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第二節　細胞——生命活動的基本單位
第1課時　細胞質膜將細胞與外界環境分開
[學習目標]　1.概述細胞質膜的成分和結構。2.簡述細胞質膜的功能。
一、細胞質膜的成分和結構
1．探索過程
(1)1895年，歐文頓做了上萬次實驗，證明細胞質膜是由脂質構成的。
(2)1925年，戈特和格倫德爾用丙酮提取紅細胞質膜，結果脂質在水面上鋪成單分子層，其面積大約是紅細胞表面積的2倍。證明脂質呈雙分子層排布。
(3)1959年，羅伯特森通過電子顯微鏡觀察，發現細胞質膜顯示“暗—明—暗”三條帶。據此，他確認細胞質膜為脂質雙分子層的“單位膜模型”。
2．細胞質膜的成分
細胞質膜主要由脂質和蛋白質組成。其中，脂質約占細胞質膜總重量的50%，蛋白質約占40%。在組成細胞質膜的脂質中，含量最高的是磷脂。
3．細胞質膜的結構
(1)1970年，人、鼠細胞融合實驗
(2)流動鑲嵌模型的基本內容
①圖中a
②圖中b
③圖中c
(3)細胞質膜的結構特點：具有一定的流動性。
判斷正誤
(1)脂質和蛋白質是組成細胞質膜的主要物質(　　)
(2)細胞質膜的基本支架是磷脂雙分子層(　　)
(3)細胞質膜上的蛋白質均勻分布于磷脂雙分子層的內側和外側(　　)
(4)糖鏈絕大多數位于細胞質膜的外側(　　)
(5)構成細胞質膜的磷脂分子具有流動性，而蛋白質固定不動(　　)
答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×
細胞質膜的成分和結構
1．科學家基于什么現象，推測細胞質膜中含有蛋白質？
提示　細胞質膜的表面張力比“油—水”界面的張力低得多。
2．1959年，羅伯特森在電子顯微鏡下觀察到細胞質膜的“暗—明—暗”三層結構，提出了怎樣的細胞質膜結構模型？該模型主要的不足是什么？
提示　羅伯特森提出了“單位膜模型”的假說：所有的細胞質膜都由蛋白質—脂質—蛋白質三層結構構成。單位膜模型的主要不足在于：把膜結構描述成靜止的，細胞質膜的功能難以實現，無法解釋變形蟲的運動、細胞生長等現象。
3．“人鼠細胞融合實驗”中，人、鼠細胞質膜蛋白最終均勻分布說明什么問題？若適當降低溫度，膜蛋白最終均勻分布的時間會延長，由此說明什么？
提示　膜蛋白是運動的，即細胞質膜具有一定的流動性。溫度能影響細胞質膜的流動性。
4．如圖是由磷脂分子構成的脂質體，它可以作為藥物的運載體，將其運送到特定的細胞發揮作用。在脂質體中，水溶性藥物被包在雙分子層中，脂溶性的藥物被包在兩層磷脂分子之間。
(1)為什么兩類藥物的包裹位置各不相同？
提示　由兩層磷脂分子構成的脂質體，兩層磷脂分子之間的部分是疏水的，脂溶性藥物能被穩定地包裹在其中；脂質體的內部是水溶液的環境，水溶性藥物可被穩定地包裹在其中。
(2)請推測：脂質體到達細胞后，藥物將如何進入細胞內發揮作用？
提示　由于脂質體是由磷脂雙分子層構成的，到達細胞后可能會與細胞的細胞質膜發生融合，將藥物送入細胞，從而使藥物在細胞內發揮作用。
5．實驗表明，將兩種不同的海綿動物的細胞分散成單個的細胞，然后將這些細胞摻在一起混合培養，發現只有同種的細胞才能結合，在這里起識別作用的是細胞質膜上的何種物質？如何判斷細胞質膜的外側和內側？
提示　糖蛋白。有糖鏈的一側為細胞質膜的外側。
1．磷脂分子及其分布狀況分析
(1)磷脂分子的結構如下圖：
(2)細胞內外均為水環境，磷脂分子分布如下圖：
(3)磷脂分子置于水—苯混合溶劑中分布如下圖：
2．細胞質膜的成分
成分 所占比例 在細胞質膜構成中的作用
脂質 約50% 其中磷脂是構成細胞質膜的重要成分，另外還有少量糖脂、膽固醇
蛋白質 約40% 細胞質膜的功能主要由其上的蛋白質來行使，功能越復雜的膜，其蛋白質的種類和數量越多
糖類 約2%～10% 與膜蛋白或膜脂結合成糖蛋白或糖脂，分布在細胞質膜的外表面，與細胞的信息交流有關
1．下圖是細胞質膜亞顯微結構模式圖。下列相關敘述錯誤的是(　　)
A．①主要分布在細胞質膜的外側
B．人的神經細胞質膜與口腔上皮細胞質膜功能上的差異主要與②有關
C．細胞質膜的結構特點與②、③有關
D．②在細胞質膜上的分布是對稱的
答案　D
解析　①表示糖蛋白，其主要分布于細胞質膜的外表面，A正確；蛋白質在細胞質膜行使功能方面起著重要的作用，因此功能越復雜的細胞質膜，蛋白質的種類與數量就越多，②表示蛋白質，故人的神經細胞質膜與口腔上皮細胞質膜功能上的差異主要與②有關，B正確；細胞質膜的結構特點是具有一定的流動性，主要表現為構成膜的磷脂分子可以側向自由移動，膜中的蛋白質大多也能運動，即與②、③有關，C正確；②蛋白質在細胞質膜上的分布是不均勻的，有的鑲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，有的貫穿整個磷脂雙分子層，D錯誤。
2．如圖是細胞質膜亞顯微結構模式圖，請據圖回答：
(1)圖中[B]________的基本組成單位是________。構成細胞質膜基本支架的結構是[　　]______________。
(2)與細胞質膜的識別功能有關的結構是__________________________________。
(3)吞噬細胞吞噬細菌的過程體現了細胞質膜具有________性，這是因為____________。
(4)不同細胞細胞質膜的生理功能不同，主要取決于細胞質膜上的什么結構？________(填字母)。
(5)細胞質膜的這種結構模型被稱為______________________________________。
答案　(1)蛋白質　氨基酸　D　磷脂雙分子層　(2)糖蛋白　(3)一定的流動　組成細胞質膜的磷脂分子和蛋白質分子具有一定的流動性　(4)B　(5)流動鑲嵌模型
二、細胞質膜的功能
1．細胞質膜的功能
(1)細胞質膜控制細胞與周圍環境的物質交換
(2)完成細胞間的信息交流
細胞之間的信息交流通常依靠細胞質膜上的蛋白質分子完成，功能越復雜的細胞，細胞質膜上蛋白質的種類和數量往往越多。
①細胞質膜表面的糖蛋白和糖脂在細胞之間的信息交流中具有重要作用。細胞質膜上的受體大多是糖蛋白，能識別信號分子并與之結合，實現細胞識別和信息傳遞的功能。
②相鄰細胞之間的細胞質膜相互接觸，信息傳遞可通過信號分子與受體的結合完成。相距較遠的細胞，信號分子的傳遞需借助于體液。
③某些植物中，相鄰細胞之間可通過胞間連絲傳遞信息。
(3)細胞質膜將細胞與周圍環境分隔開，維持著細胞內部環境的相對穩定。
2．細胞壁
(1)植物細胞壁的主要成分是多糖(如纖維素和果膠)，與細菌和真菌的細胞壁的成分和結構差異明顯。
(2)作用：植物細胞壁具有維持細胞形態和保護細胞內部結構等作用。
判斷正誤
(1)細胞質膜是細胞的保護性屏障(　　)
(2)細胞質膜可以控制物質進出，任何對細胞有害的物質都不能進入細胞(　　)
(3)植物細胞之間的胞間連絲具有物質運輸的作用(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)√
分析細胞質膜的功能
1．蓮藕“出淤泥而不染”體現了細胞質膜的什么功能？這種功能的具體體現是什么？
提示　控制物質進出細胞的功能。主要體現在對營養物質的吸收及對代謝廢物的排出，防止病菌、病毒的侵入等方面。
2．植物傳粉后，同種和不同種的花粉都會落到雌蕊的柱頭上，同種的花粉能萌發，異種的花粉不能萌發。雌蕊和花粉是通過什么相識別的？這體現了該結構的什么功能？
提示　通過細胞質膜相識別。體現了細胞質膜進行細胞間信息交流的功能。
3．相鄰細胞間如何進行信息交流？相距較遠的細胞間如何進行信息交流？
提示　兩個相鄰動物細胞的細胞質膜可以直接接觸，通過細胞質膜上的受體進行識別，信息從一個細胞傳遞給另一個細胞；高等植物細胞之間可以通過胞間連絲相互連接，攜帶信息的物質通過通道進入另一個細胞，從而實現信息交流。相距較遠的細胞間進行信息交流時，發出信號的細胞釋放出細胞分泌物(即信號分子，如激素)，信號分子通過體液運輸到靶細胞，與靶細胞的細胞質膜上或細胞內的受體結合，把信息傳遞給靶細胞。
1．細胞質膜不能絕對控制物質進出細胞
細胞質膜控制物質進出細胞具有普遍性和相對性，如圖所示。
(1)普遍性：細胞需要的營養物質可進入細胞；抗體、激素等物質在細胞內合成后，可分泌到細胞外；細胞產生的廢物可排出細胞外。
(2)相對性：對細胞有害的物質有可能進入細胞，如有些病毒、病菌有可能侵入細胞，使生物體患病。
特別提醒：對細胞有害的物質不是“不能”進入細胞，而是“不易”進入細胞。
2．細胞質膜結構特點和功能特性
(1)區別：流動性是細胞質膜的結構特點，此特點主要受溫度影響，在一定范圍內，溫度越高，細胞質膜的流動性越大；而選擇透過性是細胞質膜的功能特性，影響此特性的內因是細胞質膜上蛋白質的種類和數量。
(2)聯系：細胞質膜的流動性是表現其選擇透過性的結構基礎。因為只有細胞質膜具有流動性，細胞才能完成其各項生理功能，才能表現出選擇透過性。事實上，只有活細胞才具有膜的流動性和選擇透過性。
3．不同類型細胞的細胞壁成分
細胞類型 細胞壁成分
植物細胞 主要成分是多糖(如纖維素和果膠)
細菌 主要成分有肽聚糖、磷壁酸、脂質和蛋白質
真菌細胞 主要成分是多糖，還有少量蛋白質和脂質。不同的真菌，其細胞壁所含多糖的種類不同，如低等真菌細胞壁以纖維素為主，酵母菌以葡聚糖為主，高等陸生真菌以幾丁質為主
3．實驗室中鑒別細胞死活，常用“染色排除法”。例如：用臺盼藍染色，死細胞會被染成藍色，而活細胞不著色，從而判斷細胞死活。該實驗所利用的細胞質膜特性或功能是(　　)
A．進行細胞間的信息交流
B．選擇透過性
C．流動性
D．保護細胞內部結構
答案　B
4．(多選)細胞之間通過信息交流，保證細胞間功能的協調。下列關于信息交流的說法正確的是(　　)
A．a細胞分泌的物質可以表示某種激素，通過血液運送到b細胞
B．圖2可以表示精子與卵細胞的識別
C．b細胞與乙細胞上接受信息的是受體(糖蛋白)
D．細胞質膜上的受體是細胞間信息交流所必需的結構
答案　ABC
解析　a細胞產生的信號分子進入血液，通過血液運輸到靶細胞并作用于靶細胞的受體，A正確；圖2表示細胞之間通過相互接觸直接識別，可以表示精子與卵細胞的識別，B正確；b細胞與乙細胞上的受體都能識別相應的信號分子，其化學本質是糖蛋白，C正確；有些細胞間的信息交流可以不經過細胞質膜上的受體，如植物細胞通過胞間連絲進行信息交流，動物細胞的性激素的受體存在于細胞內，D錯誤。
題組一　細胞質膜的成分和結構
1．下列說法與細胞質膜發現史不一致的是(　　)
A．歐文頓在實驗基礎上提出，細胞質膜是由脂質組成的
B．戈特和格倫德爾用丙酮從紅細胞中提取細胞質膜，結果脂質在水面上鋪展成單分子層，測得其面積約為紅細胞表面積的2倍。他們由此推出：脂質呈雙分子層排布
C．羅伯特森在電鏡下看到了細胞質膜清晰的“明—暗—明”的三層結構，確認細胞質膜為脂質雙分子層的“單位膜模型”
D．科學家用不同熒光素標記人細胞和鼠細胞并進行融合，證明了細胞質膜的流動性
答案　C
解析　1959年，羅伯特森在電鏡下看到了細胞質膜清晰的“暗—明—暗”的三層結構，據此，他確認細胞質膜為脂質雙分子層的“單位膜模型”，C符合題意。
2．某研究小組用化學提純法分離出了細胞質膜的各組成成分，將其中某組分分成兩組，甲組加入雙縮脲試劑出現紫色，乙組加入斐林試劑并隔水加熱，出現磚紅色。根據細胞質膜的組成，該成分最可能是(　　)
A．蛋白質 B．多糖
C．糖脂 D．糖蛋白
答案　D
解析　蛋白質能與雙縮脲試劑發生紫色反應，該成分加入雙縮脲試劑后出現紫色，說明其含有蛋白質；在隔水加熱的條件下，斐林試劑可與還原糖反應生成磚紅色沉淀，該成分加入斐林試劑隔水加熱，出現磚紅色，說明其含有還原糖，綜合以上分析可知，該成分最可能為糖蛋白。
3．下圖是細胞質膜的亞顯微結構模式圖。下列相關敘述不正確的是(　　)
A．①與細胞識別、信息傳遞有關
B．②的種類和數目與細胞質膜功能的復雜程度有關
C．②和③共同構成細胞質膜的基本支架
D．③具有一定的流動性，大多數②也可以運動
答案　C
解析　③磷脂雙分子層構成細胞質膜的基本支架，C錯誤。
4．下列實例不能體現細胞質膜結構特點的是(　　)
A．白細胞吞噬綠膿桿菌
B．免疫細胞識別異常細胞并緊密接觸
C．小腸細胞分泌消化酶
D．小鼠細胞與人細胞融合
答案　B
解析　免疫細胞識別異常細胞并緊密接觸是依賴細胞能進行信息交流的作用，沒有體現細胞質膜的結構特點，故選B。
題組二　細胞質膜的功能
5．(2022·江蘇淮安高一期中)科學家在用電子顯微鏡清晰地觀察到細胞質膜之前，已經能夠確定細胞質膜的存在了。你認為當時確定細胞質膜存在的依據最可能是(　　)
A．細胞能夠分類
B．物質進出細胞受到控制
C．動物細胞有明確的邊界
D．植物細胞有明顯的固定形態
答案　B
6．細胞質膜作為系統的邊界，在細胞的生命活動中起重要作用。下列有關細胞質膜的敘述，錯誤的是(　　)
A．蛋白質的水溶性部分和脂溶性部分能影響其在膜中的分布
B．細胞質膜的流動鑲嵌模型能很好地解釋變形蟲的運動及攝食現象
C．功能越復雜的細胞質膜，蛋白質的種類與數量就越多
D．細胞質膜是細胞的一道屏障，對細胞有害的物質不能進入細胞
答案　D
解析　細胞質膜是細胞的一道屏障，但具有相對性，對細胞有害的物質也能進入細胞，D錯誤。
7．細胞質膜具有控制物質進出細胞的功能。下列有關這一功能的理解，不正確的是(　　)
A．細胞需要的營養物質可以進入細胞
B．細胞不需要或對細胞有害的物質一般不能進入細胞
C．細胞中的重要成分(如核酸等)不會流失到細胞外
D．對植物細胞起支持和保護作用
答案　D
解析　對植物細胞起支持和保護作用的是細胞壁，D錯誤。
8．癌細胞的細胞質膜中有一種蛋白質——癌胚抗原，該蛋白質能被T淋巴細胞識別并使癌細胞被T淋巴細胞攻擊，該事實說明細胞質膜具有的功能是(　　)
A．將細胞與外界環境分開
B．控制物質進出細胞
C．進行細胞間的信息交流
D．進行代謝反應
答案　C
選擇題9～10題為單選題，11～13題為多選題。
9．(2022·江蘇淮安高一期末)對某動物細胞進行熒光標記實驗，如下圖所示，其基本過程：①用某種熒光染料標記該動物細胞，細胞表面出現熒光斑點。②用激光束照射該細胞表面的某一區域，該區域熒光淬滅(消失)。③停止激光束照射一段時間后，該區域的熒光逐漸恢復，即又出現了斑點。
上述實驗不能說明的是(　　)
A．細胞質膜具有流動性
B．熒光染料能與細胞質膜的組成成分結合
C．根據熒光恢復的速率可推算出物質跨膜運輸的速率
D．根據熒光恢復的速率可推算出膜中蛋白質或脂質的流動速率
答案　C
解析　據題意可知，用激光束照射該細胞表面的某一區域的熒光淬滅后會逐漸恢復，說明被熒光標記的某種化學成分在運動，證明細胞質膜具有流動性，A正確；用某種熒光染料標記該動物細胞，細胞表面出現熒光斑點，說明熒光染料能與細胞質膜上的某種組成成分結合，B正確；該實驗過程中并沒有發生物質的跨膜運輸，所以從熒光恢復的速率無法推算出物質跨膜運輸的速率，C錯誤；從熒光消失到恢復的這段過程可以計算出熒光恢復的速率，同時也可以根據熒光恢復的速率推算出膜中蛋白質或脂質的流動速率，D正確。
10．異體器官移植手術很難成功，最大的障礙是異體細胞間的排斥，這主要是由于細胞質膜有識別作用，這種生理功能的物質基礎是(　　)
A．細胞質膜是由磷脂雙分子層構成的
B．細胞質膜的外表面有糖蛋白
C．細胞質膜具有一定的流動性
D．細胞質膜具有選擇透過性
答案　B
解析　細胞質膜的基本支架是磷脂雙分子層，但這不是細胞質膜有識別作用的物質基礎，A錯誤；細胞質膜的外表面有糖蛋白，這是細胞質膜有識別作用的物質基礎，B正確；細胞質膜具有一定的流動性，這是細胞質膜的結構特點，不是其有識別作用的物質基礎，C錯誤；細胞具有選擇透過性，這是細胞質膜的功能特性，不是其具有識別作用的物質基礎，D錯誤。
11．下列屬于細胞間信息交流方式的是(　　)
A．精子和卵細胞相互接觸完成受精作用
B．內分泌細胞分泌的激素經血液運輸并作用于組織細胞
C．細胞質膜將細胞與周圍環境分隔開
D．植物細胞間有胞間連絲，是植物細胞進行信息交流的方式
答案　ABD
解析　將細胞與周圍環境分隔開，保證內部環境的相對穩定，屬于細胞質膜的功能，不屬于細胞間的信息交流。
12．下列關于細胞質膜和細胞壁的敘述，正確的是(　　)
A．植物細胞壁的主要化學成分是纖維素和蛋白質
B．細胞間的信息交流大多與細胞核的結構和功能有關
C．蛋白質在細胞質膜行使功能時起重要作用
D．細菌和真菌細胞壁的成分不相同
答案　CD
解析　植物細胞壁的主要成分是多糖(如纖維素和果膠)，沒有蛋白質；細胞間的信息交流大多與細胞質膜的結構和功能有關；細菌細胞壁的主要成分為肽聚糖、磷壁酸等，而真菌細胞壁的主要成分是多糖。
13．(2022·江西景德鎮一中高一期末)科學家設計了僅1納米寬的分子轉子，該轉子由紫外光驅動，能以每秒200～300萬的轉速進行旋轉，從而在單個細胞的膜上鉆孔。當分子轉子與特定的靶細胞結合后，就有望將治療試劑運送到這些細胞中，或者直接誘導這些細胞死亡。如圖為分子轉子鉆孔過程的示意圖，下列有關說法正確的是(　　)
A．將治療試劑運送到細胞中，分子轉子需要鉆開兩層生物膜
B．鉆孔后才可以運送治療試劑，說明了細胞質膜具有選擇透過性
C．該過程體現出磷脂分子具有流動性，而蛋白質分子無流動性
D．一個細胞是否能成為靶細胞，很可能與表面的糖蛋白有關
答案　BD
解析　細胞質膜為單層膜結構，A錯誤；正常情況下，治療試劑不能進入細胞，而鉆孔破壞細胞質膜后治療試劑進入細胞，說明細胞質膜具有選擇透過性，B正確；該過程沒有體現磷脂分子具有流動性，也沒有體現蛋白質分子無流動性，C錯誤；糖蛋白具有識別功能，分子轉子與特定靶細胞的識別依靠細胞質膜上的糖蛋白，D正確。
14．以下是細胞間信息交流的三種形式，請據圖回答問題：
(1)A是____________，需要通過______________的運輸到達B________。
(2)C的化學本質是____________，它可以接受另一細胞發出的________。
(3)E是____________，能使植物細胞相互連接，也具有信息交流的作用。
(4)細胞質膜含有______________________等成分，B細胞質膜與D細胞質膜的功能差異，主要與________的種類和數量有關。
答案　(1)信號分子(激素)　血液　靶細胞　(2)糖蛋白　信號(或信息)　(3)胞間連絲　(4)蛋白質、脂質和糖類　蛋白質
解析　(1)圖甲所示的細胞通訊中，進行細胞間信息交流的物質是內分泌細胞分泌的A信號分子(激素)，該物質通過血液運輸到達B靶細胞，并與靶細胞上的受體結合，引起靶細胞的代謝變化。(2)C是細胞質膜上的受體，化學本質是糖蛋白，它可以接受另一細胞發出的信號，實現兩細胞間的信息交流。(3)E表示相鄰植物細胞之間形成的通道，即胞間連絲，能使植物細胞相互連接，也具有信息交流的作用。(4)細胞質膜主要由脂質和蛋白質組成，還含有少量的糖類。蛋白質是生命活動的主要承擔者，細胞質膜的功能主要取決于膜上蛋白質的種類和數量，故B細胞質膜與D細胞質膜的功能差異，主要與膜上蛋白質的種類和數量有關。
15．下圖是細胞質膜的流動鑲嵌模型(①～③分別表示有關的物質或結構)，據圖分析并回答下列問題：
(1)早在1959年，羅伯特森在電鏡下觀察到細胞質膜清晰的暗—亮—暗的三層結構，大膽提出細胞質膜是由______________________三層結構構成。1970年，科學家利用__________法進行人、鼠細胞融合實驗，證明了細胞質膜上的蛋白質可以運動。1972年科學家辛格和尼科爾森正式提出了細胞質膜結構的流動鑲嵌模型。
(2)據圖分析，①的化學本質是________________，②是________________(填結構名稱)。②是構成細胞質膜的基本支架，蛋白質則以不同方式鑲嵌在②中，細胞質膜的主要功能取決于膜上______________________________________________________________。
(3)細胞質膜作為系統的邊界，有多種生理功能。除控制物質進出細胞以外，細胞質膜還有____________________________________________(答出兩點)等生理功能。
答案　(1)蛋白質—脂質—蛋白質　熒光標記
(2)糖蛋白　磷脂雙分子層　蛋白質(③)的種類和數量　(3)將細胞與周圍環境分隔開、進行細胞間的信息交流

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