人教版 (2019)必修1《分子与细胞》细胞膜的结构和功能教案设计

这是一份人教版 (2019)必修1《分子与细胞》细胞膜的结构和功能教案设计，共14页。教案主要包含了细胞膜的功能，对细胞膜成分的探索，对细胞膜结构的探索，流动镶嵌模型的基本内容，拓展应用等内容，欢迎下载使用。
教材分析
本章知识对学生认识细胞这个基本的生命系统具有重要意义,也是生物学中具有重要地位的基础理论。通过前两章的学习,学生已经知道细胞的多样性和统一性、组成细胞的元素和化合物及各自的作用,这些都是学习本章内容的基础。蛋白质、核酸、糖类、脂质……这些生物分子固然重要,但只有分子还不能表现出生命活动。只有将这些分子有机地组合在一起,形成细胞的各种结构,细胞才成为基本的生命系统。本章不仅介绍细胞的基本结构和功能,而且把细胞作为一个基本的生命系统,引导学生用系统的观点来认识细胞,探讨组成细胞的各个组分是怎样既相对独立,又紧密联系的,细胞的生命活动是怎样通过各组分的协调配合完成的。因此,本章对学生认识细胞这个基本的生命系统具有重要意义。
学情分析
高一学生的年龄一般为16岁左右,具有较强的好奇心和探索精神,但是细胞膜离学生的生活经验较远,细胞器种类多,微观而抽象,给学生的学习与识图带来一定的困难。在学习本节课的内容时,可以应用多媒体辅助教学,鼓励学生动手制作模型,引导学生多观察、识图、比较。还可联系学生熟悉的日常生活现象,增强学生学习的兴趣。高一学生已具有较强的抽象思维能力和逻辑分析能力,为本课教学提供了认知基础。高一学生也具有一定的分析问题的能力,实施问题探究教学是可行的。以问题引发兴趣,将新知识与旧知识融为一体,让学生在步步上升中攀登到知识的高峰。
重点难点
教学重点
(1)细胞膜的功能和流动镶嵌模型的主要内容。
(2)几种主要细胞器的结构和功能。
(3)生物膜系统的组成和功能。
(4)细胞核的结构和功能。
教学难点
(1)细胞器之间的协调配合。
(2)分析细胞中部分与整体、结构与功能的统一性。
主要的考查热点包括以下三方面:第一,结合曲线图、柱状图等对生物膜系统的结构和功能的考查。第二,结合细胞图考查动植物细胞的异同比较,各种细胞器的名称、结构和功能特点,以及各种细胞器之间的相互联系。第三,结合显微镜的使用和装片的制作,考查叶绿体的形态、分布和细胞质的流动等基本要点。除了对知识方面的学习,还要加强对文字信息、模型图等材料阅读和分析能力,以及综合运用能力的训练。
课时安排
本章三节内容建议4课时完成。
第1节包括细胞膜的结构和功能两部分内容。通过对细胞膜结构的探索,使学生形成科学严谨的实验态度,再结合相关的实验资料,培养学生的分析能力,引导学生推出细胞膜的组成成分和结构。最后通过分析资料,联系生活中的实例,化抽象为具体,帮助学生理解细胞膜的功能。
第2节首先介绍了各种不同细胞器的结构和功能,然后将各种细胞器的功能进行综合,通过分泌蛋白的合成和运输实例得出细胞器之间是协调配合的;与此同时,生物膜系统在结构和功能上也紧密联系。本节可通过课外模型制作,提高学生学习知识的兴趣和生物建模的能力。
第3节的主要内容是细胞核的结构和功能。本节的教学可采用学生课外查阅资料、教师课堂提供材料,引导学生探讨的方式进行教学,以培养学生合作交流及处理信息的能力。
第3章 细胞的基本结构
第1节 细胞膜的结构和功能
教学分析
教学目标
1.科学思维:从系统与环境关系的角度,阐释细胞膜作为系统的边界所具有的功能。
2.科学思维:分析细胞膜组成成分与结构的关系,说明细胞膜结构的物质基础,概述流动镶嵌模型的主要内容。
3.生命观念:分析对细胞膜成分与结构的探索历程,认同科学理论的形成是一个科学精神、科学思维和技术手段结合下不断修正与完善的过程。
评价目标
1.通过对流动镶嵌模型图形的认识和各结构功能的描述,诊断学生的掌握情况。
2.根据文字描述和图示判断细胞膜的功能
教学重难点
重点:1.细胞膜的功能。
2.流动镶嵌模型的主要内容。
难点:1.细胞膜的结构与其组成成分的内在联系
2.对细胞膜结构的探索历程。
教学方法
1.细胞膜的功能可借助学案、教材,让学生通过阅读理解、小组探究等方式学习。
2.模型法:教师自制磷脂分子和蛋白质分子的模型,根据科学家的实验现象,让学生自己分析磷脂分子的排列方式、蛋白质与磷脂的组合方式,并动手制作生物膜的结构模型。让学生形象而直观地了解模型构建的过程,也让他们置身其中探索奥妙,并体验成功的喜悦。
3.本节内容较抽象,且有一定的逻辑性。故需要运用一些动态化的课件、Flash等技术手段进行突破性阐释。
课时安排
1课时
教学准备
多媒体课件,自制磷脂分子、蛋白质分子模型,学案等。
教学设计
导入新课
PPT展示相关图片,引出问题:这些细胞的共同点是什么?
这些细胞都有细胞膜、细胞质、遗传物质都是DNA。
(设计意图:结合第一章的知识点,创设问题,由旧知识过渡到新知识,激发学生学习的欲望,让学生主动地参与学习过程。)
材料:科学家用显微注射器将一种叫作伊红的物质注入变形虫体内,伊红很快扩散到整个细胞,却不能溢出细胞。
结论:细胞作为一个基本的生命系统,它的边界就是细胞膜(质膜)。
一、细胞膜的功能
1.将细胞与外界环境分隔开
无机物→简单有机物→复杂有机物→原始生命体
人们普遍认为生命起源于原始的海洋,原始海洋中的有机物逐渐聚集并且相互作用,进化出原始的生命。在原始海洋这盆稀薄的“热汤”中,膜的出现是生命起源过程中至关重要的阶段,它将生命物质与外界环境分隔开,产生了原始的细胞,并成为相对独立的系统。细胞膜保障了细胞内部环境的相对稳定。
2.控制物质进出细胞
实验分析:
实验一:取A、B两个烧杯,分别加入等体积的清水和沸水,然后将新鲜的紫色苋菜叶分别浸入A、B两个烧杯中,观察颜色的变化。
实验二:取数量相等的玉米粒两份,为A、B两组,将B组玉米粒煮熟,然后分别滴加红墨水,几分钟后用缓水流冲洗两组玉米粒。
思考:
实验一中B烧杯的水为什么变成紫红色,而A烧杯的水颜色不变?实验二中B组玉米粒为什么被染成红色,而A组玉米的颜色不变?
你能根据实验现象推测细胞膜的功能吗?
用台盼蓝染液染色后的死细胞和活细胞(放大200倍)
“染色排除法”利用了活细胞的细胞膜能够控制物质进出细胞的原理。台盼蓝染色剂是细胞不需要的物质,不能通过细胞膜进入细胞,所以活细胞不被染色。而死的动物细胞的细胞膜不具有控制物质进出细胞的功能,所以台盼蓝染色剂能够进入死细胞内,使其被染色。
3.进行细胞间的信息交流
(1)细胞分泌化学物质(如激素),通过膜表面的受体传递信息。
(2)通过相邻细胞膜的接触传递信息。例如,精子和卵细胞之间的识别和结合。
精子和卵细胞之间的识别和结合
(3)相邻细胞之间形成通道来传递信息。
高等植物细胞之间通过胞间连丝传递信息。
课堂互动:下列图形体现的是细胞膜的什么功能?
二、对细胞膜成分的探索
材料1:19世纪末,欧文顿(E.Overtn)实验。
小组讨论:
1.如果你是欧文顿,你能得出怎样的结论呢?
2.该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得出的?
3.有必要对膜成分进行提取和鉴定吗?
材料2:科学家将细胞膜从哺乳动物的红细胞中分离出来,制备出纯净的细胞膜,得知组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇,其中磷脂含量最多。
小知识:磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸等所组成的分子。
磷脂分子的结构
思考:为什么选择哺乳动物红细胞来分离细胞膜?
材料3:1925年,荷兰科学家戈特(E.Grter)和格伦德尔(F.Grendel)用丙酮从人的红细胞中提取脂质,在空气—水界面上铺成单层分子。发现展开层后的脂单层面积是红细胞的表面积的2倍。
小组讨论:
1.为什么磷脂在空气—水界面上铺展成单分子层?
2.据实验现象可推断出什么结论?
材料4:1935年,英国学者丹尼利()和戴维森(H.Davsn)研究发现,细胞的表面张力明显低于油—水界面的表面张力,若油脂滴表面吸附有蛋白质则表面张力降低。
结论:细胞膜除含有脂质分子外,可能还附有蛋白质。
根据以上材料,学生总结细胞膜的主要成分和元素组成,各组派代表发言。最后师生共同点评。
脂质(约50%) 磷脂最丰富,动物细胞膜含有少量胆固醇 C、H、O、N、P
蛋白质(约40%) 功能越复杂的细胞膜,蛋白质的种类和数量就越多 C、H、O、N(S)
糖类(约2%~10%) C、H、O
三、对细胞膜结构的探索
探究活动:将磷脂分子放入水中搅拌,停止搅拌后,磷脂分子会怎样排列?
学生分组讨论并展示(磁吸式磷脂分子模型在黑板上展示),师生点评。
磷脂分子在水中的分布情况:
空气—水界面
完全浸在水中
思考:细胞膜的两侧都有水环境存在。请大胆地推测和想象一下在这样的环境中,细胞膜中的磷脂分子可能怎么排布?学生可利用手中磷脂分子、蛋白质、糖类的立体模型进行模拟,按照探索顺序一步步完善手中的细胞膜模型。
材料5:20世纪40年代,曾经有学者推测脂质两边各覆盖着蛋白质,但直到50年代,电子显微镜的诞生,科学家用它来观察细胞膜。
1959年,罗伯特森()在电镜下看到细胞膜清晰的暗—亮—暗的三层结构。
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。
思考:细胞膜是固定不动的吗?
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。膜静态模型不能解释下列现象:细胞的生长、变形虫的变形运动、白细胞吞噬细菌及受精时细胞融合等。
材料6:1970年,科学家将人和鼠的细胞表面膜蛋白分别用不同的荧光标记后,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,在37 ℃下经过40 min,发现两种荧光抗体均匀分布。
荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合试验示意图
思考:
1.该实验表明什么?
2.根据已有的生物知识或生活经验,你能列举哪些证明细胞膜具有流动性的证据。
资料7:1972年,辛格()和尼科尔森(G.Niclsn)总结前人的研究成果,并且在新的观察和实验证据的基础上,提出了新的细胞膜模型——流动镶嵌模型,为大多数人所接受。
德育渗透:科学的探索不是一蹴而就的,需要很多位科学家经过长时间的探索和实践才能得出正确的结论,同时科技的进步促进了该探索的过程。
四、流动镶嵌模型的基本内容
学生阅读课本P44~45,以小组为单位,结合自己动手制作的模型,总结流动镶嵌模型的主要内容。请小组代表上台展示,师生互评。
1.膜的组成成分:
主要是磷脂和蛋白质,还有少量的糖类。
2.膜的基本支架:
磷脂双分子层。(其中磷脂分子的亲水性头部朝向两侧,疏水性的尾部朝向内侧)
3.蛋白质分子的位置:
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。(体现了膜结构内外的不对称性)
4.结构特点:
具有一定的流动性。
5.功能特点:
具有选择透过性。
思考:我们已经知道:生物膜的结构特点是流动性,功能特性是选择透过性。那么结构和功能有什么关系?
生物膜的结构与功能是相适应的。
以典型例题进行巩固。
五、拓展应用
学生对于细胞膜的结构已经具备了基本的认识。教师利用多媒体展示图片,首先向学生介绍癌细胞的表面有一种被称作“癌胚抗原”的结构,这个结构在正常细胞中不存在,人工脂质体加以改造后,可以识别癌细胞表面的癌胚抗原,从而运输药物直达癌细胞。然后提出问题:假如你是一名药物研发专家,你会如何对人工脂质体的结构(如下左图)加以改造?如果用人工脂质体携带的药物有脂溶性和水溶性两种类型的话,你会分别将它们放在哪个位置?
针对以上问题,学生小组合作探究(探究活动4)。如果学生讨论过程中出现困难,教师可以提示学生:
(1)对人工脂质体的改造是为了实现其能够“识别抗原”的功能,在我们学过的生物膜的结构中谁可以承担“识别”这一角色?
(2)磷脂分子同时具备亲水和疏水的特点,根据这一特点,将药物放在怎样的位置能够更稳定的存在?
提示:(1)应在脂质体的外侧加上有特异识别功能的抗体。
(2)根据磷脂分子的性质,脂溶性药物放在人工脂质体的2层分子之间,水溶性药物放在人工脂质体的内部(如上右图)。
本节课设计意图
本节课的教学内容是在学习了细胞的化学组成的基础上进行的,这有利于学生巩固前面所学的知识,又能为学生学习细胞的代谢作好铺垫,在教材中起着承上启下的桥梁作用。但内容离学生的生活较远,肉眼看不到,比较抽象化。所以,加强所学知识与实际生活的联系,利用模型构建的方式,让学生参与进来,既锻炼了学生的观察能力、动手操作能力,又让学生在合作的过程中体会到团队合作的重要性及合作后获得成功的乐趣。学生通过亲手制作细胞膜流动镶嵌模型,可以体会到科学探索是艰辛的,也是无尽的,需要大家团结合作,多动脑多思考。最后,通过研制抗癌药物的实例回扣了细胞膜的结构和功能,培养学生利用知识解决实际问题的能力,并且激发学生的科研热情、树立造福人类的远大理想。课上,根据学生的预习情况,有针对性地讲解,学生应该能较快掌握。
非测试性评价
1.你喜欢这堂课吗?你最喜欢哪个环节?哪个环节你认为还有不足?
。
2.在这节课上你学到足够的知识了吗?
。
3.你参与小组合作探究时积极吗?
。
4.你对本堂课重难点的突破还有别的创意吗?
。
(设计意图:该环节是本节课教学环节的延续,通过这几个问题让学生对自己、对小组、对教师、对课堂都进行评价,根据学生的回答,可以促使教师进一步改进自己的教学,是师生交流的另一个平台。)
课堂小结
在屏幕上展示细胞膜的流动镶嵌模型,以此为中心,总结本节课的主要内容。使学生在脑海中形成知识体系,便于理解与记忆。
布置作业
1.巩固本节课所学知识。
2.完成学案上非测试性评价和习题。
教学反思
本节课课堂设计较好地调动了学生的学习热情,完成了本节课的既定目标,尤其是对细胞膜结构的探究历程,利用立体模型,学生可以动手操作,参与度极高,积极参与讨论,师生共同构建了细胞膜的流动镶嵌模型。但仍有很多细节方面值得推敲和优化,引导学生成为学习的主体方面有很大的努力空间。如再加上糖类分子的模型,同学们手中制作的模型就会更加完善,知识点的应用还有待加强。
板书设计
第1节 细胞膜的结构和功能
一、
细胞膜(质膜)功能①将细胞与外界环境分隔开②控制物质进出细胞③进行细胞间的信息交流成分脂质蛋白质糖类
二、对细胞膜成分和结构的探索
三、流动镶嵌模型的基本内容
①基本支架
②结构特点
③功能特点
备课资源
1.细胞膜的主要成分
细胞膜主要由脂质、蛋白质(包括酶)和糖类分子组成。脂质和蛋白质各约占膜干重的一半稍弱,糖类分子不到10%,水约占膜湿重的1/5。此外还有少量的无机盐离子等。
各种膜的基本组成表(质量分数/%)
(1)脂质 脂质中大部分是磷脂,其次是胆固醇,还有少量糖脂,有些细胞膜(如嗜盐菌膜)还含有硫脂,它们都是兼性分子。细胞膜中磷脂分子的亲水端向外,疏水端向内排成磷脂双分子层。磷脂双分子层的内外两层中的蛋白质分子分布是不对称的。糖脂都在外层,糖残基位于磷脂双分子层的表面。磷脂在内外两层中的分布是不相等的。
(2)膜蛋白 细胞中大约有20%~25%左右的蛋白质分子是与膜结构结合的。根据这些蛋白质与膜脂的相互作用方式及其在膜中分布部位的不同,粗略地可分为两大类:外周蛋白和内部蛋白。①外周蛋白分布于膜的外表面,约占膜蛋白的20%~30%。它们通过离子键或其他的非共价键与膜脂相连,结合力较弱,只需用比较温和的方法,如改变介质的离子强度、pH或加入螯合剂等即可把外周蛋白分离下来,它们都为水溶性蛋白质。②内部蛋白约占膜蛋白的70%~80%,它们有的部分嵌入磷脂双分子层中,有的跨膜分布,还有的则全部埋藏在磷脂双分子层的疏水区内部。由于内部蛋白主要靠疏水键与膜脂相互结合,因而只有在较为剧烈的条件下(如超声、加入去垢剂或有机溶剂等)才能把它们从膜上溶解下来。
(3)膜糖 细胞膜约含5%~10%的糖类物质,由于参与组成的单糖彼此间结合方式复杂多样,得到的寡糖种类繁多,这些糖主要以糖脂或糖蛋白形式存在,具有很重要的生理功能。细胞与周围环境相互作用中(如细胞间识别、激素作用等)几乎都涉及糖脂和糖蛋白,它们也是膜抗原的重要组分。
2.细胞膜的主要功能
(1)为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境。
(2)选择性的物质运输,包括代谢底物的输入与代谢产物的排出,其中伴随着能量的传递。
(3)提供细胞识别位点,并完成细胞内外信息跨膜传递。
(4)为多种酶提供结合位点,使酶促反应高效而有序地进行。
(5)介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接。
(6)细胞膜参与形成具有不同功能的细胞表面的特化结构。
3.与细胞膜功能有关的一些例子
(1)控制物质进出功能:学校的大门及辛勤工作的门卫等。
(2)信息交流方式:打电话、写信、发E-mail、谈话、相互招手等。
(3)海洋或河流湖泊中存在着很多不同物种的精子和卵细胞,这些精子与卵细胞并没有发生相互结合。
(4)免疫细胞吞噬病毒或细菌,而正常情况下并不吞噬自身的细胞。
(5)植物传粉后,同种和不同种的花粉都会落到雌蕊的柱头上,同种的花粉能萌发,异种的花粉不能萌发或萌发缓慢。
(6)人类输血时要做严格的配血实验。
(7)器官移植(如骨髓移植)能否成活等。
4.生物膜模型的研究进展
(1)晶格模型 1975年,Wallach提出晶格模型。晶格模型是对流动镶嵌模型的补充,用膜脂可逆地进行无序(液态)和有序(晶态)的相变来解释生物膜的流动性。膜镶嵌蛋白对脂类分子的运动具有控制作用。镶嵌蛋白和它周围的脂类分子形成晶格状态,这些不移动的脂类分子称界面脂质,而流动的脂质呈小片、点状分布。所以脂质的流动是局部的,并非整个脂双层都在流动。
(2)板块镶嵌模型 1977年,Jain和White提出生物膜是由具有不同流动性的板块镶嵌而成的动态结构。
(3)脂筏模型 脂筏(lipid raft)是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域(micrdmain)。大小约70nm左右,是一种动态结构,位于质膜的外小页。由于鞘磷脂具有较长的饱和脂肪酸链,分子间的作用力较强,所以这些区域结构致密,介于无序液体与液晶之间,称为有序液体(Liquid-rdered)。在低温下这些区域能抵抗非离子去垢剂的抽提,所以又称为抗去垢剂膜(detergent-resistant membranes,DRMs)。脂筏就像一个蛋白质停泊的平台,与膜的信号转导、蛋白质分选均有密切的关系。
5.冰冻蚀刻原理
冰冻蚀刻(freeze-etching)亦称冰冻断裂(freeze-fracture)。标本置于-100 ℃的干冰或-196 ℃的液氮中,进行冰冻。然后用冷刀骤然将标本断开,升温后,冰在真空条件下迅速升华,暴露出断面结构,称为蚀刻(etching)。蚀刻后,向断面以45度角喷涂一层蒸汽铂,再以90度角喷涂一层碳,加强反差和强度。然后用次氯酸钠溶液消化样品,把碳和铂的膜剥下来,此膜即为复膜(replica)。复膜显示出了标本蚀刻面的形态,在电镜下得到的影像即代表标本中细胞断裂面处的结构。
6.生物膜中的蛋白质可以与糖类形成糖蛋白,蛋白质与脂质分子之间在结构和功能上是相互孤立的吗?
生物膜中的蛋白质有的镶嵌在脂双层中,被称为整合膜蛋白。它们与周围的脂质分子形成动态的复合物。“膜脂对膜蛋白功能的调控”目前仍然是生物膜研究的前沿学术问题。科学研究表明,膜脂分子对于整合膜蛋白的折叠、组装以及功能活性都有着重要的作用。脂分子不再是一个简单的结构单元,仅仅参与生物膜结构的组成,它们可能与micrRNA一样,作为一种广谱性细胞调节代谢因子,协助蛋白质完成细胞中复杂代谢体系的调控和维系。成分
髓鞘
红细胞细胞膜
肝细胞细胞膜
心肌线粒体
叶绿体片层
大肠杆菌细胞膜
蛋白质
22
60
60
76
50
75
总脂类
78
40
40
24
50
25
磷脂
33
24
26
22
6
25
糖脂
22
微量
0
微量
20
0
胆固醇
17
9
13
1
0
0
其他脂类
6
7
1
1
24
0