高中生物2019版新教材必修一3-1《细胞膜的结构和功能》探究教案

第1节 细胞膜的结构和功能

1．阐明细胞核的结构和功能。

2．简述生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。

3．尝试利用废旧物品制作生物膜模型。

4．认同细胞膜作为系统的边界，对于细胞这个生命系统的重要意义。

5．通过分析科学家建立生物膜模型的过程，阐述科学发现的一般规律。 【教学重点】

1．细胞膜的功能。

2．生物膜的流动镶嵌模型学说的基本内容。

【教学难点】

1．形象地理解细胞膜的功能，体会细胞膜作为细胞这个生命系统的边界的重要意义。

2．生物膜的空间立体结构。

3．对科学探究过程的分析，如何体现生物膜的结构与功能相统一。

一、导入新课

科学家用显微注射器将一种叫做伊红的物质注入变形虫体内，伊红很快扩散到整个细胞，却不能逸出细胞。此实验说明了什么？

细胞存在边界——细胞膜。 二、讲授新课

（一）细胞膜的功能

细胞膜与细胞的物质交换、细胞识别、分泌、排泄、免疫等功能密切相关。细胞膜的主要功能包括以下三个方面：

1．将细胞与外界环境分隔开。膜的出现是生命起源过程中至关重要的阶段。细胞膜的

存在使细胞成为一个相对独立的系统，为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境。

推测的原始海洋景观想象图

2．控制物质进出细胞。

注意：细胞膜的控制作用是相对的。

3．进行细胞间的信息交流。细胞间信息交流的方式多种多样。

（1）内分泌细胞分泌的激素随血液到达全身各处，与靶细胞的细胞膜表面的受体结合，将信息传递给靶细胞。

（2）相邻两个细胞的细胞膜接触，信息从一个细胞传递给另一个细胞。例如，精子和卵细胞之间的识别和结合。

（3）相邻两个细胞之间形成通道，携带信息的物质通过通道进入另一个细胞，如植物细胞间通过胞间连丝进行信息交流。

细胞膜的这些功能，与它的结构密切相关。

拓展：细胞壁

在植物细胞膜外还有由细胞分泌的纤维素、果胶等物质构成的细胞壁。对细胞具有机械支持和保护的作用，同时还能防止细胞吸涨而破裂，保持细胞正常形态。

举例：用纤维素酶除掉细胞壁的植物细胞不再保持原来的形态。将这样的细胞放置在清水中时，它会像红细胞一样吸水破裂。

（二）对细胞膜结构的探索

1．对细胞膜成分的探索

19世纪末，欧文顿（E. Overton ）用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行过上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性是不一样的：凡可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。据此推测：膜是由脂质组成的。

20世纪初，科学家第一次将细胞膜从哺乳动物红细胞中分离出来，化学分析表明，组成细胞膜的脂质有磷脂和固醇，并且通过化学分析得知其中磷脂含量最多。磷脂的一端为亲水的头，两个脂肪酸一端为疏水的尾，多个磷脂分子在水中总是自发地形成双分子层。

1925年，荷兰科学家戈特等人用丙酮从人的红细胞中提取磷脂，在“空气-水”界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。

胆碱

磷酸

甘油

极性头部(磷脂)非极性尾部(硬脂酸)顺式双键

得出结论：细胞膜由两层磷脂分子构成。

1935年，英国学者丹尼利（J. F. Danielli ）和戴维森（H. Davson ）

研究了细胞膜的张力。

他们发现细胞的表面张力明显低于油-水界面的表面张力。由于人们已发现了油脂滴表面如果吸附有蛋白质成分则表面张力会降低，因此丹尼利和戴维森推测细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质。

对细胞膜成分的研究发现，细胞膜主要是由脂质和蛋白质组成的。此外，还有少量的糖类。其中脂质约占细胞膜总质量的50%，蛋白质约占40%，糖类占2%~10%。

2．对细胞膜结构的探索

1959年，罗伯森特在电镜下看到了暗-明-暗三层结构，提出了“蛋白质-脂类-蛋白

质”的三明治模型。认为质膜由双层脂类分子及其内外表面附着的蛋白质构成的。

三明治模型的主要不足在于：把生物膜的结构描述成静止的、不变的，这显然与膜功能的多样性相矛盾。

1970年，科学家将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。

这一实验结果表明：细胞膜具有流动性。

质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如物质跨膜运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验，成功地指出细胞膜具有流动性。

实际上，一些很简单的例子也能说明膜具有流动性，例如变形虫的变形运动、动物细胞吸水膨胀和失水皱缩等。

1972年，辛格（S. J.Singer）和尼科尔森（G. Nicolson）提出的流动镶嵌模型为大多数人所接受。

思考讨论：

（1）生物膜的流动镶嵌模型是不是就完美无缺了呢？请说说你的看法。

参考：生物膜的流动镶嵌模型不可能完美无缺。人类对自然界的认识永无止境，随着实验技术的不断创新和改进，对膜的研究将更加细致入微，对膜结构的进一步认识将能更完善地解释细胞膜的各种功能，不断完善和发展流动镶嵌模型。

的确，流动镶嵌模型是目前人们普遍认同的，但它无法完美地回答生物膜的所有功能。所以后来不断提出一些新的模型，如Wallach于1975年提出晶格镶嵌模型；Jain和White于1977年提出板块镶嵌模型等。迄今为止，已提出的生物膜结构模型达几十种之多，生物膜的结构模型虽然有很多种，但被广泛接受的结构模型基本内容是趋向一致的，其要点和特点基本相同，主要包括膜的分子组成和结构特征。

（2）纵观整个人们对建立生物膜模型的探索过程，你能谈谈实验技术的进步起到怎样的作用？

参考：在建立生物膜模型的过程中，实验技术的进步起到了关键性的推动作用。如血影的制取和化学成分的鉴定技术使人们认识膜的化学组成；电子显微镜的诞生使人们终于看到了膜的存在；冰冻蚀刻技术和扫描电子显微镜技术使人们认识到膜的内外两侧并不对称；荧光标记小鼠细胞与人细胞的融合实验又证明了膜的流动性等。没有这些技术的支持，人类的认识便不能发展。

（3）分析生物膜模型的建立过程中，结构与功能相适应是如何得到体现的？

参考：在建立生物膜模型的过程中，结构与功能相适应的观点始终引导人们不断实践、认识，再实践、再认识；使人类一步步接近生物膜结构的真相。例如，不同生物膜的功能是有差异的。在生命系统中，一般来说，功能的不同常伴随着结构的差异，而早期的生物膜模型假定所有的生物膜都是相同的，这显然与不同部位的生物膜功能不完全相同是矛盾的。还有，不同膜的厚度也不完全一样。由此促进学者们重新研究脂质和蛋白质相互作用的问题。一些学者使用了更加先进的技术，运用红外光谱等技术证明，膜蛋白主要为球形结构。冰冻蚀刻电镜技术又证明，脂双层中分布有蛋白质颗粒，这样又发展了生物膜模型。生物膜中存在不同种类的蛋白质，以及蛋白质在生物膜中的不同分布情况，恰能较好地解释不同结构的生物膜具有不同的生理功能。

（4）分析生物膜模型的建立过程，你受到什么启示？

参考：①科学研究是要在实验和观察的基础上，通过严谨的推理和大胆的想象，提出假说，再通过实验进一步地验证假说。

②科学研究依赖于技术的进步，技术进步了，可以得到更多新的实验数据。

③科学发现的过程是一个长期的过程，涉及到许多科学家的辛勤工作。

④科学发现的过程不是一帆风顺的，往往是在继承的基础上不断验证、修正和完善发展的。

⑥科学家的观点并不全是真理，还必须通过实践验证；科学学说不是一成不变的，需要