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3.1 细胞膜的结构和功能
新教材 人教版 必修一
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。
用台盼蓝染液染色后的
死细胞和活细胞(放大200倍)
讨论：
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。
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。
用台盼蓝染液染色后的
死细胞和活细胞(放大200倍)
讨论：
2.据此推测，细胞膜作为系统的边界，应该具有什么功能？
细胞膜作为细胞的边界，具有控制物质进出的功能。
注意：植物细胞的边界是细胞膜，不是细胞壁，因为细胞壁是全透性的。
1.将细胞与外界环境分隔开
推测的原始海洋景观图
细胞膜保障了细胞__________的相对稳定。
内部环境
使细胞成为___________的系统。
相对独立
膜的出现是生命起源过程中至关重要的阶段
一.细胞膜的功能
2.控制物质进出细胞
抗体、激素等分泌物和废物
水、无机盐、氨基酸、葡萄糖等。
（1）控制作用是相对的
营养物质
对细胞有害的物质、病毒病菌
可进
可出
不可出
细胞内有用的成分
不易进
一.细胞膜的功能
科研上鉴别死细胞和活细胞，常用“染色排除法”，例如，用台盼蓝染色，死的动物细胞会被染成蓝色，而活的动物细胞不着色。你能解释其中的原理吗？
①染色排除法
2.控制物质进出细胞
一.细胞膜的功能
（2）验证细胞膜具有控制物质进出的功能
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。
②用热水和温水浸泡苋菜，观察水的颜色变化
一.细胞膜的功能
（2）验证细胞膜具有控制物质进出的功能
2.控制物质进出细胞
3.进行细胞间的信息交流
一.细胞膜的功能
例如：精子和卵细胞之间的识别与结合
（1）通过相邻两个细胞的细胞膜接触（直接接触）
例如：毒性T细胞与靶细胞接触
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。
（2）通过细胞分泌化学物质完成间接交流
3.进行细胞间的信息交流
一.细胞膜的功能
高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接
（3）相邻两个细胞之间形成通道
（交换物质，交流信息）
3.进行细胞间的信息交流
一.细胞膜的功能
1.将细胞与外界环境分隔开
2.控制物质进出细胞
3.进行细胞间的信息交流
（1）间接交流
（2）直接接触
（3）形成通道
方式：
受体
一.细胞膜的功能
1.科学方法——提出假说
二.细胞膜的组成成分和结构
细胞膜结构模型的探索过程，反映了提出假说这一科学方法的作用。科学家首先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被否定，取决于它是否能与以后不断得到的观察和试验结果相吻合。
发现脂质更容易通过细胞膜。
2.对细胞膜成分的探索
提出假说：膜是由脂质组成的
实验：
（1）时间：1895年
人物：欧文顿（E.Overton）
用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次实验。
二.细胞膜的组成成分和结构
提出假说
发现脂质更容易通过细胞膜。
2.对细胞膜成分的探索
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。
实验：
（1）时间：1895年
人物：欧文顿（E.Overton）
用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次实验。
二.细胞膜的组成成分和结构
提出假说：膜是由脂质组成的
（2） 科学家利用动物的卵细胞、红细胞、神经细胞作为研究材料，利用哺乳动物成熟红细胞中分离出来。化学分析表明：
膜成分化学分析
膜的脂质有磷脂和胆固醇，磷脂最多
验证、完善
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
头部
尾部
脂肪酸链
磷酸基团
①磷脂分子
甘油
亲水
疏水
验证、完善
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
②根据磷脂分子的特点，推测并画出磷脂在水-空气界面上的排布方式。
朗缪尔实验（1917 年）
验证、完善
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
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
B
水环境
戈特和格伦德尔（1925年）
验证、完善
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
B.脂质体
A.微团
油
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
B
新的假说
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
B.脂质体
A.微团
油
提出假说：细胞膜中的磷脂呈双层排布
正常形态的红细胞
吸水后涨破的红细胞
哺乳动物成熟的红细胞在低渗溶液中吸水涨破，细胞内的物质流出来，就可以得到细胞膜。
实验验证
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
为什么用哺乳动物的红细胞能制备出纯净的细胞膜呢？
因为哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核和众多的细胞器。
正常形态的红细胞
吸水后涨破的红细胞
哺乳动物成熟的红细胞在低渗溶液中吸水涨破，细胞内的物质流出来，就可以得到细胞膜。
实验验证
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
如何从混合液中分离出纯度较高的细胞膜？
过滤和离心
实验验证
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
（3）科学家：（1925年）戈特和格伦德尔
戈特（E.Gortet)
格伦德尔(F.Grendel)
S1
S2
S2＝2S1
实验验证
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
（3）科学家：（1925年）戈特和格伦德尔
结论：细胞膜的脂质分子必然排列为连续的两层。
验证
“新的假说:细胞膜中的磷脂呈双层排布”是正确的
实验结果：在空气-水界面上铺成单层分子，测得单层脂质的面积恰为红细胞膜表面积的2倍。
新的发现
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
（4）科学家：（1935年）丹尼利和戴维森
实验内容：研究细胞膜的张力
丹尼利（J.F.Danielli)
戴维森(H.Davson)
推理：
细胞膜除脂双层外还有其它成分
实验证据：
油脂表面吸附有蛋白质时，表面张力会减小
结论：
细胞膜中磷脂排列成双层
新问题：
细胞膜的表面张力小于脂质-水界面的表面张力
假说：
细胞膜中含有蛋白质
新的发现
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
总结:
细胞通透性实验
膜由脂质组成
膜成分化学分析
推测：膜由脂质、蛋白质组成
红细胞膜脂质展层实验
膜张力实验
证明
欧文顿
戈特
格伦德尔
丹尼利
戴维森
膜中磷脂排列为连续的两层
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
成分 所占比例 在细胞膜构成中的作用
脂质 约50% 构成细胞膜的重要成分；
此外还有少量的胆固醇（动物）。
蛋白质 约40% 在细胞膜行使功能时起重要作用；
功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类和数量越多。
糖类 2~10% 糖类与蛋白质或脂质分子结合形成糖蛋白或糖脂，分布在细胞膜的外表面。
主要
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
根据磷脂分子的特点解释，为什么磷脂在空气一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？
【答案】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。
思考与讨论2：
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
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？
【答案】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。
思考与讨论3：
2.对细胞膜成分的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
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？
【答案】如果将磷脂分子置于水-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。
思考与讨论4：
脂质和蛋白质等成分如何组成细胞膜？
脂 质：约占50%
蛋白质： 约占40%
糖 类：占2~10%
3.对生物膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
电子显微镜
（1）1959年，科学家罗伯特森在电镜下观察细胞膜有“暗-亮-暗”结构。
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
J.D.罗伯特森
①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？
暗带
蛋白质对电子阻挡作用大电子透过样品少
亮带
脂双层对电子阻挡作用小电子透过样品多
暗带
蛋白质对电子阻挡作用大电子透过样品少
二.细胞膜的组成成分和结构
①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？
电镜观察的亮带是3.5nm,刚好符合磷脂双分子层亲水头部之间的距离。
二.细胞膜的组成成分和结构
3.5nm
生物膜的“蛋白质--脂质--蛋白质”静态结构模型能解释溶于脂质的物质能够优先通过膜；
细胞膜是细胞的边界，可以控制物质进出细胞；
细胞膜中的磷脂分子呈双层排列。
②该模型可以解释细胞的哪些功能？不能解释哪些功能？
二.细胞膜的组成成分和结构
三明治模型无法解释：
细胞的生长与分裂；
膜蛋白与脂质的含量差；
异电镜下细胞膜的厚度。
③质疑：以下数据是否支持“三明治”模型的概述？
细胞类型 蛋白质% 磷脂%
哺乳动物红细胞 49 33
玉米叶肉细胞 47 26
大肠杆菌 75 25
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
阅读以下资料，指出三明治模型的不足之处，并对细胞膜的结构进行合理推测。
资料1：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。
资料2：人工合成的脂双层也呈现为“暗-亮-暗”结构。
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
资料3：科学家研究发现，有些膜蛋白的特定区域主要由疏水氨基酸组成，这些区域很可能与脂双层的疏水区域结合，造成这些部分会深深插入膜的内部。
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
阅读以下资料，指出三明治模型的不足之处，并对细胞膜的结构进行合理推测。
冰冻蚀刻技术研究细胞膜结构
资料4：通过冰冻蚀刻实验结果，你可以得出什么结论？
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
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。
对三明治模型的修正
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
变形虫摄食纤毛虫
受精卵卵裂
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
（2）1970年，荧光染料标记膜蛋白技术
人鼠细胞融合实验
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
观察、认识细胞膜中的磷脂的运动
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
（2）1970年，荧光染料标记膜蛋白技术
（3）1972年，辛格和尼科尔森提出流动镶嵌模型
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
辛格（S.J.Singer）
尼科尔森(G.Nicolson)
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
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
（3）1972年，辛格和尼科尔森提出流动镶嵌模型
流动镶嵌模型还在不断发展中……
补充资料：
科学家用去污剂处理细胞膜提取蛋白质时，发现总有些区域的蛋白质不能被提取出来，说明这些区域中的蛋白质与脂质成分的联系十分紧密。
3.对细胞膜结构的探索
二.细胞膜的组成成分和结构
三.流动镶嵌模型的基本内容
磷脂分子构成基本支架，内部是磷脂分子疏水端，水溶性分子和离子不能通过
细胞膜具有流动性：磷脂分子可以侧向自由移动，蛋白质大多也能运动
白质分子镶嵌在磷脂双分子层中：有的镶在表面，有的部分或全部嵌入，有的贯穿双分子层
1.
2.
3.
4.糖蛋白和糖脂——糖被
糖被与细胞表面的识别、细胞间的信息传递等功能密切相关。
三.流动镶嵌模型的基本内容
组成细胞膜的脂质中，磷脂最丰富。蛋白质在细胞膜行使功能方面起重要作用，因此，功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类和数量就越多。
细胞膜上蛋白质的功能:
三.流动镶嵌模型的基本内容
1.细胞膜的流动镶嵌模型如图所示。下列叙述正确的是
A.磷脂和糖脂分子形成的磷脂双分子层是完全对称的
B.胆固醇镶嵌或贯穿在膜中利于增强膜的流动性
C.物质进出细胞方式中的被动运输过程与膜蛋白无关
D.有些膜蛋白能识别并接受来自细胞内外的化学信号
D
随堂练习
1.细胞膜的流动镶嵌模型如图所示。下列叙述正确的是
A.磷脂和糖脂分子形成的磷脂双分子层是完全对称的
B.胆固醇镶嵌或贯穿在膜中利于增强膜的流动性
C.物质进出细胞方式中的被动运输过程与膜蛋白无关
D.有些膜蛋白能识别并接受来自细胞内外的化学信号
D
随堂练习

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