河南省许昌市重点中学2011生物新课标复习课同步学案（必修一）：4-2 生物膜的流动镶嵌模型和物质跨膜运输的方式

自主梳理
一、对生物膜结构的探索历程
1．19世纪末，欧文顿通过实验发现：凡是可以溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞，于是提出膜是由脂质组成的。
2．20世纪初，科学家第一次将膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，化学分析表明，膜的主要成分是脂质和蛋白质。
3．1925年，荷兰科学家用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气—水的界面上铺展成单分子层，其面积为红细胞表面积的2倍。从而得出结论：细胞膜中的脂质分子排列为连续的两层。
4．20世纪40年代，科学家推测细胞膜的脂质两边各覆盖着蛋白质。
5．1959年，罗伯特森在电镜下看到了清晰的暗—亮—暗的三层结构，大胆地提出了生物膜由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成。他把生物膜描述成静态的统一结构。20世纪60年代以后，不少科学家提出质疑：这样细胞膜的复杂功能将难以实现，不能解释细胞的生长和变形虫的运动。
6．1970年，科学家用荧光标记技术，进行了人鼠细胞杂交实验，表明细胞膜具有 流动性。
7．1972年，桑格和尼克森提出的生物膜的流动镶嵌的模型为大多数人所接受。
[互动探究]　生物膜模型的建立和完善过程，对我们的启示有哪些？
[提示]　生物膜结构的研究历史反映了科学研究曲折艰辛的历程，同时也告诉我们建立模型的一般方法。科学家根据观察到的现象和已有的知识提出解释某一生物学问题的假设或模型，用观察和实验对假说或模型进行检验、修正和补充。一种模型最终能否被普遍接受，取决于它能否与以后的观察和实验结果相吻合，能否很好地解释相关现象，科学就是这样一步一步向前迈进的。
二、流动镶嵌模型的基本内容
1．磷脂双分子层构成膜的基本支架，其结构特点是具有流动性。[21世纪教育网
2．蛋白质分子有的镶在磷脂分子层表面，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；大多数蛋白质分子是可以运动的。
3．细胞膜表面的糖类可以和蛋白质结合形成糖蛋白，也可以和脂质结合形成糖脂。[来源:21世纪教育网]
[互动探究]　细胞膜保证生命活动顺利进行的结构和功能基础分别是什么？
[提示]　膜的流动性和选择透过性。
要点归纳
一、对生物膜的探索历程(见下表)
时间·人物 依据 结论或假说
19世纪末欧文顿 凡是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 细胞膜是由脂质组成的
20世纪初 分离并分析出哺乳动物红细胞膜的主要成分为脂质和蛋白质
1925年两位荷兰科学家 把红细胞膜中的脂质提取出来，在空气—水界面上铺展成单分子层，测得其面积恰是红细胞表面积的2倍 细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的两层
20世纪40年代 有学者在荷兰科学家研究的基础上推测脂质两边各覆盖着蛋白质 “双分子层模型”：细胞膜是由双层脂质分子及内外表面附着的蛋白质构成的
1959年罗伯特森[来源:21世纪教育网] 电镜下看到细胞膜清晰的暗—亮—暗的三层结构 所有生物膜都由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成。特点：静态结构
1970年 人—鼠细胞融合实验 细胞膜具有一定的流动性
1972年桑格和尼克森[来源:21世纪教育网] 在前人研究的基础上提出细胞膜的“流动镶嵌模型”
二、生物膜的流动镶嵌模型
1．结构模型：生物膜的流动镶嵌模型认为，磷脂双分子层构成了膜的基本支架，这个支架不是静止的。磷脂双分子层是轻油般的流体，具有流动性。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。
2．组成成分及其结构图示
糖被：在细胞膜的外表，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。
糖被的作用：(1)保护和润滑作用；(2)与细胞表面的识别、信息传递有关。
除糖蛋白外，细胞膜表面还有糖类和脂质分子结合成的糖脂。
感悟拓展
1．不同生物膜的化学成分不同，但都主要是由蛋白质分子和磷脂分子构成。对生物膜成分较全面的描述是脂质、蛋白质和糖类，其中脂质主要是磷脂，还有胆固醇等；糖类主要与蛋白质形成糖蛋白或与脂质结合成糖脂而存在；蛋白质的含量高低与种类多少反映膜功能的复杂程度。
2．提取细胞膜的实验
材料——哺乳动物成熟红细胞；
优点：无核膜和各种细胞器膜；
原理方法：放入清水中吸水涨破，离心分离提纯。
[注意]　不能用鸡的红细胞，必须用哺乳动物的成熟红细胞。
3．细胞膜选择透过性实验探究
(1)可利用细胞液有颜色的植物组织，将其放入无色溶液中，然后用高温、强酸或强碱处理，观察处理前后有无溶液颜色的变化。
(2)将种子切开，放入红墨水中，胚部分不被染红，而胚乳部分被染红。
典例导悟
例一 如图表示细胞膜的亚显微结构，其中a和b为物质的两种运输方式。下列对细胞膜结构和功能的叙述错误的是(　　)
A．若图示为肝细胞膜，则尿素的运输方向是Ⅱ→Ⅰ
B．细胞间的识别、免疫、细胞的癌变与①有密切的关系
C．适当提高温度将加快②和③的流动速度
D．b过程不需要ATP，a过程不能体现膜的选择透过性这一生理特性
解析　图中①是糖蛋白，②是蛋白质，③是磷脂分子，Ⅰ为膜外(外侧有糖蛋白)，Ⅱ为膜内。a方式是由低浓度向高浓度、需载体协助的主动运输，b方式是由高浓度向低浓度、不需载体协助的自由扩散。肝细胞内合成尿素，通过肝细胞膜以自由扩散的方式运输到细胞外，故A项正确；细胞间的识别、免疫和细胞的癌变与膜上的糖蛋白有关，故B项正确；适当提高温度，分子运动速度加快，故C项正确；b自由扩散不需要能量是正确的，但a主动运输需膜上载体蛋白的协助，能体现膜的选择透过性，故D项错误。
答案　D[来源:21世纪教育网]
组成细胞膜的磷脂分子和蛋白质分子的排布有下述特点，其中描述细胞膜基本骨架的是(　　)21世纪教育网
A．膜两侧的分子结构和性质不尽相同 B．磷脂分子排布成双分子层
C．蛋白质分子附着和镶嵌于磷脂双分子层中D．蛋白质分子和磷脂分子具有一定的流动性
答案　B
解析　磷脂双分子层构成膜的基本支架。
自主梳理
1．被动运输
(1)自由扩散：一些小分子物质利用细胞内外溶液的浓度差，通过简单的扩散作用进出细胞，不需要载体和能量，如水、CO2、O2、甘油、乙醇、苯等。
(2)协助扩散：葡萄糖等一些物质顺浓度梯度跨膜运输，进出细胞需借助载体蛋白的协助，但不需要能量。
2．主动运输：某些离子和小分子物质，能够从低浓度一侧运输到高浓度一侧，需要载体蛋协助，同时还需要消耗细胞内化学反应所释放的能量。如细胞吸收K＋、Na＋、Ca2＋、氨基酸等。主动运输保证了活细胞能够按照生命活动的需要，主动选择吸收所需要的营养物质，排出代谢废物和对细胞有害的物质。
3．当细胞摄取大分子时，大分子附着在细胞膜的表面，细胞膜内陷形成小囊，分离后形成囊泡，进入细胞内，这种现象叫胞吞。细胞需要外排的大分子，先在细胞内形成囊泡，后与细胞膜融合，将其排出，这种现象叫胞吐。
[互动探究]　胞吞、胞吐是否属于跨膜运输？
[提示]　大分子物质以胞吞和胞吐方式进出细胞，这与细胞膜的流动性有关，但不属于跨膜运输。
要点归纳
1．细胞膜的结构特点、流动性
(1)原因：膜结构中的蛋白质分子和脂质分子是可以运动的。
(2)影响因素：主要受温度影响，适当温度范围内，随外界温度升高，膜的流动性增强，但温度高出一定范围，则导致膜的破坏。
(3)实例
①质壁分离和复原实验；②变形虫捕食和运动时伪足的形成；③白细胞吞噬细菌；④胞吞与胞吐；⑤受精时细胞的融合过程；⑥动物细胞分裂时细胞膜的缢裂过程；⑦细胞杂交时的细胞融合(如人鼠细胞融合)。
2．细胞膜的功能特点：选择透过性
(1)表现：植物根对矿质元素的选择性吸收，神经细胞对K＋的吸收和对Na＋的排出，肾小管的重吸收和分泌，小肠的吸收等。
(2)原因：遗传性载体种类、数量选择性。
3．细胞膜的流动性与选择透过性的关系：流动性与选择透过性都是对细胞膜的描述，但两者既有区别又有联系。
(1)区别：流动性是细胞膜及其他生物膜的结构方面的特性，原因是构成细胞膜的磷脂分子是可以运动的，大多数蛋白质分子也是可以运动的。选择透过性体现了细胞膜功能方面的特性，是指细胞膜对进出细胞的物质具有一定的选择性，主动运输能充分说明选择透过性。除细胞膜外，细胞中的其他膜结构——叶绿体膜、线粒体膜、液泡膜等也具有这一特性。(这些具膜的结构与细胞膜的成分类似，主要由磷脂和蛋白质组成)
(2)联系：细胞膜的流动性是表现其选择透过性的结构基础。因为只有细胞膜具有流动性，细胞才能完成其各项生理功能，才能表现出选择透过性。相反，如果细胞膜失去了选择透过性，细胞可能已经死亡了。
总之，膜的组成、结构和功能可表示为下图：
感悟拓展
1．膜的流动镶嵌模型充分体现了结构与功能相适应的特点，要理解膜的流动性和选择透过性的关系，应特别注意膜的流动性是磷脂分子和蛋白质分子以一定的方式进行运动的结果。
2．胞吞、胞吐：是大分子和颗粒性物质进出细胞的方式，这两种方式虽然最终通过了生物膜，但实质上，这些物质并没有真正的穿过生物膜。例如，白细胞吞噬大肠杆菌、变形虫吞噬有机物颗粒、胰腺细胞分泌胰岛素等。
3．在细胞的生命活动过程中，主动运输起到了重要作用，它使细胞能主动地从外界吸收被选择的物质，供生命活动利用。同样，细胞也能利用主动运输把新陈代谢产物排出细胞外。总之，细胞通过主动运输，摄取、积累物质以及不断排出代谢废物，从而维持细胞组成成分的动态稳定，保证生命活动的正常进行。
4．影响跨膜运输的因素
(1)影响自由扩散的因素
细胞膜内外的物质的浓度差。
(2)影响协助扩散的因素
①细胞膜内外物质的浓度差。②细胞膜上运载物质的载体数量。
(3)影响主动运输的因素
①载体：是细胞膜上的一类蛋白质。
a．载体具有特异性，不同物质的载体不同，不同生物细胞膜上的载体的种类和数目也不同。21世纪教育网
b．载体具有饱和现象，当细胞膜上的载体全部参与物质的运输时，细胞吸收该物质的速度不再随物质的浓度增大而增大。
②能量：凡能影响细胞内产生能量的因素，都能影响主动运输，如氧气浓度、温度等。
典例导悟21世纪教育网
例二 对细胞膜的选择透过性起主要作用的物质是(　　)
A．水　　　　　　　　　 B．糖类 C．蛋白质 D．磷脂
解析　细胞膜的选择透过性是由细胞膜上的载体蛋白的种类和数量决定的。
答案　C[来源:21世纪教育网]
氧气透过肺泡进入毛细血管的过程是(　　)
A．全部为主动运输 B．大部分为扩散作用，少部分为主动运输
C．全部为扩散作用 D．少部分为扩散作用，大部分为主动运输
答案　C[来源:21世纪教育网]
解析　能进行自由扩散的物质主要是一些小分子物质(如O2、CO2、H2O、尿酸、尿素等)，此过程不需要能量，只与溶液浓度有关，属于被动运输，而主动运输既需要载体又需要能量，常见的离子(如K＋、Cl－、NO等)属此方式。