3.1细胞膜的结构和功能课件-2026-2027学年高一上学期生物人教版必修1

第三章 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—— 植物细胞 动物细胞 细胞膜（质膜） 2 思考：为什么细胞壁不是细胞的边界？ 1.分布：植物、真菌及大多数原核细胞 3.功能：支持、保护作用 细胞壁与细胞膜结构示意图 植物：纤维素和果胶 细菌：肽聚糖 真菌：几丁质 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。 2.成分 植物、细菌、真菌细胞的边界还是细胞膜。 蛋清是供受精卵发育的营养物质。 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 1.将细胞与外界环境分隔开 推测的原始地球环境 原始海洋中有机物逐渐聚集并相互作用，进化出原始生命。 将生命物质与外界环境分隔开来，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。 膜的出现是生命起源过程中至关重要的阶段 意义 2.控制物质进出细胞 【思考】为什么用凉水洗苋菜水不变色，而炒或者煮汤汁都会变红？可能原因是什么？这一现象与细胞膜的功能有什么关系？ 高温加热破坏了苋菜的细胞膜，导致细胞内的物质逸出，说明细胞膜作为细胞的边界，具有控制物质进出细胞的功能。 2.控制物质进出细胞 以上说明细胞膜有___________性，控制作用是______的。 细胞需要的营养物质 不需要的营养或对细胞有害的物质 抗体、激素等物质； 细胞代谢废物等 可“进” 可“出” 可能侵入 选择透过 相对 不易“进” 不可“出” 细胞核的核酸等重要成分 有些病毒、病菌 细胞膜的功能特性 3.进行细胞间的信息交流 (1)化学物质（间接交流）： 细胞分泌的化学物质(如激素)，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位点 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) 有些小分子（如性激素）的受体位于细胞内 距离较远的细胞 3.进行细胞间的信息交流 (2)直接接触： 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。 思考：所有细胞间的信息交流都需要膜上的受体吗？ 3.进行细胞间的信息交流 (3)通道传递： 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。如高等植物细胞间通过胞间连丝相互连接，进行信息交流。 强调：通道交流不需要细胞膜上的受体 胞间连丝 注意 (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，也不能是病毒和细胞之间。 (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大都依赖于细胞膜上的受体蛋白。 细胞壁的作用是维持细胞形状 【小结】 细胞膜的功能 将细胞与外界环境分隔开 进行细胞间的信息交流 控制物质进出细胞 病毒病菌 营养物质 废物 分泌物 控制作用是相对的 细胞膜具有选择透过性 体 现 类型 化学物质传递 通道传递 直接接触传递 如激素、神经递质、细胞因子 如胞间连丝 如精卵识别、细胞毒性T细胞与靶细胞接触 ☞细胞膜保障了细胞内部环境的相对稳定 除了以下的三种功能外，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。 12 二、对细胞膜成分和结构的探索历程 1.对细胞膜成分的探索 (1)1895年欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次的实验，发现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。 小资料 相似相溶原理： 分子结构越 相似的物质，越 容易相互溶解。 细胞膜 不溶于脂质的物质 溶于脂质的物质 假说：细胞膜由脂质组成的 (2)科学家利用哺乳动物成熟红细胞作为实验材料，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。 1.对细胞膜成分的探索 【思考】为什么选择哺乳动物成熟红细胞来制备细胞膜？ ①无细胞壁，细胞容易吸水涨破； ②无细胞核和众多的细胞器，无其他膜的干扰。 吸水 涨破 磷脂的结构 头部亲水 尾部疏水 磷脂分子示意图 磷脂分子结构式 磷脂分子模型 【思考】 1.单层磷脂分子层在水-空气界面上应如何分布？并画出来 水 空气 2.若细胞内外均为水环境，细胞膜中的磷脂分子如何分布？请画图表示。 水 水 水 水 假说：细胞膜中的磷脂分子排列为双层 1.对细胞膜成分的探索 (3)1925年，荷兰科学家戈特和格伦德，用丙酮从人的红细胞膜中提取脂质，在空气－水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积约为红细胞表面积的2倍。 由此推断出：细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层。 【思考】用其他真核细胞和原核细胞呢？ 【随堂检测】将一个细胞中的磷脂成分全部提取出来，并将其在空气—水界面上铺成单分子层，结果测得单分子层的表面积相当于原来细胞膜表面积的2倍。用下列细胞实验与此结果最相符的是（ ） A.人的肝细胞 B.大肠杆菌细胞 C.洋葱鳞片叶表皮细胞 D.鸡的红细胞 B 【解题规律】 （1）若为2倍，说明该细胞只有细胞膜。 （2）若不止有细胞膜，还有其它的生物膜 （如：细胞器膜、核膜），则大于2倍。 1.对细胞膜成分的探索 (4)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-水界面的表面张力。由于人们已经发现了油脂表面如果附有蛋白质成分，则表面张力会降低。 ≈ 假说：细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质 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”这一结论的？ 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”则朝上向空气的一面，科学家因测得从哺乳细胞成熟的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。 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？ 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。 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做出分析？ 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。 苯 2.细胞膜的成分 成分分析 主要是磷脂，动物细胞膜还有胆固醇。 与膜的功能有关，功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类和数量越多。 主要在细胞膜外侧，与蛋白质（脂质）结合形成糖蛋白（糖脂）。 脂质 约50% 蛋白质 约40% 糖类 少量 判断细胞膜内外的主要依据 【思考】脂质和蛋白质等成分是如何组成细胞膜的？ 3.对细胞膜结构的探索 (1)1959年罗伯特森在电镜下观察到了细胞膜的清晰的暗—亮—暗的三层结构。 （关于电镜成像：电子束照射大分子物质，散射度高，呈暗带；照射小分子物质，散射度低，呈亮带。） 提出假说： ①细胞膜为蛋白质-脂质-蛋白质三层结构组成 ②细胞膜是静止的 “三明治模型” 你认可这一静态统一观点吗？ 3.对细胞膜结构的探索 (2)20世纪60年代，质疑静态模型。 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、变形虫的运动等现象都难以解释。 ①理由 细胞生长 细胞分裂 变形虫摄食 ②推测 质疑细胞膜是静态的观点，细胞膜应该能够流动。 3.对细胞膜结构的探索 (3)1970年，科学家用绿、红荧光材料分别标记小鼠细胞和人细胞表面蛋白质分子，刚融合时，一半发绿色荧光，一半发红色荧光，在37℃下40min后，两种颜色的荧光均匀分布。 (荧光标记法) 人细胞 鼠细胞 荧光标 膜蛋白 诱导 融合 40分钟后 370C 结论：说明细胞膜具有流动性 3.对细胞膜结构的探索 (4)冰冻蚀刻电子显微法：物理科学家在低温下将细胞膜切开，升温后暴露两层磷脂之间的断裂面，发现蛋白质镶嵌、贯穿于磷脂双分子层中。 嵌 贯穿 镶 冰冻蚀刻电子显微法 蛋白质镶在、嵌入、贯穿在磷脂双分子层中 蛋白质在膜中的分布是不对称的 思考：糖类在细胞膜上如何分布的？ 3.对细胞膜结构的探索 (5)在新的观察和实验证据的基础上，1972年辛格和尼科尔森提出的流动镶嵌模型，为大多数人所接受。 科学方法——提出假说 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 问题 提出 假说 观察与实验 修正和补充 观察与实验证实 接受假说 三、流动镶嵌模型的基本内容 磷脂分子 磷脂双分子层 （基本支架） 蛋白质 糖蛋白 糖脂 糖被（细胞的识别、细胞间的信息传递） 细胞膜外 细胞膜内 （镶在表面、部分或全部嵌入、贯穿） 一层生物膜 ＝一层磷脂双分子层 ＝两层磷脂分子 1.基本内容 (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中。这些蛋白质分子在物质运输等方面具有重要作用。（现膜结构的不对称性） (4)细胞膜的外表面还有糖类分子， 与蛋白质结合→糖蛋白 与脂 质结合→糖脂 糖被（分布在细胞膜外表面） 与细胞表面的识别、细胞间的信息传递等功能密切 相关。 1.基本内容 具有流动性 构成膜的磷脂双分子层具有流动性， 大多数蛋白质分子也是可以运动的。 质壁分离、变形虫运动、胞吞和胞吐、细胞融合、白细胞的吞噬作用等 温度：一定范围内，温度升高，膜流动性加快。 结构特点 内容 原因 实例 2.细胞膜的结构和功能特点 影响因素 意义 对细胞完成物质运输、生长、分裂、运动等功能具有重要 31 具有选择透过性 水分子、被选择的离子和小分子可 以通过，大分子、不被选择的离子和小分子不能通过。 用台盼蓝染色法判断细胞的死活 功能特点 内容 表现 原因 应用 载体的种类和数量 遗传性 选择性 决定 2.细胞膜的结构和功能特点 32 2.细胞膜的结构和功能特点 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。 生物膜的流动性是表现其选择透过性的结构基础 【小结】 脂双层为基本支架 镶嵌、嵌入、贯穿 细胞膜 磷脂 蛋白质 糖类(少) 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 2.控制物质进出细胞 3.进行细胞间的信息交流 功能 组分 结构 思考： ①水分子极小，可以通过由于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通过膜(主要) 2.线粒体内膜的蛋白质种类和数量比外膜高，从结构与功能观角度分析，原因是？ 功能越复杂的生物膜，蛋白质的种类和数量就越多。线粒体内膜进行有氧呼吸第三阶段的场所，功能复杂，所以蛋白质的数量和种类多。 1.既然膜内部是疏水的，水分子为什么能跨膜运输呢？(课本P45旁思) 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 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。 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。 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。 $