第三節(jié) 細胞膜——系統(tǒng)的邊界(黃清亮-教案)

1、第一節(jié) 細胞膜系統(tǒng)的邊界 撰文者-黃清亮引課：細胞的基本結(jié)構(gòu)是細胞膜、細胞質(zhì)、細胞核（植物細胞細胞膜外層還有一層細胞壁）。（教師在黑板上畫出細胞的結(jié)構(gòu)簡圖），這是我們在初中階段對細胞結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，看到章節(jié)開始部分，翟中和院士說的那句話：我確信哪怕一個最簡單的細胞，也比迄今為止設(shè)計出的任何智能電腦更精巧！事實上，細胞的結(jié)構(gòu)遠比我們想象的要復(fù)雜的多，從這節(jié)課起，我們將重新來認(rèn)識細胞的基本結(jié)構(gòu)。教材也是按照細胞結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)來編排的。看到第一節(jié) 細胞膜-系統(tǒng)的邊界。教師講述：自1839年施旺提出細胞學(xué)說起，17世紀(jì)中葉以后的2個世紀(jì)中，細胞學(xué)說的發(fā)展史已經(jīng)大體完成。但唯獨對細胞膜的認(rèn)識卻推遲了近兩個世紀(jì)

2、。為什么會這樣呢？主要原因還是科學(xué)技術(shù)條件的限制，因為在普通的光學(xué)顯微鏡下我們是看不見細胞膜的，但在1855年時，耐格里就已經(jīng)提出了細胞膜這一概念，當(dāng)時他發(fā)現(xiàn)細胞表面有阻礙染料進入的現(xiàn)象，這其實就提示有膜結(jié)構(gòu)的存在。耐格里發(fā)現(xiàn)色素透入已損傷和未損傷的植物細胞的情況并不相同。他便通過細胞的滲透特性去研究它的“邊界”(他首次把細胞“邊界”稱為“質(zhì)膜”)。盡管如此，當(dāng)時也僅僅是一種假說，隨著電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，特別是20世紀(jì)50年代，當(dāng)應(yīng)用電子顯微技術(shù)來研究細胞時，才發(fā)現(xiàn)細胞的邊界膜是一個固體結(jié)構(gòu)的實體，從而證實了細胞膜的存在。請同學(xué)們先看到本節(jié)開始部分的問題探討：1、 你怎樣區(qū)分顯微鏡中的氣泡和

3、細胞？光學(xué)顯微鏡下能看到細胞膜嗎？ 提示：氣泡是光亮的，里面只有空氣；細胞則是一個具有細胞膜、細胞質(zhì)、細胞核的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而且是一個立體結(jié)構(gòu)。另外，我們在顯微鏡下觀察裝片時，如果下壓裝片，若是氣泡，則會變形；若是細胞，則不會變形。光學(xué)顯微鏡下不能看到細胞膜，但是能看到細胞與外界環(huán)境之間是有界限的。2、 科學(xué)家用電子顯微鏡清晰地觀察到細胞膜之前，已經(jīng)能夠確定細胞膜的存在了。請你推測一下，科學(xué)家是怎樣確定細胞膜的存在的？ 提示：進入活細胞的物質(zhì)，要經(jīng)過一道選擇性的屏障，并不是所有的物質(zhì)都將進入細胞；用顯微注射器將一種叫做伊紅的物質(zhì)注入變形蟲體內(nèi)，伊紅很快擴散到整個整個細胞，卻不能很快溢出細胞。1、

4、細胞膜的成分 要研究細胞膜的化學(xué)組成，首先要把細胞膜與細胞的其他組分分離開，那么怎樣獲得細胞膜呢？請同學(xué)們看到書上實驗：體驗制備細胞膜的方法。首要就是選材，請同學(xué)們看到大屏幕上幾種細胞結(jié)構(gòu)，我們該選擇哪種細胞作為實驗的材料呢？ 選材：使用哺乳動物的成熟紅細胞為什么選擇哺乳動物的成熟紅細胞？原因：（1）無細胞核和眾多的細胞器，易制得純凈的細胞膜。 （2）無細胞壁，細胞容易吸水漲破。原理：滲透作用使紅細胞吸水漲破，差速離心去除細胞內(nèi)其他物質(zhì)。實驗步驟：（書41頁）討論： 如果上述實驗在試管中進行，細胞破裂后，還需用什么方法才能獲得較純的細胞膜？（離心）獲得純凈的細胞膜之后，再對其進行研究。探究一、

5、在1895年Overton在研究各種未受精卵細胞的透性時，發(fā)現(xiàn)脂溶性物質(zhì)易透過細胞膜，不溶于脂類的物質(zhì)透過細胞膜十分困難。細胞膜也能被蛋白酶分解，這說明了什么？根據(jù)我們化學(xué)中相似相溶原理，細胞膜的成分中含哪類物質(zhì)？ 提示：說明了細胞膜的組成成分中含有脂質(zhì)。探究二、科學(xué)家對細胞膜化學(xué)成分深層分析發(fā)現(xiàn)，細胞膜會被蛋白酶分解（提示：蛋白酶是生物體內(nèi)普遍存在的只對蛋白質(zhì)分解起催化作用的物質(zhì)）。這又說明了什么？ 提示：說明了細胞膜的組成成分中含有蛋白質(zhì)。對哺乳動物紅細胞膜研究發(fā)現(xiàn)，細胞膜的主要由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成。另外，還含少量糖類。這三者含量有所不同，脂質(zhì)占細胞膜總量50%，蛋白質(zhì)40%，糖類僅占2%-

6、10%。其中，細胞膜上的脂質(zhì)主要是磷脂。2、 細胞膜的功能1、 將細胞與外界環(huán)境分隔開。 人們普遍認(rèn)為生命起源于原始海洋，初中的時候也講過生命的起源，首先是無機小分子產(chǎn)生有機小分子，然后再產(chǎn)生有機大分子，再不斷演化成最原始單細胞結(jié)構(gòu)的生物。而膜的出現(xiàn)是至關(guān)重要的階段，是它將生命物質(zhì)與外界環(huán)境分隔開，由此，產(chǎn)生了原始的細胞，并成為相對獨立的系統(tǒng)，細胞膜保障了細胞內(nèi)部環(huán)境的相對穩(wěn)定。2、 控制物質(zhì)進出細胞。 這在初中教材中也有所描述，它允許對細胞有用的物質(zhì)通過，卻把對細胞有害的物質(zhì)擋在細胞外面。當(dāng)然，這種控制作用是相對的，環(huán)境中某些對細胞有害的物質(zhì)也可能進入，比如，病毒、病菌也能侵入細胞，使生物體

7、患病。此外，細胞產(chǎn)生的抗體、激素等在細胞內(nèi)合成之后，要分泌到細胞外，還有細胞代謝產(chǎn)生的廢物也要排到細胞外。3、 進行細胞間的信息交流。 對多細胞生物體而言，各細胞并不是孤立存在的，而是彼此聯(lián)系的，細胞間的信息交流方式多種多樣的，請同學(xué)們看到書上圖3-2 細胞間信息交流的方式舉例。除了以上功能，細胞膜還可能具有哪些功能？后面的內(nèi)容為教學(xué)參考資料：細胞膜的功能詳解：（1） 分隔、形成細胞和細胞器，為細胞的生命活動提供相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境，膜的面積大大增加，提高了發(fā)生在膜上的生物功能；（2） 屏障作用，膜兩側(cè)的水溶性物質(zhì)不能自由通過；（3） 選擇性物質(zhì)運輸，伴隨著能量的傳遞；（4） 生物功能：激素作用、

8、酶促反應(yīng)、細胞識別、電子傳遞等。（5） 物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能：細胞與周圍環(huán)境之間的物質(zhì)交換，是通過細胞膜的磚運動功能實現(xiàn)的，其主要轉(zhuǎn)運方式有以下四種。1）自由擴散：脂溶性物質(zhì)由膜的高濃度側(cè)向低濃度側(cè)的擴散過程，稱為自由擴散。 2）協(xié)助擴散：非脂溶性物質(zhì)在膜蛋白的幫助下，順濃度差或電位差跨膜擴散的過程，稱為協(xié)助擴散。協(xié)助擴散的三個特點：1、特異性：記憶中離子通道或載體一般指轉(zhuǎn)運一種物質(zhì)。2、飽和性：即當(dāng)被轉(zhuǎn)運物質(zhì)增加到一定限度時，轉(zhuǎn)運速率不再隨之增加，這是由于離子通道或載體的數(shù)量有限的緣故。3、競爭性抑制：記憶中離子通道或載體同時轉(zhuǎn)運兩種或兩種以上物質(zhì)時，一種物質(zhì)濃度增加，將削弱對另一種物質(zhì)的轉(zhuǎn)運。4.

9、膜蛋白的分類：1 通道蛋白 2 門通道蛋白 3特化蛋白（通過接觸改變自身構(gòu)象來進行轉(zhuǎn)運） 自由擴散和協(xié)助擴散都是順濃度差進行的，細胞本身不消耗能量，均屬于被動轉(zhuǎn)運。 3）主動轉(zhuǎn)運：離子或小分子物質(zhì)在膜上“泵”的作用下，被逆濃度差或逆電位差的跨膜轉(zhuǎn)運過程，稱為主動轉(zhuǎn)運。主動運輸需要消耗大量熱量。 4）入胞和出胞作用：是轉(zhuǎn)運大分子或團塊物質(zhì)的有效方式。物質(zhì)通過細胞膜的運動從細胞外進入細胞內(nèi)的過程，稱入胞。包括吞噬和吞飲。液態(tài)物質(zhì)入胞為吞飲，如小腸上皮對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；固體物質(zhì)入胞為吞噬，如粒細胞吞噬細菌的過程。出胞是通過細胞膜的運動從細胞內(nèi)派到細胞外的過程。細胞的代謝產(chǎn)物及腺細胞的分泌物都是以出胞

10、作用完成的。 5）細胞膜的受體功能：受體是細胞識別和結(jié)核化學(xué)信息的特殊結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)是蛋白質(zhì) 1.物質(zhì)跨膜運輸細胞膜是細胞與細胞環(huán)境間的半透膜屏障。對于物質(zhì)進出細。胞有選擇性調(diào)節(jié)作用。 （1） 被動運輸(passive transport):指物質(zhì)順順濃度梯度轉(zhuǎn)運過程而言，此過程不消耗能量，其交換方式有兩種。 1） 簡單擴散（simple diffusion)：O2、CO2及其它脂溶性物質(zhì)從高濃度側(cè)向低濃度測穿過類脂雙層而擴散，不消耗細胞能量。 2） 易化擴散（facilitated deffusion）：非脂溶性或親水性分子，加氨基酸、葡萄糖和 金屬離子等借助于質(zhì)膜上內(nèi)在蛋白順濃度梯度或電化學(xué)

11、梯度運動，不消耗ATP能量而 使物質(zhì)分子從高濃度測向低濃度測擴散。 （2） 主動運輸（active transport):質(zhì)膜上的載體蛋白將離子、營養(yǎng)物和代謝物等逆電化學(xué)梯度從低濃度側(cè)向高濃度側(cè)的耗能運輸。所耗能量由具ATP酶活性的膜蛋白分解ATP提供。例如正常生理條件下，人紅細胞內(nèi)K+的濃度相當(dāng)于血漿中的30倍，但K+仍能從血漿進入紅細胞內(nèi)，Na+濃度比血漿中低很多，但Na+仍由紅細胞向血漿透出,呈現(xiàn)一種逆濃度梯度的“上坡”運輸。近年來均以“泵”的概念來解釋主動運輸?shù)臋C理，機體細胞中主要是通過Na+、K+ _ATP酶和Ca2+_ATP酶構(gòu)成的Na+和Ca2+泵來完成主動運輸。 （3） 大分子

12、與顆粒物質(zhì)的運輸：對于蛋白質(zhì)、多核苷酸和多糖等大分子物質(zhì)以及顆粒等、是由質(zhì)膜運動產(chǎn)生內(nèi)凹、外凸而導(dǎo)出內(nèi)吞入胞或外吐和出芽而出胞。 1）胞吞作用（endocytosis)：也稱人胞作用，質(zhì)膜四陷將所攝取的液體或顆粒物質(zhì)包裹，逐漸成泡，脂雙層融合、箍斷，形成細胞內(nèi)的獨立小泡。人類和動物的許多細胞均靠胞吞作用攝取物質(zhì)。根據(jù)所攝物理性質(zhì)的物理性質(zhì)不同把胞吞作用分為兩類：胞飲作（Pinocytosis)由質(zhì)膜包裹液態(tài)物質(zhì)形成吞飲小泡或吞飲體的過程；吞噬作用（phagocy-tosis)為各種變形的、具有吞噬能力的細胞所特有，吞噬的物質(zhì)多為顆粒性的，如微生物、組織掉片和異物等。 2）胞吐作用（exocyt

13、osis）:旨把細胞內(nèi)分泌物、突觸小泡等有膜結(jié)構(gòu)內(nèi)的物質(zhì)排出細胞。當(dāng)它們與細胞膜接觸后，與細胞膜相融合，封閉的膜結(jié)構(gòu)開放，內(nèi)容物排入細胞外。胞吞作用形成的吞噬體和吞飲泡都可與溶酶體結(jié)合，其內(nèi)容物被溶酶體酶處理，其膜可能以小泡方式重返細胞膜。同樣，胞吐活動完成后，細胞膜也可在無明顯胞吞活動的情況下形成小泡，將過多的膜返回細胞內(nèi)部，這樣，細胞膜與細胞內(nèi)膜處于動態(tài)的平衡，稱為膜再循(recycling of membrane)在此過程中，細胞膜也得到更新。 3）受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用（receptor mediated endocytosis)：在質(zhì)膜上形成凹陷，當(dāng)特定大分子與凹陷部位的相應(yīng)受體結(jié)合時，凹陷進一步向胞質(zhì)回縮，并從質(zhì)膜上箍斷形成有被小泡（coated vesicles)。此后的過程就與內(nèi)吞小泡進行的過程相同，這種受體介等內(nèi)吞具有高度選擇性，轉(zhuǎn)運速度很快。 4）膜通道運輸：通道也稱通道蛋白質(zhì)（channel protein), 是由轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)組成的含水通道, 能使熔質(zhì)經(jīng)擴散過膜，是一種被動轉(zhuǎn)運。通