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新教材剖析:細胞膜的結構和功能

更新時間:2023-10-14 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

問題剖析V6D物理好資源網(原物理ok網)

本節問題剖析借助了臺盼藍染色鑒定細胞死活,班主任演示實驗并投影的療效會比直接展示圖片好好多。實驗結果表明死細胞會被染成紅色,而活細胞不會著色。為何活細胞不能被染色,而死細胞能被染色?班主任用書的參考答案是:活細胞的細胞膜具有選擇透過性,顏料臺盼藍是細胞不需要的物質,不易通過細胞膜,因而活細胞不被染色;死細胞的細胞膜喪失控制物質進出細胞的功能,臺盼藍能通過細胞膜步入細胞,死細胞能被染成紅色。V6D物理好資源網(原物理ok網)

我個人覺得上述答案應當是中學生通過學習以后給出的,班主任假如在此處將參考答案拋給中學生,直接解開謎底,中學生繼續探究找尋答案的學習熱情都會一下子降至冰點。一個問題情景,中學生才能有所思索但又不能完全解決時,這個問題就是導出的最好問題。此處問題剖析最主要的作用是讓學生帶著不完全理解去思索:細胞膜作為細胞這一系統的邊界,應當具有哪些功能?V6D物理好資源網(原物理ok網)

細胞膜的功能V6D物理好資源網(原物理ok網)

2.1先講結構?先講功能?V6D物理好資源網(原物理ok網)

新教材先講細胞膜的功能,從中學生認知來說,這樣做是合理的。細胞膜的功能可以具體化為一些實例,實例對中學生來說比較直觀、形象。隨即我們引導中學生剖析功能背后的緣由,就可以很自然地過渡到講結構。V6D物理好資源網(原物理ok網)

2.2從系統的角度講細胞膜的功能V6D物理好資源網(原物理ok網)

細胞膜作為細胞的邊界,才能將細胞和外界環境分開。假如沒有細胞膜,細胞內容物都會和外界融為一體。正是因為細胞膜的存在細胞膜結構,才使細胞從環境中獨立下來,成為一個相對獨立的系統。V6D物理好資源網(原物理ok網)

作為一個有序的系統,為了維持下去,細胞須要從外界獲得物質和能量,同時須要排出代謝廢物,這樣細胞就難免要和環境之間發生物質交換。細胞膜才能控制物質進出細胞,如同邊防檢測站一樣,對物質進行“檢查”,符合條件的給以放行。V6D物理好資源網(原物理ok網)

多細胞生物體作為一個更大的系統由分化的細胞構成,不同類型的細胞間要互相協作能夠完成各項生命活動,這就要求不同的細胞之間要進行“溝通”和“交流”,也就是細胞間的信息交流。細胞間信息交流大都與細胞膜的結構有關。這兒須要注意,用激素和靶細胞膜上的受體結合舉例時,防止用到步入細胞的激素。V6D物理好資源網(原物理ok網)

細胞膜結構的探求V6D物理好資源網(原物理ok網)

3.1從成份到結構V6D物理好資源網(原物理ok網)

細胞膜結構模式圖名稱_細胞膜結構_細胞膜的膜結構V6D物理好資源網(原物理ok網)

與現行教材不同,新教材處理細胞膜結構科學史時,分成了兩部份。通過“思考與討論”分析得出細胞膜的成份主要是磷脂和蛋白質。之后在了解了細胞膜成份的基礎上,介紹磷脂和蛋白質如何組裝成有序的細胞膜結構。為了表述便捷,我把兩部份合并處理。V6D物理好資源網(原物理ok網)

3.2細胞膜探求歷程的邏輯剖析[1]V6D物理好資源網(原物理ok網)

歐文頓的實驗表明:脂胺類物質更容易穿過細胞膜,據此提出假說:細胞膜由脂類構成(注意這暫時只是個假說還不是推論)。科學家分離得到純凈的喂奶植物成熟紅細胞的細胞膜,物理剖析表明組成細胞膜的脂類包括磷脂和固醇。歐文頓的假說得到了驗證。V6D物理好資源網(原物理ok網)

磷脂在細胞膜中濃度豐富,據此可以提出問題:磷脂在細胞膜中是怎樣排列的?讓中學生了解磷脂是兩性分子(尿酸和磷脂類似也是兩性分子),之后明晰細胞膜內外都是水環境,進而引導中學生在理論上推斷細胞膜中磷脂應當排成兩層(這是個假說)。戈特和格倫德爾的實驗證明了細胞膜中磷脂確實是單層排列的。V6D物理好資源網(原物理ok網)

因為細胞須要的一些極性分子和離子可以快速通過細胞膜(脂類不容許極性分子和離子快速通過),丹尼利等還發覺細胞膜的表面張力大于油水界面的表面張力,那些都表明細胞膜不僅僅是由脂類構成。到了20世紀30年代,科學家早已確定細胞膜中存在蛋白質,而且極少有人思索蛋白質在磷脂雙分子層上是怎樣分布的。1935年丹尼利等按照油脂滴吸附蛋白質后也會表現出表面張力增加,這和細胞膜的情況一致,據此提出假說(類比推理):細胞膜是由單層脂類分子及內外表面附著的蛋白質所構成(披薩模型)。但這個模型缺少必要的細節。V6D物理好資源網(原物理ok網)

披薩模型隨即又有新的內容添加,但基本都是披薩模型的變式,其中影響比較大的是羅伯特森的“單位膜”模型。1959年羅伯特森的電鏡觀察結果支持披薩模型,羅伯特森依據觀察結果以及別人的研究,將松餅模型補充了一些細節(主要是蛋白質怎樣和脂類結合的細節),更改為單位膜模型,而且將模型處理成靜態的。靜態模型很快就面臨挑戰,它不能解釋一系列有關細胞生長、分裂以及變形蟲運動等問題。科學家通過冰凍刻蝕技術也發覺,蛋白質并不是鋪在磷脂雙分子層的外側,有些蛋白質會嵌入甚至貫串磷脂雙分子層。同時,螢光標記的人鼠細胞融合實驗表明:細胞膜是動態的。按照一系列實驗結果,科學家又提出了新的假說——流動鑲嵌結構模型,該模型就能較好解釋已觀察到的實驗現象。V6D物理好資源網(原物理ok網)

3.3科學史中的一個細節V6D物理好資源網(原物理ok網)

悉心讀者會發覺細胞膜結構,20世紀初科學家分離得到純凈的細胞膜后進行物理剖析。現行教材得到的結果是:膜主要由脂類和蛋白質構成;新教材是:膜脂主要由磷脂和血脂構成。V6D物理好資源網(原物理ok網)

通常覺得科學家在1930年左右普遍接受了紅細胞膜中富含大量蛋白質,新教材的寫法更符合科學發覺的歷史。并且此處我們可能會有這樣的疑惑:既然科學家分離得到了純凈的細胞膜,但是細胞膜中蛋白質濃度巨大,為何初期科學家卻沒有注意到呢?說實話,這個問題我不曉得,手頭的資料也不能解決這個問題。V6D物理好資源網(原物理ok網)

我猜想一下,可能當時制備細胞膜的方式會造成膜蛋白開裂,最終保留的膜蛋白就極少,物理剖析時容易被忽視。我們從1925年兩位英國科學家的實驗中可以聽到[2],她們的估算構建在不考慮蛋白質搶占細胞膜表面積的基礎上。到了1932年,Erik的研究表明:紅細胞膜中脂類的濃度(20%)是蛋白質濃度(4%)的約5倍[3],現代剖析得出的蛋白質濃度遠比這一值要高。V6D物理好資源網(原物理ok網)

提出假說V6D物理好資源網(原物理ok網)

每次講這個內容,我都跟中學生指出假說的合理智。假說不能陡然臆測,科學的假說要構建在已知事實和觀察現象的基礎之上,說白了,假說的提出要有以一定的已知信息作為根據。V6D物理好資源網(原物理ok網)

在教學中,可以在細胞膜結構(成份)探求歷程中,引導中學生剖析科學家怎樣依據觀察和實驗結果提出合理的假說。而且讓中學生明晰假說須要進一步的實驗進行檢驗。假如假說與進一步的實驗結果不符,就須要修正甚至是放棄原先的假說。我們同時會看見雖然羅伯特森的觀察結果支持單位膜模型,并且這并不能保證假說就是合理的,一個假說常常須要得到一系列實驗觀察的支撐,能夠為人們普遍接受。V6D物理好資源網(原物理ok網)

流動鑲嵌結構模型V6D物理好資源網(原物理ok網)

5.1膜的流動性對物質運輸等特別重要V6D物理好資源網(原物理ok網)

這句話是新教材新加的,加的好,得點贊。V6D物理好資源網(原物理ok網)

物質跨膜轉運彰顯了膜的選擇透過性,但也須要依賴膜的流動性能夠完成。一般覺得簡單擴散(自由擴散)時,被運輸的物質要先溶化在磷脂雙分子層中,之后實現跨膜轉運,其中磷脂分子的運動是必不可少的。載體介導的協助擴散或主動運輸要求載體構型的改變能夠實現跨膜轉運。通道一般是門控的,通過通道的開關來實現或暫停物質的跨膜轉運。V6D物理好資源網(原物理ok網)

5.2糖被的敘述更確切V6D物理好資源網(原物理ok網)

現行教材對糖被的敘述容易讓人形成誤會,新教材明晰了糖被就是細胞膜外表面的脂類分子。細胞表面的脂類分子可與膜上的蛋白質結合產生糖蛋白,也可與膜上的脂類結合產生糖脂。V6D物理好資源網(原物理ok網)

這兒額外說兩點:第一,糖被中的糖一般是單糖。第二,此處指出細胞膜上脂類的不對稱分布即可,部份教輔指出細胞器中沒有糖蛋白,雖然,糖蛋白并除了僅存在于細胞膜上,也存在細胞器膜上,不過此時糖蛋白的朝向是細胞器內部。關于這個問題,下一次讀書再議。V6D物理好資源網(原物理ok網)

建構概念,發展素質V6D物理好資源網(原物理ok網)

本節須要建構的概念是:“細胞都由質膜包裹,質膜將細胞與其生活環境分開,能控制物質進出,并參與細胞間的信息交流”。服務于這一概念建構,教材還安排了細胞膜結構的相關內容,讓中學生明晰:細胞膜主要由脂類和蛋白質組成,再者還富含少量脂類。細胞膜的磷脂雙分子層是膜的基本支架,具有流動性。蛋白質分子鑲嵌在磷脂雙分子層上,其中大多數蛋白質分子才能運動。V6D物理好資源網(原物理ok網)

細胞膜的結構和功能是相適應的。磷脂雙分子層構成膜的基本支架,磷脂分子的兩性特征造成磷脂雙分子層能將細胞內外分開,并保證細胞內外都是以水為基礎的液體環境,同時還賦于細胞相對于環境的獨立性,使細胞成為一個相對獨立的系統。細胞膜才能控制物質進出細胞,這與細胞膜具有一定的流動性密切相關,構成膜的磷脂分子的運動容許非極性和弱極性分子通過,膜轉運蛋白的構型改變則保證了細胞須要的離子和極性分子也可以步入細胞。細胞膜表面的糖被則與細胞間進行信息關系密切。V6D物理好資源網(原物理ok網)

本節安排了細胞膜結構(成份)相關的科學史,中學生須要理清其中的脈絡線索,就能理解看似散亂的科學史實之間的邏輯聯系。假說在科學發覺過程中具有重要作用,教材通過設置“提出假說”的欄目,讓中學生明晰假說的提出要根據一定的已知事實。這部份科學史中還蘊藏了豐富的科學方法和技術,彰顯了科學探究須要探求精神、科學思維和技術手段的結合,科學理論的產生是一個坎坷的過程。細胞膜結構研究過程中,科學家還普遍采用了模型研究的方式,本節前面還安排了“利用廢舊物品制做生物膜模型”的活動讓中學生感受和落實。V6D物理好資源網(原物理ok網)

【參考文獻】V6D物理好資源網(原物理ok網)

[1]J.:Onceuponatimethecell:175yearsofcell..,9:32.V6D物理好資源網(原物理ok網)

[2]E.,F.:Onofontheoftheblood.Theof,41(4):439–43.V6D物理好資源網(原物理ok網)

[3]E.:Theoftheor..,1932,26:1488-1503.V6D物理好資源網(原物理ok網)

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