教學(xué)設(shè)計人教版高中生物必修一 生物膜的流動鑲嵌模型

人教版高中生物必修一

第4章第2節(jié)生物膜的流動鑲嵌模型

教學(xué)設(shè)計

教學(xué)目標(biāo)

1.通過分析科學(xué)家建立生物膜模型的過程闡述科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律。

2.舉例說明生物膜具有的流動性的特點；

3.簡述生物膜的流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容；

4.發(fā)揮空間想象能力，構(gòu)建細(xì)胞膜的空間立體結(jié)構(gòu)。

5.使學(xué)生樹立生物結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)辨證觀點,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗痛竽懴胂竽?/p>

力；

教學(xué)重點

1.科學(xué)家對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程。

2.生物膜的流動鑲嵌模型學(xué)說的基本內(nèi)容。

教學(xué)難點

1.對科學(xué)探究過程的分析，如何體現(xiàn)生物膜的結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一；

2.生物膜的空間立體結(jié)構(gòu)；

3.生物膜的流動性特點。

教具準(zhǔn)備

1.生物膜流動鑲嵌模型的多媒體演示課件

2.自制磷脂分子、蛋白質(zhì)分子模型

教學(xué)流程

設(shè)問引入一“問題探討”一體驗“生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程”一闡述“流動鑲嵌模型的基本內(nèi)

容”

教學(xué)過程

【情景創(chuàng)設(shè)】

教師：同學(xué)們，在前面我們制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型中，遇到過用什么材料做細(xì)胞膜的問題，

現(xiàn)在有三種材料：塑料袋、普通布和彈力布，你選用哪種材料呢？為什么？

學(xué)生：細(xì)胞膜很薄，是細(xì)胞這個生命系統(tǒng)的邊界。

學(xué)生：細(xì)胞膜是選擇透過性膜，能夠控制物質(zhì)的進(jìn)出，讓一部分物質(zhì)通過，其他物質(zhì)不能通過。

學(xué)生：植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原的實驗告訴我們，細(xì)胞能夠在一定范圍內(nèi)脹大和縮小，說明細(xì)胞

膜具有一定的彈性。

學(xué)生：塑料袋只能滿足作為系統(tǒng)邊界的要求，普通布能夠滿足系統(tǒng)的邊界和讓一部分物質(zhì)透過這

兩項功能的要求，只有彈力布能夠滿足前面提到的三項功能的要求。

教師：大家進(jìn)行選擇的依據(jù)是利用了細(xì)胞膜的功能，這體現(xiàn)了什么樣的生物學(xué)思想呢？

學(xué)生：生物體結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的思想。

教師：實際上，彈力布也并不能完全代替生物膜。要找到更好的材料，我們還需要對細(xì)胞膜的結(jié)

構(gòu)有更深的認(rèn)識。

【師生互動】

1.對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程

教師：人們對事物的認(rèn)識是有一個過程的，科學(xué)家當(dāng)年正是懷著對物質(zhì)跨膜運輸現(xiàn)象產(chǎn)生的疑

問，開始了對生物膜結(jié)構(gòu)的孜孜以求地探索，歷經(jīng)了一百多年時間，走過了一條曲折的道路，直到現(xiàn)

在仍有許多科學(xué)家在繼續(xù)深入研究。讓我們一起重溫一下這段歷史，會讓大家對科學(xué)過程和本質(zhì)的理

解有所啟發(fā)。我想讓大家穿過時空隧道，回到一百多年前，假想一下：如果你是當(dāng)時的一位科學(xué)家，

你會怎樣去研究細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)？（提示學(xué)生，引導(dǎo)他們明白限于當(dāng)時的技術(shù)條件，還不能親眼看到生

物膜，無法想像它的結(jié)構(gòu)是什么樣的，通過什么辦法進(jìn)行第一步的探究呢？引導(dǎo)學(xué)生看教材后明白當(dāng)

時科學(xué)家是從生理功能入手來探究的，通過實驗觀察，科學(xué)家才有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评?，提出膜是由脂質(zhì)組成

這一假說，提示學(xué)生作出科學(xué)探究過程中作出假設(shè)后的步驟是什么（通過實驗來驗證假設(shè)），從而進(jìn)

入下面的學(xué)習(xí).

學(xué)生：可以從現(xiàn)象入手，去進(jìn)行推測。

教師：這就是生物學(xué)研究上常用的一種科學(xué)方法一一假說法。這也是我們今天探究生物膜的結(jié)構(gòu)

的一個重要的方法，下面，就讓我們沿著科學(xué)家的足跡，和科學(xué)家一起來研究這個問題。

問題（1）:探究細(xì)胞膜的組成成分是什么？

展示材料①：歐文頓的實驗及其相關(guān)的圖片

時間：19世紀(jì)末1895年

人物：歐文頓（E.Overton）

實驗：用500多種化學(xué)物質(zhì)對植物細(xì)胞的通透性進(jìn)行過上萬次的實驗，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜對不同物質(zhì)的

通透性是不一樣的：凡可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì)，比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。

不溶于脂質(zhì)的物質(zhì)溶于脂質(zhì)的物質(zhì)

教師：根據(jù)實驗，你能提出什么假說？

學(xué)生：提出假說：膜是由脂質(zhì)構(gòu)成的。

教師：在得出結(jié)論之后，還有沒有必要對膜的成分進(jìn)行提取、分離和鑒定呢?

學(xué)生：有必要，通過鑒定能更準(zhǔn)確地說明問題。

教師：那為什么一開始不直接對膜的成分進(jìn)行提取、分離和鑒定呢？

學(xué)生：當(dāng)時的技術(shù)不能實現(xiàn)。

教師：這說明什么問題呢？

學(xué)生：這說明技術(shù)對科學(xué)研究的重要作用。

教師：直至20世紀(jì)初，科學(xué)家才能第一次將細(xì)胞膜從哺乳動物紅細(xì)胞中分離出來，化學(xué)分析表

明，膜的主要成分的確是磷脂和蛋白質(zhì)。從而以實驗說明了歐文頓的假說是成立的。也就是說假說是

在實驗與觀察的基礎(chǔ)上提出來的，同時又需要更進(jìn)一步的實驗來證明。

問題（2）：探究這些物質(zhì)是如何組成膜的？

出示資料②：1917年歐文?朗繆爾將提取的膜質(zhì)鋪展在水盤的水面上，發(fā)現(xiàn)脂在水面上形成一

薄層，單脂層親水的頭朝向水面，疏水的尾背離水面.于是他提出：磷脂分子是一種由甘油、脂肪酸

和磷酸所組成的分子，結(jié)構(gòu)既有疏水基團（尾部），又有親水基團（頭部）。因為磷脂分子的“頭部”

親水，所以在水一空氣界面上磷脂分子是“頭部”向下與水面接觸，尾部則朝向空氣一面。這樣磷脂

分子可以在空氣和水的界面上展開為一層。

教師：大家分組討論，利用手中的磷脂分子模型擺出下面兩種情況下磷脂的分布情況①在空氣-

水界面上②完全浸沒在水中

學(xué)生：小組代表上黑板演示

展示材料③：戈特和格倫德對血影的研究

時間：1925年

人物：荷蘭科學(xué)家Gorter和Grendel

實驗：兩位科學(xué)分離純化了紅細(xì)胞，從一定數(shù)量的紅細(xì)胞中抽提脂類，按Langmuir的方法進(jìn)行

展層，并比較展層后的脂單層的面積和根據(jù)體積所推算的總面積，發(fā)現(xiàn)提取的脂鋪展后所測的面積同

實際測量的紅細(xì)胞的表面積之比為（1.8?2.2）：1,約為兩倍。

教師：假如你是當(dāng)時的科學(xué)家，當(dāng)你做實驗時發(fā)現(xiàn)單分子的磷脂分子正好是紅細(xì)胞的兩倍時，大

膽地展開你的想象力，你能做出什么假說？

學(xué)生：細(xì)胞膜中的磷脂是兩層的。

教師：那這兩層磷脂分子在細(xì)胞中又是怎樣排布的呢？再分小組討論、利用你手中的模型擺出來

吧。

學(xué)生：分組討論，共可有六種排布方式，并提出細(xì)胞膜應(yīng)兩面都處于水環(huán)境中，所以討論得到正

確的排布方式。

問題(3)：那蛋白質(zhì)和磷脂的位置關(guān)系又是如何的呢？

展示材料④：羅伯特森的單位膜模型

時間：1959年

人物：J.D.Robertson羅伯特森

實驗：用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片，顯示暗一明一暗三層結(jié)構(gòu)，厚約7.5nm,它

由厚約3.5nm的雙層脂質(zhì)分子和內(nèi)外表面各為厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。

提出假說：連續(xù)的脂質(zhì)雙分子層組成膜的主體，磷脂的非極性端朝向膜內(nèi)側(cè)，極性端朝向膜外兩

側(cè)，蛋白質(zhì)以單層肽鏈的厚度，通過靜電作用與磷脂極性端相結(jié)合，從而形成蛋白質(zhì)一磷脂一蛋白質(zhì)

的三層結(jié)構(gòu)，稱之為單位膜。他提出真核細(xì)胞與原核細(xì)胞具有相同的膜結(jié)構(gòu)。單位膜模型的主要不足

在于：把生物膜的結(jié)構(gòu)描述成靜止的、不變的，這顯然與膜功能的多樣性相矛盾。

單位膜結(jié)構(gòu)模型繼承了前人的有關(guān)結(jié)論，又成功地利用了先進(jìn)的電子顯微鏡的觀察結(jié)果作為證

據(jù)。但是他將生物膜描述為靜態(tài)的剛性的結(jié)構(gòu)，這一點很快又被新的技術(shù)手段下的實驗所否定。

問題(4)：有什么證據(jù)證明細(xì)胞膜中的物質(zhì)不是靜態(tài)的呢？

教師放映變形蟲的變形運動、白細(xì)胞吞噬病原體、細(xì)胞分裂的動畫，讓學(xué)生從感性上認(rèn)識膜不是

剛性結(jié)構(gòu)。展示材料⑤：熒光標(biāo)記小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞融合實驗

時間：1970年

人物：LarryFrye等

實驗：將人和鼠的細(xì)胞膜用不同熒光抗體標(biāo)記后，讓兩種細(xì)胞融合，雜種細(xì)胞一半發(fā)紅色熒光、

另一半發(fā)綠色熒光，放置一段時間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻分布。

提出假說：細(xì)胞膜具有流動性。

教師：很好，在繼承前人的結(jié)論基礎(chǔ)上，結(jié)合新的觀察和實驗證據(jù)，又有科學(xué)家提出一些關(guān)于生

物膜的分子結(jié)構(gòu)模型。其中1972年桑格(S.J.Singer)和尼克森(G.Nicolson)提出的流動鑲嵌

模型為大多數(shù)人所接受。

好，學(xué)到這里，縱觀整個人們對建立生物膜模型的探索過程我們有些話題想讓大家思考討論。

以討論小組的形式開展課堂討論交流。

(1)生物膜的流動鑲嵌模型是不是就完美無缺了呢？請說說你的看法。

學(xué)生：生物膜的流動鑲嵌模型不可能完美無缺.人類對自然界的認(rèn)識永無止境，隨著實驗技術(shù)的

不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，對膜的研究將更加細(xì)致入微，對膜結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步認(rèn)識將能更完善地解釋細(xì)胞膜的各

種功能，不斷完善和發(fā)展流動鑲嵌模型。

的確，流動鑲嵌模型是目前人們普遍認(rèn)同的，但它無法完美地回答生物膜的所有功能。所以后來

不斷提出一些新的模型，如Wallach于1975年提出晶格鑲嵌模型；Jain和White于1977年提出板

塊鑲嵌模型等，迄今為止，已提出的生物膜結(jié)構(gòu)模型達(dá)幾十種之多，生物膜的結(jié)構(gòu)模型雖然有很多種，

但被廣泛接受的結(jié)構(gòu)模型基本內(nèi)容是趨向一致的。其要點和特點基本相同，主要包括膜的分子組成和

結(jié)構(gòu)特征。

(2)縱觀整個人們對建立生物膜模型的探索過程你能談?wù)剬嶒灱夹g(shù)的進(jìn)步起到怎樣的作用？

學(xué)生：在建立生物膜模型的過程中，實驗技術(shù)的進(jìn)步起到了關(guān)鍵性的推動作用。如血影的制取和

化學(xué)成分的鑒定技術(shù)使人們認(rèn)識膜的化學(xué)組成；電子顯微鏡的誕生使人們終于看到了膜的存在；冰凍

蝕刻技術(shù)和掃描電子顯微鏡技術(shù)使人們認(rèn)識到膜的內(nèi)外兩側(cè)并不對稱；熒光標(biāo)記小鼠細(xì)胞與人細(xì)胞的

融合實驗又證明了膜的流動性等。沒有這些技術(shù)的支持，人類的認(rèn)識便不能發(fā)展。

(3)分析生物膜模型的建立過程中，結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)是如何得到體現(xiàn)的？

學(xué)生：在建立生物膜模型的過程中，結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點始終引導(dǎo)人們不斷實踐、認(rèn)識，再

實踐、再認(rèn)識；使人類一步步接近生物膜結(jié)構(gòu)的真相。例如，不同生物膜的功能是有差異的。在生命

系統(tǒng)中，一般來說，功能的不同常伴隨著結(jié)構(gòu)的差異，而早期的生物膜模型假定所有的生物膜都是相

同的，這顯然與不同部位的生物膜功能不完全相同是矛盾的。還有，不同膜的厚度也不完全一樣。由

此促進(jìn)學(xué)者們重新研究脂質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用的問題。一些學(xué)者使用了更加先進(jìn)的技術(shù)，運用紅外光

譜等技術(shù)證明，膜蛋白主要為球形結(jié)構(gòu)。冰凍蝕刻電鏡技術(shù)又證明，脂雙層中分布有蛋白質(zhì)顆粒，這

樣又發(fā)展了生物膜模型。生物膜中存在不同種類的蛋白質(zhì)，以及蛋白質(zhì)在生物膜中的不同分布情況，

恰能較好地解釋不同結(jié)構(gòu)的生物膜具有不同的生理功能。

(4)分析生物膜模型的建立過程，你受到什么啟示？

學(xué)生：科學(xué)研究是要在實驗和觀察的基礎(chǔ)上，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗痛竽懙南胂?，提出假說，再通過

實驗進(jìn)一步地驗證假說。

學(xué)生：科學(xué)研究依賴于技術(shù)的進(jìn)步，技術(shù)進(jìn)步了，可以得到更多新的實驗數(shù)據(jù)。

學(xué)生：科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程是一個長期的過程，涉及到許多科學(xué)家的辛勤工作。

學(xué)生：科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程不是一帆風(fēng)順的，往往是在繼承的基礎(chǔ)上不斷驗證、修正和完善發(fā)展的。

學(xué)生：科學(xué)家的觀點并不全是真理，還必須通過實踐驗證；科學(xué)學(xué)說不是一成不變的，需要不斷

完善。

教師：那流動鑲嵌模型的具體內(nèi)容是如何的呢？

(1)磷脂雙分子層是生物膜的基本支架。其中磷脂分子的親水性頭部朝向兩側(cè)，疏水性的尾部

相對朝向內(nèi)側(cè)。

麗卿時肺’

隊㈣M3

(2)蛋白質(zhì)分子有的鑲嵌在磷脂雙分子層表面，有的部分或全部嵌入磷脂雙分子層中，有的

橫跨整個磷脂雙分子層。這里體現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)內(nèi)外的不對稱性。

廿丁舞」

（3）在細(xì)胞膜的外側(cè)，有一層由細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)與糖類結(jié)構(gòu)合形成的糖蛋白，叫做糖被。糖

被與細(xì)胞識別、細(xì)胞間的信息交流有密切聯(lián)系。

,「二書d

（4）磷脂分子是可以運動的，具有流動性。大多數(shù)的蛋白質(zhì)也是可以運動的，也體現(xiàn)了膜的流

動性。

【評價反饋】

1.精選練習(xí)

（1）變形蟲的任何部位能伸出偽足，人體的某些白細(xì)胞能吞噬病菌，這些生理活動的完成說明

細(xì)胞膜具有下列哪一特點

A.選擇透過性B.一定的流動性C.保護作用D.細(xì)胞識別

（2）1985年Overton在研究各種未受精卵細(xì)胞的透性時，發(fā)現(xiàn)脂溶性物質(zhì)容易透過細(xì)胞膜，不

溶于脂質(zhì)的物質(zhì)透過細(xì)胞膜十分困難。這表明組成細(xì)胞膜的主要成分中有。

（3）1925年CorterGrendel用丙酮提取細(xì)胞膜的脂，并將它在空氣一水界面上展開時，發(fā)現(xiàn)

這個單層分子的面積相當(dāng)于原來細(xì)胞表面積的兩倍。由此可以認(rèn)為細(xì)胞膜由組成。

（4）1970年，科學(xué)家用不同熒光染料標(biāo)記的抗體，分別與鼠和人細(xì)胞膜上的一種抗原相結(jié)合，

使它們分別產(chǎn)生綠色和紅色熒光。將兩種細(xì)胞融合成一個細(xì)胞時，開始時一半呈綠色另一半呈紅色，

但在37℃水浴中保溫40min后，融合細(xì)胞上的兩種顏色的熒光呈現(xiàn)均勻分布。這個實驗說明

，其原因是