教學(xué)設(shè)計(jì)人教版高中生物必修一 生物膜的流動(dòng)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(dòng)鑲嵌模型

教學(xué)設(shè)計(jì)

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(dòng)性的特點(diǎn)；

3.簡述生物膜的流動(dòng)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(diǎn),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(diǎn)

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(dòng)鑲嵌模型學(xué)說的基本內(nèi)容。

教學(xué)難點(diǎn)

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(dòng)性特點(diǎn)。

教具準(zhǔn)備

1.生物膜流動(dòng)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(yàn)“生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程”一闡述“流動(dòng)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)功能的要求，只有彈力布能夠滿足前面提到的三項(xiàng)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(shí)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(dòng)】

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(gè)過程的，科學(xué)家當(dāng)年正是懷著對物質(zhì)跨膜運(yùn)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(shí)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(huì)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(shí)空隧道，回到一百多年前，假想一下：如果你是當(dāng)時(shí)的一位科學(xué)家，

你會(huì)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(shí)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(shí)科學(xué)家是從生理功能入手來探究的，通過實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)來驗(yàn)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(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)及其相關(guān)的圖片

時(shí)間：19世紀(jì)末1895年

人物：歐文頓（E.Overton）

實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，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(shí)的技術(shù)不能實(shí)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(dòng)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(shí)驗(yàn)說明了歐文頓的假說是成立的。也就是說假說是

在實(shí)驗(yàn)與觀察的基礎(chǔ)上提出來的，同時(shí)又需要更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)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(tuán)（尾部），又有親水基團(tuán)（頭部）。因?yàn)榱字肿拥摹邦^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(shí)間：1925年

人物：荷蘭科學(xué)家Gorter和Grendel

實(shí)驗(yàn)：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(shí)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(shí)的科學(xué)家，當(dāng)你做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)單分子的磷脂分子正好是紅細(xì)胞的兩倍時(shí)，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(shí)間：1959年

人物：J.D.Robertson羅伯特森

實(shí)驗(yàn)：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(diǎn)很快又被新的技術(shù)手段下的實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)、白細(xì)胞吞噬病原體、細(xì)胞分裂的動(dòng)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(shí)驗(yàn)

時(shí)間：1970年

人物：LarryFrye等

實(shí)驗(yàn)：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(shí)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)鑲嵌

模型為大多數(shù)人所接受。

好，學(xué)到這里，縱觀整個(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)鑲嵌模型。

的確，流動(dòng)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(diǎn)和特點(diǎn)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(gè)人們對建立生物膜模型的探索過程你能談?wù)剬?shí)驗(yàn)技術(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(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步起到了關(guān)鍵性的推動(dòng)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(shí)驗(yàn)又證明了膜的流動(dòng)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(diǎn)始終引導(dǎo)人們不斷實(shí)踐、認(rèn)識，再

實(shí)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)進(jìn)一步地驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

學(xué)生：科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程是一個(gè)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(yàn)證、修正和完善發(fā)展的。

學(xué)生：科學(xué)家的觀點(diǎn)并不全是真理，還必須通過實(shí)踐驗(yàn)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(dòng)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(shí)肺’

隊(duì)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(gè)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(yùn)動(dòng)的，具有流動(dòng)性。大多數(shù)的蛋白質(zhì)也是可以運(yùn)動(dòng)的，也體現(xiàn)了膜的流

動(dòng)性。

【評價(jià)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(dòng)的完成說明

細(xì)胞膜具有下列哪一特點(diǎn)

A.選擇透過性B.一定的流動(dòng)性C.保護(hù)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(shí)，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(shí)，發(fā)現(xiàn)

這個(gè)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(gè)細(xì)胞時(shí)，開始時(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)說明

，其原因是