高中生物《细胞膜的结构和功能》课堂讲稿

高中生物《细胞膜的结构和功能》课堂讲稿

（适用于高一生物必修一第3章第1节）

一、导入新课：从抗癌药物说起

同学们，大家看屏幕上这张图片。这是脂质体的结构示意图。脂质体是一种人工制备的、由磷脂双分子层构成的微小囊泡。它的内部可以包裹药物分子，表面可以修饰抗体或靶向分子。

为什么科学家要造这种东西？因为癌症的治疗面临一个核心难题——如何把药物精准地送到癌细胞内部，而不伤害正常细胞？

脂质体的设计灵感，恰恰来自我们今天要学习的主题——细胞膜。脂质体之所以能作为药物载体，正是因为它模拟了细胞膜的基本结构。理解细胞膜的结构和功能，不仅是生物学的基础知识，更是现代医学和药物研发的基石。

同学们，到了大学，你们在药学院、医学院和材料学院的课程中，会深入学习脂质体、细胞膜仿生纳米颗粒等药物递送系统。2025年发表在国际期刊《Journal of Controlled Release》上的一项研究，就报道了一种仿生脂质体纳米微泡，通过黑色素瘤细胞膜涂层实现了对肿瘤的靶向递送，在超声刺激下可以精确控制药物和氧气的释放。这些前沿研究的理论根基，就是今天我们要学的细胞膜结构。

好，那我们今天就从头说起——细胞膜，到底长什么样？它有什么功能？科学家是怎么一步步搞清楚它的结构的？

二、细胞膜的功能

要认识一个结构，先从它的功能入手。细胞膜有哪些功能呢？教材第40页概括了三大功能。

（一）将细胞与外界环境分隔开

第一个功能，是将细胞与外界环境分隔开。

大家看屏幕上这张原始海洋的图片。生命起源于原始海洋这盆“热汤”。在这盆“热汤”中，膜的出现是生命起源过程中至关重要的阶段。细胞膜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。

做一个生活中的类比。大家看这个鸡蛋。敲开蛋壳，蛋清平铺在培养皿中，而卵黄却呈球状。这个球状结构之所以能维持，就是因为卵黄表面有一层卵黄膜，把卵黄与蛋清分隔开来。这层膜就相当于细胞膜。用玻璃棒轻轻触碰卵黄，卵黄不会破裂，这说明膜有一定的保护作用。但如果用针挑破这层膜，卵黄就会流出来。

再看这张图片——阿根廷和巴西的伊瓜苏瀑布边界。这是宏观世界中的“边界”。细胞膜就是细胞世界的“边界”。

那么，从“分隔”这个功能，我们自然要问：既然膜把细胞和外界隔开了，那细胞怎么和外界进行物质交换呢？这就引出了第二个功能。

（二）控制物质进出细胞

第二个功能，是控制物质进出细胞。

大家看这张苋菜的图片。新鲜的苋菜泡进凉水中，水一般不会变红。为什么？因为苋菜细胞的细胞膜具有选择透过性，色素分子不能自由通过细胞膜。但用沸水焯后，苋菜中却有红红的汤汁，为什么？因为高温杀死了细胞，细胞膜失去了选择透过性，色素就流出来了。

细胞膜的控制作用表现在四个方面：需要的营养物质可以进入；不需要的物质不容易进入；有用的成分不会轻易流失到细胞外；抗体、激素等物质可以分泌出去。但要注意，细胞膜的控制作用是相对的，病菌、病毒等也可能侵入。

细胞膜的功能特性是选择透过性。这个知识点在必修一第4章第2节会有详细展开。教材第64页会告诉大家：细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜，这种膜可以让水分子自由通过，一些离子和小分子也可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过。到了大学，你们在《细胞生物学》和《生理学》中会深入学习各种转运蛋白的结构与工作机制。

细胞膜不仅能控制物质进出，还能接收外界信号。这就引出了第三个功能。

（三）进行细胞间的信息交流

第三个功能，是进行细胞间的信息交流。教材第41页介绍了三种方式。

第一种是物质传递，通过化学物质传递信息。比如内分泌细胞分泌激素，激素随血液运输到靶细胞，与靶细胞膜上的受体结合，将信息传递给靶细胞。

第二种是接触传递，通过细胞膜直接接触传递信息。比如精子和卵细胞的识别和结合、免疫细胞之间的相互作用。

第三种是通道传递，通过胞间连丝传递信息。植物细胞之间有胞间连丝，相邻细胞的细胞质可以通过胞间连丝进行物质运输和信息交流。

这里要特别讲一下2018年诺贝尔生理学或医学奖。两位免疫学家詹姆斯·艾利森和本庶佑发现了负性免疫调节治疗癌症的疗法。简单来说，T细胞表面有PD-1受体，肿瘤细胞表面有PD-L1配体。当PD-1与PD-L1结合时，T细胞就会被“催眠”，不再攻击肿瘤细胞。科学家开发的PD-1抑制剂或PD-L1抑制剂，就是阻断这种结合，让T细胞重新“觉醒”去攻击肿瘤。这就是细胞膜接触传递在医学上的重大应用。

（四）植物细胞的边界是什么？

这里有一个常见易错点。植物细胞最外面是细胞壁，但植物细胞的边界是细胞膜而不是细胞壁，为什么？

因为细胞壁的成分是纤维素和果胶，具有全透性，并不能控制物质进出细胞。细胞壁起支持和保护的作用。所以真正的边界是细胞膜。

总结一句话：细胞膜的功能是由它的成分和结构决定的。

过渡：从功能到成分

好，我们了解了细胞膜的三大功能。现在问题来了：细胞膜为什么能完成这些功能？它的“物质基础”是什么？换句话说，它是由什么组成的？

要回答这个问题，我们需要回到一百多年前，看看科学家是怎么一步步探索出来的。这就是教材第42到43页的内容——对细胞膜成分的探索。

三、对细胞膜成分的探索

资料1：欧文顿的实验（1895年）

1895年，欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次实验。他发现一个规律：凡是脂溶性的物质，更容易通过细胞膜；凡是非脂溶性的物质，不容易通过。

基于这个现象，欧文顿做出了推测：细胞膜是由脂质组成的。

注意这里科学方法的要点：欧文顿的实验是“基于现象进行推理”。他没有直接提取细胞膜的成分，而是通过功能表现来反推成分。这种“提出假说”的能力，是科学思维的核心。

欧文顿的推测是否正确？这还需要直接的化学证据。二十世纪初，科学家做到了。

资料2：红细胞膜的化学分析（20世纪初）

到了20世纪初，科学家利用哺乳动物的红细胞制备出纯净的细胞膜，进行化学分析。化学分析表明，组成细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇，其中磷脂含量最多。

为什么选哺乳动物成熟的红细胞？因为它没有细胞核和众多细胞器，省去了去除其他膜结构的麻烦。

知道了膜里有磷脂，但磷脂是怎么排列的呢？下一个实验回答了这个问题。

资料3：戈特和格伦德尔的实验（1925年）

1925年，两位荷兰科学家戈特和格伦德尔做了一个很巧妙的实验。他们用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气—水界面上铺成单分子层。测得单层分子的面积恰好为红细胞表面积的2倍。

这个“2倍”意味着什么？意味着细胞膜中的磷脂分子必然排列为双层。因为在空气—水界面上，磷脂分子会自发地排成单层，亲水头部朝下接触水，疏水尾部朝上接触空气。如果提取出来的磷脂铺成单层后面积是细胞表面积的2倍，那么细胞膜中磷脂就是以双层形式存在的。

这个实验的逻辑非常严密：单层面积 ÷ 细胞表面积 = 2 → 磷脂双层。

到这里，我们知道膜里有脂质，脂质是双层的。但膜里只有脂质吗？

资料4：丹尼利和戴维森的实验（1935年）

1935年，英国学者丹尼利和戴维森研究了细胞膜的张力。他们发现细胞的表面张力明显低于油—水界面的表面张力。人们已经发现，油脂滴表面如果吸附有蛋白质成分，则表面张力会降低。

由此推测：细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质。

这四个实验，一步步揭示了细胞膜的成分。我们总结一下：

细胞膜的主要成分总结

综合以上实验，细胞膜的主要成分是：脂质（约50%）、蛋白质（约40%）、糖类（约2%—10%）。

脂质中磷脂含量最多，动物细胞膜中还含有胆固醇。蛋白质是生命活动的主要承担者，功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类和数量越多。糖类与蛋白质结合形成糖蛋白，与脂质结合形成糖脂，分布在细胞膜的外表面，具有保护、润滑和细胞识别的作用。

现在我们知道膜里有脂质、蛋白质和糖类。但这些成分是怎么排列的？它们是杂乱无章地混在一起，还是有规律地组织起来的？

要回答这个问题，我们需要进入下一个阶段——对细胞膜结构的探索。这就是教材第44到46页的内容。

四、对细胞膜结构的探索

资料5：罗伯特森的“三明治”模型（1959年）

1959年，罗伯特森在电镜下看到了细胞膜清晰的暗—亮—暗三层结构。他提出：生物膜是由“蛋白质—脂质—蛋白质”三层结构构成的静态统一结构。

但到了20世纪60年代以后，人们对这个模型提出了质疑。

不合理之处一：细胞膜的复杂功能将难以实现。细胞的生长、变形虫的变形运动、酵母菌的出芽生殖、细胞分裂——这些现象都说明膜不可能是静态的。

不合理之处二：测定细胞膜的厚度为7—8纳米，恰好是单层磷脂膜厚度的两倍。但如果按照“三明治”模型，加上两侧的蛋白质，膜的总厚度应当超过20纳米。测量结果不支持这个模型。

罗伯特森的模型虽然解释了“暗—亮—暗”的电镜图像，但它无法解释膜的动态功能。那么，蛋白质到底是怎么分布的？

资料6：冰冻蚀刻电子显微法

科学家用冰冻蚀刻电子显微法研究细胞膜结构。将标本用干冰或液氮冰冻后断开，升温后暴露断裂面，在电镜下观察。结果发现：蛋白质并不是平铺在脂质两侧的，而是镶嵌、贯穿、嵌入在磷脂双分子层中。

冰冻蚀刻技术让我们看到了蛋白质在膜中的真实分布状态。但还有一个问题：膜是静止的还是可以运动的？

资料7：细胞融合实验（1970年）

1970年，科学家做了一个非常经典的实验。用发绿色荧光的染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子，用发红色荧光的染料标记人细胞表面的蛋白质分子，然后将两个细胞融合。

刚融合时，一半膜发绿光，一半膜发红光。但在37℃下保温40分钟后，两种颜色的荧光均匀分布了。

结论：膜上的蛋白质可以运动，细胞膜具有一定的流动性。

这个实验是证明细胞膜流动性的最经典证据。同学们，到了大学，你们在《细胞生物学》第四章“细胞质膜与细胞表面”中，会进一步学习用荧光漂白恢复技术来定量测定膜蛋白的扩散速率。

资料8：流动镶嵌模型（1972年）

1972年，辛格和尼科尔森在新的观察和实验证据的基础上，提出了细胞膜的流动镶嵌模型。这个模型至今仍是描述细胞膜结构的基本框架。

从欧文顿到辛格和尼科尔森，科学家用了77年时间，才建立起一个被广泛接受的细胞膜结构模型。这个过程告诉我们：科学不是一蹴而就的，而是在质疑、验证和修正中不断前进的。

五、流动镶嵌模型的基本内容

流动镶嵌模型的基本内容，教材第45页有明确表述。

第一，细胞膜主要由脂质和蛋白质组成。

第二，细胞膜的基本支架是磷脂双分子层。磷脂双分子层内部是疏水端（尾部），水溶性分子或离子不能自由通过，因此具有屏障作用。外部是亲水端（头部）。

第三，蛋白质分子的存在形态有三种：有的镶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，有的贯穿于整个磷脂双分子层。这种分布的不对称性，是膜结构内外不对称性的体现。

第四，细胞膜的结构特性是一定的流动性。构成生物膜的磷脂分子和大多数蛋白质分子是可以运动的。流动性的意义在于，细胞膜能够完成物质运输、生长、分裂、运动等功能。

第五，细胞膜的功能特性是选择透过性。

这里要特别强调一个概念——糖被。细胞膜的外表面有糖类分子，与蛋白质结合形成糖蛋白，与脂质结合形成糖脂。这些糖类分子叫糖被。糖被与细胞表面的识别、细胞间的信息传递等功能有关。

同学们，到了大学阶段，你们会在《细胞生物学》第四章“细胞质膜与细胞表面”中系统学习细胞质膜的超微结构、膜脂和膜蛋白的类型与功能，以及细胞外被的概念。细胞外被或糖萼主要包括糖蛋白、糖脂及蛋白聚糖，它们不仅对细胞的社会行为具有重要意义，而且对细胞的增殖、分化、代谢及功能具有调控作用。在细胞增殖的不同时相、细胞分化的不同阶段，其表面成分均有所不同。肿瘤细胞表面复合糖类的变化与其恶性特征密切相关——生长失控、移行增强、浸润转移等，都与细胞表面糖成分的异常有关。

六、科学方法总结：模型与建模

这节课的一个重要科学方法是模型与建模。从欧文顿的“脂质假说”，到罗伯特森的“三明治模型”，再到辛格和尼科尔森的“流动镶嵌模型”，科学家在不断地提出模型、检验模型、修正模型。每一个新模型的提出，都是基于新的实验证据对旧模型的否定和发展。

同学们，到了大学，你们会学到更多关于膜结构的现代研究。比如脂质筏模型——这是对流动镶嵌模型的补充和发展。脂质筏是细胞膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域，在信号转导、物质运输等过程中发挥重要作用。2026年发表的一项研究，利用冷冻电子断层扫描与原位金纳米颗粒标记技术，直接观察到了质膜中的脂质筏结构域。此外，2025年日本东北大学的研究团队还发现，细胞膜对电场的响应具有方向依赖性——膜水平方向的电场能显著改变脂质双分子层的结构，而膜垂直方向的电场则影响甚微。这些前沿研究说明，细胞膜的结构模型还在不断完善中。

七、归纳总结与易错点梳理

细胞膜知识归纳

成分：脂质（约50%，磷脂为主）、蛋白质（约40%）、糖类（约2%—10%）。

结构：流动镶嵌模型。磷脂双分子层为基本支架，蛋白质镶嵌、贯穿、嵌入其中，外表面有糖被。

结构特性：一定的流动性。

功能特性：选择透过性。

功能：将细胞与外界环境分隔开；控制物质进出细胞；进行细胞间的信息交流。

从功能到成分，从成分到结构，从结构到功能——这就是本节课的逻辑主线。

十个重点易错点

1. 植物细胞的边界是细胞膜，不是细胞壁。细胞壁具有全透性，不能控制物质进出。

2. 细胞膜的“控制作用”是相对的。病菌、病毒等也可能侵入细胞。

3. 欧文顿的实验是推测，不是直接证明。他通过脂溶性物质更容易通过的现象，推测细胞膜由脂质组成。

4. 戈特和格伦德尔实验的“2倍”关系是关键。单层面积是细胞表面积的2倍，说明磷脂排列为双层。

5. 罗伯特森模型的致命缺陷是“静态”。无法解释细胞的生长、分裂、变形运动等现象。

6. 细胞融合实验证明的是蛋白质的流动性，不是磷脂的流动性。但由此可推断整个膜具有流动性。

7. 糖被只分布在细胞膜的外表面。这是判断细胞膜内外方向的重要依据。

8. 磷脂双分子层的疏水尾部在内侧，亲水头部在外侧。这个排列方式决定了水溶性物质不能自由通过。

9. 蛋白质分布具有不对称性。镶、嵌、贯穿三种方式体现了膜结构内外的不对称性。

10. 流动性和选择透过性的关系：流动性是结构特性，选择透过性是功能特性。结构决定功能。

小试牛刀

1、功能越复杂的细胞膜，它的脂质成分越复杂。（×）

解析：功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类和数量越多，而不是脂质成分越复杂。

2、变形虫和草履虫的细胞膜基本组成成分不同。（×）

解析：所有细胞膜的基本组成成分都是脂质、蛋白质和糖类，只是具体种类和数量有差异。

3、在组成细胞膜的脂质中，磷脂最为丰富。（√）

4、不同细胞膜的磷脂分子是相同的，而蛋白质不同。（√）

解析：磷脂分子在不同细胞膜中基本一致，但蛋白质的种类和数量因细胞功能不同而有差异。

八、细胞膜知识在高中教材中的分布与大学衔接

（一）高中各册教材中的分布

必修一《分子与细胞》是细胞膜知识最为集中的模块。第3章第1节占据教材第40到43页，系统介绍细胞膜的功能、成分和结构。第3章第2节第52页的生物膜系统，将细胞膜与细胞器膜、核膜统一为整体。第4章第1节“物质跨膜运输的实例”和第2节“主动运输与胞吞、胞吐”分别占据第63到70页，展开物质跨膜运输的具体方式。

必修二《遗传与进化》中，细胞膜知识主要涉及细胞膜表面的受体蛋白在信号转导中的作用，如在激素调节和免疫调节中。

选择性必修1《稳态与调节》中，细胞膜知识在神经调节部分得到深入应用。神经递质的释放涉及突触前膜的胞吐作用，神经递质与突触后膜受体的结合涉及细胞膜的信息交流功能。第46到47页的激素研究实例中，胰岛素与靶细胞膜上受体的结合也是细胞膜信息交流的典型实例。

选择性必修2《生物与环境》中细胞膜知识涉及较少。

选择性必修3《生物技术与工程》中，细胞膜知识在动物细胞培养、单克隆抗体制备等内容中有所涉及，如细胞融合技术以细胞膜的流动性为理论基础。

（二）与大学教材的关联

与《细胞生物学》的衔接：

在大学教材中，细胞膜内容主要集中在“细胞质膜与细胞表面”一章。高中阶段掌握“流动镶嵌模型”的基本框架，大学阶段则需要深入理解膜脂的四种类型（磷脂、糖脂、胆固醇、鞘脂）、膜蛋白的三种类型（整合蛋白、外周蛋白、脂锚定蛋白）、膜的不对称性和流动性。

与《生理学》的衔接：

在医学院校的《生理学》课程中，细胞膜的物质转运功能是开篇内容。大学教材将系统讲述单纯扩散、易化扩散、主动转运、胞吞和胞吐等转运方式，其中Na⁺-K⁺泵的工作原理是重点内容。高中阶段仅了解“主动运输需要载体蛋白和能量”，大学阶段则需要掌握泵的分子机制、化学计量关系和能量消耗。

与《生物化学》的衔接：

细胞膜的信号转导是大学《生物化学》的重要内容。G蛋白偶联受体、受体酪氨酸激酶、离子通道型受体等信号转导通路，都需要以细胞膜结构为基础来理解。

知识递进的四个层次：

一是结构层次的递进——高中掌握磷脂双分子层为基本支架，大学理解膜脂的多样性、膜蛋白的类型与结构。

二是功能层次的递进——高中了解三大功能，大学深入学习物质转运的分子机制和信号转导通路。

三是方法层次的递进——高中了解荧光标记法和冰冻蚀刻法，大学需要掌握荧光漂白恢复技术、单分子追踪技术等。

四是病理层次的递进——高中通过苋菜实验理解选择透过性，大学理解膜结构与疾病的关系，如囊性纤维化（CFTR氯离子通道突变）、家族性高胆固醇血症（LDL受体缺陷）等。

九、结语

同学们，今天这节课我们系统学习了细胞膜的结构和功能。

从功能入手，我们了解了细胞膜的三大功能：将细胞与外界环境分隔开、控制物质进出细胞、进行细胞间的信息交流。

从功能追溯到成分，我们跟随科学家的脚步，通过欧文顿的实验、红细胞膜的化学分析、戈特和格伦德尔的实验、丹尼利和戴维森的实验，一步步揭示了细胞膜的主要成分——脂质、蛋白质和糖类。

从成分追溯到结构，我们学习了罗伯特森的“三明治”模型、冰冻蚀刻电子显微法、细胞融合实验，最终建立了流动镶嵌模型。

从结构回到功能，我们理解了流动性和选择透过性的关系——结构决定功能。

这就是生物学的核心思想：结构与功能相适应。

细胞膜是细胞的边界，但它不是一堵死墙，而是一个充满活力的、动态的、具有选择性的屏障。它把细胞与外界分隔开，又控制着物质进出，还负责细胞间的信息交流。磷脂双分子层是它的骨架，蛋白质是它的功能执行者，糖被是它的“身份证”。

从C919大飞机的部门分工，到细胞膜的精巧结构，我们看到了一个共同的主题——分工合作。细胞膜的各种成分分工合作，共同完成细胞边界的功能。下节课我们将继续学习细胞内部的分工合作——细胞器。

谢谢大家！