备课素材：细胞膜成分和结构探索历程-2023-2024学年高一上学期生物人教版必修1

“细胞膜成分和结构探索历程”中的科学史和问题呈现 大单元教学中的几个重要环节和步骤: 1.确定单元大概念、重要和次位概念 2.确定教学目标 3.构建情境任务,突破次位概念 4.组织评价,反思学习 具体到第一节,重点呈现细胞膜成分和结构探索历程中科学史的梳理和问题的提出: 因为教学目标明确,即通过分析细胞膜组成成分与结构的探索历程,逐步建立细胞膜的流动镶嵌模型。 通过探索历程的回顾和思考,认同科学理论的形成是一个科学精神、科学思维和技术手段结合下的修正和完善过程。 1895年,欧文顿的物质通透性实验 1895年,欧文顿用500多种化学物质做了上万次的细胞膜通透性实验发现不溶于脂肪的物质不容易穿过细胞膜。 1)推测细胞膜可能的成分组成? 20世纪初,科学家用蛋白酶处理红细胞膜实验 20世纪初,科学家第一次利用哺乳动物红细胞,制备出纯净的细胞膜,并进行化学分析,得知组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇,其中磷脂含量最多。 2)说明选择人的红细胞进行实验的原因 1917年,朗缪尔的磷脂分子展层实验 1917年,朗缪尔将提取的磷脂铺展在水盘上,磷脂的一端为亲水性头,两个脂肪酸为疏水的尾。 3)阐述磷脂分子在水面上将如何存在? 1925年,戈特和格伦德尔细胞膜脂质铺展实验 1925年,戈特和格伦在脂质展层实验中发现提取的脂质铺展后所测的面积是实际测量的红细胞的表面积的两倍。 4)请画出磷脂分子在水中的存在形式 5)推测细胞膜中的磷脂的存在形式是什么? 1935年,丹尼利和戴维森细胞膜表面张力实验 1935年,英国学者丹尼利(J.F.Danieli)和戴维森(H.Davson)研究了细胞膜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附着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,可能还附着蛋白质。 6)细胞膜的化学成分还有什么? 7)蛋白质应处于磷脂双分子层的什么位置? 1959年,罗伯特森电镜下暗-亮-暗细胞膜结构 1959年,J.D.Robertson根据电子显微镜观察的结果提出了单位膜模型(unit membrane model),发展了三明治模型,并大胆地推断所有的生物膜都由蛋白质-脂质-蛋白质的单位膜构成。这一模型得到X射线衍射分析结果的支持。如果用锇酸固定细胞时,由于锇酸与磷脂极性头部基团亲合力极强,所以在电镜超薄切片中的细胞质膜显示出“暗-亮-暗”三条带,两侧的暗带厚度约2nm,推测是蛋白质,中间亮带厚度约3.5 nm,推测是脂双层分子,整个膜的厚度约7.5 nm。 8)罗伯特森为什么推测膜两侧是蛋白质,中间是脂质? 9)电镜中测出的细胞膜厚度是多少? 单位膜模型 罗伯特森的三明治结构为什么亮的是脂质,暗的是蛋白质? 20世纪70年代初,冰冻蚀刻电子显微镜下细胞膜的结构图 20世纪70年代初,一种使细胞膜表面可视化的技术——冷冻断裂电子显微镜技术应用于对细胞膜结构的研究。用扫描电子显微镜观察,能看到冷冻后的细胞膜断层表面的图像。电镜结果显示脂质双分子层的内表面布满了“坑”和“丘”。研究人员将这些结构解释为膜蛋白的位置。“丘”代表附着在脂质双分子层一侧的蛋白质,“坑”则是它们留下的孔。 10)蛋白质在磷脂双分子层中的排布方式是怎样的?应如何修订“单位膜”模型? 11)位于磷脂双分子中的蛋白质部分与外面的蛋白质部分在亲水性方面有什么不同? 整合蛋白几乎都是完全穿过脂双层的穿膜蛋白,其亲水部分暴露在膜的一侧或两侧表面,疏水区同脂双分子层的疏水尾部相互作用;仅有少数整合蛋白通过疏水区嵌在膜中,而不是穿过膜。 12)这样的细胞膜是静止的还是流动的?请举例说明 1970年,Frye和Edidin的人鼠细胞融合实验 科学家对小鼠细胞和人细胞进行细胞融合实验,证明膜蛋白可以在磷脂双分子层中进行侧向运动。他们首先将小鼠细胞和人细胞在灭活的仙台病毒诱导下进行融合;将标记的抗体加入融合的人-鼠细胞中,其中小鼠的抗体用发绿色荧光的荧光素进行标记,人的抗体用发红色荧光的罗丹明进行标记。标记的抗体分别与融合细胞表面的抗原结合,显示不同的颜色区。将融合细胞置于37℃培养40min,细胞表面的颜色相互混合在一起。将一部分样品置于4℃培养40min,则不出现表面颜色混合。 1972年,辛格和尼科尔森提出流动镶嵌模型 流动镶嵌模型的主要内容包括以下方面。 1.细胞膜主要由磷脂和蛋白质组成,磷脂双分子层构成细胞膜的基本支架。 2.蛋白质分子以覆盖、镶嵌、贯穿的方式分布在磷脂双分子层中。 3.脂质与绝大部分蛋白质分子可以运动,细胞膜具有一定的流动性。 4.蛋白质和脂质的分布具有不对称性。 13)如何解释“流动”“镶嵌”的含义? 流动主要是由膜中的脂和蛋白质的流动造成的,膜脂的运动主要有三种方式:侧向扩散,旋转和翻转