品析“细胞的物质输入和输出”误区

贾文俊 王小凤

(1.陕西省宝鸡中学 2.陕西省宝鸡高新中学)

高考试题中对重要概念“物质通过被动运输、主动运输等方式进出细胞,以维持细胞的正常代谢活动”的考查常结合新情境,综合考查质壁分离和复原实验、物质的跨膜运输方式、细胞膜的功能等,问题情境相对较为复杂,旨在考查学生对实验设计的分析、信息获取、信息转化等科学思维、生命观念方面的核心素养。复习中不仅需要带领学生梳理概念之间的联系构建知识网络,分析典型高考例题领会解题思路和技巧,更需要关注学生对知识的基本认知误区,避免学生“走进”思维盲区。

误区1:误认为只有具有大液泡的植物细胞才能进行质壁分离

人教版新教材P63在阐述“水又是怎样进出植物细胞的呢?”时,提到了“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。后文所说的水进出细胞,主要是指水经过原生质层进出液泡”。一些同学对这句话理解偏差,导致错误认为“只有具有大液泡的植物细胞才能进行质壁分离”。

细胞渗透吸水或失水的条件包括①具有半透膜,②半透膜两侧的溶液之间具有浓度差。只要是活的植物细胞,不管有没有大液泡,细胞均可通过渗透作用吸水或失水,其原生质层(体)体积就可以随着细胞的吸水或失水而增大或减小。而植物细胞质壁分离的内因是细胞壁和原生质层具有一定的伸缩性,但原生质层的伸缩性远大于细胞壁;而质壁分离的外因则是细胞液与外界溶液之间具有浓度差。只要活植物细胞就满足上述内因条件,故笔者认为只要将活的植物细胞置于高渗溶液中就可发生质壁分离现象,但具有大液泡的植物细胞质壁分离现象较明显。

微生物:细菌、放线菌和真菌,其细胞结构中也具有细胞壁,这些微生物也会发生质壁分离现象。首先这些微生物吸水或失水的方式也是通过渗透作用进行的,其次这些微生物细胞膜相当于半透膜,再次这些微生物一般情况下细胞壁伸缩性也远小于其原生质体,因此将这些微生物置于高浓度溶液中时,其也会发生质壁分离。生产实践中人们利用盐渍防腐就是利用了这一原理,如细菌等微生物在高浓度的盐溶液中会因渗透作用过度失水而死亡。

【例1】原生质体(细胞除细胞壁以外的部分)表面积大小的变化可作为质壁分离实验的检测指标。用葡萄糖基本培养基和NaCl溶液交替处理某假单孢菌,其原生质体表面积的测定结果如图1所示。下列叙述错误的是

甲组 0.3 mol/L NaCl

乙组 1.0 mol/L NaCl

丙组 1.5 mol/L NaCl图1

( )

A.甲组NaCl处理不能引起细胞发生质壁分离,表明细胞中NaCl浓度≥0.3 mol/L

B.乙、丙组NaCl处理皆使细胞质壁分离,处理解除后细胞即可发生质壁分离复原

C.该菌的正常生长和吸水都可导致原生质体表面积增加

D.若将该菌先65℃水浴灭活后,再用NaCl溶液处理,原生质体表面积无变化

【思路剖析】本题以新的材料情境为载体,以微生物细胞质壁分离和质壁分离复原为背景,考查学生科学思维、科学探究等核心素养。甲组中原生质体表面积随时间变化逐渐增大,说明细胞吸水,且细胞内溶液浓度≥0.3 mol/L,但不能说明细胞内NaCl浓度≥0.3 mol/L,A错误;乙组、丙组中用NaCl处理时原生质体体积都比葡萄糖基本培养基处理时要小,说明NaCl处理后发生了质壁分离;换用葡萄糖基本培养基处理后,原生质体体积又增大,说明NaCl处理解除后细胞又发生了质壁分离复原,B正确;该菌正常生长,细胞会有所长大,原生质体表面积增加;细胞吸水,原生质体略有增大,其表面积也会增加,C正确;该菌65℃水浴灭活后,细胞膜失去选择透过性,不会发生质壁分离,原生质体表面积无变化,D正确。

【参考答案】A

【易错点睛】①水分子由低浓度溶液流向高浓度溶液是表观现象,实际上水分子是双向移动的,只是由低浓度溶液流向高浓度溶液的水分子数较多;②渗透平衡时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,只意味着半透膜两侧水分子移动达到动态平衡状态;③处于质壁分离状态的细胞不一定正处于失水过程(继续进行质壁分离),也可能是细胞吸水,处于质壁分离复原过程,还可能是处于平衡状态,此时细胞吸水和失水处于动态平衡;④渗透压的大小取决于单位体积溶液中溶质微粒的数目,即溶质微粒的数目越多,对水分子的吸引力越大,其渗透压就越高。

误区2:混淆物质跨膜的特殊与一般

人工膜(图2)由磷脂双分子层构成,具有选择透过性,脂溶性物质容易通过。能透过人工膜的物质,跨膜运输方式一般为自由扩散,如水、气体(O2、CO2等)、脂溶性物质(甘油、脂肪酸、性激素、乙醇、苯等);不能透过人工膜的物质,说明跨膜运输需要载体蛋白,其运输方式可以分为两种:一是协助扩散,如葡萄糖进入红细胞等,一是主动运输,如Na+、K+和Mg2+等无机盐离子、氨基酸、核苷酸、葡萄糖进出某些细胞等。

图2

【例2】分析以下资料回答问题。资料一:①K+和 Na+均不能通过磷脂双分子层的人工膜;②缬氨霉素是一种脂溶性抗生素;③在人工膜上加入少量缬氨霉素,K+可以透过人工膜。资料二:比较生物膜和无蛋白人工膜(双层磷脂)对多种物质的通透性,结果如图3。下列叙述不正确的是

图3

( )

A.缬氨霉素的作用类似于载体蛋白

B.缬氨霉素与离子的结合具有特异性

C.K+透过人工膜的方式属于主动运输

D.生物膜上存在着协助H2O通过的物质

【思路剖析】本题以文字、图例信息等为载体,考查学生信息获取、信息转化、实验分析等科学探究、科学思维的核心素养。由于K+、Na+均不能通过磷脂双分子层构成的人工膜,加入缬氨霉素,K+可以通过人工膜,说明缬氨霉素的作用类似于载体蛋白,A正确;在人工膜上加入少量缬氨霉素,K+可以透过人工膜,Na+不可以透过人工膜,说明缬氨霉素与离子的结合具有特异性,B正确;本实验只能说明K+透过人工膜需要载体,没有说明是否需要消耗能量,因而不能确定运输的方式属于主动运输,C错误;由资料二可以看出,生物膜对水分子的通透性大于人工膜,说明生物膜上存在着协助H2O通过的物质(水通道蛋白),D正确。

【参考答案】C

【易错点睛】①过去人们普遍认为水分子跨膜运输方式为自由扩散,但后来的研究表明,水分子更多的是借助细胞膜上的水通道蛋白以协助扩散的方式进出细胞的,如抗利尿激素促进肾小管和集合管对水重吸收的主要方式是协助扩散;②葡萄糖进入红细胞是协助扩散,而葡萄糖通过小肠上皮细胞细胞膜的方式主要为主动运输,要视具体情况而定(也存在协助扩散);③静息电位形成时K+外流与动作电位形成时Na+内流均为协助扩散,但K+、Na+在其他细胞中跨膜运输方式一般为主动运输。

误区3:误认为一种载体蛋白仅能跨膜运输一种物质

载体蛋白(简称“载体”)能在协助扩散或主动运输过程中将被运载物从自身所处的膜的一端转运到另一端。转运机制是载体蛋白分子构象发生可逆性变化后与被转运分子结合,然后通过自身的构型变化或移动使被转运分子随之跨膜运动。载体具有特异性,不同物质的载体不同;不同生物膜上载体蛋白的种类和数量也不同。载体蛋白按被运载物的数量和运载方向分为三种类型,分别是单向运输载体、同向运输载体和反向运输载体。每种载体蛋白一般只能识别并转运单独一种或十分相似的一类化学物质。

【例3】如图4为小肠上皮细胞转运葡萄糖过程示意图,下列有关叙述正确的是

图4

( )

A.葡萄糖进出小肠上皮细胞均为协助扩散

B.Na+进出小肠上皮细胞的过程均消耗ATP

C.抑制细胞呼吸影响K+通过Na+-K+泵的转运

D.能同时转运葡萄糖和Na+的载体蛋白不具有特异性

【思路剖析】本题以小肠上皮细胞转运葡萄糖过程模式图为载体,考查学生科学思维、生命观念等核心素养。葡萄糖进入小肠上皮细胞时,是由低浓度一侧向高浓度一侧运输,属于主动运输,而运出细胞时,是从高浓度一侧向低浓度一侧运输,需要转运蛋白,属于协助扩散,A错误;Na+进入小肠上皮细胞的方式是协助扩散,不需要消耗ATP,Na+运出细胞,是从低浓度一侧向高浓度一侧运输,属于主动运输,需要消耗ATP,B错误;根据图示分析,K+通过Na+-K+泵的转运需要消耗ATP,抑制细胞呼吸会影响K+通过Na+-K+泵的转运,C正确;能同时转运葡萄糖和Na+的载体蛋白只能转运葡萄糖和Na+,并不能转运任意的物质,说明其具有特异性,D错误。

【参考答案】C

【易错点睛】①一种载体蛋白可能同时跨膜运输两种物质,如题干中的葡萄糖和Na+的载体蛋白就同时同向转运葡萄糖和Na+;而Na+-K+泵则可以同时异向转运Na+和K+;②钠钾泵(Na+-K+泵)存在于动植物细胞膜上,它有大小两个亚基,大亚基催化ATP水解,小亚基是一个糖蛋白,由于其既有K+和Na+结合位点,又具有ATP酶活性,因此Na+-K+泵又称为Na+-K+-ATP酶;每消耗1个ATP分子,可使细胞内减少3个Na+并增加2个K+;③同向协同物质运输方向与离子转移方向相同,如题干中动物小肠细胞对葡萄糖的吸收就是伴随着Na+的进入(葡萄糖通过主动运输进入细胞时常常利用膜两侧Na+浓度梯度来驱动,而不是ATP供能),细胞内的Na+离子又被钠钾泵泵出细胞外,细胞内始终保持较低的钠离子浓度,形成电化学梯度。反向协同物质跨膜运输的方向与离子转移的方向相反,如题干中的Na+-K+泵常通过Na+/K+反向协同运输的方式来转运Na+和K+以维持细胞内外Na+和K+的相对平衡,即Na+的排出细胞伴随着K+的进入细胞。

认知误区是学生对基础知识内在联系或本质理解不到位而形成的不正确的认识或看法。教学中我们不仅需要从学生视角审视知识间的内在联系,更需要有针对性、目的性地对学生思维盲区进行探析,通过归纳与剖析、拓展与建模等促进学生核心素养的和谐发展。