引言

在高中生物选修一（通常对应人教版《分子与细胞》）中，第四章“细胞的物质输入和输出”是细胞生物学的重要基础。它探讨了细胞如何维持内部环境的稳定（稳态），通过膜的结构和功能实现物质的跨膜运输。本章的核心在于理解细胞膜的选择透过性，以及水和溶质如何进出细胞。细胞失水和吸水原理不仅是考试高频考点，也是理解植物生理（如渗透作用、质壁分离）和动物生理（如红细胞溶血）的关键。

本章内容逻辑清晰：从细胞膜的流动镶嵌模型入手，分析物质运输方式（被动运输、主动运输、胞吞胞吐），并重点剖析渗透作用导致的细胞失水吸水现象。以下将系统总结核心考点，并详细解释失水吸水原理，辅以实例和实验分析，帮助读者深入掌握。文章基于最新教材和高考考纲，力求客观准确，语言通俗易懂。

一、细胞膜的结构基础：流动镶嵌模型

细胞膜是物质输入输出的“关卡”，其结构决定了功能。核心考点是流动镶嵌模型的基本内容，这是理解所有运输方式的前提。

1.1 基本组成

细胞膜主要由脂质（约50%，主要是磷脂）、蛋白质（约40%）和少量糖类（约2%-10%）组成。磷脂双分子层构成膜的基本支架，具有流动性；蛋白质镶嵌或贯穿其中，执行运输、识别等功能；糖类与蛋白质或脂质结合形成糖蛋白/糖脂，参与细胞识别。

1.2 流动镶嵌模型的核心特点

  • 镶嵌性：蛋白质像“冰山”一样嵌入磷脂双分子层中，有的贯穿全膜（载体蛋白、通道蛋白），有的部分嵌入。
  • 流动性：磷脂和大多数蛋白质可以运动，使膜具有柔韧性。这是细胞融合、变形和物质运输的基础。实验验证：人鼠细胞融合实验（荧光标记显示膜蛋白流动）。
  • 不对称性：膜内外两侧的蛋白质和脂质分布不均，糖类只分布在膜外侧（外正内负），这决定了物质运输的方向性。

支持细节：磷脂分子的“头部”亲水、“尾部”疏水，形成双层结构。温度影响流动性——低温下流动性降低，物质运输受阻；高温下可能破坏结构。

实例：想象细胞膜像一个“智能门卫”，磷脂双分子层是“围墙”，蛋白质是“门”和“通道”，糖类是“身份证”。只有匹配的物质才能通过。

二、物质跨膜运输的核心方式总结

本章将物质运输分为被动运输（顺浓度梯度，不耗能）和主动运输（逆浓度梯度，耗能）。胞吞胞吐是大分子运输方式。核心考点：比较各种方式的条件、实例和意义。

2.1 被动运输（Passive Transport）

被动运输是物质从高浓度向低浓度扩散，利用浓度差，无需细胞能量（ATP）。分为自由扩散和协助扩散。

2.1.1 自由扩散（Simple Diffusion）

  • 原理：小分子物质（如O₂、CO₂、乙醇、甘油、苯）直接穿过磷脂双分子层，顺浓度梯度。
  • 特点：速度与浓度差成正比，无饱和现象，不需要载体蛋白。
  • 实例：肺泡中的O₂扩散进入血液（高浓度O₂→低浓度O₂），红细胞释放CO₂到肺泡。
  • 影响因素：浓度梯度越大，扩散越快；温度升高加速（分子运动加快）；膜面积增大也加速。

2.1.2 协助扩散（Facilitated Diffusion）

  • 原理：需要载体蛋白或通道蛋白协助，顺浓度梯度。适用于葡萄糖进入红细胞、离子（如Na⁺、K⁺）通过离子通道。
  • 特点：有饱和现象（蛋白有限）；特异性强（只运特定物质）。
  • 载体蛋白 vs 通道蛋白：载体蛋白像“搬运工”，结合物质后构象改变（如葡萄糖载体）；通道蛋白像“隧道”，允许离子快速通过（如水通道蛋白AQP）。
  • 实例：葡萄糖进入红细胞——红细胞膜上有GLUT1载体，葡萄糖顺浓度进入，提供能量。水通道蛋白（AQP）加速水分子扩散，人体有13种AQP，肾小管重吸收水依赖AQP2。
  • 实验验证：用抑制剂（如细胞松弛素）阻断载体蛋白，运输停止。

2.2 主动运输（Active Transport）

  • 原理：逆浓度梯度运输，需要载体蛋白和能量（ATP）。如Na⁺-K⁺泵、Ca²⁺泵、葡萄糖/氨基酸协同运输。
  • 特点：选择性强，可积累物质，耗能。速率与能量供应相关，有饱和。
  • 实例：小肠上皮细胞吸收葡萄糖——Na⁺-葡萄糖协同转运（SGLT1），Na⁺顺浓度进入驱动葡萄糖逆浓度吸收。Na⁺-K⁺泵（钠钾泵）维持细胞内高K⁺、低Na⁺，每泵出3个Na⁺、泵入2个K⁺，消耗1 ATP。
  • 意义：维持细胞内外离子浓度差（如神经细胞静息电位依赖K⁺外流），吸收营养，排出废物。
  • 影响因素：温度（影响酶活性和ATP产生）、氧气（有氧呼吸供能）、抑制剂（如乌苯苷抑制Na⁺-K⁺泵）。

2.3 胞吞和胞吐（Endocytosis and Exocytosis）

  • 原理：大分子或颗粒物质通过膜囊泡运输，不直接跨膜。
    • 胞吞：物质进入细胞，形成囊泡（如吞噬病原体、受体介导内吞LDL胆固醇）。
    • 胞吐：物质排出（如胰岛素分泌、神经递质释放）。
  • 特点：耗能，依赖细胞骨架（微丝、微管），需要膜流动性。
  • 实例：巨噬细胞吞噬细菌（吞噬作用）；高尔基体分泌抗体（胞吐）。
  • 意义：免疫防御、激素调节。

2.4 核心比较表（考点速记）

运输方式 方向 载体 能量 实例 速率影响因素
自由扩散 顺浓度 无 无 O₂、CO₂ 浓度差、温度
协助扩散 顺浓度 有 无 葡萄糖入红细胞 浓度差、载体数量
主动运输 逆浓度 有 ATP Na⁺-K⁺泵 能量、温度
胞吞/胞吐 - 无直接 ATP 胰岛素分泌 膜流动性、能量

考点提示：高考常考“物质运输方式判断”，如判断K⁺进入神经细胞是主动运输（逆浓度），而O₂进入是自由扩散。

三、细胞失水和吸水原理详解

细胞失水和吸水是渗透作用（Osmosis）的结果，这是本章最核心、最易混淆的考点。渗透是水分子通过半透膜从低溶质浓度向高溶质浓度的扩散。细胞膜是选择透过性膜，相当于半透膜。

3.1 渗透作用的基本原理

  • 定义：水分子从溶质浓度低（水势高）的区域向溶质浓度高（水势低）的区域扩散。不需能量，顺水势梯度。
  • 条件：
    1. 半透膜（允许水通过，不允许溶质通过）。细胞膜、膀胱膜是天然半透膜。
    2. 浓度差（膜两侧溶质浓度不同）。
  • 方向：水从低渗溶液（溶质少）流向高渗溶液（溶质多）。
  • 水势概念（高级理解）：水势ψ = 压力势 + 溶质势。纯水水势=0，溶质增加水势降低（负值）。水从高水势向低水势流动。

实验演示：U形管实验——左侧清水，右侧蔗糖溶液。水从左向右扩散，右侧液面上升，左侧下降，直到平衡。

3.2 细胞失水和吸水的机制

细胞置于溶液中，根据外界溶液浓度与细胞液浓度的比较，决定水进出方向。细胞液是液泡内的液体，含糖类、色素等，浓度可变。

  • 吸水（Swelling）：外界溶液浓度 < 细胞液浓度（低渗环境）。水进入细胞，细胞体积增大，膨胀。植物细胞有细胞壁，不会破裂；动物细胞可能胀破（溶血）。
  • 失水（Shrinkage）：外界溶液浓度 > 细胞液浓度（高渗环境）。水流出细胞，细胞体积缩小，质壁分离（植物）或皱缩（动物）。
  • 等渗（Equilibrium）：浓度相等，水进出平衡，体积不变。生理盐水（0.9% NaCl）是人体细胞等渗溶液。

详细过程（以植物细胞为例）：

  1. 细胞壁：全透性，允许溶质和水通过，提供刚性支撑。
  2. 原生质层（细胞膜+液泡膜+两膜间细胞质）：选择透过性，相当于半透膜。
  3. 当外界高渗时，原生质层失水收缩，与细胞壁分离——质壁分离。
  4. 当外界低渗时，原生质层吸水膨胀，紧贴细胞壁——质壁分离复原。

数学模型（简单量化）：假设细胞初始体积V0，外界溶质浓度C_out，细胞液浓度C_in。水净流量 ∝ (C_in - C_out)。若C_in > C_out，净吸水；反之净失水。

3.3 动物细胞的失水吸水

  • 吸水：低渗溶液中，细胞膨胀。若过度，可能胀破（溶血），如红细胞在蒸馏水中破裂释放血红蛋白。
  • 失水：高渗溶液中，细胞皱缩（crenation）。如置于10% NaCl中，红细胞失水变形。
  • 实例：输液用0.9%生理盐水，避免红细胞溶血或皱缩。肾小管重吸收水时，细胞外液高渗，驱动水进入细胞。

3.4 植物细胞的失水吸水

植物细胞有细胞壁，耐受性强，但质壁分离是关键现象。

  • 质壁分离（Plasmolysis）：高渗下，原生质层收缩，与壁分离。细胞壁不变形。
    • 过程：初始时细胞饱满；30%蔗糖溶液中，水外流，原生质体缩小成球状；显微镜下可见壁与质分离。
    • 复原：清水冲洗，水进入，原生质层恢复贴壁。
  • 意义：证明细胞膜选择透过性；指导施肥（浓肥烧苗=高渗失水）；根吸水依赖土壤低渗。
  • 实例：洋葱表皮细胞实验——取紫色洋葱鳞片叶外表皮，置于0.3g/mL蔗糖溶液，观察质壁分离（紫色液泡缩小）；换清水，复原。失水时，细胞液浓度升高，渗透压增大。

影响因素：

  • 温度：高温加速水分子运动，失水/吸水更快。
  • 溶质类型：不能透过膜的溶质（如蔗糖）产生持久渗透；能透过的（如尿素）短暂渗透后平衡。
  • 细胞代谢：主动运输维持细胞液浓度，影响渗透。

3.5 常见误区与考点

  • 误区1：所有物质进出都需载体？错，自由扩散不需要。
  • 误区2：水只通过自由扩散？错，主要通过协助扩散（水通道蛋白），速率快10倍。
  • 考点：判断“细胞吸水=体积增大”？植物不一定（有壁限制）；动物是。
  • 高频实验：探究植物细胞吸水和失水，设计变量（浓度梯度），观察指标（质壁分离程度）。

四、本章核心考点总结与解题技巧

4.1 考点归纳

  1. 结构功能统一：膜流动性支持运输，蛋白质决定选择性。
  2. 运输方式辨析：结合实例判断，如小肠吸收是主动+协助。
  3. 渗透作用应用：解释质壁分离、红细胞行为、种子萌发（吸水膨胀）。
  4. 实验探究：观察质壁分离、验证膜选择性（用不同溶质）。
  5. 与代谢联系：主动运输需呼吸作用供能，缺氧抑制。

4.2 解题技巧

  • 选择题：看“顺/逆浓度”“耗能否”“需载体否”。如：K⁺进入根细胞——主动运输。
  • 填空/简答：描述过程时，强调“浓度差→水势差→水流动→细胞变化”。
  • 实验设计：控制变量（浓度），观察（显微镜），结论（渗透导致）。
  • 计算题：简单渗透压公式π = iCRT（i离子数，C浓度，R气体常数，T温度）。

4.3 拓展应用

  • 医学：透析膜模拟半透膜，清除血液废物。
  • 农业：盐碱地植物失水，需选耐盐品种（维持细胞液高浓度）。
  • 生态：海鱼淡水鱼渗透调节差异（海鱼喝海水排盐）。

结语

掌握第四章，需要从结构入手，理解运输的“被动顺流”与“主动逆流”，并用渗透原理解释失水吸水现象。通过实验（如质壁分离）加深感性认识，结合实例（如Na⁺-K⁺泵）体会生理意义。建议多做高考真题，如2019全国卷“判断运输方式”或2022北京卷“质壁分离实验”。本章是细胞生理学基石，学好它，将为后续“酶与ATP”“光合作用”打下基础。若有疑问，可结合教材图示反复练习。