第3章 细胞的基本结构 第1节　细胞膜的结构和功能(共45张PPT)

(共45张PPT)
第3章　细胞的基本结构
2019版生物学必修1 《分子与细胞》
同步课件
新课程标准内容 学科核心素养
1.概述细胞都由细胞膜包裹,细胞膜将细胞与其生活环境分开,能控制物质进出,并参与细胞间的信息交流。 2.阐明细胞内具有多个相对独立的结构,担负着物质运输、合成与分解、能量转换和信息传递等生命活动。 3.阐明遗传信息主要储存在细胞核中。 4.举例说明细胞各部分结构之间相互联系、协调一致,共同执行细胞的各项生命活动。 5.活动要求:(1)观察叶绿体和细胞质流动。(2)尝试制作真核细胞的结构模型。(3)使用光学显微镜观察各种细胞,可结合电镜照片分析细胞的亚显微结构。 1.生命观念:(1)阐明细胞各部分的结构与功能相适应,强化结构与功能观。既能基于结构阐述功能,又能基于功能理解结构。(2)认同细胞各部分在结构和功能上的密切联系,使细胞成为一个有机的整体——基本的生命系统,强化系统观点。在以系统观理解细胞结构的基础上,尝试从系统的视角认识自然和社会。
2.科学思维:依托生物膜的探究历程相关资料分析和分泌蛋白合成的实验分析以及与细胞核相关的实验分析,强化逻辑推理、归纳与概括的思维能力培养。
3.科学探究:(1)在细胞膜结构和功能探索等经典实验分析中锻炼实验分析思路,包括实验目的、原理、科学方法的选择、实验结果的分析等。(2)在教材学生实验中锻炼科学探究能力,包括能够恰当选用并熟练运用工具展开观察;可以提出清晰的、有价值的、可探究的生命科学问题;基于对相关资料的查阅,能设计并实施恰当可行的方案;可以运用多种方法如实记录、分析实验结果;能够运用科学术语精确阐明实验结果,并展开交流。
4.社会责任:(1)从细胞器的分工合作中体会各司其职与相互配合的矛盾与统一,强化社会责任意识。(2)体会科学探索永无止境,科学理论是在不断修正的过程中建立和完善的,体会探索精神、科学思维和技术手段的结合在科学研究中结合的作用。
第1节　细胞膜的结构和功能
学习目标
1.从系统与环境关系的角度,归纳并阐明细胞膜的基本功能。
2.通过对细胞膜成分探索的资料分析,说出细胞膜的主要成分。
3.通过分析对细胞膜结构的探索,阐明细胞膜的基本结构,描述流动镶嵌模型。
问题探究·知识生成
新知探究一　细胞膜的功能
建立概念·达成素养
问题探究
资料1:将鸡蛋的外壳打破,把蛋清和蛋黄倒入培养皿中,用牙签的钝端触碰蛋黄,可以感受蛋黄的柔软。将牙签刺入蛋黄,能够感受到该过程中的阻力。
资料2:取玉米粒若干,置于清水中浸泡1 h 后平均分为两组,一组煮沸处理5 min。将两组玉米均从中央进行纵切(如图),然后将红墨水滴到切面上, 5 min后用清水冲洗一段时间。可以观察到两组玉米切面上的颜色差异。
资料3:用机械方法将海绵动物的细胞分成单个细胞,当把两个不同种属的海绵动物的细胞在体外混合时,分离的细胞迅速重新聚集成团。有趣的是,只有同种细胞发生聚集,每个聚集体只含同一种着色的海绵动物的细胞。
问题(1):鸡蛋黄与蛋清之间被什么样的结构分隔开 未受精的鸡蛋的蛋黄是一个卵细胞,则上述结构是哪种细胞结构
提示:卵黄膜。细胞膜。
问题(2):上述结构将卵细胞(即卵黄)与卵清分开,体现了该结构的什么功能
提示:细胞膜的功能之一是将细胞与外界环境分隔开。
问题(3):分析资料2体现了细胞膜的哪项功能 两组玉米粒切面上颜色的差异说明了什么
提示:细胞膜能控制物质进出细胞。活细胞的细胞膜控制物质进出细胞的功能完善,阻挡了细胞外的物质进入细胞,而煮沸后的细胞丧失了该项功能,无法阻挡细胞外物质进入细胞。而浸泡过程中水分子可以进入细胞,同时说明细胞膜控制物质进出细胞具有选择性。
问题(4):从细胞膜功能的角度分析资料3的结果。
提示:细胞膜具有进行细胞间信息交流的功能。同种生物的细胞间可以相互识别并聚合,不同种生物的细胞无法相互识别聚合。
问题(5):除资料中的实例外,还有哪些细胞间进行信息交流的实例
提示:同种生物的精子和卵细胞的识别与结合、胰岛细胞通过产生的激素与作用的细胞进行信息交流、高等植物细胞通过胞间连丝交流信息。
归纳总结
细胞膜的功能图解
将细胞与外界环境分隔开
激素
胞间连丝
即时应用
B
1.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,从而判断细胞是否死亡。下列说法正确的是(　 　)
A.台盼蓝被阻挡在细胞外,说明细胞膜具有进行细胞间信息传递的功能
B.台盼蓝分子无法进入活细胞,说明细胞膜具有控制物质进出细胞的功能
C.对细胞有害的物质无法进入细胞,说明细胞膜具有免疫功能
D.死细胞的细胞膜已经被分解,无法阻挡物质进入细胞中
解析:细胞膜具有控制物质进出细胞的功能,台盼蓝是细胞不需要的物质,在正常情况下不能进入细胞中,当细胞死亡后,细胞膜控制物质进出的能力就丧失了,所以台盼蓝染液就会进入细胞中。
2.研究发现,内皮素在皮肤中分布不均是造成色斑的主要原因。内皮素拮抗剂可以进入皮肤并与细胞膜上的黑色素受体结合,使内皮素失去作用。下列有关叙述错误的是(　 　)
A.该研究说明细胞膜具有信息交流的功能
B.内皮素拮抗剂与内皮素结构相似
C.当内皮素拮抗剂与黑色素受体结合以后内皮素就不能再与其膜受体结合了
D.该研究说明细胞膜具有控制物质进出细胞的功能
D
解析:根据题干信息“内皮素拮抗剂可以进入皮肤并与细胞膜上的黑色素受体结合,使内皮素失去作用”可知,内皮素只有与细胞膜上相应的受体结合后才能发挥作用。与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,属于细胞膜的信息交流功能;根据题干可知,内皮素拮抗剂与内皮素结构相似;当内皮素拮抗剂与黑色素受体结合以后内皮素就不能再与其膜受体结合了。
新知探究二　细胞膜的成分
问题探究
资料1:1895年,欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次的实验,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。
资料2:为了进一步确定细胞膜中脂质成分的类型,科学家利用哺乳动物成熟的红细胞,通过一定的方法制备出纯净的细胞膜,进行化学分析。
资料3:1935年,丹尼利和戴维森研究了细胞膜的张力。实验结果是发现细胞的表面张力明显低于油—水界面的表面张力。(若油脂滴表面吸附有蛋白质成分,表面张力就会降低)
问题(1):欧文顿实验是如何得出“细胞膜是由脂质组成的”这一推论的
提示:根据“相似相溶”原理,细胞膜可能是由脂质构成的。
问题(2):科学家利用哺乳动物成熟红细胞制备细胞膜并进行成分分析的结果是什么 科学家为什么选择哺乳动物成熟的红细胞作为实验材料
提示:组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇,其中磷脂含量最多。哺乳动物成熟的红细胞结构简单,内部无其他膜结构。
问题(3):丹尼利和戴维森根据实验结果作出的推测是什么
提示:推测细胞膜除含有脂质分子外,可能还附有蛋白质。
归纳总结
细胞膜的成分
(1)细胞膜的主要成分是 ,还有少量的 。在组成细胞膜的脂质中, 最丰富。可用哺乳动物 作为提取纯净细胞膜的材料。
(2)不同种类细胞膜的成分 ,但各种组分的 有所不同。其中膜蛋白的含量与细胞膜的功能有关,功能越复杂的细胞膜,蛋白质的 就越多。
脂质和蛋白质
糖类
磷脂
成熟的红细胞
相似
含量
种类与数量
即时应用
D
3.将哺乳动物或人的成熟红细胞经过某种处理后,可造成红细胞破裂出现溶血现象,再将溶出细胞外的物质冲洗掉,剩下的结构在生物学上称为“血影”。下列说法正确的是(　 　)
A.选用哺乳动物或人的成熟红细胞的原因是该种细胞没有细胞壁
B.“血影”的主要成分可以用双缩脲试剂和斐林试剂检测
C.各种哺乳动物红细胞膜的成分完全不同
D.“某种处理”是将红细胞放入清水中
解析:选用哺乳动物或人的成熟红细胞的理由是哺乳动物成熟的红细胞结构简单,内部无其他膜结构;哺乳动物或人的成熟红细胞溶血剩下的结构“血影”其实就是细胞膜,其主要成分为脂质和蛋白质,蛋白质可以用双缩脲试剂鉴定,但脂质不能用斐林试剂鉴定;各种细胞膜的成分种类是相似的,含量有所区别;将红细胞放入清水中会涨破,内容物流出可得到细胞膜。
4.如图表示各种细胞膜组成成分的含量,图示能说明的是(　 　)
A.构成细胞膜的主要成分是蛋白质、脂质和糖类
B.细胞膜中的脂质和蛋白质含量的变化与细胞膜的功能有关
C.细胞膜的功能越简单,所含蛋白质的数量越多
D.蛋白质在进行细胞间的信息交流中具有重要作用
B
解析:由图中数据可知,细胞膜的组成成分有蛋白质、脂质和糖类,但主要成分是蛋白质和脂质;细胞膜的功能越复杂,其蛋白质的种类和数量越多;蛋白质在细胞间的信息交流中有重要作用,但由图中信息不能得出该结论。
新知探究三　细胞膜的结构
问题探究
探究1:磷脂分子在细胞膜中的排布
资料1:1917年,欧文·朗缪尔用苯将膜脂溶解,然后将苯—脂溶液置水面上展开,当苯挥发后,留下的脂在水面上形成脂单层,亲水的头朝向水面,疏水的尾背离水面。
问题(1):朗缪尔实验说明组成细胞膜的脂质有何特点
提示:朗缪尔发现组成细胞膜的脂质分子是两性分子,有亲水端和疏水端。
问题(2):水是一种极性溶剂,根据磷脂分子的结构特点,请建构磷脂在空气—水界面上的分布情况模型(画图)。
提示:磷脂分子亲水的头部朝向水侧,疏水的尾部朝向空气侧,即:
问题(3):如果将磷脂分子置于水—苯混合溶剂中,会如何分布 (画图)
提示:如果将磷脂分子置于水—苯混合溶剂中,可能会这样分布:
资料二:1925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。
问题(4):根据细胞内外均为水环境,请推测细胞膜上的磷脂分子应如何分布 (画图)
提示:细胞内外均为水环境,磷脂分子可能会这样分布:
探究2:蛋白质分子在细胞膜中的排布
资料1:1959年,罗伯特森用电子显微镜观察了细胞膜。显示出了“暗—亮—暗”的三层结构。据此,罗伯特森提出了细胞膜的“三明治”模型,即细胞膜是由蛋白质—脂质—蛋白质构成的静态统一结构。1959年以后,科学家测定细胞膜的厚度为7～8 nm,恰好是单层磷脂膜厚度的两倍。
问题(5):蛋白质—脂质—蛋白质的静态膜结构模型(“三明治”模型)能解释膜的哪些功能 不能解释哪些功能
提示:能解释蛋白质可以帮助物质运输。不能解释细胞的生长、膜的变形能力等。
问题(6):根据电镜照片和膜厚度测量数据的证据,请对细胞膜结构提出你的猜测。
提示:电镜证据支持了磷脂双分子层结构,但按照“三明治”模型,加上两侧的蛋白质,膜的总厚度应当超过20 nm,因此否定了膜的“三明治”三层结构。猜测蛋白质镶嵌在膜的磷脂双分子层中,才能不过多增加膜的厚度。
资料2:物理科学家在低温下将细胞膜切开,升温后暴露两层磷脂之间的断裂面(冰冻蚀刻法)。观察蛋白质在磷脂双分子层中的分布情况(如图)。
问题(7):根据以上资料,蛋白质分子在磷脂双分子层中的分布情况是怎样的
提示:蛋白质分子以不同方式镶嵌在磷脂双分子层中。
探究3:细胞膜的流动性
资料: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。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(如图)。
问题(8):该实验的结论是什么
提示:细胞膜具有流动性。
归纳总结
(1)结构模型
磷脂双分子层
基本支架
流动性
蛋白质
蛋白质分子
运动
糖蛋白
识别
(2)
流动性
磷脂分子
蛋白质分子
即时应用
C
5.对生物膜结构的探索经历了漫长的历程,下列结论(假说)错误的是 (　 　)
A.脂溶性物质更易通过细胞膜,说明细胞膜是由脂质组成的
B.提取哺乳动物成熟红细胞的脂质铺展成的单分子层的面积是红细胞表面积的2倍,说明细胞膜中的脂质分子排列为连续的两层
C.电镜下细胞膜呈清晰的“暗—亮—暗”三层结构,罗伯特森认为生物膜由脂质—蛋白质—脂质三层结构构成
D.人—鼠细胞融合实验证明细胞膜具有流动性
解析:根据相似相溶的原理,脂溶性物质更易通过细胞膜说明细胞膜是由脂质组成的;哺乳动物成熟红细胞的膜结构中只有一层细胞膜,脂质铺展成的单分子层的面积是红细胞表面积的2倍,说明细胞膜中的脂质分子排列为连续的两层;电镜下细胞膜呈清晰的暗—亮—暗三层结构,罗伯特森认为所有的细胞膜由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成;人—鼠细胞融合实验证明细胞膜具有流动性。
6.在人类对生物膜结构的探索历程中,罗伯特森提出的三层结构模型与流动镶嵌模型的相同点是(　 　)
A.两种模型都认为磷脂双分子层是构成膜的基本支架
B.两种模型都认为蛋白质分子均匀排列在脂质分子的两侧
C.两种模型都认为组成生物膜的主要物质是蛋白质和脂质
D.两种模型都认为组成生物膜的磷脂分子和大多数蛋白质分子可以运动
C
解析:磷脂双分子层是构成膜的基本支架,这是流动镶嵌模型的内容;蛋白质分子均匀排列在脂质分子的两侧是三层结构模型的内容;不论是三层结构模型还是流动镶嵌模型都是建立在生物膜主要由蛋白质和脂质组成这一基础之上的;三层结构模型是静态的统一结构模型,流动镶嵌模型认为组成生物膜的磷脂分子和大多数蛋白质分子是可以运动的。
联系实际·素养落实
[科学情境]
近年来,使用脂质体作为靶向给药的载体,已成为各药企研究的重要攻关方向。
脂质体是由具有亲水、疏水双重特性的磷脂分子等组装形成的一种双分子层结构,具有靶向性强、稳定性高的优异性能。近几年作为一种新型的药物载体受到广泛关注。据2019年4月统计,全球已有14款脂质体制剂上市。
脂质体靶向性强、安全性高、缓释效果好、生物相容性高等优势,是作为抗肿瘤药、疫苗和核酸类药物载体的最佳条件。从全球上市的14款脂质体制剂可以看出,抗肿瘤药物最多,占到64.29%。目前开发的脂质体靶向药物均属于注射剂。
知识迁移·培养能力
探究:(1)联系细胞膜的结构特点和脂质体进入机体的部位,画出你设计的一种脂质体模型。(画图)
提示:注射剂进入人体的体液中,体液的主要成分是水,因此脂质分子在脂质体中的排列方式最可能为
(2)在使用脂质体包裹药物时,需要考虑药物分子的哪种特性
提示:药物分子的亲水性。亲水性的药物包裹在脂质体内部空腔中,疏水性药物包裹在脂质体的两层磷脂分子层内部。
(3)脂质体包裹的药物如何进入患者细胞中
提示:由于细胞膜和脂质体均具有流动性,通过脂质体与细胞膜的融合可以使药物进入患者细胞中。
(4)为使治疗用脂质体具有“靶向”的功能,需要对脂质体进行何种处理 “靶向”体现了细胞膜的何种功能
提示:需要在脂质体的外侧嵌入特定的蛋白质,这些蛋白质可以与细胞膜识别。体现了细胞膜具有进行信息交流的功能。
课堂小结
完善概念图 关键语句
1.细胞膜主要由脂质和蛋白质组成,此外,还有少量的糖类。
2.细胞膜的磷脂双分子层是膜的基本支 架,具有流动性。
3.蛋白质分子以不同方式镶嵌在磷脂双分子层中: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,其中大多数蛋白质分子都是能运动的。
随堂反馈
1.多细胞生物体是由许多细胞通过信息交流形成的一个“细胞社会”。下列各项中,不是细胞间信息交流方式的是(　 　)
A.胰岛B细胞分泌的胰岛素通过血液运输作用于组织细胞
B.精子和卵细胞相互接触完成受精作用
C.细胞膜将细胞与周围环境分隔开
D.高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接
C
解析:胰岛素通过血液运输与靶细胞膜表面的受体结合,传递信息;精子和卵细胞相互接触完成受精作用,依赖细胞膜的直接接触进行信息交流;细胞膜将细胞与周围环境分隔开,不是细胞间信息交流的方式;高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接,有细胞间信息交流的作用。
2.科学家研究维生素吸收的实验表明,正常情况下维生素D可以优先于维生素C通过细胞膜进入细胞内部,这是因为(　 　)
A.细胞膜上含有蛋白质分子,协助维生素D进入
B.细胞内维生素D的浓度过低
C.细胞膜的主要成分是脂质,脂溶性物质容易通过
D.细胞膜上含维生素D这种固醇类物质
C
解析:维生素D的化学本质是脂质中的固醇类物质,维生素D可以优先通过细胞膜进入细胞内部,这是因为细胞膜的主要成分是脂质,而维生素C则属于水溶性物质。
3.下列选项中不符合生物膜的流动镶嵌模型观点的是(　 　)
A.磷脂双分子层是轻油般的流体,具有流动性
B.每个磷脂分子的疏水端都向内
C.嵌入磷脂双分子层的蛋白质分子大多能运动
D.膜中的磷脂和蛋白质之间没有联系,所以才具有流动性
D
解析:组成生物膜的各种分子相互作用、密切联系,维持了生物膜的整体性,而膜的流动性取决于组成膜的蛋白质分子和磷脂分子的运动性。
4.1959年罗伯特森提出了生物膜的“三明治”模型,该模型将生物膜描述为静态统一的结构。1972年,在综合了前人各种研究成果的基础上,辛格和尼科尔森提出了生物膜的流动镶嵌模型。该模型可以很好地解释当时的各种科学发现。下列说法正确的是(　 　)
A.细胞膜由磷脂双分子层构成,内外表面各有一层蛋白质分子
B.人鼠细胞融合实验证明了“三明治”模型
C.细胞膜由磷脂双分子层构成,蛋白质以不连续颗粒形式嵌入磷脂双分子层,磷脂分子和蛋白质均呈流动状态
D.流动镶嵌模型认为,细胞膜的外表面覆盖着一层糖被
C
解析:生物膜的流动镶嵌模型认为磷脂双分子层是膜的基本支架,蛋白质以不连续颗粒形式嵌入磷脂双分子层,即有的蛋白质分子镶嵌在磷脂双分子层中,有的蛋白质分子贯穿整个磷脂双分子层;构成生物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。对细胞膜进一步的研究发现,细胞膜外表面还有糖类和脂质构成的糖脂、糖类和蛋白质分子构成的糖蛋白,这些糖类分子叫作糖被。
5.细胞中的有机物是构成细胞结构的基础。如图中X、Y、Z表示构成细胞膜的三种主要的有机物,请回答下列问题。
(1)图中的物质X、Y和Z分别表示　　　　、　　　　　、　　　　　。不同细胞细胞膜的功能不同,主要与　　　　(填“X”“Y”或“Z”)的种类和数量有关。
解析:(1)细胞膜的主要成分是磷脂(C、H、O、N、P)、糖类(C、H、O)和蛋白质(C、H、O、N),分别是图中的Z、X、Y。其中Y蛋白质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。
答案:(1)糖类　蛋白质　脂质(或磷脂)　Y
(2)若将细胞膜的磷脂提取后放入盛有水的容器中,下列能正确反映其分布的图是(　　)
解析:(2)与水亲和的亲水头分布在水中,而两条疏水尾与水不亲和,因此受到水分子的排斥而朝向空气中,如A图所示。
答案:(2)A
(3)不同物种的动物进行杂交,通常无法产生受精卵,原因是卵细胞与精子无法识别,这体现了细胞膜具有　　　　　　　　　的功能。
解析:(3)精卵细胞间的识别是通过信号分子与相应细胞膜上特异性受体结合实现的,体现了细胞膜具有进行细胞间信息交流的功能。
答案:(3)进行细胞间的信息交流