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第1节 细胞膜的结构及功能
第三章 细胞的基本结构
组成细胞的分子必须有序地组织成细胞的结构，才能成为一个基本的生命系统。
细胞膜是细胞这一系统的边界
细胞膜作为系统的边界，它在细胞的生命活动中起什么作用呢
阅读课本P40-41,总结细胞膜的功能有哪些？
1.将细胞与外界环境分隔开
膜的出现是生命起源过程中至关重要的阶段。
无机小分子
有机小分子
火山爆发
光照、闪电
有机大分子
“团聚体”
出现细胞膜
细胞
一、细胞膜的功能
细胞膜保障了细胞内部环境的相对稳定。
推测的原始海洋景观图
课本P40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？
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，死细胞被染成蓝色。
具有控制物质进出细胞的功能
一、细胞膜的功能
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。
（1）为什么活细胞不能被染色，而死细胞能被染色？
2.控制物质进出细胞(控制作用是相对的)
营养物质
废物
分泌物
细菌、病毒、有害物
控制作用是相对的
一、细胞膜的功能
在球场上，当发现足球快速向你头部飞奔过来，你会迅速躲避或用胳膊阻挡。
（1）哪些细胞参与完成了上述活动？它们发挥的具体作用是什么？
（2）眼部组织细胞、神经元细胞和肌肉细胞之间如何实现相互沟通呢？
3.进行细胞间的信息交流。
细胞间信息交流的方式有哪几种？
（1）通过化学物质进行信息传递——间接交流（长距离）
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。
受体
信息分子
化学本质：糖蛋白
作用：激素等化学物质的信号接受
特点：专一性（一种受体只能识别一种或者一类物质）
受体：
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
精子和卵细胞之间的识别和结合
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。
（2）通过细胞膜的直接接触进行信息交流（近距离）
受体
一、细胞膜的功能
3.进行细胞间的信息交流
胞间连丝
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。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）相邻两细胞之间形成通道
高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，进行信息、物质交流
一、细胞膜的功能
3.进行细胞间的信息交流
胞间连丝
细胞壁
一、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
细胞膜的功能
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。
细胞膜的功能由他的成分和结构决定
？
通过化学物质间接传递信息
通过细胞间通道传递信息
通过细胞膜直接接触传递信息
多细胞生物是一个繁忙而有序的“社会”，如果没有信息交流，生物体不可能作为一个整体完成生命活动。细胞间的信息交流，大多与细胞膜的结构有关。
例1.(2020·山东师大附中高一期中)以下哪项不属于细胞膜的功能
A.将细胞与外界环境分隔开
B.控制物质进出细胞
C.进行细胞间的信息交流
D.促进物质的运输
√
例2.细胞之间通过信息交流，保证细胞间功能的协调。关于细胞间信息交流的说法错误的是
A.B细胞膜与乙细胞膜上受体的化学本质都是糖蛋白
B.图2可以表示精子与卵细胞
的识别
C.激素随血液运输到全身各处，
与靶细胞的细胞膜表面的受体结合，将信息传递给靶细胞
D.细胞膜上的受体是细胞间信息交流必不可少的结构
√
（探索一） 时间：19世纪末 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.
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细胞膜
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溶于脂质的物质
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●
不溶于脂质的物质
发现脂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。
提出假说：
细胞膜是由脂质组成的。
最初对细胞膜成分的认识，是通过对现象的推理分析,还是通过膜成分的提取和检测？
从生理功能上入手，通过对现象的推理分析的。
二、对生物膜成分的探索
原理：相似相溶
（探索二）实验：科学家将膜从哺乳动物的红细胞中分离然后进行化学分析。
化学分析表明：组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇，其中磷脂含量最多。
亲水头部
疏水尾部
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。
磷脂分子结构式
磷脂分子模型
磷脂分子示意图
二、对生物膜成分的探索
磷酸
甘油
脂肪酸
水分子
请画出一层磷脂分子在空气与水的界面上排列的情况。
二、对生物膜成分的探索
磷脂分子的极性一端被吸附在水分子上，而非极性一端直立在水面上
（探索三）
磷脂分子
二、对生物膜成分的探索
请分别画出一层和磷脂分子两层在水中的排列的情况。
磷脂分子会如何排列形成细胞膜呢？
水环境
水环境
水环境
水环境
水环境
水环境
水环境
根据磷脂分子的特点，分析推测细胞膜中磷脂分子的排布情况。
A
水环境
戈特和格伦德尔
1925年
1925年，两位荷兰科学家戈特和格伦德尔用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气-水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。
细胞膜中的脂质分子为连续排列的两层
磷脂双分子层
如果将磷脂分子置于水-苯的混合溶液中，磷脂分子将会如何分布？
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。
二、对生物膜成分的探索
（探索四）
如果把细胞换成口腔上皮细胞呢？大肠杆菌呢？
二、对生物膜成分的探索
细胞膜内外两侧的环境
请画出两层磷脂分子在水环境中排列的情况。
细胞核
细胞膜
组织液
细胞内液
血液
内侧
外侧
细胞膜
水环境
水环境
双层磷脂分子
已知细胞膜中有磷脂、胆固醇，且磷脂呈双层排列，还会不会存在其他物质？
水环境
水
1935年，英国学者丹尼利和戴维森研究了细胞膜的张力。他们发现细胞的表面张力明显低于油-水界面的表面张力。
蛋白质会降低表面张力
细胞膜的组成成分中含蛋白质
（探索五）
二、对生物膜成分的探索
二、对生物膜成分的探索
不同细胞的生物膜的化学组成表
细胞膜主要由脂质和蛋白质组成，此外还有少量的糖类
生物膜 人的CNS髓鞘 人的红细胞膜 大鼠的肝细胞核膜 内质网膜 线粒体 外膜 线粒体
内膜
蛋白质/% 20 49 59 67 52 76
脂类/% 79 43 35 33 48 24
糖类/% 少 8 2.9 少 少 少
（探索六）
二、对生物膜成分的探索
脂质
蛋白质
糖类
磷脂
胆固醇
动物细胞膜
这些物质如何组成细胞膜的呢？
主要
三、对细胞膜的结构探索
资料1
1959年，罗伯特森利用电镜获得了清晰的细胞膜照片，照片显示暗—明—暗的三层结构。
细胞膜结构的电镜照片
注：蛋白质的电子密度高，在电镜下会呈暗色
磷脂分子相对来说电子密度低，显亮色
提出假说：所有的细胞膜都由蛋白质—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。他把细胞膜描述为静态的统一结构。
思考：“蛋白质-脂质-蛋白质”三层结构模型
有无不妥之处？
罗伯特森提出的“蛋白质-脂质-蛋白质”三明治模型能解释膜的哪些功能？不能解释哪些功能？
能解释蛋白质可以帮助物质运输，不能解释细胞的细胞的生长、膜的变形能力等。
变形虫摄食
细胞分裂
细胞膜具有流动性
“静态结构”
三、对细胞膜的结构探索
三
资料2
构成细胞膜的磷脂具有流动性
磷脂分子的运动方式
侧向扩散
旋转运动
摆动运动
伸缩震荡
翻转运动
旋转异构
三、对细胞膜的结构探索
资料3
人鼠细胞融合实验过程图
构成细胞膜的蛋白质具有流动性
小鼠细胞
人细胞
细胞融合
40min
37℃
杂交细胞
红色荧光
染料标记
的膜蛋白
绿色荧光
染料标记
的膜蛋白
三、对细胞膜的结构探索
37℃下40min后出现了什么现象？说明什么？
资料4
根据罗伯特森拍摄到的细胞膜图像，测定细胞膜的厚度为7~8nm，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。
根据电镜照片和膜厚度的证据，
你认为蛋白质和脂质应该如何分布？
蛋白质
磷脂
蛋白质
“蛋白质可能镶嵌在磷脂双分层之间”
三、对细胞膜的结构探索
资料5
20世纪60年代，科学家用扫描电镜技术和冰冻蚀刻技术揭示了细胞膜结构中蛋白颗粒在磷脂双分子层中的位置
生物膜中的蛋白质镶在、嵌入、贯穿于磷脂双分子层
三、对细胞膜的结构探索
资料6
1972年，辛格和尼科尔森根据新的观察和实验证据，提出细胞膜的流动镶嵌模型，并为大多数人接受
三、对细胞膜的结构探索
流动镶嵌模型
成分
基本支架
蛋白质排布方式
多糖
结构特点
功能特点
脂质、蛋白质、少量糖类
磷脂双分子层
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
形成糖蛋白或糖脂，仅位于膜外侧
具有一定的流动性
选择透过性
细胞膜的不对称性
四、流动镶嵌模型的基本内容
双分子层为基本支架
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（糖蛋白或糖脂）
识别、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
桑格和尼克森提出流动镶嵌模型
功能特点：选择透过性
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（glycocalyx）。
糖被在细胞生命活动中具有重要的功能。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
既然膜内部分是疏水的，水分子为什么能跨膜运输呢？
对细胞膜的深入研究发现
【答案】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。
旁栏思考
练习与运用
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人。(×)
(3)向细胞内注射物质后,细胞膜上会留下一个空洞。(×)
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(
B)
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
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岀。你认为这种类比有什么合理之处，有没有不妥当的地方？
【提示】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。这样的类比也有不妥之处。例如，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，而窗纱是没有生命的，它只能是被动地在起作用。
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？

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