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第3章 细胞的基本结构
第1节 细胞膜的结构和功能
细胞的边界—细胞膜
第3章 细胞的基本结构
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。
讨论：1．为什么活细胞不能被染色，而死细胞能被染色？
2．据此推测，细胞膜作为细胞的边界，应该具有什么功能？
用台盼蓝染液染色后的
死细胞和活细胞(放大200倍)
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。
细胞膜作为细胞的边界，具有控制物质进出的功能
染色排除法
细胞膜的功能
一
阅读课本40-41页，说出下列各实例分别体现了细胞膜的哪项功能：
1.新鲜的苋菜叶泡进凉水中，水一般不会变红，但高温炒熟的苋菜中却有红红的汤汁；
2.莲“出淤泥而不染”；
3.没有受精的鸡蛋中，鸡蛋黄可看作一个卵细胞，鸡蛋黄与蛋清之间被什么样的结构分隔开 说明了其有什么功能？
4.鼻子接触香水分子，为什么大脑皮层能产生“香”的感觉
手碰到火，为什么手臂的肌肉会收缩？
控制物质进出细胞
控制物质进出细胞
将细胞与外界环境分隔开
进行细胞间的信息交流
推测的原始海洋景观想象图
在原始海洋这盆“热汤”中，膜的出现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，并成为相对独立的系统。
细胞膜保障了细胞内部环境的相对稳定。
1.将细胞与外界环境分隔开
2.控制物质进出细胞
需要的营养物质
不需要的物质
抗体、激素等物质
代谢废物
细胞
可以进入
不容易进入
排出
分泌出去
有用的成分不会轻易流失到细胞外
细胞膜的控制作用是相对的！
细胞膜的功能特性：选择透过性
病菌、病毒等
可能侵入
3.进行细胞间的信息交流
内分泌细胞分泌的激素（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
血
液
的
传
送
内分泌细胞
分泌的激素
靶细胞
靶细胞
3.进行细胞间的信息交流
（1）通过化学物质传递信息
与靶细胞膜上的受体结合，将信息传递给靶细胞
靶细胞：接受信号的细胞
受体：靶细胞膜上与信号分子特异性结合的结构，一般为糖蛋白
为什么运送到全身各处，却只作用于靶细胞？
与膜结合的信号分子
膜上接受信号分子的受体
发出信号的细胞
靶细胞
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
3.进行细胞间的信息交流
（2）通过细胞膜直接接触传递信息
精子和卵细胞之间的识别和结合
精子只能与同种生物的卵细胞结合，为什么？
3.进行细胞间的信息交流
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。
（3）通过细胞间通道传递信息
1、成分：纤维素和果胶
3、功能：支持和保护
2、特性：具有全透性
植物的细胞壁起支持和保护的作用，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。
思考：植物细胞最外面是细胞壁，但植物细胞的边界是细胞膜而不是细胞壁，这是为什么呢？
细胞膜的功能是由它的成分和结构决定的
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。
细胞膜成分的探索
二
时间：1895年
人物：欧文顿（E.Overton）
实验：用500多种物质对植物细胞进行上万次的通透性实验,发现细胞膜对不同物质的通透性是不一样的：溶于脂质的物质，比不溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。
●
●
不溶于脂质的物质
溶于脂质的物质
细胞膜
化学知识—相似相溶原理：通俗的讲，即分子结构越相似的物质，越是容易相互溶解。
推测：细胞膜是由脂质组成的
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
问：在推理分析提出假说后，还有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定吗？
1
提出假说（课本p44)
为了进一步确定细胞膜中脂质成分的类型，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。
2
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
哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和其它众多的细胞器，可以避免其它膜结构的干扰，提取较纯正的细胞膜。
问：为什么众多细胞材料中，利用红细胞更容易制备出纯净的细胞膜
3
时间：1925年
人物：戈特（E.Gorter）和格伦德尔（F.Grendel）
实验：用丙酮（一种有机溶剂，可以溶解脂质）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恰好为红细胞表面积的2倍。
推断：细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层
结构式
分子模型
分子示意图
亲水的“头”
疏水的“尾”
讨论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
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。
空气
水
讨论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”相对排在内侧，形成磷脂双分子层。
水环境
水
水
水
水
对细胞膜成分的探索
A
B
C
细胞膜的两侧都有水环境存在，在这样的环境中，磷脂分子在细胞膜中可能是怎样排布的呢？
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
水
苯
如果将磷脂分子置于水一苯的混合溶剂中，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。
时间：1935年
人物：丹尼利（J.F.Dznielli）和戴维森（H.Davson）
实验：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，因此丹尼利和戴维森推测细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质。
4
推测：细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质。
生物膜 蛋白质% 脂类% 糖类
人的CNS髓鞘 20 79 少
人的红细胞膜 49 43 8
大鼠的肝细胞核膜 59 35 2.9
内质网膜 67 33 少
线粒体外模 52 48 少
线粒体内膜 76 24 少
细胞膜的成分
脂质（约 50％ ）
蛋白质（ 约40％ ）
糖类（约 2％~10％ ）
磷脂最为丰富，此外还有少量胆固醇
研究发现：
细胞膜主要是由脂质和蛋白质组成的，此外，还有少量的糖类。
蛋白质在细胞膜行使功能方面起着重要作用，
功能越复杂的细胞膜，蛋白质种类和数量越多。
脂质和蛋白质等成分是如何组成细胞膜的呢？
细胞膜结构的探索
三
时间：1959年
人物：罗伯特森（J.D.Robertson）
实验：在电镜下看到了细胞膜清晰的暗—亮—暗的三层结构
1
提出假说：
①细胞膜是由“蛋白质—脂质—蛋白质”的三层结构构成，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
②把细胞膜描述为静态的统一结构
不合理①：细胞膜的复杂功能将难以实现，就连细胞的生长、变形虫的变形运动这样的现象都难以解释。
变形虫摄取
酵母菌出芽生殖
不合理②：测定细胞膜的厚度为7—8 nm，恰好是单层磷脂膜厚度的两倍，而按照“三明治”模型，加上两侧的蛋白质，膜的总厚度应当超过20nm。
时间：1970年
实验：人细胞和小鼠细胞的融合
2
红色荧光染料标记的膜蛋白
绿色荧光染料标记的膜蛋白
小鼠细胞
人细胞
37℃
40min
两种颜色的荧光均匀分布
这一实验以及相关的其他实验证据表明，细胞膜具有流动性。（结构特点）
细胞融合
（课本p45)
（在一定范围内，温度升高，流动性增强）
流动镶嵌模型的基本内容
四
1972年
辛格(S.J.Singer) 、尼科尔森(G.Nicolson)提出的流动镶嵌模型为多数人所接受。
①
①
②
③
④
⑤
糖脂
1. 磷脂双分子层是细胞膜的基本支架，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，因此具有屏障作用。
1972年
辛格、尼科尔森提出了细胞膜的流动镶嵌模型
旁栏思考：既然膜内部分是疏水的，水分子为什么能跨膜运输呢？
①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；
②是因为膜上存在水通道蛋白，水分子可以由此通过。
细胞膜主要是由磷脂分子和蛋白质分子构成的
2.蛋白质分子以不同方式镶嵌在磷脂双分子层：表面；部分或全部嵌入，贯穿。这些蛋白质分子在物质运输等方面具有重要作用。
1972年
辛格、尼科尔森提出了细胞膜的流动镶嵌模型
细胞膜主要是由磷脂分子和蛋白质分子构成的
体现了膜结构的不对称性
3.细胞膜的外表面还有糖类分子，它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，这些糖类分子叫做糖被，糖被在细胞生命活动中有重要的功能，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。
1972年
辛格、尼科尔森提出了细胞膜的流动镶嵌模型
细胞膜主要是由磷脂分子和蛋白质分子构成的
如何判断细胞膜的内外侧？
2. 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？
【答案】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。
【答案】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。
（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？
谢
谢
观
赏
双分子层为基本骨架
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
结构特点：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
3.进行细胞间的信息交流
脂质体
脂单分子层
微团
建模活动：
请根据磷脂分子的特点构建其在水中的分布的模型

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