“細胞的邊界

張紅梅

1教材分析

本節(jié)課是蘇教版生物“細胞的類型和結構”一節(jié)的第二課時。通過本節(jié)課的學習，學生能從分子水平認識細胞膜的結構、特性和功能，從微觀上理解細胞是活細胞生命活動的結構和功能的基本單位這一觀點，同時為下面學習細胞的其他結構和功能及物質跨膜運輸打下知識基礎。因此本節(jié)課在整個高中生命科學學習中具有重要意義。

本節(jié)課通過學習生物學家探索構建細胞膜結構的過程，使學生形成生物結構和功能相適應的觀點，認識到科學技術的發(fā)展會帶動科學研究的進步，能主動進行探究性學習。

2教學目標

2.1知識與技能

簡述流動鑲嵌模型的基本內容，闡述生物膜的結構特點是具有一定的流動性。

2.2過程和方法

分析科學家建模過程，嘗試提出問題、作出假設，并通過實驗和觀察進一步驗證并完善假設。

2.3情感、態(tài)度與價值觀

(1)樹立生物結構和功能相適應的辯證觀。

(2)正確認識科學實驗過程中實驗技術的進步所起的作用。

3教學過程

教師課前制作好PPT課件：為學生提供學習資料，比如科學家對細胞膜研究的一系列探索實驗、細胞膜相關的圖片等都可作為制作素材。

3.1引入緊扣時事，吸引學生注意

展示：水立方、洋蔥表皮細胞、植物葉橫切面，讓學生比較三者共同之處，向學生介紹水立方的構思，引入到細胞的邊界——細胞膜。

問題：生物膜究竟具有怎樣的結構呢?科學家們曾經也帶有這些疑問!下面讓我們一起體驗科學家探索生物膜結構的歷程。

3.2給出科學實驗過程，引導學生構建生物膜結構

3.3體驗生物膜結構的探索歷程

(1)資料一：時間：1895年。

人物：歐文頓。

實驗：用500多種物質對植物細胞進行上萬次的通透性實驗，發(fā)現(xiàn)脂質更容易通過細胞膜。

思考與討論：你可以得出什么結論?

分析、得出結論：根據相似相溶性原理，細胞膜是由脂質組成。

教師用多媒體展示歐文頓的結論：細胞膜是由一層連續(xù)的脂類物質所組成。

設問：“歐文頓實驗”得出生物膜是由脂質組成的結論，是通過對現(xiàn)象的推理分析還是通過膜成分的提取和鑒定?在推理分析得到結論之后還有必要對膜的成分進行提取、分離和鑒定嗎?為什么一開始不直接對生物膜進行提取、分離和鑒定呢?

學生交流、討論(略)。

教師引入下一則資料：大家對“一層”的說法有不同意見。到底誰合理呢?我們一起來看一個比歐文頓晚40年的實驗。

(2)資料二：時間：1925年。

人物：荷蘭科學家高特和格倫德。

實驗：從細胞膜中提取脂質，鋪成單層分子，發(fā)現(xiàn)面積是細胞膜的2倍。

設問：如果你是科學家，你會推測出什么樣的結論?

學生交流、討論(略)。

展示，提出假說：細胞膜中的磷脂是雙層的(使學生認識到科學技術呈現(xiàn)日新月異的發(fā)展態(tài)勢，要用開放的觀點、發(fā)展的眼光對待；科學技術的發(fā)展能夠促進科學探索的進程)。

教師講述：磷脂是一種由甘油、脂肪酸和磷酸所組成的分子，磷酸“頭”部是親水的，脂肪酸“尾”部是疏水的。學生以小組為單位討論畫出磷脂分子在以下四種情況下的排列方式：

磷脂分子在空氣——水界面上鋪展成單分子層；

磷脂分子置于水中；

磷脂分子在水槽檔板的空隙中；

磷脂分子在細胞表面的排列。

這個活動可充分調動學生探究的積極性，激發(fā)學習熱情，也活躍了課堂氣氛，使學生更加明白，由于細胞存在于水溶性的介質中，在細胞表面磷脂分子自然會形成脂雙層。

(3)資料三；科學家在實驗中還發(fā)現(xiàn)：細胞膜不但會被溶解脂質的物質溶解，也會被蛋白酶(能專一地分解蛋白質的物質)分解。根據實驗現(xiàn)象，你對膜化學成分在種類上的認識是否還有新的結論?

學生推測膜中還含有蛋白質。

教師講述：知道了脂質的結構，那么蛋白質又處于什么位置呢?有人提出脂質兩邊覆蓋蛋白質的理論。

(4)資料四：時間：1959年。

人物：羅伯特森。

實驗：在電鏡下看到細胞膜由“蛋白質——脂質——蛋白質”的三層結構構成。

提出假說：生物膜是由“蛋白質——脂質——蛋白質”的三層結構構成的靜態(tài)統(tǒng)一結構。

教師設問：靜態(tài)統(tǒng)一結構有什么不足?

展示：細胞分裂、草履蟲的運動和分裂、成熟植物細胞的質壁分裂與復原現(xiàn)象。

教師講述：把生物膜描述為靜態(tài)的剛性結構，這顯然與膜功能的多樣性相矛盾。20世紀60年代，有人對此靜態(tài)觀點提出異議，并隨著科學技術的發(fā)展，對蛋白質的位置也提出了準確的說法，指出蛋白質不是全部平鋪在脂質的表面，有的鑲嵌在脂質雙分子層中。

(5)資料五：時間：1970年。

人物：Larry Frye等。

實驗：將人和鼠的細胞膜用不同的熒光抗體標記后，讓兩種細胞融合，雜交細胞的一半發(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：細胞膜具有流動性。

設問：對“熒光染料標記實驗”進行觀察，將得到怎樣的動態(tài)現(xiàn)象?推出什么結論?說明了什么?

學生交流、討論(略)。

教師講述：細胞膜的流動性是與細胞膜的成分——磷脂分子和蛋白質分子的運動分不開的。白細胞吞噬細菌、變形蟲運動等例子更強有力地說明細胞膜具有流動性。

資料：冰凍蝕刻電子顯微法：標本用干冰等冰凍后用冷刀斷開，升溫后暴露斷裂面。

蛋白質在膜中的分布是不對稱的：蛋白質鑲在、嵌入、橫跨在磷脂雙分子層中。

教師引述：1972年，桑格和尼克森通過觀察和實驗，并在繼承前人的研究成果基礎上，提出了生物膜分子模型，即流動鑲嵌模型，并被人們所接受。

設問：此生物膜的流動鑲嵌模型是不是完美無缺呢?

學生：回答(略)。

教師講述：科學家的觀點并不全是真理，還必須通過實踐驗證；科學學說不是一成不變的，需要后人不斷修正和完善；時時刻刻要認識到科學技術在科學探索的過程中所起的關鍵作用；并要以發(fā)展的觀點看待科學。根據這個實驗你可以得出什么結論?

學生回答：蛋白質分子可以運動。

教師展示蛋白質分子運動的動畫。

教師講述：在體驗探索歷程過程中，我們要通過對現(xiàn)象的觀察分析，推測生物膜的結構特點，依據結構與功能相統(tǒng)一的觀點，一步一步地探討生物膜的結構(由淺入深地講述質膜結構模型的確立過程，激發(fā)學生不斷探究未知科學的熱情；讓學生自己去質疑，認識到科學結論的獲得需要大量實驗的支持)。

3.4生物膜的流動鑲嵌模型的基本內容

教師：通過以上學習，可以得出哪些有關細胞膜結構的結論?

結合生物膜結構的探索歷程，學生展開想象，結合生物膜的組分，自我構建細胞膜的三維立體結構。教師再通過課件展示“細胞膜的結構”，有層次地闡述基本內容：生物膜的組成，即主要由蛋白質和脂質組成，

還含少量的糖類。生物膜的基本骨架：磷脂雙分子層(親水性頭部朝向兩側，疏水性尾部朝向內側)。蛋白質分子存在形態(tài)：有鑲在表面、嵌入、橫跨三種，外側的蛋白質分子與糖類結合形成糖被。生物膜具有不對稱性。生物膜的結構特點：流動性(磷脂分子和大多數蛋白質分子都是運動的)。生物膜的功能特點：選擇透過性。這就是細胞膜的流動鑲嵌模型的主要內容。

教師提問與學生討論回答：

①你認為細胞膜的兩層是對稱的嗎?

不對稱。糖蛋白只存在細胞膜的外表面，蛋白質內外兩側不均勻分布，脂雙層中兩層也并不完全相同(教師補充內外兩側分布的磷脂含量比例也不相同)。

②細胞膜的結構特點和功能特點分別是什么?

結構特點：細胞膜具有一定的流動性；功能特點：細胞膜有選擇透過性。

③用光學顯微鏡觀察細胞，我們是否能直接看到細胞膜?所有細胞的細胞膜都位于最外層嗎?

學生閱讀教科書、討論，教師適當解釋，最后共同得出：

磷脂雙分子層是膜結構的基礎，使許多分子和離子不能隨意出入；有些膜蛋白控制某些分子和離子的出入；有些膜蛋白起著生物催化劑的作用；有些膜蛋白起著細胞標志物的作用，這些標志物中有些能識別來自細胞內外的化學物質，有的能識別其他細胞，有的則與病原體作斗爭有關。所以，可以認為細胞膜在細胞控制和細胞通訊方面都有重要作用。

因為細胞膜很薄，只有在電子顯微鏡下才能真正看到一層厚約8 m的膜(光學顯微鏡只是觀察到細胞膜內外的物質被分隔開來)，細胞膜也并非都是位于細胞最外層，像植物細胞的細胞和膜外面還有細胞壁。我們可以觀察到的是細胞壁，細胞膜并不能直接看到而是我們推測出緊貼細胞壁的一層是細胞膜(根據細胞膜的結構來分析細胞膜的功能，強調生物體結構和功能相統(tǒng)一的觀點)。

教師總結：人類對自然界的認識永無止境，隨著實驗技術的不斷進步，對細胞膜的認識將更加精細，細胞膜的模型將不斷被完善和發(fā)展。2003年諾貝爾化學獎授予美國科學家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農，分別表彰他們發(fā)現(xiàn)細胞膜水通道，以及對離子通道結構和機理研究作出的開創(chuàng)性貢獻。他們研究的細胞膜通道就是人們以前猜測的“城門”。下節(jié)課我們將學習物質的跨膜運輸及其與膜結構的關系(及時進行德育滲透)。

4教學反思

本節(jié)課通過對細胞膜科學研究歷史的回顧、現(xiàn)代研究成果和研究方法的拓展性介紹、對關于細胞膜科學研究實驗的解讀，幫助學生建立科學的精神和探究精神，促進學生較好地理解生物科學的本質以及形成科學的態(tài)度和價值觀。教師通過對科研實驗材料的解讀、教材的自主閱讀，較好地組織了學生的自主探究和課內的討論；引導學生主動參與、樂于探究、勤于動手，逐步培養(yǎng)學生收集和處理科學信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力，以及交流與合作的能力等，突出創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，在宏觀上體現(xiàn)了生物學科新課程理念。教師使學生了解國內外細胞膜研究的基本現(xiàn)狀，使學生的科學精神和科學素養(yǎng)得到了較好的熏陶。通過對實驗文本的解讀與分析，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、一定的探索精神和創(chuàng)新意識。在師生互動、生生互動的探究活動中像科學家一樣探索生物膜的結構，學生親身經歷了知識產生、發(fā)展和形成的過程，體現(xiàn)了教師是主導、學生是主體的教學思想，學生真正成為了學習的主人，同時也體現(xiàn)了“用教材教，而不是教教材”。但是在教學的微觀層面需要進一步的精細化，增加師生互動的頻率和互動的有效性。