被动运输

CIE A-Level 生物学· 第4单元：细胞膜与物质运输· 15 分钟阅读

1. 简单扩散★★☆☆☆⏱ 3 min

📘 定义

简单扩散

分子或离子顺浓度梯度，从高浓度区域向低浓度区域的净移动，不消耗代谢能ATP。

例:

氧气和二氧化碳穿过细胞质膜的扩散

扩散依赖分子的随机动能运动，因此不需要外界能量。扩散速率由菲克定律描述：

\text{Rate of diffusion} \propto \frac{\text{Surface Area} \times \text{Concentration Gradient}}{\text{Membrane Thickness}}

只有小型、非极性、脂溶性分子可以直接穿过疏水的磷脂双分子层。大型、极性或带电分子无法轻易穿过。

📐 例题

预测以下哪种物质可以通过简单扩散穿过细胞膜：(a) 睾酮（类固醇激素），(b) 钠离子（Na⁺），(c) 二氧化碳（CO₂）

1
1. 回顾可通过简单扩散跨膜的分子特性：小型、非极性、脂溶性。
2
1. (a) 睾酮是小型非极性类固醇脂质，因此可以通过简单扩散跨膜。
3
1. (b) 钠离子带电且为极性，因此无法通过简单扩散跨膜。
4
1. (c) 二氧化碳是小型非极性分子，因此可以通过简单扩散跨膜。

Exam tip:

你经常需要应用菲克定律解释物质交换的适应性结构，例如薄的肺泡壁能提高扩散速率。

2. 协助扩散★★☆☆☆⏱ 4 min

📘 定义

协助扩散

大型、极性或带电分子顺浓度梯度，通过细胞膜上特定通道蛋白或载体蛋白进行的被动移动。

参与协助扩散的蛋白质主要有两类：

通道蛋白：形状固定的孔道，允许特定离子通过，多数为门控通道（可响应信号打开/关闭）
载体蛋白：通过改变构象转运特定极性分子（如葡萄糖）跨膜；顺梯度移动不消耗能量

与简单扩散不同，协助扩散的速率受可用转运蛋白数量限制，因为在高底物浓度下所有蛋白都会被饱和。

📐 例题

一名学生在逐渐升高的外源葡萄糖浓度下，测量红细胞摄取葡萄糖的速率，发现在高浓度下摄取速率达到平台期。解释该现象发生的原因。

1
1. 葡萄糖是大型极性分子，通过特定葡萄糖载体蛋白的协助扩散进入红细胞。
2
1. 低葡萄糖浓度下，并非所有载体都被饱和，因此摄取速率随浓度梯度升高而增加。
3
1. 高葡萄糖浓度下，所有可用载体蛋白都被完全占据（饱和）。即使浓度梯度进一步增大，速率也无法继续提升，因此形成平台期。

3. 渗透作用与水势★★★☆☆⏱ 5 min

📘 定义

渗透作用

水分子从高水势区域向低水势区域，穿过选择性透过膜的净移动。

水势（符号 (\Psi)，单位为kPa）表示水从溶液中移出的趋势。根据定义，纯水的水势为 0 kPa，是可能的最高值。加入溶质会降低水势，因此所有溶液的水势均为负值。

溶液相对于细胞细胞质的状态可分为：等渗（水势相同）、高渗（水势更低/更负）、低渗（水势更高/更接近零）。

📐 例题

将内部水势为-500 kPa的植物细胞放入水势为-800 kPa的蔗糖溶液中，预测净水移动方向和细胞的最终状态。

1
1. 记住水始终从更高（更接近零的负值）水势向更低（更负）水势移动。
2
1. 比较数值：细胞 (\Psi = -500) kPa，溶液 (\Psi = -800) kPa。-500 kPa比-800 kPa更高（更接近零）。
3
1. 水的净移动方向是从植物细胞流出，进入周围溶液。
4
1. 水流出后，液泡收缩，细胞质与坚硬的细胞壁分离：细胞发生质壁分离。

Exam tip:

描述渗透作用时必须明确提及水势。阅卷官不接受仅提及溶质浓度的答案。

4. 影响被动运输速率的因素★★★☆☆⏱ 3 min

因素	对被动运输速率的影响
浓度梯度	梯度越陡，速率越快（协助扩散达到饱和前）
温度	温度越高，速率越快（提高分子的动能）
膜表面积	表面积越大，速率越快
转运蛋白数量	蛋白越多，协助扩散速率越快，直至饱和
分子大小	小分子比大分子扩散更快
脂溶性	脂溶性越高的分子扩散穿过双分子层的速率越快

✓ 快速检测

测试你对核心概念的理解：

溶液A的水势 (\Psi = -300) kPa，溶液B的水势 (\Psi = -100) kPa。水穿过选择性透过膜的净移动方向是什么？
- 净移动方向 A → B
- 净移动方向 B → A
- 无净移动
- 仅溶质移动
显示答案
净移动方向 B → A —
正确：B的水势比A更高（更接近零），因此水从B移动到A。
哪个过程需要转运蛋白但不需要ATP？
- 简单扩散
- 主动运输
- 协助扩散
- 穿过磷脂双分子层的渗透作用
显示答案
协助扩散 —
正确：协助扩散利用蛋白顺梯度转运分子，因此不需要ATP。

5. 常见陷阱

错误做法:

仅说明水从低溶质浓度向高溶质浓度移动，未提及水势

原因:

虽然这在技术上没错，但CIE阅卷官要求明确提及水势才能给满分

正确做法:

始终明确说明水的净移动是穿过选择性透过膜，从更高（更接近零的负值）水势向更低（更负）水势移动

错误做法:

因为协助扩散使用蛋白，就将其归类为主动运输

原因:

主动运输和被动运输的核心区别是是否需要ATP能量，而非是否使用蛋白

正确做法:

只要物质顺梯度移动且不需要ATP，无论是否使用蛋白，都归类为被动运输

错误做法:

声称纯水的水势为非零的负值或正值

原因:

根据定义，纯水的水势为最大值0 kPa

正确做法:

记住纯水的水势 = 0 kPa，所有溶液的水势均为负值

错误做法:

将渗透作用定义为任何溶剂穿过膜的扩散

原因:

CIE的定义明确将渗透作用限定为仅水的移动

正确做法:

将渗透作用定义为水顺水势梯度穿过选择性透过膜的净移动

错误做法:

声称协助扩散的速率会随浓度梯度升高而无限增加

原因:

转运蛋白的数量是固定的，在高底物浓度下会被完全饱和

正确做法:

一旦所有转运蛋白都被饱和，协助扩散的速率就会进入平台期

6. 速查表

过程	顺梯度？	需要ATP？	需要蛋白？	底物示例
简单扩散	是	否	否	O₂、CO₂、类固醇激素
协助扩散（通道）	是	否	是	离子（Na⁺、K⁺）
协助扩散（载体）	是	否	是	葡萄糖、氨基酸
渗透作用	是（顺水势梯度）	否	否（或水通道蛋白）	仅水

7. 常见问题

协助扩散是主动运输还是被动运输？

协助扩散始终是被动运输。它不需要ATP，因为分子顺浓度梯度移动，仅需要转运蛋白协助运输。

扩散和渗透作用的区别是什么？

扩散指任何物质顺自身浓度梯度的净移动，而渗透作用特指水分子顺水势梯度通过选择性透过膜的净移动。

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2022 · 1
渗透作用方向的选择题
2021 · 2
影响扩散速率的因素
2023 · 4
比较被动运输的类型

深入阅读

syllabusCIE 9700 官方大纲查看第4部分：细胞膜与物质运输

下一步

被动运输是理解所有跨细胞膜运输的核心基础，该主题贯穿CIE A-Level生物学的所有单元。本子主题为理解依赖能量的运输过程，以及细胞如何维持水平衡、与环境交换物质奠定了基础。掌握被动运输概念，尤其是渗透作用和水势，对回答选择题和扩展问答题都至关重要，且经常与气体交换、肾脏功能、植物水分关系等其他主题结合考查。理解被动运输和主动运输的区别是考试中常见的基础考点。