高中生物教案-第一節 細胞的結構和功能（一）

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一細胞膜的結構和功能

一、知識結構二、教學目的

1.細胞膜的分子結構(C：理解)。

2.細胞膜的主要功能(C：理解)。

三、重點和難點

1.教學重點

(1)細胞膜的分子結構。

(2)細胞膜的主要功能。

2.教學難點

細胞膜內外物質交換的主動運輸方式。

四、教學建議

第一節內容的教學時間是6課時，其中講課4課時，學生實驗2課時。講課與學生實驗應該有機結合，以便提高教學效率。

對本節教學，在教學手段上，應該充分運用示意圖、模型、照片等直觀教具。在認識方法上要求：①注意把組成生物體的化合物與細胞結構建立起聯系；②注意分析細胞各部分結構特點與其功能的適應性；③注意講述細胞各部分結構之間在功能上的聯系。通過本節的教學，要使學生對第一章第二節中有關化合物的功能的認識具體化、結構化：使學生對細胞的結構和功能的認識物質化(達到分子水平)。

通過本節前言部分的教學，要使學生形成下列認識：①組成生物體的化合物，在細胞中以一定的方式有機地構建起來，因此才能表現生命；②細胞的種類多種多樣(用備好的示意圖逐一呈現原核細胞、真核細胞的顯微結構)，但是都具有細胞膜、細胞質和細胞核或擬核三部分，教材中將以真核細胞為主來認識細胞的結構和功能；③高中生物課將主要從亞顯微結構水平上認識細胞的結構和功能(讓學生觀察教材中的示意圖)。關于本節前言部分的教學，時間不宜太長。

關于第一小節中細胞膜的分子結構的教學，可以從以下幾個層次剖析；①用純凈的細胞膜(紅細胞的膜)為材料，進行化學分析，已經知道細胞膜三層結構的化學組成主要是蛋白質和磷脂(看教材中的細胞膜主要化學成分的含量表)；②建立細胞膜的結構模型，對模型的分析深度可依據學生的條件而定，但要突出細胞膜的結構特點；③如果學生條件較好，可講述有關細胞融合實驗的結果和有關細胞內外物質濃度的差異等知識，證明細胞膜具有流動性和對物質進出有選擇性的特點。關于細胞膜外表的糖被，只要結合教材中的例子簡要說明就可以了。

關于細胞膜的主要功能的教學，重點是分析自由擴散和主動運輸這兩種物質通過膜的方式?？蓮木唧w的事實分析入手，歸納出兩種方式的特點。例如，可用示意圖顯示細胞與組織液中氧和二氧化碳的濃度差(分壓差)與擴散趨勢，使學生認識到這些氣體通過細胞膜時遵循擴散原理，進而推導出這一類物質的過膜方式。又如，通過對輪藻細胞中K+(或其他離子)和環境中的K+（或其他離子）的濃度差等具體事實的分析，使學生認識到一些物質進出細胞并不遵循擴散原理，而是由細胞膜主動運輸的。在這里，教師應注意講出主動運輸需要膜上某些載體蛋白質參與。主動運輸具有選擇性，需要消耗細胞內新陳代謝釋放的能量。

關于內吞和外排方式的小字閱讀材料，可使學生了解大分子物質和顆粒性物質進出細胞的方式。

關于細胞膜的其他功能，可根據學生的接受能力酌情處理。關于細胞壁的知識，可在前言中結合介紹各種細胞時講述。

五、參考答案

復習題一、1.脂質分子和蛋白質分子。2.選擇透過性。

二、1.(D)；2.(D)。

三、

出入細胞的物質舉例

物質出入細胞的方式

細胞膜內、外物質濃度的高、低（如物質進入細胞）

是否需要載體蛋白質

是否消耗細胞內的能量

甘油

自由擴散

細胞膜外濃度高

細胞膜內濃度低

不需要

不需要

進入紅細胞的K+

主動運輸

細胞膜外濃度低

細胞膜內濃度高

需要

需要

旁欄思考題這是細胞的內吞作用。這對于人體有防御功能，并有利于細胞新陳代謝的正常進行。

六、參考資料

病毒細菌還不是最小的生物，比細菌還小的生物是病毒等。19世紀末期，有人首先證實煙草花葉病和牛口蹄疫的病原體非常小，它們可以暢通無阻地穿過細菌所不能穿透的瓷濾器，于是把這類病原體命名為“濾過性病毒”或“病毒”，以區別于其他許多種疾病的病原體──細菌。一般說來，病毒比多數自由生活的細菌要小，直徑是0.08～3μm[1μm（微米）等于10-6m；1nm（納米）等于10-9m。]左右。較大的痘類病毒(0.20μm以上)剛好可用光學顯微鏡看到，但不能對它進行細致的觀察。較小的病毒，如雞瘟病毒(70～100nm)、流行性乙型腦炎病毒(20～30nm)，只有依靠電子顯微鏡才能觀察到。病毒不能獨立生活，它只有寄生在其他生物的細胞里才能進行代謝活動和繁殖后代。

病毒可以根據它們寄主的不同，大致分為三類：一是動物病毒，如寄生在雞體組織細胞內的雞瘟病毒；二是植物病毒，如寄生在煙草葉細胞內的煙草花葉病病毒；三是細菌病毒(也叫噬菌體)，如寄生在大腸桿菌細胞內的Φ×174噬菌體。所有的病毒都沒有典型的細胞結構。它們的結構主要是外面有一個由蛋白質組成的外殼，殼內含有另一種物質，叫做核酸(圖21)。病毒在寄主細胞內依靠它們所含的核酸，不斷地進行自我復制和繁殖，造成對寄主細胞的危害。在現在所發現的三百多種病毒中，大部分都是引起人類、動物、植物或細菌發生病害的病原體。

圖2-1煙草花葉病病毒結構示意圖公務員之家，全國公務員共同天地

1.核酸2.蛋白質

后來，科學家發現一種比病毒更簡單的生命形式，叫做類病毒。它的大小相當于病毒的1／80，身體只是由小分子的核酸構成的，沒有蛋白質。已經有人發現它是馬鈴薯紡錘塊莖病的病原體。

近些年來，科學家還發現了朊病毒，這是只含蛋白質而無核酸的分子。朊病毒能侵入寄主細胞，在寄主細胞中繁殖，致使寄主因中樞神經系統病變而死亡。例如，引起瘋牛病、羊瘙癢病的病原因子。關于朊病毒的繁殖和致病機制，有待進一步探究。

電子顯微鏡電子顯微鏡是一種精密分析儀器，在科學研究和現代工農業生產中，已經日益成為一種必不可少的重要儀器。我國在1965年試制成功20萬倍電子顯微鏡，后來又研制成80萬倍電子顯微鏡，它具有分辨率高(可以看清兩個小點間的最小距離為0.144nm，相當于人的頭發絲的2×10-7，已經達到可以分辨單個分子和原子的程度)、放大倍率范圍寬、操作方便、使用范圍廣等特點，并配有自動照相裝置。

電子顯微鏡是利用高速運動的電子來代替光波的一種顯微鏡。目前最常用的是通用式電子顯微鏡(圖2-2)和掃描式電子顯微鏡?，F在，通用式電子顯微鏡的直接放大倍數可達80萬倍左右，分辨率一般是0.2nm，用它可以看到病毒、單個分子以及金屬材料的晶格結構等。除上述兩種電鏡外，根據不同的成像原理，還有發射式電子顯微鏡、反射式電子顯微鏡、鏡式電子顯微鏡等各種類型。各式電子顯微鏡廣泛地應用于金屬物理學、高分子化學、微電子學、生物學、醫學以及工農業生產等各個領域。

膜的化學組成根據對細胞膜和細胞中其他各種膜的微量化學分析結果來看，膜主要含有脂質和蛋白質兩大類物質。蛋白質約占膜干重的20%～70%，脂質約占30%～80%。各種膜所含的蛋白質與脂質的比例同膜的功能有關。功能較旺盛的膜，其蛋白質含量較高（表2-1），因為膜的功能主要由蛋白質來承擔。此外，細胞膜還含有約10%的糖類，但是糖類都和蛋白質或脂質結合成糖蛋白或糖脂，分布在細胞膜的外表面。整合蛋白(又稱內在蛋白)普遍為糖蛋白。

表2-1各種膜的基本組成(質量分數／%)

成分

髓鞘

紅細胞

細胞膜

肝細胞

細胞膜

心肌

線粒體

葉綠體

片層

大腸桿菌

細胞膜

蛋白質

總脂質

磷脂

糖脂

膽固醇

其他脂質

22

78

33

22

17

6

60

40

24

微量

9

7

60

40

26

13

1

76

24

22

微量

1

1

50

50

6

20

24

75

25

25

膜脂主要是磷脂和膽固醇。磷脂約占總脂質的55%～75%，主要有卵磷脂和腦磷脂，其余是鞘脂和糖脂。各種脊椎動物細胞的膽固醇與磷脂的比值不同。細菌和植物細胞的細胞膜沒有膽固醇。膽固醇有降低液晶態脂雙層的通透性和脂分子運動性作用，而且可以增強動物細胞膜的韌性。

蛋白質是生物膜的另一種主要成分。根據蛋白質和膜的結合程度的不同，蛋白質分為整合蛋白和邊周蛋白(又稱外在蛋白)兩類，整合蛋白約占膜蛋白總量的70%。各種蛋白質在膜上的分布是不對稱的。膜蛋白不僅有機械支持作用，而且在物質運輸以及受體、抗原和酶的形成等方面起著重要作用。

細胞外結構和細胞外被細胞膜并不是細胞的最外邊界，各類細胞在細胞膜外還附著有細胞膜外結構。細胞膜外結構在結構、成分和功能等方面，因生物物種和細胞類型的不同而異。它包括的范圍極其廣泛，例如，血型抗原、魚類和兩棲類的卵膜、哺乳動物卵的透明帶、基膜、動物軟骨細胞間的基質、腸上皮細胞表面的黏蛋白、植物細胞壁，以及原核細胞的細胞壁和細菌莢膜等。細胞外結構根據來源、性質和同細胞膜的關系，可以區分為細胞外被、表面黏著物質和外在結構三類。

細胞膜的外表有一層由糖蛋白構成的外被，稱為糖被或糖萼。糖被是細胞表面不可缺少的組成部分，在細胞生命活動中具有某些十分重要的特殊功能，因此對糖被的研究是目前國內外頗為活躍的領域。糖蛋白分子的種類很多，分子大小懸殊很大，相對分子質量可從15000到106以上。

細胞膜上的糖蛋白在細胞生理活動和細胞間期相互作用方面有許多重要功能，主要是分子識別、免疫反應、神經沖動的傳導、激素受體和CAMP的代謝調節作用、血型抗原和酶。

膜的分子結構模型關于膜的結構，從20世紀開始一直到現在，科學家們提出了很多假說和模型。下面舉幾個比較流行的模型加以說明。

1.單位膜模型。這種模型于1935年提出，到20世紀50年代加以修正，隨后經羅伯特桑(Robertson)的電鏡觀察加以完善。這種模型表示，細胞膜由脂質雙分子層及在其內外兩側各覆蓋一層蛋白質所組成。脂質分子相互平行，與膜垂直。蛋白質是以β折疊形式結合在膜的內外兩側，形成網狀。羅伯特桑于1959年指出，所有生物膜的厚度基本上是一致的，這種三層結構的膜普遍存在于細胞中，他叫這樣的膜為單位膜。但到20世紀60年代以后，由于應用了一系列新技術，科學家證實膜的脂質雙分子層中也有蛋白質顆粒，并證實膜蛋白主要不是β折疊結構，而是α螺旋結構等?？茖W家根據這些事實，對生物膜的單位膜模型理論提出了修正。

2.液態鑲嵌模型。這是細胞生物學的重要進展之一。科學家發現細胞膜不是靜態的，而是膜中的脂質和蛋白質都能自由運動。這種模型叫做流動脂質—球蛋白鑲嵌模型。這是個動態模型，表示細胞膜是由脂質雙分子層和鑲嵌著的球蛋白分子組成的，有的蛋白質分子露在膜的表面，有的蛋白質分子橫穿過脂質雙分子層。這種模型主要強調的是，流動的脂質雙分子層構成了膜的連續體，而蛋白質分子像一群島嶼一樣無規則地分散在脂質的“海洋”中。后來，不少實驗都證實膜脂的“流動性”是生物膜結構的基本特性之一，因此這種模型比較普遍地被大家所接受和支持。但是，這種模型也有不足之處，它比較忽視了蛋白質分子對脂質分子流動性的控制作用，以及其他因素對脂質分子運動的影響。

3.晶格鑲嵌模型。由于液態鑲嵌模型有上述不足之處，沃利奇(Wallach)于1975年提出了晶格鑲嵌模型。他指出：生物膜含有“流動性”脂質是可逆地進行從無序(“流動性”)到有序(晶態)的相變；在大多數動物細胞的膜系統中，這種“流動性”脂質呈小片的點狀分布，面積小于100nm2左右。沃利奇認為，“晶格鑲嵌”模型比“液態鑲嵌”模型更能代表膜的真實結構。晶格鑲嵌模型在一定條件下，可能代表某些膜的真實結構，但是并不能作為一般膜的通用模型。

4.板塊鑲嵌模型。1977年，Jain和White進一步發展了沃利奇提出的晶格鑲嵌模型，提出了板塊鑲嵌模型(圖2-3)。這種模型學說認為，在流動的類脂雙分子層中存在許多大小不同、剛度較大的、彼此獨立移動的類脂板塊(有序結構板塊)。這種無序結構區的板塊和有序結構區的大小、形狀、壽命、運動性、交換速率、板塊內組分的留存時間等問題，都有待于進一步明確，但是它們之間的差別可能很大。分布于膜內兩半層的板塊彼此相對獨立，呈不對稱性，但是某些板塊也可能延伸到全部雙分子層。

圖2-3板塊鑲嵌模型

上：圖的中間部分是液晶態，兩側是晶態

下：表示具有不同的流動性的板塊鑲嵌分布

板塊內各種組分之間的疏水力相互作用，蛋白質和類脂兩者也可能形成另一種不同性質的長距離的有序組織(一般超過幾百個分子大小)。因此，膜平面實際上是由同時存在的不同組織結構和不同性質的許多板塊組成的，它的變化主要由板塊內組分的構象和相互作用的特異性所決定。膜功能的多樣性，可能與板塊的性質和變化有關，這就可以解釋所謂細胞內“區域化”的問題。細胞中“區域化”的特點，使細胞內各種錯綜復雜的生化反應能夠彼此不受干擾，有條不紊地進行。

事實上，晶格鑲嵌模型和板塊鑲嵌模型及液態鑲嵌模型并沒有本質差別，前二者只不過是對膜的流動性的分子基礎作了解釋，因而是對后者的補充。目前所流行的關于膜結構的基本觀點仍然是流動鑲嵌模型。由于膜的結構復雜和功能多樣，還存在不少問題有待解決。目前看來還沒有一個模型可以作為所有生物膜的通用模型。

膜流動性的控制機制所謂膜的流動性，包括膜脂的流動性和膜蛋白的運動性。膜脂的流動性隨溫度不同而有變化，或處于固相，或處于液相。當緩慢提高溫度時，脂質雙分子層可由晶態(凝膠)熔融為較為流動的液態，發生這一變化的熔融溫度即相變溫度。在相變溫度以上，脂質處于液晶態。膜脂分子具有多種運動方式，如繞化學鍵旋轉、左右擺動、圍繞與膜平面相垂直的軸作左右旋轉運動、沿膜平面作側向擴散或側向移動、由一個單分子層倒翻至另一層。有許多因素會影響膜脂的流動性，其中脂肪酸本身的不飽和程度起著主要的作用。膜的流動性對膜的功能活動，特別是酶的活性，具有重要意義。

膜蛋白的運動性，指膜蛋白在不同情況下都可以發生位置的變動。膜蛋白的運動方式有側向擴散和旋轉運動等。膜蛋白的運動要受其周圍的膜脂性質和相態的制約，還要受細胞內部結構的控制，它在膜中的運動并不是隨機性的“漂流”。

細胞膜的主要功能細胞膜作為細胞的內外邊界，結構復雜，功能多樣。它的主要功能如下：(1)為細胞的生命活動提供相對穩定的內環境；(2)選擇性的物質運輸，包括代謝底物的輸入與代謝產物的排除，其中伴隨著能量的傳遞；(3)提供細胞識別位點，并完成細胞內外信息跨膜傳遞；(4)為多種酶提供結合位點，使酶促反應高效而有序地進行；(5)介導細胞與細胞、細胞與基質之間的連接；(6)細胞膜參與形成具有不同功能的細胞表面的特化結構。

主動運輸主動運輸是指通過細胞膜本身的某種耗能過程，將某種物質分子由膜的低濃度一側移向高濃度一側的過程。按照熱力學基本定律，溶液中的分子由低濃度處向高濃度處移動，就像物體沿著斜坡上移(圖24)，必須由外部供給能量。在細胞膜的主動運輸中，這能量由細胞來供給。

圖2-4被動運輸和主動運輸的區別

(圖示分子可由高濃度處自動向低濃度處擴散，而分子由低濃度處移向高濃度處則需另外供能，正如滑雪者可由高坡自動下滑，而上坡需要人體費力一樣)

主動運輸是與被動運輸相對而言的。自由擴散和協助擴散都屬于被動運輸，其特點是在這樣的物質運輸過程中，物質分子進行順濃度梯度的移動，而與物質運輸有關的膜或細胞并無能量消耗。但是，被動運輸并不是與能量轉換完全無關，而只不過是物質運輸所需要的能量是來自高濃度溶液本身所包含的位能而已，就像位于斜坡高處的物體可以靠位能自動下滑而不需要另外供給能量一樣。

在細胞膜主動運輸的問題上，最重要的而且研究得最充分的是關于鈉、鉀離子的主動運輸。很早以前就知道，包括人體各種細胞在內的所有動物細胞，其細胞內液和細胞外液中的鈉、鉀離子濃度有很大的不同。這是因為這些細胞的細胞膜上普遍存在著一種“鈉鉀泵”的結構，簡稱為“鈉泵”，它們的作用就是能夠逆著濃度差，主動地把細胞外液中的K+移入膜內，同時不斷地把進入細胞的Na+移出膜外，因而形成和保持了K+、Na+在膜兩側的正常濃度差。大量事實證明，“鈉泵”實際上是一種鑲嵌在膜的脂質雙分子層中具有ATP酶活性的特殊蛋白質，它可以被Na+、K+和Mg2+等離子所激活，可以分解ATP以獲得能量，同時可以將膜外的K+移入膜內、將膜內的Na+移出膜外。

前面講過，葡萄糖在動物體和人體內，可以用協助擴散方式通過細胞膜。除此以外，葡萄糖也可以用主動運輸方式通過細胞膜。例如，小腸絨毛的上皮細胞可以用主動運輸方式吸收葡萄糖，因此，小腸上皮細胞內葡萄糖的濃度，可以超過腸腔中葡萄糖濃度的數倍以上。

輪藻門屬于藻類植物的一門。藻體構造比較復雜，有類似根、莖、葉的分化，長約10～15cm，外形很像金魚藻?！扒o”的頂端有大型頂細胞，經細胞分裂，分化為藻體的各個部分?！扒o”的下面有分叉的假根，借此固著在水底泥沙土中；“莖公務員之家，全國公務員共同天地”節上輪生側“枝”，“枝”上具單細胞的“葉”和兩性生殖器官。有性生殖是卵式生殖。卵囊生于“葉”腋中，通常呈卵形，外有5個螺旋狀纏繞的管細胞，在頂端形成5個冠細胞；初為綠色，成熟時深褐色。精子囊生于卵囊下面，呈球形，外有8個盾形細胞，初為綠色，成熟時橘紅色。合子萌發后經過原絲體時期。除卵式生殖外，還可營營養繁殖，但是不產生無性孢子。分布在水流緩慢、含鈣質的池沼等水域中，常茂密成叢。過去列為輪藻綱，現已獨立為一門，常見屬是輪藻屬(Chara)。古輪藻化石在地層中的演替較清楚，因此在石油勘探中，對含油地層的劃分和對比有一定作用。