科学前沿 组装细胞优质课一等奖

生物膜的流动镶嵌模型

一、教学目标

1、

知识与技能

（1）

简述生物膜的流动镶嵌模型的基本内容。

（2）

举例说明生物膜具有流动性特点。

（3）

尝试利用废旧物制作生物膜模型。

（4）

通过分析科学家建立生物膜模型的过程，阐述科学发现的一般规律。

2、

过程与方法

（1）

通过分析科学家建立生物膜模型的过程，尝试提出问题作出假设。

（2）

发挥空间想象力，通过制作模型，构建细胞膜的空间立体结构。

3、

情感态度与价值观

（1）

生物膜结构的研究是立足于生物膜所具有的功能特点上开展的，树立生物结构与功能相适应的生物学辨证观点。

（2）

正确认识科学价值观，理解假说的提出要有实验和观察的依据，需要有严谨的推理和大胆的想象，并通过实验进一步验证。

（3）

正确认识技术在科学研究中所起的作用。

二、教学重点

1、

科学家对生物膜结构的探索历程。

2、

生物膜流动镶嵌模型学说的基本内容。

三、教学难点

1、

对科学探究过程的分析，如何体现生物膜的结构与功能像统一。

2、

生物膜的空间立体结构。

3、

生物膜的流动性特点。

四、教具准备

1、

与生物膜结构探索过程相关的科学家图片及其实验图片。

2、

生物膜流动镶嵌模型的多媒体演示课件。

五、教学过程

[课前准备] （1）、由于本节课内容跳跃较快，需要在一节课时间内展示近两百年来人们对细胞膜认识的过程，而学生对这过程中所提及的实验及一些结论又比较陌生，所以课前老师要精心组织好相关图片，按时间顺序依次展示，给学生以感性的认识，让学生能较快建立对科学史的理解。

（2）、准备生物流动镶嵌模型的多媒体演示课件，重点突破：（1）膜的空间立体结构，各种成分是如何排列的；（2）生物膜的流动性。

[情境创设] 教师：同学们，在上一节课中，通过几种物质跨膜运输的实例，我们明白了生物膜是一种半透膜，它是有生理活性的，能对一些离子和小分子进行选择性通过。所以生物膜更是一种选择透过性膜。那为什么会有选择性呢？生物膜是靠什么机制来对

不同的物质进行选择的呢？这就跟细胞膜的结构有密切的关系，我们接下来学习生物膜的结构特点。

在前面我们制作真核细胞的三维结构模型中，当时也遇到过用什么材料做细胞膜的问题，很多组的同学都没有很好地解决。我们要从结构与功能相适应的角度分析，用什么材料做细胞膜，能更好地体现细胞膜的功能。首先，我们来总结一下我们已知的细胞膜的特点有哪些。

（细胞膜很薄，是细胞这个生命系统的边界。

（细胞膜是选择透过性膜，能够控制物质的进出，让一部分物质通过，其他物质不能通过。

（植物细胞壁分离和复原的实验告诉我们，细胞能够在一定范围内帐大和缩小，说明细胞膜具有一定的弹性。

教师：很好，现在有三种材料：塑料袋、普通布和弹力布，用哪种更适合于体现细胞膜的功能呢？

（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。

教师：那也就是说弹力布较适合制作细胞膜，大家再调动已有的知识和生活经验，你还能想出更好的材料做细胞膜吗？要找到更好的材料，我们还需要对细胞膜的结构有更深的认识。

[师生互动] 1、

对生物膜结构的探索历程

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。

问题（1）：一种物质或物体的结构，实际上是指其组成成分之间的组合形式。要弄清一种物质或物体的结构，首先要弄清其组成成分。那么，细胞膜的组成成分是什么呢？

展示材料（1）：欧文顿及其实验相关的图片

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。提出假说：膜是由脂质组成的。

教师：大家看，最初认识到细胞膜是由脂质组成的，是通过对现象的推理分析还是通

过对膜成分的提取和鉴定？

（是从生理功能上入手，通过对现象的推理分析的。）

教师：欧文顿的分析假说是如何提出的呢？根据他的实验结果，通过严谨的推理得出

来的：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：那在推理分析得出结论之后，还有没有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？

（有必要，通过鉴定能更准确地说明有问题。

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？

（当时的技术不能实现。）

教师：是的，这说明技术对科学研究的重要作用，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脂质和蛋白质。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得，同时又需要更进一步的实验来证明。

问题（2）：清楚了膜的化学组成后，接下来就要探索这些物质是如何组成膜的了。

朗缪尔IrvingLangmuir在水盘中展开的是磷脂分子(如图4-2-2),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。

展示材料（2）：Gorter和Grendel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？

（细胞膜中的磷脂是两层的。

教师：很好，科学家也正是因测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍，才得出膜中的脂质必然排列为连续的两层这一假说。说明你们也具有了一点科学家的思维能力了，假说的提出不仅需要有实验的基础，同时还需要有严谨的推理和大胆的想象力。

问题（3）：那蛋白质和磷脂的位置关系又是如何的呢？

单位膜结构模型继承了前人的有关“脂双层”和“蛋白质—脂类—蛋白质”三明治模型的结论，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？

（5）：荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验

质膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。例如物质跨膜运输、细胞信息传递、细胞识别、细胞免役、细胞分化以及激素的作用等等都与膜的流动性密切相关。荧光标记小鼠细胞和人

细胞融合实验，成功地指出细胞膜具有流动性。

实际上，一些很简单的例子也能说明膜具有流动性，如我们初中学习的白细胞回吞噬细菌就是一个很好的例子。大家再想想类似的还有什么例子？

（变形虫的变形运动。（植物细胞的质壁分离。动物细胞吸水膨胀和失水皱缩。）

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。

1、

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为的，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与差异的。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。

教师：那流动镶嵌模型的具体内容是如何的呢？

[教师精讲] 流动镶嵌模型的基本内容

结合课件展示依次介绍：

（1）磷脂双分子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。这里体现了膜的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。膜脂分子的运动有多种形式：

①侧向扩散：同一平面上相邻的脂分子交换位置。②旋转运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。③摆动运动：膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。④伸缩震荡：脂肪酸链沿着与纵轴进行伸缩震荡运动。⑤翻转运动：膜脂分子从脂双层的一层翻转到另一层，是在翻转酶的催化作用下完成。⑥旋转异构：脂肪酸链围绕C—C键旋转，导致异构化运动。

（5）大多数的蛋白质也是可以运动的，也体现了膜的流动性。

六、板书设计

第2节

生物膜的流动镶嵌模型

一、对生物膜结构的探索历程

1、

19世纪末，欧文顿提出：膜是由脂质组成的

2、

20世纪初，对膜化学成分鉴定：膜是由脂质和蛋白质组成的。

3、

1925年，荷兰科学家提出：膜中的脂质分子排列为连续两层。

4、

1959年，罗伯特森提出生物膜的静态模型（单位膜模型）：

“蛋白质——脂质——蛋白质”三层结构构成。

5、

1970年弗雷和埃迪登用绿色和红色荧光染料对小鼠和人体细胞上蛋白质进行染色标记，并让两种细胞进融合。提出细胞膜具有流动性。

6、

1972年，桑格和尼克森提出“流动镶嵌模型”。

二、流动镶嵌模型的基本内容

1、

膜是由蛋白质和脂质组成的（还有少量多糖）

2、

膜的基本支架：磷脂双分子层（亲水头部朝外，疏水尾部朝内）

3、

蛋白质分子镶嵌中磷脂双分子层中。（有些外侧蛋白质与多糖结合形成糖被）

4、

膜的结构特点：流动性。

5、

膜的功能特点：选择透过性。