【学案】 第3章　第1节　细胞膜的结构和功能　生物学人教版（2019） 必修1

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第3章　第1节　细胞膜的结构和功能
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.从系统与环境关系的角度，阐释细胞膜作为系统的边界所具有的功能。2.分析细胞膜组成成分与结构的关系，说明细胞膜结构的物质基础，概述流动镶嵌模型的主要内容。3.分析对细胞膜成分与结构的探索历程，认同科学理论的形成是一个科学精神、科学思维和技术手段结合下不断修正与完善的过程。 1.细胞膜的主要组成成分是脂质和蛋白质，还含少量糖类。2.细胞膜是细胞的边界，不仅将细胞与外界环境分隔开，还具有控制物质进出、进行细胞间的信息交流等作用。3.流动镶嵌模型认为：磷脂双分子层构成膜的基本支架，蛋白质分子镶在或嵌入或贯穿于磷脂双分子层。4.细胞膜的结构特点是具有一定的流动性，功能特性是具有选择透过性。5.糖蛋白分布于细胞膜的外表面，与细胞识别作用有关。
[主干知识梳理]
一、细胞膜的功能
1．将细胞与外界环境分隔开
细胞膜将生命物质与外界环境分隔开，保障了细胞内部环境的相对稳定。
2．控制物质进出细胞
3．进行细胞间的信息交流
(1)通过化学物质传递信息。
(2)通过细胞膜直接接触传递信息。
(3)通过细胞通道传递信息。
二、细胞膜成分和结构的探索
1．对细胞膜成分的探索
(1)对细胞膜成分的早期探索历程
时间(人物) 实验依据 结论或假说
1895年，欧文顿 对植物细胞进行通透性实验，发现可以溶于脂质的物质更容易通过细胞膜 细胞膜是由脂质组成的
部分科学家 对哺乳动物红细胞的细胞膜进行化学分析 细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇，其中磷脂含量最多
1925年，荷兰科学家戈特和格伦德尔　　　 将从人的红细胞中提取的脂质铺成单分子层。其面积是红细胞表面积的2倍 细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层
1935年，英国学者丹尼利和戴维森 细胞的表面张力明显低于油—水界面的表面张力 细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质
(2)细胞膜的成分
①细胞膜主要由脂质和蛋白质组成，此外，还有少量的糖类。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。
②蛋白质在细胞膜行使功能方面起重要作用，功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类与数量就越多。
2．对细胞膜结构的探索
时间 实例(实验) 结论(假说)
1959年 电镜下细胞膜呈清晰的暗—亮—暗的三层结构 罗伯特森认为所有的细胞膜都由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成
1970年 人、鼠细胞融合实验 细胞膜具有流动性
1972年 流动镶嵌模型 辛格和尼科尔森提出了生物膜的流动镶嵌模型
三、流动镶嵌模型的基本内容
1．结构模型
(1)图中a
(2)图中b
(3)图中c
2．结构特点：具有一定的流动性。
[边角知识发掘]
1．结合教材P41“图3 2　细胞间信息交流的方式举例”回答下列问题：
(1)图中①②③④的物质或结构的名称分别是______________________。
(2)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上面的哪种方式？____________________________________________________。
(3)细胞间进行信息交流时往往需要受体和信号分子，受体和信号分子的结合________(填“有”或“没有”)特异性。
答案：(1)①信号分子；②受体；③与膜结合的信号分子；④胞间连丝
(2)分别属于图C、图A、图B
(3)有
2．结合教材P42“磷脂分子的结构式图和示意图”，思考并讨论下列问题：
(1)磷脂分子含有的元素组成是________________。
答案：C、H、O、N、P
(2)单纯的磷脂分子在水中可以形成双层脂分子的球形脂质体(如图)，它可以作为药物的运载体，将其运送到特定的细胞发挥作用。脂质体中，在b处嵌入脂溶性药物，在a处嵌入水溶性药物。
①为什么两类药物的包裹位置各不相同？
提示：构成细胞膜的磷脂双分子层，其中磷脂分子是一种由甘油、脂肪酸和磷酸等所组成的分子，磷酸“头”部是亲水的，脂肪酸“尾”部是疏水的，所以a是亲水性的物质，b是疏水性的脂溶性的物质。
②脂质体到达细胞后，药物是如何进入细胞内发挥作用的？
提示：细胞膜主要是由磷脂双分子层构成的，也含有脂质，利用图中脂质体可以和细胞膜融合的特点，将药物送入靶细胞内部。
3．有人在实验时发现：在一定温度下，细胞中的脂质分子均垂直排列于膜表面；当温度升高到一定程度时，细胞膜中的脂质分子有75%排列不整齐，细胞膜的厚度变小，表面积扩大，对离子和分子的通透性提高。
(1)上述现象说明：细胞膜的结构特点是具有__________________，并且温度能影响膜的______。
(2)细胞膜具有屏障作用，水溶性分子或离子不能自由通过的原因是____________________________________________________。
答案：(1)一定的流动性　流动性
(2)磷脂双分子层构成膜的基本支架，其内部是磷脂分子的疏水端
[教材问题提示]
(一)思考·讨论(教材P42)
1．最初对细胞膜成分的认识，是通过对现象的推理分析得出的。
2．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。科学家因测得从哺乳动物成熟的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，才得出脂质在细胞膜中必然排列为连续的两层这一结论。
3．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。
4．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。
(二)旁栏思考(教材P45)
一是因为水分子极小，可以通过由于磷脂分子运动而产生的间隙；二是因为膜上存在水通道蛋白，水分子可以通过通道蛋白通过膜。
新知探究一　细胞膜的功能
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．用显微注射器将一种叫作伊红的物质注入变形虫体内，伊红很快扩散到整个细胞，却不能很快逸出细胞；在光学显微镜下看到，用微针触碰细胞表面时，细胞表面有弹性，可以伸展；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积过大，细胞会死亡。以上事实能说明细胞膜具有什么功能？
提示：细胞膜将生命物质与外界环境分隔开，保障了细胞内部环境的相对稳定。
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。莲藕“出淤泥而不染”的事例说明细胞膜具有什么功能？这种功能的具体体现是什么？
提示：控制物质进出细胞的功能。主要体现在对营养物质的吸收及对有害废物的排出，以及防止病菌、病毒的侵入等方面。
[师说重难]　
1．细胞膜的功能图解
2．细胞间信息交流的三种方式
(1)一些细胞，如内分泌细胞分泌的一些物质(如激素)，通过血液的传递运送到作用部位的细胞(靶细胞)，被靶细胞的细胞膜上的受体(成分为糖蛋白)识别，引起靶细胞的生理反应(图示如下)。
(2)相邻两个细胞的细胞膜直接接触，通过糖蛋白识别，将信息从一个细胞传递给另一个细胞(图示如下)。
(3)植物细胞间的识别主要是通过植物细胞间的胞间连丝来实现的(图示如下)。
[在应用中悟]
[典例1]　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．具有免疫的功能
[解析]　由题干信息“有选择地将有毒重金属离子阻挡在膜的一侧”体现了细胞膜控制物质进出细胞的功能。
[答案]　B
[典例2]　作为系统的边界，细胞膜在细胞的生命活动中有多种功能。有关下图模型的说法错误的是(　　 )
A．图示信息主要体现了细胞膜能进行细胞间信息交流的功能
B．甲细胞分泌a物质与细胞膜控制物质进出功能有关
C．乙细胞上识别a物质的受体b可以识别所有的信号分子
D．b物质的主要成分是蛋白质
[解析]　图示所示的是细胞间进行信息交流的一种方式；甲细胞分泌物质a也是细胞膜控制物质出入细胞的一个实例；不同的信息分子具有不同的受体，所以图中的受体b不能识别所有的信息分子；b的化学本质是糖蛋白，其主要成分是蛋白质。
[答案]　C
■易错提醒
细胞间信息交流的两个提醒
(1)三种信息交流方式是发生于细胞与细胞之间的，而不是细胞内的信息交流。
(2)通过化学物质传递信息和通过细胞膜接触传递信息都依赖于细胞膜上的受体蛋白，但是通过细胞通道的信息交流不需要受体。
[在训练中评]
1．(2020·山东大学附属中学期中)下列生理活动不能体现细胞间信息交流的是(　　)
A．动物分泌的激素使靶细胞的代谢活动发生改变
B．人成熟的红细胞吸收水分
C．精卵之间的识别与结合
D．高等植物细胞间通过胞间连丝来进行信息交流
解析：选B　红细胞吸收水分不能体现细胞间信息交流。
2．最新研究发现，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和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
解析：选D　细胞膜上的受体识别相应的信号分子并与之结合来完成信息传递的过程，属于细胞膜的信息交流功能，A正确，D错误；根据题干信息分析可知，内皮素拮抗剂与内皮素结构相似，B正确；根据题干信息“内皮素拮抗剂可以进入皮肤和细胞膜上的黑色素受体结合，使内皮素失去作用”可知，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，C正确。
新知探究二　细胞膜的成分和结构
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．许多有关细胞膜化学组成的资料，都来自细胞膜(尤其是红细胞膜)的研究。下表是猪的几种细胞的细胞膜组成成分，回答问题：
细胞膜的种类 主要成分含量
蛋白质 脂质 糖类
成熟的红细胞膜 42% 53% 5%
肌细胞膜 36% 60% 4%
小肠绒毛上皮细胞膜 50% 44% 6%
(1)不同细胞的细胞膜各种成分的含量完全相同吗？
提示：不完全相同。
(2)上述几种细胞膜的脂质成分中哪种含量最丰富？
提示：磷脂含量最丰富。
(3)小肠绒毛上皮细胞膜蛋白质含量最高，功能也最复杂，这说明什么？
提示：说明蛋白质在细胞膜行使功能时起重要作用。
2．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质膜的某一区域，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(如图)。光漂白区重新出现荧光的原因是什么？质膜是静态的还是具有一定流动性的？
提示：是由于质膜上其他区域的蛋白质流动到光漂白区呈现的荧光。质膜是具有一定的流动性的。
[师说重难]　
1．生物膜的流动镶嵌模型
(1)细胞膜中的脂质除磷脂外，还有一些糖脂和胆固醇。
(2)糖脂和糖蛋白都分布于细胞膜的外表面。
(3)脂质和蛋白质分子并不是均匀分布的，而是呈不对称性分布。
2．细胞膜的结构特点——流动性
(1)结构基础：磷脂分子和大多数蛋白质分子是可以运动的。
(2)生理意义：保证了细胞的物质运输、信息交流、分裂和融合等正常生命活动的进行。
(3)表现：分泌蛋白的分泌、细胞膜厚度的改变、动物细胞吸水膨胀和失水皱缩、变形虫的运动等，都体现了细胞膜的流动性。
[在应用中悟]
[典例1]　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
[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。
[答案]　B
[典例2]　如图为生物膜流动镶嵌模型的模式图。下列有关叙述正确的是(　　)
A．若该生物膜表示动物细胞膜，则其脂质成分就是图中的a(磷脂)
B．若该生物膜表示细胞膜，则在结构上其存在双层膜
C．若该生物膜表示某细胞器膜，则a种类的多样性决定了膜功能的多样性
D．若该生物膜表示人体消化道上皮细胞的细胞膜，则b与细胞的表面识别和信息交流有关
[解析]　图中a表示磷脂分子，b表示糖蛋白，c表示蛋白质。若该生物膜表示动物细胞膜，则其脂质成分除磷脂外，还应该有胆固醇等。若该生物膜表示细胞膜，则其在结构上具有磷脂双分子层，而不是具有双层膜。若该生物膜表示某细胞器膜，则膜上蛋白质(c)种类的多样性决定了膜功能的多样性；此外，糖蛋白的种类差异也会导致膜功能的不同，而a为磷脂。细胞膜外表面的糖蛋白与细胞识别和信息交流有关。
[答案]　D
[在训练中评]
1．植物的花粉四处飞扬，却只有落在同种植物的柱头上才会萌发，落到其他植物的柱头上不会萌发。经研究发现，以上事实是由于细胞之间存在着识别作用，这种识别作用与细胞膜的哪种成分有关(　　)
A．糖蛋白　　　　 B．磷脂
C．糖脂 D．胆固醇
解析：选A　糖蛋白与细胞膜的识别作用有关。
2．如图为细胞膜的亚显微结构示意图，图中“”表示物质a，下列相关叙述错误的是(　　)
A．①是糖蛋白，与细胞表面的识别有密切关系
B．②是磷脂双分子层，构成细胞膜的基本支架
C．③是蛋白质，在不同的细胞膜中其含量不同
D．图中所示的物质a是从膜外进入到膜内
解析：选D　糖蛋白位于细胞膜外，因此图中所示的物质a是从膜内出去到膜外。
科学探究——细胞膜成分和功能的实验探究
1．细胞膜成分的鉴定
细胞膜成分 鉴定试剂(方法) 结果
磷脂 脂溶剂处理 细胞膜被溶解
磷脂酶处理 细胞膜被破坏
脂溶性物质透过实验 脂溶性物质优先通过
蛋白质 双缩脲试剂 紫色
蛋白酶处理 细胞膜被破坏
2.细胞膜功能的实验验证
(1)控制物质进出功能的验证
(2)识别功能的验证
[素养评价]
1．取细胞膜上糖蛋白成分相同的两种海绵动物，将其细胞都分散成单个后混合培养，发现两种细胞能够结合在一起；但将细胞膜上糖蛋白成分不相同的两种海绵动物的细胞分散后混合培养，发现两种细胞不能结合在一起。这一实验现象说明细胞膜上的糖蛋白与(　　)
A．细胞间的相互识别有关 B．细胞的分泌作用有关
C．细胞间的免疫作用有关 D．细胞的物质交换有关
解析：选A　细胞膜上糖蛋白的成分相同，两种细胞就能够结合在一起；细胞膜上糖蛋白的成分不相同，两种细胞就不能结合在一起，这说明糖蛋白与细胞之间的相互识别有关。
2．水溶性染色剂(PI)能与核酸结合而使细胞核着色，可将其应用于细胞死活的鉴别。将细胞浸泡于一定浓度的PI中，仅有死亡细胞的核会被染色，活细胞则不着色，但将PI注射到活细胞中，则细胞核会着色。利用PI鉴别细胞死活的基本原理是(　　)
A．死细胞与活细胞的核酸结构不同
B．死细胞与活细胞的核酸含量不同
C．活细胞能分解染色剂PI
D．活细胞的细胞膜能阻止PI的进入
解析：选D　死细胞的细胞膜对物质进出细胞失去了控制作用；活细胞的细胞膜具有选择透过性，能控制物质进出细胞。
3．科学工作者用不同颜色的荧光染料分别标记人和鼠细胞的膜蛋白后，进行细胞融合实验(如图所示)。该实验说明(　　)
A．膜蛋白是可以移动的
B．两种细胞的膜蛋白种类相同
C．膜蛋白可以起生物催化作用
D．膜蛋白能控制某些物质出入细胞
解析：选A　用发红色荧光的染料标记人细胞的膜蛋白，用发绿色荧光的染料标记鼠细胞的膜蛋白，然后诱导二者融合。开始时融合细胞的一半发红色荧光，一半发绿色荧光，一段时间后，两种颜色的荧光均匀分布。这说明膜蛋白是可以运动的。
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