细胞与细胞工程

教学目标

1．知识方面

（1）明确生物膜的化学组成和基本结构。

（2）理解细胞的生物膜系统的概念和作用。

（3）理解细胞的生物膜系统是一个在结构和功能上都是紧密联系的统一整体。

（4）了解生物膜的研究成果及研究意义。

2．态度观念方面

（1）通过细胞内各种生物膜在结构和功能上联系的学习，进一步明确结构与功能相统一的观点以及事物之间存在普遍联系的观点。

（2）通过生物膜的研究成果的介绍，充分调动学生学习生物学知识的兴趣，激励他们对生命科学知识要有不断探索的精神，同时渗透STS思想。

3．能力方面

（1）利用课本插图、教学挂图和课件，培养和发展学生的读图能力。

（2）通过资料的阅读和设计的问题的引导，培养学生分析和理解问题的能力，进而发展综合的能力。

（3）通过显微放射自显影方法的介绍，渗透科研方法，培养学生的科研意识。

重点、难点分析

重点

1．各种生物膜在结构和功能上的联系；

2．细胞的生物膜系统的重要作用。

细胞内的各种生物膜在结构上有一定的联系，同时，结构又决定功能，各种生物膜在功能上分工、协作，才能保证细胞的生命活动高效、有序地进行。因此必须明确各种生物膜在结构上有哪些联系，在功能上又是如何分工协作的，才能深入理解细胞是生物体结构和功能的基本单位。

以细胞的生物膜系统的重要作用作为重点内容，主要是以此为切入点，复习巩固已学过的知识，使学生进一步理解生物膜系统的概念，形成一定的知识体系。

难点

名种生物膜在功能上的联系。

本专题涉及的知识点较多，而且是一个微观动态过程，较抽象，学生较难理解，因此作为本节的难点。

教学模式   引导──发展式。

教学手段  细胞亚显微结构挂图、实物投影仪、课件。

课时安排  二课时。

设计思路

本节内容是对高中生物必修课本中“生命的基本单位──细胞”一章内容的扩展和补充，学生有一定的知识基础，因此教学过程中采用以旧带新的方法；让学生积极主动参与到学习中来，发挥他们的主体作用，可以收到事半功借的效果。教师通过设计的问题控制教学进程，引导学生发现新的知识。

关于豚鼠胰脏腺泡细胞中分泌物的形成过程，可以制作成课件，动态演示分泌物的运输过程，适当补充一些资料并配以一定的问题，这样，可以帮助学生理解教材内容，使文字内容形象地保留在记忆中，从而降低了本知识点的难度。

教学过程

第一课时

一、创设情境，导入新课

1．大屏幕显示变形虫的去核实验

提问：每一步实验现象如何？该实验说明了什么？

学生分析讨论，得出结论：细胞只有保持完整性，才能够正常地完成各项生命活动。

教师总结：细胞是生物体结构和功能的基本单位，人们对许多生命现象的探索都要深入到细胞中寻求答案，使细胞生物学得到了迅猛的发展。

教师可利用大屏幕显示细胞生物学发展简史和细胞生物学总图的资料，进行简单介绍。

2．引入新课

细胞生物学作为生命科学的重要支柱之一，已广泛地渗透到生命科学的各个分支领域中。本章选择生物膜系统和细胞工程作为代表，简要介绍细胞生物学在理论研究和应用方面的重要进展。

二、师生互动，完成新知识的学习

1．挂图复习细胞的亚显微结构。（可设计如下问题）

具有单层膜的细胞结构有哪些？

具有双层膜的细胞结构有哪些？

细胞膜的化学成分是怎样的？结构如何？

教师引导：是不是所有膜的成分和结构都与细胞膜一样呢？

教师说明：细胞亚显微结构的膜化学组成相似，基本结构大致相同，统称为生物膜。

教师需指出的是：

（1）除了挂图中所标注的一些结构以外，溶酶体、圆球体、微体、胞饮泡、收缩泡、吞噬泡等均为具单层膜的结构。

（2）生物膜的化学组成是蛋白质、脂类和糖类。

由于必修课已给学生留下了细胞膜是由磷脂、蛋白质和糖类组成的印象，学生往往误认为生物膜的化学成分中的脂类专指磷脂，这样就忽略了另外一种成分──胆固醇（有的还含糖脂），实际上组成脂双层的脂类成分随不同生物而不同。细菌、蓝藻等原核细胞和植物细胞中一般没有胆固醇，在动物细胞中，胆固醇在脂双层中所占的比例较大，特别是在哺乳动物细胞中，它可和磷脂分子一样多。

2．各种生物膜在结构上的联系

教师引导：生物膜的厚度一般为7 nm～8 nm，真核细胞的生物膜约占细胞干重的70％～80％，最多的是内质网膜，因此内质网在各种膜结构的联系中处于中心地位。

学生观察教学挂图和课本插图，分析出各种生物膜在结构上有哪些联系。

需给学生指出的是：液泡、叶绿体的膜与其他有膜结构也有一定的联系。

教师提问：内质网既可以与核膜、线粒体、细胞膜直接相连，还可以借助于小泡与高尔基体间接相连，其物质基础是什么？（学生思考并回答）

教师引导：既然它们之间有着直接或间接的联系，它们之间能否相互转化呢？

大屏幕显示资料

Grimstone曾观察到：饥饿的原生动物逐渐停止形成高尔基体，同时粗面内质网也减少或几乎完全消失，由于这些细胞于实验期间还继续形成分泌小泡，所以每一个高尔基体的囊的数目减少了，但当给动物重新喂食后，形成了新的粗面内质网，同时产生新的高尔基体，囊的功能也恢复了。

教师提问：该实验说明了什么问题？（学生思考并回答）

结论：细胞内的生物膜在结构上具有一定的连续性。

第二课时

 

一、复习提问

大屏幕显示：

1.什么叫做生物膜？

2.生物膜的结构特性和功能特性是什么？

3.如何证明细胞内的生物膜在结构上具有一定的连续性？

导入新课：各种生物膜不仅在结构上有一定的联系，而且在功能上也有一定的联系。

二、新课学习

1．知识的铺垫：

（1）蛋白质的合成场所是什么？

（2）核糖体有哪几种存在形式？

教师引导：这两种类型的核糖体所合成的蛋白质有何不同呢？

大屏幕显示资料：

蚕的丝腺细胞在5龄的初期主要是细胞本身增大，这时细胞质中的核糖体多为游离型的，而内质网很贫乏。但到5龄的后半期，腺细胞开始大量合成和分泌丝心蛋白时，则核糖体都与内质网结合，形成发达的粗面内质网。

提问：通过上述事实你可得出什么结论？（学生思考并回答）

教师总结：丝心蛋白是在附着于内质网上的核糖体上合成的，它是一种分泌蛋白。

大屏幕显示：

科学家在研究分泌蛋白的合成和分泌时，发现了各种生物膜在功能上有一定的联系。

2．证明各种生物膜在功能上有一定的联系的实验介绍。

（1）大屏幕显示资料：简介显微放射自显影法。

利用所研究物体中的放射性物质（示踪物质）放出的射线对照相底片或乳胶的作用，从而得知在所研究物体中预测成分的分布。这种方法称放射性自显影法。应用于细胞学或组织学则称显微放射自显影法。

这种方法的基本过程是，先使细胞吸收含有示踪原子的化合物，然后把这种组织细胞制成切片，是液体乳胶涂于其上，经过一定时间的曝光（即放射性物质放出的射线落在乳胶上使其溴化银还原而析出金属银，这个过程成为自显过程，亦称曝光），再进行显影和定影手续。根据乳胶上出现的银粒在细胞中的位置，便可判断放射性物质（或由这种放射性以及其他物质合成的化合物）在细胞内的分布。

（2）教师说明：豚鼠胰脏腺泡细胞分泌物形成过程的研究即采用了此方法。

首先给动物注射氚(³ H)标记的亮氨酸，进行3 min的脉冲标记，然后制作电镜的显微放射自显影标本。

课件显示观察结果是：被标记的氨基酸出现在附着有核糖体的内质网中。

教师提问：被标记的氨基酸出现在附着有核糖体的内质网中说明了什么？（学生思考并回答）。

课件继续显示：脉冲标记后17 min和117 min后的情况。学生仔细观察并回答下列问题。

①17 min和117 min后被标记的氨基酸相继出现在哪些部位？

②与此分泌物的合成和分泌有关的结构有哪些？

③这些分泌物的运输方向是怎样的？

④这些分泌物通过哪种方式被运输到细胞外？

课件连续显示豚鼠胰脏腺泡细胞分泌物形成过程，教师引导学生总结分泌蛋白的合成与分泌的过程。

核糖体—→内质网—→高尔基体—→细胞膜—→细胞外

设问：①在核糖体上合成的分泌蛋白，为什么要经过内质网和高尔基体，而不是直接运输到细胞膜呢？

②内质网和高尔基体与蛋白质的形成有何关系呢？

教师引导学生思考并复习内质网和高尔基体的功能。

教师讲解：在核糖体上翻译出的蛋白质，进入内质网后，还要经过一些加工，如折叠、组装、加上一些糖基团等，才能成为比较成熟的蛋白质。然后，由内质网腔膨大、出芽形成具膜的小泡，包裹着蛋白质转移到高尔基体，把蛋白质输送到高尔基体腔内，做进一步的加工。接着，高尔基体边缘突起形成小泡，把蛋白质包裹在小泡里，运输到细胞膜，小泡与细胞膜融合，把蛋白质释放到细胞外。在分泌蛋白的合成、加工和运输的过程中，需要大量的能量。

小结：综上所述，细胞内的各种生物膜不仅在结构上有一定的联系，在功能上也是既有明确的分工，又有紧密的联系。各种生物膜相互配合，协同工作，才使得细胞这台高度精密的生命机器能够继续、高效地运转，它们所形成的结构体系，叫做细胞的生物膜系统。（引出下一个专题）

3．生物膜系统的重要作用

（1）学生根据已有的各种生物膜的基础知识，加以讨论、分析，试述生物膜的重要作用。

（2）学生阅读课本，总结生物膜系统的重要作用。

（3）教师设计问题，温故知新，加深学生对知识的理解。

细胞膜使细胞所具有的内环境与人体的内环境有何区别？

细胞膜在控制物质进出细胞时是如何发挥作用的？

列举实例说明在生物膜上发生的重要的化学反应。

教师介绍：20世纪70年代以来，由于各种新的物理、化学的技术和方法的使用，使得生物膜的研究已深入到分子水平，并且取得了突飞猛进的发展，成为分子细胞生物学研究中的前沿领域之一。（引出下一个专题）

4．研究生物膜的重要意义

（1）大屏幕显示资料：生物膜与膜生物工程国家重点实验室的介绍。

生物膜与膜生物工程国家重点实验室是由中国科学院与我国著名的北京大学、清华大学有关实验室组成的联合实验室之一，它是在中国科学院动物研究所、北京大学生物系、清华大学生物科学与技术系有关从事生物膜及工程的实验室基础上于1988年创建的，1990年建成，向国内外开放。

中国科学院动物研究所膜生物化学分实验室

清华大学膜生物物理分实验室

北京大学兴奋膜电生理分实验室

主要研究方向：在近代生物学与近代物理学及有关工程学科相互结合的基础上，探讨生物膜的能量转换、信息识别与传递和物质转移等基本生命现象的分子机理及其结构基础；揭示这些与生物膜密切相关的基本生命过程的内在联系。一方面，为发展膜分子生物学和解决生物学、医学及农学中的重大理论问题服务，如肿瘤和其他主要疾病的防治，神经和免疫功能的调节，发育和遗传的控制等；另一方面，通过生物膜的人工模拟研究，当前着重运用人工膜生物技术作为药物和遗传物质的定向导运系统，为解决医学临床和动、植物和微生物遗传工程等方面的重大实际问题服务。从较长远的发展方向上看，膜生物工程将包括在阐明生物膜的换能机理、选择透性、信息感受、识别和传递等工作原理的基础上结合其他工程技术发展“生物换能器”、“生物分离浓缩器”、“生物传感器”、“生物电子计算机”及“生物光计算机”等新兴技术领域，更广泛地为国民经济和国防建设服务。

主要研究成果：

①研究了线粒体氧自由基的生成、转移和靶向的作用机制，提出活性氧理论。

②研究了Mf细胞膜上离子通道活动的变化与GM一CSF激活过程的关系以及Mf与NK细胞对同种和异种抗原的识别作用。

③研制出对癌细胞恶性增殖有较强抑制活性的药物和有明显降糖效果的口服脂质体新剂型。

④蛋白质构象变化及基因导入的研究。用表面园二色谱法以及FTIR—ATR（全内反射傅利叶红外谱）和固体荧光谱法测定了蛋白质与生物医用材料表面作用后蛋白质构象的变化；在国内率先建立了磁园二色谱（MCD）技术，在蛋白质二维晶体组装的基础研究和突触形成过程中突触前后膜相互作用的研究中，都取得了许多重要的成果。研制并开展了一系列导入外源基因的新方法，用超声波法在植物完整细胞及组织块中实现外源基因的转移。

⑤细胞膜离子通道特性的研究。人工合成的22肽在肌细胞膜上组装成具有离子选择性的通道，分离纯化了具有生物活性的抗吗啡肽和芋螺毒素，在离子通道水平上研究其作用机理；阐明心肌细胞早后去极化的发生机制、电生理学特性及各种抑制因素。

（2）介绍科学技术在攻克人类疾病、提高粮食产量、改善作物品质等方面的例子。（课前可以给学生布置作业，通过网络、报纸、杂志等渠道收集相关资料，经筛选后，课上交流）

（3）归纳研究生物膜的重要意义。

结束语：生物膜与膜生物工程是现代生物科学的重大方向之一，它将近代生物学与近代物理学及有关工程学科互相结合起来，对阐明生物能量转换、信息识别、传递和物质转移等诸多生命现象具有重大意义，同时在生物学、医学及农学中具有实际应用的前景。随着科学技术的不断发展，可以更广泛地为国民经济和国防建设服务。

重点提示

1．在教学过程中注意与高中必修教材相关内容的衔接，使学生明确知识的整体性。

教师可以通过设计的问题，创设问题情境，引导学生思考，在激活学生原有知识的基础上，进一步发现新的知识。

2．注意区别生物膜和生物膜系统这两个概念。

3．适当补充一些资料，使学生知道相关知识发展的新动向，了解一些科研的方法，并且有利于培养学生的阅读和分析能力。