3.1细胞膜的结构和功能课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

问题探讨 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。 思考： 伊红为什么不会逸出细胞？此实验说明了什么？ 细胞作为一个完整的系统，它有边界。 那细胞膜作为系统的边界，它在细胞的生命活动中起什么作用呢？ 伊红为什么不会溢出细胞？说明细胞作为最基本的生命系统，它有边界。那对于变形虫这个动物细胞来说他的边界是谁呢？动物细胞最外层是细胞膜。那细胞膜作为系统的边界，它在细胞的生命活动中起什么作用呢？。今天我们一起来学习 3.1 细胞膜的结构和功能 学习目标： 1.细胞膜的功能 2.细胞膜成分的探索 3.细胞膜结构的探索过程 4.流动镶嵌模型的主要内容 2 探究活动一 植物细胞最外层是细胞壁，为什么系统的边界是细胞膜，而不是细胞壁呢？ 思考？ 一、细胞膜的功能 那我们来看一下这个植物细胞的最外层是谁？那植物细胞的边界到底是细胞膜还是细胞壁呢？实际上是由于细胞壁它具有全透性这个特点导致任何物质都能穿过细胞壁进入到细胞中。所以无论动植物细胞他的边界都是细胞膜。 4 拓展：植物细胞壁 成分：纤维素 和果胶 功能：支持和保护 特点：全通透性 细胞壁没有生命， 不属于细胞的边界。 一细胞膜的功能 【联系生活】生活中你见过细胞膜吗？ 打破鸡蛋外壳，蛋黄和蛋清之间有明显的界限，二者被什么样的结构分隔开？ 1.将细胞与外界环境分隔开 未受精的鸡蛋中，鸡蛋黄可以看作是一个卵细胞 我们来看细胞膜的第一个功能。同学们在实际生活中有没有见过细胞膜？打破鸡蛋外壳，其中鸡蛋黄就可以看作是一个卵细胞，而蛋黄和蛋清之间有明显的界限，那他们被什么结构分隔开来呢？说明细胞膜有什么功能？有什么意义呢？ 一、细胞膜的功能 【资料分析】鉴别动物细胞是否死亡常用台盼蓝。用它染色时，死细胞会被染成蓝色，而活细胞不会着色。 思考： 由此推测，细胞膜作为细胞的边界，应该具有什么功能？ 2.控制物质进出细胞 细胞膜的选择性是绝对的吗？细胞不需要的物质一定不能进入细胞吗？请举例证明自己的观点 这里体现了细胞膜什么功能呢？首先这个台盼蓝对细胞来说是有害还是有利的？细胞死亡之后会被染成蓝色，而活细胞不会被染色说明当细胞丧失生理活性时，细胞膜也失去活性，从而失去相应的功能，让台盼蓝进入到细胞中。 这体现了细胞膜控制物质进出细胞有什么特点呢？具有选择性 一、细胞膜的功能 【思考讨论】观察下面的图片及文字说明，总结细胞膜的功能。 内分泌细胞分泌的激素，随血液到达全身各处，与靶细胞的细胞表面的受体结合，将信息传递给靶细胞 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。 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。例如，高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，也有信息交流的作用。 3.进行细胞间的信息交流 对于多细胞生物来说他们要想完成一系列生命活动时需要多个细胞相互配合，相互协调。而这种协调除了要依靠彼此之间的物质和能量的交换，还要依靠细胞膜进行信息交流。 激素 内分泌细胞的激素（如胰岛素），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。 3.进行细胞间的信息交流 （1）通过细胞分泌信号分子完成间接交流 有些细胞之间能进行“远距离”的信息交流却不需要直接接触，内分泌细胞与其靶细胞的信息交流就属于这种类型。比如，胰岛中的一些内分泌细胞能分泌胰岛素，胰岛素分泌之后进入血液，随血液运到全身各处，与靶细胞膜上的受体结合，将胰岛素信号转变为靶细胞的胞内信号，调整靶细胞的代谢活动，降低血糖。 （2）通过相邻两个细胞的细胞膜直接接触 发出信号的细胞 靶细胞 与膜结合的信号分子 受体 信息从一个细胞传递给另一个细胞（精子和卵细胞之间的识别和结合） 3.进行细胞间的信息交流 有些细胞之间进行信息交流需要直接接触。例如（精子和卵细胞之间的识别和结合）。那大家想一下受体和信号分子的结合有没有特异性呢？精卵细胞结合时，完成相互识别才能受精，不能识别就不能受精。因此只有同种生物的精子和卵细胞才能结合。，从生物学讲，许仙是不能使白素贞怀孕的。 （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。 胞间连丝 例如：高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，也有信息交流的作用 3.进行细胞间的信息交流 植物细胞的细胞壁中间通常有很多孔隙，相邻的细胞膜能穿过这些孔隙连接起来，相邻的细胞质也因此连通起来，形成胞间连丝。携带信息的物质就可以通过胞间连丝，从一个细胞进入另一个细胞，从而将信息传递给另一个细胞。 细胞膜的功能： 1、将细胞与外界环境分隔开 2、控制物质进出细胞 3、进行细胞间的信息交流（三种方式） 分泌激素与靶细胞受体结合传递信息 两个细胞膜直接接触传递信息 细胞间形成通道 传递信息 一细胞膜的功能 化学本质：糖蛋白 作用：接受激素等信号分子 特点：具有特异性（一种受体只能识别一种或者一类物质） 受体 一、细胞膜的功能 内分泌细胞分泌的激素作用于靶细胞 细胞膜进行细胞间的信息交流时需要什么结构？是否是必需的结构？ 大本1．如图表示细胞膜的功能模式图据图分析下列说法不正确的是(　　) A．功能①在生命起源过程中具有重要作用 B．功能②表示进入细胞的物质对细胞都有利 C．胰岛素调控生命活动可用图中③表示 D．相邻的植物细胞可通过功能④进行信息交流 B 大本第34页 对点训练 2．细胞间信息交流的方式有多种，比如，胰岛B细胞分泌胰岛素作用于靶细胞、精子与卵细胞相互识别并完成受精作用。上述细胞间的信息交流分别依赖于(　　) A．信号分子与靶细胞膜上的受体结合,信号分子与靶细胞膜上的受体结合 B．信号分子与靶细胞膜上的受体结合、信号分子通过胞间连丝传递至另一个细胞 C．信号分子通过胞间连丝传递至另一个细胞、信号分子与靶细胞膜上的受体结合 D．信号分子通过胞间连丝传递至另一个细胞、信号分子通过胞间连丝传递至另一个细胞 A 对点训练 p34 2．作为系统的边界，细胞膜在细胞的生命活动中有多种功能。有关如图模型的说法，错误的是(　　) A．图示信息主要体现了细胞膜能进行细胞间信 息交流的功能 B．甲细胞分泌a物质与细胞膜控制物质进出的 功能有关 C．乙细胞上识别a物质的受体b可以识别所有的信号分子 D．b物质的主要成分是蛋白质 C 检测 (1)图中①②③④的物质或结构的名称分别是 ___________________________________________________________。 (2)植物细胞间的胞间连丝、人体内胰岛素的作用过程、精子和卵细胞之间的识别和结合分别属于上面的图_____________(填图编号)。 (3)细胞间进行信息交流时往往需要受体和信号分子，受体和信号分子的结合________(填“有”或“没有”)特异性。 信号分子(激素)、②受体、③与膜结合的信号分子、④胞间连丝 丙、甲、乙 有 有 检测 3．水溶性染色剂PI，能与核酸结合而使细胞核着色，可将其应用于细胞死活的鉴别。细胞浸泡于一定浓度的PI中，仅有死亡细胞的细胞核会被染色，活细胞则不着色，但将PI注射到活细胞后，该细胞核会着色，利用PI鉴别细胞的基本原理是(　　) A．死细胞与活细胞的核酸结构不同 B．死细胞的核酸含量改变 C．活细胞的细胞膜阻止PI的进入 D．活细胞能分解染色剂PI C 练习 易错提醒 (1)三种信息交流方式是发生于细胞与细胞之间的，而不是细胞内的信息交流。 (2)细胞间信息交流并非都依赖于细胞膜上的受体蛋白，如通过细胞通道的信息交流方式，而某些通过化学物质传递信息和通过细胞膜接触传递信息都依赖于细胞膜上的受体蛋白。 二、对细胞膜成分的探索 资料1： 19世纪末，欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行过上万次实验发现: 思考： 根据相似相溶的原理，这推测出什么？ 细胞膜是由脂质组成的。 与化学的联系 相似相溶原理：“相似”是指溶质与溶剂在结构上相似，“相溶”是指溶质与溶剂彼此互溶。 假说需要实验证据的支持！ 二、细胞膜的组成成分 二、对细胞膜成分的探索 资料2：科学家利用哺乳动物的红细胞，通过一定的方法制备出纯净的细胞膜，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。 为了确定细胞膜中的脂质成分，你要选择什么实验材料？为什么？ A.植物细胞 B.鸡的红细胞 C.哺乳动物成熟红细胞 √ 实验证据 三无细胞 这里说明一下，为什么选择哺乳动物成熟红细胞来制备细胞膜？这是因为：哺乳动物成熟红细胞中除了细胞膜，其它各种膜性结构的细胞器都不存在，这样制备的膜，不掺杂细胞器膜，是纯净的细胞膜。 二、对细胞膜成分的探索 【想一想】1.磷脂分子在空气-水界面上会怎么样铺展？ 水 空气 “头”部具亲水性，“尾”部具疏水性 明确了哺乳动物红细胞的细胞膜中含有大量磷脂后，我们不禁会提出这样的问题：磷脂在细胞膜中是如何排列的呢？我们可以分析一下磷脂，它由亲水性的头部和两条疏水性的尾部构成。如果我们把磷脂分子平铺在水面上，它的头部将侵入到水中，而尾部则朝向水面之上的空气中 【想一想】2.如果搅动水槽中的水，迫使磷脂分子进入水溶液中，它又将如何分布？ 水 磷脂分子的疏水尾由于受到斥力而自发的聚集起来，形成一个脂分子团，亲水头部向外，疏水尾部朝内。 二、对细胞膜成分的探索 资料3： 1925年，两位荷兰科学家用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气-水界面铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。 S1 S2 S2= 2S1 由此你能推测出什么结论？ 细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层！ 二、对细胞膜成分的探索 细胞膜的两侧都有水环境存在，在这样的情况下，磷脂分子在细胞膜中可能是怎样排布的呢？ 水 水 活动主题一: 根据以上实验结论构建细胞膜中磷脂分子的排布模型 通常细胞生活在水环境中，也就是细胞外充斥着水，细胞内也充满着水。磷脂亲水的头部分别朝向外部的水环境和内部包裹的水环境，两层磷脂疏水性的尾部相互靠近在一起。 二、对细胞膜成分的探索 资料4： 1935年英国学者丹尼力和戴维森研究了细胞膜的张力，发现细胞的表面张力明显低于油—水界面的张力。由于人们已经发现了油脂滴表面如果吸附有蛋白质成分则表现张力会降低。 【思考】根据你所学知识有没有什么方法验证细胞膜中含有蛋白质呢？ 1.双缩脲试剂 假说需要实验证据的支持！ 实验证据 二、对细胞膜成分的探索 资料4： 细胞膜 蛋白质（%） 脂质（%） 糖类（%） 人的红细胞 49 43 8 大鼠的肝细胞膜 44 52 4 脂质（约50%） 糖类（约2%-10%） 磷脂最丰富，含少量胆固醇 蛋白质（约40%） 功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类和数量越多 三、对细胞膜结构的探索 活动主题2:沉浸式体验细胞膜结构的探索历程 1.自主阅读课本“对细胞膜结构的探索”部分和补充实验，梳理细胞膜结构的历程。小组分工合作，进行”提出假说“——”验证假说“的讨论，模拟细胞膜结构探索的历程。 2.发言标准：每位同学发言都要以”我根据……提出假说“或者”根据……支持（或否定）你的假说”为标准，要做到有理有据。 3.通过模拟的方式，沉浸式体验科学家们在探索过程中所用的“提出假设”的科学方式。感悟科学家永无止境的探索精神。 三、细胞膜的结构 三、对细胞膜结构的探索 资料5：1959年，罗伯特森在电镜下看到了细胞膜清晰的暗-亮-暗的三层结构，（蛋白质的电子密度高，在电镜下显暗色；磷脂分子的电子密度低，显亮色）他结合其他科学家的工作，大胆提出细胞膜的模型的假说：所有生物膜都是由蛋白质-脂质-蛋白质三层结构构成，生物膜描述成静态的统一结构。 科学家明确了细胞膜中磷脂双分子层的两侧应该吸附着蛋白质，但是脂双层和蛋白质是怎样结合在一起的呢？科学家并不清楚。 三、对细胞膜结构的探索 20世纪60年代以后，人们对这一模型的异议增加了。如果细胞膜是静态的，细胞膜的复杂功能将难以实现，就连细胞的生长、运动等现象都难以解释。 推测： 细胞膜应该能够流动。 变形虫摄取草履虫 酵母菌出芽生殖 受精卵卵裂 补充实验资料6:科学家测定细胞膜的厚度是7-8nm，恰好是单层磷脂膜厚度的两倍，而按照“三明治”模型，加上两侧的蛋白质，膜的总厚度应当超过20nm。 阅读资料，指出三明治模型的不足之处，并对细胞膜的结构进行合理推测 补充实验资料7:物理学家将细胞膜冰冻处理后用冷刀断开，升温后暴露两层磷脂之间的断裂面,复膜后在电镜下观察断裂面的形态结构。 【思考】 通过冰冻蚀刻实验结果，你能得出什么结论？ 体现了膜结构内外的不对称性，不同上述蛋白质排列结构 补充实验资料8:20世纪70年代，科学家用电子自旋共振谱技术。证明了磷脂分子也是可以运动的。 三、对细胞膜结构的探索 1970年，科学家进行动物细胞融合实验用发绿色荧光的染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子，用发红色荧光的染料标记人细胞表面的蛋白质分子，将小鼠细胞和人细胞融合。 细胞膜具有流动性 刚刚融合的时候，红色荧光和绿色荧光的分布有着显著的界限和范围。如果融合一段时间之后再进行观察，就会发现：不管绿色荧光，还是红色荧光，都均匀地分布在融合细胞的膜上。这就说明，红色荧光标记的人细胞膜蛋白和绿色荧光标记的小鼠细胞膜蛋白是可以运动的，膜具有流动性。 三、对细胞膜结构的探索 时间：1972年 人物：辛格和尼科尔森 提出：流动镶嵌模型 由于细胞膜是流动的，并且蛋白质像马赛克一样排布在磷脂双分子层中，于是1972年，辛格和尼科尔森就提出了细胞膜的流动镶嵌结构模型 实验、推理和想象 提出假说 实验验证 提出假说 实验验证 建构模型 修正模型 科学方法 最初依据已有的知识和信息，提出解释某一生物学问题的一种假说，再用进一步的观察与实验对已建立的假说进行修正和补充。一种假说最终被接收或被否定，取决于它是否能与以后不断得到的观察和实验结果相吻合。 提出假说 小结：对生物膜结构的探索历程 1970年荧光标记人鼠细胞融合显示细胞膜 具有流动性 19世纪末欧文顿推测膜由脂质组成 20世纪初化学分析得知膜主要成分是脂质和蛋白质 1925年证明细胞膜中的磷脂分子是双层的 1959年电镜观察推测细胞膜为三层静态统一结构 探究成分 探究结构 探究结 构特点 60年代观察蛋白质在脂质中的不均等分布 1.下列关于生物膜的探索历程的描述，正确的是(　　) A．罗伯特森根据脂溶性物质更容易通过细胞膜，提出细胞膜是由脂质组成的 B．通过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 C．欧文顿认为生物膜是由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成的 D．1970年，辛格和尼科尔森通过实验证明细胞膜具有流动性 B 练习 四、对细胞膜结构的探索 蛋白质或镶或嵌或贯穿。构成膜的磷脂分子可以侧向自由移动，膜中的蛋白质大多也能运动，具有运输作用。 蛋白质，承担膜的主要功能 磷脂分子，构成膜的基本支架，具有屏障作用 1972年，辛格和尼克尔森 流动镶嵌模型 所有的细胞膜都以磷脂 双分子层为基本支架。细胞膜的内部是磷脂的疏水端，因此离子不能自由通过，许多水溶性分子也难以通过，由于蛋白质是生命活动的主要承担者，因此膜的功能主要就是由膜蛋白的种类和数量所决定，功能越复杂的膜，蛋白质的种类和含量越多。细胞膜不是静止不动的，而是具有流动性，主要表现为构成膜的磷脂分子可以运动，比如可以侧向移动，直白一点就是把旁边的磷脂分子挤走，自己挤过去。膜中的蛋白质大多能运动 细胞膜的外表面还有糖类分子和蛋白质分子结合形成的糖蛋白，或与脂质结合形成的糖脂，这些糖类分子叫作糖被（glycocalyx）。 糖被在细胞生命活动中具有重要的功能。例如，糖被与细胞表面的识别、细胞间的信息传递等功能有密切关系 对细胞膜的深入研究发现 糖被只存在于细胞膜外侧，内侧没有。用时下流行的话来讲就是糖被可用于区分细胞膜的内外侧。 流动镶嵌模型的基本内容是什么？ 1.细胞膜主要由 和 组成。 2. 是膜的基本支架，其内部是磷脂分子的疏水端，水溶性分子或离子不能自由通过，具有屏障作用。 3.蛋白质有的 磷脂双分子层的表面，有的部分或者全部 磷脂双分子层,有的 整个磷脂双分子层。 4.细胞膜不是静止不动的，而是具有 ，主要表现为构成膜的磷脂分子可以 移动，膜中的 大多也能运动。 思考：膜内部分是疏水的，水分子为什么能跨膜运输呢？ 一是因为水分子极小，可以通过由于磷脂分子运动而产生的间隙；二是因为膜上存在水通道蛋白，水分子可以通过通道蛋白通过膜。 磷脂分子 蛋白质分子 磷脂双分子层 镶在 嵌入 贯穿 流动性 侧向自由 蛋白质 磷脂分子 磷脂双分子层 蛋白质分子 糖蛋白 糖脂 糖被 结构特点: 细胞膜具有一定的流动性。 功能特点: 细胞膜具有选择透过性。 易错点 2．下列有关生物膜结构探索历程的叙述，错误的是(　　) A．“空气—水界面”实验表明脂质在细胞膜中排列为连续的两层 B．在电镜下能看到细胞膜清晰的亮—暗—亮三层结构 C．人细胞和小鼠细胞的融合实验运用了荧光标记法 D．流动镶嵌模型认为，构成细胞膜的磷脂和大多数蛋白质可以运动 B 大本第36页 课堂检测 3．细胞膜非常薄，使用高倍显微镜也难以看清它的真面目，人们对细胞膜化学成分与结构的认识经历了很长的过程。下列关于细胞膜成分和结构探索历程的叙述，正确的是(　　) A．根据脂溶性物质容易穿过细胞膜证实细胞膜是由脂质组成的 B．对细胞膜表面张力的研究推测出膜中可能附有蛋白质 C．电镜下观察到的细胞膜都由脂质—蛋白质—脂质三层结构构成 D．流动镶嵌模型认为细胞膜的磷脂分子和蛋白质都是可以运动的 B 对点训练 大本第36页 4．如图是动物细胞膜的结构模型示意图，①～④表示相关物质，其中③是一种脂质，下列叙述不正确的是(　　) A.①在细胞膜的内外侧均有分布，与细胞表面的识别、细胞间的信息传递等功能有关 B．②含有磷元素，可参与构成细胞膜的基本支架 C．③是胆固醇，可促进人体内血液中脂质的运输 D．④在控制物质出入细胞方面有重要作用 A 大本第36页 对点训练 4．如图是人体肝脏细胞的细胞膜的亚显微结构模式图，①～③表示物质。下列有关说法错误的是(　　) 课堂检测 大本第37页 A.③在细胞膜上都不是静止的 B．②在细胞膜上的分布是不均匀的 C．①与细胞间的信息交流功能有密切关系 D．将该细胞中的③这种物质全部提取出来，发现其单分子层面积等于该细胞膜面积的两倍 D 5．用绿色荧光染料标记细胞膜上的蛋白质，待荧光分布均匀后，在细胞膜上选定需进行漂白的部位，用激光照射使荧光分子内部结构发生不可逆改变，从而使此部位的荧光消失。一段时间后，漂白部位荧光会有一定程度的恢复。下列有关叙述错误的是(　　) A．细胞膜的主要成分是磷脂和蛋白质 B．漂白部位荧光的恢复是因为被标记蛋白质恢复空间结构 C．漂白部位荧光一定程度的恢复是因为细胞膜具有流动性 D.根据荧光恢复速度可以推算细胞膜中蛋白质分子运动速度 B 大本第37页 课堂检测 大本4．细胞间信息交流的方式有多种。在哺乳动物卵巢细胞分泌的雌激素作用于乳腺细胞的过程中，以及精子进入卵细胞的过程中，细胞间信息交流的实现分别依赖于(　　) A．血液运输，信号分子 B．淋巴运输，信号分子 C．淋巴运输，胞间连丝传递 D．血液运输，细胞间直接接触 D 练习 大本3．科学家揭示出的电压控制的钾离子通道，是迄今为止获得的最高分辨率的分子图像。这些通道是负责K＋进出细胞的看门蛋白质，它们在神经和肌肉细胞上的作用，与晶体管在计算机中的作用一样。这一成果从另一侧面证明了细胞膜具有(　　) A．免疫功能 B．识别功能 C．控制物质进出细胞的功能 D．进行细胞间的信息交流的功能 C 练习 4．用绿色荧光染料标记细胞膜上的蛋白质，待荧光分布均匀后，在细胞膜上选定需进行漂白的部位，用激光照射使荧光分子内部结构发生不可逆改变，从而使此部位的荧光消失。一段时间后，漂白部位荧光会有一定程度的恢复。下列有关叙述错误的是(　　) A．细胞膜的主要成分是磷脂和蛋白质 B．漂白部位荧光的恢复是因为被标记蛋白质恢复空间结构 C．漂白部位荧光一定程度的恢复是因为细胞膜具有流动性 D．根据荧光恢复速度能推算细胞膜中蛋白质分子运动速度 B 大本第37页 课堂检测 小结 欧文顿假说：膜由脂质组成 1895 20世纪初 1917 1925 1959 20世纪60年代 1970 1972 朗姆瓦提出：磷脂头部亲水，尾部疏水 脂质分子排列为两层 膜的三层静态统一结构 有些蛋白质镶嵌在脂质双分子层中 细胞膜具有流动性 辛格和尼科尔森：流动镶嵌模型 脂质主要是磷脂和胆固醇 磷脂双分子层构成膜的基本支架，这个支架不是静止的，具有流动性。蛋白质分子有的镶在磷脂双分子层表面，有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的贯穿于整个磷脂双分子层。大多数蛋白质分子也是可以运动的。 $$