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第1节　细胞膜的结构和功能
高中生物学 必修1 分子与细胞 · 学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1.通过对细胞膜功能和结构特点的分析，建立生命的结构与功能观。
2.重温细胞膜成分和结构的探索历程，领悟相关科学方法，并能设计实验验证细胞膜的功能。
3.通过分析比较不同细胞膜结构模型的建立过程，阐明流动镶嵌模型。
4.通过对“脂质体药物”作用原理的分析，关注人体健康。
二、情境导入
【材料】
长期以来，人造细胞对于生物学家具有强大的吸引力，人造细胞膜无疑是其中非常重要的一环。细胞膜看似结构简单，却具有重要的功能，是细胞最基本的生命组分之一。
【思考】
1.细胞膜将细胞与外界环境分隔开，使细胞成为相对独立的系统，这一功能有何意义？
2.在细胞膜的功能中，“控制物质进出细胞”与“进行细胞间的信息交流”是怎样实现的？
三、自主预学
（一）细胞膜的功能
1.将细胞与外界环境分隔开：使细胞成为相对独立的系统，保障细胞内部环境的相对稳定。
2.控制物质进出细胞：细胞需要的营养物质可以从外界进入细胞，细胞产生的代谢废物和抗体等也可以排出细胞，但细胞内的核酸等重要成分却不会流失到细胞外。
图1　细胞膜控制物质进出的示意图
3.进行细胞间的信息交流：多细胞生物的细胞之间保持功能协调，不仅依赖于物质和能量的交换，也依赖于细胞间的信息交流。
图2　细胞间的三种信息交流方式
（二）细胞膜的成分
1.细胞膜成分的探索历程。
图3　细胞膜成分的探索历程
2.细胞膜的成分：(1)组成：细胞膜主要由磷脂和蛋白质组成，此外还有少量糖类；脂质中磷脂含量最丰富。
图4　细胞膜的成分组成
(2)细胞膜成分与功能的关系：功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类与数量就越多。
（三）细胞膜的结构
1.细胞膜结构的探索：科学家对细胞膜结构的探索经历了长期的过程。
图5　电镜下的细胞膜与冷冻蚀刻电镜下的断裂面
2.流动镶嵌模型：(1)基本内容：主要由磷脂双分子层构成基本支架；蛋白质分子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，有的贯穿于整个磷脂双分子层；糖被位于细胞膜外表面。
图6　细胞膜的流动镶嵌模型示意图
(2)结构特点：细胞膜具有流动性，构成膜的磷脂分子可以侧向自由移动，膜中的蛋白质分子大多也能运动。
图7　细胞膜的结构特点
3.细胞膜结构、成分与功能的关系：结构决定功能，功能特点与成分和结构密切相关。
图8　细胞膜结构、成分与功能的关系
四、课堂探究
探究一　细胞膜的功能
【材料情境】细胞膜是细胞的边界，它在细胞的生命活动中起着什么样的作用？结合以下生物学事实和现象，小组合作探究，解决以下问题。
资料1：未受精的鸡蛋黄可以看作一个细胞。用手碰触蛋黄，会有明显的阻力感和弹性；当用筷子戳破其表面后，蛋黄中的内容物流出。
资料2：生长在水底淤泥中的莲藕“出淤泥而不染”，它能从水和淤泥中吸收所需的营养物质，并排出代谢废物，而莲藕不需要的物质却不会轻易进入莲藕细胞。
资料3：春天蜜蜂在不同植物的花蕊中采蜜，同时也协助植物完成了传粉，但是只有同种植物的花粉可以萌发，释放精子与卵细胞结合完成受精。
资料4：细胞间的三种信息交流方式如图2所示。
1.资料1中阻隔蛋黄内外侧的结构是什么？该实例说明了其具有的功能是什么？
2.资料2中莲藕“出淤泥而不染”体现了细胞膜具有什么功能？
3.资料3中描述的现象说明细胞膜具有什么功能？
4.资料4的图示中①～④表示的物质或结构分别是什么？
5.植物细胞间的胞间连丝、人体内胰岛素的作用过程、精子和卵细胞之间的识别和结合分别属于资料4中的哪种方式？
6.细胞间进行信息交流时往往需要受体，受体的化学本质是什么？受体和信号分子的结合有没有特异性？
探究二　细胞膜的结构及流动镶嵌模型
【教材情境】阅读教材P42～43中有关细胞膜结构和成分的探索，结合以下资料，小组合作交流，解决以下问题。
资料1：磷脂(分子结构如图9所示)为两性分子，一端为亲水的含氮或磷的“头”，另一端为疏水的长烃基链。
图9　磷脂分子的结构及示意图
资料2：电镜照片显示细胞膜具有3层结构，两侧着色较深称为暗带，厚约2 nm；中间层着色较浅称为亮带，厚约3.5 nm（图①）。利用冷冻蚀刻电镜技术观察细胞膜的断裂面，可以看到蛋白质像鹅卵石一样镶嵌在细胞膜中（图②）。
资料3：科学家用荧光分子标记细胞的膜蛋白，然后用高能激光束照射细胞膜的某一区域，使该区域内的荧光分子发生不可逆的破坏，这一区域称为光漂白区。继续观察，可以发现光漂白区逐渐重新出现荧光（图③）。
图10　荧光漂白恢复实验示意图
1.请根据磷脂分子的特点推测其在空气与水界面上分布的模型。
图11　磷脂分子在空气—水界面的不同分布
2.在细胞膜的两侧都有水的环境中，磷脂分子在细胞膜中可能是怎样排布的呢？
3.细胞膜的成分除了脂质外还含有蛋白质，通过哪些实例或实验可以得出此结论？
4.罗伯特森依据电镜照片，提出了蛋白质和脂质在细胞膜中如何分布？将细胞膜描述为什么样的结构？
5.在冷冻蚀刻电镜下观察到的图示中蛋白质又是怎样排布的？
6.资料3中光漂白区重新出现荧光的原因是什么？细胞膜是静态的还是具有流动性的？
自查自纠（人造细胞膜）
请对以下说法作出判断。
(1)人造细胞膜只要能将细胞与外界环境分隔开即可。(　　)
(2)设计人造细胞膜时考虑其对物质进出细胞的控制是其关键环节之一。(　　)
(3)人造细胞膜内外侧还需加入具有识别功能的物质。(　　)
(4)人造细胞膜中必须要加入的物质有脂肪、胆固醇和蛋白质。(　　)
(5)为保证人造细胞膜的稳定性，应保持其静态统一。(　　)
(6)人造细胞膜两侧物质必须对称分布以适应其功能。(　　)
例题精析
例1　及时、准确的信息交流是生物体完成各种生命活动的重要保证。下列有关细胞间进行信息交流方式的叙述，正确的是(　　)
A.精子和卵细胞之间通过直接接触实现识别和结合，不需要信号分子
B.植物细胞之间都可以通过胞间连丝进行信息交流和物质运输
C.发出信号的细胞表面没有接收信号的受体，接收信号的靶细胞表面才有受体
D.胰岛素随血液到达全身各处，与靶细胞细胞膜上的受体结合将信息传递给靶细胞
五、分层训练
【基础巩固练】
考点一　细胞膜的功能
1.内皮素在皮肤中分布不均是造成色斑的主要原因。内皮素拮抗剂进入皮肤，可以和黑色素细胞细胞膜上的受体结合，使内皮素失去作用。分析上述材料体现了细胞膜的哪项功能(　　)
A.保护功能
B.将细胞与外界环境分隔开
C.控制物质进出细胞
D.进行信息交流
2.下图表示细胞间信息交流的三种方式，下列相关叙述错误的是(　　)
图12　细胞间信息交流的三种方式
A.图C中植物细胞依靠胞间连丝交流信息，但不能进行物质交换
B.精子和卵细胞受精时要发生图B所示的信息交流方式
C.图A、图B中靶细胞表面的受体与信号分子结合，从而接收信息
D.胰岛素调节过程中，信息交流方式与图A所示相同
考点二　细胞膜的结构
3.把哺乳动物成熟红细胞放在清水中吸水涨破得到“血影”。下列对“血影”的描述，错误的是(　　)
A.“血影”由纤维素和果胶组成
B.“血影”主要由脂质和蛋白质组成
C.“血影”中有磷脂双分子层作为基本支架
D.“血影”可使细胞成为一个相对独立的系统
4.下图是探究温度对细胞膜流动性的影响的实验，观察在40 min内两种颜色荧光膜蛋白融合情况，下列说法错误的是(　　)
图13　探究温度对细胞膜流动性的影响
A.该实验需设置一系列温度梯度的多个实验组进行对照
B.该实验也可以观察两种颜色膜蛋白均匀融合所需时间
C.图示膜蛋白因为是细胞膜的基本支架才能运动
D.标记的绿色荧光蛋白与红色荧光蛋白的数量要相等
5.下图为细胞膜的结构模型示意图，请据图回答下列问题：
图14　细胞膜的结构模型示意图
(1)构成细胞膜基本支架的结构是[　]________________。
(2)吞噬细胞吞噬细菌的过程体现了细胞膜具有________的特点。
(3)不同细胞的细胞膜的生理功能不同，主要取决于膜蛋白的________和________不同。
(4)细胞膜的外侧是________(填“M”或“N”)，判断依据是____________________________。该种细胞膜的结构模型被称为________________。
(5)提取细胞膜的理想材料是哺乳动物(人)成熟红细胞，原因是____________________________________。
【综合提升练】
6.对某动物细胞进行荧光标记实验，如图所示，其基本过程：①用某种荧光染料标记该动物细胞，细胞表面出现荧光斑点；②用激光束照射该细胞表面的某一区域，该区域荧光消失；③停止激光束照射一段时间后，该区域的荧光逐渐恢复。上述实验不能说明(　　)
图15　荧光标记实验
A.细胞膜具有流动性
B.荧光染料能与细胞膜组成成分结合
C.根据荧光恢复的速率可推算出物质进出细胞的速率
D.根据荧光恢复的速率可推算出细胞膜中蛋白质或脂质的流动速率
7.分散到水溶液中的磷脂分子会自发组装成充满液体的球状小泡，称为脂质体。研究人员在脂质体外包裹上聚乙二醇保护层，并镶嵌上相应的抗体，制造出一种能定向运送药物的隐性脂质体(如下图所示)。目前这种隐性脂质体已在癌症治疗中得到应用，下列有关分析错误的是(　　)
图16　靶向脂质体结构示意图
A.脂质体的膜结构与细胞膜均以磷脂双分子层作为基本支架
B.将组成该脂质体的磷脂分子在空气—水界面上铺成单层分子层的面积是该脂质体表面积的2倍
C.该隐性脂质体含有的元素包括C、H、O、N、P，有可能含有S
D.图中脂质体所运载的药物A为脂溶性药物，药物B为水溶性药物
8.在许多植物中，花的开放对于成功传粉至关重要，部分植物的花能够反复开合，主要是由相关细胞膨压变化引起的。龙胆花在处于低温(16 ℃)下30 min内发生闭合，而在转移至正常生长温度(22 ℃)光照条件下30 min内重新开放，这与花冠近轴表皮细胞膨压变化有关，其相关机理如下图所示。
图17　龙胆花开合调控机理示意图
(1)图中细胞膜和囊泡膜均属于生物膜，生物膜功能的复杂程度直接取决于________________________。
(2)龙胆花由低温转移至正常温度、光照条件下重新开放过程中花冠近轴表皮细胞膨压逐渐增大，该过程主要体现出的细胞膜功能是________________________。
(3)据图分析，龙胆花由低温转移至正常温度、光照条件下重新开放的机理是：温度升高促使________________________后转移至细胞膜，促进水运输；光照促进Ca2+运输至细胞内，激活蛋白激酶GsCPK16使水通道蛋白磷酸化，运输水的能力增强，膨压增大。
六、参考答案
【课堂探究】
探究一　细胞膜的功能
1.细胞膜。该实例说明细胞膜具有将细胞与外界环境分隔开、控制物质进出细胞的功能。
2.体现了细胞膜具有控制物质进出细胞的功能。
3.说明细胞膜具有进行细胞间的信息交流的功能。
4.①信号分子(激素)；②受体；③与膜结合的信号分子；④胞间连丝。
5.分别属于图C、图A、图B。
6.受体的化学本质一般为蛋白质(糖蛋白)。受体与信号分子的结合有特异性。
探究二　细胞膜的结构及流动镶嵌模型
1.磷脂分子在空气—水界面上分布时，亲水的头部朝向水、疏水的尾部朝向空气，如图A。
2.排列为双层，亲水端朝向细胞外和细胞内。
3.通过细胞膜表面的张力可推测、加入蛋白酶后细胞膜容易破坏、对细胞膜的成分进行提纯和分析等。
4.罗伯特森认为蛋白质位于细胞膜的两侧、脂质位于中间，将细胞膜描述为静态的“蛋白质—脂质—蛋白质”三层结构。
5.冷冻蚀刻电镜下显示蛋白质在细胞膜表面或穿透细胞膜，而不是在两层之间。
6.由于细胞膜上其他区域的蛋白质流动，使光漂白区重新出现荧光。细胞膜具有流动性。
【自查自纠】
(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×
解析：(1)细胞膜具有复杂的功能，将细胞与外界环境分隔开只是其功能之一。(3)具有识别功能的物质只存在于细胞膜外侧。(4)细胞膜的成分中脂质主要是磷脂而不是脂肪。(5)细胞膜必须具有一定的流动性才能与其功能相适应。(6)细胞膜两侧物质具有不对称性，如蛋白质的分布。
【例题精析】
例1　D
解析：精子和卵细胞之间通过直接接触进行信息交流，需要细胞膜表面的信号分子传递信息，A错误；高等植物细胞之间通过胞间连丝进行物质运输和信息交流，这是细胞间进行信息交流的方式之一，B错误；动物体内所有细胞都会与其他细胞进行信息交流，因此发出信号的细胞与靶细胞细胞膜上都有受体，C错误；内分泌细胞分泌的激素(如胰岛素)随血液到达全身各处，与靶细胞细胞膜上的受体结合将信息传递给靶细胞，D正确。
【分层训练】
1.D　2.A　3.A　4.C
1.解析：内皮素只有与细胞膜上相应的受体结合后才能发挥作用，细胞膜上的受体识别并与相应的信号分子结合来完成信息传递的过程，体现了细胞膜进行信息交流的功能。
2.解析：高等植物细胞间通过胞间连丝进行信息交流，也可以交换某些物质，A错误；精子和卵细胞依靠细胞与细胞的直接接触进行信息传递，B正确；图A中信息分子通过血液到达全身各处，与靶细胞表面上的受体结合，图B靶细胞上的受体直接与另一个细胞的信号分子结合，从而接收信息，C正确；胰岛素随血液运输到全身各处，与靶细胞表面的受体结合进行信息传递，如图A所示，D正确。
3.解析：哺乳动物成熟红细胞吸水涨破得到“血影”，实际上是细胞膜，其主要由磷脂和蛋白质组成，还有少量的糖类，细胞膜以磷脂双分子层作为基本支架，其功能之一是把细胞与外界环境分隔开，使之形成相对独立的系统，A错误。
4.解析：该实验是探究温度对细胞膜流动性的影响，温度是自变量，因此需设置一系列温度梯度的多个实验组进行对照，A正确；该实验也可以观察两种颜色膜蛋白均匀融合所需时间，B正确；细胞膜的基本支架是磷脂双分子层，膜上的蛋白质大多可以运动，图示蛋白质运动与其是否是基本支架无关，C错误；标记的绿色荧光蛋白与红色荧光蛋白的数量要相等，D正确。
5.(1)D　磷脂双分子层　(2)(一定的)流动性　(3)种类；数量　(4)M；M侧有糖被，糖被分布在细胞膜外表面；流动镶嵌模型　(5)哺乳动物成熟红细胞无细胞核和任何细胞器
6.C　7.D
6.解析：本实验并没有测定某物质的跨膜运输速率，从荧光恢复的速率中无法推测物质进出细胞的速率，C符合题意。
7.解析：药物A包裹在脂质体内部的水相中，为水溶性药物，药物B位于磷脂分子层之间，为脂溶性药物，D错误。
8.(1)蛋白质的种类和数量　(2)控制物质进出细胞　(3)囊泡上的水通道蛋白去磷酸化

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