3.1(课件)细胞膜的结构和功能课件+教案+学案（3份打包）

细胞膜的结构和功能

【教学目标】

1．知识目标：简述细胞膜的成分和功能，解释细胞膜在维持细胞结构和功能中重要作用,简述生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。

2．能力目标：分析科学家建立生物膜结构模型过程，尝试提出问题，大胆作出假设；发挥空间想象能力，构建细胞膜的空间立体结构。

3．情感目标：认同细胞膜作为系统的边界，对于细胞这个生命系统的重要意义。

【教学重难点】

1．重点

（1）细胞膜的功能和细胞膜成分的探索历史。

（2）细胞膜结构的探索历史。

2．难点

（1）流动镶嵌模型的基本内容。

（2）理解细胞膜对于细胞这个生命系统的重要意义。

【教学方法】

讲授与学生讨论相结合、问题引导法、资料分析法

【教学过程】

导入：在前面的学习中，我们认识了细胞这个基本的生命系统的物质成分，从今天开始，我们将进一步认识细胞这个基本的生命系统，我们来认识由水、无机盐、糖类、脂质、蛋白质和核酸组成的一个有机整体——细胞的基本结构。

大家对于细胞应该有了一定的认识——我们在初中学习过，在前面的实验中我们也曾经观察过一些细胞。

T：你认为细胞最外面的结构是什么？

S：……（学生发言：脱口而出的同学可能往往回答细胞膜；略有思考的同学回答细胞壁；比较严谨的同学会回答“植物细胞的最外层是细胞壁，动物细胞的最外层是细胞膜”等）

（教师点评后总结，注意点评学生的思维习惯）

T：动物细胞没有细胞壁，而像植物、真菌、细菌等生物，细胞往往具有细胞壁。植物细胞的细胞壁，主要成分是纤维素和果胶，它们没有生命活动的特殊功能，主要是对植物细胞有支持和保护作用。而对于真菌和细菌的细胞壁与植物不同，我们在以后的学习中会逐步了解。

然而我们今天要重点讨论的话题不是细胞壁，因为我们将讨论的是“系统的边界”，系统的边界是什么？这里的答案就只有一个：细胞膜。

因为，我们这里指的“系统”是：生命系统！在组成细胞的结构中，具有生命活性的结构是细胞膜、细胞质和细胞核，而细胞壁并没有像它们这样的生命活性。这里的“生命活性”可能对大家还比较抽象，不过随着我们对细胞膜等功能的深入，你就会慢慢了解。

（板书：细胞膜——系统的边界）

T：对于细胞膜作为系统的边界，同学们有没有这方面的感性认识？也就是说你能不能列举出一些证据来证明细胞膜这个系统边界的存在？

S：直接借助光学显微镜、电子显微镜观察得到。

T：很好，电子显微镜可以看清楚细胞膜的存在，光学显微镜虽然不能看见细胞膜，但是却能够清楚的观察到细胞与外界环境是有界限的。

除了这样的直接观察，我们还能不能通过一些其他的感受间接感知细胞膜的存在呢？

（用视频的方式介绍科学家进行显微探针感受阻力的实验：开拓学生的实验思路；激发学生兴趣）

用显微注射器将一种叫伊红的物质注入变形虫体内，显微镜下观察发现，伊红会很快的扩散到整个细胞，却不能很快逸出细胞。

另外，我们还可以在显微镜下看到：用微针触碰细胞表面时，细胞表面有弹性，可伸展；用微针插入细胞内，细胞表面有一层结构被刺破；如果细胞表面结构受损面过大，细胞会死亡。

过渡：通过刚才的实验，我们也可以看到，当细胞膜被破坏的时候，细胞也就死亡了。这说明了细胞膜对于生命系统来讲，是非常重要的。那么，细胞膜有哪些重要功能呢？

（学生活动）联系生活经验，理解细胞膜的功能。

（板书：细胞膜的功能）

（请学生发言，让他们结合生活经验，解释细胞膜的功能，教师适时点评）

S：细胞膜将细胞与外界环境分隔开。（板书）

只有这样，细胞才能获得一个相对比较稳定的内部环境，才能减小受到的各种外部干扰，才能正常的进行各种代谢活动。这就好比我们的学校的围墙，班级的墙壁，如果没有这些，喧嚣的街道，隔壁班级的活动直接影响到我们班级同学的学习，那么，我们的学习不可能正常进行。

S：……

T：同学们的比方非常形象。作为生命体，要保证自身代谢顺利进行，一个相对独立的内部环境何等重要；有了细胞膜，这个边界将细胞与外界环境分隔开，细胞内才能保持各种理化性质的相对稳定，才可能具备代谢的正常条件。也正因为如此，在生命的起源过程中，科学家把“原始界膜”的形成作为生命演变中的重要阶段，具有了原始界膜后，才使得原始生命的诞生成为可能！

S：细胞膜能控制物质进出细胞。（板书）

既然细胞膜是细胞的边界，这就好像皮肤是我们人体的边界一样，我们的皮肤可以阻止一些病毒、细菌等进入我们体内，细胞膜也应该有类似的功能。

S：……

T：这个类比是比较恰当的。对于细胞膜能控制物质进出细胞这一点功能，我们将在第四章会有更加详细的学习，现在需要大家先了解细胞膜具有选择性的允许细胞需要的营养物质进入，而细胞不需要的，或者对细胞有害的物质就不容易进入细胞。细胞膜的这样一种生理功能我们称之为“选择透过性”。不过选择透过性只有活的细胞的细胞膜也具有，细胞死亡，这种选择透过性就丧失了。

记得在我们初中的学习中，我们通过实验的方法来检验玉米的种子是否还具有萌发的活性（也就是说玉米种子是否还是活的），也就是利用细胞膜的这点特性。下面给大家如下材料，请你设计实验来检验这些玉米种子是否还能萌发。

（投影）材料：玉米种子，红墨水，镊子，刀片，培养皿，烧杯，酒精灯。

（学生思考、讨论、发言）

（投影）方法步骤：

1．将玉米种子放在20－25℃的温水中浸泡36h。

2．取20粒已经泡涨的种子，将其中的10粒放在沸水中煮5min后，冷却，作为对照的实验材料。

3．分别取煮过和未煮过的玉米种子放在培养皿中，用刀片沿胚的中线纵向切开籽粒，用稀释20倍的红墨水浸泡（以没过种子为宜）。2min后，倒去红墨水，用水冲洗籽粒数次，直到冲洗液无色为止（洗去浮色）。

4．观察籽粒中胚的颜色。

（投影）结果预期：

未煮过的籽粒的胚细胞未被染成红色；煮过的籽粒的胚细胞被染成红色。

（胚细胞被染红说明了胚细胞的细胞膜失去了选择透过性，也就说明胚细胞死亡，不再具有萌发活性）

S：细胞膜进行细胞间的信息交流。（板书）

细胞作为一个个体的基本组成单位，对于一个个体来说，生活在外界环境中，与周围的环境关系密切，不断地与外界环境发生着物质和信息的交流。构成个体的细胞也应该是这样的，只有这样，细胞才能联合起来组成能行使同一功能的组织，再构成器官……而细胞之间的信息传递，应该就是系统的边界——细胞膜。

T：（放映有关细胞间进行信息传递的动画、图片等，同步解说）

在多细胞生物体内，各个细胞都不是单独存在的。它们必须保持功能的协调。这种协调不仅依赖于物质和能量的交换，也有赖于信息的交流。这种信息的交流大多与细胞膜的结构和功能有关。

细胞间进行信息交流的方式：靶细胞（胰岛素与靶细胞）；细胞间信息的传递（精子与卵细胞结合）；相邻两个细胞通过通道进入另一个细胞（高等植物细胞的胞间连丝）

过渡：通过刚才的学习，可以看到细胞膜的功能对于一个细胞的正常运作是必需的；当然细胞膜的功能除了上述介绍的三点，还有一些其他的功能，这个问题大家可以在课下查找资料，也可以在后面的学习中逐渐了解，总结。

对生物膜成分和结构的探索历程。（板书）

T：人们对事物的认识是有一个过程的，科学家当年正是怀着对物质跨膜运输现象产生的疑问，开始了对生物膜结构的孜孜以求地探索，历经了一百多年时间，走过了一条曲折的道路，直到现在仍有许多科学家在继续深入研究。让我们一起重温一下这段历史，会让大家对科学过程和本质的理解有所启发。我想让大家穿过时空隧道，回到一百多年前，假想一下：如果你是当时的一位科学家，你会怎样去研究细胞膜的结构？（提示学生，引导他们明白限于当时的技术条件，还不能亲眼看到生物膜，无法想像它的结构是什么样的，通过什么办法进行第一步的探究呢？引导学生看教材后明白当时科学家是从生理功能入手来探究的，通过实验观察，科学家才有严谨的推理，提出膜是由脂质组成这一假说，提示学生作出科学探究过程中作出假设后的步骤是什么（通过实验来验证假设），从而进入下面的学习。

S：可以从现象入手，去进行推测。

T：这就是生物学研究上常用的一种科学方法——假说法。这也是我们今天探究生物膜的结构的一个重要的方法，下面，就让我们沿着科学家的足迹，和科学家一起来研究这个问题。

问题（1）：探究细胞膜的组成成分是什么？

展示材料①：欧文顿的实验及其相关的图片

时间：19世纪末

人物：欧文顿（E.Overton）

实验：用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行过上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性是不一样的：凡可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。

T：根据实验，你能提出什么假说？

S：提出假说：膜是由脂质构成的。

T：在得出结论之后，还有没有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？

S：有必要，通过鉴定能更准确地说明问题。

T：那为什么一开始不直接对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？

S：当时的技术不能实现。

T：这说明什么问题呢？

S：这说明技术对科学研究的重要作用。

T：直至20世纪初，科学家才能第一次将细胞膜从哺乳动物红细胞中分离出来，化学分析表明，膜的主要成分的确是磷脂和蛋白质。从而以实验说明了欧文顿的假说是成立的。也就是说假说是在实验与观察的基础上提出来的，同时又需要更进一步的实验来证明。

问题（2）：探究这些物质是如何组成膜的？

出示资料②：1917年欧文·朗缪尔将提取的膜质铺展在水盘的水面上，发现脂在水面上形成一薄层，单脂层亲水的头朝向水面，疏水的尾背离水面。于是他提出：磷脂分子是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子，结构既有疏水基团（尾部），又有亲水基团（头部）。因为磷脂分子的“头部”亲水，所以在水—空气界面上磷脂分子是“头部”向下与水面接触，尾部则朝向空气一面。这样磷脂分子可以在空气和水的界面上展开为一层。

T：大家分组讨论，利用手中的磷脂分子模型摆出下面两种情况下磷脂的分布情况①在空气-水界面上②完全浸没在水中。

S：小组代表上黑板演示。

展示材料③：戈特和格伦德尔对血影的研究。

时间：1925年

人物：荷兰科学家Gorter和Grendel

实验：两位科学分离纯化了红细胞，从一定数量的红细胞中抽提脂类，按Langmuir的方法进行展层，并比较展层后的脂单层的面积和根据体积所推算的总面积，发现提取的脂铺展后所测的面积同实际测量的红细胞的表面积之比为（1.8～2.2）∶1，约为两倍。

T：假如你是当时的科学家，当你做实验时发现单分子的磷脂分子正好是红细胞的两倍时，大胆地展开你的想象力，你能做出什么假说？

S：细胞膜中的磷脂是两层的。

T：那这两层磷脂分子在细胞中又是怎样排布的呢？再分小组讨论、利用你手中的模型摆出来吧。

S：分组讨论，共可有六种排布方式，并提出细胞膜应两面都处于水环境中，所以讨论得到正确的排布方式。

问题（3）：那蛋白质和磷脂的位置关系又是如何的呢？

展示材料④：罗伯特森的单位膜模型

时间：1959年

人物：J.D．Robertson罗伯特森

实验：用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗—明—暗三层结构，厚约7.5nm，它由厚约3.5nm的双层脂质分子和内外表面各为厚约2nm的蛋白质构成。

提出假说：连续的脂质双分子层组成膜的主体，磷脂的非极性端朝向膜内侧，极性端朝向膜外两侧，蛋白质以单层肽链的厚度，通过静电作用与磷脂极性端相结合，从而形成蛋白质—磷脂—蛋白质的三层结构，称之为单位膜。他提出真核细胞与原核细胞具有相同的膜结构。单位膜模型的主要不足在于：把生物膜的结构描述成静止的、不变的，这显然与膜功能的多样性相矛盾。

单位膜结构模型继承了前人的有关结论，又成功地利用了先进的电子显微镜的观察结果作为证据。但是他将生物膜描述为静态的刚性的结构，这一点很快又被新的技术手段下的实验所否定。

以讨论小组的形式开展课堂讨论交流。

（1）生物膜的流动镶嵌模型是不是就完美无缺了呢？请说说你的看法。

S：生物膜的流动镶嵌模型不可能完美无缺。人类对自然界的认识永无止境，随着实验技术的不断创新和改进，对膜的研究将更加细致入微，对膜结构的进一步认识将能更完善地解释细胞膜的各种功能，不断完善和发展流动镶嵌模型。

的确，流动镶嵌模型是目前人们普遍认同的，但它无法完美地回答生物膜的所有功能。所以后来不断提出一些新的模型，如Wallach于1975年提出晶格镶嵌模型；Jain和White于1977年提出板块镶嵌模型等，迄今为止，已提出的生物膜结构模型达几十种之多，生物膜的结构模型虽然有很多种，但被广泛接受的结构模型基本内容是趋向一致的。其要点和特点基本相同，主要包括膜的分子组成和结构特征。

（2）纵观整个人们对建立生物膜模型的探索过程，你能谈谈实验技术的进步起到怎样的作用？

S：在建立生物膜模型的过程中，实验技术的进步起到了关键性的推动作用。如血影的制取和化学成分的鉴定技术使人们认识膜的化学组成；电子显微镜的诞生使人们终于看到了膜的存在；冰冻蚀刻技术和扫描电子显微镜技术使人们认识到膜的内外两侧并不对称；荧光标记小鼠细胞与人细胞的融合实验又证明了膜的流动性等。没有这些技术的支持，人类的认识便不能发展。

（3）分析生物膜模型的建立过程中，结构与功能相适应是如何得到体现的？

S：在建立生物膜模型的过程中，结构与功能相适应的观点始终引导人们不断实践、认识，再实践、再认识；使人类一步步接近生物膜结构的真相。例如，不同生物膜的功能是有差异的。在生命系统中，一般来说，功能的不同常伴随着结构的差异，而早期的生物膜模型假定所有的生物膜都是相同的，这显然与不同部位的生物膜功能不完全相同是矛盾的。还有，不同膜的厚度也不完全一样。由此促进学者们重新研究脂质和蛋白质相互作用的问题。一些学者使用了更加先进的技术，运用红外光谱等技术证明，膜蛋白主要为球形结构。冰冻蚀刻电镜技术又证明，脂双层中分布有蛋白质颗粒，这样又发展了生物膜模型。生物膜中存在不同种类的蛋白质，以及蛋白质在生物膜中的不同分布情况，恰能较好地解释不同结构的生物膜具有不同的生理功能。

（4）分析生物膜模型的建立过程，你受到什么启示？

S：科学研究是要在实验和观察的基础上，通过严谨的推理和大胆的想象，提出假说，再通过实验进一步地验证假说。

S：科学研究依赖于技术的进步，技术进步了，可以得到更多新的实验数据。

S：科学发现的过程是一个长期的过程，涉及到许多科学家的辛勤工作。

S：科学发现的过程不是一帆风顺的，往往是在继承的基础上不断验证、修正和完善发展的。

S：科学家的观点并不全是真理，还必须通过实践验证；科学学说不是一成不变的，需要不断完善。

T：那流动镶嵌模型的具体内容是如何的呢？

（1）磷脂双分子层是生物膜的基本支架。其中磷脂分子的亲水性头部朝向两侧，疏水性的尾部相对朝向内侧。

（2）蛋白质分子有的镶嵌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，有的横跨整个磷脂双分子层。这里体现了膜结构内外的不对称性。

（3）在细胞膜的外侧，有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结合形成的糖蛋白，叫做糖被。糖被与细胞识别、细胞间的信息交流有密切联系。

（4）磷脂分子是可以运动的，具有流动性。大多数的蛋白质也是可以运动的，也体现了膜的流动性。