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高一生物集体备课-4-2生物膜的流动镶嵌模型

[日期:2012-06-24]   来源:生物百花园  作者:生物百花园   阅读:253[字体: ]

一、 教学目标

1.简述生物膜的结构。

2.探讨在建立生物膜模型的过程中,实验技术的进步所起的作用。

3.探讨建立生物膜模型的过程如何体现结构与功能相适应的观点。

二、教学重点和难点

1.教学重点

流动镶嵌模型的基本内容。

2.教学难点

探讨建立生物膜模型的过程如何体现结构与功能相适应的观点。

三、教学策略

建议使用1课时。

1.调动学生已有的知识和经验,激发学生的探究欲望。

学生在第2章的学习中曾经制作真核细胞的三维结构模型,当时就遇到过用什么材料做细胞膜的问题。本节课可以从这个问题入手,让学生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。关于这个问题,学生已有的知识是:细胞膜很薄,是细胞这个生命系统的边界;细胞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;植物细胞质壁分离和复原的实验告诉学生,细胞能够在一定范围内涨大和缩小,说明细胞膜具有一定的弹性。教材中“问题探讨”栏目列出了三种材料:塑料袋、普通布和弹力布,其中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上述三项功能的要求。通过这个问题的讨论,学生就会认识到建立细胞膜的结构模型,必须从结构与功能相适应的观点出发来思考。当然,细胞膜不可能是由弹力布构成的。细胞膜到底具有怎样的结构,才能使它具有上述功能呢?这就会引起学生进一步探究的兴趣。此时可以让学生讨论“问题探讨”中第二个讨论题:“你还能想出更好的材料做细胞膜吗?”让学生更广泛地调动已有的知识和生活经验,通过联想和想像,进行更广阔和深入的思考,以培养他们发散思维的能力,同时进一步强化探究欲望。

2.设计问题串,分析科学家探索生物膜结构的曲折历程。

引起学生的探究欲望后,如果直接将生物膜流动镶嵌模型的内容告诉学生,学生仍会感到枯燥无味,对这个模型也很难理解,这样又会走上死记硬背的老路。因此,建议设计问题串,引导学生一步一步地分析科学家的实验和结论,宛如亲历科学家探索的历程,使学生切身感受科学的魅力,始终保持高昂的兴趣,自然而然地接受流动镶嵌模型的理论,并且加深对科学过程和方法的理解。

问题串的设计可参照以下思路。

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。比如细胞的结构是指细胞膜、细胞质、细胞器和细胞核之间的组合形式,氨基酸的结构是指组成它的各种原子之间的组合形式。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?(介绍欧文顿的实验和推论)

欧文顿的推论是否正确呢?细胞膜中除含有脂质外,还有没有其他成分呢?(介绍科学家的化学分析结果,指出膜主要由脂质和蛋白质组成;分析假说是如何提出的,假说与观察和实验证据的关系)

脂质和蛋白质是怎样形成膜的呢?(介绍两位荷兰科学家的实验,分析脂双层这一结论的由来)

蛋白质位于脂双层的什么位置呢?(简介20世纪40年代的推测和罗伯特森1959年提出的“三明治”结构模型)

指出“三明治”结构模型的不足,说明细胞膜不应是静态的刚性的结构,而应当是动态的弹性的结构。

有什么证据证明细胞膜中的物质是不断运动的呢?(重点介绍荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验,指出细胞膜具有流动性;并讨论技术的进步在细胞膜研究中的作用,强化结构与功能相适应的观点)

至此,流动镶嵌模型已经呼之欲出了。

3.归纳总结,图文并重,阐述流动镶嵌模型的基本内容。

在上述问题串的分析讨论之后,可让学生归纳总结流动镶嵌模型的基本要点,教师再呈现生物膜的结构模型示意图,结合该图阐述流动镶嵌模型的基本内容。这幅图呈现的只是生物膜的局部结构,可让学生展开想像力,想像一个近似球形的细胞的细胞膜的三维立体结构。最后可简介糖被的内容,此内容也可让学生自己阅读。

四、答案和提示

(一)问题探讨

1.提示:三种材料比较,弹力布更能体现细胞膜的柔变性和一定的通透性,相对好一些。当然,这几种材料的特点与真实的细胞膜之间还有不小的差距。

2.提示:有条件的话,使用微孔塑胶或利用激光给气球打上微孔都可以作为模型的细胞膜。使用透析袋也可以。如果制作临时使用的模型,利用猪或其他动物的膀胱做细胞膜是更加理想的材料。

(二)思考与讨论1

1.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得出的。

2.有必要。仅靠推理得出的结论不一定准确,还应通过科学实验进行检验和修正。

3.提示: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。科学家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结论。

(三)思考与讨论2

1.提示:在建立生物膜模型的过程中,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。

2.提示: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有差异的。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,这样又发展了生物膜模型。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。

(四)练习

基础题

1.提示:细胞膜太薄了,光学显微镜下看不见,而19世纪时还没有电子显微镜,学者们只好从细胞膜的生理功能入手进行探究。

2.脂质和蛋白质。

3.提示:这两种结构模型都认为,组成细胞膜的主要物质是脂质和蛋白质,这是它们的相同点。不同点是:(1)流动镶嵌模型提出蛋白质在膜中的分布是不均匀的,有些横跨整个脂双层,有些部分或全部嵌入脂双层,有些则镶嵌在脂双层的内外两侧表面;而三层结构模型认为蛋白质均匀分布在脂双层的两侧。(2)流动镶嵌模型强调组成膜的分子是运动的;而三层结构模型认为生物膜是静态结构。

4.D。

拓展题

1.提示:生物膜结构的研究历史反映了科学研究的艰辛历程,也告诉我们建立模型的一般方法。科学家根据观察到的现象和已有的知识提出解释某一生物学问题的假说或模型,用观察和实验对假说或模型进行检验、修正和补充。一种模型最终能否被普遍接受,取决于它能否与以后的观察和实验结果相吻合,能否很好地解释相关现象,科学就是这样一步一步向前迈进的。

2.提示: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。

五、参考资料

几种主要的生物膜结构模型

迄今为止,已提出的生物膜结构模型达几十种之多,现仅介绍几种较为重要的模型。随着研究的深入,人们对膜结构的认识将会不断趋向全面与合理。

1.双分子片层模型

这是1935年由J.Danielli和H.Davson提出的,以后的研究者又做了些修改和补充。此模型的主要内容为:细胞膜是由双层脂分子及内外表面附着的蛋白质所构成的。脂质分子平行排列并垂直于膜平面。双层脂质分子的非极性端相对,极性端向着膜的内外表面,在内外表面各有一层蛋白质。这一模型缺少必要的细节,是对膜结构的一个较粗浅的认识。

2.单位膜模型

此模型是由J.D.Robertson于1959年提出的。这一模型主要强调:连续的脂双分子层组成膜的主体,磷脂的非极性端朝向膜内侧,极性端朝向膜外两侧,蛋白质以单层肽链的厚度,以β折叠形式通过静电作用与磷脂极性端相结合,从而形成蛋白质—磷脂—蛋白质的三层结构,称之为单位膜。他提出真核细胞与原核细胞具有相同的膜结构。单位膜模型的主要不足在于:把膜结构描述成静止的、不变的,这显然与膜功能的多样性相矛盾。其次,不同膜的厚度差异明显,变化范围为5~10 nm。此外,认为蛋白质分子在脂分子表面呈伸展构型,也与蛋白质发挥其功能时的构象要求不相符。

3.流动镶嵌模型

这一模型是S.J.Singer和G.Nicolson于1972年通过对已有的模型进行修正而提出的。它的主要特点是:(1)强调了膜结构的不对称性和不均匀性。将膜蛋白分为外在蛋白和内在蛋白,并且指出蛋白质在脂双层中的分布是不对称和不均匀的。(2)强调了膜结构的流动性。认为膜的结构成分不是静止的,而是动态的,生物膜是流动的脂质双分子层与镶嵌着的球蛋白按二维排列组成。(3)膜的功能是由蛋白与蛋白、蛋白与脂质、脂质与脂质之间复杂的相互作用实现的。

4.晶格镶嵌与板块镶嵌模型

Wallach于1975年提出晶格镶嵌模型。他在流动镶嵌模型的基础上,进一步强调:生物膜中流动性脂质的可逆性变化。这种变化区域呈点状分布在膜上。相变表现为膜脂分子的一种协同效益,即几十个以上的脂分子同时相变。膜脂的相变受温度、脂本身的性质、膜中其他组分、pH和二价阳离子浓度等因素的影响。板块镶嵌模型是Jain和White于1977年提出的,其内容本质上与晶格镶嵌模型相同。他们认为:在流动的脂双分子层中存在许多大小不同的刚度较大的彼此独立运动的脂质“板块”(有序结构区),板块之间被无序的流动的脂质区所分割,这两种区域处于一种连续的动态平衡之中。

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。
 


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