高中必修一生物細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能學(xué)案

1、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能【教學(xué)目標(biāo)】.知識目標(biāo)：簡述細(xì)胞膜的成分和功能，解釋細(xì)胞膜在維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能中重要作用 簡述生物膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容。.能力目標(biāo)：分析科學(xué)家建立生物膜結(jié)構(gòu)模型過程，嘗試提出問題，大膽作出假設(shè)；發(fā) 揮空間想象能力，構(gòu)建細(xì)胞膜的空間立體結(jié)構(gòu)。.情感目標(biāo)：認(rèn)同細(xì)胞膜作為系統(tǒng)的邊界，對于細(xì)胞這個(gè)生命系統(tǒng)的重要意義。【教學(xué)重難點(diǎn)】.重點(diǎn)(1)細(xì)胞膜的功能和細(xì)胞膜成分的探索歷史。(2)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索歷史。.難點(diǎn)(1)流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容。(2)理解細(xì)胞膜對于細(xì)胞這個(gè)生命系統(tǒng)的重要意義?！窘虒W(xué)方法】講授與學(xué)生討論相結(jié)合、問題引導(dǎo)法、資料分析法【教學(xué)過程】導(dǎo)入：在前面的學(xué)習(xí)中，我

2、們認(rèn)識了細(xì)胞這個(gè)基本的生命系統(tǒng)的物質(zhì)成分，從今天開始， 我們將進(jìn)一步認(rèn)識細(xì)胞這個(gè)基本的生命系統(tǒng)，我們來認(rèn)識由水、無機(jī)鹽、糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì) 和核酸組成的一個(gè)有機(jī)整體細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)。大家對于細(xì)胞應(yīng)該有了一定的認(rèn)識 一一我們在初中學(xué)習(xí)過，在前面的實(shí)驗(yàn)中我們也曾經(jīng)觀 察過一些細(xì)胞。T:你認(rèn)為細(xì)胞最外面的結(jié)構(gòu)是什么？S:(學(xué)生發(fā)言：脫口而出的同學(xué)可能往往回答細(xì)胞膜；略有思考的同學(xué)回答細(xì)胞壁； 比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐瑢W(xué)會回答“植物細(xì)胞的最外層是細(xì)胞壁，動物細(xì)胞的最外層是細(xì)胞膜”等)(教師點(diǎn)評后總結(jié)，注意點(diǎn)評學(xué)生的思維習(xí)慣)T:動物細(xì)胞沒有細(xì)胞壁，而像植物、真菌、細(xì)菌等生物，細(xì)胞往往具有細(xì)胞壁。植物細(xì) 胞的細(xì)胞壁，

3、主要成分是纖維素和果膠，它們沒有生命活動的特殊功能，主要是對植物細(xì)胞有1 /8支持和保護(hù)作用。而對于真菌和細(xì)菌的細(xì)胞壁與植物不同，我們在以后的學(xué)習(xí)中會逐步了解。然而我們今天要重點(diǎn)討論的話題不是細(xì)胞壁，因?yàn)槲覀儗⒂懻摰氖恰跋到y(tǒng)的邊界”，系統(tǒng) 的邊界是什么？這里的答案就只有一個(gè)：細(xì)胞膜。因?yàn)?，我們這里指的“系統(tǒng)”是：生命系統(tǒng)！在組成細(xì)胞的結(jié)構(gòu)中，具有生命活性的結(jié)構(gòu) 是細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核，而細(xì)胞壁并沒有像它們這樣的生命活性。這里的“生命活性”可 能對大家還比較抽象，不過隨著我們對細(xì)胞膜等功能的深入，你就會慢慢了解。（板書：細(xì)胞膜一一系統(tǒng)的邊界）T:對于細(xì)胞膜作為系統(tǒng)的邊界，同學(xué)們有沒有這方面的感

4、性認(rèn)識？也就是說你能不能列 舉出一些證據(jù)來證明細(xì)胞膜這個(gè)系統(tǒng)邊界的存在？S:直接借助光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡觀察得到。T:很好，電子顯微鏡可以看清楚細(xì)胞膜的存在，光學(xué)顯微鏡雖然不能看見細(xì)胞膜，但是 卻能夠清楚的觀察到細(xì)胞與外界環(huán)境是有界限的。除了這樣的直接觀察，我們還能不能通過一些其他的感受間接感知細(xì)胞膜的存在呢？（用視頻的方式介紹科學(xué)家進(jìn)行顯微探針感受阻力的實(shí)驗(yàn)：開拓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思路；激發(fā)學(xué)生興趣）用顯微注射器將一種叫伊紅的物質(zhì)注入變形蟲體內(nèi)，顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，伊紅會很快的擴(kuò)散到整個(gè)細(xì)胞，卻不能很快逸出細(xì)胞。另外，我們還可以在顯微鏡下看到：用微針觸碰細(xì)胞表面時(shí)，細(xì)胞表面有彈性，可伸展； 用微針插

5、入細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞表面有一層結(jié)構(gòu)被刺破；如果細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)受損面過大，細(xì)胞會死亡。過渡：通過剛才的實(shí)驗(yàn)，我們也可以看到，當(dāng)細(xì)胞膜被破壞的時(shí)候，細(xì)胞也就死亡了。這 說明了細(xì)胞膜對于生命系統(tǒng)來講，是非常重要的。那么，細(xì)胞膜有哪些重要功能呢？（學(xué)生活動）聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)，理解細(xì)胞膜的功能。（板書：細(xì)胞膜的功能）（請學(xué)生發(fā)言，讓他們結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，解釋細(xì)胞膜的功能，教師適時(shí)點(diǎn)評）S:細(xì)胞膜將細(xì)胞與外界環(huán)境分隔開。（板書）只有這樣，細(xì)胞才能獲得一個(gè)相對比較穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境，才能減小受到的各種外部干擾， 才能正常的進(jìn)行各種代謝活動。這就好比我們的學(xué)校的圍墻，班級的墻壁，如果沒有這些，喧 囂的街道，隔壁班級的活動直接影響

6、到我們班級同學(xué)的學(xué)習(xí)，那么，我們的學(xué)習(xí)不可能正常進(jìn)行。S:T:同學(xué)們的比方非常形象。作為生命體，要保證自身代謝順利進(jìn)行，一個(gè)相對獨(dú)立的內(nèi)2/8部環(huán)境何等重要；有了細(xì)胞膜，這個(gè)邊界將細(xì)胞與外界環(huán)境分隔開，細(xì)胞內(nèi)才能保持各種理化 性質(zhì)的相對穩(wěn)定，才可能具備代謝的正常條件。也正因?yàn)槿绱耍谏钠鹪催^程中，科學(xué)家 把“原始界膜”的形成作為生命演變中的重要階段，具有了原始界膜后，才使得原始生命的誕生成為可能！S:細(xì)胞膜能控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞。（板書）既然細(xì)胞膜是細(xì)胞的邊界，這就好像皮膚是我們?nèi)梭w的邊界一樣， 我們的皮膚可以阻止一 些病毒、細(xì)菌等進(jìn)入我們體內(nèi)，細(xì)胞膜也應(yīng)該有類似的功能。S:T:這個(gè)類比是比較

7、恰當(dāng)?shù)摹τ诩?xì)胞膜能控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞這一點(diǎn)功能，我們將在第四 章會有更加詳細(xì)的學(xué)習(xí)，現(xiàn)在需要大家先了解細(xì)胞膜具有選擇性的允許細(xì)胞需要的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn) 入，而細(xì)胞不需要的，或者對細(xì)胞有害的物質(zhì)就不容易進(jìn)入細(xì)胞。細(xì)胞膜的這樣一種生理功能 我們稱之為“選擇透過性”。不過選擇透過性只有活的細(xì)胞的細(xì)胞膜也具有，細(xì)胞死亡， 這種 選擇透過性就喪失了。記得在我們初中的學(xué)習(xí)中，我們通過實(shí)驗(yàn)的方法來檢驗(yàn)玉米的種子是否還具有萌發(fā)的活性 （也就是說玉米種子是否還是活的），也就是利用細(xì)胞膜的這點(diǎn)特性。下面給大家如下材料， 請你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這些玉米種子是否還能萌發(fā)。（投影）材料：玉米種子，紅墨水，銀子，刀片，培養(yǎng)皿，燒杯

8、，酒精燈。（學(xué)生思考、討論、發(fā)言）（投影）方法步驟：.將玉米種子放在20 25C的溫水中浸泡36h02,取20粒已經(jīng)泡漲的種子，將其中的10粒放在沸水中煮5min后，冷卻，作為對照的實(shí) 驗(yàn)材料。.分別取煮過和未煮過的玉米種子放在培養(yǎng)皿中，用刀片沿胚的中線縱向切開籽粒，用 稀釋20倍的紅墨水浸泡（以沒過種子為宜）。2min后，倒去紅墨水，用水沖洗籽粒數(shù)次，直 到?jīng)_洗液無色為止（洗去浮色）。.觀察籽粒中胚的顏色。（投影）結(jié)果預(yù)期：未煮過的籽粒的胚細(xì)胞未被染成紅色；煮過的籽粒的胚細(xì)胞被染成紅色。（胚細(xì)胞被染紅說明了胚細(xì)胞的細(xì)胞膜失去了選擇透過性，也就說明胚細(xì)胞死亡，不再具有萌發(fā)活性）S:細(xì)胞膜進(jìn)行細(xì)

9、胞間的信息交流。（板書）3/8細(xì)胞作為一個(gè)個(gè)體的基本組成單位，對于一個(gè)個(gè)體來說，生活在外界環(huán)境中，與周圍的環(huán)境關(guān)系密切，不斷地與外界環(huán)境發(fā)生著物質(zhì)和信息的交流。構(gòu)成個(gè)體的細(xì)胞也應(yīng)該是這樣的， 只有這樣，細(xì)胞才能聯(lián)合起來組成能行使同一功能的組織，再構(gòu)成器官而細(xì)胞之間的信息 傳遞，應(yīng)該就是系統(tǒng)的邊界一一細(xì)胞膜。T:（放映有關(guān)細(xì)胞間進(jìn)行信息傳遞的動畫、圖片等，同步解說）在多細(xì)胞生物體內(nèi)，各個(gè)細(xì)胞都不是單獨(dú)存在的。它們必須保持功能的協(xié)調(diào)。這種協(xié)調(diào)不 僅依賴于物質(zhì)和能量的交換，也有賴于信息的交流。這種信息的交流大多與細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功 能有關(guān)。細(xì)胞間進(jìn)行信息交流的方式：靶細(xì)胞（胰島素與靶細(xì)胞）；細(xì)胞間信息

10、的傳遞（精子與卵 細(xì)胞結(jié)合）；相鄰兩個(gè)細(xì)胞通過通道進(jìn)入另一個(gè)細(xì)胞（高等植物細(xì)胞的胞間連絲）過渡：通過剛才的學(xué)習(xí)，可以看到細(xì)胞膜的功能對于一個(gè)細(xì)胞的正常運(yùn)作是必需的；當(dāng)然細(xì)胞膜的功能除了上述介紹的三點(diǎn)，還有一些其他的功能，這個(gè)問題大家可以在課下查找資料， 也可以在后面的學(xué)習(xí)中逐漸了解，總結(jié)。對生物膜成分和結(jié)構(gòu)的探索歷程。（板書）T:人們對事物的認(rèn)識是有一個(gè)過程的，科學(xué)家當(dāng)年正是懷著對物質(zhì)跨膜運(yùn)輸現(xiàn)象產(chǎn)生的 疑問，開始了對生物膜結(jié)構(gòu)的孜孜以求地探索， 歷經(jīng)了一百多年時(shí)間，走過了一條曲折的道路， 直到現(xiàn)在仍有許多科學(xué)家在繼續(xù)深入研究。讓我們一起重溫一下這段歷史，會讓大家對科學(xué)過 程和本質(zhì)的理解有所啟

11、發(fā)。我想讓大家穿過時(shí)空隧道，回到一百多年前，假想一下：如果你是 當(dāng)時(shí)的一位科學(xué)家，你會怎樣去研究細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)？（提示學(xué)生，引導(dǎo)他們明白限于當(dāng)時(shí)的技 術(shù)條件，還不能親眼看到生物膜，無法想像它的結(jié)構(gòu)是什么樣的，通過什么辦法進(jìn)行第一步的 探究呢？引導(dǎo)學(xué)生看教材后明白當(dāng)時(shí)科學(xué)家是從生理功能入手來探究的，通過實(shí)驗(yàn)觀察，科學(xué)家才有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评恚岢瞿な怯芍|(zhì)組成這一假說，提示學(xué)生作出科學(xué)探究過程中作出假設(shè)后 的步驟是什么（通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證假設(shè)），從而進(jìn)入下面的學(xué)習(xí)。S:可以從現(xiàn)象入手，去進(jìn)行推測。T:這就是生物學(xué)研究上常用的一種科學(xué)方法一一假說法。這也是我們今天探究生物膜的 結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要的方法，下面，就讓我

12、們沿著科學(xué)家的足跡，和科學(xué)家一起來研究這個(gè)問題。問題（1）:探究細(xì)胞膜的組成成分是什么？展示材料：歐文頓的實(shí)驗(yàn)及其相關(guān)的圖片時(shí)間：19世紀(jì)末人物：歐文頓（E.Overton）實(shí)驗(yàn)：用500多種化學(xué)物質(zhì)對植物細(xì)胞的通透性進(jìn)行過上萬次的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜對不同4/8物質(zhì)的通透性是不一樣的：凡可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞不溶于脂質(zhì)的物質(zhì)細(xì)胞膜溶于脂質(zhì)的物質(zhì)T:根據(jù)實(shí)驗(yàn)，你能提出什么假說？S:提出假說：膜是由脂質(zhì)構(gòu)成的。T:在得出結(jié)論之后，還有沒有必要對膜的成分進(jìn)行提取、分離和鑒定呢？S:有必要，通過鑒定能更準(zhǔn)確地說明問題。T:那為什么一開始不直接對膜的成分進(jìn)行提取、

13、分離和鑒定呢？S:當(dāng)時(shí)的技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)。T:這說明什么問題呢？S:這說明技術(shù)對科學(xué)研究的重要作用。T:直至20世紀(jì)初，科學(xué)家才能第一次將細(xì)胞膜從哺乳動物紅細(xì)胞中分離出來，化學(xué)分析表明，膜的主要成分的確是磷脂和蛋白質(zhì)。從而以實(shí)驗(yàn)說明了歐文頓的假說是成立的。也就是 說假說是在實(shí)驗(yàn)與觀察的基礎(chǔ)上提出來的，同時(shí)又需要更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來證明。問題（2）:探究這些物質(zhì)是如何組成膜的？出示資料：1917年歐文 朗繆爾將提取的膜質(zhì)鋪展在水盤的水面上，發(fā)現(xiàn)脂在水面上形 成一薄層，單脂層親水的頭朝向水面，疏水的尾背離水面。于是他提出：磷脂分子是一種由甘 油、脂肪酸和磷酸所組成的分子，結(jié)構(gòu)既有疏水基團(tuán)（尾部），又有親水

14、基團(tuán)（頭部）。因?yàn)?磷脂分子的“頭部”親水，所以在水一空氣界面上磷脂分子是“頭部”向下與水面接觸，尾部則朝向空氣一面。這樣磷脂分子可以在空氣和水的界面上展開為一層。T:大家分組討論，利用手中的磷脂分子模型擺出下面兩種情況下磷脂的分布情況在空5/8氣-水界面上完全浸沒在水中。S:小組代表上黑板演示。展示材料：戈特和格倫德爾對血影的研究。時(shí)間：1925年人物：荷蘭科學(xué)家 Gorter和Grendel實(shí)驗(yàn)：兩位科學(xué)分離純化了紅細(xì)胞，從一定數(shù)量的紅細(xì)胞中抽提脂類，按 Langmuir的方 法進(jìn)行展層，并比較展層后的脂單層的面積和根據(jù)體積所推算的總面積， 發(fā)現(xiàn)提取的脂鋪展后 所測的面積同實(shí)際測量的紅細(xì)胞

15、的表面積之比為（1.82.2） ： 1,約為兩倍。T:假如你是當(dāng)時(shí)的科學(xué)家，當(dāng)你做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)單分子的磷脂分子正好是紅細(xì)胞的兩倍時(shí)， 大膽地展開你的想象力，你能做出什么假說？S:細(xì)胞膜中的磷脂是兩層的。T:那這兩層磷脂分子在細(xì)胞中又是怎樣排布的呢？再分小組討論、利用你手中的模型擺 出來吧。S:分組討論，共可有六種排布方式，并提出細(xì)胞膜應(yīng)兩面都處于水環(huán)境中，所以討論得 到正確的排布方式。問題（3）:那蛋白質(zhì)和磷脂的位置關(guān)系又是如何的呢？展示材料：羅伯特森的單位膜模型時(shí)間：1959年人物：J.D. Robertson羅伯特森實(shí)驗(yàn)：用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片， 顯示暗一明一暗三層結(jié)構(gòu)，厚約7

16、.5nm, 它由厚約3.5nm的雙層脂質(zhì)分子和內(nèi)外表面各為厚約 2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。提出假說：連續(xù)的脂質(zhì)雙分子層組成膜的主體， 磷脂的非極性端朝向膜內(nèi)側(cè)，極性端朝向 膜外兩側(cè)，蛋白質(zhì)以單層肽鏈的厚度，通過靜電作用與磷脂極性端相結(jié)合，從而形成蛋白質(zhì)一磷脂一蛋白質(zhì)的三層結(jié)構(gòu)，稱之為單位膜。 他提出真核細(xì)胞與原核細(xì)胞具有相同的膜結(jié)構(gòu)。單位膜模型的主要不足在于：把生物膜的結(jié)構(gòu)描述成靜止的、不變的，這顯然與膜功能的多樣性 相矛盾。單位膜結(jié)構(gòu)模型繼承了前人的有關(guān)結(jié)論， 又成功地利用了先進(jìn)的電子顯微鏡的觀察結(jié)果作 為證據(jù)。但是他將生物膜描述為靜態(tài)的剛性的結(jié)構(gòu)， 這一點(diǎn)很快又被新的技術(shù)手段下的實(shí)驗(yàn)所 否定。6

17、/8以討論小組的形式開展課堂討論交流。(1)生物膜的流動鑲嵌模型是不是就完美無缺了呢？請說說你的看法。S:生物膜的流動鑲嵌模型不可能完美無缺。人類對自然界的認(rèn)識永無止境，隨著實(shí)驗(yàn)技 術(shù)的不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，對膜的研究將更加細(xì)致入微，對膜結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識將能更完善地解釋 細(xì)胞膜的各種功能，不斷完善和發(fā)展流動鑲嵌模型。的確，流動鑲嵌模型是目前人們普遍認(rèn)同的， 但它無法完美地回答生物膜的所有功能。 所 以后來不斷提出一些新的模型，如Wallach于1975年提出晶格鑲嵌模型；Jain和WNte于1977 年提出板塊鑲嵌模型等，迄今為止，已提出的生物膜結(jié)構(gòu)模型達(dá)幾十種之多，生物膜的結(jié)構(gòu)模 型雖然有很多種，

18、但被廣泛接受的結(jié)構(gòu)模型基本內(nèi)容是趨向一致的。具要點(diǎn)和特點(diǎn)基本相同， 主要包括膜的分子組成和結(jié)構(gòu)特征。(2)縱觀整個(gè)人們對建立生物膜模型的探索過程，你能談?wù)剬?shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步起到怎樣的 作用？S:在建立生物膜模型的過程中，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步起到了關(guān)鍵性的推動作用。如血影的制 取和化學(xué)成分的鑒定技術(shù)使人們認(rèn)識膜的化學(xué)組成；電子顯微鏡的誕生使人們終于看到了膜的 存在；冰凍蝕刻技術(shù)和掃描電子顯微鏡技術(shù)使人們認(rèn)識到膜的內(nèi)外兩側(cè)并不對稱；熒光標(biāo)記小鼠細(xì)胞與人細(xì)胞的融合實(shí)驗(yàn)又證明了膜的流動性等。沒有這些技術(shù)的支持，人類的認(rèn)識便不能 發(fā)展。(3)分析生物膜模型的建立過程中，結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)是如何得到體現(xiàn)的？S:在建立生物膜模型的過程中，結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)始終引導(dǎo)人們不斷實(shí)踐、認(rèn)識， 再實(shí)踐、再認(rèn)識；使人類一步步接近生物膜結(jié)構(gòu)的真相。 例如，不同生物膜的功能是有差異的。 在生命系統(tǒng)中，一般來說，功能的不同常伴隨著結(jié)構(gòu)的差異，而早期的生物膜模型假定所有的 生物膜都是相同的，這顯然與不同部位的生物膜功能不完全相同是矛盾的。還有，不同膜的厚 度也不完全一樣。由此促進(jìn)學(xué)者們重新研究脂質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用的問題。一些