“细胞的边界

张红梅

1教材分析

本节课是苏教版生物“细胞的类型和结构”一节的第二课时。通过本节课的学习，学生能从分子水平认识细胞膜的结构、特性和功能，从微观上理解细胞是活细胞生命活动的结构和功能的基本单位这一观点，同时为下面学习细胞的其他结构和功能及物质跨膜运输打下知识基础。因此本节课在整个高中生命科学学习中具有重要意义。

本节课通过学习生物学家探索构建细胞膜结构的过程，使学生形成生物结构和功能相适应的观点，认识到科学技术的发展会带动科学研究的进步，能主动进行探究性学习。

2教学目标

2.1知识与技能

简述流动镶嵌模型的基本内容，阐述生物膜的结构特点是具有一定的流动性。

2.2过程和方法

分析科学家建模过程，尝试提出问题、作出假设，并通过实验和观察进一步验证并完善假设。

2.3情感、态度与价值观

(1)树立生物结构和功能相适应的辩证观。

(2)正确认识科学实验过程中实验技术的进步所起的作用。

3教学过程

教师课前制作好PPT课件：为学生提供学习资料，比如科学家对细胞膜研究的一系列探索实验、细胞膜相关的图片等都可作为制作素材。

3.1引入紧扣时事，吸引学生注意

展示：水立方、洋葱表皮细胞、植物叶横切面，让学生比较三者共同之处，向学生介绍水立方的构思，引入到细胞的边界——细胞膜。

问题：生物膜究竟具有怎样的结构呢?科学家们曾经也带有这些疑问!下面让我们一起体验科学家探索生物膜结构的历程。

3.2给出科学实验过程，引导学生构建生物膜结构

3.3体验生物膜结构的探索历程

(1)资料一：时间：1895年。

人物：欧文顿。

实验：用500多种物质对植物细胞进行上万次的通透性实验，发现脂质更容易通过细胞膜。

思考与讨论：你可以得出什么结论?

分析、得出结论：根据相似相溶性原理，细胞膜是由脂质组成。

教师用多媒体展示欧文顿的结论：细胞膜是由一层连续的脂类物质所组成。

设问：“欧文顿实验”得出生物膜是由脂质组成的结论，是通过对现象的推理分析还是通过膜成分的提取和鉴定?在推理分析得到结论之后还有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定吗?为什么一开始不直接对生物膜进行提取、分离和鉴定呢?

学生交流、讨论(略)。

教师引入下一则资料：大家对“一层”的说法有不同意见。到底谁合理呢?我们一起来看一个比欧文顿晚40年的实验。

(2)资料二：时间：1925年。

人物：荷兰科学家高特和格伦德。

实验：从细胞膜中提取脂质，铺成单层分子，发现面积是细胞膜的2倍。

设问：如果你是科学家，你会推测出什么样的结论?

学生交流、讨论(略)。

展示，提出假说：细胞膜中的磷脂是双层的(使学生认识到科学技术呈现日新月异的发展态势，要用开放的观点、发展的眼光对待；科学技术的发展能够促进科学探索的进程)。

教师讲述：磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子，磷酸“头”部是亲水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。学生以小组为单位讨论画出磷脂分子在以下四种情况下的排列方式：

磷脂分子在空气——水界面上铺展成单分子层；

磷脂分子置于水中；

磷脂分子在水槽档板的空隙中；

磷脂分子在细胞表面的排列。

这个活动可充分调动学生探究的积极性，激发学习热情，也活跃了课堂气氛，使学生更加明白，由于细胞存在于水溶性的介质中，在细胞表面磷脂分子自然会形成脂双层。

(3)资料三；科学家在实验中还发现：细胞膜不但会被溶解脂质的物质溶解，也会被蛋白酶(能专一地分解蛋白质的物质)分解。根据实验现象，你对膜化学成分在种类上的认识是否还有新的结论?

学生推测膜中还含有蛋白质。

教师讲述：知道了脂质的结构，那么蛋白质又处于什么位置呢?有人提出脂质两边覆盖蛋白质的理论。

(4)资料四：时间：1959年。

人物：罗伯特森。

实验：在电镜下看到细胞膜由“蛋白质——脂质——蛋白质”的三层结构构成。

提出假说：生物膜是由“蛋白质——脂质——蛋白质”的三层结构构成的静态统一结构。

教师设问：静态统一结构有什么不足?

展示：细胞分裂、草履虫的运动和分裂、成熟植物细胞的质壁分裂与复原现象。

教师讲述：把生物膜描述为静态的刚性结构，这显然与膜功能的多样性相矛盾。20世纪60年代，有人对此静态观点提出异议，并随着科学技术的发展，对蛋白质的位置也提出了准确的说法，指出蛋白质不是全部平铺在脂质的表面，有的镶嵌在脂质双分子层中。

(5)资料五：时间：1970年。

人物：Larry Frye等。

实验：将人和鼠的细胞膜用不同的荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂交细胞的一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。

提出假说：细胞膜具有流动性。

设问：对“荧光染料标记实验”进行观察，将得到怎样的动态现象?推出什么结论?说明了什么?

学生交流、讨论(略)。

教师讲述：细胞膜的流动性是与细胞膜的成分——磷脂分子和蛋白质分子的运动分不开的。白细胞吞噬细菌、变形虫运动等例子更强有力地说明细胞膜具有流动性。

资料：冰冻蚀刻电子显微法：标本用干冰等冰冻后用冷刀断开，升温后暴露断裂面。

蛋白质在膜中的分布是不对称的：蛋白质镶在、嵌入、横跨在磷脂双分子层中。

教师引述：1972年，桑格和尼克森通过观察和实验，并在继承前人的研究成果基础上，提出了生物膜分子模型，即流动镶嵌模型，并被人们所接受。

设问：此生物膜的流动镶嵌模型是不是完美无缺呢?

学生：回答(略)。

教师讲述：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，需要后人不断修正和完善；时时刻刻要认识到科学技术在科学探索的过程中所起的关键作用；并要以发展的观点看待科学。根据这个实验你可以得出什么结论?

学生回答：蛋白质分子可以运动。

教师展示蛋白质分子运动的动画。

教师讲述：在体验探索历程过程中，我们要通过对现象的观察分析，推测生物膜的结构特点，依据结构与功能相统一的观点，一步一步地探讨生物膜的结构(由浅入深地讲述质膜结构模型的确立过程，激发学生不断探究未知科学的热情；让学生自己去质疑，认识到科学结论的获得需要大量实验的支持)。

3.4生物膜的流动镶嵌模型的基本内容

教师：通过以上学习，可以得出哪些有关细胞膜结构的结论?

结合生物膜结构的探索历程，学生展开想象，结合生物膜的组分，自我构建细胞膜的三维立体结构。教师再通过课件展示“细胞膜的结构”，有层次地阐述基本内容：生物膜的组成，即主要由蛋白质和脂质组成，

还含少量的糖类。生物膜的基本骨架：磷脂双分子层(亲水性头部朝向两侧，疏水性尾部朝向内侧)。蛋白质分子存在形态：有镶在表面、嵌入、横跨三种，外侧的蛋白质分子与糖类结合形成糖被。生物膜具有不对称性。生物膜的结构特点：流动性(磷脂分子和大多数蛋白质分子都是运动的)。生物膜的功能特点：选择透过性。这就是细胞膜的流动镶嵌模型的主要内容。

教师提问与学生讨论回答：

①你认为细胞膜的两层是对称的吗?

不对称。糖蛋白只存在细胞膜的外表面，蛋白质内外两侧不均匀分布，脂双层中两层也并不完全相同(教师补充内外两侧分布的磷脂含量比例也不相同)。

②细胞膜的结构特点和功能特点分别是什么?

结构特点：细胞膜具有一定的流动性；功能特点：细胞膜有选择透过性。

③用光学显微镜观察细胞，我们是否能直接看到细胞膜?所有细胞的细胞膜都位于最外层吗?

学生阅读教科书、讨论，教师适当解释，最后共同得出：

磷脂双分子层是膜结构的基础，使许多分子和离子不能随意出入；有些膜蛋白控制某些分子和离子的出入；有些膜蛋白起着生物催化剂的作用；有些膜蛋白起着细胞标志物的作用，这些标志物中有些能识别来自细胞内外的化学物质，有的能识别其他细胞，有的则与病原体作斗争有关。所以，可以认为细胞膜在细胞控制和细胞通讯方面都有重要作用。

因为细胞膜很薄，只有在电子显微镜下才能真正看到一层厚约8 m的膜(光学显微镜只是观察到细胞膜内外的物质被分隔开来)，细胞膜也并非都是位于细胞最外层，像植物细胞的细胞和膜外面还有细胞壁。我们可以观察到的是细胞壁，细胞膜并不能直接看到而是我们推测出紧贴细胞壁的一层是细胞膜(根据细胞膜的结构来分析细胞膜的功能，强调生物体结构和功能相统一的观点)。

教师总结：人类对自然界的认识永无止境，随着实验技术的不断进步，对细胞膜的认识将更加精细，细胞膜的模型将不断被完善和发展。2003年诺贝尔化学奖授予美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，分别表彰他们发现细胞膜水通道，以及对离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献。他们研究的细胞膜通道就是人们以前猜测的“城门”。下节课我们将学习物质的跨膜运输及其与膜结构的关系(及时进行德育渗透)。

4教学反思

本节课通过对细胞膜科学研究历史的回顾、现代研究成果和研究方法的拓展性介绍、对关于细胞膜科学研究实验的解读，帮助学生建立科学的精神和探究精神，促进学生较好地理解生物科学的本质以及形成科学的态度和价值观。教师通过对科研实验材料的解读、教材的自主阅读，较好地组织了学生的自主探究和课内的讨论；引导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，逐步培养学生收集和处理科学信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力，以及交流与合作的能力等，突出创新精神和实践能力的培养，在宏观上体现了生物学科新课程理念。教师使学生了解国内外细胞膜研究的基本现状，使学生的科学精神和科学素养得到了较好的熏陶。通过对实验文本的解读与分析，培养学生实事求是的科学态度、一定的探索精神和创新意识。在师生互动、生生互动的探究活动中像科学家一样探索生物膜的结构，学生亲身经历了知识产生、发展和形成的过程，体现了教师是主导、学生是主体的教学思想，学生真正成为了学习的主人，同时也体现了“用教材教，而不是教教材”。但是在教学的微观层面需要进一步的精细化，增加师生互动的频率和互动的有效性。