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第1节 细胞膜的结构和功能
第三章 细胞的基本结构
牛胰岛素结晶
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。
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，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。
问题探讨
2、据此推测，细胞膜作为细胞的边界，应该具有什么功能？
国家的边界：边防线等
人体的边界：皮肤和黏膜
细胞的边界：细胞膜/质膜
注意：植物细胞的边界也是细胞膜，不是细胞壁，因为细胞壁的作用是支持和保护用以维持细胞形状,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。
细胞质
纤毛
细胞膜
细胞壁
鞭毛
核糖体
拟核
推测的原始海洋景观图
一、细胞膜的功能
1、将细胞与外界环境分隔开
_________是生命起源过程中至关重要的阶段，它将生命物质与外界环境分隔开，产生了原始的细胞，并成为_________的系统。
膜的出现
相对独立
相对稳定
细胞膜将生命物质与外界环境分隔开，保障了细胞内部环境的________。
（1）膜的出现在进化方面的意义：
（2）膜的出现对细胞本身的意义：
草履虫
一、细胞膜的功能
2、控制物质进出细胞
不需要、有害的物质
（如细菌、病毒等）_____________
细胞膜的控制作用是相对的
细胞
营养物质（氨基酸、葡萄糖等）
废物
（CO2、尿素等）
不容易进入
抗体、激素等
细胞合成并分泌
细胞代谢产生
（DNA等）
×
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）物质传递：通过细胞分泌化学物质完成间接信息交流
一、细胞膜的功能
3、进行细胞间的信息交流
化学本质：糖蛋白、糖脂
作用：接受激素等化学物质信号
特点：专一性（一种受体只能识别一种或者一类物质）
受体
（2）接触传递：通过相邻两个细胞的细胞膜直接接触传递信息
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）。
一、细胞膜的功能
3、进行细胞间的信息交流
发出信号的细胞
靶细胞
与膜结合的信号分子
受体
精子和卵细胞之间的识别和结合
（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。
胞间连丝
一、细胞膜的功能
3、进行细胞间的信息交流
细胞间的信息交流都依赖于信息分子和受体吗？
提示：一定依赖于信息分子传递信息，但不一定需要受体，如高等植物细胞之间的胞间连丝。
因此胞间连丝既有物质运输的作用，又有信息交流的作用
●
●
细胞膜
●
●
●
●
●
●
溶于脂质的物质
●
●
不溶于脂质的物质
二、对细胞膜成分的探索
发现：
推测：
细胞膜是由脂质组成的
实验：
时间：1895年
人物：欧文顿（E.Overton）
用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次实验
溶于脂质的物质更容易通过细胞膜,不溶于脂质的物质不容易穿过细胞膜
科学家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。
组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇，其中磷脂含量最多。
为什么要用哺乳动物的红细胞来制备出纯净细胞膜呢？
①动物细胞无细胞壁，更易吸水胀破。
②哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和众多的细胞器。
结论：
实验：
细胞膜具体是由哪些脂质组成呢？
二、对细胞膜成分的探索
分子模型
磷脂分子结构式
分子示意图
磷脂的一端为亲水的头，两个脂肪酸一端为疏水的尾，多个磷脂分子在水中总是自发地形成双分子层。
细胞膜中的磷脂分子必然排列成连续的两层。
推断：
S1
实验：
时间：1925年
人物：荷兰科学家戈特和格伦德尔
用丙酮从人的红细胞膜中提取脂质，在空气—水界面上铺成单分子层，测得单层分子的面积恰为红细胞表面积的2倍。
S2
二、对细胞膜成分的探索
S2＝2S1
在水中形成的磷脂双分子层模式图
推测：
实验：
时间：1935年
人物：英国学者丹尼利和戴维森
丹尼利和戴维森研究细胞膜张力，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。
细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质。
除磷脂外，细胞膜还有无其它成分？
二、对细胞膜成分的探索
思考·讨论
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”则朝向空气的一面。科学家因测得从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。
2、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？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？
思考·讨论
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作出分析？
水
水
思考·讨论
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？
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。
将人的肝细胞中的磷脂全部提取出来，铺成单分子层，其面积是肝细胞表面积的2倍吗？为什么？
提示：不是。大大超过2倍，肝细胞具有细胞膜、细胞核和多种具膜的细胞器。
细胞膜的成分
脂质(约50%)
蛋白质(约40%)
糖类(2%-10%)
磷脂最丰富，动物细胞膜还有少量的胆固醇
在细胞膜行使功能时起重要作用；
功能越复杂的细胞膜，种类和数量越多
与蛋白质或脂质分子结合形成糖蛋白或糖脂，分布在细胞膜的外表面
脂质、蛋白质、糖类是如何组成细胞膜的呢？
细胞膜结构的电镜照片
（放大400 000倍）
三、对细胞膜结构的探索
提出假说：
实验：
时间：1959年
人物：罗伯特森
用电镜了观察到了清晰的细胞膜照片，看到了暗－亮－暗的三层结构,蛋白质电子密度高，电镜下显暗带，磷脂分子电子密度低呈亮带
细胞膜都是由蛋白质—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。静态的统一结构
变形虫捕获两个草履虫
细胞分裂
时间：20世纪60年代以后
提出质疑：
不能行使细胞膜的复杂功能，
不能解释细胞的生长、变形虫的运动
三、对细胞膜结构的探索
白细胞吞噬细菌
实验：
科学家用绿色荧光染料标记小鼠细胞表面蛋白质分子，用红色荧光染料标记人细胞表面的蛋白质分子，将小鼠细胞和人细胞融合。
发现：
这两个细胞刚融合时，融合细胞一半发绿色荧光，另一半发红色荧光；在37℃下经过40 min，两种颜色的荧光均匀分布。
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
结论：
细胞融合实验以及相关的实验证明细胞膜具有流动性。(结构特性）
时间：1970年
三、对细胞膜结构的探索
荧光标记法是利用荧光蛋白或荧光蛋白基因作为标志物对研究对象进行分析的方法，常用的荧光蛋白有绿色和红色两种颜色
时间：1972年
理论：提出生物膜模型——流动镶嵌模型，为多数人所接受
三、对细胞膜结构的探索
人物：辛格和尼科尔森
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。
1.1895年，欧文顿的实验和推论：细胞膜是由______组成的；
2.通过制备纯净的动物细胞膜，进行化学分析得知组成膜的脂质有_____和_____；
3.1925年，荷兰科学家戈特和格伦德尔用_____提取脂质，推断：细胞膜中的磷脂分子必然排列为____________；
4.1935年，英国学者丹尼利和戴维森通过研究细胞的________，推测：细胞膜除含脂质分子外，可能还附有_______；
5. 1959年，罗伯特森通过在电镜下看到的_________三层结构，提出假说：所有生物膜都由________________三层结构构成；把细胞膜描述为_______统一结构；
6.1970年，荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合实验，指出细胞膜具有 ________；
7.1972年，辛格和尼科尔森提出了_______________ 。
脂质
探究历程小结
磷脂
胆固醇
丙酮
连续的两层
表面张力
蛋白质
暗-亮-暗
蛋白质-脂质-蛋白质
静态
流动性
流动镶嵌模型
四、流动镶嵌模型的基本内容
1.细胞膜主要是由________和___________构成的；
磷脂分子
磷脂双分子层的内部是磷脂分子的______端，____________或_______不能自由通过，因此具有_____作用；
蛋白质分子
2._______________是膜的基本支架；
磷脂双分子层
3.蛋白质分子以不同方式_____在磷脂双分子层中；
疏水
水溶性分子
离子
屏障
镶嵌
蛋白质有的____在磷脂双分子层表面，有的部分或全部____入磷脂双分子层中，有的____于整个磷脂双分子层；
镶
嵌
贯穿
4.细胞膜不是静止不动的，而是具有_______________；
一定的流动性
细胞膜流动性的具体表现（具有流动性的原因）：
构成膜的磷脂分子可以_____________，膜中的蛋白质______________；
侧向自由移动
大多也能运动
细胞膜流动性的意义：
对于细胞完成_________、_______、______、_______等功能都是非常重要的；
物质运输
生长
分裂
运动
①___________
②___________
③___________
④___________
⑤___________
A、B中_____为细胞外侧
_____为细胞内侧
糖蛋白
蛋白质
磷脂双分子层
糖被
磷脂分子
A
B
细胞膜的外表面还有糖类分子，和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。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。
糖脂
既然膜内部分是疏水的，水分子为什么能跨膜运输呢？P45
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，水分子可以通过通道蛋白通过膜。
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
细胞膜的特性
1.细胞膜的功能特性：____________；
细胞膜具有选择透过性与其上的________有关，主要是与载体蛋白有关；例如利用___________鉴定细胞死活；
2.细胞膜的结构特性：_________________；
选择透过性
蛋白质
台盼蓝染液
具有一定的流动性
细胞膜具有一定的流动性主要因为：
_______________________________________________________
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
细胞膜流动性的主要影响因素：________
温度
在适宜的温度范围内，随外界温度升高，细胞膜的流动性增强，但温度超出一定范围，会导致细胞膜结构被破坏
(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。( )
(4)植物细胞之间的胞间连丝具有物质运输的作用(　　)
(5)细胞膜上的受体是细胞间信息交流所必需的结构(　　)
×
×
×
√
×
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
把细胞膜与窗纱进 类比,合 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。这样的类 也有 妥之处。 如,窗纱是一种简单的刚性的结构,功能较单纯,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, 窗纱是没有生命的,它只能是被动地在起作用。
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 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 中结晶的药物可稳定地包裹其中。
(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
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 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。
1
细胞膜有哪些主要功能？
3
你对科学的过程和方法有哪些领悟？
科学探索永无止境：
是科学家在继承与不断修正过程中建立并完善，主要有科研探索的精神、科学思维方法（归纳法、提出假说法）以及技术手段支持
物质传递
接触传递
通道传递
依赖膜上受体
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
不依赖膜上受体
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
细胞膜主要由磷脂分子和蛋白质分子构成。
磷脂双分子层构成膜的基本支架。
蛋白质分子以不同的方式镶嵌在磷脂分子层中。
细胞膜具有流动性。（结构特性）
磷脂分子
磷脂双分子层
蛋白质分子
2
流动镶嵌模型的基本内容是什么？
脂双层为基本骨架
细胞的物质运输、生长、分裂、运动等生命活动
磷脂
蛋白质
镶嵌、嵌入、贯穿
细胞膜
糖类（少）
组分
内部疏水，屏障
物质运输等
细胞表面
信息传递等
运动
运动
结构特性：流动性
1.将细胞与外界环境分隔开
结构
功能
2.控制物质进出细胞（选择透过性）
3.进行细胞间的信息交流（糖被)
桑格和尼克森提出流动镶嵌模型

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