1、第第3 3章章 细胞的基本结构细胞的基本结构 对于我们体内的一些胰岛细胞来说，合成和分泌胰岛素是很平常的事，而对于我们体内的一些胰岛细胞来说，合成和分泌胰岛素是很平常的事，而我们科学家完成历史上第一次人工合成胰岛素的创举，却用了我们科学家完成历史上第一次人工合成胰岛素的创举，却用了6 6年多的时间！时至年多的时间！时至今日，世界上临床应用的胰岛素，仍是将胰岛素基因转入易于培养的细胞中，让细今日，世界上临床应用的胰岛素，仍是将胰岛素基因转入易于培养的细胞中，让细胞来生产的。为什么靠人类很难完成的工作，对细胞来说却轻而易举呢？细胞中是胞来生产的。为什么靠人类很难完成的工作，对细胞来说却轻而易举呢？
2、细胞中是不是有一条条不是有一条条“生产线生产线”呢？呢？正如一堆建筑材料不可能让人居住一样，将细胞中所有的物质放在一起，正如一堆建筑材料不可能让人居住一样，将细胞中所有的物质放在一起，他们并不能进行任何生命活动。组成细胞的分子必须有序地组织成细胞的结构，才他们并不能进行任何生命活动。组成细胞的分子必须有序地组织成细胞的结构，才能成为一个基本的生命系统。能成为一个基本的生命系统。那么，细胞的基本结构是怎样的呢？细胞的各种结构又是怎样协调配合，那么，细胞的基本结构是怎样的呢？细胞的各种结构又是怎样协调配合，共同完成生命活动的呢？共同完成生命活动的呢？我确信哪怕一个最简单的细胞，也比迄今为我确信哪怕
3、一个最简单的细胞，也比迄今为止设计出的任何只能电脑更精巧。止设计出的任何只能电脑更精巧。引自翟中和院士等主编的细胞生物学引自翟中和院士等主编的细胞生物学第第3 3章章 细胞的基本结构细胞的基本结构问题探讨鉴别动物细胞是否死亡常用台酚蓝染液。用它染色时，死细胞会被染成蓝色，而活细胞不会着色。讨论讨论1.1.为什么活细胞不能被染色，而死细胞能被染色？为什么活细胞不能被染色，而死细胞能被染色？2.2.据此推测，细胞膜作为细胞的边界，应该具有据此推测，细胞膜作为细胞的边界，应该具有什么功能？什么功能？1.1.活细胞的细胞膜具有活细胞的细胞膜具有选择透过性选择透过性，染液台盼蓝是细，染液台盼蓝是细胞不需
4、要的物质，不易通过细胞膜，因此活细胞不被胞不需要的物质，不易通过细胞膜，因此活细胞不被染色。死细胞的细胞膜失去控制物质进出细胞的功能，染色。死细胞的细胞膜失去控制物质进出细胞的功能，台盼蓝能通过细胞膜进入细胞，死细胞能被染成蓝色。台盼蓝能通过细胞膜进入细胞，死细胞能被染成蓝色。2.2.细胞膜作为细胞的边界，具有控制物质进出细胞的细胞膜作为细胞的边界，具有控制物质进出细胞的功能。功能。第第1 1节节 细胞膜的结构和功能细胞膜的结构和功能重点（1）细胞膜的成分和功能（2）细胞膜对于细胞这个生命系统的重要意义（3）流动镶嵌模型的基本内容难点（1）细胞膜对于细胞这个生命系统的重要意义（2）流动镶嵌模型
5、的基本内容本节聚焦本节聚焦细胞膜有哪些主要功能？细胞膜有哪些主要功能？流动镶嵌模型的基本内容是什么？流动镶嵌模型的基本内容是什么？通过对细胞膜结构的探索过程的分析，你对通过对细胞膜结构的探索过程的分析，你对科学家的过程和方法有哪些领悟？科学家的过程和方法有哪些领悟？第第1 1节节 细胞膜的结构和功能细胞膜的结构和功能一、细胞膜的功能一、细胞膜的功能二、对细胞膜结构的探索二、对细胞膜结构的探索三、流动镶嵌模型的基本内容三、流动镶嵌模型的基本内容第第1 1节节 细胞膜的结构和功能细胞膜的结构和功能第第1 1节节 细胞膜的结构和功能细胞膜的结构和功能 一个国家有陆地、海域、领空的边界；使人体内部与外
6、界分隔的皮肤和黏膜，是人体的边界。细胞作为一个基本的生命系统。系统的边界对系统的稳定至关重要。细胞作为一个基本的生命系统，它的边界是细胞膜，也叫质膜。细胞膜作为系统的边界，它在细胞的生命活动中起什么作用？一、细胞膜的功能（一）将细胞与外界环境分隔开（一）将细胞与外界环境分隔开 细胞膜将细胞与外界环细胞膜将细胞与外界环境隔开，保障了细胞内环境的境隔开，保障了细胞内环境的相对稳定。相对稳定。1.1.对于原始生命，膜的出现起到至关重要的作用，对于原始生命，膜的出现起到至关重要的作用，它将生命物质与非生命物质分隔开，成为相对独立它将生命物质与非生命物质分隔开，成为相对独立的系统。的系统。2.2.对于原
7、生生物，如草履虫，它属于单细胞生物，对于原生生物，如草履虫，它属于单细胞生物，它与外界环境的分界面也是细胞膜。它与外界环境的分界面也是细胞膜。（二）控制物质进出细胞包括细胞膜控制作用的普遍性和控制作用的相对性包括细胞膜控制作用的普遍性和控制作用的相对性两个方面，如图所示：两个方面，如图所示：表明细胞膜的控制表明细胞膜的控制作用具有相对性。作用具有相对性。表明细胞膜的控表明细胞膜的控制作用具有普遍性；制作用具有普遍性；一、细胞膜的功能（三）进行细胞间的信息交流一、细胞膜的功能通道通道即：细胞即：细胞=细胞。细胞。即：激素即：激素靶细胞靶细胞细胞间信息交流主要有三种方式：细胞间信息交流主要有三种方
8、式：1.1.通过体液的作用来完成的间接交流；如：通过体液的作用来完成的间接交流；如：内分泌内分泌细胞细胞即：激素即：激素靶细胞靶细胞分泌分泌激素激素进入进入体液体液体液体液运输运输靶细胞靶细胞受体受体信息信息靶细胞靶细胞（三）进行细胞间的信息交流一、细胞膜的功能2.2.相邻细胞间直接接触，相邻细胞间直接接触，通过与细胞膜结合的信号通过与细胞膜结合的信号分子影响其他细胞，即细分子影响其他细胞，即细胞胞细胞，如精子和卵细细胞，如精子和卵细胞之间的识别和结合。胞之间的识别和结合。（三）进行细胞间的信息交流一、细胞膜的功能3.3.相邻细胞间形成通道使细胞相互沟通，通过携带信相邻细胞间形成通道使细胞相互
9、沟通，通过携带信息的物质来交流信息，息的物质来交流信息，通道通道高等植物细胞之间通过胞间连丝相高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，进行细胞间的信息交流。互连接，进行细胞间的信息交流。即：细胞即：细胞=细胞。细胞。胞间连丝胞间连丝胞间连丝切片（黑枣）胞间连丝切片（黑枣）（三）进行细胞间的信息交流一、细胞膜的功能 多细胞生物是一个繁忙而有血的细胞“社会”。如果没有信息交流，生物体不可能作为一个整体完成生命活动。细胞间的信息交流，大多与细胞膜的结构有关。细胞膜的功能是由它的的成分和结构决定的。但细胞膜非常薄，即使在高倍显微镜下依然难以看清他的真面目，人们对细胞膜化学成分和结构的认识经历了很长的过程
10、。一、细胞膜的功能二、对细胞膜结构的探索思考思考 讨论讨论对细胞膜成分的探索（P42）讨论讨论 1.1.最初对细胞膜成分的认识，是通过对现象的推理分析，最初对细胞膜成分的认识，是通过对现象的推理分析，还是通过对膜成分的提取和检测？还是通过对膜成分的提取和检测？2.2.根据磷脂分子的特点解释，为什么磷脂在空气根据磷脂分子的特点解释，为什么磷脂在空气-水界面上水界面上铺展成単分子层？科学家是如何推导出铺展成単分子层？科学家是如何推导出“脂质在细胞膜中必然脂质在细胞膜中必然排列为连续的两层排列为连续的两层”这一结论。这一结论。3.3.磷脂分子在水中能自发地形成双分子层，你如何解释这磷脂分子在水中能自
11、发地形成双分子层，你如何解释这一现象？由此，你能否就细胞膜是由磷脂双分子层构成的原因一现象？由此，你能否就细胞膜是由磷脂双分子层构成的原因作出分析？作出分析？4.4.如果将磷脂分子置于水如果将磷脂分子置于水-苯的混合剂中，磷脂分子将如何苯的混合剂中，磷脂分子将如何分布？分布？二、对细胞膜结构的探索（一）对细胞膜成分的探究过程（一）对细胞膜成分的探究过程时间时间科学家科学家实例（实验）实例（实验）推测或结论推测或结论18951895年年欧文顿欧文顿500500多种化学物质对植物的细胞通透性多种化学物质对植物的细胞通透性进行上万次实验，发现细胞膜对不同物进行上万次实验，发现细胞膜对不同物质的通透性
12、不一样：溶于脂质的物质容质的通透性不一样：溶于脂质的物质容易穿过细胞膜，相反则不能。易穿过细胞膜，相反则不能。推测：推测：_2020世世纪初纪初利用动物的卵细胞、红细胞、神经细胞利用动物的卵细胞、红细胞、神经细胞等作为研究材料，并利用哺乳动物的红等作为研究材料，并利用哺乳动物的红细胞，制备纯的细胞膜并进行化学分析细胞，制备纯的细胞膜并进行化学分析组成细胞膜的由磷脂和胆固组成细胞膜的由磷脂和胆固醇，其中磷脂含量最多醇，其中磷脂含量最多19251925年年戈特戈特格伦德格伦德尔尔用丙酮从人的红细胞提取脂质，在空用丙酮从人的红细胞提取脂质，在空气气水界面上铺展成単分子层，测得水界面上铺展成単分子层，
13、测得单层分子的面积恰为红细胞表面的单层分子的面积恰为红细胞表面的2 2倍倍推测：细胞膜中的磷脂分子推测：细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层必然排列为连续的两层19351935年年丹尼利丹尼利.戴维森戴维森将研究了细胞膜的张力。发现细胞的表将研究了细胞膜的张力。发现细胞的表面张力明显低于油面张力明显低于油水界面的张力。水界面的张力。由于人们已经发现优质滴表面如果吸附由于人们已经发现优质滴表面如果吸附有蛋白质成分则表面张力会降低有蛋白质成分则表面张力会降低推测：细胞膜除含有脂质分推测：细胞膜除含有脂质分子外，还可能附有蛋白质子外，还可能附有蛋白质细胞膜是由脂质组成细胞膜是由脂质组成如何证明细胞
14、膜含有蛋白质？如何证明细胞膜含有蛋白质？二、对细胞膜结构的探索二、对细胞膜结构的探索1.最初对细胞膜成分的认识，是通过对现象的推理分析，还是通过对膜成分的提取和检测？提示：是通过对现象的推理分析。提示：是通过对现象的推理分析。二、对细胞膜结构的探索2.2.根据磷脂分子的特点解释，为什么磷脂在空气根据磷脂分子的特点解释，为什么磷脂在空气-水界水界面上铺展成単分子层？科学家是如何推导出面上铺展成単分子层？科学家是如何推导出“脂质在脂质在细胞膜中必然排列为连续的两层细胞膜中必然排列为连续的两层”这一结论。这一结论。提示：提示：因为磷脂分子的因为磷脂分子的“头部头部”亲水，亲水，“尾部尾部”疏疏水，所
15、以在水水，所以在水-空气的界面上磷脂分子是空气的界面上磷脂分子是“头部头部”向下与水面接触，向下与水面接触，“尾部尾部”则朝向空气的一面。则朝向空气的一面。科学家因测得从哺乳动物成熟的红细胞中科学家因测得从哺乳动物成熟的红细胞中提取的脂质，铺成单分子层的面积恰好为红细胞表提取的脂质，铺成单分子层的面积恰好为红细胞表面积的面积的2 2倍，才得出膜中的脂质必然排列为连续的倍，才得出膜中的脂质必然排列为连续的两层这一结论。两层这一结论。二、对细胞膜结构的探索3.3.磷脂分子在水中能自发地形成双分子层，你如何解磷脂分子在水中能自发地形成双分子层，你如何解释这一现象？由此，你能否就细胞膜是由磷脂双分子释
16、这一现象？由此，你能否就细胞膜是由磷脂双分子层构成的原因作出分析？层构成的原因作出分析？提示：由于磷脂分子有亲水的提示：由于磷脂分子有亲水的“头部头部”和疏水的和疏水的“尾尾部部”，在水溶液中，朝向水的是，在水溶液中，朝向水的是“头部头部”，“尾部尾部”受水的排斥。当磷脂分子的内外两侧均是水环境时，受水的排斥。当磷脂分子的内外两侧均是水环境时，磷脂分子的磷脂分子的“尾部尾部”相对排列在内侧，相对排列在内侧，“头部头部”则分则分别朝向两侧水的环境，形成磷脂双分子层。细胞的内别朝向两侧水的环境，形成磷脂双分子层。细胞的内外环境都是水溶液，所以细胞膜磷脂分子的外环境都是水溶液，所以细胞膜磷脂分子的“
17、头部头部”向着膜的内外两侧，而向着膜的内外两侧，而“尾部尾部”相对排列在内侧，形相对排列在内侧，形成磷脂双分子层。成磷脂双分子层。二、对细胞膜结构的探索 4.4.如果将磷脂分子置于水如果将磷脂分子置于水-苯的混合剂中，磷脂分子苯的混合剂中，磷脂分子将如何分布？将如何分布？提示：如果将磷脂分子置于水提示：如果将磷脂分子置于水苯的混合溶剂苯的混合溶剂中，磷脂的中，磷脂的“头部头部”将与水接触，将与水接触，“尾部尾部”与苯与苯接触，磷脂分子分布成单层。接触，磷脂分子分布成单层。二、对细胞膜结构的探索（二）对细胞膜结构的探索细胞膜的成分脂质 约占细胞膜总量的50%蛋白质 约占40%糖类 约占2%-10
18、%在组成细胞膜的脂质中，磷脂最丰富，此外还有少量的胆固醇。蛋白质在细胞膜行使功能方面起着重要的作用，因此功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类与数量就越多。脂质和蛋白质等成分是如何组成细胞膜的呢？脂质和蛋白质等成分是如何组成细胞膜的呢？二、对细胞膜结构的探索（二）对细胞膜结构的探索（二）对细胞膜结构的探索1.19591.1959年，罗伯特森利用电镜，获年，罗伯特森利用电镜，获得了清晰的细胞膜照片，显示暗得了清晰的细胞膜照片，显示暗明明暗的三层结构。暗的三层结构。他结合其他科学家的工作，大胆他结合其他科学家的工作，大胆地提出了细胞膜模型的假说：地提出了细胞膜模型的假说：蛋白质蛋白质脂质脂质蛋白质（单蛋
19、白质（单位膜）位膜）把细胞膜描述为静态的统把细胞膜描述为静态的统一结构。一结构。二、对细胞膜结构的探索2020世纪世纪6060年代以后，不少科年代以后，不少科学家对于细胞膜是静态的观学家对于细胞膜是静态的观点提出质疑：如果是这样，点提出质疑：如果是这样，细胞膜的复杂功能将难以实细胞膜的复杂功能将难以实现，就连细胞的生长、变形现，就连细胞的生长、变形虫的变形运动这样的现象都虫的变形运动这样的现象都难以解释。难以解释。变形虫在吞噬草履虫我们要如何证明细胞膜具有流动性呢？二、对细胞膜结构的探索2.19702.1970年费雷和埃迪登等年费雷和埃迪登等实验：用发绿荧光的染料标记小鼠细胞编码的蛋白质，实验
20、：用发绿荧光的染料标记小鼠细胞编码的蛋白质，用发红色染液标记细胞表面的蛋白质分子，将小鼠细用发红色染液标记细胞表面的蛋白质分子，将小鼠细胞和人细胞融合。胞和人细胞融合。二、对细胞膜结构的探索结果：融合细胞的一般发绿色荧光，另一半发红色荧结果：融合细胞的一般发绿色荧光，另一半发红色荧光。在光。在3737下经过下经过40min40min，两种颜色的荧光均匀分布。，两种颜色的荧光均匀分布。结论：细胞膜具有流动性。结论：细胞膜具有流动性。推翻静止模型的（罗伯特森）观点推翻静止模型的（罗伯特森）观点二、对细胞膜结构的探索 1972 1972年，桑格和尼克森在新的观察和实验证据的基础年，桑格和尼克森在新的
21、观察和实验证据的基础上，提出了流动镶嵌模型。上，提出了流动镶嵌模型。三、流动镶嵌模型的基本内容1.成分2.结构（1）磷脂双分子层是膜的基本支架，其内部是磷脂分子的疏水端，水溶性分子或离子不能自由通过，因此具有屏障作用。主要是由磷脂分子和蛋白质构成的。少量的糖类。（2）蛋白质有的镶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；有的贯穿于整个双分子层。这些蛋白质分子在物质运输等方面具有重要作用。2.结构蛋白质分子以不同方式镶嵌在磷脂双分子层中三、流动镶嵌模型的基本内容（3）糖被2.结构糖类与蛋白质分子结合形成糖蛋白，或与脂质结合形成糖脂，这些糖类分子叫做糖被。糖被在细胞膜生命活动中具有重要
22、的功能。如：糖被与细胞表面的识别、细胞间的信息传递等功能有密切关系。三、流动镶嵌模型的基本内容3 3.磷脂和蛋白质的特性磷脂和蛋白质的特性（1 1）细胞膜磷脂分子具有流动性、对称性。）细胞膜磷脂分子具有流动性、对称性。（2 2）膜蛋白分子具有对称性、不对称性、镶嵌性、）膜蛋白分子具有对称性、不对称性、镶嵌性、流动性。流动性。三、流动镶嵌模型的基本内容相同点：相同点：都认为组成细胞膜的主要物质是脂质和蛋白质都认为组成细胞膜的主要物质是脂质和蛋白质。不同点不同点：（1 1）流动镶嵌模型认为蛋白质在膜中的分布是）流动镶嵌模型认为蛋白质在膜中的分布是不均匀的。而三层结构模型认为蛋白质均匀分布不均匀的。
23、而三层结构模型认为蛋白质均匀分布在脂双层的两侧在脂双层的两侧（2 2）流动镶嵌模型强调组成膜的分子是运动的，）流动镶嵌模型强调组成膜的分子是运动的，而三层结构认为生物膜是静止结构而三层结构认为生物膜是静止结构4 4.动镶嵌模型与蛋白质动镶嵌模型与蛋白质脂质脂质蛋白质三层结构模型蛋白质三层结构模型异同异同三、流动镶嵌模型的基本内容拓展应用拓展应用1.提示：把细胞膜与窗纱进行类比，合理之处是说明细胞膜与窗纱一样可以允许一些物质进入，阻挡其他物质进入。这样的类比也有不妥之处。例如，窗纱是一种简单的刚性结构，功能较单纯，细胞膜的结构和功能要复杂得多；细胞膜是活细胞的重要组成部分，活细胞的生命活动是一个
24、主动的过程，而窗纱是没有生命的，它只能是被动地在作用。练习与应用练习与应用旁栏思考旁栏思考既然膜内部是疏水的，水分子为什么能跨膜运输呢？既然膜内部是疏水的，水分子为什么能跨膜运输呢？提示：一是因为水分子极小，可以通过由于磷脂分子运动而产生的间隙；二是因为陌上存在水通道蛋白，水分子可以通过通道蛋白通过膜。三、流动镶嵌模型的基本内容2.（1）由双层磷脂分子构成的脂质体，两层磷脂分子之间的部分是疏水的，脂溶性药物能被稳定地包裹在其中；脂质体的内部是水溶液的环境，能在水中结晶的药物可稳定地包裹其中。（2）由于脂质体是磷脂双分层结构的，达到细胞后可能会与细胞的细胞膜发生融合，也可以能会被细胞以胞吞的方式进入细胞，从而使药物在细胞内发挥作用。拓展应用拓展应用练习与应用练习与应用
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