品析“細胞的物質輸入和輸出”誤區(qū)

賈文俊 王小鳳

(1.陜西省寶雞中學 2.陜西省寶雞高新中學)

高考試題中對重要概念“物質通過被動運輸、主動運輸?shù)确绞竭M出細胞,以維持細胞的正常代謝活動”的考查常結合新情境,綜合考查質壁分離和復原實驗、物質的跨膜運輸方式、細胞膜的功能等,問題情境相對較為復雜,旨在考查學生對實驗設計的分析、信息獲取、信息轉化等科學思維、生命觀念方面的核心素養(yǎng)。復習中不僅需要帶領學生梳理概念之間的聯(lián)系構建知識網(wǎng)絡,分析典型高考例題領會解題思路和技巧,更需要關注學生對知識的基本認知誤區(qū),避免學生“走進”思維盲區(qū)。

誤區(qū)1:誤認為只有具有大液泡的植物細胞才能進行質壁分離

人教版新教材P63在闡述“水又是怎樣進出植物細胞的呢?”時,提到了“成熟的植物細胞由于中央液泡占據(jù)了細胞的大部分空間,將細胞質擠成一薄層,所以細胞內的液體環(huán)境主要指的是液泡里面的細胞液。細胞膜和液泡膜以及兩層膜之間的細胞質稱為原生質層。后文所說的水進出細胞,主要是指水經(jīng)過原生質層進出液泡”。一些同學對這句話理解偏差,導致錯誤認為“只有具有大液泡的植物細胞才能進行質壁分離”。

細胞滲透吸水或失水的條件包括①具有半透膜,②半透膜兩側的溶液之間具有濃度差。只要是活的植物細胞,不管有沒有大液泡,細胞均可通過滲透作用吸水或失水,其原生質層(體)體積就可以隨著細胞的吸水或失水而增大或減小。而植物細胞質壁分離的內因是細胞壁和原生質層具有一定的伸縮性,但原生質層的伸縮性遠大于細胞壁;而質壁分離的外因則是細胞液與外界溶液之間具有濃度差。只要活植物細胞就滿足上述內因條件,故筆者認為只要將活的植物細胞置于高滲溶液中就可發(fā)生質壁分離現(xiàn)象,但具有大液泡的植物細胞質壁分離現(xiàn)象較明顯。

微生物:細菌、放線菌和真菌,其細胞結構中也具有細胞壁,這些微生物也會發(fā)生質壁分離現(xiàn)象。首先這些微生物吸水或失水的方式也是通過滲透作用進行的,其次這些微生物細胞膜相當于半透膜,再次這些微生物一般情況下細胞壁伸縮性也遠小于其原生質體,因此將這些微生物置于高濃度溶液中時,其也會發(fā)生質壁分離。生產實踐中人們利用鹽漬防腐就是利用了這一原理,如細菌等微生物在高濃度的鹽溶液中會因滲透作用過度失水而死亡。

【例1】原生質體(細胞除細胞壁以外的部分)表面積大小的變化可作為質壁分離實驗的檢測指標。用葡萄糖基本培養(yǎng)基和NaCl溶液交替處理某假單孢菌,其原生質體表面積的測定結果如圖1所示。下列敘述錯誤的是

甲組 0.3 mol/L NaCl

乙組 1.0 mol/L NaCl

丙組 1.5 mol/L NaCl圖1

( )

A.甲組NaCl處理不能引起細胞發(fā)生質壁分離,表明細胞中NaCl濃度≥0.3 mol/L

B.乙、丙組NaCl處理皆使細胞質壁分離,處理解除后細胞即可發(fā)生質壁分離復原

C.該菌的正常生長和吸水都可導致原生質體表面積增加

D.若將該菌先65℃水浴滅活后,再用NaCl溶液處理,原生質體表面積無變化

【思路剖析】本題以新的材料情境為載體,以微生物細胞質壁分離和質壁分離復原為背景,考查學生科學思維、科學探究等核心素養(yǎng)。甲組中原生質體表面積隨時間變化逐漸增大,說明細胞吸水,且細胞內溶液濃度≥0.3 mol/L,但不能說明細胞內NaCl濃度≥0.3 mol/L,A錯誤;乙組、丙組中用NaCl處理時原生質體體積都比葡萄糖基本培養(yǎng)基處理時要小,說明NaCl處理后發(fā)生了質壁分離;換用葡萄糖基本培養(yǎng)基處理后,原生質體體積又增大,說明NaCl處理解除后細胞又發(fā)生了質壁分離復原,B正確;該菌正常生長,細胞會有所長大,原生質體表面積增加;細胞吸水,原生質體略有增大,其表面積也會增加,C正確;該菌65℃水浴滅活后,細胞膜失去選擇透過性,不會發(fā)生質壁分離,原生質體表面積無變化,D正確。

【參考答案】A

【易錯點睛】①水分子由低濃度溶液流向高濃度溶液是表觀現(xiàn)象,實際上水分子是雙向移動的,只是由低濃度溶液流向高濃度溶液的水分子數(shù)較多;②滲透平衡時不可看作沒有水分子移動,也不可看作兩側溶液濃度絕對相等,只意味著半透膜兩側水分子移動達到動態(tài)平衡狀態(tài);③處于質壁分離狀態(tài)的細胞不一定正處于失水過程(繼續(xù)進行質壁分離),也可能是細胞吸水,處于質壁分離復原過程,還可能是處于平衡狀態(tài),此時細胞吸水和失水處于動態(tài)平衡;④滲透壓的大小取決于單位體積溶液中溶質微粒的數(shù)目,即溶質微粒的數(shù)目越多,對水分子的吸引力越大,其滲透壓就越高。

誤區(qū)2:混淆物質跨膜的特殊與一般

人工膜(圖2)由磷脂雙分子層構成,具有選擇透過性,脂溶性物質容易通過。能透過人工膜的物質,跨膜運輸方式一般為自由擴散,如水、氣體(O2、CO2等)、脂溶性物質(甘油、脂肪酸、性激素、乙醇、苯等);不能透過人工膜的物質,說明跨膜運輸需要載體蛋白,其運輸方式可以分為兩種:一是協(xié)助擴散,如葡萄糖進入紅細胞等,一是主動運輸,如Na+、K+和Mg2+等無機鹽離子、氨基酸、核苷酸、葡萄糖進出某些細胞等。

圖2

【例2】分析以下資料回答問題。資料一:①K+和 Na+均不能通過磷脂雙分子層的人工膜;②纈氨霉素是一種脂溶性抗生素;③在人工膜上加入少量纈氨霉素,K+可以透過人工膜。資料二:比較生物膜和無蛋白人工膜(雙層磷脂)對多種物質的通透性,結果如圖3。下列敘述不正確的是

圖3

( )

A.纈氨霉素的作用類似于載體蛋白

B.纈氨霉素與離子的結合具有特異性

C.K+透過人工膜的方式屬于主動運輸

D.生物膜上存在著協(xié)助H2O通過的物質

【思路剖析】本題以文字、圖例信息等為載體,考查學生信息獲取、信息轉化、實驗分析等科學探究、科學思維的核心素養(yǎng)。由于K+、Na+均不能通過磷脂雙分子層構成的人工膜,加入纈氨霉素,K+可以通過人工膜,說明纈氨霉素的作用類似于載體蛋白,A正確;在人工膜上加入少量纈氨霉素,K+可以透過人工膜,Na+不可以透過人工膜,說明纈氨霉素與離子的結合具有特異性,B正確;本實驗只能說明K+透過人工膜需要載體,沒有說明是否需要消耗能量,因而不能確定運輸?shù)姆绞綄儆谥鲃舆\輸,C錯誤;由資料二可以看出,生物膜對水分子的通透性大于人工膜,說明生物膜上存在著協(xié)助H2O通過的物質(水通道蛋白),D正確。

【參考答案】C

【易錯點睛】①過去人們普遍認為水分子跨膜運輸方式為自由擴散,但后來的研究表明,水分子更多的是借助細胞膜上的水通道蛋白以協(xié)助擴散的方式進出細胞的,如抗利尿激素促進腎小管和集合管對水重吸收的主要方式是協(xié)助擴散;②葡萄糖進入紅細胞是協(xié)助擴散,而葡萄糖通過小腸上皮細胞細胞膜的方式主要為主動運輸,要視具體情況而定(也存在協(xié)助擴散);③靜息電位形成時K+外流與動作電位形成時Na+內流均為協(xié)助擴散,但K+、Na+在其他細胞中跨膜運輸方式一般為主動運輸。

誤區(qū)3:誤認為一種載體蛋白僅能跨膜運輸一種物質

載體蛋白(簡稱“載體”)能在協(xié)助擴散或主動運輸過程中將被運載物從自身所處的膜的一端轉運到另一端。轉運機制是載體蛋白分子構象發(fā)生可逆性變化后與被轉運分子結合,然后通過自身的構型變化或移動使被轉運分子隨之跨膜運動。載體具有特異性,不同物質的載體不同;不同生物膜上載體蛋白的種類和數(shù)量也不同。載體蛋白按被運載物的數(shù)量和運載方向分為三種類型,分別是單向運輸載體、同向運輸載體和反向運輸載體。每種載體蛋白一般只能識別并轉運單獨一種或十分相似的一類化學物質。

【例3】如圖4為小腸上皮細胞轉運葡萄糖過程示意圖,下列有關敘述正確的是

圖4

( )

A.葡萄糖進出小腸上皮細胞均為協(xié)助擴散

B.Na+進出小腸上皮細胞的過程均消耗ATP

C.抑制細胞呼吸影響K+通過Na+-K+泵的轉運

D.能同時轉運葡萄糖和Na+的載體蛋白不具有特異性

【思路剖析】本題以小腸上皮細胞轉運葡萄糖過程模式圖為載體,考查學生科學思維、生命觀念等核心素養(yǎng)。葡萄糖進入小腸上皮細胞時,是由低濃度一側向高濃度一側運輸,屬于主動運輸,而運出細胞時,是從高濃度一側向低濃度一側運輸,需要轉運蛋白,屬于協(xié)助擴散,A錯誤;Na+進入小腸上皮細胞的方式是協(xié)助擴散,不需要消耗ATP,Na+運出細胞,是從低濃度一側向高濃度一側運輸,屬于主動運輸,需要消耗ATP,B錯誤;根據(jù)圖示分析,K+通過Na+-K+泵的轉運需要消耗ATP,抑制細胞呼吸會影響K+通過Na+-K+泵的轉運,C正確;能同時轉運葡萄糖和Na+的載體蛋白只能轉運葡萄糖和Na+,并不能轉運任意的物質,說明其具有特異性,D錯誤。

【參考答案】C

【易錯點睛】①一種載體蛋白可能同時跨膜運輸兩種物質,如題干中的葡萄糖和Na+的載體蛋白就同時同向轉運葡萄糖和Na+;而Na+-K+泵則可以同時異向轉運Na+和K+;②鈉鉀泵(Na+-K+泵)存在于動植物細胞膜上,它有大小兩個亞基,大亞基催化ATP水解,小亞基是一個糖蛋白,由于其既有K+和Na+結合位點,又具有ATP酶活性,因此Na+-K+泵又稱為Na+-K+-ATP酶;每消耗1個ATP分子,可使細胞內減少3個Na+并增加2個K+;③同向協(xié)同物質運輸方向與離子轉移方向相同,如題干中動物小腸細胞對葡萄糖的吸收就是伴隨著Na+的進入(葡萄糖通過主動運輸進入細胞時常常利用膜兩側Na+濃度梯度來驅動,而不是ATP供能),細胞內的Na+離子又被鈉鉀泵泵出細胞外,細胞內始終保持較低的鈉離子濃度,形成電化學梯度。反向協(xié)同物質跨膜運輸?shù)姆较蚺c離子轉移的方向相反,如題干中的Na+-K+泵常通過Na+/K+反向協(xié)同運輸?shù)姆绞絹磙D運Na+和K+以維持細胞內外Na+和K+的相對平衡,即Na+的排出細胞伴隨著K+的進入細胞。

認知誤區(qū)是學生對基礎知識內在聯(lián)系或本質理解不到位而形成的不正確的認識或看法。教學中我們不僅需要從學生視角審視知識間的內在聯(lián)系,更需要有針對性、目的性地對學生思維盲區(qū)進行探析,通過歸納與剖析、拓展與建模等促進學生核心素養(yǎng)的和諧發(fā)展。