初中生物专题：细胞膜和细胞器

25高考要求要求层次具体要求ⅠⅡ√细胞膜的结构和功能√细胞器的结构和功能√生物膜系统√实验：用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体成分结构：流动镶嵌模型细胞膜将细胞与外界环境隔开功能进行细胞间的信息交流控制物质进出细胞成分细胞质基质状态线粒体功能叶绿体核糖体细胞质各种细胞器的结构和功能内质网高尔基体中心体细胞器液泡溶酶体分离各种细胞器的方法：差速离心法实验：用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体实例：分泌蛋白的合成和运输过程细胞器之间的协调配合组成生物膜系统功能除了病毒、类病毒等是非细胞的生命体以外，其它生命有机体的结构和功能单位都是细胞。细菌、知识网络新课标剖析知识点睛第2讲细胞膜和细胞器26酵母等微生物是以单细胞的形式存在，而高等动、植物则是由多细胞构成的，如人大约有3×1013个细胞，这些细胞组成不同的组织和器官。1665年，英国的物理学家罗伯特·胡克用自己设计并制造的显微镜观察栎树软木塞切片时发现其中有许多小室，状如蜂窝，称为“cella”，这是人类第一次发现细胞，不过，胡克发现的只是死的细胞壁。胡克的发现对细胞学说的建立和发展具有开创性的意义，其后，生物学家就用“cell”一词来描述生物体的基本结构。1674年，荷兰布商列文·虎克为了检查布的质量，亲自磨制透镜，装配了高倍显微镜(300倍左右)，并观察到了血细胞、池塘水滴中的原生动物、人类和哺乳类动物的精子，这是人类第一次观察到完整的活细胞。列文虎克把他的观察结果写信报告给了英国皇家学会，得到英国皇家学会的充分肯定，并很快成为世界知名人士。1838年，德国植物学家施莱登提出：尽管植物的不同组织在结构上有着很大的差异，但是植物是由细胞构成的，植物的胚是由单个细胞产生的。1839年，德国动物学家施旺提出了细胞学说的两条最重要的基本原理：①地球上的一切动植物都是由细胞构成的；②所有的活细胞在结构上都是类似的。1855年，德国医生和病理学家魏尔肖补充了细胞学说的第三条原理：所有的细胞都是来自于已有细胞的分裂，即细胞来自于细胞。细胞学说的创立大大推进了人类对生命界的认识，有力地促进了生命科学的进步。恩格斯对细胞学说给予极高的评价，把它与进化论和能量守恒定律并列为19世纪的三大发明。一、细胞膜（一）细胞膜的成分和结构1.对细胞膜成分和结构的探索历程年代、科学家实验及结论19世纪90年代欧文顿实验：用500多种物质对植物细胞进行上万次的通透性实验，发现凡是可以溶于脂质的物质，比不能溶于脂质的物质更容易通过细胞膜进入细胞。推测：膜是由脂质组成的。他还进一步推测，细胞膜中很可能有磷脂和胆固醇的存在，这种推测后来被证明是完全正确的。20世纪初科学家将膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，化学分析表明，膜的主要成分是脂质和蛋白质。1925年荷兰科学家实验：用丙酮从人的红细胞提取脂质，在空气-水界面上铺展成单层分子，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。推测：细胞膜中脂质分子排列为连续的两层。1959年罗伯特森实验：在电子显微镜下发现细胞膜显示暗-亮-暗的三层，总厚度为7.5nm，中间层为3.5nm，内外两层各为2nm。推测：暗层是蛋白质，透明层是脂，提出生物膜的模型：27蛋白质-脂质-蛋白质三层结构。他把生物膜描述为静态统一结构。1970年实验：人鼠细胞融合实验。结论：细胞膜具有流动性。1972年桑格和尼克森在新的观察和实验证据的基础上，提出生物膜的流动镶嵌模型，其基本内容是：①磷脂双分子层构成膜的基本支架，具有流动性；②蛋白质分子有的镶嵌在膜表面，有的部分或全部嵌入膜中，有的横跨膜。大多数蛋白质分子可以运动。282.细胞膜的成分和结构脂质（约占50%，其中磷脂最丰富）磷脂双分子层（基本支架）成分蛋白质（约占40%）镶嵌、嵌入或横跨膜结构糖类（约占2%~10%）糖被（膜外侧）细胞膜的结构特点：具有一定的流动性。原因：细胞膜中的磷脂分子和大多数蛋白质分子可以运动。实例：变形虫的变形运动、细胞融合、白细胞吞噬细菌等。（二）细胞膜的功能1.将细胞与外界环境隔开对于原始生命，膜的出现起到至关重要的作用，它将生命物质与非生命物质分隔开，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；细胞膜是单细胞生物与外界环境的分界面。2.控制物质进出细胞细胞膜的功能特性是具有选择透过性（物质出入细胞的方式详见第3讲）。3.进行细胞间的信息交流细胞间信息交流的三种主要方式（如图）：①细胞分泌的化学物质（如激素），随血液到达全身各处，与靶细胞的细胞膜表面的受体结合，将信息传递给靶细胞。②相邻两个细胞的细胞膜接触，信息从一个细胞传递给另一个细胞。例如，精子和卵细胞之间的识别和结合。③相邻两个细胞之间形成通道，携带信息的物质通过通道进入另一细胞。例如，高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，也有信息交流的作用。结合蛋白质29二、细胞质细胞质：细胞膜以内，细胞核以外的部分。包括细胞质基质和细胞器。（一）细胞质基质（也称细胞溶胶、胞质溶胶）成分：水、无机盐、脂质、糖类、氨基酸、核苷酸、多种酶等。状态：用光学显微镜观察，为均匀透明的胶状物质；处于不断流动的状态。功能：活细胞新陈代谢的主要场所，为新陈代谢的进行提供物质和环境条件。（二）细胞器1.线粒体形态：大多数呈椭球形。外膜结构内膜：某些部位向内腔折叠形成嵴，使内膜的表面积大大增加；附着有氧呼吸有关的酶。基质：液态，含与有氧呼吸有关的酶及少量DNA、RNA，含有核糖体。功能：细胞有氧呼吸的主要场所。线粒体是1850年发现的，1898年命名。线粒体是细胞内形成ATP的主要场所，有细胞“动力工厂”之称。另外，线粒体有自身的DNA和遗传体系，但线粒体基因组的基因数量有限，因此，线粒体只是一种半自主性的细胞器。线粒体在形态，染色反应、化学组成、物理性质、活动状态、遗传体系等方面，都很像细菌，所以人们推测线粒体起源于内共生。按照这种观点，需氧细菌被原始真核细胞吞噬以后，有可能在长期互利共生中演化形成了现在的线粒体。在进化过程中好氧细菌逐步丧失了独立性，并将大量遗传信息转移到了宿主细胞中，形成了线粒体的半自主性。2.叶绿体形态：一般呈扁平的椭球形或球形。外膜内膜结构基粒：含与光合作用有关的色素和酶。基质：含与光合作用有关的酶、少量DNA、RNA，含有核糖体。功能：光合作用的场所。30叶绿体是植物的“养料制造车间”和“能量转换站”。和线粒体一样，叶绿体也是一种半自主性的细胞器。只能合成自身需要的部分蛋白质，其余的是在细胞质游离的核糖体上合成的，必需运送到叶绿体，才能发挥叶绿体应有的功能。由于叶绿体在形态、结构、化学组成、遗传体系等方面与蓝细菌相似，人们推测叶绿体可能也起源于内共生的方式，是寄生在细胞内的蓝藻演化而来的。3.核糖体形态：椭球形粒状小体。类型：固着核糖体和游离核糖体。化学组成：核糖体的大小两个亚基都由RNA和蛋白质组成。功能：合成蛋白质的场所。4.内质网形态结构：单层膜连接而成的网状结构。类型：粗面内质网和滑面内质网。功能：与蛋白质加工、运输有关；与脂质、糖类合成有关；增大膜面积，附着很多酶，为生化反应创造有利条件。在真核细胞中，内质网是最大的膜状结构的细胞器，大部分的内质网与核糖体相结合形成粗面内质网。光面内质网也具有很多重要的功能，如类固醇激素的合成、肝细胞的脱毒作用、糖原分解释放葡萄糖、肌肉收缩的调节等。5.高尔基体形态结构：单层膜围成的结构，有扁平囊和大小囊。功能：对来自内质网的蛋白质进行加工、分类和包装。在动物细胞中与分泌物的形成有关；在植物细胞中与细胞壁的形成有关。316.中心体结构：由两个互相垂直排列的中心粒及周围物质组成。功能：与细胞有丝分裂有关。7.液泡液泡膜细胞液：含水、无机盐、色素、有机酸、糖类、蛋白质等。功能：调节细胞内渗透压，保持细胞坚挺。8.溶酶体结构：单层膜，含多种酶。功能：分解衰老、损伤的细胞器；杀死侵入细胞的病毒、细菌等。初级溶酶体：此类溶酶体是刚刚从反面高尔基体形成的小囊泡，仅含有水解酶类，但无作用底物，外面只有一层膜，其中的酶处于非活性状态。次级溶酶体：此类溶酶体中含有水解酶和相应的底物，是一种将要或正在进行消化作用的溶酶体。根据所消化的物质来源不同，分为自噬性溶酶体、异噬性溶酶体。自噬性溶酶体：是一种自体吞噬泡，作用底物是内源性的，即细胞内的异变、破损的某些细胞器或局部细胞质。这种溶酶体广泛存在于正常的细胞内，在细胞内起“清道夫”的作用。异噬性溶酶体：又称异体吞噬泡，它的作用底物是外源性的,即细胞经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质。异噬性溶酶体实际上是初级溶酶体同内吞泡融合后形成的。结构32动物细胞和植物细胞亚显微结构模式图动物细胞和植物细胞结构比较：细胞种类细胞壁液泡叶绿体中心体动物细胞无无无有植物细胞有成熟的植物细胞有植物绿色部位细胞有低等植物细胞有分离各种细胞器的方法：差速离心法将细胞膜破坏后，形成由各种细胞器和细胞中其他物质组成的匀浆；将匀浆放入离心管中，用高速离心机在不同的转速下进行离心，利用不同的离心速度所产生的不同离心力，就能将各种细胞器分离开。（三）细胞骨架33在20世纪初，细胞被看成是由悬浮在胞质溶胶中的各种独立的细胞器的集合体。随着电子显微镜和各种染色技术的发展，揭示细胞除了含有各种细胞器外，在细胞质中还有一个三维的网络结构系统，这个系统被称为细胞骨架。细胞骨架是细胞内以蛋白质纤维为主要成分的网络结构，由主要的3类蛋白质纤丝构成，包括微管、微丝、中间纤维。各种纤丝都是由上千个亚基装配成不分支的线性结构，有时交叉贯穿在整个细胞之中。微管主要分布在核周围，并呈放射状向胞质四周扩散；微丝主要分布在细胞质膜的内侧；而中间纤维则分布在整个细胞中。虽然各种蛋白质纤维在细胞内具有相应的位置，但不是绝对的。细胞骨架对于维持细胞的形态结构、承受外力、保持内部结构的有序性以及在细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递和细胞分裂等一系列方面起重要作用。如：在细胞分裂中细胞骨架牵引染色体分离，在细胞物质运输中，各类小泡和细胞器可沿着细胞骨架定向转运；在肌肉细胞中，细胞骨架和它的结合蛋白组成动力系统；在白细胞(白血球)的迁移、精子的游动、神经细胞轴突和树突的伸展等方面都与细胞骨架有关。另外，在植物细胞中细胞骨架指导细胞壁的合成。由于细胞骨架的存在，它不仅维持了细胞的三维空间结构，而且，将胞质溶胶划分成不同的区域，一些细胞器黏附在细胞骨架上，这样避免不同反应体系间的相互干扰。三、细胞器之间的协调配合（一）实例：分泌蛋白（如消化酶、抗体、部分激素等）的合成和运输过程核糖体合成肽链直接进入内质网加工成一定空间结构的蛋白质出芽形成囊泡线粒体提供能量高尔基体进一步修饰加工出芽形成囊泡细胞膜分泌到细胞外（二）研究方法：同位素标记法34蛋白质的运输尽管比较复杂，但是可以用一个比较简单的模式来解释。每个需要运输的多肽都含有一段氨基酸序列，称为信号肽序列，引导多肽到不同的转运系统。信号肽开始从核糖体的大亚基上露出，露出的信号肽立即被细胞质中的信号肽识别体（SRP）识别并与之相结合。此时，肽链合成暂时停止，SRP牵引这条带核糖体的mRNA到达粗面内质网的表面，并与粗面内质网表面上的信号肽识别体受体（或称停泊蛋白）作用，这时，暂时被抑制的肽链合成过程恢复进行，同时，内质网膜上某种特定的核糖体受体蛋白聚集，使膜双脂层产生孔道，带mRNA的核糖体与其受体蛋白结合，合成出的肽链便通过孔道进入内质网腔内。信号肽在穿越膜后即被内质网腔内的信号肽酶水解切除。当核糖体与其受体蛋白结合后，SRP与停泊蛋白便解离，各自进入新的识别、结合循环。当肽链合成进行到mRNA的终止密码子时，合成结束，核糖体的大小亚基解聚，大亚基与核糖体受体的相互作用消失，核糖体受体解聚，内质网膜上的蛋白孔道消失，内质网恢复成完整的脂双层结构。进入内质网腔内的多肽链在信号肽被水解切除后即进行折叠及其他一系列修饰过程，最终形成成熟的分泌蛋白。在糙面内质网上的核糖体是膜蛋白和分泌蛋白合成的地方，也是蛋白质分泌途径的起点。多肽经移位后，在内质网的小腔中被修饰，通过短时间的加工后，分泌蛋白形成被膜包裹的小泡，转运到高