高中生物新教材細胞膜的結構和功能解讀

1、高中生物新教材細胞膜的結構和功能”解讀高中生物新教材“細胞膜的結構和功能”解讀1問題探討本節(jié)問題探討利用了臺盼藍染色鑒別細胞死活，教師演示實驗并投影的效果會比直接展示圖片好很多。實驗結果表明死細胞會被染成藍色，而活 細胞不會著色。為什么活細胞不能被染色，而死細胞能被染色？教師用書 的參考答案是：活細胞的細胞膜具有選擇透過性，染料臺盼藍是細胞不需 要的物質，不易通過細胞膜，因此活細胞不被染色；死細胞的細胞膜失去 控制物質進出細胞的功能，臺盼藍能通過細胞膜進入細胞，死細胞能被染 成藍色。我個人認為上述答案應該是學生通過學習之后給出的，教師如果在此處將參考答案拋給學生，直接解開謎底，學生繼續(xù)探究尋找

2、答案的學習熱情 就會一下子降至冰點。一個問題情境，學生能夠有所思考但又不能完全解 決時，這個問題就是導入的最好問題。此處問題探討最主要的作用是讓學 生帶著不完全理解去思考：細胞膜作為細胞這一系統(tǒng)的邊界，應該具有什 么功能？1 / 5高中生物新教材細胞膜的結構和功能”解讀2細胞膜的功能2.1先講結構？先講功能？新教材先講細胞膜的功能，從學生認知來說，這樣做是合理的。細胞膜 的功能可以具體化為一些實例，實例對學生來說比較直觀、形象。隨后我 們引導學生分析功能背后的原因，就可以很自然地過渡到講結構。從系統(tǒng)的角度講細胞膜的功能細胞膜作為細胞的邊界， 能夠將細胞和外界環(huán)境分開。如果沒有細胞膜，細胞內容物

3、就會和外界融為一體。正是由于細胞膜的存在，才使細胞從環(huán) 境中獨立出來，成為一個相對獨立的系統(tǒng)。作為一個有序的系統(tǒng)， 為了維持下去，細胞需要從外界獲得物質和能量， 同時需要排出代謝廢物，這樣細胞就難免要和環(huán)境之間發(fā)生物質交換。細 胞膜能夠控制物質進出細胞，就像邊防檢查站一樣，對物質進行“檢查”， 符合條件的予以放行。多細胞生物體作為一個更大的系統(tǒng)由分化的細胞構成，不同類型的細胞間要相互協(xié)作才能完成各項生命活動，這就要求不同的細胞之間要進行“溝通”和“交流”，也就是細胞間的信息交流。細胞間信息交流大都與細胞 膜的結構有關。這里需要注意，用激素和靶細胞膜上的受體結合舉例時， 避免用到進入細胞的激素。

4、3對細胞膜結構的探索3.1從成分到結構與現行教材不同，新教材處理細胞膜結構的科學史時，分成了兩部分。 通過“思考與討論”分析得出細胞膜的成分主要是磷脂和蛋白質。然后在 了解了細胞膜成分的基礎上，介紹磷脂和蛋白質怎樣組裝成有序的細胞膜 結構。為了敘述方便，我把兩部分合并處理。細胞膜探索歷程的邏輯分析1歐文頓的實驗表明：脂溶性物質更容易穿過細胞膜，據此提出假說：細 胞膜由脂質構成（注意這暫時只是個假說還不是結論）。科學家分離得到 純凈的哺乳動物成熟紅細胞的細胞膜，化學分析表明組成細胞膜的脂質包 括磷脂和膽固醇。歐文頓的假說得到了驗證。磷脂在細胞膜中含量豐富，據此可以提出問題：磷脂在細胞膜中是如何

5、排列的？讓學生了解磷脂是兩性分子（膽固醇和磷脂類似也是兩性分子）， 然后明確細胞膜內外都是水環(huán)境，從而引導學生在理論上推測細胞膜中磷 脂應該排成兩層（這是個假說）。戈特和格倫德爾的實驗證明了細胞膜中 磷脂確實是雙層排列的。高中生物新教材細胞膜的結構和功能”解讀由于細胞需要的一些極性分子和離子可以快速通過細胞膜（脂質不允許極性分子和離子快速通過），丹尼利等還發(fā)現細胞膜的表面張力小于油水 界面的表面張力，這些都表明細胞膜不僅僅是由脂質構成。到了 20世紀30 年代，科學家已經確定細胞膜中存在蛋白質，但是很少有人思考蛋白質在 磷脂雙分子層上是如何分布的。1935年丹尼利等根據油脂滴吸附蛋白質后也會表

6、現出表面張力降低，這和細胞膜的情況一致，據此提出假說（類比 推理）：細胞膜是由雙層脂質分子及內外表面附著的蛋白質所構成（三明 治模型）。但這個模型缺乏必要的細節(jié)。三明治模型隨后又有新的內容添加，但基本都是三明治模型的變式，其 中影響比較大的是羅伯特森的“單位膜”模型。1959年羅伯特森的電鏡觀察結果支持三明治模型，羅伯特森根據觀察結果以及他人的研究，將三明 治模型補充了一些細節(jié)（主要是蛋白質如何和脂質結合的細節(jié)），修改為 單位膜模型，并且將模型處理成靜態(tài)的。靜態(tài)模型很快就面臨挑戰(zhàn)，它不 能解釋一系列有關細胞生長、分裂以及變形蟲運動等問題?？茖W家通過冰 凍蝕刻技術也發(fā)現，蛋白質并不是鋪在磷脂雙分

7、子層的兩側，有些蛋白質 會嵌入甚至貫穿磷脂雙分子層。同時，熒光標記的人鼠細胞融合實驗表明： 細胞膜是動態(tài)的。根據一系列實驗結果，科學家又提出了新的假說一一流 動鑲嵌結構模型，該模型能夠較好解釋已觀察到的實驗現象?？茖W史中的一個細節(jié)細心讀者會發(fā)現，20世紀初科學家分離得到純凈的細胞膜后進行化學分 析?，F行教材得到的結果是：膜主要由脂質和蛋白質構成；新教材是：膜 脂主要由磷脂和膽固醇構成。一般認為科學家在1930年左右普遍接受了紅細胞膜中含有大量蛋白質， 新教材的寫法更符合科學發(fā)現的歷史。但是此處我們可能會有這樣的疑問： 既然科學家分離得到了純凈的細胞膜，而且細胞膜中蛋白質含量巨大，為 什么早期科

8、學家卻沒有注意到呢？說實話，這個問題我不知道，手頭的資 料也不能解決這個問題。我猜測一下，可能當時制備細胞膜的方法會導致膜蛋白脫落，最終保留 的膜蛋白就很少，化學分析時容易被忽略。我們從1925年兩位荷蘭科學家的實驗中可以看到 ，他們的計算建立在不考慮蛋白質占據細胞膜表面積的 基礎上。到了 1932年，Erik Jorpes 的研究表明：紅細胞膜中脂質的含量（20%是蛋白質含量（4%的約5倍3,現代分析得出的蛋白質含量遠比 這一值要高。4提出假說每次講這個內容，我都跟學生強調假說的合理性。假說不能憑空臆想， 科學的假說要建立在已知事實和觀察現象的基礎之上，說白了，假說的提 出要有以一定的已知信

9、息作為依據。在教學中，可以在細胞膜結構（成分）探索歷程中，引導學生分析科學 家如何根據觀察和實驗結果提出合理的假說。并且讓學生明確假說需要進高中生物新教材細胞膜的結構和功能”解讀一步的實驗進行檢驗。如果假說與進一步的實驗結果不符，就需要修正甚 至是舍棄原來的假說。我們同時會看到盡管羅伯特森的觀察結果支持單位 膜模型，但是這并不能保證假說就是合理的，一個假說往往需要得到一系 列實驗觀察的支撐，才能為人們普遍接受。5流動鑲嵌結構模型5.1膜的流動性對物質運輸等非常重要這句話是新教材新加的，力口的好，得點贊。物質跨膜轉運體現了膜的選擇透過性，但也需要依賴膜的流動性才能完成。通常認為簡單擴散（自由擴散

10、）時，被運輸的物質要先溶解在磷脂雙 分子層中，然后實現跨膜轉運，其中磷脂分子的運動是必不可少的。載體 介導的協(xié)助擴散或主動運輸要求載體構象的改變才能實現跨膜轉運。通道 通常是門控的，通過通道的開關來實現或暫停物質的跨膜轉運。5.2糖被的表述更準確現行教材對糖被的表述容易讓人產生誤解，新教材明確了糖被就是細胞膜外表面的糖類分子。細胞表面的糖類分子可與膜上的蛋白質結合形成糖 蛋白，也可與膜上的脂質結合形成糖脂。這里額外說兩點：第一，糖被中的糖通常是寡糖。第二，此處強調細胞膜上糖類的不對稱分布即可，部分教輔強調細胞器中沒有糖蛋白，其實， 糖蛋白并不僅僅存在于細胞膜上，也存在細胞器膜上，不過此時糖蛋白

11、的 朝向是細胞器內部。關于這個問題，下一次讀書詳談。6建構概念，發(fā)展素養(yǎng)本節(jié)需要建構的概念是：“細胞都由質膜包裹，質膜將細胞與其生活環(huán)境分開，能控制物質進出，并參與細胞間的信息交流”。服務于這一概念 建構，教材還安排了細胞膜結構的相關內容，讓學生明確：細胞膜主要由 脂質和蛋白質組成，此外還含有少量糖類。細胞膜的磷脂雙分子層是膜的高中生物新教材細胞膜的結構和功能”解讀基本支架，具有流動性。蛋白質分子鑲嵌在磷脂雙分子層上，其中大多數 蛋白質分子能夠運動。細胞膜的結構和功能是相適應的。磷脂雙分子層構成膜的基本支架，磷 脂分子的兩性特點導致磷脂雙分子層能將細胞內外分開，并保證細胞內外 都是以水為基礎的液體環(huán)境，同時還賦予細胞相對于環(huán)境的獨立性，使細 胞成為一個相對獨立的系統(tǒng)。細胞膜能夠控制物質進出細胞，這與細胞膜 具有一定的流動性密切相關，構成膜的磷脂分子的運動允許非極性和弱極 性分子通過，膜轉運蛋白的構象改變則保證了細胞需要的離子和極性分子 也可以進入細胞。細胞膜表面的糖被則與細胞間進行信息關系密切。本節(jié)安排了細胞膜結構（成分）相關的科學史，學生需要理清其中的脈 絡線索，才能理解看似散亂的科學史實之間的邏輯聯(lián)系。假說在科