生物必修1《分子与细胞》第二节 细胞膜控制细胞与周围环境的联系教案及反思

第二节　细胞膜控制细胞与周围环境的联系

一、细胞膜的位置与功能

1．位置

细胞膜也称质膜，是围绕在细胞外层，将细胞与周围环境区分开的结构。

2．功能

细胞膜是细胞对外界环境的屏障，控制着物质的进出，保证了细胞内部环境的相对稳定，使细胞内的生命活动有序进行。

二、通过模拟实验探究膜的透过性

1．半透膜

一些膜具有一定大小的孔径，水等小分子和离子可以自由通过，而蛋白质、淀粉等大分子则无法通过，这种膜称为半透膜。透析膜就是一种半透膜。

2．提出问题

将淀粉溶液和葡萄糖溶液分别装入透析袋里，观察两者通透情况是否相同？推测细胞膜是否具有类似特性？

3．方法步骤

(1)取A、B两个透析袋，将等量的淀粉溶液和葡萄糖溶液分别装入A、B透析袋中。透析袋两端用细线系紧。

(2)将透析袋一端的细线绑在玻璃棒中央，透析袋置于烧杯内，玻璃棒横置于烧杯上方。

(3)向烧杯内注入等量蒸馏水，直至淹没透析袋。向A组透析袋外面的蒸馏水中加入适量碘­碘化钾溶液。

(4)静置12 h。观察A组实验现象；取B组透析袋外面的蒸馏水2 mL，加入2_mL本尼迪特试剂，热水浴2～3 min，观察颜色变化。

4．结果分析

葡萄糖分子和碘可以通过透析膜，而淀粉分子无法通过。所以，透析膜对分子的进出具有半透性。

5．对细胞膜的推测

细胞膜是细胞的边界，将细胞内与外界环境分隔开，是外界物质进入细胞的屏障。所以，可以推测细胞膜对物质的进出具有选择透过性。

三、细胞膜的功能特性与结构组成

1．细胞膜具有选择透过性

细胞膜可以控制物质进出，选择性地吸收营养物质和排出代谢产物，保持细胞内生化反应有序进行。这一特性称为细胞膜的选择透过性。

2．细胞膜的分子组成与参与的功能

细胞膜主要由磷脂和蛋白质组成，除此之外，还含有少量糖类。动物细胞膜中还含一定量的胆固醇。

(1)磷脂

①元素组成　由C、H、O、N、P五种元素构成。

②分子特性　两性分子。其一端含有N和P，形成磷脂的“头”，具有亲水性，也称极性；另一端含有2条长长的脂肪酸链，形成磷脂的2个“尾”，具有疏水性，也称非极性。

③磷脂双分子层的形成　在水中，不同磷脂分子疏水性的尾部相对排列，内部形成一个疏水的环境；而亲水性的头部则朝向外侧，与水接触。所以，磷脂分子在水中可形成双层结构，称为磷脂双分子层，构成了细胞膜的基本骨架。

(2)膜蛋白

①概念与特性　细胞膜上的蛋白质统称为膜蛋白。膜蛋白也和磷脂分子一样，有水溶性部分和脂溶性部分。

②膜蛋白的功能　 通常细胞的功能越多，其膜蛋白的种类和数量就越多。有些膜蛋白选择性地吸收或排出特定物质，控制其进出细胞，这类膜蛋白称为转运蛋白。有些膜蛋白催化特定化学反应，例如，小肠上皮细胞的某些膜蛋白可促进食物中营养物质的消化分解。同一组织的相邻细胞间通过某些膜蛋白紧密连接在一起。某些膜蛋白接收外界信息或刺激，激活细胞内相应生理生化反应，在细胞与外界的信息交流和细胞识别中发挥重要作用。

(3)胆固醇

①分布 存在于动物细胞膜中，占细胞膜所有脂质的10%～30%。植物细胞膜一般不含胆固醇。

②存在部位　胆固醇分子主要位于磷脂双分子层的疏水环境中，具有一个很小的亲水基团，与磷脂头部连接。

③功能　在动物细胞中，胆固醇能保持细胞膜的稳定性。胆固醇对细胞膜中磷脂分子的活动具有双重调节作用。一方面，胆固醇通过与磷脂脂肪酸链的相互作用，具有限制其运动、增加其有序性的作用；另一方面，也能将磷脂分子分隔开以增强其运动性。这种双重的调节作用取决于环境和胆固醇的数量。

3．生物膜

(1)生物膜的概念

除细胞膜外，细胞内还存在其他的膜结构，它们构成了细胞核等多种结构的边界。细胞内所有的膜称为生物膜。

(2)生物膜的特点　虽然细胞内不同部位的膜功能有所不同，但它们都具有相似的物质组成和空间结构。

四、生物膜的结构特点与流动镶嵌模型

1．生物膜的结构特点——生物膜具有流动性。

人鼠细胞融合实验表明　细胞膜的蛋白质是呈流动状态的 。

2．流动镶嵌模型

(1)建立者　辛格和尼克尔森根据多个实验的证据提出生物膜的流动镶嵌模型。

(2)理论要点

①磷脂双分子层构成了生物膜的基本支架。

②蛋白质分子有的镶在磷脂双分子层表面，有的全部或部分嵌入磷脂双子层中，有的贯穿于整个磷脂双分子层，体现了膜内外结构的不对称性 。

③磷脂和蛋白质位置不是固定的，生物膜具有一定流动性。

(3)生物膜具有流动性的原因及与生物膜的功能关系

①原因　磷脂双分子层中间的疏水层通常情况下呈液态，磷脂分子在膜中的位置并不固定，使得磷脂分子及附着于其上的蛋白质分子发生运动。

②与生物膜的功能关系　与生物膜进行能量转换、物质转运、信息传递和分裂等功能密切相关。

五、细胞壁

1．分布

细胞壁是植物、真菌和大多数原核细胞的外层结构。

2．成分

植物的细胞壁主要由纤维素组成，此外，植物细胞壁还含有果胶等多种物质。真菌和大多数原核细胞同样具有细胞壁，但组成物质和结构与植物不同。动物细胞没有细胞壁。

判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)

1．透析膜就是选择透过性膜。  (　　)

2．动植物细胞膜成分完全相同。 (　　)

3．环境温度较低时，胆固醇有助于保持细胞膜的柔韧性。 (　　)

4．肥皂的主要成分与磷脂结构类似，是一端具有亲水性，另一端具有疏水性的两性分子。               (　　)

5．细胞吸收离子，葡萄糖、氨基酸等营养物质都需要通过特定的受体蛋白来完成。  (　　)

6．细胞外被又称糖萼，存在于细胞膜外表面，由多糖与细胞膜中的蛋白质或脂质结合而成。               (　　)

提示：1.×　透析膜就是半透膜，生物膜才是选择透过性膜。

2．×　动物细胞的细胞膜中含一定量的胆固醇，植物的细胞膜中没有。

3．√　4.√

5．×　由转运蛋白来完成。

6．√

　细胞膜的功能特性与分子组成

1．半透膜和选择透过性膜的区别

(1)半透膜是指某些物质可以通过，而另一些物质不能通过的多孔性薄膜。物质能否通过取决于分子的大小，如常见的半透膜有动物的膀胱膜、肠衣、鸡蛋的蛋壳膜等。水、葡萄糖等较小的分子可以通过，而蔗糖、蛋白质等较大的分子不能通过。

(2)选择透过性膜是指细胞膜等具有活性的生物膜。它具有半透膜的物理特性，更重要的是具有主动选择性，对物质的吸收与否及吸收的多少取决于膜上载体蛋白的种类与数量，因此不能将生物膜看作单纯的半透膜。

2．细胞膜的成分

3．四种“膜蛋白”及其功能的区分

(1)糖蛋白：信号分子(如激素、淋巴因子、神经递质)的受体蛋白。

(2)载体蛋白：协助跨膜运输(易化扩散和主动转运)。

(3)具催化作用的酶：如好氧型细菌其细胞膜上可附着与需氧呼吸相关的酶，此外，细胞膜上还可存在ATP水解酶(催化ATP水解，用于主动转运等)。

(4)识别蛋白：用于细胞与细胞间相互识别的糖蛋白(如精卵细胞间的识别、免疫细胞对抗原的特异性识别等)。

合作探究：1.把体积相同的10%葡萄糖溶液和10%淀粉溶液，用半透膜(大分子物质不能通过)隔开，左侧是10%葡萄糖溶液，右侧是10%淀粉溶液。过了一段时间后，在左侧取出一些溶液样品，在滴加了碘液后发现样品颜色没有变蓝，说明________________。 如果为了检测葡萄糖能否通过半透膜，可在右侧取出一些溶液样品，通过加________________试剂并________________，观察是否有____________色出现，即判断葡萄糖能否通过半透膜。

提示：淀粉不能透过半透膜　本尼迪特　水浴加热　砖红

2．下面是对细胞膜成分的科学探索，结合所学的知识回答相关问题：

(1)1895年，欧文顿的研究

①方法：对植物细胞的通透性进行实验。

②现象：脂溶性物质更容易通过细胞膜。

③推测：膜是由________组成的。

(2)对磷脂的研究

磷脂的一端为________的头，两个脂肪酸链一端为________的尾，多个磷脂分子在水中总是自发地形成________。

(3)1925年，戈特和格兰德尔的发现

①方法：用有机溶剂从人的红细胞中提取脂质，将其在空气－水界面上铺展成单分子层。

②现象：单分子层的面积为红细胞表面积的两倍。

③结论：细胞膜中的脂质分子排列为________。

(4)1935年，丹尼利和戴维森研究了细胞膜的张力

①现象：细胞膜的表面张力明显低于油－水界面的表面张力。

②已有发现：油脂滴表面如果吸附有蛋白质成分则表面张力会降低。

推测：细胞膜除含脂质分子外，可能________。

提示：(1)脂质　(2)亲水　疏水　双分子层　(3)连续的两层　(4)还附有蛋白质

1．下列哪项不属于细胞膜的功能(　　)

A．控制物质进出细胞

B．将细胞与外界环境分隔开

C．进行细胞间的信息交流

D．提高细胞内化学反应的速率

D　[细胞膜具有选择透过性，因此能控制物质进出细胞，A不符合题意；细胞膜存在于细胞的最外边，作为系统的边界，保障了细胞内部环境的相对稳定，使生命物质与外界环境分开，产生了原始的细胞，对生命的起源起重要作用，B不符合题意；细胞膜能控制物质进出细胞，可以将抗体分泌到细胞外，与抗原特异性结合，体现细胞膜信息交流的功能，C不符合题意；酶能使细胞内的各种生物化学反应加快，但不属于细胞膜的功能，D符合题意。]

2．将大量磷脂分子放入清水中，搅拌后，不可能出现的现象是(　　)

A　　　　　B　　　　　C　　　D

A　[磷脂分子由亲水的“头”部和疏水的“尾”部构成，把大量磷脂分子放入清水中，如果磷脂分子是单层排布的，亲水的“头”部向外，疏水的“尾”部向内，如C项，如果磷脂分子是双层排布的，同样是亲水“头”部在外侧，如B、D项。]

3．下列各项中，对生物膜化学成分的表述，最全面的是(　　)

A．蛋白质、糖类、脂肪 B．糖蛋白、脂肪

C．蛋白质、糖类、脂质 D．脂质、蛋白质

C　[脂肪不是细胞膜的组成成分，AB错误；生物膜的主要成分是脂质和蛋白质，此外细胞膜的外侧还含有少量的糖类，C正确；脂质和蛋白质是细胞膜的组成成分，但是不全面，D错误。]

4．细胞的膜蛋白具有物质运输、信息传递、免疫识别等重要的生理功能。下列图中，可正确表示不同细胞的膜蛋白及其相应功能的是(　　)

A　　　　　　　　　　　　B

C　　　　　　　　　　　　D

D　[血红蛋白存在于红细胞的内部，不属于膜蛋白，A项错误；抗体主要分布于血清中，T细胞膜上没有抗体，B项错误；胰高血糖素应该与胰岛B细胞膜上的胰高血糖素受体结合，C项错误。]

　细胞膜的结构特性与流动镶嵌模型的建立

1．细胞膜的结构特点与功能特性比较

2.流动镶嵌模型的构建

合作探究：1.细胞膜流动性的实验探究

操作及现象：标记小鼠细胞与人细胞表面的蛋白质分子，做如图实验。

(1)该实验的方法是什么？

提示：荧光标记法。

(2)实验结果说明了什么？

提示：细胞膜上蛋白质分子具有一定的流动性。

2．下图为生物膜的结构模型示意图，据图回答下列问题：

(1)该模型为什么称为流动镶嵌模型？

提示：磷脂双分子层中间的疏水层通常情况下呈液态，磷脂分子在膜中的位置并不固定，使得磷脂分子及附着于其上的蛋白质分子发生运动。

(2)A侧是细胞的外侧，判断依据是什么？

提示：A侧有糖蛋白。

(3)细胞中的其他生物膜均有与此相似的结构，但执行的具体功能却有很大区别，其主要原因是什么？

提示：其主要原因是膜结构中的蛋白质的种类和数量不同。

1．对某动物细胞进行荧光标记实验，如下示意图所示，其基本过程：①用某种荧光材料标记该动物细胞，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。]

2．细胞膜的亚显微结构模式如图甲，图甲细胞膜的磷脂分子结构模式如图乙，下列有关叙述错误的是(　　)

图甲　　　　　　　　图乙

A．将图乙平展在水面上，a部分与水面接触

B．图乙分子可识别“自己”和“非己”的成分

C．图甲中②与细胞的选择吸收有关

D．图甲中的①②③共同为细胞的生命活动提供相对稳定的内部环境

B　[图乙中的a部分表示亲水端，b部分表示疏水端，因此将磷脂分子平展在水面上，a部分与水面接触，A正确；图乙分子为磷脂分子，不能识别“自己”和“非己”的成分，B错误；图甲中②是蛋白质，可作为物质进入细胞的载体，与细胞的选择吸收有关，C正确；图甲中的①②③构成的细胞膜共同为细胞的生命活动提供相对稳定的内部环境，D正确。]

3．细胞膜的特性和功能是由其结构决定的，下列相关叙述错误的是(　　)

A．由于磷脂分子层内部是疏水的，因此水分子难以通过细胞膜

B．细胞膜的蛋白质分子有物质运输的功能

C．细胞膜的脂质结构使溶于脂质的物质容易通过细胞膜

D．细胞的生长现象不支持细胞膜的静态结构模型

A　[水分子可以通过扩散方式通过细胞膜，A错误；细胞膜的蛋白质分子具有物质运输功能，如载体蛋白，B正确；细胞膜的脂质结构使溶于脂质的物质更容易通过细胞膜，C正确；细胞的生长现象说明细胞膜具有流动性，其不支持细胞膜的静态结构模型，D正确。]

细胞膜的组成成分、结构与功能之间的相互关系的归纳

[课堂小结]

1．下列有关细胞膜的叙述错误的是(　　)

A．细胞膜含有糖脂和糖蛋白

B．细胞膜上蛋白质的种类和数量越多，功能越复杂

C．细胞膜具有物质运输、能量转换、信息传递的功能

D．细胞膜的流动性决定了大部分的物质能够自由地通过细胞膜

D　[细胞膜上含有糖脂和糖蛋白，糖蛋白有识别功能，故A正确；蛋白质在细胞膜行使功能时起重要作用，因此，功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类和数量越多，故B正确；细胞膜具有物质运输、能量转换、信息传递的功能，故C正确；细胞膜的选择透过性决定了大部分的物质能够自由地通过细胞膜，故D错误。]

2．下列最能正确表示细胞膜结构的是(　　)

A　　　 B　　　　　C　　 　　D

C　[细胞膜主要由磷脂双分子层和蛋白质分子组成。磷脂分子的亲水头部向外排列，疏水尾部向内排列。糖蛋白只在细胞膜的一侧(外侧)分布。]

3．用台盼蓝对细胞染色，被染成蓝色的是死细胞，不着色的是活细胞。做出以上判断主要是依据细胞膜的哪种功能(　　)

A．将细胞与外界环境分隔开

B．控制物质进出细胞

C．控制细胞的代谢和遗传

D．实现细胞与外界环境的能量转换

B　[台盼蓝是细胞不需要的大分子，活细胞细胞膜具有选择透过性，台盼蓝不能进入活细胞中，而死亡细胞的细胞膜选择透过性丧失，大分子的台盼蓝能进入死细胞中，体现细胞膜的控制物质进出功能，B正确。]

4．下列有关植物细胞壁的说法，不正确的是(　　)

A．主要由纤维素组成

B．不具有选择透过性

C．具有支撑和保护作用

D．可控制物质进出细胞

D　[植物细胞壁的成分主要由纤维素组成，对植物细胞起到支撑和保护作用，属于全透性的结构，不能控制物质进出细胞。]

5．下图为嗅觉受体细胞膜模式图(局部):

根据以上材料和模式图回答下列问题：

(1)A代表______________分子；C代表______________。

(2)气味物质分子首先要与________________结合，才有产生嗅觉的可能。

(3)图中A具有特异性，这种特异性最终是由________________决定的。

(4)某些有机溶剂如苯酚，可溶解B造成膜的损伤，使嗅觉分辨能力下降，B的完整化学名称是________________。

解析：(1)分析题图可知，A代表蛋白质分子，C代表多糖，具有识别、润滑和保护作用，B是细胞膜的磷脂双分子层，构成了细胞膜的基本骨架。

(2)气味物质分子首先要与气味受体结合，才有产生嗅觉的可能。

(3)图中A是蛋白质，蛋白质具有特异性的直接原因是组成蛋白质的氨基酸的种类、数量、排列顺序及肽链的空间结构不同，这种特异性最终是由DNA(或基因、遗传物质)来决定的。

(4)某些有机溶剂如苯酚，可溶解B造成膜的损伤，使嗅觉分辨能力下降，B的完整化学名称是磷脂双分子层，是构成细胞膜的基本骨架。

答案：(1)蛋白质　多糖　(2)气味受体

(3)DNA(或基因、遗传物质)　磷脂双分子层