内容正文:
第1节
细胞膜的结构和功能
第3章 细胞的基本结构
本节目标:
一、细胞膜的功能
二、对细胞膜成分的探索
三、对细胞膜结构的探索
四、流动镶嵌模型的基本内容
国界
植物细胞
动物细胞
细胞作为一个基本的生命系统,它的边界就是细胞膜,也叫质膜。
注意:植物细胞的边界也是细胞膜,不是细胞壁,因为细胞壁是全透性的。
问题探讨
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。
用台盼蓝染液染色后的
死细胞和活细胞(放大200倍)
讨论:
1.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,染料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。
2.据此推测,细胞膜作为系统的边界,应该具有什么功能?
细胞膜作为细胞的边界,具有控制物质进出的功能。
一、细胞膜的功能
细胞膜的功能
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
1.将细胞与外界环境分隔开(系统的边界)
推测的原始海洋景观图
原始海洋中有机物聚集进化出原始生命
产生了原始的细胞,并成为相对独立的系统。
细胞膜保障了细胞内部环境的相对稳定。
细胞膜出现
意义
分泌物
③
废物
②
2.控制物质进出细胞
CO2、尿素、多余的无机盐等。
抗体、激素等物质
水、无机盐、氨基酸、葡萄糖等。
环境中一些对细胞有害的物质有可能进入
营养物质
①
病毒病菌
④
①②③表明细胞膜的控制作用具有普遍性;④有些病毒、病菌也能侵入细胞使生物体患病,表明细胞膜的控制作用具有相对性
功能特点:选择透过性
不易“进”
细胞不需要的、对细胞有害的物质
不可“出”
细胞内的核酸等重要成分
【思考1】科研上鉴别死细胞和活细胞,常用“染色排除法”。例如,用台盼蓝染色,死的动物细胞会被染成蓝色,而活的动物细胞不着色,从而判断细胞是否死亡。你能解释“染色排除法”的原理吗?
台盼蓝染色剂是细胞不需要的物质,不能通过细胞膜进入细胞,所以活细胞不被染色。
【思考2】用凉水洗红苋菜,水不变红;煮苋菜汤,汤却是红色的,这与细胞膜的功能有何关系?
与细胞膜具有控制物质进出细胞的功能有关。
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。
(1)通过细胞分泌化学物质间接传递信息(化学信息传导)
3、进行细胞间的信息交流
接受信号的细胞
1、化学本质:糖蛋白
2、作用:接受激素等化学物质的信号
3、特点:专一性(一种受体只能识别一种或者一类物质)
(2)通过相邻两个细胞的细胞膜直接接触传递信息(细胞膜接触)
发出信号的细胞
靶细胞
与膜结合的信号分子
受体
思考:海洋或河流中存在着很多不同物种的精子和卵细胞,为什么只有同一物种的精子与卵细胞才能发生结合?
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。
例如,精子和卵细胞之间的识别和结合。
强调:只有同种生物的精子和卵细胞能够识别和结合。
海洋中的生物进行繁殖时,将精子和卵细胞排到水中,海水中有很多生物的精子和卵细胞,只有同种生物的精子和卵细胞结合。
蜜蜂为植物传粉时,是不分植物的种类的,雌蕊的柱头上有多种不同植物的花粉,只有同种物的花粉能萌发出花粉管。
胞间连丝
(3)相邻两个细胞之间形成通道,来传递信息
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。
思考:所有细胞间的信息交流都需要膜上的受体吗?
强调:通道交流不需要细胞膜上的受体
【检测】下图为细胞间的3种信息交流方式,请据图回答:
(1)图A表示通过细胞分泌的化学物质,随① 到达全身各处,与靶细胞表面的② 结合,将信息递给靶细胞。
(2)图B表示通过相邻两细胞的 ,使信息从一个细胞传递给另一个细胞,图中③表示____________________请举一个例子:__________________________________。
血液
受体
细胞膜接触
与膜结合的信号分子
精子与卵细胞之间的识别和结合
(3)图C表示相邻两植物细胞之间形成 ,携带信息的物质从一个细胞传递给另一个细胞,图中④表示 。
(4)由以上分析可知:在多细胞生物体内,各个细胞之间都维持功能的协调,才能使生物体健康地生存。这种协调性的实现不仅依赖于物质和能量的交换,也依赖于 的交流,这种交流大多与_________________有关。
通道
胞间连丝
信息
细胞膜的结构
细胞的功能:(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。除了以上的三种功能外,细胞膜还有细胞识别、保护细胞、参与细胞的运动、分泌等功能。
细胞质
纤毛
细胞膜
细胞壁
鞭毛
核糖体
拟核
思考:细胞的边界为什么是细胞膜而不是细胞壁?
细胞壁的作用是维持细胞形状,具有全透性,并不能控制物质进出细胞,所以不是真正的边界。
多细胞生物是一个繁忙而有序的细胞“社会”。如果没有信息交流,生物体不可能作为一个整体完成生命活动。细胞间信息交流,大多与细胞膜的结构有关。
细胞膜的功能是由它的成分和结构决定的。但细胞膜非常薄,在高显微镜下依然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时间。
二、对细胞膜成分的探索
任务一:请自主阅读课本P42页的内容,完成在对细胞膜成分的探索历程中有哪些科学家的参与,他们作出了哪些贡献?
1
2
3
4
1895年欧文顿做了什么实验?实验现象是什么?
欧文顿提出了什么假说?谁用什么方法证明了他的假说?
1925年科学家们做了什么实验?得出了什么结论?
1935年谁做了什么实验?得出了什么结论?
二、对细胞膜成分的探索
1、细胞膜由脂质组成。
二、对细胞膜成分的探索
【资料1】 1895年,英国生物学家欧文顿(E.Overton)选用500多种化学物质对动物细胞膜的通透性进行了上万次的研究。发现:凡是易溶于脂质的物质,也容易穿过膜,反之,不容易溶于脂质的物质,也不容易穿过膜。
相似相溶原理:溶质与溶剂在结构上越相似,越是容易相互溶解。
溶于脂质的物质
不溶于脂质的物质
细胞膜
【资料2】科学家利用动物的卵细胞、红细胞、神经细胞等作为研究材料,并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。
【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?
哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和众多的细胞器。
2、组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇,其中磷脂含量最多。
【资料3】1917年,朗姆瓦(美国):磷脂分子的头部是亲水的,尾部是疏水的。
甘油
脂肪酸
尾部(疏水)
头部(亲水)
磷酸
头部亲水
尾部疏水
磷脂分子结构式
磷脂分子模型
磷脂分子示意图
【资料3】1917年,朗姆瓦(美国):磷脂分子的头部是亲水的,尾部是疏水的。
【资料3】1917年朗姆瓦将磷脂与水混合,发现磷脂分子排列成了单层,而且其磷酸基团的亲水头部浸入水中,疏水尾部浮于水面。
空气和 水界面上
搅拌后在水溶液中
形成单层磷脂分子的球状微团
双层磷脂分子的球形脂质体
思考1: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?
思考2:细胞膜的两侧都有水存在,那么细胞膜中的磷脂分子又是怎样排布的呢?
思考3: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?
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。
25
【资料4】1925年,荷兰生物学家戈特和格伦德尔用丙酮从人的红细胞中提取脂质,利用朗姆瓦的方法,在空气-水界面上将其铺展成单分子层,测得单分子层的面积约为红细胞表面积的2倍。
3、细胞膜中磷脂分子排列为连续两层
细胞膜中的磷脂分子内外两侧都是水环境时,磷脂分子的头部向着膜的内外两侧,尾部受水排斥,相对排在内侧,自发形成磷脂双分子层。
思考:如果用其他细胞膜做实验,数量关系还是2倍吗?
【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,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。
4、细胞膜含有脂质和蛋白质。
推测细胞膜除含脂质分子外,可能还附有蛋白质。
【思考】以上资料说明细胞膜中还可能含有什么物质?
序号 实验过程与结果 实验结论
① 1895年欧文顿:多种物质对膜的通透性实验,溶于脂质的物质容易通过细胞膜,不容易脂质的物质,不容易通过细胞膜。
② 利用哺乳动物的红细胞制备出纯净的细胞膜,进行化学分析。
③ 1925年,科学家将红细胞中脂质在空气-水界面上铺展成单分子层,测得単分子层的面积为红细胞的表面积的2倍。
细胞膜由脂质组成
组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇。其中磷脂含量最多。
细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层。
④ 1935年,发现细胞表面张力明显低于油水界面的表面张力,如果在油水界面中加入一定量的蛋白质,其表面张力降低,并接近细胞表面张力。
细胞膜除含脂质分子外,可能还有附有蛋白质。
对细胞膜成分的探索
2.根据磷脂分子的特点解释,为什么磷脂在空气—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”的结论?
磷脂分子的亲水性头部向水面一侧,疏水性尾部向空气一侧;
脂质在细胞膜中只有排列成连续的两层,铺展成单分子层的面积才会恰为红细胞表面积的2倍。
1.最初认识到生物膜是由脂质组成的,是通过对现象的推理分析,还是通过膜成分的提取和鉴定?
通过对现象的推理分析的。
讨论:P42
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。
4.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?
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?
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”相对排列在内侧,形成磷脂双分子层。
(1) 成分
_____(约50% )
_______(约40% )
糖类(2%~10%)
_____(主要 )
胆固醇 (动物细胞膜具有)
脂质
磷脂
蛋白质
C、H、O
+N
(+P、N)
细胞膜成分的小结:
科学家陆续测定了不同细胞的细胞膜的成分及含量
总结:细胞膜的成分?
(1) 成分
_____(约50% )
_______(约40% )
糖类(2%~10%)
_____(主要 )
胆固醇 (动物细胞膜具有)
脂质
磷脂
蛋白质
C、H、O
+N
(+P、N)
细胞膜成分的小结:
(2)细胞膜成分与功能的关系:蛋白质在细胞膜行使功能时起重要作用,因此功能越复杂的细胞膜,蛋白质的种类和数量越多。
糖类与蛋白质或脂质分子结合形成糖蛋白或糖脂,这些糖类分子叫作糖被。分布在细胞膜的外表面,具有保护、润滑、细胞识别和信息传递的作用。
脂质和蛋白质等成分如何组成细胞膜的呢?
任务二:请同学们自主阅读教材P43-44,完成在对细胞膜结构的探索历程中有哪些科学家的参与,他们作出了哪些贡献。
1
2
3
4
20世纪学者的推测是什么?1959年罗伯特森发现了什么?
20世纪60年代以后,人们提出什么质疑?
1970年科学家做了什么实验?他们得出了什么结论?
1972年桑格和尼克森在什么基础上提什么观点?
三、对细胞膜结构的探索
那就让我们穿过时空隧道,跟随科学家的脚步来探索细胞膜结构吧!
20世纪40年代,曾经有学者推测脂质两边各覆盖着蛋白质。
三、对细胞膜结构的探索
【资料1】 1959年,罗伯特森在电镜下看到膜清晰的暗—亮—暗的三层结构,他结合学家的工作,大胆地提出了细胞膜模型的假说:所有的细胞膜都由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成,电镜下看到的中间的亮层是脂质分子,两边的暗层是蛋白质分子。他把细胞膜描述为静态的统一结构。
1、生物膜是由“蛋白质—脂质—蛋白质”构成的三层静态统一结构。
质疑:如果是这样,细胞膜的复杂功能将难以实现。
细胞膜结构的电镜照片
变形虫运动
细胞生长
细胞的生长和分裂、变形虫的变形运动、白细胞吞噬细菌……
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,膜静态模型不能解释下列现象:
【思考】“三明治”结构模型有什么不足?
细胞膜结构的电镜照片(放大400 000倍)
证据1:电镜观察的亮带是3.5nm,刚好符合磷脂双分子层亲水头部之间的距离。
为什么看到细胞膜暗-亮-暗三层结构就能说明细胞膜是由蛋白质-脂质双分子层-蛋白质三层组成的呢?
证据:2:
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
【资料2】 细胞膜厚度数据
项目 实际电镜测得 “三明治”模型猜想
细胞膜的厚度 7~8nm 超过20nm
厚度超过20nm
思考1:根据电镜照片和膜厚度的证据,这说明了什么?猜想蛋白质的排布方式。
“三明治”模型中蛋白质平铺在磷脂双分子层表面形成的膜厚度与真实所测不符。因此,蛋白质不会只覆盖在磷脂双分子层两侧,可能会有蛋白质嵌入磷脂双分子层。
分析细胞膜中蛋白质分子的排布特点
【资料3】 细胞冰冻蚀刻实验
运用冻蚀技术即用冷刀断开冰冻标本,使断裂面暴露。
思考2:蛋白质在细胞膜上的的排布有什么特点?
磷脂分子层
膜蛋白
蛋白质 在磷脂双分子层中。
镶在、
嵌入、
贯穿
分析细胞膜中蛋白质分子的排布特点
融合细胞
细胞
融合
37℃
40min
正在融合的细胞
红色荧光染料标记膜蛋白
绿色荧光染料标记膜蛋白
人细胞
小鼠细胞
【资料4】1970年,用不同颜色荧光染料分别标记人的细胞和鼠的细胞,然后将人—鼠细胞融合,一段时间后,不同颜色的荧光染料均匀分布在融合细胞膜表面。
2、细胞膜不是静止不动的,细胞膜具有流动性。
思考3:通过人—鼠细胞融合的结果,可以得出什么结论?
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。
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。
现象:脂溶性物质容易通过细胞膜
假说:细胞膜由脂质构成
实验验证:提取哺乳动物成熟红细胞的细胞膜,化学分析表明:主要含有大量磷脂和少量胆固醇,还有蛋白质等。
序号 实验过程与结果 实验结论
① 20世纪40年代,科学家推测细胞膜为脂双层,蛋白质分子覆盖在细胞膜两侧。
② 1959年罗伯特森在电镜看到细胞膜
暗-亮-暗三层结构。
③ 1970年,用不同颜色荧光染料标记分别标记人的细胞和鼠的细胞,然后将人-鼠细胞融合,一段时间后,不同颜色的荧光染料均匀分布在融合细胞膜表面
④ 1972年,辛格和尼科尔森总结前人的研究成果,提出流动镶嵌模型。
推测为:蛋白质-脂质双层-蛋白质的结构。
细胞膜都是由蛋白质-脂质-蛋白质三层构成。认为细胞膜是静态的统一结构。
细胞膜具有流动性
对细胞膜结构的探索
细胞膜结构的探索历程——医学之花
四、流动镶嵌模型
1972年,辛格(S.J.Singer)和尼科尔森(G.Nicolson)提出流动镶嵌模型。
1.细胞膜的基本支架是什么?
2.蛋白质在细胞膜上如何分布?
3.什么叫糖被?分布在膜的哪一侧?
4.磷脂双分子层作为基本支架的作用?
5.蛋白质以不同方式镶嵌在磷脂双分子层中的作用?
6.细胞膜具有流动性的意义?
7.糖被分布在膜外侧有何作用?
任务三:阅读教材P44—P45关于流动镶嵌模型的基本内容,思考下列问题,并尝试用自己的话概括流动镶嵌模型的基本内容:
磷脂双分子层
蛋白质分子
(镶在表面、嵌入、贯穿)
糖脂
(基本支架)
【任务】阅读教材P44—P45关于流动镶嵌模型的基本内容,思考下列问题,并尝试用自己的话概括流动镶嵌模型的基本内容:
内侧
外侧
糖蛋白
流动性
4.磷脂双分子层作为基本支架的作用?
5.蛋白质贯穿在磷脂双分子层中的作用?
6.细胞膜具有流动性的意义?
7.糖被分布在膜外侧有何作用?
具有屏障作用
在物质运输具有重要作用
对于细胞完成物质运输、生长和分裂、运动等功能非常重要。
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
与细胞表面的识别、细胞间的信息传递等功能密切相关
细胞膜的结构
决定
细胞膜的功能
细胞膜主要由磷脂分子和蛋白质分子构成的。
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,具有屏障作用。
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。这些蛋白质分子在物质运输等方面具有重要作用。
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。
流动镶嵌模型的基本内容
意义: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。
磷脂分子的侧向自由移动
膜中的蛋白质大多也能运动
【思考】
既然膜内部分是疏水的,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,水分子可以由此通过
细胞膜的外表面有糖类分子,它和蛋白质结合形成糖蛋白,或与脂质结合形成糖脂,这些糖类分子叫作糖被。
糖被在细胞生命活动中具有重要功能。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。
52
细胞膜的流动性与选择透过性
区别
结构特点:具有流动性
功能特点:选择透过性
联系
膜只有具有流动性,才能表现其选择透过性,如果细胞膜中部分蛋白质充当了载体,运输物质进出细胞,只有它是运动的,才能运输物质。
补充:细胞壁
细菌细胞壁的主要成分是肽聚糖
1. 化学成分:纤维素和果胶
2. 功能: 支持和保护
细胞壁具有全透性
细胞膜的结构
课堂总结
【检测】判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)同一生物体的细胞膜中蛋白质的种类和数量相同。( )
(2)在组成细胞膜的脂质中,胆固醇最丰富。( )
(3)细胞膜的成分是恒定不变的。( )
(4)动物细胞间的黏着性与细胞膜上的糖蛋白有关。( )
(5)植物细胞的胞间连丝具有物质运输的作用。( )
(6)细胞膜的流动性与ATP没有关系。( )
(7)荧光染料标记人鼠细胞融合实验说明细胞膜具有流动性。( )
(8)细胞膜的流动性和选择透过性均须在完成物质交换功能
时才能体现出来。( )
(9)功能越复杂的细胞膜,蛋白质的种类和数量相对越多。( )
×
×
×
√
√
×
√
×
√
【检测】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
练习与应用
一、概念检测
1.基于对细胞膜结构和功能的理解,判断下列相关表迷是否正确。
(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人,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一个空洞。( )
2.细胞膜的特性和功能是由其结构决定的。下列相关叙述惜识的是( )
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蔬水的,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
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,能在水中结品的药物被包在双分子层中,脂溶性的药物被包在两层碑脂分子之间。
(1)为什么两类药物的包裹位置各不相同?
(2)请推测:脂质体到达细胞后,药物博如何进人细胞内发挥作用?
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。
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。
Lavf58.30.100
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