備課素材：細(xì)胞膜成分和結(jié)構(gòu)探索歷程 高一上學(xué)期生物人教版必修1

“細(xì)胞膜成分和結(jié)構(gòu)探索歷程”中的科學(xué)史和問題呈現(xiàn)大單元教學(xué)中的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)和步驟：1.確定單元大概念、重要和次位概念2.確定教學(xué)目標(biāo)3.構(gòu)建情境任務(wù)，突破次位概念4.組織評(píng)價(jià)，反思學(xué)習(xí)具體到第一節(jié)，重點(diǎn)呈現(xiàn)細(xì)胞膜成分和結(jié)構(gòu)探索歷程中科學(xué)史的梳理和問題的提出：因?yàn)榻虒W(xué)目標(biāo)明確，即通過分析細(xì)胞膜組成成分與結(jié)構(gòu)的探索歷程，逐步建立細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型。通過探索歷程的回顧和思考，認(rèn)同科學(xué)理論的形成是一個(gè)科學(xué)精神、科學(xué)思維和技術(shù)手段結(jié)合下的修正和完善過程。1895年，歐文頓的物質(zhì)通透性實(shí)驗(yàn)1895年，歐文頓用500多種化學(xué)物質(zhì)做了上萬次的細(xì)胞膜通透性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不溶于脂肪的物質(zhì)不容易穿過細(xì)胞膜。1)推測細(xì)胞膜可能的成分組成?20世紀(jì)初，科學(xué)家用蛋白酶處理紅細(xì)胞膜實(shí)驗(yàn)20世紀(jì)初，科學(xué)家第一次利用哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞，制備出純凈的細(xì)胞膜，并進(jìn)行化學(xué)分析，得知組成細(xì)胞膜的脂質(zhì)有磷脂和膽固醇，其中磷脂含量最多。2)說明選擇人的紅細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的原因1917年，朗繆爾的磷脂分子展層實(shí)驗(yàn)1917年，朗繆爾將提取的磷脂鋪展在水盤上，磷脂的一端為親水性頭，兩個(gè)脂肪酸為疏水的尾。3)闡述磷脂分子在水面上將如何存在?1925年，戈特和格倫德爾細(xì)胞膜脂質(zhì)鋪展實(shí)驗(yàn)1925年，戈特和格倫在脂質(zhì)展層實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)提取的脂質(zhì)鋪展后所測的面積是實(shí)際測量的紅細(xì)胞的表面積的兩倍。4)請(qǐng)畫出磷脂分子在水中的存在形式5)推測細(xì)胞膜中的磷脂的存在形式是什么?1935年，丹尼利和戴維森細(xì)胞膜表面張力實(shí)驗(yàn)1935年，英國學(xué)者丹尼利（J.F.Danieli）和戴維森（H.Davson）研究了細(xì)胞膜的表面張力明顯低于油—水界面的表面張力。由于人們已發(fā)現(xiàn)了油脂滴表面如果附著蛋白質(zhì)成分則表面張力會(huì)降低。因此丹尼利和戴維森推測細(xì)胞膜除含脂質(zhì)分子外，可能還附著蛋白質(zhì)。6)細(xì)胞膜的化學(xué)成分還有什么?7)蛋白質(zhì)應(yīng)處于磷脂雙分子層的什么位置?1959年，羅伯特森電鏡下暗-亮-暗細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)1959年，J.D.Robertson根據(jù)電子顯微鏡觀察的結(jié)果提出了單位膜模型(unitmembranemodel)，發(fā)展了三明治模型，并大膽地推斷所有的生物膜都由蛋白質(zhì)-脂質(zhì)-蛋白質(zhì)的單位膜構(gòu)成。這一模型得到X射線衍射分析結(jié)果的支持。如果用鋨酸固定細(xì)胞時(shí)，由于鋨酸與磷脂極性頭部基團(tuán)親合力極強(qiáng)，所以在電鏡超薄切片中的細(xì)胞質(zhì)膜顯示出“暗-亮-暗”三條帶，兩側(cè)的暗帶厚度約2nm,推測是蛋白質(zhì)，中間亮帶厚度約3.5nm,推測是脂雙層分子，整個(gè)膜的厚度約7.5nm。8)羅伯特森為什么推測膜兩側(cè)是蛋白質(zhì)，中間是脂質(zhì)?9)電鏡中測出的細(xì)胞膜厚度是多少?單位膜模型羅伯特森的三明治結(jié)構(gòu)為什么亮的是脂質(zhì)，暗的是蛋白質(zhì)？20世紀(jì)70年代初，冰凍蝕刻電子顯微鏡下細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)圖20世紀(jì)70年代初，一種使細(xì)胞膜表面可視化的技術(shù)——冷凍斷裂電子顯微鏡技術(shù)應(yīng)用于對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的研究。用掃描電子顯微鏡觀察，能看到冷凍后的細(xì)胞膜斷層表面的圖像。電鏡結(jié)果顯示脂質(zhì)雙分子層的內(nèi)表面布滿了“坑”和“丘”。研究人員將這些結(jié)構(gòu)解釋為膜蛋白的位置。“丘”代表附著在脂質(zhì)雙分子層一側(cè)的蛋白質(zhì)，“坑”則是它們留下的孔。10)蛋白質(zhì)在磷脂雙分子層中的排布方式是怎樣的?應(yīng)如何修訂“單位膜”模型?11)位于磷脂雙分子中的蛋白質(zhì)部分與外面的蛋白質(zhì)部分在親水性方面有什么不同?整合蛋白幾乎都是完全穿過脂雙層的穿膜蛋白,其親水部分暴露在膜的一側(cè)或兩側(cè)表面，疏水區(qū)同脂雙分子層的疏水尾部相互作用；僅有少數(shù)整合蛋白通過疏水區(qū)嵌在膜中，而不是穿過膜。12)這樣的細(xì)胞膜是靜止的還是流動(dòng)的?請(qǐng)舉例說明1970年，F(xiàn)rye和Edidin的人鼠細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)科學(xué)家對(duì)小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)，證明膜蛋白可以在磷脂雙分子層中進(jìn)行側(cè)向運(yùn)動(dòng)。他們首先將小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞在滅活的仙臺(tái)病毒誘導(dǎo)下進(jìn)行融合；將標(biāo)記的抗體加入融合的人-鼠細(xì)胞中，其中小鼠的抗體用發(fā)綠色熒光的熒光素進(jìn)行標(biāo)記，人的抗體用發(fā)紅色熒光的羅丹明進(jìn)行標(biāo)記。標(biāo)記的抗體分別與融合細(xì)胞表面的抗原結(jié)合，顯示不同的顏色區(qū)。將融合細(xì)胞置于37℃培養(yǎng)40min,細(xì)胞表面的顏色相互混合在一起。將一部分樣品置于4℃培養(yǎng)40min,則不出現(xiàn)表面顏色混合。1972年，辛格和尼科爾森提出流動(dòng)鑲嵌模型流動(dòng)鑲嵌模型的主要內(nèi)容包括以下方面。1.細(xì)胞膜主要由磷脂和蛋白質(zhì)組成，磷脂雙分子層構(gòu)成細(xì)胞膜的基本支架。2.蛋白質(zhì)分子以覆蓋、鑲嵌、貫穿的方式分布在磷脂雙分子層中。3.脂質(zhì)與絕大部分蛋白質(zhì)分子可以