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(共29张PPT)
第1节 细胞膜的结构和功能（第二课时）
新人教版 高一 必修1 分子与细胞
第3章 细胞的基本结构
本节需要建构的概念是：“细胞都由质膜包裹，质膜将细胞与其生活环境分开，能控制物质进出，并参与细胞间的信息交流”。
学习目标
活动：分析比较数据，概括细胞膜成分的异同。
细胞类型 蛋白质% 磷脂% 固醇% 糖类等其他成分%
哺乳动物红细胞 49 33 10 8
玉米叶肉细胞 47 26 7 20
大肠杆菌 75 25 0 0
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
脂质和蛋白质如何组成细胞膜的呢？
对细胞膜成分的研究发现，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。其中脂质约占细胞膜总质量的50%，蛋白质约占40%，糖类占2%~10%。在组成细胞膜的脂质中，磷脂最丰富，此外还有少量的胆固醇。
蛋白质在细胞膜行使功能方面起着重要的作用，因此功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类与数量就越多。
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
20世纪40年代，曾经由学者推测脂质两边各覆盖着蛋白质。
细胞膜是由双层脂质分子及内外表面附着的蛋白质所构成的。脂质分子平行排列丙垂直与膜平面。双层脂质分子的非极性端相对，极性端向着膜的内外表面，在内外表面各有一层蛋白质。
该模型缺少必要的细节，是对膜结构的一个较粗浅的认识。
①双分子片层模型
资料一：1959年罗伯特森在电镜下看到了细胞膜清晰的暗—亮—暗的三层结构。
提出假说：
生物膜由“蛋白质—脂质—蛋白质”三层结构构成的静态统一结构
蛋白质的电子密度高，在电镜下显暗色；磷脂分子的电子密度低，显亮色。
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
②单位膜模型
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。
②单位膜模型
1959年，罗伯特森在电镜下看到了细胞膜清晰的暗—亮—暗的三层结构，他结合其他科学家的工作，大胆地提出了细胞膜模型的假说：
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
电子显微镜下，细胞膜的厚度约为7~8nm，是单层磷脂厚度的两倍，加上两侧的蛋白质，膜的总厚度应当超过 20 nm。
问题1：该模型可以解释细胞的哪些功能？不能解释哪些功能？
细胞膜结构的电镜照片(放大4000000倍)
为什么看到细胞膜暗—亮—暗三层结构就能说明细胞膜是由蛋白质—脂质双分子层—蛋白质三层组成的呢？
证据1：
电镜观察的亮带是3.5 nm，刚好符合磷脂双分子层亲水头部之间的距离。
3.5 nm
证据2：
蛋白质对电子阻挡作用大
电子透过样品少
暗带
脂双层对电子阻挡作用小
电子透过样品多
亮带
蛋白质对电子阻挡作用大
电子透过样品少
暗带
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
膜蛋白与脂质的含量差异
电镜下细胞膜的厚度
三明治模型无法解释：
细胞的生长与分裂
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、运动等现象都难以解释。
质疑细胞膜是静态的观点，细胞膜应该能够流动。
把生物膜描述为静态的刚性结构，这显然与膜功能的多样性相矛盾。
资料二：新技术手段不断运用于生物膜研究（例如：冰冻蚀刻电子显微法，将研究标本用干冰等冰冻。后用冷刀断开，升温后暴露断裂面）。科学家发现膜蛋白并不是全平铺在脂质表面。
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
资料二：新技术手段不断运用于生物膜研究（例如：冰冻蚀刻电子显微法，将研究标本用干冰等冰冻。后用冷刀断开，升温后暴露断裂面）。科学家发现膜蛋白并不是全平铺在脂质表面。
蛋白质在膜中的分布是不对称的
蛋白质镶在、嵌入、贯穿在磷脂双分子层中。
(大部分蛋白质是可以运动的）
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
磷脂双分子层构成了细胞膜的基本支架;
蛋白质分子镶嵌、部分或全部嵌入、贯穿于脂双层。
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
资料三：1970年，科学家用发绿色荧光的染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子，用发红色荧光的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。这两种细胞刚融合时，融合细胞的一半发绿色荧光，另一半发红色荧光。在37℃下经过40min，两种颜色的荧光均匀分布。
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
小鼠细胞
人细胞
细胞融合
37℃,40min
正常融合的细胞
融合细胞
红色荧光染料标记的膜蛋白
绿色荧光染料标记的膜蛋白
结论：细胞膜具有一定的流动性
资料四：1972年桑格和尼克森在继承中创新提出流动镶嵌模型，为大多数人所接受。
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
资料四：1972年桑格和尼克森在继承中创新提出流动镶嵌模型，为大多数人所接受。
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
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
时间和人物 历史事件 历史结论
多种物质对膜通透性实验
对红细胞膜化学分析
红细胞膜的脂质铺展成单层分子的面积是原膜表面积的两倍
电镜下膜呈“暗—亮—暗”三层结构
蛋白质—脂质—蛋白质
人、鼠细胞融合实验
新的观察和实验证据的基础上，提出分子结构模型
膜是由脂质组成的
膜中含脂质和蛋白质
脂质双层结构
膜具一定的流动性
流动镶嵌模型
1972年
桑格和尼克森
1970年
费雷和埃迪登
1959年
罗伯特森
1925年
荷兰科学家
20世纪初
19世纪末
欧文顿
总结：生物膜结构的探究历程
对生物膜结构的探索历程
The exploration of biofilm structure
流动镶嵌模型的基本内容
流动镶嵌模型的基本内容
The basic contents of flow mosaic model
①磷脂双分子层是膜的基本支架。
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。
②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表面。
磷脂分子
磷脂双分子层
蛋白质
1、基本内容
流动镶嵌模型的基本内容
流动镶嵌模型的基本内容
The basic contents of flow mosaic model
③细胞膜的外表面，糖类分子与蛋白质结合形成糖蛋白，或与脂质结合形成糖脂，这些糖类分子叫做糖被。
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又密切关系。
磷脂分子
磷脂双分子层
糖蛋白
1、基本内容
第一，糖被中的糖通常是寡糖。第二，此处强调细胞膜上糖类的不对称分布即可，部分教辅强调细胞器中没有糖蛋白，其实，糖蛋白并不仅仅存在于细胞膜上，也存在细胞器膜上，不过此时糖蛋白的朝向是细胞器内部。
流动镶嵌模型的基本内容
流动镶嵌模型的基本内容
The basic contents of flow mosaic model
2、结构特点
具有一定的流动性
磷脂分子可以侧向自由移动，蛋白质大多也能运动。
细胞膜的流行性对于细胞完成物质运输、生长、分裂、运动等功能非常重要。
物质跨膜转运体现了膜的选择透过性，但也需要依赖膜的流动性才能完成。通常认为简单扩散（自由扩散）时，被运输的物质要先溶解在磷脂双分子层中，然后实现跨膜转运，其中磷脂分子的运动是必不可少的。载体介导的协助扩散或主动运输要求载体构象的改变才能实现跨膜转运。
既然膜内部是疏水的，水分子为什么能跨膜运输？
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。
流动镶嵌模型的基本内容
The basic contents of flow mosaic model
课堂总结
Class summary
磷脂双分子层是细胞膜的基本支架，蛋白质分子镶嵌、部分或完全嵌入、贯穿于脂双层。其中磷脂分子和大多数蛋白质分子都可以运动，因而细胞膜具有流动性。
人类对细胞膜结构的探索历程说明，科学探索永无止境，科学理论是在不断修正的过程中建立和完善的，这需要科学精神、科学思维和技术手段的结合。对其他科学理论、假说和模型等，也是如此。
小结
1.下列关于细胞膜功能的叙述，不正确的是( )
A.功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类和数量越多
B.细胞间的信息交流使生物体作为一个整体完成生命活动
C.相邻两个细胞的信息交流全靠细胞膜的直接接触
D.细胞膜能控制物质进出细胞，这种功能是相对的
C
随堂练习
In-class practice
2.对生物膜结构的探索经历了漫长的历程，下列结论(假说)错误的是( )
A.脂溶性物质更易通过细胞膜说明细胞膜是由脂质组成的
B.提取哺乳动物成熟红细胞的脂质铺展成的单分子层的面积是红细胞表面积的2倍，说明细胞膜中的脂质分子排列为连续的两层
C.电镜下细胞膜呈清晰的暗—亮—暗三层结构，罗伯特森认为生物膜由脂质—蛋白质—脂质三层结构构成
D.人—鼠细胞融合实验证明细胞膜具有流动性
C
随堂练习
In-class practice
3.如图是生物膜的结构模型示意图。下列相关叙述不正确的是( )
A.①与细胞的识别、保护、润滑有关
B.②的种类和数目与生物膜的选择透过性有关
C.②和③共同构成生物膜的基本支架
D.②和③可以运动使生物膜具有流动性
C
随堂练习
In-class practice
一、概念检测
1. 基于对细胞膜结构和功能的理解，判断下列相关叙述是否正确。
构成细胞膜的磷脂分子具有流动性，而蛋白质固定不动的 （ ）
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。（ ）
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 （ ）
细胞膜的脂质结构使溶于脂质的物质，容易通过细胞膜
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
细胞膜的蛋白质分子有物质运输功能
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，把它与纱窗进行类比；纱窗能把昆虫挡在外面，同时纱窗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？
把细胞膜与纱窗进行类比，合理之处是说明细胞膜与纱窗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，纱窗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；细胞膜时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，而纱窗是没有生命的，它只能是被动地在起作用。
二、拓展应用
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。
磷脂分子
脂溶性的药物
水溶性的药物
(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。

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