内容正文:
第二节 细胞膜控制细胞与周围环境的联系
课程目标
知能目标
素养目标
1.概述细胞膜的“流动镶嵌模型”的基本内容,体会建立模型是解决问题的科学方法之一
2.举例说出细胞膜的选择透过性
3.说出膜组成成分的生理作用
4.说出植物细胞壁的组成和生理作用
1.生命观念——通过对细胞膜的学习建立生命的结构与功能观
2.科学思维——通过流动镶嵌模型及其解读,培养模型思维
3.科学探究——验证活细胞吸收物质的选择性
(见学生用书P23)
知识点一 活动“通过模拟实验探究膜的透过性”和细胞膜具有选择透过性
1.细胞膜也称__质膜__,是围绕在细胞外层,将细胞与周围环境区分开的结构。
2.细胞膜的功能
(1)将细胞与__周围环境__区分开。
(2)控制物质的进出。
3.功能特性——__选择透过性__
细胞膜可以控制物质进出,选择性地吸收__营养物质__和排出__代谢产物__,保持细胞内生化反应有序进行。
4.通过模拟实验探究膜的透过性
(1)实验原理
半透膜具有一定大小的孔径,水等小分子和__离子__可以自由通过,而蛋白质、淀粉等大分子则无法通过。
(2)实验所需的两种物质
①淀粉:生物大分子,与碘——碘化钾溶液反应变__蓝色__;
②葡萄糖:小分子单糖,与本尼迪特试剂反应,在热水浴加热条件下产生__红黄色__沉淀。
(3)方法步骤
①设置如下实验装置,取A、B两个透析袋,将等量的淀粉溶液和葡萄糖溶液分别装入A、B透析袋中。向烧杯内注入等量蒸馏水,直至淹没透析袋。
②向A组透析袋外面的蒸馏水中加入适量__碘——碘化钾__溶液,A、B两组静置12 h。
③观察A组实验现象,取B组透析袋外面的蒸馏水2 mL,加入2 mL__本尼迪特试剂__,热水浴加热2~3 min,观察颜色变化。
(4)实验现象与结论
组别
现象
结论
A
烧杯内为棕色;透析袋内为蓝色
淀粉不能通过透析膜,__碘__能通过透析膜
B
从烧杯内取出的蒸馏水出现__红黄色__沉淀
葡萄糖能通过透析膜
透析膜具有半透性,推测细胞膜具有__选择透过__性
小思考: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。这种鉴别动物细胞是否死亡的方法称为“染色排除法”。为什么活细胞不能被染色,而死细胞能被染色?
【答案】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,所以活细胞不会被染色。而死的动物细胞的细胞膜不具有控制物质进出细胞的功能,所以台盼蓝染色剂能够进入死细胞内,使其被染色。
知识点二 细胞膜主要由磷脂和蛋白质构成
1.磷脂
(1)元素组成:__C、H、O、P__,有些磷脂还含有__N__元素。
(2)分子特点:两性物质。
(3)作用:在水中可形成双层结构,称为__磷脂双分子层__,构成细胞膜的__基本骨架__。
2.膜蛋白
(1)概念:__细胞膜__上的蛋白质。
(2)组成:水溶性部分和__脂溶性__部分。
(3)作用:细胞的功能越多,其膜蛋白的__种类__和数量就越多。细胞膜的功能主要通过膜蛋白来实现。
(4)案例:控制物质进出细胞的__转运蛋白__;有些膜蛋白催化特定化学反应;同一组织的相邻细胞间通过某些膜蛋白__紧密连接__在一起;某些膜蛋白接收外界信息或刺激,激活细胞内相应生理生化反应,在细胞与外界的__信息交流__和细胞识别中发挥重要作用,如胰岛素受体。
3.胆固醇
(1)存在范围:__动物__细胞膜。
(2)存在区域:磷脂双分子层的__疏水__环境中,具有一个很小的亲水基团,与磷脂__头部__连接。
(3)作用:对细胞膜中磷脂分子的活动具有__双重调节__作用。
小思考:为什么脂溶性物质能够优先通过细胞膜?
【答案】构成生物膜的主要成分中有磷脂,细胞膜以磷脂双分子层为基本骨架,因此脂溶性物质容易通过细胞膜,不溶于脂质的物质通过却十分困难。
知识点三 生物膜具有流动性
1.生物膜的概念及特点
(1)概念:细胞内__所有的膜__称为生物膜。
(2)特点:不同部位的膜__功能__有所不同,但它们具有相似的__物质组成__和__空间结构__。
2.生物膜结构的探索
历程
探索内容
结论或假说
1895年,
欧文顿
细胞膜对不同物质的通透性不一样
提出膜由__脂质__组成
1959年,
罗伯逊
电镜下看到细胞膜清晰的__暗——亮——暗__三条带
所有的生物膜都由__蛋白质——脂质——蛋白质__构成
1970年
人鼠细胞融合实验
证明了生物膜中的蛋白质是呈流动状态的
1972年,
辛格和
尼克尔森
新的观察和实验证据
提出生物膜的__流动镶嵌__模型
3.生物膜的流动镶嵌模型
(1)基本模型
(2)模型分析
①__磷脂双分子层__构成了生物膜的基本骨架。
②蛋白质分子有的__镶__在磷脂双分子层表面,有的全部或部分__嵌入__磷脂双分子层中,有的__贯穿__于整个磷脂双分子层,体现了膜内外结构的__不对称__性。
③磷脂和蛋白质位置不是固定的,生物膜具有一定流动性。
小思考:人和鼠的细胞能够融合为一体,说明人和鼠的细胞膜具有什么共性?
【答案】人和鼠细胞膜的基本结构是相同的。
知识点四 细胞壁是植物、真菌和大多数原核细胞的外层结构
1.植物细胞壁的物质组成:主要是__纤维素__,还含有果胶等多种物质。
2.细胞壁的特点:__全透性__。
3.细胞壁的作用:保护细胞,维持细胞形态,加强细胞的机械强度,参与细胞间的相互__粘连__,是激素等化学信号传递的__介质__和通路。
小思考:为什么将植物细胞与外界环境分隔开的结构是细胞膜,而不是细胞膜外面的细胞壁?
【答案】细胞膜能将细胞与外界环境分隔开是因为其具有控制物质进出的功能,而细胞壁具有全透性,任何物质都可以进出细胞壁。
探本思辨
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)细胞之间的识别主要取决于磷脂分子。( × )
(2)能使动物细胞膜比较坚实的物质是磷脂。( × )
(3)膜内外两侧的膜蛋白种类往往有较大差异。( √ )
(4)蚕豆叶肉细胞中具有细胞壁且成分不含纤维素。( × )
(5)细胞膜上的蛋白质是静止的,磷脂具有流动性。( × )
(6)膜蛋白在膜内外分布具有对称性。( × )
2.情境分析
(1)图甲为细胞膜的流动镶嵌结构模式图,图乙为图甲细胞膜的磷脂分子结构模式图,请分析回答下列问题。
图甲可作为气味分子的受体并完成信息传递的物质是什么?受体与信号分子的结合有没有特异性?将图乙物质平展在水面上,哪部分可与水面接触?
【答案】①和②组成的糖蛋白;有特异性;A。
(2)科学家把细胞膜与细胞的其余部分脱离,并将细胞膜冰冻,然后将其从疏水层撕裂。利用这种技术制作电子显微镜观察材料,发现撕裂面上有很多颗粒。由以上实验可得出的结论是什么?
【答案】蛋白质分子镶嵌或贯穿于磷脂双分子层。
(见学生用书P25)
类型一 活动“通过模拟实验探究膜的透过性”几点突破
突破1:A组加入碘——碘化钾溶液后,烧杯内蒸馏水呈现什么颜色?静置12 h后颜色又如何?原因是什么?透析袋内淀粉溶液颜色有何变化?
烧杯内蒸馏水呈现棕色;静置12 h后,还是呈现棕色,说明烧杯中没有淀粉,也就是淀粉不能从透析袋中进入烧杯中;透析袋内淀粉溶液颜色变蓝
突破2:本尼迪特试剂检测的现象是什么?B组实验说明了什么?
出现红黄色沉淀,说明了葡萄糖分子可以穿过半透膜,即半透膜对分子进出具有半透性
突破3:若有一个含有较多氯离子的蛋白质溶液,如何获得纯度比较高的蛋白质溶液?如何确定这个蛋白质溶液中几乎不存在氯离子?
方法:将含有较多氯离子的蛋白质溶液放入透析袋内,透析袋放入蒸馏水中,间隔一定时间后更换蒸馏水
鉴定:每隔一定时间后取一定量蒸馏水,加入硝酸银溶液,直至几乎无沉淀产生
典例 一些膜具有一定大小的孔径,水等小分子和离子可以自由通过,而一般的大分子物质无法通过,这种膜称为半透膜。利用半透膜进行“通过模拟实验探究膜的透过性”活动,下列叙述错误的是( D )
A.淀粉实验组静置12 h后,透析袋内的溶液变蓝
B.淀粉实验组静置12 h后,透析袋外的蒸馏水显示碘——碘化钾溶液的颜色
C.该活动说明,葡萄糖分子和碘可以通过半透膜,而淀粉分子无法通过
D.葡萄糖实验组静置12 h,在蒸馏水中直接加入本尼迪特试剂后,出现红黄色沉淀
【解析】透析袋膜相当于半透膜,淀粉实验组静置12 h后,透析袋内的淀粉无法出去,碘——碘化钾可以通过半透膜,则透析袋内淀粉溶液遇碘变蓝,透析袋外的蒸馏水显示碘——碘化钾溶液的颜色,A、B正确;该活动说明,透析膜具有一定大小的孔径,葡萄糖分子和碘可以通过半透膜,而淀粉分子无法通过,C正确;葡萄糖实验组静置12 h,葡萄糖进入蒸馏水中,取透析袋外面的蒸馏水2 mL,滴加本尼迪特试剂,热水浴加热后才会出现红黄色沉淀,D错误。
某同学利用家里的面粉、碘伏消毒液、保鲜袋和矿泉水瓶进行模拟实验,探究膜的透过性,实验装置如图所示。下列叙述错误的是( D )
A. 保鲜袋膜对物质的通透性由其结构决定
B.若保鲜袋内变蓝色,袋外不变蓝,说明碘可进入袋内
C.若保鲜袋内、袋外均变蓝色,说明淀粉可透出袋外
D.实验结果可能是保鲜袋内不变蓝,袋外变蓝
【解析】保鲜袋膜对物质的通透性由其结构决定,A正确;碘遇淀粉变蓝色,若保鲜袋内变蓝色,袋外不变蓝,说明碘可进入袋内,B正确;若保鲜袋内、袋外均变蓝色,说明淀粉可透出袋外,能与碘反应,C正确;若保鲜袋外变蓝色,说明面粉(内含淀粉)能透出袋外,则小分子物质碘也能进入袋内,故不可能出现保鲜袋内不变蓝,袋外变蓝的现象,D错误。
类型二 细胞膜理解拓展
1.细胞膜物质组成成分误区辨析
误区
辨析
误以为磷脂的元素组成是C、H、O、P、N
磷脂的元素组成是C、H、O、P,某些还含有N
误以为磷脂的功能是构成细胞膜的基本骨架
磷脂的主要功能是构成细胞膜的基本骨架,但也执行少部分细胞膜的功能——参与脂溶性物质的运输(与选择透过性有关)
误以为单层膜——细胞膜是由一层磷脂分子组成的
细胞膜由两层磷脂分子组成
误以为磷脂分子在细胞膜中呈对称分布
磷脂分子在细胞膜中也是呈不对称分布的
误以为磷脂分子能运动,而蛋白质分子不能运动
磷脂分子和蛋白质分子都能运动,但磷脂分子的运动性比蛋白质分子强
误以为贯穿型蛋白质的氨基酸组成都是脂溶性氨基酸
贯穿型蛋白质的氨基酸组成主要是脂溶性氨基酸,也有少部分是水溶性氨基酸
误以为胆固醇分子存在于所有类型的细胞膜中且完全亲脂
一般植物细胞膜上没有胆固醇分子分布;胆固醇分子上还有一个小的亲水基团
误以为糖蛋白的识别功能由蛋白质体现
糖蛋白的识别功能由糖链体现
2.流动镶嵌模型分析
(1)流动性
①结构基础:磷脂分子和蛋白质分子是可以运动的。
②生理意义:细胞膜的流动性是细胞膜功能特性的基础,保证了细胞的物质运输、信息交流、分裂和融合等正常生命活动的进行。
③表现:分泌蛋白的分泌、细胞膜厚度的改变、动物细胞吸水膨胀和失水皱缩、变形虫的运动等,都体现了细胞膜的流动性。
(2)镶嵌:指膜蛋白在细胞膜中的分布情况,有的全部或部分嵌入磷脂双分子层,有的贯穿于整个磷脂双分子层。膜蛋白的数量和种类与膜的功能息息相关。
3.细胞膜的成分、结构、功能间的关系
4.细胞膜的流动性和选择透过性之间的关系
特点
结构特点——
具有流动性
功能特点——
具有选择透过性
结构
基础
磷脂分子和大多数蛋白质分子都能够运动
膜上的转运蛋白
生理
意义
完成物质运输、细胞识别、细胞融合等功能
选择性地控制物质进出
联系
细胞膜的流动性是表现其选择透过性的结构基础,细胞膜只有保持流动性,才能表现出选择透过性,细胞才能完成各项生命活动
5.区别半透膜与选择透过性膜
典例 2024·丽水中学高一细胞膜的流动镶嵌模型强调膜的流动性和不对称性。下列叙述正确的是( C )
A.膜蛋白和磷脂分子在细胞膜中均可运动,且互不影响
B.细胞膜具有不对称性的唯一原因是膜蛋白的不对称分布
C.细 胞膜的选择透过性与膜蛋白和磷脂分子均有关
D.细胞膜上的膜蛋白构成了细胞膜的基本骨架
【解析】细胞膜中磷脂分子和蛋白质分子是不断运动的,两者互相影响,A错误;磷脂双分子层构成细胞膜的基本骨架,蛋白质分子在磷脂双分子层中的分布具有不对称性,细胞膜的外表面有糖类分子,因此膜蛋白的不对称分布不是细胞膜具有不对称性的唯一原因,B错误;脂溶性物质很容易通过细胞膜,这说明细胞膜的选择透过性与磷脂双分子层有关,细胞膜上一种转运蛋白能转运一种分子,说明选择透过性与膜蛋白也有关,C正确;磷脂双分子层是构成细胞膜的基本骨架,D错误。
1.细胞膜的流动镶嵌模型如图所示。下列叙述正确的是( D )
A.磷脂和糖脂分子形成的脂双层是完全对称的
B.胆固醇镶嵌或贯穿在膜中有利于增强膜的流动性
C.物质进出细胞的过程与膜蛋白无关
D.有些膜蛋白能识别并接受来自细胞内外的化学信号
【解析】脂双层是指磷脂双分子层,不包括膜蛋白,是在有水的环境中自发形成的,是由磷脂分子的物理性质和化学性质决定的,但具有识别作用的糖脂分子只分布在细胞膜的外侧,故脂双层是不完全对称的,A错误;磷脂的尾部与胆固醇一起存在于脂双层内部,而非镶嵌或贯穿在膜中,B错误;有些物质进出细胞需要细胞膜上转运蛋白的协助,C错误;有些膜蛋白起着细胞标志物的作用,能识别并接受来自细胞内外的化学信号,D正确。
2.下列关于细胞膜流动性的叙述,错误的是( C )
A.科学家用红、绿两种颜色的荧光染料分别标记人与小鼠细胞膜上的蛋白质,然后再将两种细胞融合成一个细胞,最终发现细胞膜上红、绿荧光染料均匀分布,体现了细胞膜的流动性
B.膜的流动性与温度有关,在一定范围内,温度越高,膜的流动性越大
C.细胞膜的流动性决定了大部分物质能够自由地通过细胞膜
D.细胞膜的流动性对于完成各种生理功能,如物质的透过、膜内外信息的传递等非常重要
【解析】用红色荧光染料标记的人细胞膜上的蛋白质与用绿色荧光染料标记的鼠细胞膜上的蛋白质在融合细胞中分布均匀,说明细胞膜的蛋白质分子是可以运动的,体现了细胞膜具有流动性的特点,A正确;膜的流动性与温度有关,在一定范围内,温度越高,膜的流动性越大,但超过一定温度,膜会失去活性,B正确;细胞膜的选择透过性决定了只有某些物质能够通过细胞膜,C错误;细胞膜的流动性对于完成各种生理功能,如物质的透过、膜内外信息的传递等非常重要,D正确。
类型三 与细胞膜成分、结构、功能相关的实验设计
项目
设计思路
组成成分
的鉴定
①实验:用溶解脂质的溶剂处理细胞膜,细胞膜被溶解;脂溶性物质能够优先通过细胞膜;用磷脂酶处理细胞膜,细胞膜被破坏等都可说明细胞膜中含有脂质分子
②实验:用蛋白酶处理细胞膜,膜被破坏;制备细胞膜样液,用双缩脲试剂检测,结果呈现紫色,这都可说明细胞膜中含有蛋白质
③实验:从细胞膜中提取某种物质,经非酶法处理后,加入双缩脲试剂出现紫色;加入本尼迪特试剂并热水浴加热出现红黄色沉淀,则说明该物质为糖蛋白
续表
项目
设计思路
细胞膜磷脂
双分子层的
鉴定
提取细胞膜结构中的磷脂分子,铺在水面上,测得磷脂单分子层占有面积,与细胞膜面积对比分析
细胞膜流动
性的鉴定
取A、B两种动物细胞,分别用红、绿色荧光染料标记两种动物细胞膜上的蛋白质,进行融合实验,观察在细胞融合过程中两种颜色的荧光在细胞膜上的分布情况
细胞膜识别
作用的探究
将大量的同种生物和亲缘关系较远的生物的精子和卵细胞混合在一起,观察精子和卵细胞的结合情况
细胞膜控制
物质进出细
胞的探究
①可利用有颜色的植物组织,将其放入无色溶液中,然后用高温、强酸或强碱处理,观察处理前后溶液颜色是否发生变化
②将种子切开,放入红墨水中,胚部分不被染红,而胚乳部分被染红
典例 2024·玉环中学高一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交细胞膜上均匀分布形成嵌合体。下图是相关实验记录结果,据此不能得到的结论是( D )
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.温度对膜蛋白的运动有影响
D.图中数据说明融合时间越长,形成的嵌合体越多
【解析】 构成细胞膜的磷脂分子和大多数蛋白质分子都是可以运动的,因此膜具有一定的流动性,嵌合体的形成是两种细胞的膜蛋白发生相对运动的结果,当温度增加到15 ℃以上时,形成嵌合体的比例明显增大,说明温度对膜蛋白的运动有影响;温度升高,膜蛋白相对运动加剧,细胞膜流动性增强;图示数据能说明温度增加到15 ℃以上后,在一定范围内,温度越高,形成的嵌合体越多,而不是融合时间越长,形成的嵌合体越多。
科学上常用“染色排除法”鉴别死细胞和活细胞。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,从而判断细胞的死活。下列关于“染色排除法”的原理,正确的是( C )
A.台盼蓝能将染色体染色
B.细胞膜的组成成分有蛋白质和磷脂
C.细胞膜能够控制物质进出细胞
D.细胞膜具有一定的流动性
【解析】台盼蓝是活细胞不能吸收的物质,用台盼蓝染色,活细胞不能被染成蓝色,体现了生物膜的选择透过性功能;当细胞死亡后,生物膜失去选择透过性,变成全透性,用台盼蓝染色,台盼蓝进入细胞,细胞被染成蓝色,因此可以用台盼蓝染色鉴别细胞死活。
课堂检测
1.下列细胞没有细胞壁的是( A )
A.红细胞 B.叶肉细胞
C.大肠杆菌 D.酵母菌
【解析】红细胞属于动物细胞,无细胞壁,A符合题意。
2.2024·杭四中高一细胞膜功能的复杂程度,主要取决于膜上的( B )
A.磷脂含量 B.蛋白质的种类和数量
C.糖类的种类 D.水含量
【解析】功能越复杂的细胞膜,蛋白质的种类和数量越多。
3.番茄的个体发育中,根细胞吸收Ca2+和Mg2+较多,几乎不吸收SiO,这说明番茄根细胞膜具有( A )
A.选择透过性 B.半透性
C.全透性 D.流动性
【解析】番茄的个体发育中,根细胞吸收Ca2+和Mg2+较多,几乎不吸收SiO,这说明番茄根细胞对离子的吸收具有选择性,即细胞膜具有选择透过性,A正确。
4.细胞膜承担着为细胞把守大门的任务。下列相关叙述正确的是( C )
A.电子显微镜下可看到细胞膜的流动镶嵌模型
B.镶嵌在磷脂双分子层中的蛋白质,只有水溶性部分
C.冰冻细胞膜后撕裂,裂面上的颗粒是蛋白质
D.膜蛋白在膜中可以像磷脂一样容易移动
【解析】细胞膜的流动镶嵌模型是人工构建的物理模型,电子显微镜下能看到细胞膜呈现暗——亮——暗三层,但看不到细胞膜的流动镶嵌模型,A错误;组成细胞膜的蛋白质和磷脂分子一样,有水溶性部分,也有脂溶性部分,B错误;细胞膜上,蛋白质分子有的镶嵌、有的横跨磷脂双分子层,所以冰冻细胞膜后撕裂,裂面上的颗粒是蛋白质,C正确;膜蛋白可以移动,但和磷脂在膜中流动速率不一定相同,一般情况下,膜蛋白不会像磷脂那样容易移动,D错误。
5.下列关于选择透过性膜的叙述,错误的是( B )
A.细胞膜是选择透过性膜,主要由磷脂和蛋白质组成
B.植物细胞的细胞壁与细胞膜均具有选择透过性
C.选择透过性膜可以让一些离子在膜两侧形成较大的浓度差
D.生物膜的选择透过性是活细胞的重要特征
【解析】细胞膜是选择透过性膜,主要由磷脂和蛋白质组成,A正确;细胞壁具有全透性,B错误;选择透过性膜可以让一些离子在膜两侧形成较大的浓度差,C正确;活细胞的重要特征是生物膜具有选择透过性,D正确。
6.2024·义乌中学高一脂质体是根据磷脂分子可在水中形成稳定的脂质双层膜的原理而制备的人工膜。单层脂分子铺展在水面上时,极性端(亲水)与非极性端(疏水)排列是不同的,搅拌后形成双层脂分子的球形脂质体(如图)。回答下列问题。
(1)将某细胞生物膜脂质体置于清水中,在水面上铺展成单分子层,一段时间后发现,单分子层的面积约为细胞表面积的2倍。这一事实说明该细胞可能为__A__(填字母)。
A.猪的红细胞
B.猪的肝细胞
C.鸡的红细胞
(2)下列能正确表示细胞膜的流动镶嵌结构模式图的是__B__(填字母)。
A. B.
C. D.
(3)有些有机溶剂如苯酚,可溶解膜的部分结构Q,造成膜的损伤,增加膜的通透性,该Q最可能的名称是__磷脂双分子层__。动物细胞吸水膨胀时,Q的厚度变小,说明Q具有__一定的流动性__特点。试举一个体现细胞膜具有该特点的其他实例:__变形虫变形运动(或白细胞吞噬病菌等)__。
【解析】(1)将某细胞生物膜脂质体置于水面上铺展成单分子层,一段时间后发现,单分子层的面积约为细胞表面积的2倍,说明细胞内无其他细胞器膜存在,高等哺乳动物的成熟红细胞没有细胞器和细胞核存在,故选A。(2)根据亲水性头部和疏水性尾部以及糖蛋白位于膜外的特点,能正确表示细胞膜的流动镶嵌结构模式图的是B。(3)生物膜的基本骨架是磷脂双分子层,该部分被溶解,细胞膜通透性增强;动物细胞吸水膨胀时,Q的厚度变小,这体现了细胞膜具有一定流动性的特点,类似的例子还有变形虫的变形运动、白细胞吞噬病菌等。
温馨提示:请完成高效作业7 )
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