資源簡介

課題 第 4 章 第 1 節 被動運輸（第 2 課時）
教學目標
教學目標： 1.闡明細胞膜的選擇透過性 2.描述自由擴散和協助擴散的特點，明確結構與功能相適應的生命觀念； 教學重點： 自由擴散、協助擴散的原理和特點 教學難點：轉運蛋白的種類和作用
教學過程
時間 教學 環節 主要師生活動
導入 教師：上節課我們一起學習了水進出細胞的原理，細胞可以通過滲透作 用吸水或失水；動物的細胞膜、植物細胞的原生質層都相當于一層半透 膜。為什么細胞膜相當于一層半透膜呢，這與其結構特點有關，這節課 我們繼續討論這個問題。
一 被 動運輸 的類型 圖示：人工合成的脂雙層對物質的通透性、磷脂分子模式圖 教師：同學們看到，O2 ，CO2 ，N2 ，苯，尿素，甘油都可以通透脂雙層。而 葡萄糖、蔗糖以及鉀離子、鈉離子、鈣離子等各種離子都無法通過人工 的脂雙層。為什么呢？這與分子本身的大小和性質有關，而對分子的大 小和性質進行選擇的，就是構成脂雙層的磷脂分子。 磷脂分子一端是極性的頭部，另一端是長長的非極性的脂肪酸鏈構成的 尾部，相對排列成脂雙層后，小分子比大分子更容易穿膜，非極性分子
比極性分子更容易穿膜。O2，CO2，N2，苯是非極性的小分子物質，對脂 雙層的通透性是最大的；而尿素，甘油雖然是極性分子，但是分子量小 且不帶電荷，也能夠通過脂雙層，但是通透性低于氧氣等分子。葡萄糖、 蔗糖分子量比較大，而且具有極性，這兩個因素共同導致其無法通過脂 雙層；構成脂雙層的磷脂分子具有長長是疏水的尾部，所以帶電荷的離 子難以通透。 提問：葡萄糖，氨基酸，無機鹽離子等是所有細胞生命活動所必需的， 它們不能通過人工膜，但是一定有辦法通過細胞膜。葡萄糖等物質如何 通過細胞膜呢？ 圖示：人工合成的脂雙層和生物膜 教師：如圖所示，同學們看到，與人工合成的脂雙層相比較，構成細胞 膜的脂雙層中多出了一些物質，這就是膜蛋白。膜蛋白的種類很多，其 中可以協助極性的小分子、帶電的離子等進行跨膜運輸的膜蛋白稱為轉 運蛋白。 協助擴散：離子和一些小分子有機物如葡萄糖、氨基酸等，不能自由地 通過細胞膜，需要借助膜上的轉運蛋白進出細胞擴散，叫做協助擴散， 也叫易化擴散。 自由擴散：像 O2 、CO2 以及甘油、乙醇、苯等，通過簡單的擴散作用進出 細胞的方式，稱為自由擴散，也叫簡單擴散。 自由擴散的意義： 以細胞對氧氣的吸收為例說明自由擴散對于所有細胞 都很重要。 學生活動：歸納自由擴散和協助擴散的共性 1.物質均以擴散的方式進出細胞 2.都是順濃度梯度的跨膜運輸 3.均不需要消耗細胞內化學反應所釋放的能量 教師引導總結被動運輸的概念—— 被動運輸：物質以擴散方式進出細胞，不需要消耗細胞內化學反應所釋 放的能量，這種物質跨膜運輸方式稱為被動運輸。
二 轉 運蛋白 的類型 教師：請同學思考：水從水多的一側向水少的一側擴散，屬于哪種方式 的擴散呢？ 學生 1：水分子很小，應該是通過自由擴散的方式過膜； 學生 2:水分子是極性分子，而磷脂分子具有親水的頭部和長長的疏水的 尾部，疏水的尾部不停的擺動，極性分子很難通過，所以水分子雖然很 小，也難以通過自由擴散的方式通過磷脂雙分子層。 教師：同學們分析的都有一定道理，但是水分子過膜的方式不能僅通過 理論分析得出，必須通過實驗證實?，F在，我們一起看 2 個資料： 資料 1：水分子比較小，在活細胞中含量最多，人們曾經認為它們以自由 穿過細胞膜磷脂分子的間隙而進出細胞。后來的研究發現，水分子在通 過細胞膜時的速率高過人工膜。
如圖中的曲線所示，橫坐標是各種物質對人工膜的通透性，縱坐標是各 種物質對生物膜的通透性；氧氣在兩種膜中的通透性最高，而且是一致 的，說明氧氣透過人工膜和生物膜的方式是一致的，均以自由擴散的方 式過膜；二氧化碳和甘油也是如此；但是水分子對生物膜的通透性約為 10 -2 cm 每秒，但是對人工膜的通透性約為 10 -3 cm 每秒，即水通過生物 膜的速率是人工膜的 10 倍。 由此推斷細胞膜上可能存在特殊的輸送水分子的通道。 資料 2:1988 年，美國科學家阿格雷從紅細胞和腎小管細胞中分離出一種 新的膜蛋白，后來經過實驗獲得了該蛋白的氨基酸序列結構，證實了水 通道蛋白的存在。 目前，人們已經從細菌、酵母菌、植物、動物的細胞 中分離出多種水通道蛋白。關于人類對通道蛋白的探索歷程，在必修 1 被 動運輸一節的生物科學史話 板塊有詳細的描述，建議同學們課下閱讀。 教師：通過上面的資料，相信同學們認識到，水分子很小，不帶電荷但 具有極性，盡管能夠以自由擴散過膜，但是更多的是借助細胞膜上的水 通道蛋白以協助擴散的方式進出細胞。對于某些組織來說，如腎小管的 近曲小管對水的重吸收、唾液和眼淚的形成等，水分子必須借助細胞膜 上的水通道蛋白以協助擴散的方式快速進出細胞。 圖示腎臟、腎單位、腎小管、腎小管上皮細胞水通道蛋白數量調控示意 圖，說明在激素的調控下，腎小管上皮細胞膜上增加了多個水通道蛋白， 保證了流經腎小管的原尿中大量的水分被重吸收回血液中，維持了個體 的穩態。 圖示：鉀離子通道模式圖 教師：20 世紀 80 年代，科學家又從蠶豆保衛細胞中檢測出 K+的通道。 1998 年，美國科學家麥金農解析了 K+通道蛋白的立體結構。與此同時， 鈣離子、鈉離子等通道蛋白的結構一一被解析，科學家們發現，細胞膜 上存在多種離子的通道蛋白，如果這些通道蛋白結構異常，會引起很多 疾病，比如說鈣離子通道異常可能會導致高血壓等疾病。科學家們一直 在積極研究通道蛋白的作用機制，探索調控通道蛋白的藥物，以治療疾 病，維護人類健康。 圖示：載體蛋白和通道蛋白 活動：請你比較載體蛋白和通道蛋白的異同 表格列出兩者區別 通過兩幅示意圖，同學們發現，載體蛋白需要與被運輸的物質結合， 轉運時會發生自身構象的改變，這意味著載體蛋白對被運輸的物質具有 高度的選擇性，比如說膜上的葡萄糖載體蛋白只能轉運葡萄糖分子；而 分子或離子通過通道蛋白時，不需要與通道蛋白結合，但是通道蛋白只
容許與自身通道直徑和形狀相適配、大小和電荷相適宜的分子或離子通 過。也就是說，雖然通道蛋白不與物質結合，通道蛋白對被運輸的物質 同樣具有特異性或選擇性。 內容補充：通道蛋白的開放和關閉受到調控 除了圖中一 目了然的區別，通道蛋白還有一些特征：如，離子通道并不 是持續開放的，而是受到調控的，即離子通道的活性受控于適當的細胞 信號，開啟或者關閉。多數情況下離子通道呈關閉狀態，只有在應答膜 電位變化、化學信號或壓力刺激后，跨膜的離子通道才能開啟。因為通 道蛋白不是持續開放或關閉，且對通過的物質具有選擇性，保證了活細 胞內外的物質濃度是高度不同的，如 Na 離子是細胞外最豐富的陽離子， 而 K 是細胞內最豐富的陽離子。這種細胞內外的離子濃度差異對于細胞 的存活和功能至關重要，比如說在動物的神經系統傳遞信息、對體內外 的刺激做出反應的過程中，細胞內外的 K 離子和 Na 離子通過被調控的通 道蛋白協助擴散，保證了神經系統信號的正常傳遞。
三 影 響被動 運輸的 因素 圖示： 自由擴散和協助擴散曲線 教師：請判斷 :哪條曲線是自由擴散？哪條是協助擴散？請說出判斷依 據。 學生①自由擴散②協助擴散 依據： 自由擴散和協助擴散都是順濃度梯度進行跨膜運輸，不需要消耗 細胞內化學反應產生的能量，因此膜內外物質濃度梯度的大小會直接影 響運輸速率， 自由擴散的物質可以自由過膜，不需要膜上的轉運蛋白， 所以膜兩側的濃度差越大，其運輸速率越大，因此①是自由擴散；而協 助擴散需要轉運蛋白，如葡萄糖、核苷酸等有機物需要先與特定的載體 蛋白結合，載體蛋白形態結構發生改變，將其運至膜的另一個，之后恢 復形態繼續結合下一個分子。膜上的載體蛋白越多，能夠結合并轉運的 物質越多，所以借助載體蛋白的協助擴散具有飽和現象，物質的運輸速 率不會隨著物質的濃度差持續上升，會出現平臺期，如②所示。 教師： 由此，請大家總結影響被動運輸的因素。 學生： 自由擴散和協助擴散均是物質過膜的擴散，所以溫度的高低會影 響擴散的速率； 由于兩種擴散方式都是順濃度梯度進行跨膜運輸的，不 需要消耗細胞內化學反應產生的能量，因此膜內外物質濃度梯度的大小 會直接影響物質運輸的速率，但是協助擴散需要轉運蛋白，因而某些物 質運輸的速率還與轉運蛋白的數量有關。
小結

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