第06讲 细胞膜的功能及探究历程-【暑假自学课】2022年新高一生物暑假精品课（人教版2019必修1）

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第06讲 细胞膜的功能及细胞膜的探索历程       【学习目标】1.通过类比，说明细胞膜是系统的边界。2.通过实例了解细胞膜的主要功能，了解细胞膜出现的必要意义。3.分析对细胞膜成分的探索历程，提升科学思维能力。         【基础知识】一、细胞膜的功能1.将细胞与环境分隔开①台盼蓝染色法是一种简便、快速区分活细胞和死细胞的方法。其原理是：正常的活细胞，细胞膜结构完整，能够排斥台盼蓝，使之不能够进入细胞内；而丧失活性或细胞膜不完整的细胞，细胞膜的通透性增加，可被台盼蓝染成蓝色。②用显微注射器将伊红注入变形虫，伊红会很快扩散到整个细胞，但伊红却不能逸出细胞。③把新鲜的红色玫瑰花瓣放入清水中清洗，清水不会变红；把新鲜的红色玫瑰花瓣放入清水中加热破坏玫瑰花瓣细胞的细胞膜后，水会变红色。以上事实说明细胞膜的功能之一是将细胞与外界环境分隔开，保障细胞内部环境的相对稳定。2.控制物质进出细胞实验1.实验2. 哺乳动物成熟的红细胞呈两面凹的圆饼形。把猪正常的红细胞置入清水中，红细胞吸水变为圆球形，进一步吸水导致红细胞开始破裂，血红蛋白逸出。如下图：（1）上述实验说明：细胞膜能够控制物质进出细胞。（2）细胞膜控制物质进出细胞是相对的。一般来说，细胞需要的营养物质可以从外界进入细胞；细胞不需要的物质不容易进入细胞。可以表示为：3.进行细胞间信息交流多细胞生物体内，各个细胞功能的协调依赖于物质和能量的交换，也有赖于信息的交流。图例信息交流方式示例[a]内分泌细胞分泌的[c]激素随血液到达全身各处，与[b]靶细胞膜表面的[d]受体结合，将信息传递给[b]靶细胞。 胰岛细胞分泌胰岛素，随血液运输到肝脏细胞，与肝脏细胞膜上的胰岛素受体结合，将信息传递给肝细胞。相邻两个细胞的细胞膜接触，信息（[f]信号分子）从一个细胞（[e]发出信号的细胞）传递给另一个细胞。精子和卵细胞之间的识别与结合。相邻两个细胞之间形成通道，携带信息的物质通过通道进入另一个细胞。高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，进行信息交流。【易错提醒】①细胞分泌的激素（如胰岛素）通过血液运输到达全身各处，与靶细胞膜表面的受体结合，将信息传递给靶细胞。②直接接触是借助细胞膜表面的受体（化学本质：糖蛋白）进行识别，将信息从一个细胞传递给另一个细胞。③高等植物细胞之间通过胞间连丝进行交流时，不需要细胞膜上的受体。因此，细胞膜上的受体并不是细胞间信息交流所必需的结构。【知识拓展】①细胞膜除了以上提到的三种功能外，细胞膜还有细胞识别、保护细胞、参与细胞的运动、分泌等功能。②细胞壁的主要成分：植物-纤维素和果胶；细菌-肽聚糖；真菌-几丁质。③主要功能：保护，支持，植物细胞壁对于植物体起着骨架的作用，以维持细胞的正常形态。二、对细胞膜成分的探索1.欧文顿实验1895 年，欧文顿实验发现细胞膜对不同物质的通透性不一样：溶于脂质的物质，容易穿过细胞膜；不溶于脂质的物质，不容易穿过细胞膜。据此推测：细胞膜是由脂质组成的。（2）戈特和格伦德尔实验1925年，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。（3）丹尼利和戴维森实验1935年，丹尼利和戴维森他们发现细胞的表面张力明显低于油—水界面的表面张力。因此推测细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质。特别提醒：5种常考的“膜蛋白”(1)受体蛋白：信号分子(如激素、细胞因子、神经递质)的受体。(2)载体蛋白：协助跨膜运输(协助扩散和主动运输)。(3)具催化作用的酶：如需氧细菌的细胞膜上可附着与有氧呼吸相关的酶，此外，细胞膜上还存在ATP水解酶(催化ATP水解，用于主动运输等)。(4)识别蛋白：用于细胞与细胞间相互识别的糖蛋白(如精卵细胞间的识别、免疫细胞对抗原的特异性识别等)。(5)通道蛋白：通过打开或关闭通道控制物质通过，如水通道蛋白；神经冲动传导时，Na＋、K＋通道蛋白等。三、对细胞膜结构的探索1.细胞膜的双分子片层模型1935年，丹尼利和戴维森他们发现细胞的表面张力明显低于油—水界面的表面张力。因此推测细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质。此模型认为：细胞膜是由双层脂质分子和蛋白质构成的。2.细胞膜静态结构模型1959年,罗伯特森在电镜下看到了细胞膜的“暗一亮一暗”的三层结构,提出了所有的细胞膜都由“蛋白质一脂质一蛋白质”三层结构构成。细胞膜静态结构模型不能解释细胞膜的复杂功能，就连细胞的生长，变形虫的变形运动都难以解释。3.细胞膜的流动镶嵌模型细胞膜的基本支架是磷脂双分子层。蛋白质分子以不同方式镶嵌在其中，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。细胞膜不是静止不动的，而是具有流动性，主要表现为构成膜的磷脂分子可以侧向自由移动，膜中的蛋白质大多也能运动。1.戈特和格兰德尔，将红细胞膜的脂质平铺在空气-水界面上，发现S2=2S1，由此推测膜由双层脂质构成。2.细胞膜的“三明治”结构模型罗伯特森通过电镜观察到暗-亮-暗结构，支持三明治结构。此假说的不足之处有：①假设所有的膜都是均匀的厚度，并且具有恒定的脂蛋白比 ②假设所有膜都具有对称的内外表面（即非双面）③它没有考虑某些物质的渗透性④膜固化的温度与建议模型下的预期温度不相关3.【特别提醒】 ①细胞膜主要是由脂质和蛋白质组成的，还有少量的糖类。②细胞膜中的组成成分中含量最多的是脂质，其次是蛋白质。③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。④功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类与数量就越多。 三、细胞膜的流动性实验1970年，科学家用发绿色荧光的染料和发红色荧光的染料分别标记小鼠细胞和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40 min,两种颜色的荧光均匀分布。这一实验以及相关的其他实验证据表明，细胞膜具有流动性。归纳总结：①细胞膜具有一定流动性的原因是：构成膜的磷脂分子可以侧向自由移动和蛋白质分子大都可以运动。②能够说明细胞膜具有一定流动性的实例：质壁分离、变形虫运动、胞吞和胞吐、白细胞的吞噬作用等。③影响细胞膜流动性的因素：温度：一定范围内，温度升高，膜流动性加快。④研究细胞膜融合实验的方法是荧光标记法，而不是放射性同位素标记法。     【考点剖析】考点一：细胞膜控制物质进出细胞例1．下列关于细胞膜控制物质进出这一功能的叙述中,错误的是（  ）A．对细胞有害的物质不能进入细胞B．细胞对物质的控制作用是相对的C．细胞内合成抗体分泌到细胞外D．细胞产生的代谢废物排出细胞外【答案】A【解析】细胞膜可以控制物质进出细胞，细胞需要的营养物质可以从外界进入细胞，细胞对物质的控制作用是相对的，环境中一些对细胞有害的物质有可能进入细胞，有些病毒、病菌也能侵入细胞，A错误、B正确；抗体、激素等大分子物质在细胞内合成后，通过胞吐作用分泌到细胞外，C正确；细胞产生的废物排出细胞外，D正确。考点二：细胞间的信息交流例2．如图表示细胞间信息交流的三种方式，叙述不正确的是（    ）
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中靶细胞表面上的受体与信号分子结合，从而接受信息D．胰岛素调节过程中，信息交流方式与图A所示相同【答案】A【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；精子和卵细胞依靠膜上糖蛋白的识别，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相邻两个细胞的靶细胞上的受体直接与另一个细胞发出信号分子结合，从而接信息，C正确；内分泌细胞胰岛B细胞分泌的化学物质胰岛素随血液流到全身各处，与靶细胞表面的受体结合进行信息传递，如图A、D正确。考点三、构成细胞膜的成分例3．（2022·云南·高二学业考试）下列关于细胞膜的叙述，正确的是（       ）A．细胞膜中只有磷脂分子可以运动B．细胞膜具有控制物质进出细胞的功能C．细胞膜只由脂质和蛋白质组成D．功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类和数量越少【答案】B【解析】细胞膜中磷脂和蛋白质分子绝大多数可以运动，体现细胞膜的结构特点具有一定的流动性，A错误；细胞膜具有控制物质进出细胞的功能，B正确；细胞膜主要由脂质和蛋白质组成，另外还包括少量的糖类，C错误；功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类和数量越多，D错误。 考点四、对细胞膜结构的探索例4．（2022·福建福州·三模）根据生物膜结构探索历程的科学史，下列说法错误的是（       ）A．通过细胞对不同化学物质通透性的实验，可推测“细胞膜是由脂质组成的”B．细胞膜在电镜下呈现“暗-亮-暗”，由此提出膜都是三层结构的动态模型C．小鼠细胞和人细胞的融合实验，表明细胞膜具有流动性D．流动镶嵌模型能合理解释细胞生长，变形虫运动等现象【答案】B【解析】欧文顿通过研究不同物质对植物细胞通透性的实验，推测：细胞膜是由脂质组成的，A正确；罗伯特森在电镜下观察到暗-亮-暗的三层结构，提出了：所有的细胞膜都是由蛋白质-脂质-蛋白质三层结构的静态模型，B错误；小鼠细胞和人细胞的融合实验，表明细胞膜具有流动性，C正确；流动镶嵌模型认为，构成细胞膜的磷脂分子可以侧向自由移动，膜中的蛋白质大多也能运动，能合理解释细胞生长，变形虫运动等现象，D正确。          【真题演练】1．（2017·全国·高考真题）细胞间信息交流的方式有多种。在哺乳动物卵巢细胞分泌的雌激素作用于乳腺细胞的过程中，以及精子进入卵细胞的过程中，细胞间信息交流的实现分别依赖于（       ）A．血液运输，突触传递 B．淋巴运输，突触传递C．淋巴运输，胞间连丝传递 D．血液运输，细胞间直接接触2．（2018·浙江·高考真题）下列关于质膜的叙述，错误的是（  ）A．脂双层两层中的磷脂分子含量不同B．细胞之间的识别主要取决于磷脂分子C．膜中磷脂和蛋白质分子是不断运动的D．蓝细菌进行需氧呼吸的主要场所位于质膜3．（2019·上海·高考真题）下图表示血液中白细胞进入组织液的一种方式 此过程体现了细胞膜具有（       ） ①一定流动性 ②全透性 ③信息交流A．仅① B．仅② C．仅③ D．仅①③4．（2016·全国·高考真题）下列有关细胞膜的叙述，正确的是A．细胞膜两侧的离子浓度差是通过自由扩散实现的B．细胞膜与线粒体膜、核膜中所含蛋白质的功能相同C．分泌蛋白分泌到细胞外的过程存在膜脂的流动现象D．膜中的磷脂分子是由胆固醇、脂肪酸和磷酸组成的5．（2021·湖南·高一学业考试）下列不属于细胞膜功能的是（       ）A．将细胞与外界环境分隔开B．对细胞起支持与保护作用C．控制物质进出细胞D．进行细胞间的信息交流6．（2021·福建·高二学业考试）细胞膜在细胞的生命活动中具有重要作用，其功能不包括（       ）A．将细胞与外界环境分隔开 B．控制物质进出细胞C．进行细胞间的信息交流 D．锚定并支持细胞器7．（2022·湖南·高一学业考试）细胞膜的生理功能不包括（       ）A．将细胞与外界环境分隔开 B．控制物质进出细胞C．进行细胞间的信息交流 D．完成细胞内的各种生命活动8．（2021·贵州·高二学业考试）吞噬细胞吞噬病菌的过程，表明细胞膜的结构特点是（       ）A．全透性 B．流动性 C．不透性 D．静态的统一结构9．（2020·陕西·高二学业考试）细胞膜是细胞这一生命系统的边界，对维持系统的稳定至关重要。下列相关叙述错误的是（       ）A．细胞膜主要由脂质和蛋白质组成B．功能越复杂的细胞膜，磷脂的种类和数量越多C．细胞膜在细胞间的信息交流中发挥了重要作用D．哺乳动物成熟的红细胞可作为制备纯净细胞膜的材料10．（2017·浙江·高考真题，多选）以玉米籽粒为实验材料进行“验证活细胞吸收物质的选择性”活动。下列叙述错误的是（   ）A．实验前将玉米籽粒放在20～25℃温水中浸泡适当时间B．先用红墨水染色玉米籽粒，然后纵切并观察其颜色变化C．未煮熟的玉米胚比煮熟过的染色浅，说明活细胞吸收物质具有选择性D．若煮过的玉米胚乳与未煮过的均被染成红色，说明细胞吸收物质具有选择性         【过关检测】1．“江村垂柳绵，白鹭上长天。袅袅炊烟软，徐徐落日圆。”诗中的柳树叶细胞和白鹭肌肉细胞的边界分别是（    ）A．细胞膜和细胞壁 B．细胞壁和细胞膜 C．细胞膜和细胞膜 D．细胞壁和细胞壁2．用台盼蓝对细胞染色，被染成蓝色的是死细胞，不着色的是活细胞。做出以上判断主要是依据细胞膜的哪种功能（    ）A．将细胞与外界环境分隔开 B．控制物质进出细胞C．控制细胞的代谢和遗传 D．实现细胞与外界环境的能量转换3．以下实验体现了细胞膜具有哪项功能（　　）A．将细胞与外界环境隔开B．细胞代谢的主要场所C．进行细胞间的信息交流D．控制物质进出细胞4．在哺乳动物的受精过程中，精子能够与卵细胞相互识别，精子将其头部钻入卵细胞中，与卵细胞发生结合。这一现象体现出细胞膜能够（　　）A．保障细胞内部环境的相对稳定 B．控制物质进出细胞C．使卵细胞摄入所需要的精子 D．进行细胞间的信息交流5．作为系统的边界，细胞质膜在细胞的生命活动中有多种功能。下图主要表示了细胞质膜的何种功能（    ）A．将细胞与外界环境分开 B．控制物质进出细胞C．进行细胞间信息交流 D．促进物质的运输6．高等植物细胞之间是通过什么结构相互连接以实现信息交流的（    ）A．细胞膜     B．两个细胞的细胞膜接触      C．细胞壁       D．胞间连丝7．在处理污水时，人们设计出一种膜结构， 有选择地将有毒重金属离子阻挡在膜的一侧，以降低有毒重金属离子对水的污染。这是试图模拟细胞膜的(    )A．将细胞与外界环境分隔开的功能 B．控制物质进出细胞的功能C．进行细胞间信息交流的功能 D．具有免疫作用的功能8．作为系统的边界，细胞膜在细胞的生命活动中具有重要作用。下列相关叙述正确的是（　　）A．细胞膜保证了对细胞有害的物质都不能进入细胞B．细胞膜上的受体是细胞间进行信息交流的必需结构C．细胞膜将细胞与外界环境分隔开D．动物细胞放在清水环境中会吸水胀破，这说明细胞膜不能控制水的进出9．如图表示细胞间进行信息交流的一种方式，下列有关叙述错误的是（    ）A．图中b表示细胞膜上的信号分子B．图中乙表示靶细胞C．图中a表示信号分子（如激素）D．图中反映了细胞膜具有细胞间信息交流的功能10.细胞与细胞之间、细胞与其他分子之间，存在一种互相联络用的“文字”或“语言”，下列最可能体现这一功能的是（　　）A．组成细胞膜的胆固醇 B．组成细胞膜的糖蛋白C．组成细胞膜的磷脂分子 D．组成细胞膜的氨基酸分子11.下图是细胞间的3种信息交流方式，请据图分析回答下列问题。 （1）图A表示通过细胞分泌的化学物质，随①____________到达全身各处，与靶细胞表面的②________结合，将信息传递给靶细胞。（2）通过相邻两细胞的_______接触，使信息从一个细胞传递给另一个细胞，图______所示的信息交流方式就属于这种情况。如精子和卵细胞之间的______和结合。（3）图中③表示____________________。（4）图C表示相邻两植物细胞之间形成________，携带信息的物质从一个细胞传递给另一个细胞，图中④表示____________。（5）在多细胞生物体内，各个细胞之间都维持功能的协调，才能使生物体健康地生存。这种协调性的实现不仅依赖于物质和能量的交换，也依赖于细胞间的_________，这种交流大多与______________的结构和功能有关。（6）植物细胞最外层的结构是_________，其主要成分是_________________，该结构对植物细胞有_________________作用。12.下图表示细胞膜探索历程的重要实验，请写出各字母对应的内容：A．______________________；B．______________________；C．______________________；D．______________________；E．______________________。