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

水 蛋白质 糖类 ... 将细胞中所有的物质放在一起，它们能不能完成生命活动？ 组成细胞的分子必须有序地组织成细胞的结构， 才能成为一个基本的生命系统。 第3章 细胞的基本结构 细胞的基本结构是怎样的呢？细胞的各种结构又是怎样协调配合，共同完成生命活动的呢？ 我确信哪怕一个最简单的细胞，也比迄今为止设计出的任何智能电脑更精巧！ ------引自翟中和院士等主编的 《细胞生物学》 第三章 细胞的基本结构 第1节 细胞膜的结构和功能 S z L w h 学习目标 学习目标 1、从系统与环境的关系角度，阐释细胞膜作为系统的边界所具有的功能; 2、分析细胞膜组成成分与结构的关系，说明细胞膜结构的物质基础， 概述流动镶嵌模型的基本内容； 3、分析对细胞膜成分与结构的探索历程，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相结合且不断修正与完善的过程。 人体的边界： 皮肤和黏膜 学校的边界：校门 细胞的边界：？？ 植物细胞 动物细胞 细胞的边界——细胞膜（质膜） 国家的边界：边防线等 思考：以上实验说明了细胞膜具有什么功能？ 将细胞与外界坏境分隔开 实验1：没有受精的鸡蛋中，鸡蛋黄可以看作是一个卵细胞，请观察为什么蛋黄没有被蓝墨水染成蓝色？ 问题探讨 一、细胞膜的功能 1、将细胞与外界环境分隔开 原始海洋中的有机物逐渐聚集并且相互作用 膜的出现将生命物质与外界环境分隔开，产生了原始的细胞，并成为相对独立的系统 推测的原始海洋景观想象图 无机物→简单有机物→复杂化合物→原始生命体 细胞膜保障了细胞内部环境的相对稳定。 一、细胞膜的功能 实验2：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。为什么伊红不会溢出细胞？ 说明：细胞膜具有控制物质进出细胞的功能。 不需要、有害的物质 （如细菌、病毒等）_____________ 一、细胞膜的功能 2、控制物质进出细胞 需要的营养物质（氨基酸、无机盐、葡萄糖等） 可进去 不容易进入 核酸等有用的成分 不可出 细胞代谢产生 废物 （CO2、尿素等） 可出去 抗体、激素等 细胞合成并分泌 可出去 细胞膜的控制作用是相对的 功能特点：选择透过性 一、细胞膜的功能 资料1：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 死细胞 【思考】为什么活细胞不能被染色，而死细胞能被染色？ 活细胞的细胞膜具有选择透过性，台盼蓝是细胞不需要的物质，不易通过细胞膜。因此活细胞不被染色，死细胞的细胞膜失去控制物质进出细胞的功能，台盼蓝能通过细胞膜进入细胞，死细胞能被染成蓝色。 一、细胞膜的功能 联系生活 细胞膜被破坏，色素被释放出来 一、细胞膜的功能 资料2：施莱登和施旺在细胞学说中强调“细胞既是一个相对独立的单位，又和其他细胞构成的整体起作用”。由此说明多细胞生物体的生命活动必须依赖于细胞之间的协调配合才能完成。 【思考】细胞之间是如何实现协调配合的？ 协调性的实现不仅依赖于物质和能量的交换，也依赖于信息的交流。 细胞间的信息交流，大多与细胞膜的结构有关。 一、细胞膜的功能 3、进行细胞间的信息交流 (1)间接交流：通过细胞分泌化学物质间接传递信息。 内分泌细胞分泌的激素（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。 靶细胞：接受信号的细胞。 受体：靶细胞膜上与信号特异性 结合的结构。 3、进行细胞间的信息交流 (2)直接交流：细胞膜的接触 发出信号的细胞 靶细胞 相邻两个细胞的 接触，信息从一个细胞传递给另一个细胞。例如， 。细胞发出的信号分子与靶细胞细胞膜 结合。 细胞膜 精子和卵细胞的识别 表面的受体 精子和卵细胞之间的识别和结合 高等植物细胞通过 传递信息。 胞间连丝 3、进行细胞间的信息交流 (3)通道传递 通道（胞间连丝） 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。 思考：所有细胞间的信息交流都需要膜上的受体吗？ 通道交流不需要细胞膜上的受体 一、细胞膜的功能 思考：植物细胞最外面是细胞壁，但植物细胞的边界是细胞膜 而不是细胞壁，这是为什么呢？ 细胞壁结构松散，有空隙 功能：支撑和保护的作用 特点：全透性 当堂检测 1、对玉米种子的实验处理和观察现象如下，该实验结果说明（ ） A.细胞膜具有流动性 B.红墨水能自由进出玉米细胞 C.细胞膜具有全透性 D.活的细胞膜具有控制物质进出的作用 D 实验处理 将玉米种子浸泡15小时，从中央纵切后，用稀释红墨水染色 将浸泡的玉米种子煮熟，从中央纵切后，用稀释红墨水染色 实验现象 胚细胞着色浅 胚细胞着色深 当堂检测 2、(2020·天津高一期末)下列不属于细胞间信息交流方式的有（ ） A.精子和卵细胞相互接触完成受精作用 B.内分泌细胞分泌的激素经血液运输并作用于组织细胞 C.细胞膜将细胞与外界环境分隔开 D.植物细胞间有胞间连丝，是植物细胞进行信息交流的方式 C 当堂检测 3、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．相邻的高等植物细胞可通过功能④进行信息交流 B 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 物质传递（如激素等化学物质） 接触传递（如精卵细胞的识别） 通道传递（如高等植物细胞的胞间连丝） 一、细胞膜的功能 结构与功能相适应，结构又是建立在一定的成分基础之上。 二、对细胞膜成分的探索 自主阅读教材P42相关科学史，感悟科学探究的基本思路和方法，沿时间线梳理并完善下列内容 推测： 细胞膜是由 组成的 组成细胞膜的脂质有______和________其中 含量最多 推断： 细胞膜中的磷脂分子排列为连续的____层 推测： 细胞膜除含脂质分子外，可能还附有_______ 脂质 磷脂 胆固醇 磷脂 两 蛋白质 1895年 欧文顿的研究 制备细胞膜 进行化学分析 1925年 戈特、格伦德尔 提取脂质、铺展实验 1935年 丹尼利、戴维森 细胞膜张力研究 二、对细胞膜成分的探索 1、欧文顿实验： 500多种化学物质通透性研究 实验现象： 溶于脂质的物质容易通过细胞膜，不溶于脂质的物质，不容易通过细胞膜。 细胞膜 非脂溶性物质 脂溶性物质 相似相溶原理 分子结构越相似的物质， 越是容易相互溶解。 膜是由脂质组成的 推测： 二、对细胞膜成分的探索 溶于脂质的物质 溶于脂质的物质 1、欧文顿实验： 500多种化学物质通透性研究 实验现象： 溶于脂质的物质容易通过细胞膜， 不溶于脂质的物质，不容易通过细胞膜。 相似相溶原理 分子结构越相似的物质， 越是容易相互溶解。 膜是由脂质组成的 推测： 2、脂质类型分析实验 二、对细胞膜成分的探索 结论：细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇，磷脂含量最多。 方法： 材料： 哺乳动物成熟的红细胞 吸水 涨破 为什么选择哺乳动物成熟红细胞来制备细胞膜？ ①无细胞核和众多的细胞器，易制得纯净的细胞膜； ②无细胞壁，细胞容易吸水涨破。 二、对细胞膜成分的探索 【核心探讨】分析细胞膜中磷脂分子的排布特点。 亲水的头部（极性） 疏水的尾部 （非极性） 磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸等所组成的分子，“头”部磷酸是亲水的，“尾”部脂肪酸是疏水的。 二、对细胞膜成分的探索 【核心探讨】分析细胞膜中磷脂分子的排布特点。 【思考】根据磷脂分子的结构特点，展开你的想像力，尝试画出磷脂分子在空气——水界面中的排布方式。 水 空气 二、对细胞膜成分的探索 【核心探讨】分析细胞膜中磷脂分子的排布特点。 若搅一搅将水面的磷脂分子全部混入水中，磷脂分子在水中如何排布？ 二、对细胞膜成分的探索 【核心探讨】分析细胞膜中磷脂分子的排布特点。 细胞的内外两侧都有水环境存在，同学们尝试着大胆的推测和想象一下在这样的环境中，磷脂分子在细胞膜中可能是怎样排布的呢？ 水 水 在水中形成的磷脂双分子层模式图 3、戈特和格伦德实验 二、对细胞膜成分的探索 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。 结论：__________________________________ 细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的两层 即1层细胞膜含2层磷脂分子。 二、对细胞膜成分的探索 思考：如果用其他细胞膜做实验，数量关系还是2倍吗？ ①用其他真核细胞（除哺乳动物成熟红细胞）做上述实验，若磷脂单分子层的面积为2S，则细胞表面积为_______S(”大于“、”小于“、”等于“) ②用细菌细胞做上述实验，若细胞表面积为S，则磷脂单分子层的 表面积_______2S(”大于“、”小于“、”等于“) 小于 等于 其他真核细胞中除细胞膜外，还有核膜和各种细胞器膜， 它们的膜中都含有磷脂分子。 二、对细胞膜成分的探索 4、丹尼利和戴维森的研究 研究细胞膜的张力 实验： 人们发现油脂滴表面如果吸附有蛋白质成分则表面张力会降低。 推测：细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质。 科学家陆续测定了不同细胞的生物膜的化学成分（下表） 结论：细胞膜除了含有脂质和蛋白质外，还含有少量的糖类。 生物膜 蛋白质/% 脂类/% 糖类/% 人的红细胞膜 49 43 8 神经髓鞘 22 77 1 变形虫细胞膜 54 42 4 小鼠肝细胞膜 44 52 4 二、对细胞膜成分的探索 二、对细胞膜成分的探索 脂质 蛋白质 糖类 功能越复杂的细胞膜， 蛋白质的种类和数量越多 细胞膜的主要成分 （最丰富） 磷脂 胆固醇（动物细胞膜） （大约占50%） （大约占40%） （大约占2%—10%） 三、对细胞膜结构的探索 阅读教材，分组讨论下列问题。 1.罗伯特森在电镜下观察了细胞膜结构，提出的细胞膜结构模型的假说是什么？这种模型的不足之处在哪里？ 2.荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合实验证明了什么？ 3.目前大多数人都接受的细胞膜结构模型是哪种？ 1.罗伯特森的“单位膜”结构模型 三、对细胞膜结构的探索 1959年罗伯特森在电镜下观察到了细胞膜清晰的暗—亮—暗的三层结构。 细胞膜结构的电镜照片 暗带 ←电子透过样品少 ←蛋白质对电子阻挡作用大 亮带 ←电子透过样品多 ←脂双层对电子阻挡作用小 暗带 ←电子透过样品少 ←蛋白质对电子阻挡作用大 “三明治”模型 细胞膜是一种静态的统一结构 1.罗伯特森的“单位膜”结构模型 三、对细胞膜结构的探索 细胞膜是一种静态的统一结构 细胞生长 细胞分裂 因此，细胞膜不可能是静态的。 变形虫摄食纤毛虫 细胞的生长、分裂、变形虫的变形运动等现象都是难以实现的。 把生物膜描述为静态的结构，这显然与膜功能的多样性相矛盾。 2.人鼠细胞融合实验 三、对细胞膜结构的探索 (1)方法：________法。 (2)现象：①开始：一半发________，另一半发________。 ②在37 ℃下经过40 min后两种颜色的荧光________。 荧光标记 绿光荧光 红色荧光 均匀分布 表明细胞膜具有一定的流动性 拓展：荧光漂白恢复技术 三、对细胞膜结构的探索 用荧光物质标记细胞膜上脂质分子或蛋白质分子 漂白斑的亮度逐渐增加 最终恢复到与周围的荧光强度相等 用激光束照射形成漂白斑 表明细胞膜具有一定的流动性 三、对细胞膜结构的探索 资料1：电镜照片中，细胞膜的细胞膜的实际厚度为7～8nm，大约相当于单层磷脂分子厚度的二倍。 按照罗伯特森提出的模型进行推测，除脂质分子外，其两侧还应覆盖着蛋白质，故生物膜至少厚约15~20nm。 罗伯特森的模型还不能解释 电子显微镜下细胞膜的厚度。 三、对细胞膜结构的探索 3.细胞膜冰冻蚀刻技术 通过冰冻、断裂等手段，可以将细胞膜的双层脂质层劈分开来观察。 蛋白质分子镶嵌、部分或全部嵌入、贯穿于磷脂双分子层 三、对细胞膜结构的探索 4.流动镶嵌模型 辛格和尼科尔森 ①A为（ ） ②B为（ ） ③糖类和蛋白质结合形成C为( ) ④糖类与脂质结合成D为( )。 A B C D 四、流动镶嵌模型的基本内容 1、细胞膜的结构组成 磷脂双分子层 蛋白质 糖蛋白 糖脂 （1）膜的基本支架： 磷脂双分子层 1层细胞膜=1层磷脂双分子层=2层磷脂分子 2、流动镶嵌模型主要内容 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。 【思考】：既然膜内部分是疏水的，水分子为什么能跨膜运输呢？ ①水分子极小，可以通过有磷脂分子运动 而产生的间隙； ②膜上存在水通道蛋白，水分子可以通过 通道蛋白进行跨膜运输。 四、流动镶嵌模型的基本内容 （2）蛋白质分子的分布方式： 2、流动镶嵌模型主要内容 四、流动镶嵌模型的基本内容 镶 嵌入 贯穿 蛋白质分子以不同方式 镶嵌在磷脂双分子层中。 这些蛋白质分子在物质运输等方面具有重要作用 （3）糖类分子的分布方式： 2、流动镶嵌模型主要内容 四、流动镶嵌模型的基本内容 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。 功能：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。 思考：根据细胞膜的成分怎么判断细胞的内外侧？ 有糖蛋白的一侧为外侧。 3.细胞膜的结构特点 四、流动镶嵌模型的基本内容 具有一定的流动性 原因：磷脂分子可以侧向自由移动，蛋白质大多也能运动。 细胞膜的流动性对于细胞完成物质运输、生长、分裂、运动等功能非常重要。 膜的流动性主要受温度影响，一定温度范围内，温度越高，流动性越强。但超过一定范围，膜结构会被破坏。 影响因素： 四、流动镶嵌模型的基本内容 区别 结构特点：具有一定的流动性 功能特性：选择透过性 联系 细胞膜的流动性是其表现选择透过性的结构基础。 只有细胞膜具有流动性，细胞才能完成各项生理功能，才能表现出选择透过性。 细胞膜中部分蛋白质充当了载体，其运输物质进出细胞， 只有当它是运动的，才能运输物质。 细胞膜的流动性与选择透过性 科学方法： 科学家首先根据已有的知识信息，提出解释某一生物学问题的一种假说，再进一步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！ 罗伯特森 蛋白质-脂质-蛋白质三层结构 静态模型 荧光标记实验 细胞膜具有流动性 错误的 如何修正？ 流动镶嵌模型 提出假说： 检验假说： 提出假说 细胞膜（质膜） 流动镶嵌结构模型 将细胞和外界环境分开 控制物质进出 （选择透过性） 进行细胞间的信息交流 磷脂双分子层构成膜的基本支架 蛋白质镶嵌在磷脂双分子层中 流动性 结构特性 磷脂 蛋白质 糖类 功能 成分 糖被 主要内容 普遍认可 的结构模型 构成 主要和蛋白质有关 课堂小结 当堂检测 1、人鼠细胞融合实验是用带有不同荧光染料的抗体标记两种细胞的膜蛋白，一段时间后两种膜蛋白能在杂种细胞膜上均匀分布形成嵌合体。如图是相关实验记录，据此不能得到的结论是(　　) A.当温度增加到15 ℃以上时， 膜的流动性发生变化 B.该实验证明膜蛋白能够在膜 表面运动 C.温度对膜蛋白的扩散有影响 D.图中数据说明融合时间越长 形成的嵌合体越多 D 当堂检测 2、下列对于生物模型建立的完整过程的认识，错误的是（ ） A.科学家根据观察的现象和已有的知识提出解释某一生物学问题的假说或模型，用现象和实验对假说或模型进行检验、修正和补充 B.一种模型最终能否被普遍接受，取决于它能否与以后的现象和实验结果相吻合，能否很好地解释相关现象 C.生物膜的流动镶嵌模型完美无缺 D.随实验技术的不断创新和改进，对膜研究更加细致入微，有利于更完善地解释细胞膜的功能 C 当堂检测 3、下图是某肌肉细胞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（　　） A．②③在细胞膜上是可以运动的 B．细胞识别与物质①有关 C．②在细胞膜上的分布是不均匀的 D．细胞中③的单分子层面积等于该 细胞表面积的两倍 D 当堂检测 4、科学家通过实验发现：将分散的小鼠组织细胞和人组织细胞进行混合培养，同种细胞之间会出现“识别”现象，最终导致小鼠组织细胞黏连在一起，人组织细胞黏连在一起，对此现象合理的解释是( ) A.两种细胞膜所含的主要成分不一样 B.两种细胞膜的结构不一样 C.两种细胞膜上糖蛋白的种类不一样 D.两种细胞所需要的营养物质不一样 C 当堂检测 5.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。 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。 (1)为什么两类药物的包裹位置各不相同? 当堂检测 (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。 5.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。 Lavf54.6.100 FormatFactory : www.pcfreetime.com $$