/生物膜流動鑲嵌模型〔何一西北工業(yè)大學附中710072〕【教材版本】本節(jié)是人民教育出版社出版的高中生物必修一?分子與細胞?第4章--細胞的能量供給與利用第二節(jié)的內(nèi)容?！驹O計理念】本節(jié)課采用“提供資料→提出問題〔要求〕→做出假設〔構(gòu)建模型〕→提供實驗驗證〞的教學模式,通過“生物膜流動鑲嵌模型〞的構(gòu)建及有關實驗設計,表達學生“自主、探究、合作〞的學習方式,感受科學家探索的歷程和探索過程的艱辛?！窘滩姆治觥?.知識結(jié)構(gòu)分析本節(jié)主要包括兩大局部內(nèi)容：1、科學家對細胞膜結(jié)構(gòu)的探索歷程。利用科學史教育素材,通過引導學生分析科學家們的實驗和結(jié)論,加深對科學過程和方法的理解,明白科學發(fā)現(xiàn)是長期的過程；科學家的觀點并不全是真理,還必須通過實踐驗證；科學學說并非一成不變,需要不斷修正、開展和完善；科學開展與技術有很大的關系,技術的進步可以更好地促進科學的開展。2、生物膜的流動鑲嵌模型的根本內(nèi)容。在眾多對細胞膜結(jié)構(gòu)的假說中,細胞膜的流動鑲嵌模型是目前人們普遍認同的,能較好地解釋人們對細胞膜功能的認識,學生必須展開想象力,通過制作模型等,構(gòu)建細胞膜的空間立體結(jié)構(gòu),理解和掌握生物膜的流動鑲嵌模型的根本要點。2.知識發(fā)生開展過程分析本節(jié)以較多的篇幅介紹了對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程,并安排了兩個思考與討論,讓學生在認識細胞膜結(jié)構(gòu)的同時,了解這些知識的來龍去脈,認識到可以通過現(xiàn)象的推理分析提出假說,假說仍然需要觀察和實驗來驗證。隨著實驗技術的改良,不斷發(fā)現(xiàn)新的實驗證據(jù),原有的觀點還會不斷受到質(zhì)疑、修正和完善,并歸納總結(jié)出生物膜模型建構(gòu)的根本方法。3.知識學習意義分析加深學生對科學的歷史和本質(zhì)的認識,特別是這些內(nèi)容中所表達的結(jié)構(gòu)和功能相適應的觀點。實驗技術的進步推動科學的進步等觀點對于學生的情感態(tài)度與價值觀領域的開展有重要價值。4.教學建議與學法指導說明本節(jié)內(nèi)容以細胞膜分子結(jié)構(gòu)的探究歷程為主線,學生動腦分析實驗現(xiàn)象得出實驗結(jié)論并構(gòu)建模型為重點,讓學生從中體驗科學的實驗思想和實驗方法。使學生認識到在建立生物膜模型的進程中,實驗技術的進步所起的作用；理解在建立生物膜模型的過程如何表達結(jié)構(gòu)與功能相適應的觀點。【學情分析】1.原有認知開展分析高中學生具備了一定的觀察和認知能力,分析思維的目的性、連續(xù)性和邏輯性也已初步建立,但還很不完善,對事物的探索好奇,又往往具有盲目性,缺乏目的性,并對探索科學的過程與方法及結(jié)論的形成缺乏理性的思考。2.原有知識結(jié)構(gòu)分析學生已經(jīng)了解了細胞、知道了組成細胞的分子、掌握了細胞的根本結(jié)構(gòu),尤其是細胞膜作為最根本生命系統(tǒng)的邊界等相關知識,為本節(jié)知識的學習奠定了根底。3.非認知因素分析本節(jié)通過回憶生物膜開展的歷史,教學中要抓住主線,有效地引導學生思考、分析科學家所做的實驗及假說,通過環(huán)環(huán)相扣的問題啟發(fā)、引導學生,使其感到身臨其境,仿佛自己就是科學家在思考在研究,最后自然而然地得出規(guī)律,并歸納總結(jié)出生物膜的流動鑲嵌模型建構(gòu)的根本方法。此外,還應重點理解和掌握生物膜的流動鑲嵌模型,學會運用模型解釋相應的生生物學現(xiàn)象?！窘虒W目標】1.知識與技能①簡述生物膜的流動鑲嵌模型的根本內(nèi)容。理解生物膜的結(jié)構(gòu)特點是具有一定的流動性〔包括膜脂的流動性和膜蛋白的運動性〕,這種流動性對于活細胞的生命活動,有著十分重要的意義

；

②舉例說明生物膜具有的流動性的特點

；

③通過分析科學家建立生物膜模型的過程闡述科學開展的一般規(guī)律

。2.過程與方法①通過分析科學家建立生物膜模型的過程,嘗試提出問題、做出假設,理解假說的提出要有實驗和觀察的依據(jù),需要嚴謹?shù)耐评砗痛竽懙南胂?并通過觀察和實驗進一步驗證和完善

；

②發(fā)揮空間想象能力,構(gòu)建細胞膜的空間立體結(jié)構(gòu)

。③理解實驗技術的進步所起的作用。3.情感、態(tài)度與價值觀①使學生樹立生物結(jié)構(gòu)與功能相適應的生物學辨證觀點

；

②培養(yǎng)學生嚴謹?shù)耐评砗痛竽懴胂竽芰?/p>

；③認識到技術的開展在科學研究中的作用,尊重科學且用開展的觀點看待科學、樹立辨證的科學觀

?！局攸c難點】1.教學重點①科學家對生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程。

②生物膜的流動鑲嵌模型學說的根本內(nèi)容。2.教學難點①對科學探究過程的分析,如何表達生物膜的結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一；

②生物膜的空間立體結(jié)構(gòu)；

③生物膜的流動性特點。

【教學環(huán)境】1.生物膜流動鑲嵌模型的多媒體演示課件

2.自制磷脂分子、蛋白質(zhì)分子模型

【教學方法】歸納探究法,自主、合作學習?！窘虒W思路】1.調(diào)動學生已有的知識和經(jīng)驗,激發(fā)學生的探究欲望。

學生在第2章的學習中曾經(jīng)制作真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型,當時就遇到過用什么材料做細胞膜的問題。本節(jié)課可以從這個問題入手,讓學生從結(jié)構(gòu)與功能相適應的角度分析,用什么材料做細胞膜,能更好地表達細胞膜的功能。關于這個問題,學生已有的知識是：細胞膜很薄,是細胞這個生命系統(tǒng)的邊界；細胞膜能夠控制物質(zhì)的進出,讓一局部物質(zhì)通過,其他物質(zhì)不能通過；植物細胞質(zhì)壁別離和復原的實驗告訴學生,細胞能夠在一定范圍內(nèi)漲大和縮小,說明細胞膜具有一定的彈性。教材中“問題探討〞欄目列出了三種材料：塑料袋、普通布和彈力布,其中塑料袋只能滿足作為系統(tǒng)邊界的要求,普通布能夠滿足系統(tǒng)的邊界和讓一局部物質(zhì)透過這兩項功能的要求,只有彈力布能夠滿足上述三項功能的要求。通過這個問題的討論,學生就會認識到建立細胞膜的結(jié)構(gòu)模型,必須從結(jié)構(gòu)與功能相適應的觀點出發(fā)來思考。當然,細胞膜不可能是由彈力布構(gòu)成的。細胞膜到底具有怎樣的結(jié)構(gòu),才能使它具有上述功能呢？

2.本節(jié)課在教學設計上主要突出科學史的教育,科學史的教學是在新教材中特別強調(diào)和突出的,在舊教材中涉及不多,要教好不容易。老師備課過程要細致籌劃如何有效地引導學生分析不同時期不同科學家的實驗及假說,評價他們的奉獻；要能通過一連串的環(huán)環(huán)相扣的問題來引導學生思維,要讓學生感到身臨其境,仿佛自己就是那個科學家在思考研究；最后讓學生從中總結(jié)出科學發(fā)現(xiàn)的一般規(guī)律。

3.生物膜結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建是本節(jié)要突破的一個難點問題。本節(jié)課中,教師自制了磷脂分子和蛋白質(zhì)分子的模型,讓學生根據(jù)科學家的實驗現(xiàn)象自己來構(gòu)建磷脂分子的排列方式、蛋白質(zhì)與磷脂的組合方式,這樣讓學生不但形象、直觀的了解了模型構(gòu)建的過程、也讓他們置身其中、探索微妙并體驗了成功的喜悅。

4.細胞膜的流動鑲嵌模型這個難點的講解可通過多媒體課件來突破,有順序和層次地介紹。通過幻燈片放映各個科學家研究的圖片、動畫,增強了這些內(nèi)容的立體感、豐富了教學內(nèi)容、使學生在樂趣中學、在輕松中學。

【教學過程】環(huán)節(jié)1教師：同學們,在前面我們制作真核細胞的三維結(jié)構(gòu)模型中,遇到過用什么材料做細胞膜的問題,現(xiàn)在有三種材料：塑料袋、普通布和彈力布,你選用哪種材料呢？為什么？

學生：細胞膜很薄,是細胞這個生命系統(tǒng)的邊界。

學生：細胞膜是選擇透過性膜,能夠控制物質(zhì)的進出,讓一局部物質(zhì)通過,其他物質(zhì)不能通過。

學生：植物細胞質(zhì)壁別離和復原的實驗告訴我們,細胞能夠在一定范圍內(nèi)脹大和縮小,說明細胞膜具有一定的彈性。

學生：塑料袋只能滿足作為系統(tǒng)邊界的要求,普通布能夠滿足系統(tǒng)的邊界和讓一局部物質(zhì)透過這兩項功能的要求,只有彈力布能夠滿足前面提到的三項功能的要求。

教師：大家進行選擇的依據(jù)是利用了細胞膜的功能,這表達了什么樣的生物學思想呢？

學生：生物體結(jié)構(gòu)和功能相適應的思想。

教師：實際上,彈力布也并不能完全代替生物膜。要找到更好的材料,我們還需要對細胞膜的結(jié)構(gòu)有更深的認識。設計意圖：通過簡單的實驗選材設問,創(chuàng)設情景,引入新課。環(huán)節(jié)2教師：人們對事物的認識是有一個過程的,科學家當年正是懷著對物質(zhì)跨膜運輸現(xiàn)象產(chǎn)生的疑問,開始了對生物膜結(jié)構(gòu)的孜孜以求地探索,歷經(jīng)了一百多年時間,走過了一條曲折的道路,直到現(xiàn)在仍有許多科學家在繼續(xù)深入研究。讓我們一起重溫一下這段歷史,會讓大家對科學過程和本質(zhì)的理解有所啟發(fā)。我想讓大家穿過時空隧道,回到一百多年前,假想一下：如果你是當時的一位科學家,你會怎樣去研究細胞膜的結(jié)構(gòu)？〔提示學生,引導他們明白限于當時的技術條件,還不能親眼看到生物膜,無法想像它的結(jié)構(gòu)是什么樣的,通過什么方法進行第一步的探究呢？引導學生看教材后明白當時科學家是從生理功能入手來探究的,通過實驗觀察,科學家才有嚴謹?shù)耐评?提出膜是由脂質(zhì)組成這一假說,提示學生作出科學探究過程中作出假設后的步驟是什么〔通過實驗來驗證假設〕,從而進入下面的學習。

學生：可以從現(xiàn)象入手,去進行推測。

教師：這就是生物學研究上常用的一種科學方法——假說法。這也是我們今天探究生物膜的結(jié)構(gòu)的一個重要的方法,下面,就讓我們沿著科學家的足跡,和科學家一起來研究這個問題。

問題〔1〕：探究細胞膜的組成成分是什么？

展示材料①：歐文頓的實驗及其相關的圖片

時間：19世紀末

1895年

人物：歐文頓〔E.Overton〕

實驗：用500多種化學物質(zhì)對植物細胞的通透性進行過上萬次的實驗,發(fā)現(xiàn)細胞膜對不同物質(zhì)的通透性是不一樣的：凡可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì),比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過細胞膜進入細胞。

教師：根據(jù)實驗,你能提出什么假說？

學生：提出假說：膜是由脂質(zhì)構(gòu)成的。

教師：在得出結(jié)論之后,還有沒有必要對膜的成分進行提取、別離和鑒定呢？

學生：有必要,通過鑒定能更準確地說明問題。

教師：那為什么一開始不直接對膜的成分進行提取、別離和鑒定呢？

學生：當時的技術不能實現(xiàn)。

教師：這說明什么問題呢？

學生：這說明技術對科學研究的重要作用。

教師：直至20世紀初,科學家才能第一次將細胞膜從哺乳動物紅細胞中別離出來,化學分析說明,膜的主要成分確實是磷脂和蛋白質(zhì)。從而以實驗說明了歐文頓的假說是成立的。也就是說假說是在實驗與觀察的根底上提出來的,同時又需要更進一步的實驗來證明。

問題〔2〕：探究這些物質(zhì)是如何組成膜的？

出示資料②：1917年歐文·朗繆爾將提取的膜質(zhì)鋪展在水盤的水面上,發(fā)現(xiàn)脂在水面上形成一薄層,單脂層親水的頭朝向水面,疏水的尾背離水面。于是他提出：磷脂分子是一種由甘油、脂肪酸和磷酸所組成的分子,結(jié)構(gòu)既有疏水基團〔尾部〕,又有親水基團〔頭部〕。因為磷脂分子的“頭部〞親水,所以在水—空氣界面上磷脂分子是“頭部〞向下與水面接觸,尾部那么朝向空氣一面。這樣磷脂分子可以在空氣和水的界面上展開為一層。

教師：大家分組討論,利用手中的磷脂分子模型擺出下面兩種情況下磷脂的分布情況①在空氣-水界面上②完全浸沒在水中

學生：小組代表上黑板演示

展示材料③：戈特和格倫德對血影的研究

時間：1925年

人物：荷蘭科學家Gorter和Grendel

實驗：兩位科學別離純化了紅細胞,從一定數(shù)量的紅細胞中抽提脂類,按Langmuir的方法進行展層,并比擬展層后的脂單層的面積和根據(jù)體積所推算的總面積,發(fā)現(xiàn)提取的脂鋪展后所測的面積同實際測量的紅細胞的外表積之比為〔1.8～2.2〕∶1,約為兩倍。

教師：假設你是當時的科學家,當你做實驗時發(fā)現(xiàn)單分子的磷脂分子正好是紅細胞的兩倍時,大膽地展開你的想象力,你能做出什么假說？

學生：細胞膜中的磷脂是兩層的。

教師：那這兩層磷脂分子在細胞中又是怎樣排布的呢？再分小組討論、利用你手中的模型擺出來吧。

學生：分組討論,共可有六種排布方式,并提出細胞膜應兩面都處于水環(huán)境中,所以討論得到正確的排布方式。

問題〔3〕：那蛋白質(zhì)和磷脂的位置關系又是如何的呢？

展示材料④：羅伯特森的單位膜模型

時間：1959年

人物：J.D.Robertson羅伯特森

實驗：用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片,顯示暗—明—暗三層結(jié)構(gòu),厚約7.5nm,它由厚約3.5nm的雙層脂質(zhì)分子和內(nèi)外外表各為厚約2nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。

提出假說：連續(xù)的脂質(zhì)雙分子層組成膜的主體,磷脂的非極性端朝向膜內(nèi)側(cè),極性端朝向膜外兩側(cè),蛋白質(zhì)以單層肽鏈的厚度,通過靜電作用與磷脂極性端相結(jié)合,從而形成蛋白質(zhì)—磷脂—蛋白質(zhì)的三層結(jié)構(gòu),稱之為單位膜。他提出真核細胞與原核細胞具有相同的膜結(jié)構(gòu)。單位膜模型的主要缺乏在于：把生物膜的結(jié)構(gòu)描述成靜止的、不變的,這顯然與膜功能的多樣性相矛盾。

單位膜結(jié)構(gòu)模型繼承了前人的有關結(jié)論,又成功地利用了先進的電子顯微鏡的觀察結(jié)果作為證據(jù)。但是他將生物膜描述為靜態(tài)的剛性的結(jié)構(gòu),這一點很快又被新的技術手段下的實驗所否認。

問題〔4〕：有什么證據(jù)證明細胞膜中的物質(zhì)不是靜態(tài)的呢？

教師放映變形蟲的變形運動、白細胞吞噬病原體、細胞分裂的動畫,讓學生從感性上認識膜不是剛性結(jié)構(gòu)。展示材料⑤：熒光標記小鼠細胞和人細胞融合實驗

時間：1970年

人物：LarryFrye等

實驗：將人和鼠的細胞膜用不同熒光抗體標記后,讓兩種細胞融合,雜種細胞一半發(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。

教師：很好,在繼承前人的結(jié)論根底上,結(jié)合新的觀察和實驗證據(jù),又有科學家提出一些關于生物膜的分子結(jié)構(gòu)模型。其中1972年桑格〔S.J.Singer〕和尼克森〔G.Nicolson〕提出的流動鑲嵌模型為大多數(shù)人所接受。

設計意圖：學習流動鑲嵌模型的創(chuàng)立過程和內(nèi)容。環(huán)節(jié)2教師：好,學到這里,縱觀整個人們對建立生物膜模型的探索過程,我們有些話題想讓大家思考討論。生物膜的流動鑲嵌模型是不是就完美無缺了呢？請說說你的看法。

學生：生物膜的流動鑲嵌模型不可能完美無缺。人類對自然界的認識永無止境,隨著實驗技術的不斷創(chuàng)新和改良,對膜的研究將更加細致入微,對膜結(jié)構(gòu)的進一步認識將能更完善地解釋細胞膜的各種功能,不斷完善和開展流動鑲嵌模型。

確實,流動鑲嵌模型是目前人們普遍認同的,但它無法完美地答復生物膜的所有功能。所以后來不斷提出一些新的模型,如Wallach于1975年提出晶格鑲嵌模型；Jain和White于1977年提出板塊鑲嵌模型等,迄今為止,已提出的生物膜結(jié)構(gòu)模型達幾十種之多,生物膜的結(jié)構(gòu)模型雖然有很多種,但被廣泛接受的結(jié)構(gòu)模型根本內(nèi)容是趨向一致的。其要點和特點根本相同,主要包括膜的分子組成和結(jié)構(gòu)特征。

教師：縱觀整個人們對建立生物膜模型的探索過程,你能談談實驗技術的進步起到怎樣的作用？

學生：在建立生物膜模型的過程中,實驗技術的進步起到了關鍵性的推動作用。如血影的制取和化學成分的鑒定技術使人們認識膜的化學組成；電子顯微鏡的誕生使人們終于看到了膜的存在；冰凍蝕刻技術和掃描電子顯微鏡技術使人們認識到膜的內(nèi)外兩側(cè)并不對稱；熒光標記小鼠細胞與人細胞的融合實驗又證明了膜的流動性等。沒有這些技術的支持,人類的認識便不能開展。

教師：分析生物膜模型的建立過程中,結(jié)構(gòu)與功能相適應是如何得到表達的？

學生：在建立生物膜模型的過程中,結(jié)構(gòu)與功能相適應的觀點始終引導人們不斷實踐、認識,再實踐、再認識；使人類一步步接近生物膜結(jié)構(gòu)的真相。例如,不同生物膜的功能是有差異的。在生命系統(tǒng)中,一般來說,功能的不同常伴隨著結(jié)構(gòu)的差異,而早期的生物膜模型假定所有的生物膜都是相同的,這顯然與不同部位的生物膜功能不完全相同是矛盾的。還有,不同膜的厚度也不完全一樣。由此促進學者們重新研究脂質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用的問題。一些學者使用了更加先進的技術,運用紅外光譜等技術證明,膜蛋白主要為球形結(jié)構(gòu)。冰凍蝕刻電鏡技術又證明,脂雙層中分布有蛋白質(zhì)顆粒,這樣又開展了生物膜模型。生物膜中存在不同種類的蛋白質(zhì),以及蛋白質(zhì)在生物膜中的不同分布情況,恰能較好地解釋不同結(jié)構(gòu)的生物膜具有不同的生理功能。

教師：分析生物膜模型的建立過程,你受到什么啟示？

學生：科學研究是要在實驗和觀察的根底上,通過嚴謹?shù)耐评砗痛竽懙南胂?提出假說,再通過實驗進一步地驗證假說。

學生：科學研究依賴于技術的進步,技術進步了,可以得到更多新的實驗數(shù)據(jù)。

學生：科學發(fā)現(xiàn)的過程是一個長期的過程,涉及到許多科學家的辛勤工作。

學生：科學發(fā)現(xiàn)的過程不是一帆風順的,往往是在繼承的根底上不斷驗證、修正和完善開展的。

學生：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,需要不斷完善。

教師：那流動鑲嵌模型的具體內(nèi)容是如何的呢？

〔1〕磷脂雙分子層是生物膜的根本支架。其中磷脂分子的親水性頭部朝向兩側(cè),疏水性的尾部相對朝向內(nèi)側(cè)。

〔2〕蛋白質(zhì)分子有的鑲嵌在磷脂雙分子層外表,有的局部或全部嵌入磷脂雙分子層中