细胞的生物膜系统(精)

细胞的生物膜系统 【知识体系】

【教材全解】 一、重难点诠释 细胞是生物体结构和功能的基本单位。人类的许多问题需要借助细胞生物学的知识加以解决。如癌细胞的杀伤、处理污水的过滤膜装置等等。因此在初步掌握细胞的基础知识以后，我们来进一步学习细胞与细胞工程。

根据下图4－1－1动物、植物细胞的亚显微结构模式图，分别归纳出由单层膜结构、双层膜构成的细胞结构： 但是细胞核中的染色体。细胞质中的核糖体、中心体则不具备膜结构。 （一）各种生物膜在结构上的联系：

（二）各种生物膜在功能上的联系 核糖体是细胞内将氨基酸合成蛋白质的场所；高尔基体与细胞分泌物的形成有关，在植物细胞分裂时，还与细胞壁的形成有关；内质网膜上附着许多种酶，为细胞内多种化学反应的进行提供场地，还与蛋白质、脂类和糖类的合成有关，也是蛋白质等的运输通道。

联系如图4－1－2所示： （三）生物膜系统的概念 细胞内的各种生物膜（包括细胞膜、核膜以及内质网、高尔基体、线粒体等细胞器的膜）不仅在结构上有一定的联系，在功能上也是既有明确的分工，又有紧密的联系。各种生物膜相互配合，协同工作，才使得细胞这台高度精密的生命机器能够高效、持续地运转，它们所形成的结构体系，叫做细胞的生物膜系统。

（四）生物膜系统的作用 1．细胞膜在维持细胞内环境稳定、物质运输、能量交换和信息传递方面起着决定性的作用。具体阐释并举例如下：

①关于物质运输。物质出入细胞都要穿过细胞膜，出入方式以自由扩散和主动运输两种方式为主。此外，还有内吞作用和外排作用等。自由扩散时，物质从细胞膜高浓度的一侧穿过细胞膜移到低浓度的一侧，但不消耗能量ATP，不需要载体蛋白；而主动运输不仅消耗ATP，而且需要载体的帮助，载体的本质是细胞膜中的蛋白质。细胞膜在控制物质的自由扩散和主动运输时，表现出选择透过性的功能特点：水分子可以自由通过，细胞要选择吸收的离子和小分子也可以通过，而其它的离子、小分子和大分子则不能通过，由细胞膜来甄别被选择的物质。细胞的内吞作用和外排作用则以细胞膜的流动性作为基础。

②关于能量交换。神经细胞由静息状态下的细胞膜外带正电荷，膜内带负电荷，转变为兴奋状态下的外负内正，靠的就是细胞膜有选择地出入Na+、K+，使化学势能转变为电能的典型实例。

③关于信息传递。如神经元之间的信息传递，上一个神经元释放化学递质，通过与下一个神经元细胞膜上受体蛋白结合，从而引起下一个神经元的兴奋或抑制。细胞膜在传递过程中发挥着决定性作用。

再例如，红细胞膜表面有A和B两种凝集原，从而决定着血型的类型；每个人的细胞膜上都带有一组与别人不同的组织相容性抗原，即人类白细胞抗原，简称HLA，如果别人的组织或器官移植到病人身上，病人的免疫系统就会识别出不同的信息而加以排斥。事实上，红细胞表面的凝集原和HLA都是细胞膜上的结构蛋白，它们往往与多糖结合，以糖蛋白的形式存在，具有识别信息的作用。

2．生物膜系统可以为酶提供了大量的附着位点，为许多重要反应的进行提供了场所。 例如植物细胞的高尔基体膜上，含有催化单糖聚合为多糖（如纤维素等）的酶，纤维素等合成后由细胞释放到细胞外间隙中，作为构成细胞壁的主要成分。

肝细胞具有解毒功能，其原因是肝细胞的内质网上分布有解毒酶，可催化分解各种药物或有毒物质。 线粒体内膜上，含有一系列与有氧呼吸作用相关的酶。 3．生物膜把细胞分隔成小室，保证各种化学反应互不干扰，高效有序地进行。 如线粒体是一个有界膜的细胞器，有氧呼吸的酶非常有序地排列在线粒体的膜上，高度有序的排列方式使得一种反应的产物不需移动很远就可以遇到催化下一个反应的酶。这些高度有组织排列的酶彼此之间保持着密切的联系，保证多种化学反应互不干扰，高效地进行。

（四）生物膜研究的重要意义 1．研究层次：达到了分子水平 2．理论意义：有助于从理论上阐明细胞的生命活动规律，是现代生物科学发展的重大方向之一 3．实践应用 ①农业上，研究培育抗寒、抗旱、耐盐的农作物新品种。 如：植物细胞内的生物膜体系与植物的抗寒性有密切关系。当植物遭到低温时，生物膜便会发生形态的改变，即从液晶态变成凝胶状态，并使膜的结构破坏，结果在细胞膜上形成透性较大的非脂类的“洞穴”，成为许多电解质自由出入的通道，细胞质内的溶胶因而大量排出，最终引起死亡。因此，研究生物膜系统对抗寒农作物的培育具有重要的意义。

②工业上，人工模拟生物膜的选择透过性（如：利用人工膜滤去海水中的盐分，对海水进行淡化处理；利用人工膜阻挡污水中的重金属离子来净化污水等）。

③医学上，尝试用人工合成的膜材料代替病变器官（如透析型人工肾等）。 透析型人工肾起关键作用的是人工合成的血液透析膜，它与膜外的透析液一起，共同模拟了生物膜的选择透过性功能，使得血液中的代谢废物得以排除。

4．生物膜与生物工程的发展前景 发展膜的分子生物学，为解决生物学、医学及农学中的重大理论问题服务，如肿瘤和其它恶性疾病的防治，神经和免疫功能的调节，发育和遗传的控制等。

二、旁栏思考题 1．回忆高中生物必修课中学过的有关细胞亚显微结构的知识，想一想哪些细胞（器或细胞结构）是由单层膜构成的，哪些细胞器（或细胞结构）是由双层膜构成的？

2．物质通过细胞膜的运输方式有哪几种？ [精析] 物质通过细胞膜的运输方式主要是自由扩散和主动运输两种方式，是指水、能够被细胞吸收的离子、小分子进入细胞膜的方式；大分子以内吞作用、外排作用的方式进出细胞膜。

三、易误辨析 例1 内质网膜与核膜、细胞膜相连，这种结构特点表明内质网的重要功能之一是（ ） A．扩展细胞内膜，有利于酶的附着 B．提供细胞内物质运输的通道 C．提供核糖体附着的支架 D．参与细胞内某些代谢反应 [精析] 内质网的功能是多方面的，它既与蛋白质、脂肪等有机物的合成、加工、包装和运输有关，又与脂类、胆固醇代谢、糖元的分解等作用有关。因此所有选项均是内质网的功能。但就题中所阐述的结构特点分析，表达的是其重要的功能之一——提供细胞内物质运输的通道。例如细胞内合成的胰岛素、抗体、血浆蛋白、各种消化酶等各种分泌蛋白，就是从这些膜构成的管道内通过，运输到高尔基体，经加工包装后再分泌到细胞外。

[答案] B [易误辨析] 题目所给的四个选项均为内质网的功能，但题中所给的信息为内质网与核膜细胞膜相连，只能说明内质网提供细胞内物质运输的通道；其他选项所表述的作用只靠题目信息表达不出。若没有仔细分析题目所给的信息则容易误选其他选项。

例2 体现各生物膜在结构上的联系，以“出芽”方式进行的是（ ） A．核膜和内质网膜 B．内质网膜和细胞膜 C．细胞膜和高尔基体膜 D．细胞膜和线粒体膜 [精析] 本题从以下几方面分析：①各种生物膜在结构上的联系分为直接联系和间接联系两种方式；②内质网膜与核膜和细胞膜可直接相连，能直接相互转变而成，不需小泡作中介；③内质网膜、高尔基体膜、细胞膜之间不直接相连，需要以“出芽”的形式形成小泡，才能完成膜之间的转变，从而体现了生物膜在结构上的连续性。

[答案] C [易误辨析] 如果对生物膜在结构上的联系理解不深，容易误把直接联系的当作“出芽”方式完成膜之间的转变，从而选择错误选项。

【思维拓展】 例1 衣藻是淡水单细胞绿藻，它的有性生殖依靠两个形态相似的双鞭毛配子的结合，配子有（+）和（-）两种交配型，同种交配型不发生结合。即：

（+）+（-）→合子，结合 （+）+（+）→不结合 （-）+（-）→不结合 则衣藻的配子依靠什么识别其它的配子是否与自己同型或异型？经研究发现此物质在衣藻鞭毛端部的细胞膜上，除了参与细胞识别还与免疫反应、信息传递和血型决定有密切关系，则此物质是（ ）

A．糖蛋白 B．磷脂 C．脂肪 D．核酸 [精析] 分析材料可以得知此物质是位于鞭毛端部细胞膜上，具有识别信息的作用，再联系其血型决定等功能则可确定此化学物质为糖蛋白，因为细胞膜主要由蛋白质和脂类中的磷脂组成，其中的磷脂分子没有特异性和多样性的特点，不可能起到识别、免疫、信息传递和决定血型等多种功能；而蛋白质则具有多样性和特异性，可以完成上述功能。

［答案］ A 例2 生物膜结构和功能的研究成果在工农业生产和医学实践中有着重要用途。下列有关生物膜的应用的叙述中，错误的是（ ）

A．模拟生物膜可以处理污水，淡化海水 B．研究生物膜可以寻找改善农作物品质的新途径 C．模拟生物膜可以人工合成代替人体病变器官的膜材料 D．通过膜生物工程技术可以诊断、治疗疾病，完全改变细胞的遗传特性 ［精析］ 生物膜结构和功能的应用主要表现在人工膜技术。人工合成的膜材料与生物膜一样也具有选择透过性，其成分与生物膜基本相似，与生物膜具有亲合性，因此它可以淡化海水，处理污水，也可用于治疗、诊断疾病等。但是目前的生物技术还没有达到人工合成人体器官的水平，此技术不能改变细胞的遗传特性。

［答案］ D

【高考链接】 ★ 命题趋向：本考点是对必修本《生命的基本单位一细胞》一章内容的扩展和补充，在新情景材料中常用到细胞工程知识。本考点主要考查以下内容：①各种生物膜在结构上的联系：如内质网膜与外层核膜、细胞膜、线粒体外膜相连。②不同生物膜之间的相互转化：如内质网膜、细胞膜和高尔基体膜之间的相互转化，内质网膜通过“出芽”的形式，形成高尔基体膜的一部分。③各种生物膜在功能上的相互联系：如在胰岛素的合成与分泌过程中是按照：内质网上的核糖体合成→内质网运输和加工→高尔基体加工并形成小泡→细胞膜的方向进行的。

例1 （2001·天津）牛奶中含有乳球蛋白和酪蛋白等物质，在奶牛的形成过程中，与上述物质的合成和分泌有密切关系的细胞结构是（ ）

A．核糖体、线粒体、中心体、染色体 B．线粒体、内质网、高尔基体、核膜 C．核糖体、线粒体、质体、高尔基体 D．线粒体、核糖体、内质网、高尔基体