解读模型，把握“运输”

新教材越来越强调解读模型能力的培养，并要求学生能用模型来表达一些结论。在实践中，物质的跨膜运输速率也常常用二维坐标曲线模型表示，通过对坐标图的分析，有利于学生理性思维能力的培养。本文试以小分子或离子物质跨膜运输方式的坐标模型加以探讨，以期提升学生认识问题和解决问题的能力。

 

一、“物质跨膜运输”模型归纳

 

1．被动运输模型

模型1：自由扩散	模型2：协助扩散

2．主动运输模型

“耗氧量”模型	“时间”模型	“浓度差”模型

 

二、物质跨膜运输模型解读

 

1．自由扩散模型

 

首先要明确自由扩散的条件即膜的两侧具有浓度差（小分子物质是从高浓度向低浓度扩散的），不需要载体协助也不需要能量供应。自由扩散的速度与物质浓度的高低（浓度差）成正比，但自由扩散是不受载体和能量等因素的影响，例如：水分子，氧气等气体分子以及甘油等脂溶性分子可以自由通过细胞膜。

 

2．协助扩散模型

 

首先要明确协助扩散的条件即需要载体蛋白的协助并且膜的两侧具有浓度差（小分子物质是从高浓度向低浓度扩散的），不需要能量的供应。在一定的浓度范围内，随浓度差增大，物质的扩散速度加快。达到一定程度后，由于受载体数目的限制（膜上的载体达到饱和时），物质运输速度不再增加而保持稳定，例如：葡萄糖通过红细胞膜。

 

3．主动运输模型

 

首先要明确主动运输的条件即需要载体蛋白的协助和伴随能量的消耗。一般小分子物质是从从低浓度向高浓度方向转运的（也可顺浓度进行），例如：钠离子等无机盐离子、葡萄糖、氨基酸等通过细胞膜。

 

3．1“耗氧量”模型

 

运输速度与氧气的供应呈正相关，但不是正比例，因受细胞膜上载体数量的限制，故在一定的氧气消耗量范围内，随耗氧量的增大，物质的扩散速度加快。达到一定程度后，物质运输速度不再增加而保持稳定。值得注意的是，在氧气消耗量为零时，虽然有氧呼吸受到了抑制，但物质仍然可以运输，因为此时还要无氧呼吸产生能量，故曲线的起始位置运输速率并非为零。

 

3．2“时间”模型

 

当细胞外物质的浓度高于细胞内时（顺浓度梯度），主动运输比被动运输快得多。当主动运输逆浓度梯度进行时，在能量供应充足、载体没有达到饱和之前，物质运输速度随细胞外浓度的升高而加快；当载体饱和或能量不足时，运输速度维持相对稳定，不再随细胞外浓度而变化。综上，也说明主动运输不但可以逆浓度梯度进行，也是可以顺浓度梯度进行的。

 

3．3“浓度差”模型

 

在载体饱和之前，主动运输的速率和物质浓度成正相关，此时体现了主动运输和协助扩散模型的统一性。但当载体的数量饱和后且能量充足时由于载体运输的物质有限故运输速率就不在变化了。

 

此时，主动运输的运输速率与物质在膜两侧的浓度差无关。

 

三、物质跨膜运输模型应用

 

例1 下图表示正常情况下，不同物质穿过细胞膜进入细胞的四种情况。若在X点加入有氧呼吸抑制剂，下列曲线中一定会发生明显变化的是 

 

 

【解析】本题是对“物质跨膜运输模型”理解的综合性考查。依据横、纵坐标的含义以及相关曲线的走势分析，结合自由扩散、协助扩散和主动运输模型的比对可知A项为自由扩散模型，与膜内外溶液浓度差密切相关。B项为协助扩散模型或为主动运输中的“浓度差”模型，C项为主动运输中的“耗氧量”模型的变式，需要载体和能量。D项为自由扩散模型的变式。“若在X点加入有氧呼吸抑制剂”则影响能量的供应，故主动运输过程一定会发生明显的变化，而被动运输是与能量无关的，因此选项A、B、D则并非“一定”发生明显的变化。

 

【答案】C 

 

例2 下图中纵坐标表示物质通过膜运输的速率。请根据图回答。

 

 

 

 

（1）心肌细胞吸收 O₂、 K⁺的运输方式依次是图_____、_____（填序号）。 图 b 出现 BC 段的主要原因是__________________________。

 

（2）与表皮细胞相比较，人心肌细胞中显著增多的细胞器结构是______________，其依据是____________________________________。

 

（3）对绿色植物而言，决定如何吸收土壤中某种离子的直接因素是______________。

 

（4）若对离体的心肌细胞施用某种霉素，结果Ca²⁺吸收最显著减少，而K⁺、C₆H₁₂O₆等物质的吸收不受影响，其可能的原因是____________________。 若用呼吸作用抑制剂处理心肌细胞，则 Ca²⁺、 K⁺、 C₆H₁₂O₆等物质吸收均受到显著的影响，其原因是____________。

 

【解析】依据物质跨膜运输模型，可知a为自由扩散模型，故为O₂进入心肌细胞的方式， b为主动运输中的“耗氧量”模型，是K⁺的运输方式。该模型除了要考虑有氧呼吸释放能量时氧气的消耗量外，还要考虑细胞膜上的载体种类和数量对物质运输的直接影响，同时参与呼吸作用的酶也是有限的。决定绿色植物吸收离子的直接因素即细胞膜上的载体。若毒素抑制了钙离子载体的活性，则Ca²⁺吸收最显著减少，但其他物质不是影响。反之若用呼吸作用抑制剂处理心肌细胞，在细胞的呼吸受阻能量递减，故Ca²⁺、 K⁺、 C₆H₁₂O₆等物质吸收均受到影响。

 

【点拨】无论是绿色植物的根吸收矿质元素，还是动物的心肌细胞吸收无机盐离子都有涉及物质的主动运输过程，故要从能量和载体两个角度（直接影响因素）去寻找突破口，只要间接影响到能量变化（如细胞呼吸）或载体蛋白的因素就要考虑。

 

【参考答案】（1） a、b；载体的数是有限的，参与呼吸作用的酶也是有限的 （2）线粒体；心肌细胞在不停的收缩，需要消耗的能量远比表皮细胞多 （3）根细胞膜上矿质离子的载体（4）该毒素抑制了钙离子载体的活性；这些物质的运输方式都是主动运输，需要消耗能量