3.1 细胞膜的结构和功能-【精讲课堂】2024-2025学年高一生物同步教学实用课件（人教版2019必修1）

第3章 细胞的基本结构 第1节 细胞膜的结构和功能 国家的边界： 边防线等 人体的边界： 皮肤和黏膜 细胞的边界： 细胞膜（质膜） 细胞作为一个基本的生命系统，它的边界是细胞膜。 一个系统总有它的边界 1.将细胞与外界环境分隔开 推测的原始海洋景观图 （1）进化方面的意义：细胞膜的出现是生命起源过程中至关重要的阶段。它将生命物质与外界环境分隔开，产生了原始的细胞，成为相对独立的系统。 （2）对细胞的作用：细胞膜将细胞与外界环境分隔开，保障了细胞内部环境的相对稳定。 一、细胞膜的功能 资料1：美国实验细胞学家R.钱伯斯用显微注射器将伊红注射到变形虫内，伊红很快地扩散到整个细胞，但不能很快地逸出细胞。 伊红为什么不会逸出细胞？此实验说明了什么？ 细胞作为一个基本的生命系统，它是有边界的。控制物质进出细胞的功能 二、对细胞膜成分的探索 资料2：鉴别动物细胞是否死亡常用台盼蓝染液。用它染色时，死细胞会被染成蓝色，而活细胞不会着色。 活细胞的细胞膜具有选择透过性，死细胞的细胞膜失去控制物质进出细胞的功能。 2.据此推测，细胞膜作为细胞的边界，应该具有什么功能？ 具有控制物质进出细胞的功能 1.为什么活细胞不能被染色，而死细胞能被染色？ 一、细胞膜的功能 细胞膜的控制作用是相对的 细胞外 细胞内 细胞内有用的成分 抗体、激素、代谢废物（CO2、尿素等） 功能特点：具有选择透过性 某些病毒、病菌 营养物质：水、无机盐、氨基酸、葡萄糖等 细胞外 不需的，有害的物质 一、细胞膜的功能 植物细胞的边界是什么呢？为什么？ 拓展提升 植物细胞的边界是细胞膜。 细胞壁对要进出细胞的物质没有选择性（即全透性），它不能保证细胞内部的稳定。 ☞主要功能：支持和保护 ☞特性：全透性 一、细胞膜的功能 “望梅止渴”，“望”用的是眼睛，为什么口腔里会分泌唾液？说明了什么？ 一、细胞膜的功能 3.进行细胞间的信息交流 （1）物质传递 （如激素） （2）接触传递（如精卵细胞的识别和结合） （3）通道传递（如高等植物细胞间的胞间连丝） 受体的化学本质：蛋白质 受体的特点：专一性 一、细胞膜的功能 1.将细胞与外界环境分隔开: 使细胞成为_________的系统,保障细胞_________的相对稳定。 2.控制物质进出细胞: 3.进行细胞间的信息交流: 通过化学物质交流、通过_______相互接触交流、通过_____交流。 相对独立 内部环境 细胞膜 通道 细胞膜的功能： 是由它的成分和结构决定的 功能特点具有选择透过性 一、细胞膜的功能 ● ● 细胞膜 ● ● ● ● ● ● 不溶于脂质的物质 溶于脂质的物质 ● ● 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。 思考：欧文顿的实验发现了什么？ 提出假说：膜是由脂质组成的。 资料1：19世纪末，欧文顿发现 二、对细胞膜成分的探索 思考：为什么用哺乳动物的红细胞能制备出纯净的细胞膜呢？ 因为哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和众多的细胞器。 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。 二、对细胞膜成分的探索 推论：细胞膜中磷脂排列成双层 资料3：1925年, 荷兰科学家戈特和格伦德尔用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气—水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。 S1 S2 二、对细胞膜成分的探索 结构图 模型 示意图 资料4：磷脂是组成细胞的主要脂质，是一种由甘油、脂肪酸、和磷酸等所组成的分子。 二、对细胞膜成分的探索 活动1：请根据磷脂分子的特点构建其在空气与水界面上分布的模型 磷脂分子排列为单分子层 亲水“头部” 疏水“尾部” 思考: 如果搅动水槽中的水，迫使磷脂分子进入水溶液中将如何分布？ 空气 水 二、对细胞膜成分的探索 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。 空气 水 空气 水 √ 二、对细胞膜成分的探索 活动2: 根据以上实验结论构建细胞膜中磷脂分子的排布模型 假说：磷脂分子形成两层，亲水头分别在两侧朝向水溶液，疏水尾相对排列在内。 假说需要实验证据的支持！ 细胞外液体环境 细胞内液体环境 二、对细胞膜成分的探索 假说需要实验证据的支持！ 资料5：1935年，英国学者丹尼利和戴维森研究了细胞膜的张力。他们发现细胞的表面张力明显低于油一水界面的表面张力。 由于人们已发现了油脂滴表面如果吸附有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，可能还附有蛋白质。 二、对细胞膜成分的探索 时间(人物) 实验依据 结论或假说 1895年, 欧文顿 对植物细胞进行通透性实验,发现可以溶于脂质的物质更容易通过细胞膜 细胞膜是由_____组成的 20世纪初 对成熟的哺乳动物红细胞 的细胞膜进行化学分析 组成细胞膜的脂质有_____ 和_______,其中_____含量最多 脂质 磷脂 胆固醇 磷脂 1925年, 荷兰科学家 将从人的红细胞中提取的脂质铺成单分子层。其面积是红细胞表面积的__倍 细胞膜中的磷脂分子必然排 列为连续的两层 1935年, 丹尼利和 戴维森 细胞的表面张力明显低 于油—水界面的表面张力 细胞膜除含脂质分子外,可 能还附有_______ 蛋白质 2 二、对细胞膜成分的探索 细胞膜中，除了磷脂还含有蛋白质。此外，还含有少量的糖类！ 资料6：实验证据 科学家陆续测定了不同细胞的细胞膜的成分及含量 成分 红细胞膜 肝细胞膜 心肌细胞膜 磷脂 55% 40% 24% 蛋白质 约40% 约59% 75% 糖类 5% 微量 微量 仔细比较上面表格中不同细胞膜的成分，能说明一些什么问题？ 二、对细胞膜成分的探索 讨论 1. 最初对细胞膜成分的认识是通过对现象的推理分析，还是通过对膜成分的提取与检测？ 2.根据磷脂分子的特点解释，为什么磷脂在空气一水界面上铺展成单分子层？科学家是如何推导出“脂质在细胞膜中必然排列为连续的两层”这一结论的？ 最初对细胞膜成分的认识是通过对现象的推理分析得出的。 因为磷脂分子的“头部”亲水，尾部疏水，所以在水-空气的界面上磷脂分子是“头部”向下与水面接触，“尾部”则朝向空气的一面。科学家因测得从红细胞中提取的脂质，铺成单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍，才得出膜中的脂质必然排列为连续的两层这一结论。 二、对细胞膜成分的探索 讨论 3.磷脂分子在水中能自发地形成双分子层，你如何解释这一现象？由此，你能否就细胞膜是由磷脂双分子层构成的原因作出分析？ 4.如果将磷脂分子置于水-苯的混合溶剂中，磷脂分子将会如何分布？ 由于磷脂分子有亲水的“头部”和疏水的“尾部”，在水溶液中，朝向水的是“头部”，“尾部”受水的排斥。当磷脂分子的内外两侧均是水环境时，磷脂分子的“尾部”相对排列在内侧，“头部”则分别朝向两侧水的环境，形成磷脂双分子层。细胞的内外环境都是水溶液，所以细胞膜磷脂分子的“头部”向着膜的内外两侧而“尾部”相对排在内侧，形成磷脂双分子层。 如果将磷脂分子置于水-苯的混合溶剂中，磷脂的“头部”将与水接触，“尾部”与苯接触，磷脂分子分布成单层。 二、对细胞膜成分的探索 脂质和蛋白质等成分如何组成细胞膜？ 脂质（约50%） 蛋白质（约40%） 糖类（约2%~10%） 三、对细胞膜结构的探索 注：蛋白质电子密度高显黑色发暗，磷脂分子的电子密度低发亮。 1.1959年罗伯特森在电镜下看到细胞膜由“暗—亮—暗“的三层结构构成。 提出假说： 生物膜由“蛋白质—脂质—蛋白质”的三层结构构成的静态统一结构 思考：“三明治”结构模型有什么不足？ 无法解释细胞的生长、变形虫的变形运动。把生物膜描述为静态的刚性结构，这显然与膜功能的多样性相矛盾。 三、对细胞膜结构的探索 变形虫的摄食运动 受精卵卵裂 细胞膜是静态的观点，难以解释的现象 三、对细胞膜结构的探索 2.1970年将人和鼠的细胞膜蛋白质用不同荧光染料标记后融合。 结论：蛋白质分子是可以运动的,说明细胞膜具有一定的流动性 三、对细胞膜结构的探索 3. 冰冻蚀刻电子显微法：标本用干冰（液氮）冰冻后用冷刀断开，升温后暴露断裂面。 活动：请根据蛋白质的三种存在形式构建蛋白质分子在磷脂双分子层中的排布模型 小鼠肝细胞膜冰冻蚀刻的电镜照片 蛋白质 镶在 贯穿 嵌入 冰冻蚀刻电镜技术观察的蛋白质分布模型 三、对细胞膜结构的探索 4.1972年辛格和尼科尔森提出了新的生物膜模型———流动镶嵌模型，为多数人所接受。 蛋白质 胆固醇 磷脂分子 磷脂双分子层 糖蛋白 糖脂 三、对细胞膜结构的探索 科学方法—— 提出假说 细胞膜结构模型的探索过程，反映了提出假说这一科学方法的作用。科学家首先根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。一种假说最终被接受被否定，取决于它是否能与以后不断得到的观察和试验结果相吻合。 最初依据实验现象和已有的知识和信息，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。 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 三、对细胞膜结构的探索 磷脂分子 磷脂双分子层 蛋白质分子 糖蛋白 糖脂 糖被 1.细胞膜主要是由磷脂分子和蛋白质分子构成的。 2.磷脂双分子层是膜的基本支架，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，因此具有屏障作用。 流动镶嵌模型的基本内容 四、细胞膜的流动镶嵌模型 3.蛋白质分子以不同方式镶嵌在磷脂双分子层中：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。蛋白质分子在物质运输等方面具有重要作用。 4.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侧向自由移动，膜中的蛋白质大多也能运动 四、细胞膜的流动镶嵌模型 细胞膜外表面，有糖类分子与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。（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。） 四、细胞膜的流动镶嵌模型 脂双层为基本骨架 细胞的物质运输、生长、分裂、运动等生命活动 磷脂 蛋白质 镶嵌、嵌入、贯穿 细胞膜 糖类（少） 组分 内部疏水，屏障 物质运输等 细胞表面 信息传递等 运动 运动 结构特点：流动性 1.将细胞与外界环境分隔开 结构 功能 2.控制物质进出细胞 3.进行细胞间的信息交流 四、细胞膜的流动镶嵌模型 细胞膜的结构特点：具有一定的流动性 细胞膜的流动性对于细胞完成物质运输、生长、分裂、运动等功能都是非常重要的。 影响细胞膜流动性的主要因素：温度 在适宜的温度范围内，随外界温度的升高，细胞膜的流动性增强。 但温度超过一定范围，会导致细胞膜被破坏。 四、细胞膜的流动镶嵌模型 细胞膜 功能 组成成分 流动镶嵌模型 将细胞与外界环境分隔开 控制物质进出细胞 进行细胞间的信息交流 脂 质：以磷脂为主 蛋白质：决定了细胞膜的功能 糖 类：形成糖蛋白和糖脂 主要内容 结构特点 基本支架：磷脂双分子层 蛋白质：镶嵌、贯穿、嵌入在双磷脂分子层 糖类：形成糖蛋白或糖脂 具有一定的流动性 具有一定的选择透过性 课后总结 一、概念检测 1.基于对细胞膜结构和功能的理解，判断下列相关表述是否正确。 (1)构成细胞膜的磷脂分子具有流动性，而蛋白质是固定不动的。( ) (2)细胞膜是细胞的一道屏障，只有细胞需要的物质才能进入，而对细胞有害的物质则不能进入。( ) (3)向细胞内注射物质后，细胞膜上会留下个空洞。( ) × × × 2.细胞膜的特性和功能是由其结构决定的。下列相关叙述错误的是( ) A.细胞膜的脂质结构使溶于脂质的物质，容易通过细胞膜 B.由于磷脂双分子层内部是疏水的，因此水分子不能通过细胞膜 C.细胞膜的蛋白质分子有物质运输功能 D.细胞的生长现象不支持细胞膜的静态结构模型 B 练习与应用 二、拓展应用 1.在解释不容易理解的陌生事物时，人们常用类比的方法，将陌生的事物与熟悉的事物作比较。有人在解释细胞膜时，把它与窗纱进行类比：窗纱能把昆虫挡在外面，同时窗纱的小洞又能让空气进出。你认为这种类比有什么合理之处，有没有不妥当的地方? 妥当之处： 把细胞膜与窗纱进行类比，合理之处是说明细胞膜与窗纱一样可以允许一些物质出入，阻挡其他物质出入。 不妥之处： 例如，窗纱是一种简单的刚性的结构，功能较单一，细胞膜的结构和功能要复杂得多；细胞膜是活细胞的重要组成部分，活细胞的生命活动是一个主动的过程，而窗纱是没有生命的,它只能是被动地在起作用。 练习与应用 二、拓展应用 2.右下图是由磷脂分子构成的脂质体，它可以作为药物的运载体，将其运送到特定的细胞发挥作用。在脂质体中，能在水中结晶的药物被包在双分子层中，脂溶性的药物被包在两层磷脂分子之间。 (1)为什么两类药物的包裹位置各不相同? 由双层磷脂分子构成的脂质体，两层磷脂分⼦之间的部分是疏水的，脂溶性药物能被稳定地包裹在其中；脂质体的内部是水溶液的环境，能在水中结晶的药物可稳定地包裹其中。 练习与应用 二、拓展应用 2.右下图是由磷脂分子构成的脂质体，它可以作为药物的运载体，将其运送到特定的细胞发挥作用。在脂质体中，能在水中结晶的药物被包在双分子层中，脂溶性的药物被包在两层磷脂分子之间。 (2)请推测：脂质体到达细胞后，药物将如何进入细胞内发挥作用? 由于脂质体是磷脂双分子层构成的，到达细胞后可能会与细胞的细胞膜发生融合；也可能会被细胞以胞吞的方式进入细胞，从而使药物在细胞内发挥作用。 练习与应用 课外活动 课后实践： 发掘身边可利用的废旧物品，进行生物膜模型的构建吧！ 思考：哪些材料能够更好地体现细胞膜的结构特点呢？ 具体操作流程可参见教材以及配套光盘 Lavf57.62.100 Lavf53.32.100 $$