含量下降,下列叙述合理的是)降低温度会影响水稻根系对Mg2+的吸收。( ) 答案▶1.√ 2.√(提示:温度能影响细胞膜的流动性,也会影响细胞呼吸相关酶的活性,进而影响物质跨膜运输的速率,因此降低温度会影响水稻根系对Mg2+的吸收)
示例8 [结合图像]如图甲、乙分别是洋葱根尖在不同含氧量及不同底物浓度情况下(其他条件适宜),从含硝酸钾的全营养液中吸收N的速率曲线图。下列相关描述错误的是A.a点时影响离子吸收速率的主要因素是能量B.b点时离子吸收速率不再增大是因为载体的数量有限C.c点时影响离子吸收速率的主要因素是底物浓度D.d点时离子吸收速率不再增大是因为底物浓度太高,细胞发生质壁分离
思路分析▶解析▶洋葱根尖吸收N的方式是主动运输,吸收速率受能量、载体和底物浓度的影响。a点时离子吸收速率未达到最大,限制因素主要是O2浓度,而O2浓度通过影响呼吸作用产生的能量影响吸收速率,故此时主要影响因素是能量,A正确;b点时离子吸收速率不再随O2浓度增大而增大,此时的限制因素是载体的数量,B正确;c点时离子吸收速率未达到最大,此时影响离子吸收速率的主要因素是底物浓度,C正确;d点时离子吸收速率不再随底物浓度增大而增大,主要是因为载体数量有限,D错误。答案▶D
示例9 [结合图像和实验][2019海南,27,10分]在适宜条件下,测得的某植物根细胞对a、b两种物质的吸收速率与外界溶液中这两种物质浓度的关系如图所示(a、b两条曲线分别代表植物根细胞对不同浓度a、b两种物质的吸收速率)。回答下列问题。(1)根据实验结果发现a是通过自由扩散方式跨膜运输的。自由扩散的含义是 。 (2)实验结果表明:当外界溶液中b的浓度达到一定数值时,再增加b的浓度,根细胞对b的吸收速率不再增加。可能的原因是 。
(3)王同学据图认为b的跨膜运输方式是主动运输,李同学则认为是协助扩散。请设计实验确定王同学的判断是否正确。要求简要写出实验思路、预期结果和结论。解析▶(1)自由扩散是指物质通过简单的扩散作用进出细胞。(2)由于载体的数量是有限的,当外界溶液中b的浓度达到一定数值时,再增加b的浓度,根细胞对b的吸收速率不再增加。(3)由于协助扩散需要载体,但不消耗细胞代谢产生的能量,而主动运输需要载体和细胞代谢产生的能量,所以可以通过改变细胞呼吸的方式来确定b的跨膜运输方式。 取甲、乙两组长势相同的某植物根细胞,放入适宜浓度的含有b的培养液中。 甲组根细胞给予正常的呼吸条件,乙组根细胞抑制细胞呼吸,其他条件都相同。 一段时间后测定两组根细胞对b的吸收速率。 预测实验结果并分析: a.若甲、乙两组根细胞对b的吸收速率基本相同,则说明根细胞吸收b的方式不是主动运输。 b.若乙组根细胞的吸收速率明显小于甲组根细胞的吸收速率,说明根细胞吸收b的方式是主动运输。
答案▶(1)物质通过简单的扩散作用进出细胞 (2)载体数量饱和 (3)实验思路:将长势相同的某植物根细胞平均分为两组,甲组放在氧气充足条件下,乙组放在无氧条件下, 将甲、乙两组植物根细胞放在其他条件相同且适宜的条件下培养,并分别测定根细胞对b物质的吸收速率。 预期结果和结论:若甲组根细胞对b物质的吸收速率大于乙组, 则说明b物质的跨膜运输方式为主动运输;若甲组和乙组根细胞对b物质的吸收速率大致相同,则说明b物质的跨膜运输方式为协助扩散。
双一流”名校冲刺
经典回顾1 载体蛋白的种类高中阶段接触到的载体蛋白有很多种类,不同载体蛋白的功能和作用机理各不相同,考生复习过程中容易出现知识上的混乱,高考对载体蛋白的考查又是如何体现的呢?下面分别以钠钾泵、同向转运体、离子泵、质子泵为研究对象,结合历年经典高考真题,构建较为完整的题型体系,帮助考生科学备考。
1.钠钾泵与同向转运体(1)钠钾泵(也称钠钾转运体),为蛋白质分子,协助细胞内外Na+和K+的转运。每消耗一个ATP分子,逆浓度梯度泵出三个Na+和泵入两个K+,保持膜内高钾、膜外高钠的不均匀离子分布。(2)同向转运体:使两种物质进行同向跨膜运输的载体蛋白。已知甲状腺滤泡上皮细胞内碘浓度比血液中的高20~25倍,碘进入甲状腺滤泡上皮细胞的方式为主动运输。示例10题干信息显示钠—碘同向转运体借助Na+的浓度梯度将碘通过主动运输转运进甲状腺滤泡上皮细胞,换句话说,碘主动运输所需能量来自Na+浓度梯度差所形成的势能。
示例10 [2020山东,8,2分]碘是甲状腺激素合成的重要原料。甲状腺滤泡上皮细胞膜上的钠—钾泵可维持细胞内外的Na+浓度梯度,钠—碘同向转运体借助Na+的浓度梯度将碘转运进甲状腺滤泡上皮细胞,碘被甲状腺过氧化物酶活化后,进入滤泡腔参与甲状腺激素的合成。下列说法正确的是A.长期缺碘可导致机体的促甲状腺激素分泌减少B.用钠—钾泵抑制剂处理甲状腺滤泡上皮细胞,会使其摄碘能力减弱C.抑制甲状腺过氧化物酶的活性,可使甲状腺激素合成增加D.使用促甲状腺激素受体阻断剂可导致甲状腺激素分泌增加
解析▶碘是甲状腺激素合成的重要原料,长期缺碘可导致甲状腺激素的合成和分泌减少,进而通过反馈调节导致机体的促甲状腺激素分泌增多,A错误;甲状腺滤泡上皮细胞膜上的钠—钾泵可维持细胞内外的Na+浓度梯度,钠—碘同向转运体借助Na+浓度梯度将碘转运进甲状腺滤泡上皮细胞,用钠—钾泵抑制剂处理甲状腺滤泡上皮细胞,会使其摄碘能力减弱,B正确;由题意可知,碘被甲状腺过氧化物酶活化后,进入滤泡腔参与甲状腺激素的合成,故抑制甲状腺过氧化物酶的活性,会使甲状腺激素的合成减少,C错误;使用促甲状腺激素受体阻断剂可使甲状腺激素的分泌减少,D错误。答案▶B
2.离子泵 离子泵属于复合蛋白,既具有酶的催化功能(催化ATP水解),又具有运输离子的功能,通过主动运输的方式对特定离子进行跨膜运输。前面介绍的钠钾泵就是一种特殊的离子泵。示例11 [结合材料信息][2016全国卷Ⅰ,2,6分]离子泵是一种具有ATP水解酶活性的载体蛋白,能利用水解ATP释放的能量跨膜运输离子。下列叙述正确的是A.离子通过离子泵的跨膜运输属于协助扩散B.离子通过离子泵的跨膜运输是顺着浓度梯度进行的C.动物一氧化碳中毒会降低离子泵跨膜运输离子的速率D.加入蛋白质变性剂会提高离子泵跨膜运输离子的速率
思路分析▶解析▶由题干离子泵“能利用水解ATP释放的能量跨膜运输离子”可知,离子通过离子泵的跨膜运输属于主动运输,A项错误;由题干信息可知,离子通过离子泵的跨膜运输属于主动运输,主动运输逆浓度梯度进行,B项错误;动物一氧化碳中毒会降低其体内红细胞运输氧气的能力,导致动物体内细胞有氧呼吸强度降低,供能减少,离子泵跨膜运输离子的速率下降,C项正确;由题干信息可知,离子泵是一种载体蛋白,加入蛋白质变性剂会使载体蛋白变性,降低离子泵跨膜运输离子的速率, D项错误。答案▶B
3.质子泵 质子泵有多种类型,高考题中涉及的有两类:一种是利用ATP水解释放的能量,逆浓度梯度转运H+的质子泵;另一种是利用H+顺浓度梯度跨膜运输产生的能量来合成ATP的质子泵。
示例12 [2019全国卷Ⅱ,3,6分]某种H+-ATPase是一种位于膜上的载体蛋白,具有ATP水解酶活性,能够利用水解ATP释放的能量逆浓度梯度跨膜转运H+。①将某植物气孔的保卫细胞悬浮在一定pH的溶液中(假设细胞内的pH高于细胞外),置于暗中一段时间后,溶液的pH不变。②再将含有保卫细胞的该溶液分成两组,一组照射蓝光后溶液的pH明显降低;另一组先在溶液中加入H+-ATPase的抑制剂(抑制ATP水解),再用蓝光照射,溶液的pH不变。根据上述实验结果,下列推测不合理的是A.H+-ATPase位于保卫细胞质膜上,蓝光能够引起细胞内的H+转运到细胞外B.蓝光通过保卫细胞质膜上的H+-ATPase发挥作用导致H+逆浓度梯度跨膜运输C.H+-ATPase逆浓度梯度跨膜转运H+所需的能量可由蓝光直接提供D.溶液中的H+不能通过自由扩散的方式透过细胞质膜进入保卫细胞
解析▶细胞内的pH高于细胞外,照射蓝光后溶液的pH明显降低,说明在蓝光照射下细胞内的H+由细胞内转运到细胞外,推测H+-ATPase位于保卫细胞质膜上,A正确;结合①、②分析,可知蓝光照射导致的H+逆浓度梯度跨膜运输应是蓝光通过保卫细胞质膜上的H+-ATPase实现的,B正确;H+-ATPase逆浓度梯度跨膜转运H+所需的能量由ATP水解直接提供,C错误;抑制H+-ATPase的活性,再用蓝光照射,溶液的pH不变,说明溶液中的H+不能通过自由扩散的方式经细胞质膜进入保卫细胞,D正确。答案▶C
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