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3.1 细胞膜的结构和功能
人教版高中生物必修一第三章第一节
（第二课时）
知识回顾
回忆：细胞膜的功能和成分是什么？
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。
成分：
细胞膜
非脂溶性物质
脂溶性物质
不容易
容易
脂质，主要是磷脂。
欧文顿
组成细胞膜的成分：戈特、格伦德尔实验
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，测得单层分子的面积恰为红细胞表面积的2倍。他们由此推断：细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层。
组成细胞膜的成分：戈特、格伦德尔实验
1.为什么要选择哺乳动物成熟红细胞作为实验材料呢？
动物细胞没有细胞壁；哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和具有膜结构的细胞器，易于实验离心分离得到不掺杂细胞内膜系统的纯净的细胞膜。
哺乳动物成熟红细胞
组成细胞膜的成分：戈特、格伦德尔实验
2.为什么磷脂在空气-水界面上铺展成单分子层？
组成细胞膜的磷脂一端为亲水的头，两个脂肪酸的一端为疏水的尾。
亲水的头部沉浸在水中，疏水的尾部则在空气中，所以磷脂分子在空气-水界面上铺展成单分子层。
组成细胞膜的成分：戈特、格伦德尔实验
3.根据细胞膜的两侧均为水环境，请推测细胞膜上的磷脂分子应如何分布？并尝试画图。
组成细胞膜的成分：丹尼利、戴维森实验
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。
推测：细胞膜表面除脂质分子外，可能还附有蛋白质。
细胞的表面张力
油水界面的表面张力
油
＜
当时人们已发现了油脂滴表面如果吸附有蛋白质成分则表面张力会降低。你能做出什么推测？
组成细胞膜的成分
如果你作为科学家，你会如何验证细胞膜中含有蛋白质？
结论：细胞膜表面除脂质分子外，还附有蛋白质。
蛋白酶
双缩脲试剂
紫色
细胞膜被破坏
提取的细胞膜
组成细胞膜的成分
科学家陆续测定了不同细胞的生物膜的化学成分（下表）
结论：细胞膜除了含有脂质和蛋白质外，还含有少量的糖类。
生物膜 蛋白质/% 脂类/% 糖类/%
人的红细胞膜 49 43 8
神经髓鞘 22 77 1
变形虫细胞膜 54 42 4
小鼠肝细胞膜 44 52 4
组成细胞膜的成分——小结
脂质
主要是磷脂和胆固醇，其中磷脂的含量最为丰富（50%）
>
蛋白质
功能主要由蛋白质来承担。功能越复杂，蛋白质的种类和数量越多（40%）
>
糖类
糖蛋白（糖＋蛋白质）的作用：保护、润滑和识别
糖脂（糖＋脂质）（2-10%）
>
组成细胞膜的成分
细胞膜结构的探索
如果我们将所有电脑部件杂乱的堆放在一起就可以像一台电脑那样正常工作吗？
细胞膜结构的探索：罗伯特森电镜观察实验
1959年，科学家罗伯特森在电子显微镜下观察到，细胞膜具有暗-亮-暗的结构。
细胞膜结构的探索：罗伯特森电镜观察实验
电子显微镜技术的发展使显微镜下的图像分辨率提高了近千倍。
电子显微镜的成像原理：穿过标本是电子。观察的样本越厚，穿透样本的电子越少，观察到的颜色就越暗。
细胞膜结构的探索：罗伯特森电镜观察实验
由于细胞膜外侧颜色较暗，即穿过细胞膜外侧的电子较少，所以细胞膜的外侧结构较厚，而内侧则较薄。
1.根据电子显微镜的成像原理，你们可以得出什么？
细胞膜结构的探索：罗伯特森电镜观察实验
中间的亮线是两层磷脂分子，两边的暗线是蛋白质分子，蛋白质均匀连续地铺满了磷脂双分子层的表面。
2. 由此你们可以推出什么？
科学家们通过观察和对比发现，暗线的电子密度和穿过蛋白质分子的电子密度大致相同，亮线的电子密度和穿过磷脂分子的电子密度大致相同。
细胞膜结构的探索：罗伯特森电镜观察实验
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。
由此，罗伯特森概括了细胞膜的结构特点，大胆的提出了蛋白质-脂质-蛋白质模型的假说：
细胞膜结构的探索：蛋白质-脂质-蛋白质模型
电镜照片中，细胞膜的实际厚度为7～8nm，大约相当于单层磷脂分子厚度的二倍，按照罗伯特森提出的模型进行推测，除脂质分子外，其两侧还应覆盖着蛋白质，故生物膜至少厚约15~20nm。
罗伯特森的模型还不能解释电子显微镜下细胞膜的厚度。
细胞膜结构的探索：细胞膜冰冻蚀刻技术
冰冻蚀刻技术(冷冻蚀刻)亦称冰冻断裂(冷冻-断裂)。是研究生物膜结构的重要方法之一。通过冰冻、断裂等手段，可以将细胞膜的双层脂质层劈分开来观察。
冰冻蚀刻技术得到的细胞膜结构图
结论：细胞膜中蛋白质分子的分布不均匀。
细胞膜结构的探索：罗伯特森电镜观察实验
罗伯特森认为所有的细胞膜都由蛋白质-脂质-蛋白质三层结构构成。并把细胞膜描述成为静态的统一结构。
静态
细胞膜结构的探索：罗伯特森电镜观察实验
变形虫捕食草履虫视频
细胞膜结构的探索：细胞膜的荧光标记实验
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。
细胞膜结构的探索：细胞膜的荧光标记实验
实验过程和结果如下：
请同学们描述实验过程，你能得出什么结论？
结论：细胞膜具有流动性
科学方法
提出假说：科学家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或被否定，取决于它是否能与以后不断得到的观察和实验结果相吻合。
罗伯特森
蛋白质-脂质-蛋白质三层结构
静态模型
荧光标记实验
细胞膜具有流动性
错误的
如何修正？
流动镶嵌模型
提出假说：
检验假说：
细胞膜结构的探索：辛格、尼克尔森流动镶嵌模型
在新的观察和实验证据的基础上，又有学者提出了一些关于细胞膜的分子结构模型。其中，1972年，辛格（ S . J . Singer ）和尼科尔森（ G . Nicolson ）提出的流动镶嵌模型为大多数人所接受。
细胞膜结构的探索：辛格、尼克尔森流动镶嵌模型
1.组成：
2.基本支架：
主要由磷脂分子和蛋白质分子构成。
5.结构特性：
活动探究 阅读教材P44-45，回答下列问题。
细胞膜
磷脂双分子层
3.蛋白质分子排列方式：
以不同方式镶嵌在磷脂双分子层中。
流动性
磷脂分子：侧向移动
蛋白质分子：大多也可以运动
4.糖类分子分布
与蛋白质分子结合：糖蛋白
与磷脂分子结合：糖脂
糖被
①表面
②部分或全部嵌入
③贯穿
流动镶嵌模型
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
实战训练

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