資源簡介

細胞膜的結構和功能
【教學目標】
1．知識目標：簡述細胞膜的成分和功能，解釋細胞膜在維持細胞結構和功能中重要作用,簡述生物膜的流動鑲嵌模型的基本內容。
2．能力目標：分析科學家建立生物膜結構模型過程，嘗試提出問題，大膽作出假設；發揮空間想象能力，構建細胞膜的空間立體結構。
3．情感目標：認同細胞膜作為系統的邊界，對于細胞這個生命系統的重要意義。
【教學重難點】
1．重點
（1）細胞膜的功能和細胞膜成分的探索歷史。
（2）細胞膜結構的探索歷史。
2．難點
（1）流動鑲嵌模型的基本內容。
（2）理解細胞膜對于細胞這個生命系統的重要意義。
【教學方法】
講授與學生討論相結合、問題引導法、資料分析法
【教學過程】
導入：在前面的學習中，我們認識了細胞這個基本的生命系統的物質成分，從今天開始，我們將進一步認識細胞這個基本的生命系統，我們來認識由水、無機鹽、糖類、脂質、蛋白質和核酸組成的一個有機整體——細胞的基本結構。
大家對于細胞應該有了一定的認識——我們在初中學習過，在前面的實驗中我們也曾經觀察過一些細胞。
T：你認為細胞最外面的結構是什么？
S：……（學生發言：脫口而出的同學可能往往回答細胞膜；略有思考的同學回答細胞壁；比較嚴謹的同學會回答“植物細胞的最外層是細胞壁，動物細胞的最外層是細胞膜”等）
（教師點評后總結，注意點評學生的思維習慣）
T：動物細胞沒有細胞壁，而像植物、真菌、細菌等生物，細胞往往具有細胞壁。植物細胞的細胞壁，主要成分是纖維素和果膠，它們沒有生命活動的特殊功能，主要是對植物細胞有支持和保護作用。而對于真菌和細菌的細胞壁與植物不同，我們在以后的學習中會逐步了解。
然而我們今天要重點討論的話題不是細胞壁，因為我們將討論的是“系統的邊界”，系統的邊界是什么？這里的答案就只有一個：細胞膜。
因為，我們這里指的“系統”是：生命系統！在組成細胞的結構中，具有生命活性的結構是細胞膜、細胞質和細胞核，而細胞壁并沒有像它們這樣的生命活性。這里的“生命活性”可能對大家還比較抽象，不過隨著我們對細胞膜等功能的深入，你就會慢慢了解。
（板書：細胞膜——系統的邊界）
T：對于細胞膜作為系統的邊界，同學們有沒有這方面的感性認識？也就是說你能不能列舉出一些證據來證明細胞膜這個系統邊界的存在？
S：直接借助光學顯微鏡、電子顯微鏡觀察得到。
T：很好，電子顯微鏡可以看清楚細胞膜的存在，光學顯微鏡雖然不能看見細胞膜，但是卻能夠清楚的觀察到細胞與外界環境是有界限的。
除了這樣的直接觀察，我們還能不能通過一些其他的感受間接感知細胞膜的存在呢？
（用視頻的方式介紹科學家進行顯微探針感受阻力的實驗：開拓學生的實驗思路；激發學生興趣）
用顯微注射器將一種叫伊紅的物質注入變形蟲體內，顯微鏡下觀察發現，伊紅會很快的擴散到整個細胞，卻不能很快逸出細胞。
另外，我們還可以在顯微鏡下看到：用微針觸碰細胞表面時，細胞表面有彈性，可伸展；用微針插入細胞內，細胞表面有一層結構被刺破；如果細胞表面結構受損面過大，細胞會死亡。
過渡：通過剛才的實驗，我們也可以看到，當細胞膜被破壞的時候，細胞也就死亡了。這說明了細胞膜對于生命系統來講，是非常重要的。那么，細胞膜有哪些重要功能呢？
（學生活動）聯系生活經驗，理解細胞膜的功能。
（板書：細胞膜的功能）
（請學生發言，讓他們結合生活經驗，解釋細胞膜的功能，教師適時點評）
S：細胞膜將細胞與外界環境分隔開。（板書）
只有這樣，細胞才能獲得一個相對比較穩定的內部環境，才能減小受到的各種外部干擾，才能正常的進行各種代謝活動。這就好比我們的學校的圍墻，班級的墻壁，如果沒有這些，喧囂的街道，隔壁班級的活動直接影響到我們班級同學的學習，那么，我們的學習不可能正常進行。
S：……
T：同學們的比方非常形象。作為生命體，要保證自身代謝順利進行，一個相對獨立的內部環境何等重要；有了細胞膜，這個邊界將細胞與外界環境分隔開，細胞內才能保持各種理化性質的相對穩定，才可能具備代謝的正常條件。也正因為如此，在生命的起源過程中，科學家把“原始界膜”的形成作為生命演變中的重要階段，具有了原始界膜后，才使得原始生命的誕生成為可能！
S：細胞膜能控制物質進出細胞。（板書）
既然細胞膜是細胞的邊界，這就好像皮膚是我們人體的邊界一樣，我們的皮膚可以阻止一些病毒、細菌等進入我們體內，細胞膜也應該有類似的功能。
S：……
T：這個類比是比較恰當的。對于細胞膜能控制物質進出細胞這一點功能，我們將在第四章會有更加詳細的學習，現在需要大家先了解細胞膜具有選擇性的允許細胞需要的營養物質進入，而細胞不需要的，或者對細胞有害的物質就不容易進入細胞。細胞膜的這樣一種生理功能我們稱之為“選擇透過性”。不過選擇透過性只有活的細胞的細胞膜也具有，細胞死亡，這種選擇透過性就喪失了。
記得在我們初中的學習中，我們通過實驗的方法來檢驗玉米的種子是否還具有萌發的活性（也就是說玉米種子是否還是活的），也就是利用細胞膜的這點特性。下面給大家如下材料，請你設計實驗來檢驗這些玉米種子是否還能萌發。
（投影）材料：玉米種子，紅墨水，鑷子，刀片，培養皿，燒杯，酒精燈。
（學生思考、討論、發言）
（投影）方法步驟：
1．將玉米種子放在20－25℃的溫水中浸泡36h。
2．取20粒已經泡漲的種子，將其中的10粒放在沸水中煮5min后，冷卻，作為對照的實驗材料。
3．分別取煮過和未煮過的玉米種子放在培養皿中，用刀片沿胚的中線縱向切開籽粒，用稀釋20倍的紅墨水浸泡（以沒過種子為宜）。2min后，倒去紅墨水，用水沖洗籽粒數次，直到沖洗液無色為止（洗去浮色）。
4．觀察籽粒中胚的顏色。
（投影）結果預期：
未煮過的籽粒的胚細胞未被染成紅色；煮過的籽粒的胚細胞被染成紅色。
（胚細胞被染紅說明了胚細胞的細胞膜失去了選擇透過性，也就說明胚細胞死亡，不再具有萌發活性）
S：細胞膜進行細胞間的信息交流。（板書）
細胞作為一個個體的基本組成單位，對于一個個體來說，生活在外界環境中，與周圍的環境關系密切，不斷地與外界環境發生著物質和信息的交流。構成個體的細胞也應該是這樣的，只有這樣，細胞才能聯合起來組成能行使同一功能的組織，再構成器官……而細胞之間的信息傳遞，應該就是系統的邊界——細胞膜。
T：（放映有關細胞間進行信息傳遞的動畫、圖片等，同步解說）
在多細胞生物體內，各個細胞都不是單獨存在的。它們必須保持功能的協調。這種協調不僅依賴于物質和能量的交換，也有賴于信息的交流。這種信息的交流大多與細胞膜的結構和功能有關。
細胞間進行信息交流的方式：靶細胞（胰島素與靶細胞）；細胞間信息的傳遞（精子與卵細胞結合）；相鄰兩個細胞通過通道進入另一個細胞（高等植物細胞的胞間連絲）
過渡：通過剛才的學習，可以看到細胞膜的功能對于一個細胞的正常運作是必需的；當然細胞膜的功能除了上述介紹的三點，還有一些其他的功能，這個問題大家可以在課下查找資料，也可以在后面的學習中逐漸了解，總結。
對生物膜成分和結構的探索歷程。（板書）
T：人們對事物的認識是有一個過程的，科學家當年正是懷著對物質跨膜運輸現象產生的疑問，開始了對生物膜結構的孜孜以求地探索，歷經了一百多年時間，走過了一條曲折的道路，直到現在仍有許多科學家在繼續深入研究。讓我們一起重溫一下這段歷史，會讓大家對科學過程和本質的理解有所啟發。我想讓大家穿過時空隧道，回到一百多年前，假想一下：如果你是當時的一位科學家，你會怎樣去研究細胞膜的結構？（提示學生，引導他們明白限于當時的技術條件，還不能親眼看到生物膜，無法想像它的結構是什么樣的，通過什么辦法進行第一步的探究呢？引導學生看教材后明白當時科學家是從生理功能入手來探究的，通過實驗觀察，科學家才有嚴謹的推理，提出膜是由脂質組成這一假說，提示學生作出科學探究過程中作出假設后的步驟是什么（通過實驗來驗證假設），從而進入下面的學習。
S：可以從現象入手，去進行推測。
T：這就是生物學研究上常用的一種科學方法——假說法。這也是我們今天探究生物膜的結構的一個重要的方法，下面，就讓我們沿著科學家的足跡，和科學家一起來研究這個問題。
問題（1）：探究細胞膜的組成成分是什么？
展示材料①：歐文頓的實驗及其相關的圖片
時間：19世紀末
人物：歐文頓（E.Overton）
實驗：用500多種化學物質對植物細胞的通透性進行過上萬次的實驗，發現細胞膜對不同物質的通透性是不一樣的：凡可以溶于脂質的物質，比不能溶于脂質的物質更容易通過細胞膜進入細胞。
T：根據實驗，你能提出什么假說？
S：提出假說：膜是由脂質構成的。
T：在得出結論之后，還有沒有必要對膜的成分進行提取、分離和鑒定呢？
S：有必要，通過鑒定能更準確地說明問題。
T：那為什么一開始不直接對膜的成分進行提取、分離和鑒定呢？
S：當時的技術不能實現。
T：這說明什么問題呢？
S：這說明技術對科學研究的重要作用。
T：直至20世紀初，科學家才能第一次將細胞膜從哺乳動物紅細胞中分離出來，化學分析表明，膜的主要成分的確是磷脂和蛋白質。從而以實驗說明了歐文頓的假說是成立的。也就是說假說是在實驗與觀察的基礎上提出來的，同時又需要更進一步的實驗來證明。
問題（2）：探究這些物質是如何組成膜的？
出示資料②：1917年歐文·朗繆爾將提取的膜質鋪展在水盤的水面上，發現脂在水面上形成一薄層，單脂層親水的頭朝向水面，疏水的尾背離水面。于是他提出：磷脂分子是一種由甘油、脂肪酸和磷酸所組成的分子，結構既有疏水基團（尾部），又有親水基團（頭部）。因為磷脂分子的“頭部”親水，所以在水—空氣界面上磷脂分子是“頭部”向下與水面接觸，尾部則朝向空氣一面。這樣磷脂分子可以在空氣和水的界面上展開為一層。
T：大家分組討論，利用手中的磷脂分子模型擺出下面兩種情況下磷脂的分布情況①在空氣-水界面上②完全浸沒在水中。
S：小組代表上黑板演示。
展示材料③：戈特和格倫德爾對血影的研究。
時間：1925年
人物：荷蘭科學家Gorter和Grendel
實驗：兩位科學分離純化了紅細胞，從一定數量的紅細胞中抽提脂類，按Langmuir的方法進行展層，并比較展層后的脂單層的面積和根據體積所推算的總面積，發現提取的脂鋪展后所測的面積同實際測量的紅細胞的表面積之比為（1.8～2.2）∶1，約為兩倍。
T：假如你是當時的科學家，當你做實驗時發現單分子的磷脂分子正好是紅細胞的兩倍時，大膽地展開你的想象力，你能做出什么假說？
S：細胞膜中的磷脂是兩層的。
T：那這兩層磷脂分子在細胞中又是怎樣排布的呢？再分小組討論、利用你手中的模型擺出來吧。
S：分組討論，共可有六種排布方式，并提出細胞膜應兩面都處于水環境中，所以討論得到正確的排布方式。
問題（3）：那蛋白質和磷脂的位置關系又是如何的呢？
展示材料④：羅伯特森的單位膜模型
時間：1959年
人物：J.D．Robertson羅伯特森
實驗：用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片，顯示暗—明—暗三層結構，厚約7.5nm，它由厚約3.5nm的雙層脂質分子和內外表面各為厚約2nm的蛋白質構成。
提出假說：連續的脂質雙分子層組成膜的主體，磷脂的非極性端朝向膜內側，極性端朝向膜外兩側，蛋白質以單層肽鏈的厚度，通過靜電作用與磷脂極性端相結合，從而形成蛋白質—磷脂—蛋白質的三層結構，稱之為單位膜。他提出真核細胞與原核細胞具有相同的膜結構。單位膜模型的主要不足在于：把生物膜的結構描述成靜止的、不變的，這顯然與膜功能的多樣性相矛盾。
單位膜結構模型繼承了前人的有關結論，又成功地利用了先進的電子顯微鏡的觀察結果作為證據。但是他將生物膜描述為靜態的剛性的結構，這一點很快又被新的技術手段下的實驗所否定。
以討論小組的形式開展課堂討論交流。
（1）生物膜的流動鑲嵌模型是不是就完美無缺了呢？請說說你的看法。
S：生物膜的流動鑲嵌模型不可能完美無缺。人類對自然界的認識永無止境，隨著實驗技術的不斷創新和改進，對膜的研究將更加細致入微，對膜結構的進一步認識將能更完善地解釋細胞膜的各種功能，不斷完善和發展流動鑲嵌模型。
的確，流動鑲嵌模型是目前人們普遍認同的，但它無法完美地回答生物膜的所有功能。所以后來不斷提出一些新的模型，如Wallach于1975年提出晶格鑲嵌模型；Jain和White于1977年提出板塊鑲嵌模型等，迄今為止，已提出的生物膜結構模型達幾十種之多，生物膜的結構模型雖然有很多種，但被廣泛接受的結構模型基本內容是趨向一致的。其要點和特點基本相同，主要包括膜的分子組成和結構特征。
（2）縱觀整個人們對建立生物膜模型的探索過程，你能談談實驗技術的進步起到怎樣的作用？
S：在建立生物膜模型的過程中，實驗技術的進步起到了關鍵性的推動作用。如血影的制取和化學成分的鑒定技術使人們認識膜的化學組成；電子顯微鏡的誕生使人們終于看到了膜的存在；冰凍蝕刻技術和掃描電子顯微鏡技術使人們認識到膜的內外兩側并不對稱；熒光標記小鼠細胞與人細胞的融合實驗又證明了膜的流動性等。沒有這些技術的支持，人類的認識便不能發展。
（3）分析生物膜模型的建立過程中，結構與功能相適應是如何得到體現的？
S：在建立生物膜模型的過程中，結構與功能相適應的觀點始終引導人們不斷實踐、認識，再實踐、再認識；使人類一步步接近生物膜結構的真相。例如，不同生物膜的功能是有差異的。在生命系統中，一般來說，功能的不同常伴隨著結構的差異，而早期的生物膜模型假定所有的生物膜都是相同的，這顯然與不同部位的生物膜功能不完全相同是矛盾的。還有，不同膜的厚度也不完全一樣。由此促進學者們重新研究脂質和蛋白質相互作用的問題。一些學者使用了更加先進的技術，運用紅外光譜等技術證明，膜蛋白主要為球形結構。冰凍蝕刻電鏡技術又證明，脂雙層中分布有蛋白質顆粒，這樣又發展了生物膜模型。生物膜中存在不同種類的蛋白質，以及蛋白質在生物膜中的不同分布情況，恰能較好地解釋不同結構的生物膜具有不同的生理功能。
（4）分析生物膜模型的建立過程，你受到什么啟示？
S：科學研究是要在實驗和觀察的基礎上，通過嚴謹的推理和大膽的想象，提出假說，再通過實驗進一步地驗證假說。
S：科學研究依賴于技術的進步，技術進步了，可以得到更多新的實驗數據。
S：科學發現的過程是一個長期的過程，涉及到許多科學家的辛勤工作。
S：科學發現的過程不是一帆風順的，往往是在繼承的基礎上不斷驗證、修正和完善發展的。
S：科學家的觀點并不全是真理，還必須通過實踐驗證；科學學說不是一成不變的，需要不斷完善。
T：那流動鑲嵌模型的具體內容是如何的呢？
（1）磷脂雙分子層是生物膜的基本支架。其中磷脂分子的親水性頭部朝向兩側，疏水性的尾部相對朝向內側。
（2）蛋白質分子有的鑲嵌在磷脂雙分子層表面，有的部分或全部嵌入磷脂雙分子層中，有的橫跨整個磷脂雙分子層。這里體現了膜結構內外的不對稱性。
（3）在細胞膜的外側，有一層由細胞膜上的蛋白質與糖類結合形成的糖蛋白，叫做糖被。糖被與細胞識別、細胞間的信息交流有密切聯系。
（4）磷脂分子是可以運動的，具有流動性。大多數的蛋白質也是可以運動的，也體現了膜的流動性。

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