第2节 生物膜的流动镶嵌模型
学习目标
核心素养
1．了解生物膜结构的探究历程和方法。
2.简述生物膜的流动镶嵌模型的内容。(重点)
3.理解生物膜结构与功能相适应的应用分析。
1．通过对细胞膜的结构的学习，形成结构与功能相适应的生命观念。
2.通过对细胞膜的流动镶嵌模型学习，养成模型与建模的科学思维方式。
一、对生物膜结构的探索历程
时间
科学家或实验
结论
19世纪末
欧文顿
膜是由脂质组成的
20世纪初
膜的分离实验
膜的主要成分是脂质和蛋白质
1925年
脂质的提取实验
细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的两层
1959年
罗伯特森
所有的生物膜都由蛋白质－脂质－蛋白质三层结构构成
1970年
荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合实验
细胞膜具有流动性
1972年
桑格和尼克森
生物膜的流动镶嵌模型
二、生物膜的流动镶嵌模型
1．化学组成：主要是磷脂和蛋白质。
2．结构模型
(1)图中①
(2)图中②
(3)图中③
3．结构特点：具有一定的流动性。
4．生物膜的功能特性
生物膜的结构决定了生物膜的功能特性：选择透过性。
1．细胞膜的组成成分只有磷脂和蛋白质。 ( )
2．生物膜具有流动性是由于磷脂分子可以运动，从而带动了膜上的蛋白质运动。 ( )
3．细胞膜上的糖类都和蛋白质结合形成了具有识别作用的糖蛋白。 ( )
4．罗伯特森提出的“三明治模型”的一大缺点就是认为膜是静止不动的。 ( )
5．科学技术的进步在生物膜的流动镶嵌模型建立过程中发挥了重要作用。 ( )
提示：1．× 细胞膜的成分中含有少量的糖类。
2．× 蛋白质分子的运动并不是磷脂分子运动带动的。
3．× 有些糖类和脂质结合形成糖脂。
4．√ 5.√
对生物膜结构的探究历程
[问题探究]
1．结合教材P67图4－5，思考讨论下列问题：
(1)人、鼠细胞膜蛋白最终均匀分布说明什么问题？
提示：膜蛋白是运动的，即细胞膜具有流动性。
(2)若适当降低温度，膜蛋白最终均匀分布的时间会延长，由此说明什么？
提示：温度能影响膜的流动性。
2．仔细观察教材P66[思考与讨论]中磷脂分子图示，思考并讨论下列问题：
(1)磷脂分子含有哪些元素？
提示：C、H、O、N、P。
(2)磷脂分子具有怎样的结构特点？
提示：磷脂分子是由磷酸组成的亲水的“头”部和甘油、脂肪酸组成的疏水的“尾”部所构成。
(3)结合磷脂分子的结构特点，试以示意图的形式画出多个磷脂分子在水—空气界面的排布状态和在细胞膜上的排布状态，并分析其原因。
提示：
分析：①水—空气界面：因为磷脂分子的“头部”亲水，“尾部”疏水，所以在水—空气界面上磷脂分子“头部”向下与水面接触，“尾部”则朝向空气一面。
②细胞膜上：因细胞膜内外均为水环境，依据磷脂分子“头部”亲水，“尾部”疏水的特点，故呈现如上图所示状态。
3．结合你所学习的知识，思考哪些实例还能说明膜具有流动性？
提示：变形虫的运动、分泌蛋白由转运小泡的转运和分泌小泡的分泌、质壁分离过程中原生质层的收缩。
[归纳总结]
1．构成生物膜的磷脂分子分析
(1)结构：由磷酸、甘油和脂肪酸构成，其中磷酸作为亲水性的“头部”、脂肪酸作为疏水性的“尾部”。
(2)排列方式：“尾部”相对、“头部”朝外构成磷脂双分子层(如图)，作为生物膜的支架。磷脂分子的这种排列方式符合生物膜两侧均为水环境的事实。
2．人鼠细胞融合实验分析
(3)结论：细胞膜上的蛋白质是运动的，膜具有一定的流动性。
3．温度、膜流动性与细胞生命活动的关系
(1)温度高时，膜流动性大，有利于生命活动的进行，但温度过高，膜的流动性过大，甚至破坏了膜的结构，反而不利于生命活动的正常进行。
(2)温度低时，膜的流动性下降，膜的运输功能下降或完全丧失。
1．科学家用两种荧光染料分别标记人和小鼠细胞表面的蛋白质分子，将这两种标记细胞进行融合。细胞刚发生融合时，两种荧光染料在融合细胞表面对等分布(即各占半边)，最后在融合细胞表面均匀分布。这一实验现象支持的结论是( )
A．膜蛋白能自主翻转 B．细胞膜具有流动性
C．细胞膜具有选择透过性 D．膜蛋白可以作为载体蛋白
B [两种荧光染料标记细胞表面的蛋白质分子，细胞刚融合时，两种荧光染料在细胞表面对等分布，最后在细胞表面均匀分布，说明细胞膜具有流动性。不能说明膜蛋白能在细胞内外翻转，也不能说明细胞膜的物质运输功能。]
2．下列关于生物膜结构探索历程的说法中，不正确的是( )
A．最初通过对现象的推理分析得出细胞膜是由脂质组成的
B．三层结构模型认为生物膜为静态的结构
C．流动镶嵌模型认为构成生物膜的磷脂分子和大多数蛋白质分子是可以运动的
D．三层结构模型和流动镶嵌模型都认为蛋白质分子在膜中的分布是不均匀的
D [三层结构模型认为生物膜结构由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成，认为蛋白质是均匀的、固定的。]
生物膜的流动镶嵌模型
[问题探究]
1．根据桑格和尼克森构建的流动镶嵌模型，思考它是对称模型吗？为什么？如何判断细胞膜的外侧和内侧？
提示：不对称。因为构成生物膜的蛋白质分子的分布不均匀。根据糖蛋白的分布情况，有糖蛋白的一侧为膜的外侧，无糖蛋白的一侧则为膜内侧。
2．实验表明，将两种不同的海绵动物的细胞分散成单个的细胞，然后将这些细胞掺在一起混合培养，发现只有同种的细胞才能结合，在这里起识别作用的是细胞膜上的何种物质？
提示：糖蛋白。
[归纳总结]
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．生物膜两大特点的比较
(1)区别
项目
结构特点——流动性
功能特点——选择透过性
基础
磷脂分子和大多数蛋白质分子都是运动的
膜上具有载体蛋白
意义
保证细胞的物质需要、信息交流、分裂和融合等生命活动的进行
控制物质进出
表现
分泌蛋白的分泌、变形虫的变形、吞噬细胞的吞噬
有些物质可进入细胞，有些物质不能进入
(2)联系
①图示：
②分析：细胞膜的流动性是其选择透过性的基础，具有流动性才能表现出选择透过性。例如，载体蛋白可以运动是其能运输物质的基础。
易错提醒：有关生物膜结构的三点提醒
(1)分析实例体现的特点时，一定要看清要求是体现出“功能特点”还是“结构特点”。
(2)只有活细胞的生物膜才能体现选择透过性，因此可以利用此原理判断细胞的死活。
(3)生物膜中的糖类不是全部和蛋白质结合形成糖蛋白，有的和脂质结合形成糖脂，作为细胞表面的标志物质，部分参与细胞间的信息交流。
1．下图为细胞膜的流动镶嵌模型，有关叙述不正确的是( )
A．具有①的一侧是细胞膜的外侧
B．①与细胞识别有关
C．②构成细胞膜的基本支架
D．细胞膜的选择透过性与①的种类和数量有关
D [图中①为糖蛋白，其只分布在细胞膜的外侧，糖蛋白具有识别功能，与细胞识别有关；②为磷脂双分子层，构成了细胞膜的基本支架；细胞膜的选择透过性与③蛋白质的种类和数量有关。]
2．下列不符合生物膜的流动镶嵌模型的说法是( )
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．生物膜中的磷脂分子和蛋白质分子之间没有联系，所以才具有流动性
D [生物膜中的磷脂分子和蛋白质分子大都能运动，这使整个生物膜具有流动性。生物膜是一个整体，它上面的各种分子相互作用、密切联系才维持了生物膜的整体性。]
[课堂小结]
知识网络构建
核心语句背诵
1．脂溶性物质优先通过细胞膜，说明细胞膜中含有脂质。
2.磷脂双分子层是构成生物膜的基本支架。
3.构成生物膜的磷脂和蛋白质分子大多数是可以运动的。
4.糖蛋白只分布于细胞膜的外表面，与细胞识别作用有关。
5.细胞膜的结构特性是具有一定的流动性，功能特性是具有选择透过性。
1．将细胞膜的磷脂提取后放入盛有水的容器中，经过充分的搅拌后，下列能正确反映其分布的是( )
A [磷脂分子的头部是亲水性的，尾部是疏水性的。]
2．罗伯特森的关于生物膜模型的构建：所有的生物膜都由蛋白质－脂质－蛋白质三层结构构成，电镜下看到的中间的亮层是脂质分子，两边的暗层是蛋白质分子。这一观点的局限性主要在于( )
A．不能解释生物膜的化学组成
B．不能解释生物膜成分的相似性
C．不能解释脂质类物质较容易跨膜运输
D．不能解释变形虫的变形运动
D [三层结构膜型认为生物膜为静态结构。]
3．以下关于细胞膜结构的叙述中不正确的是( )
A．膜两侧物质分子的排列是不对称的
B．组成膜的物质分子的运动使膜具有一定的流动性
C．磷脂具有保护、润滑、识别和信息传递的作用
D．磷脂排列成双分子层
C [细胞膜上的糖蛋白具有保护、润滑、识别和信息传递的作用，磷脂双分子层是构成细胞膜的基本支架。]
4．下列过程中，不直接依赖细胞膜的流动性就能完成的是( )
A．液泡失水皱缩
B．氨基酸在核糖体上进行脱水缩合
C．变形虫的变形
D．人鼠细胞融合
B [核糖体不具有膜结构。]
5．如图表示细胞膜的亚显微结构模式图，请据图回答：
(1)图中[A]________的基本组成单位是________。构成细胞膜基本支架的结构是[ ]____________。
(2)与细胞膜的识别功能有关的结构是[ ]________。
(3)吞噬细胞吞噬细菌的过程体现了细胞膜具有______性。这是因为_____________________________________________________。
(4)不同细胞细胞膜的生理功能不同，主要取决于细胞膜上的什么结构？________(填写标号)。
(5)细胞膜的外侧是________(填“M”或“N”)侧，判断的依据是______________________________________________________。
(6)细胞膜的这种结构模型被称为____________。
[答案] (1)蛋白质 氨基酸 C 磷脂双分子层
(2)D 糖蛋白
(3)流动 组成细胞膜的蛋白质分子和磷脂分子都不是静止不动的，而是可以运动的
(4)A
(5)M M侧有多糖与蛋白质结合形成的糖蛋白，糖蛋白位于细胞膜外侧
(6)流动镶嵌模型
课件47张PPT。第4章 细胞的物质输入和输出第2节 生物膜的流动镶嵌模型脂质脂质蛋白质两层蛋白质－脂质－蛋白质流动性流动镶嵌磷脂蛋白质流动性磷脂双分子层蛋白质分子嵌入贯穿运动 糖蛋白糖被细胞识别流动性选择透过性对生物膜结构的探究历程 生物膜的流动镶嵌模型 点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十三) 生物膜的流动镶嵌模型
(建议用时：35分钟)
[合格基础练]
1．在生物膜结构的探索历程中，提出流动镶嵌模型的科学家是( )
A．罗伯特森和桑格 B．桑格和尼克森
C．尼克森和欧文顿 D．尼克森和罗伯特森
[答案] B
2．下列最能正确表示细胞膜的结构的是( )
A B C D
C [细胞膜的基本支架是磷脂双分子层，头部是亲水的，朝向细胞内外。蛋白质覆盖、镶嵌或贯穿其中，细胞膜外侧有识别作用的糖蛋白。A、B图磷脂分子头部排列错，无糖蛋白，故A、B错。D图细胞膜内外都有糖蛋白，故D错。]
3．生物膜上的蛋白质通常与多糖结合成糖蛋白。在细胞的生命活动中，糖蛋白在细胞的识别以及细胞内外的信息传导中具有重要的功能。下列生物膜结构中，糖蛋白含量最多的可能是( )
A．高尔基体膜 B．线粒体膜
C．细胞膜 D．内质网膜
C [糖蛋白具有识别作用，主要用于对外来物质的识别，而细胞膜是系统的边界，是将细胞与外界隔开的屏障，因此细胞膜上的糖蛋白含量最多。]
4．性激素是一种固醇类物质，它可以优先通过细胞膜扩散到细胞内部，这主要与细胞膜的哪项结构有关( )
A．① B．②
C．③ D．②③
A [性激素属于脂质，而脂质优先通过细胞膜，与细胞膜的成分中含有磷脂分子有关，由图可知，①为磷脂双分子层。]
5．关于细胞膜流动性的叙述正确的是( )
A．因为磷脂分子有头和尾，磷脂分子利用尾部摆动在细胞膜上运动，使细胞膜具有流动性
B．因为蛋白质分子无尾，不能运动，所以它与细胞膜的流动性无关
C．细胞膜的流动性是指蛋白质载体的翻转运动，与磷脂分子无关
D．细胞膜流动性与磷脂分子和蛋白质分子都有关
D [磷脂双分子层构成细胞膜的基本支架，这个支架不是静止的，具有流动性。构成细胞膜的蛋白质分子大多数也是可以运动的。]
6．细胞膜是细胞的边界，下列过程不能体现细胞膜具有流动性的是( )
A．由一个细胞分裂为两个细胞
B．动物细胞膜上的糖蛋白的识别过程
C．植物细胞出现质壁分离
D．高尔基体产生囊泡与细胞膜融合
B [由于膜具有流动性，细胞才能分开为两个细胞，原生质层才能收缩出现质壁分离、囊泡膜才能与细胞膜融合。]
7．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 [罗伯特森提出的三层结构模型认为蛋白质分子均匀排列在脂质分子的两侧。中间是脂质分子，为静态结构；流动镶嵌模型认为磷脂双分子层是构成膜的基本支架，组成生物膜的磷脂分子和大多数蛋白质分子可以运动，为动态模型。故A、D是流动镶嵌模型观点，B是三层结构模型观点，而C是二者相同点，故C正确。]
8．下图是桑格和尼克森在1972年提出的关于生物膜分子结构的流动镶嵌模型，下列叙述错误的是( )
A．图中a与细胞识别有关，细胞的识别是信息传递的过程
B．图中c分子具有亲水的磷酸头部和疏水的脂肪酸尾部
C．图中d的分布状态有两种：镶在表面或贯穿于整个磷脂双分子层
D．b构成膜的基本支架，具有对称性
C [a是糖蛋白，与细胞识别有关，A正确；c是磷脂分子，头部具有亲水性，尾部具有疏水性，B正确；d是蛋白质，在细胞膜上分布有3种状态，镶在表面或贯穿于整个磷脂双分子层，或者嵌插在磷脂双分子层中，C错误；b是磷脂双分子层，是组成细胞膜的基本支架，其分布是不对称的，D正确。]
9．下图为细胞膜的流动镶嵌模型示意图，有关叙述错误的是( )
A．a指磷脂分子的尾部，具有疏水性
B．c指磷脂分子的头部，具有亲水性
C．糖蛋白在细胞膜的内外侧均有分布
D．细胞膜的选择透过性与b的种类和数量有关
C [磷脂是由甘油、脂肪酸和磷酸组成的，其“头”部(c)是亲水端，“尾”部(a)是疏水端。细胞膜为细胞的边界，在细胞膜的外侧分布着具有识别作用的糖蛋白，而在细胞膜的内侧没有糖蛋白分布。细胞膜具有选择透过性，这与细胞膜上b的种类和数量有关。]
10．下图表示细胞膜的亚显微结构，请据图回答下列问题：
(1)细胞膜的基本支架是[ ]____________。
(2)该结构的基本功能是____________，与此相关的对生命活动至关重要的特性是____________。
(3)细胞识别、物质的跨膜运输等与图中__________(填图中字母)有关。
(4)叶绿体和线粒体等细胞结构中均有此结构，但执行的具体功能有很大区别，具体原因是图中____________(填图中字母)不同所致。
(5)有人发现，在一定温度条件下，细胞膜中的脂质分子均垂直排列于膜表面。当温度上升到一定程度时，细胞膜的脂质分子有75%排列不整齐。细胞膜厚度变小，而膜表面积扩大。对于膜的上述变化，合理的解释是
______________________________________________________
______________________________________________________。
[解析] 磷脂双分子层构成了细胞膜的基本支架；细胞膜的结构特点是具有一定的流动性，有利于细胞生命活动的正常进行；细胞膜除了具有保护细胞内部结构的功能以外，还有控制物质出入细胞的功能，即其生理特性是具有选择透过性；细胞膜的选择透过性对于细胞的生命活动至关重要，不同的膜结构其蛋白质不同，它们执行的具体功能就有很大的区别；构成细胞膜的脂质分子和蛋白质分子大都可以运动，影响脂质运动的因素有多种，温度是其中的重要因素，在一定范围内升高温度，能增强脂质的流动性。
[答案] (1)B 磷脂双分子层
(2)保护和运输(控制物质的出入)功能 选择透过性
(3)A (4)A (5)细胞膜具有流动性
11．用不同的荧光染料标记的抗体，分别与人细胞和小鼠细胞的细胞膜上的一种抗原物质结合，使两类细胞分别产生绿色和红色荧光。当这两种细胞融合成一个细胞时，开始一半呈绿色，一半呈红色。但在37 ℃下保温40 min后，两种颜色的荧光点就呈均匀分布(如图)。据图回答下面的问题：
(1)人和小鼠细胞膜表面的抗原属于构成膜结构的____________物质。
(2)融合细胞表面两类荧光染料分布的动态变化，表明了组成细胞膜的____________等分子是可以运动的，由此可以证实关于细胞膜结构“流动镶嵌模型”的观点是成立的。
(3)融合细胞表面两类荧光染料最终均匀分布，原因是__________________________________，这表明细胞膜的结构特点是具有____________。
(4)如果该融合实验在20 ℃条件下进行，则两种表面抗原均匀分布的时间将大大延长，这说明________________。若在0 ℃下培养40 min，则发现细胞仍然保持一半发红色荧光，另一半发绿色荧光。对这一现象的合理解释是__________________。
[解析] 细胞膜的主要成分是蛋白质分子和磷脂分子，能与荧光染料标记的抗体结合的应是膜上的蛋白质分子，即题中所谓的“抗原”物质。人细胞和小鼠细胞融合成一个细胞后，开始时因温度和时间的关系，不同膜上的荧光性表现在相对集中的区域，其物质的流动性暂时未得到体现。将融合细胞置于37 ℃下保温40 min后，温度适宜，膜上的分子因流动而发生重新排列，表现出荧光点均匀分布的现象，若温度降低，膜流动性减弱，两种荧光染料混合的时间大大延长，甚至不能混合。
[答案] (1)蛋白质 (2)蛋白质
(3)构成膜结构的磷脂分子和蛋白质分子大都可以运动 一定的流动性
(4)随环境温度的降低，膜上蛋白质分子的运动速率减慢 细胞膜的流动性特点只有在适宜的条件下才能体现
[等级过关练]
12．磷脂是组成细胞膜的重要成分，这与磷脂分子的头部亲水、尾部疏水的性质有关。某研究小组发现植物种子细胞以小油滴的方式贮油，每个小油滴都由磷脂膜包被着，该膜最可能的结构是( )
A．由单层磷脂分子构成，磷脂的尾部向着油滴内
B．由单层磷脂分子构成，磷脂的头部向着油滴内
C．由两层磷脂分子构成，结构与细胞膜完全相同
D．由两层磷脂分子构成，两层磷脂的头部相对
A [磷脂分子头部亲水，尾部疏水，且油滴内部贮油，所以磷脂的尾部向着油滴内，头部向着油滴外，由单层磷脂分子构成。]
13．下图为嗅觉受体细胞膜的亚显微结构模式图，下列对该图有关内容的描述错误的是( )
A．①②③共同为细胞的生命活动提供相对稳定的内部环境
B．①和②构成糖蛋白，可作为气味分子的受体并完成信息的传递
C．③为磷脂双分子层，为细胞膜的基本支架
D．①为多肽，其基本组成单位是氨基酸
D [读图可知，①为糖链，②为蛋白质，③为磷脂分子，①糖链由多糖构成，其组成单位为单糖。]
14．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，该区域荧光淬灭(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，即又出现了斑点。上述实验不能说明的是( )
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跨膜运输的速率
D．根据荧光恢复的速率可推算出膜中蛋白质或脂质的流动速率
C [该过程说明细胞膜具有流动性，荧光染料能与细胞膜组成成分结合，根据荧光恢复的速率可推算出膜中蛋白质或脂质的流动速率，但不能根据荧光恢复的速率推算出物质跨膜运输的速率，因为该过程中没有发生物质跨膜运输。所以C不正确。]
15．脂质体是根据磷脂分子可以在水中形成稳定的脂质双层膜的原理而制备的人工膜。单层脂质分子铺展在水面上时，极性端(亲水端)与非极性端(疏水端)排列不同，搅拌后可形成双层脂质分子的球形脂质体(如图所示)。
(1)将脂质体置于清水中，一段时间后发现，脂质体的形态、体积没有变化，这一事实说明
______________________________________________________
______________________________________________________。
(2)根据细胞膜的基本支架是____________可以推测，水分子不能通过脂质体而能通过细胞膜，它最可能与膜上的________成分有关。美国科学家阿格雷试图从人的红细胞、肾小管管壁细胞的细胞膜上寻找这种物质，他以这两种细胞作为实验材料的依据最可能是
______________________________________________________
______________________________________________________
______________________________________________________。
[解析] 将脂质体置于清水中一段时间，其形态、体积无变化，说明其结构具有相对稳定性。水分子可以通过细胞膜，但根据脂质体在水中具有相对稳定结构的特点推测，水分子可以通过膜但不穿过磷脂双分子层，而是另有其他途径，根据膜的成分推测，只能是蛋白质分子。若此种推测正确，那么吸水能力越强的细胞，其膜上这种蛋白质分子应该越多。所以，为寻找这种蛋白质分子，选择实验材料时要注意选择吸水能力较强的细胞，同时要选择可以获得纯净的膜结构的细胞作为实验材料。
[答案] (1)脂质体在结构上具有一定的稳定性
(2)磷脂双分子层 蛋白质 成熟的红细胞除细胞膜外无其他的膜结构，便于获得纯净的细胞膜；而肾小管管壁细胞对水分子的重吸收能力强
