資源簡介

課題 第 4 章 第 2 節 主動運輸與胞吞、胞吐
教學目標
教學目標： 1.闡明主動運輸的過程、特點和意義。 2.舉例說明胞吞和胞吐的過程。 3.解釋細胞膜控制物質運輸的功能與細胞膜結構的關系。 教學重點： 1.主動運輸的過程和特點。 2.胞吞、胞吐的過程。 教學難點： 1.主動運輸的過程和特點。 2.胞吞、胞吐的過程。
教學過程
時間 教 學 環 節 主要師生活動
課 前 學 習 任 務 瀏覽教材內容。 對所學內容有一個簡單了解。
1. 主 動 運 輸 的 過 程 、 特 點 和 意 義 1.復習引入：上節課我們學習了一些小分子物質和離子可以順濃度梯度以被 動運輸的方式進出細胞。比如水分子、氧氣分子可以通過自由擴散進入細胞， 葡萄糖分子可以通過載體蛋白協助擴散進入細胞，K+、Na+可以通過通道蛋白 協助擴散進入細胞。 是不是物質進出細胞都是順濃度梯度進行的呢？ 2.教材 69 頁的問題探討： 任務 1：閱讀教材提供的資料，探討甲狀腺上皮細胞吸收碘離子的方式 人體甲狀腺分泌的甲狀腺激素，在生命活動中起著重要作用。碘是合成甲狀 腺激素的重要原料。 甲狀腺濾泡上皮細胞內碘濃度比血液中的高 20～25 倍。 1.甲狀腺濾泡上皮細胞吸收碘是通過被動運輸嗎？ 2.聯想逆水行舟的情形，甲狀腺濾泡上皮細胞吸收碘是否需要細胞提供能 量？ 引導學生回答以上問題：1.這一定不是被動運輸。因為被被動運輸是順濃 度梯度進行的，即物質從濃度高的地方運輸到濃度低的地方。而甲狀腺濾泡 細胞吸收碘離子是逆濃度梯度的。2.逆水行舟顯然需要消耗能量， 甲狀腺濾 泡上皮細胞逆濃度梯度吸收碘離子應該也是需要細胞提供的能量的。 3.逆濃度梯度運輸物質的方式是普遍存在于細胞中的嗎？ 教師列舉逆濃度梯度運輸的實例： 小腸液中氨基酸、葡萄糖的濃度遠遠低于它們在小腸上皮細胞中的濃度，但 它們仍然能被小腸上皮細胞吸收； 人紅細胞中 K+ 的濃度比血漿高 30 倍； 輪藻細胞中 K+ 的濃度比周圍水環境高 63 倍； 人神經細胞未興奮時細胞外的 Na+遠高于細胞內。 從這些例子中我們會發現物質逆濃度梯度進出細胞的運輸方式是普遍存在 的。 任務 2:觀察主動運輸示意圖，概括主動運輸的過程。
從圖中我們可以觀察到細胞運輸的物質濃度，細胞內高于細胞外，細胞膜上 有運輸這種物質的載體，它能將這種物質逆濃度梯度運到了細胞內，因此這 一過程消耗了細胞化學反應釋放的能量。 載體是如何將物質從低濃度一側運輸到高濃度一側的呢？ 我們下面再來看看主動運輸過程的模擬動畫。 在這個畫面中我們能看到細胞外的 Na+濃度高于細胞內，而細胞內的 K+濃度 高于細胞外。那么細胞是如何逆濃度梯度轉運這兩種離子的呢？ 首先三個 Na+與載體蛋白結合，然后細胞中的能量物質 ATP 中的磷酸基團挾能 量與載體蛋白結合，引起載體蛋白發生空間結構的改變，導致 Na+脫離載體蛋 白被轉運到細胞外。同時 2 個 K+與載體蛋白結合，磷酸基團從載體蛋白上脫 離，引起載體蛋白空間結構改變，導致 K+脫離載體蛋白被轉運到細胞外。 在這個主動運輸的例子中細胞消耗能量物質 ATP，推動載體蛋白空間結構的 改變，導致 Na+和 K+發生逆濃度梯度的跨膜轉運。人的神經細胞需要依靠這樣 的主動轉運過程來維持細胞內外的 Na+和 K+濃度梯度以實現它們的細胞功能。 教師概括主動運輸的概念：主動運輸：逆濃度梯度進行的跨膜運輸，需要載 體蛋白的協助，同時還需要消耗細胞內化學反應釋放的能量，這種方式叫作 主動運輸。 與主動運輸相同的是，協助擴撒也需要載體，那么這兩種運輸方式到底有哪 些異同呢？ 任務 3： 比較協助擴散和主動運輸的異同，填寫學習任務單 主動運輸的過程：與協助擴散相同的是，H+ 、Na+等離子和其他物質在逆濃度 梯度跨膜運輸時，也要與膜上的載體蛋白的特定部位結合。并且這些載體只 能運輸離子或小分子。與協助擴散不同的是，載體蛋白的空間結構的變化需 要細胞內化學反應釋放的能量的推動。載體蛋白的空間結構發生變化后就將 它所結合的離子或分子從細胞膜一側轉運到另一側并釋放出來。從圖中我們 還可以看到協助擴散和主動運輸轉運的物質運輸方向不同。在協助擴散的過
程中物質是順濃度梯度運輸的，而主動運輸的過程中物質是逆濃度梯度運輸 的。 我們回到本節課一開始提到的甲狀腺濾泡上皮細胞逆濃度梯度吸收 I- 的過 程。科學家把這一過程畫成下面這樣的示意圖。 從這張示意圖中我們可以看到運輸 I- 的載體也運輸 Na+，在這個過程中不消耗 細胞化學反應釋放的能量。但是 I- 的運輸借助了 Na+ 的濃度梯度勢能，而維持 Na+細胞外高于細胞內的濃度梯度，就需要消耗細胞化學反應釋放的能量，把 順濃度梯度運進來的 Na+再逆濃度梯度運出去。因此，這樣看來甲狀腺濾泡上 皮細胞吸收 I-最終也要消耗細胞化學反應釋放的能量，是主動運輸的過程。 這樣的例子還有不少，比如小腸上皮細胞吸收葡萄糖。 所以說判斷某種離子或小分子是否以主動運輸的方式進出細胞，需要確認細 胞在這一轉運過程中是否消耗了能量。 細胞不僅可以主動吸收生命活動所需的離子和小分子，還能通過主動運輸排 出對身體有害的物質。 很多海生動物如海鷗，它們生活在海邊， 以海水中的動物為食，它們吃了這 些食物后體內鹽濃度升高會危害正常的生命活動，幸運的是它們進化出鹽腺 這樣的結構，通過鹽腺細胞的主動運輸排出多余的鹽， 以維持體內細胞正常
的生命活動。神奇的是，很多生活在海邊或鹽堿地的植物也發展出這樣的泌 鹽能力。如桐花樹也可以通過鹽腺主動排出體內過多的鹽分。可見主動運輸 這種物質轉運方式是生物能夠適應多種多樣環境而生存下來的一個重要的細 胞學基礎。 主動運輸的意義：主動運輸普遍存在于動植物和微生物細胞中，通過主動運 輸來選擇吸收所需要的物質，排出代謝廢物和對細胞有害的物質，從而保證 細胞和個體生命活動的需求。 注意：不同離子或分子的大小和性質不同，所以不同轉運蛋白質的空間結構 差別也很大，一種轉運蛋白通常只能運輸一種或一類離子或分子。 不同細胞的細胞膜上的轉運蛋白的種類和數量是不同的，因此對同一物質的 運輸能力也是不同的。 科學家研究這些轉運蛋白的結構有什么用呢？請大家看一下教材 70 頁“與 社會的聯系 ” 欄目中的內容。 囊性纖維病的主要病因是患者肺部支氣管上皮細胞表面轉運 Cl- 的載體蛋白 的結構和功能發生異常。 類似的疾病還有很多，解析這些轉運蛋白的結構， 將有助于找到治療疾病的辦法。
2. 胞 吞 和 胞 吐 的 過 程 任務 4 唾液腺細胞能分泌淀粉酶，胰島細胞能分泌胰島素。淀粉酶和胰島 素能通過自由擴散、協助擴散或者主動運輸運出細胞嗎？請你根據細胞膜的 結構組成做出分析。 淀粉酶和胰島素都是蛋白質，是生物大分子，因此無法像 H2O 或 CO2 分子這樣 通過自由擴散穿過細胞膜的脂雙層。協助擴散和主動運輸都是通過細胞膜上 的轉運蛋白的運輸方式，是用來運輸離子和小分子的，也無法轉運這些大分 子。 我們首先來回憶一下這些分泌蛋白的合成和運輸的過程。淀粉酶和胰島素這 些分泌蛋白首先由附著在內質網上的核糖體合成，然后經過內質網和高爾基 體的加工后，通過包裹在囊泡中運輸到細胞膜附近，最后囊泡膜和細胞膜融 合這些大分子就被分泌到細胞外了。這種大分子物質排出細胞的過程叫作胞 吐。 細胞不僅能排出大分子，也可以吸收大分子。
我們來看這張大分子進細胞的電鏡照片。首先是細胞膜發生內陷把大分子包 圍在這個“小坑 ”里，然后“小坑 ”的口逐漸縮緊，最后形成小囊泡脫離細 胞膜進入細胞。這個過程被稱為胞吞。 有的同學可能要問了，細胞外的大分子那么多，細胞怎么識別哪種大分子是 自己需要運進細胞的呢？ 問的好，下面這些示意圖就是科學家們對此進行研究的結果。 細胞膜上有能夠識別大分子的蛋白質，比如圖上這個藍色分子，它可以和紫 色的大分子顆粒相結合，然后這部分細胞膜就發生內陷，形成小囊泡并且和 細胞膜分離。這樣，細胞就通過胞吞吸收了它需要的大分子。所以胞吞的過 程需要細胞膜上的蛋白質對選擇吸收的大分子進行識別。并且小囊泡的形成 和移動需要消耗細胞呼吸釋放的能量。 下面請大家再看兩個單細胞生物進行胞吞和胞吐的例子。 變形蟲通過胞吞攝取單細胞生物等食物，經過細胞內消化后，剩下的廢物經 由胞吐排出細胞。 痢疾內變形蟲通過胞吐作用分泌蛋白分解酶，溶解人的腸壁組織，通過胞吞 作用“吃掉 ”腸壁組織細胞，并引發阿米巴痢疾。這種病原體通過飲食傳播， 這就提醒我們要注意飲食衛生、培養良好的個人衛生習慣來預防阿米巴痢疾 等傳染性疾病。 任務 5：請同學們概括胞吞、胞吐這種跨膜運輸方式，并記錄在學習任務單 上。 細胞通過胞吞胞吐將大分子運入或運出細胞，這需要細胞膜上的蛋白質參與 并消耗細胞內化學反應所釋放的能量。 在這個過程中細胞膜的內陷和囊泡與細胞膜的融合都離不開磷脂雙分子層的 流動性。
3. 任務 6：請同學們嘗試以概念圖的方式將本章所學內容總結在學習任務單上
本 章 小 結 我們知道細胞是一個開放的生命系統，隨時與外界進行物質交換。細胞是怎 樣保證吸收有用的物質，排出有害的物質呢？首先細胞膜磷脂雙分子層有阻 隔作用，物質不能隨意進出。只有一些不帶電荷的小分子如水，O2、CO2 和 甘油、乙醇等可以自由擴散的方式進出細胞。離子和較小的有機分子（如葡 萄糖和氨基酸等）的跨膜運輸必須借助于轉運蛋白。一種轉運蛋白往往只適 合轉運特定的物質，如 K+通道蛋白只能協助擴散 K+，Na+-K+泵這種轉運蛋白 只能主動運輸 Na+和 K+。因此，細胞膜上轉運蛋白的種類和數量，或轉運蛋 白空間結構的變化，對許多物質的跨膜運輸起著決定性的作用，這也是細胞 膜具有選擇透過性的結構基礎。像蛋白質、多糖這樣的生物大分子，通過胞 吞或胞吐進出細胞，其過程也需要膜上蛋白質的參與識別，更離不開膜上磷 脂雙分子層的流動性。可見細胞膜的結構決定了細胞膜控制物質進出的方式 具有選擇透過性。

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