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第二节　细胞——生命活动的基本单位
第1课时　细胞质膜将细胞与外界环境分开
[学习目标]　1.概述细胞质膜的成分和结构。2.简述细胞质膜的功能。
一、细胞质膜的成分和结构
1．探索过程
(1)1895年，欧文顿做了上万次实验，证明细胞质膜是由脂质构成的。
(2)1925年，戈特和格伦德尔用丙酮提取红细胞质膜，结果脂质在水面上铺成单分子层，其面积大约是红细胞表面积的2倍。证明脂质呈双分子层排布。
(3)1959年，罗伯特森通过电子显微镜观察，发现细胞质膜显示“暗—明—暗”三条带。据此，他确认细胞质膜为脂质双分子层的“单位膜模型”。
2．细胞质膜的成分
细胞质膜主要由脂质和蛋白质组成。其中，脂质约占细胞质膜总重量的50%，蛋白质约占40%。在组成细胞质膜的脂质中，含量最高的是磷脂。
3．细胞质膜的结构
(1)1970年，人、鼠细胞融合实验
(2)流动镶嵌模型的基本内容
①图中a
②图中b
③图中c
(3)细胞质膜的结构特点：具有一定的流动性。
判断正误
(1)脂质和蛋白质是组成细胞质膜的主要物质(　　)
(2)细胞质膜的基本支架是磷脂双分子层(　　)
(3)细胞质膜上的蛋白质均匀分布于磷脂双分子层的内侧和外侧(　　)
(4)糖链绝大多数位于细胞质膜的外侧(　　)
(5)构成细胞质膜的磷脂分子具有流动性，而蛋白质固定不动(　　)
答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×
细胞质膜的成分和结构
1．科学家基于什么现象，推测细胞质膜中含有蛋白质？
提示　细胞质膜的表面张力比“油—水”界面的张力低得多。
2．1959年，罗伯特森在电子显微镜下观察到细胞质膜的“暗—明—暗”三层结构，提出了怎样的细胞质膜结构模型？该模型主要的不足是什么？
提示　罗伯特森提出了“单位膜模型”的假说：所有的细胞质膜都由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成。单位膜模型的主要不足在于：把膜结构描述成静止的，细胞质膜的功能难以实现，无法解释变形虫的运动、细胞生长等现象。
3．“人鼠细胞融合实验”中，人、鼠细胞质膜蛋白最终均匀分布说明什么问题？若适当降低温度，膜蛋白最终均匀分布的时间会延长，由此说明什么？
提示　膜蛋白是运动的，即细胞质膜具有一定的流动性。温度能影响细胞质膜的流动性。
4．如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，水溶性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？
提示　由两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，水溶性药物可被稳定地包裹在其中。
(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？
提示　由于脂质体是由磷脂双分子层构成的，到达细胞后可能会与细胞的细胞质膜发生融合，将药物送入细胞，从而使药物在细胞内发挥作用。
5．实验表明，将两种不同的海绵动物的细胞分散成单个的细胞，然后将这些细胞掺在一起混合培养，发现只有同种的细胞才能结合，在这里起识别作用的是细胞质膜上的何种物质？如何判断细胞质膜的外侧和内侧？
提示　糖蛋白。有糖链的一侧为细胞质膜的外侧。
1．磷脂分子及其分布状况分析
(1)磷脂分子的结构如下图：
(2)细胞内外均为水环境，磷脂分子分布如下图：
(3)磷脂分子置于水—苯混合溶剂中分布如下图：
2．细胞质膜的成分
成分 所占比例 在细胞质膜构成中的作用
脂质 约50% 其中磷脂是构成细胞质膜的重要成分，另外还有少量糖脂、胆固醇
蛋白质 约40% 细胞质膜的功能主要由其上的蛋白质来行使，功能越复杂的膜，其蛋白质的种类和数量越多
糖类 约2%～10% 与膜蛋白或膜脂结合成糖蛋白或糖脂，分布在细胞质膜的外表面，与细胞的信息交流有关
1．下图是细胞质膜亚显微结构模式图。下列相关叙述错误的是(　　)
A．①主要分布在细胞质膜的外侧
B．人的神经细胞质膜与口腔上皮细胞质膜功能上的差异主要与②有关
C．细胞质膜的结构特点与②、③有关
D．②在细胞质膜上的分布是对称的
答案　D
解析　①表示糖蛋白，其主要分布于细胞质膜的外表面，A正确；蛋白质在细胞质膜行使功能方面起着重要的作用，因此功能越复杂的细胞质膜，蛋白质的种类与数量就越多，②表示蛋白质，故人的神经细胞质膜与口腔上皮细胞质膜功能上的差异主要与②有关，B正确；细胞质膜的结构特点是具有一定的流动性，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，即与②、③有关，C正确；②蛋白质在细胞质膜上的分布是不均匀的，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，有的贯穿整个磷脂双分子层，D错误。
2．如图是细胞质膜亚显微结构模式图，请据图回答：
(1)图中[B]________的基本组成单位是________。构成细胞质膜基本支架的结构是[　　]______________。
(2)与细胞质膜的识别功能有关的结构是__________________________________。
(3)吞噬细胞吞噬细菌的过程体现了细胞质膜具有________性，这是因为____________。
(4)不同细胞细胞质膜的生理功能不同，主要取决于细胞质膜上的什么结构？________(填字母)。
(5)细胞质膜的这种结构模型被称为______________________________________。
答案　(1)蛋白质　氨基酸　D　磷脂双分子层　(2)糖蛋白　(3)一定的流动　组成细胞质膜的磷脂分子和蛋白质分子具有一定的流动性　(4)B　(5)流动镶嵌模型
二、细胞质膜的功能
1．细胞质膜的功能
(1)细胞质膜控制细胞与周围环境的物质交换
(2)完成细胞间的信息交流
细胞之间的信息交流通常依靠细胞质膜上的蛋白质分子完成，功能越复杂的细胞，细胞质膜上蛋白质的种类和数量往往越多。
①细胞质膜表面的糖蛋白和糖脂在细胞之间的信息交流中具有重要作用。细胞质膜上的受体大多是糖蛋白，能识别信号分子并与之结合，实现细胞识别和信息传递的功能。
②相邻细胞之间的细胞质膜相互接触，信息传递可通过信号分子与受体的结合完成。相距较远的细胞，信号分子的传递需借助于体液。
③某些植物中，相邻细胞之间可通过胞间连丝传递信息。
(3)细胞质膜将细胞与周围环境分隔开，维持着细胞内部环境的相对稳定。
2．细胞壁
(1)植物细胞壁的主要成分是多糖(如纤维素和果胶)，与细菌和真菌的细胞壁的成分和结构差异明显。
(2)作用：植物细胞壁具有维持细胞形态和保护细胞内部结构等作用。
判断正误
(1)细胞质膜是细胞的保护性屏障(　　)
(2)细胞质膜可以控制物质进出，任何对细胞有害的物质都不能进入细胞(　　)
(3)植物细胞之间的胞间连丝具有物质运输的作用(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)√
分析细胞质膜的功能
1．莲藕“出淤泥而不染”体现了细胞质膜的什么功能？这种功能的具体体现是什么？
提示　控制物质进出细胞的功能。主要体现在对营养物质的吸收及对代谢废物的排出，防止病菌、病毒的侵入等方面。
2．植物传粉后，同种和不同种的花粉都会落到雌蕊的柱头上，同种的花粉能萌发，异种的花粉不能萌发。雌蕊和花粉是通过什么相识别的？这体现了该结构的什么功能？
提示　通过细胞质膜相识别。体现了细胞质膜进行细胞间信息交流的功能。
3．相邻细胞间如何进行信息交流？相距较远的细胞间如何进行信息交流？
提示　两个相邻动物细胞的细胞质膜可以直接接触，通过细胞质膜上的受体进行识别，信息从一个细胞传递给另一个细胞；高等植物细胞之间可以通过胞间连丝相互连接，携带信息的物质通过通道进入另一个细胞，从而实现信息交流。相距较远的细胞间进行信息交流时，发出信号的细胞释放出细胞分泌物(即信号分子，如激素)，信号分子通过体液运输到靶细胞，与靶细胞的细胞质膜上或细胞内的受体结合，把信息传递给靶细胞。
1．细胞质膜不能绝对控制物质进出细胞
细胞质膜控制物质进出细胞具有普遍性和相对性，如图所示。
(1)普遍性：细胞需要的营养物质可进入细胞；抗体、激素等物质在细胞内合成后，可分泌到细胞外；细胞产生的废物可排出细胞外。
(2)相对性：对细胞有害的物质有可能进入细胞，如有些病毒、病菌有可能侵入细胞，使生物体患病。
特别提醒：对细胞有害的物质不是“不能”进入细胞，而是“不易”进入细胞。
2．细胞质膜结构特点和功能特性
(1)区别：流动性是细胞质膜的结构特点，此特点主要受温度影响，在一定范围内，温度越高，细胞质膜的流动性越大；而选择透过性是细胞质膜的功能特性，影响此特性的内因是细胞质膜上蛋白质的种类和数量。
(2)联系：细胞质膜的流动性是表现其选择透过性的结构基础。因为只有细胞质膜具有流动性，细胞才能完成其各项生理功能，才能表现出选择透过性。事实上，只有活细胞才具有膜的流动性和选择透过性。
3．不同类型细胞的细胞壁成分
细胞类型 细胞壁成分
植物细胞 主要成分是多糖(如纤维素和果胶)
细菌 主要成分有肽聚糖、磷壁酸、脂质和蛋白质
真菌细胞 主要成分是多糖，还有少量蛋白质和脂质。不同的真菌，其细胞壁所含多糖的种类不同，如低等真菌细胞壁以纤维素为主，酵母菌以葡聚糖为主，高等陆生真菌以几丁质为主
3．实验室中鉴别细胞死活，常用“染色排除法”。例如：用台盼蓝染色，死细胞会被染成蓝色，而活细胞不着色，从而判断细胞死活。该实验所利用的细胞质膜特性或功能是(　　)
A．进行细胞间的信息交流
B．选择透过性
C．流动性
D．保护细胞内部结构
答案　B
4．(多选)细胞之间通过信息交流，保证细胞间功能的协调。下列关于信息交流的说法正确的是(　　)
A．a细胞分泌的物质可以表示某种激素，通过血液运送到b细胞
B．图2可以表示精子与卵细胞的识别
C．b细胞与乙细胞上接受信息的是受体(糖蛋白)
D．细胞质膜上的受体是细胞间信息交流所必需的结构
答案　ABC
解析　a细胞产生的信号分子进入血液，通过血液运输到靶细胞并作用于靶细胞的受体，A正确；图2表示细胞之间通过相互接触直接识别，可以表示精子与卵细胞的识别，B正确；b细胞与乙细胞上的受体都能识别相应的信号分子，其化学本质是糖蛋白，C正确；有些细胞间的信息交流可以不经过细胞质膜上的受体，如植物细胞通过胞间连丝进行信息交流，动物细胞的性激素的受体存在于细胞内，D错误。
题组一　细胞质膜的成分和结构
1．下列说法与细胞质膜发现史不一致的是(　　)
A．欧文顿在实验基础上提出，细胞质膜是由脂质组成的
B．戈特和格伦德尔用丙酮从红细胞中提取细胞质膜，结果脂质在水面上铺展成单分子层，测得其面积约为红细胞表面积的2倍。他们由此推出：脂质呈双分子层排布
C．罗伯特森在电镜下看到了细胞质膜清晰的“明—暗—明”的三层结构，确认细胞质膜为脂质双分子层的“单位膜模型”
D．科学家用不同荧光素标记人细胞和鼠细胞并进行融合，证明了细胞质膜的流动性
答案　C
解析　1959年，罗伯特森在电镜下看到了细胞质膜清晰的“暗—明—暗”的三层结构，据此，他确认细胞质膜为脂质双分子层的“单位膜模型”，C符合题意。
2．某研究小组用化学提纯法分离出了细胞质膜的各组成成分，将其中某组分分成两组，甲组加入双缩脲试剂出现紫色，乙组加入斐林试剂并隔水加热，出现砖红色。根据细胞质膜的组成，该成分最可能是(　　)
A．蛋白质 B．多糖
C．糖脂 D．糖蛋白
答案　D
解析　蛋白质能与双缩脲试剂发生紫色反应，该成分加入双缩脲试剂后出现紫色，说明其含有蛋白质；在隔水加热的条件下，斐林试剂可与还原糖反应生成砖红色沉淀，该成分加入斐林试剂隔水加热，出现砖红色，说明其含有还原糖，综合以上分析可知，该成分最可能为糖蛋白。
3．下图是细胞质膜的亚显微结构模式图。下列相关叙述不正确的是(　　)
A．①与细胞识别、信息传递有关
B．②的种类和数目与细胞质膜功能的复杂程度有关
C．②和③共同构成细胞质膜的基本支架
D．③具有一定的流动性，大多数②也可以运动
答案　C
解析　③磷脂双分子层构成细胞质膜的基本支架，C错误。
4．下列实例不能体现细胞质膜结构特点的是(　　)
A．白细胞吞噬绿脓杆菌
B．免疫细胞识别异常细胞并紧密接触
C．小肠细胞分泌消化酶
D．小鼠细胞与人细胞融合
答案　B
解析　免疫细胞识别异常细胞并紧密接触是依赖细胞能进行信息交流的作用，没有体现细胞质膜的结构特点，故选B。
题组二　细胞质膜的功能
5．(2022·江苏淮安高一期中)科学家在用电子显微镜清晰地观察到细胞质膜之前，已经能够确定细胞质膜的存在了。你认为当时确定细胞质膜存在的依据最可能是(　　)
A．细胞能够分类
B．物质进出细胞受到控制
C．动物细胞有明确的边界
D．植物细胞有明显的固定形态
答案　B
6．细胞质膜作为系统的边界，在细胞的生命活动中起重要作用。下列有关细胞质膜的叙述，错误的是(　　)
A．蛋白质的水溶性部分和脂溶性部分能影响其在膜中的分布
B．细胞质膜的流动镶嵌模型能很好地解释变形虫的运动及摄食现象
C．功能越复杂的细胞质膜，蛋白质的种类与数量就越多
D．细胞质膜是细胞的一道屏障，对细胞有害的物质不能进入细胞
答案　D
解析　细胞质膜是细胞的一道屏障，但具有相对性，对细胞有害的物质也能进入细胞，D错误。
7．细胞质膜具有控制物质进出细胞的功能。下列有关这一功能的理解，不正确的是(　　)
A．细胞需要的营养物质可以进入细胞
B．细胞不需要或对细胞有害的物质一般不能进入细胞
C．细胞中的重要成分(如核酸等)不会流失到细胞外
D．对植物细胞起支持和保护作用
答案　D
解析　对植物细胞起支持和保护作用的是细胞壁，D错误。
8．癌细胞的细胞质膜中有一种蛋白质——癌胚抗原，该蛋白质能被T淋巴细胞识别并使癌细胞被T淋巴细胞攻击，该事实说明细胞质膜具有的功能是(　　)
A．将细胞与外界环境分开
B．控制物质进出细胞
C．进行细胞间的信息交流
D．进行代谢反应
答案　C
选择题9～10题为单选题，11～13题为多选题。
9．(2022·江苏淮安高一期末)对某动物细胞进行荧光标记实验，如下图所示，其基本过程：①用某种荧光染料标记该动物细胞，细胞表面出现荧光斑点。②用激光束照射该细胞表面的某一区域，该区域荧光淬灭(消失)。③停止激光束照射一段时间后，该区域的荧光逐渐恢复，即又出现了斑点。
上述实验不能说明的是(　　)
A．细胞质膜具有流动性
B．荧光染料能与细胞质膜的组成成分结合
C．根据荧光恢复的速率可推算出物质跨膜运输的速率
D．根据荧光恢复的速率可推算出膜中蛋白质或脂质的流动速率
答案　C
解析　据题意可知，用激光束照射该细胞表面的某一区域的荧光淬灭后会逐渐恢复，说明被荧光标记的某种化学成分在运动，证明细胞质膜具有流动性，A正确；用某种荧光染料标记该动物细胞，细胞表面出现荧光斑点，说明荧光染料能与细胞质膜上的某种组成成分结合，B正确；该实验过程中并没有发生物质的跨膜运输，所以从荧光恢复的速率无法推算出物质跨膜运输的速率，C错误；从荧光消失到恢复的这段过程可以计算出荧光恢复的速率，同时也可以根据荧光恢复的速率推算出膜中蛋白质或脂质的流动速率，D正确。
10．异体器官移植手术很难成功，最大的障碍是异体细胞间的排斥，这主要是由于细胞质膜有识别作用，这种生理功能的物质基础是(　　)
A．细胞质膜是由磷脂双分子层构成的
B．细胞质膜的外表面有糖蛋白
C．细胞质膜具有一定的流动性
D．细胞质膜具有选择透过性
答案　B
解析　细胞质膜的基本支架是磷脂双分子层，但这不是细胞质膜有识别作用的物质基础，A错误；细胞质膜的外表面有糖蛋白，这是细胞质膜有识别作用的物质基础，B正确；细胞质膜具有一定的流动性，这是细胞质膜的结构特点，不是其有识别作用的物质基础，C错误；细胞具有选择透过性，这是细胞质膜的功能特性，不是其具有识别作用的物质基础，D错误。
11．下列属于细胞间信息交流方式的是(　　)
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．细胞质膜将细胞与周围环境分隔开
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
答案　ABD
解析　将细胞与周围环境分隔开，保证内部环境的相对稳定，属于细胞质膜的功能，不属于细胞间的信息交流。
12．下列关于细胞质膜和细胞壁的叙述，正确的是(　　)
A．植物细胞壁的主要化学成分是纤维素和蛋白质
B．细胞间的信息交流大多与细胞核的结构和功能有关
C．蛋白质在细胞质膜行使功能时起重要作用
D．细菌和真菌细胞壁的成分不相同
答案　CD
解析　植物细胞壁的主要成分是多糖(如纤维素和果胶)，没有蛋白质；细胞间的信息交流大多与细胞质膜的结构和功能有关；细菌细胞壁的主要成分为肽聚糖、磷壁酸等，而真菌细胞壁的主要成分是多糖。
13．(2022·江西景德镇一中高一期末)科学家设计了仅1纳米宽的分子转子，该转子由紫外光驱动，能以每秒200～300万的转速进行旋转，从而在单个细胞的膜上钻孔。当分子转子与特定的靶细胞结合后，就有望将治疗试剂运送到这些细胞中，或者直接诱导这些细胞死亡。如图为分子转子钻孔过程的示意图，下列有关说法正确的是(　　)
A．将治疗试剂运送到细胞中，分子转子需要钻开两层生物膜
B．钻孔后才可以运送治疗试剂，说明了细胞质膜具有选择透过性
C．该过程体现出磷脂分子具有流动性，而蛋白质分子无流动性
D．一个细胞是否能成为靶细胞，很可能与表面的糖蛋白有关
答案　BD
解析　细胞质膜为单层膜结构，A错误；正常情况下，治疗试剂不能进入细胞，而钻孔破坏细胞质膜后治疗试剂进入细胞，说明细胞质膜具有选择透过性，B正确；该过程没有体现磷脂分子具有流动性，也没有体现蛋白质分子无流动性，C错误；糖蛋白具有识别功能，分子转子与特定靶细胞的识别依靠细胞质膜上的糖蛋白，D正确。
14．以下是细胞间信息交流的三种形式，请据图回答问题：
(1)A是____________，需要通过______________的运输到达B________。
(2)C的化学本质是____________，它可以接受另一细胞发出的________。
(3)E是____________，能使植物细胞相互连接，也具有信息交流的作用。
(4)细胞质膜含有______________________等成分，B细胞质膜与D细胞质膜的功能差异，主要与________的种类和数量有关。
答案　(1)信号分子(激素)　血液　靶细胞　(2)糖蛋白　信号(或信息)　(3)胞间连丝　(4)蛋白质、脂质和糖类　蛋白质
解析　(1)图甲所示的细胞通讯中，进行细胞间信息交流的物质是内分泌细胞分泌的A信号分子(激素)，该物质通过血液运输到达B靶细胞，并与靶细胞上的受体结合，引起靶细胞的代谢变化。(2)C是细胞质膜上的受体，化学本质是糖蛋白，它可以接受另一细胞发出的信号，实现两细胞间的信息交流。(3)E表示相邻植物细胞之间形成的通道，即胞间连丝，能使植物细胞相互连接，也具有信息交流的作用。(4)细胞质膜主要由脂质和蛋白质组成，还含有少量的糖类。蛋白质是生命活动的主要承担者，细胞质膜的功能主要取决于膜上蛋白质的种类和数量，故B细胞质膜与D细胞质膜的功能差异，主要与膜上蛋白质的种类和数量有关。
15．下图是细胞质膜的流动镶嵌模型(①～③分别表示有关的物质或结构)，据图分析并回答下列问题：
(1)早在1959年，罗伯特森在电镜下观察到细胞质膜清晰的暗—亮—暗的三层结构，大胆提出细胞质膜是由______________________三层结构构成。1970年，科学家利用__________法进行人、鼠细胞融合实验，证明了细胞质膜上的蛋白质可以运动。1972年科学家辛格和尼科尔森正式提出了细胞质膜结构的流动镶嵌模型。
(2)据图分析，①的化学本质是________________，②是________________(填结构名称)。②是构成细胞质膜的基本支架，蛋白质则以不同方式镶嵌在②中，细胞质膜的主要功能取决于膜上______________________________________________________________。
(3)细胞质膜作为系统的边界，有多种生理功能。除控制物质进出细胞以外，细胞质膜还有____________________________________________(答出两点)等生理功能。
答案　(1)蛋白质—脂质—蛋白质　荧光标记
(2)糖蛋白　磷脂双分子层　蛋白质(③)的种类和数量　(3)将细胞与周围环境分隔开、进行细胞间的信息交流

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