高一生物《必修1第4章第2节 生物膜的流动镶嵌模型》.doc

第4章 细胞的物质输入和输出
第2节 生物膜的流动镶嵌模型
教学目标：
知识目标：简述生物膜的结构
能力目标：尝试提出问题，作出假说
情感态度与价植观目标：
１.探讨在建立生物膜模型的过程中，实验技术的进步所起的作用，并树唯物主义的认识论；
２.探讨建立生物膜模型的过程如何体现结构与功能相适应的观点。
教学重点：
流动镶嵌模型的基本内容；
教学难点：
探讨建立生物膜模型的过程如何体现结构与功能相适应的观点。
教学准备：
多媒体电子课件；
课时安排：
1课时；
教学重点难点的突破：
对于生物膜的流动镶嵌模型这节课，其重点是要掌握流动镶嵌模型的内容，如果直接将生物膜流动镶嵌模型的内容告诉学生，学生仍会感到枯燥无味，对这个模型也很难理解，这样又会走上死记硬背的老路。因此，设计问题串，引导学生一步一步地分析科学家的实验和结论，宛如亲历科学家探索的历程，使学生切身感受科学的魅力，始终保持高昂的兴趣，自然而然地接受流动镶嵌模型的理论，逐步理解建立生物膜模型的过程如何体现结构与功能相适应的观点，并且加深对科学过程和方法的理解。对问题串的回答采用随机抽查各小组，尽可能使各小组均有回答问题的机会。最后为了加深对流动镶嵌模型的理解还应该让同学们画一个平面图来表现其“镶嵌”，看看他能否掌握磷脂分子层的排布和蛋白质的分布；对于细胞膜“流动性”的理解可以采用小组竞赛的方式，看看那一组能举出更多的例子来，然后大家一起来讨论，他们的例子是否正确。
回顾细胞膜的功能和生理特点，思考决定其功能的原因
前面制作真核细胞模型的时候用什么材料来代表细胞膜更能体现其功能特点？(讨论并说明理由)
复习引入 设问
创设情景　激发兴趣
开始探究
学生回答：细胞膜的结构
引入：对生物膜结构的探索历程(先自学)
自主学习
细胞膜的功能决定于什么呢？

膜的结构怎样的呢？

为什么脂类物质更容易通过细胞膜？
学生回答：细胞膜含脂质
为什么做出此判断(小组讨论)
强调小组合作
怎么证明膜含有脂质？是否还有别的成分
生答:提取细胞膜,进行化验
体验科学探究过程——提出假说
用什么材料提取较纯净的细胞膜？
生答:哺乳动物成熟的红细胞
细胞膜的主要成分是脂质和蛋白质，其结构怎么样呢？
要弄清膜的结构先必须弄清什么？
学生回答：细胞膜成分
将红细胞膜铺成单层脂质分子其面积是红细胞膜表面积的两倍,这说明什么？
生答:细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的两层
介绍磷脂的结构,要求画出膜中磷脂的排布
尝试模型构建（小组合作）
蛋白质又是怎么排布的？
电镜诞生，罗伯特森看到暗－亮－暗三层结构
构建蛋白质－脂质－蛋白质三层结构膜型，特点：静态结构
接受检验，发现与事实不符，受到质疑
技术进步,发现蛋白质有的镶嵌在膜上
三层模型是否正确呢？
人－鼠细胞融合实验证明细胞膜具流动性
联系生活，提高生物科学素养
小组进行膜的流动性举例比赛;提出流动镶嵌模型(出示模型)
体验科学探究过程：验证和完善假说

学生阐述：流动镶嵌模型的基本内容

学生绘图：画出流动镶嵌模型的平面图
归纳总结和综合练习
表达交流
自主构建模型，进行评价
归纳总结　巩固提高
教学流程：

教学过程：
一 引入：
教材P65问题探讨：在前面我们制作真核细胞的三维结构模型中，遇到过用什么材料做细胞膜的问题，现在有三种材料：塑料袋、普通布和弹力布，你选用哪种材料呢？为什么？ 
(塑料袋只能满足作为系统边界的要求，普通布能够满足系统的边界和让一部分物质透过这两项功能的要求，只有弹力布能够满足前面提到的三项功能的要求。) 
二 对生物膜结构的探索历程： 
教师：人们对事物的认识是有一个过程的，科学家当年正是怀着对物质跨膜运输现象产生的疑问，开始了对生物膜结构的孜孜以求地探索，历经了一百多年时间，走过了一条曲折的道路，直到现在仍有许多科学家在继续深入研究。让我们一起重温一下这段历史，会让大家对科学过程和本质的理解有所启发。我想让大家穿过时空隧道，回到一百多年前，假想一下：如果你是当时的一位科学家，你会怎样去研究细胞膜的结构？（提示学生，引导他们明白限于当时的技术条件，还不能亲眼看到生物膜，无法想像它的结构是什么样的，通过什么办法进行第一步的探究呢？引导学生看教材后明白当时科学家是从生理功能入手来探究的，通过实验观察，科学家才有严谨的推理，提出膜是由脂质组成这一假说，提示学生作出科学探究过程中作出假设后的步骤是什么（通过实验来验证假设），从而进入下面的学习。 
下面，就让我们沿着科学家的足迹，和科学家一起来研究这个问题。 
问题（1）：探究细胞膜的组成成分是什么？ 
展示材料①：欧文顿的实验及其相关的图片
时间：19世纪末  1895年 
人物：欧文顿（E. Overton） 
实验：用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行过上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性是不一样的：凡可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。 

教师：根据实验，你能提出什么假说？ 
学生：提出假说：膜是由脂质构成的。 
教师：在得出结论之后，还有没有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？ 
学生：有必要，通过鉴定能更准确地说明问题。 
教师：那为什么一开始不直接对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？ 
学生：当时的技术不能实现。 
教师：这说明什么问题呢？ 
学生：这说明技术对科学研究的重要作用。 
教师：直至20世纪初，科学家才能第一次将细胞膜从哺乳动物红细胞中分离出来，化学分析表明，膜的主要成分的确是磷脂和蛋白质。从而以实验说明了欧文顿的假说是成立的。也就是说假说是在实验与观察的基础上提出来的，同时又需要更进一步的实验来证明。 
 问题（2）：探究这些物质是如何组成膜的？ 
出示资料②：1917年欧文·朗缪尔将提取的膜质铺展在水盘的水面上，发现脂在水面上形成一薄层，单脂层亲水的头朝向水面，疏水的尾背离水面。于是他提出：磷脂分子是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子，结构既有疏水基团（尾部），又有亲水基团（头部）。因为磷脂分子的“头部”亲水，所以在水—空气界面上磷脂分子是“头部”向下与水面接触，尾部则朝向空气一面。这样磷脂分子可以在空气和水的界面上展开为一层。 

教师：大家分组讨论，利用手中的磷脂分子模型摆出下面两种情况下磷脂的分布情况①在空气-水界面上②完全浸没在水中 
学生：小组代表上黑板演示 
展示材料③：戈特 和格伦德对血影的研究 
时间：1925年 
人物：荷兰科学家Gorter和Grendel 
实验：两位科学分离纯化了红细胞，从一定数量的红细胞中抽提脂类，按Langmuir的方法进行展层，并比较展层后的脂单层的面积和根据体积所推算的总面积，发现提取的脂铺展后所测的面积同实际测量的红细胞的表面积之比为（1.8～2.2）∶1，约为两倍。
教师：假如你是当时的科学家，当你做实验时发现单分子的磷脂分子正好是红细胞的两倍时，大胆地展开你的想象力，你能做出什么假说？ 
学生：细胞膜中的磷脂是两层的。 
教师：那这两层磷脂分子在细胞中又是怎样排布的呢？再分小组讨论、利用你手中的模型摆出来吧。 
学生：分组讨论，共可有六种排布方式，并提出细胞膜应两面都处于水环境中，所以讨论得到正确的排布方式。 
问题（3）：那蛋白质和磷脂的位置关系又是如何的呢？ 
展示材料④：罗伯特森的单位膜模型 
时间：1959年 
人物：J. D. Robertson罗伯特森 

 实验：用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗—明—暗三层结构，厚约7.5 nm，它由厚约3.5 nm的双层脂质分子和内外表面各为厚约2 nm的蛋白质构成。 
提出假说：连续的脂质双分子层组成膜的主体，磷脂的非极性端朝向膜内侧，极性端朝向膜外两侧，蛋白质以单层肽链的厚度，通过静电作用与磷脂极性端相结合，从而形成蛋白质—磷脂—蛋白质的三层结构，称之为单位膜。他提出真核细胞与原核细胞具有相同的膜结构。单位膜模型的主要不足在于：把生物膜的结构描述成静止的、不变的，这显然与膜功能的多样性相矛盾。 
单位膜结构模型继承了前人的有关结论，又成功地利用了先进的电子显微镜的观察结果作为证据。但是他将生物膜描述为静态的刚性的结构，这一点很快又被新的技术手段下的实验所否定。 
问题（4）：有什么证据证明细胞膜中的物质不是静态的呢？ 
教师放映变形虫的变形运动、白细胞吞噬病原体、细胞分裂的动画，让学生从感性上认识膜不是刚性结构。展示材料⑤：荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验 
时间：1970年 
人物：Larry Frye等 
实验：将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。 
提出假说：细胞膜具有流动性。 
    教师：很好，在继承前人的结论基础上，结合新的观察和实验证据，又有科学家提出一些关于生物膜的分子结构模型。其中1972年桑格（S. J. Singer）和尼克森（G. Nicolson）提出的流动镶嵌模型为大多数人所接受。 
好，学到这里，纵观整个人们对建立生物膜模型的探索过程，我们有些话题想让大家思考讨论。 
以讨论小组的形式开展课堂讨论交流。 
（1）生物膜的流动镶嵌模型是不是就完美无缺了呢？请说说你的看法。 
学生：生物膜的流动镶嵌模型不可能完美无缺。人类对自然界的认识永无止境，随着实验技术的不断创新和改进，对膜的研究将更加细致入微，对膜结构的进一步认识将能更完善地解释细胞膜的各种功能，不断完善和发展流动镶嵌模型。 
的确，流动镶嵌模型是目前人们普遍认同的，但它无法完美地回答生物膜的所有功能。所以后来不断提出一些新的模型，如Wallach于1975年提出晶格镶嵌模型；Jain和White于1977年提出板块镶嵌模型等，迄今为止，已提出的生物膜结构模型达几十种之多，生物膜的结构模型虽然有很多种，但被广泛接受的结构模型基本内容是趋向一致的。其要点和特点基本相同，主要包括膜的分子组成和结构特征。 
（2）纵观整个人们对建立生物膜模型的探索过程，你能谈谈实验技术的进步起到怎样的作用？ 
学生：在建立生物膜模型的过程中，实验技术的进步起到了关键性的推动作用。如血影的制取和化学成分的鉴定技术使人们认识膜的化学组成；电子显微镜的诞生使人们终于看到了膜的存在；冰冻蚀刻技术和扫描电子显微镜技术使人们认识到膜的内外两侧并不对称；荧光标记小鼠细胞与人细胞的融合实验又证明了膜的流动性等。没有这些技术的支持，人类的认识便不能发展。 
（3）分析生物膜模型的建立过程中，结构与功能相适应是如何得到体现的？  
学生：在建立生物膜模型的过程中，结构与功能相适应的观点始终引导人们不断实践、认识，再实践、再认识；使人类一步步接近生物膜结构的真相。例如，不同生物膜的功能是有差异的。在生命系统中，一般来说，功能的不同常伴随着结构的差异，而早期的生物膜模型假定所有的生物膜都是相同的，这显然与不同部位的生物膜功能不完全相同是矛盾的。还有，不同膜的厚度也不完全一样。由此促进学者们重新研究脂质和蛋白质相互作用的问题。一些学者使用了更加先进的技术，运用红外光谱等技术证明，膜蛋白主要为球形结构。冰冻蚀刻电镜技术又证明，脂双层中分布有蛋白质颗粒，这样又发展了生物膜模型。生物膜中存在不同种类的蛋白质，以及蛋白质在生物膜中的不同分布情况，恰能较好地解释不同结构的生物膜具有不同的生理功能。 
（4）分析生物膜模型的建立过程，你受到什么启示？ 
学生：科学研究是要在实验和观察的基础上，通过严谨的推理和大胆的想象，提出假说，再通过实验进一步地验证假说。 
学生：科学研究依赖于技术的进步，技术进步了，可以得到更多新的实验数据。 
学生：科学发现的过程是一个长期的过程，涉及到许多科学家的辛勤工作。 
学生：科学发现的过程不是一帆风顺的，往往是在继承的基础上不断验证、修正和完善发展的。 
学生：科学家的观点并不全是真理，还必须通过实践验证；科学学说不是一成不变的，需要不断完善。 
三 流动镶嵌模型的基本内容：
（1）磷脂双分子层是生物膜的基本支架。其中磷脂分子的亲水性头部朝向两侧，疏水性的尾部相对朝向内侧。 

 （2）蛋白质分子有的镶嵌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，有的横跨整个磷脂双分子层。这里体现了膜结构内外的不对称性。 

（3）在细胞膜的外侧，有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结构合形成的糖蛋白，叫做糖被。糖被与细胞识别、细胞间的信息交流有密切联系。 

（4）磷脂分子是可以运动的，具有流动性。大多数的蛋白质也是可以运动的，也体现了膜的流动性。 
四 课堂练习：
1变形虫的任何部位能伸出伪足，人体的某些白细胞能吞噬病菌，这些生理活动的完成说明细胞膜具有下列哪一特点 
A.选择透过性          B.一定的流动性    C.保护作用           D.细胞识别 
2 1985年 Overton在研究各种未受精卵细胞的透性时，发现脂溶性物质容易透过细胞膜，不溶于脂质的物质透过细胞膜十分困难。这表明组成细胞膜的主要成分中有___________。 
3 1925年 Corter Grendel用丙酮提取细胞膜的脂，并将它在空气—水界面上展开时，发现这个单层分子的面积相当于原来细胞表面积的两倍。由此可以认为细胞膜由___________组成。 
4 1970年，科学家用不同荧光染料标记的抗体，分别与鼠和人细胞膜上的一种抗原相结合，使它们分别产生绿色和红色荧光。将两种细胞融合成一个细胞时，开始时一半呈绿色，另一半呈红色，但在 37 ℃水浴中保温40 min后，融合细胞上的两种颜色的荧光呈现均匀分布。这个实验说明___________，其原因是___________。 
参考答案： 
（1）B  （2）脂质  （3）磷脂双分子层  （4）细胞膜具有一定的流动性  构成细胞膜的蛋白质分子（抗原）是可以运动的 
五 课堂小结： 
我们这节课就到这里，一方面我们重温了科学家探索细胞膜结构的历程，这是一个在继承中不断验证、修正和完善发展的过程，这段科学史给予我们很多有用的启示，使我们加深了对科学过程和方法的理解。另一方面我们也重点学习了生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。在众多对细胞膜结构的假说中，细胞膜的流动镶嵌模型是目前人们普遍接受认同的，能较好地解释人们对细胞膜功能的认识，理解和掌握流动镶嵌模型的基本要点，这对于更好的理解下一节物质跨膜运输的方式有很重要的联系。 

板书设计：见幻灯；

教学后记：
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