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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
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。
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，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。
国家的边界：边防线等
人体的边界：皮肤和黏膜
一个系统总有它的边界
细胞的边界：细胞膜
（质膜）
思考：细胞的边界为什么是细胞膜还是细胞壁？
细胞壁的作用是维持细胞形状,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。
01
细胞膜的功能
推测的原始海洋景观图
将细胞与外界环境分隔开
1
一、细胞膜的功能
将生命物质与外界环境分隔开，使细胞成为一个相对独立的系统，细胞膜保障了细胞内部环境的相对稳定。
营养物质（氨基酸、无机盐、葡萄糖等）
不需要、有害的物质（如细菌、病毒等）
抗体、激素等
细胞合成并分泌
废物
（CO2、尿素等）
细胞代谢产生
细胞膜的控制作用是相对的
控制物质进出细胞
2
细胞膜的功能特性：选择透过性
核酸
进行细胞间的信息交流
3
方式一：通过细胞分泌化学物质间接传递信息。
受体
物质传递
信号分子
方式二：细胞膜直接接触交流
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。
接触传递
胞间连丝
方式三：相邻两细胞通过通道进行交流
高等植物细胞间具有胞间连丝
通道传递
02
对细胞膜成分的探索
二、对细胞膜成分的探索
资料一 1895年欧文顿的实验
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细胞膜
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不溶于脂质的物质
溶于脂质的物质
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根据实验，做出怎样的推出？
膜是由脂质组成的。
与化学的联系
相似相溶原理：“相似”是指溶质与溶剂在结构上相似，“相溶”是指溶质与溶剂彼此互溶。
时间：20世纪初
实验：科学家对哺乳动物成熟红细胞膜进行了化学成分分析
资料二
化学分析表明：
脂质有磷脂和胆固醇，磷脂含量最多
二、对细胞膜成分的探索
因为哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和众多的细胞器。所以没有核膜和细胞器膜，没有细胞壁，吸水胀破后获得的膜是纯净的细胞膜。
磷脂的结构
尾部(疏水)
头部(亲水)
磷酸及其衍生物
甘油
脂肪酸
活动一：请根据磷脂分子的特点构建其在空气与水界面上分布的模型
磷脂分子排列为单分子层
二、对细胞膜成分的探索
资料三：1917年，科学家朗缪尔把溶有膜脂的挥发性溶剂倾倒在水面上，溶剂挥发掉以后，脂类分子在水面上铺成一层，并且测得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。
活动二：如果搅动水槽中的水，迫使磷脂分子进入水溶液中，磷脂分子在水溶液中又将如何分布？
磷脂分子的疏水尾由于受到斥力而自发的聚集起来，形成一个脂分子团，亲水头部向外，疏水尾部朝内。
二、对细胞膜成分的探索
磷脂分子形成两层分子。
亲水头部分别在两侧朝向外部的水溶液。
疏水尾部相对排列在内部。
二、对细胞膜成分的探索
活动三：思考正常情况下细胞膜一般处于什么环境？尝试构建细胞膜中磷脂分子的排布模型
资料四 戈特和格伦德尔实验
时间：1925年
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约为红细胞表面积的2倍
S1
S2
推论：
细胞膜中磷脂排列成双层
二、对细胞膜成分的探索
如果用其他细胞膜（鸡的红细胞）做实验，数量关系还是2倍吗？
资料五：丹尼利和戴维森实验
时间：1935年
实验：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，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。
二、对细胞膜成分的探索
脂质（约50%）
蛋白质（约40%）
糖类（约2%~10%）
磷脂最丰富，动物细胞膜含有少量胆固醇
膜功能越复杂，蛋白质种类和数量越多
二、对细胞膜成分的探索
03
对细胞膜结构的探索
三、对细胞结构的探索
资料六：1959年罗伯特森在电镜下观察到了细胞膜的清晰的暗—亮—暗的三层结构。
“三明治模型”
膜上的蛋白质对称地平铺在磷脂的两侧
细胞膜是一种静态的统一结构
三、对细胞膜结构的探索
资料七：1959年，罗伯特森利用电子显微镜拍摄到了细胞膜的图像为暗—亮—暗的三层结构，测定细胞膜的厚度为7—8nm，恰好是单层磷脂膜厚度的两倍，若“三明治”模型成立，两层磷脂加上两侧的蛋白质，膜的总厚度应当超过20nm。
思考：根据以上资料，尝试对细胞膜结构中磷脂和蛋白质的分布情况提出你的推测。
答：该实验结果否定了“三明治”模型中的三层结构，支持细胞膜是由两层磷脂构成的。推测蛋白质分子不是位于磷脂双分子层两侧，而是镶嵌在其中的。
三、对细胞膜结构的探索
资料八：物理学家采用冰冻蚀刻法在低温下将细胞膜断开，升温后暴露两层磷脂之间的断裂面，发现蛋白质镶嵌、贯穿于磷脂双分子层中。
冰冻蚀刻技术研究细胞膜结构
冰冻蚀刻技术研究细胞膜结构
冰冻蚀刻技术研究细胞膜结构
冰冻蚀刻技术研究细胞膜结构
冰冻蚀刻技术研究细胞膜结构
糖蛋白
蛋白质
磷脂双分子层
胆固醇
糖脂
①生物膜的基本骨架：磷脂双分子层
②蛋白质分子存在形态：有镶在表面、嵌入、贯穿三种
③在细胞膜外表面，糖类分子与蛋白质结合形成_________，或与脂质结合形成_________，这些糖类分子叫做_______。
糖蛋白
糖脂
糖被
内容
识别、信息交流
三、对细胞膜结构的探索
资料八：1970年，荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合实验
思考：该实验的结论是什么？
细胞膜具有一定的流动性
磷脂分子可以侧向自由移动，蛋白质大多也能运动。
四、流动镶嵌模型
1972年辛格（S. J. Singer）和尼科尔森（G. Nicolson）总结提出了新的生物膜模型———流动镶嵌模型，为多数人所接受。
五、细胞膜的成分结构与功能相适应
①将细胞和外界环境分开
②控制物质进出细胞
磷脂双分子层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——屏障作用
③进行细胞间的信息交流
膜转运蛋白（细胞膜上起运输作用的蛋白质）和磷脂双分子层（允许弱极性或无极性分子以及极性小分子穿过，阻止离子和强极性分子通过）
糖被——识别、信息交流
结构
功能
思考：
纵观科学家对细胞膜成分的探索过程，你对科学探索有什么感悟？
提出假说
科学方法
1.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
2.进一步的观察与实验对已建立的假说进行修正和补充
3.一种假说最终被接受或否定，取决于它能否与以后不断得到的观察和实验结果相吻合
思考：如果将磷脂分子置于水—苯的混合溶剂中，磷脂分子将如何分布？
思考：膜内部分是疏水的，水分子为什么能跨膜运输呢？
磷脂的“头部”将与水接触，“尾部”与笨接触，磷脂分子铺层单层。
一是因为水分子极小，可能通过由于磷脂分子运动而产生的间隙；二是由于膜上存在水通道蛋白，水分子可以通过通道蛋白通过膜。
拓展延伸
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，脂溶性药物被包在两层磷脂分子之间。
思考：
1.为什么两类药物包裹的位置各不相同？
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？
课后作业
挖掘身边的素材资源，尝试利用废旧物品制作生物膜模型。

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