- describe the fluid mosaic model of membrane structure with reference to the hydrophobic and hydrophilic interactions that account for the formation of the phospholipid bilayer and the arrangement of proteins
- describe the arrangement of cholesterol, glycolipids and glycoproteins in cell surface membranes
- describe the roles of phospholipids, cholesterol, glycolipids, proteins and glycoproteins in cell surface membranes, with reference to stability, fluidity, permeability, transport (carrier proteins and channel proteins), cell signalling (cell surface receptors) and cell recognition (cell surface antigens – see 11.1.2)
- outline the main stages in the process of cell signalling leading to specific responses: • secretion of specific chemicals (ligands) from cells • transport of ligands to target cells • binding of ligands to cell surface receptors on target cells
细胞膜与物质运输
A-Level 生物 · 第 4 主题
4.1
流动镶嵌模型膜
大纲
来源:剑桥国际大纲
每个细胞被包在一层细胞膜(cell surface membrane)里。我们用流动镶嵌模型(fluid mosaic model)描述它的结构。
The phospholipid bilayer
膜主要由磷脂(phospholipids)构成。每个磷脂有一个亲水(hydrophilic,"爱水")的头和两条疏水(hydrophobic,"怕水")的尾。膜的两侧都有水,所以磷脂排成两层——一个双层(bilayer)——头面向外面和里面的水,而尾藏在中间、远离水。这种排列因那些亲水和疏水的相互作用而自行形成。
这个模型被叫作"流动"是因为磷脂不是固定的:它们互相滑过,所以膜能移动和弯曲。它被叫作"镶嵌"是因为许多蛋白质(proteins)散布其中,像一幅画里的瓷砖。
What floats in the membrane
| 部件 | 它坐在哪里 | 主要角色 |
|---|---|---|
| 磷脂 | 两层 | 构成基本屏障 |
| 蛋白质 | 穿过膜或在它的表面 | 运输、支持和信号传递 |
| 载体蛋白(carrier proteins) | 跨越膜 | 把特定的分子运过去 |
| 通道蛋白(channel proteins) | 跨越膜 | 构成充水的孔以让离子通过 |
| 胆固醇(cholesterol) | 在磷脂尾之间 | 控制流动性(fluidity)并增加强度 |
| 糖脂(glycolipids)和糖蛋白(glycoproteins) | 外表面上的碳水化合物链 | 细胞识别;一些充当抗原(antigens) |
所以膜的分子一起给膜它的稳定性(stability)、它的流动性、它的通透性(permeability,对什么能通过的控制)、它的运输工作、它的信号传递工作,以及它的细胞识别。
膜是半透膜(partially permeable):它让一些物质容易通过,但阻挡其他的。
探索
Explore the cell membrane
Tap each part of the fluid mosaic model — the bilayer plus the proteins and other molecules dotted through it.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| cell surface membrane | 细胞膜 | xì bāo mó |
| fluid mosaic model | 流动镶嵌模型 | liú dòng xiāng qiàn mó xíng |
| phospholipid | 磷脂 | lín zhī |
| hydrophilic | 亲水 | qīn shuǐ |
| hydrophobic | 疏水 | shū shuǐ |
| bilayer | 双层 | shuāng céng |
| protein | 蛋白质 | dàn bái zhì |
| carrier protein | 载体蛋白 | zài tǐ dàn bái |
| channel protein | 通道蛋白 | tōng dào dàn bái |
| cholesterol | 胆固醇 | dǎn gù chún |
| fluidity | 流动性 | liú dòng xìng |
| glycolipid | 糖脂 | táng zhī |
| glycoprotein | 糖蛋白 | táng dàn bái |
| antigen | 抗原 | kàng yuán |
| stability | 稳定性 | wěn dìng xìng |
| permeability | 通透性 | tōng tòu xìng |
| partially permeable membrane | 半透膜 | bàn tòu mó |
4.1
细胞信号传导
细胞通过细胞信号传递(cell signalling)相互交谈。主要阶段是:
- 一个细胞分泌一个叫配体(ligand)的信号化学物(例如一个激素(hormone))。
- 配体被运送(常常在血液中)到一个靶细胞(target cell)。
- 配体结合到靶细胞表面膜上一个特定的受体(receptor)。受体的形状只匹配那个配体。结合随即在靶细胞内部触发一个特定的响应。
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| cell signalling | 细胞信号传递 | xì bāo xìn hào chuán dì |
| ligand | 配体 | pèi tǐ |
| hormone | 激素 | jī sù |
| target cell | 靶细胞 | bǎ xì bāo |
| receptor | 受体 | shòu tǐ |
4.2
物质进出细胞的运输
大纲
- describe and explain the processes of simple diffusion, facilitated diffusion, osmosis, active transport, endocytosis and exocytosis
- investigate simple diffusion and osmosis using plant tissue and non-living materials, including dialysis (Visking) tubing and agar
- illustrate the principle that surface area to volume ratios decrease with increasing size by calculating surface areas and volumes of simple 3-D shapes (as shown in the Mathematical requirements)
- investigate the effect of changing surface area to volume ratio on diffusion using agar blocks of different sizes
- investigate the effects of immersing plant tissues in solutions of different water potentials, using the results to estimate the water potential of the tissues
- explain the movement of water between cells and solutions in terms of water potential and explain the different effects of the movement of water on plant cells and animal cells (knowledge of solute potential and pressure potential is not expected)
来源:剑桥国际大纲
有六个过程。一些是被动(passive,它们不需要能量(energy))的,一些是主动(它们用来自 ATP 的能量)的。
Simple diffusion
扩散(diffusion)是粒子从它们处于高浓度(concentration)处到它们处于低浓度处的净移动,直到它们均匀铺开。简单扩散(simple diffusion)是当粒子直接穿过双层、沿浓度梯度(concentration gradient)向下时。只有小的或非极性的分子能这样做——如氧气(oxygen)和二氧化碳(carbon dioxide)。它是被动的。
Facilitated diffusion
带电的离子(ions)和大的极性分子(如葡萄糖(glucose))不能自己越过油性的双层。在易化扩散(facilitated diffusion)中,它们穿过通道蛋白或载体蛋白,仍沿浓度梯度向下移动。它也是被动的。
Osmosis
渗透(osmosis)是水穿过一个半透膜的扩散,从一个较高的水势(water potential)到一个较低的水势。它是被动的。
Active transport
主动运输(active transport)把一个物质逆它的浓度梯度移动——从低浓度到高浓度。这需要载体蛋白和来自 ATP 的能量。
Endocytosis and exocytosis
这些用 ATP 大量地移动大量的材料。
- 在胞吞作用(endocytosis)中,膜向内折叠围绕材料并掐下一个囊泡(vesicle)以把它带进细胞。
- 在胞吐作用(exocytosis)中,一个囊泡与膜融合并把它的内容物释放到细胞外。
探索
Diffusion across a membrane
Set the concentration on each side. Particles spread from high to low concentration until both sides are equal.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| passive | 被动 | bèi dòng |
| energy | 能量 | néng liàng |
| diffusion | 扩散 | kuò sàn |
| concentration | 浓度 | nóng dù |
| simple diffusion | 简单扩散 | jiǎn dān kuò sàn |
| concentration gradient | 浓度梯度 | nóng dù tī dù |
| oxygen | 氧气 | yǎng qì |
| carbon dioxide | 二氧化碳 | èr yǎng huà tàn |
| ion | 离子 | lí zi |
| glucose | 葡萄糖 | pú táo táng |
| facilitated diffusion | 易化扩散 | yì huà kuò sàn |
| osmosis | 渗透 | shèn tòu |
| water potential | 水势 | shuǐ shì |
| active transport | 主动运输 | zhǔ dòng yùn shū |
| endocytosis | 胞吞作用 | bāo tūn zuò yòng |
| vesicle | 囊泡 | náng pào |
| exocytosis | 胞吐作用 | bāo tǔ zuò yòng |
4.2
表面积与体积之比
一个细胞跨它的表面吸收和排出物质。当一个物体变大时,它的体积(volume)比它的表面积(surface area)增长得更快。所以随着大小增加,表面积对体积比变得更小。
对于一个边长 $L$ 的立方体:
$$\text{surface area} = 6L^2, \qquad \text{volume} = L^3, \qquad \text{ratio} = \frac{6}{L}.$$
一个大的 $L$ 给出一个小的比。这就是为什么小细胞(和薄、平的形状)快速交换材料,而大细胞不能只依靠扩散。
例题。 比较一个边长 $4$ 的立方体形细胞和一个边长 $10$ 的表面积:体积比。
对于边长 $4$:表面积 $= 6 \times 4^2 = 96$ 而体积 $= 4^3 = 64$,所以比是 $96 : 64 = 1.5 : 1$。对于边长 $10$:表面积 $= 6 \times 10^2 = 600$ 而体积 $= 10^3 = 1000$,所以比是 $600 : 1000 = 0.6 : 1$。较大的细胞有较小的比,所以它按它的大小更慢地跨它的表面交换材料——这就是为什么大的生物体需要专门的交换表面,如肺和鳃。
你可以用浸在染料或酸中的不同大小的琼脂(agar)块显示这个:最小的块,带最大的表面积对体积比,最快地一路变色通透。跨非生命材料的扩散也可以用透析袋(dialysis tubing,Visking 管)研究。
探索
Surface area : volume
Make the cube bigger: its volume grows faster than its surface, so the SA:V ratio falls — which is why exchange surfaces and cells stay small.
探索
Diffusion across the surface
Particles spread on their own from crowded to sparse. A small cell has a large surface-area-to-volume ratio, so substances diffuse in and out fast enough.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| volume | 体积 | tǐ jī |
| surface area | 表面积 | biǎo miàn jī |
| agar | 琼脂 | qióng zhī |
| dialysis tubing | 透析袋 | tòu xī dài |
4.2
水势与活细胞
水势(water potential)测量水离开一个溶液的可能性有多大。纯水有最高的水势。加一个溶质(solute,一个溶解的物质)降低它。水总是通过渗透从一个较高的水势移动到一个较低的水势。
要估计植物组织的水势,你把小块放入不同水势的蔗糖溶液中。造成质量或长度无变化的溶液有与组织大致相同的水势。
Effect on plant cells
- 在一个更高水势的溶液中(例如蒸馏水(distilled water)),水进入细胞。细胞膨胀并变得膨胀(turgid),但坚固的细胞壁阻止它胀破。
- 在一个更低水势的溶液中,水离开。细胞内容物收缩,膜从细胞壁拉开——这是质壁分离(plasmolysis)。
Effect on animal cells
动物细胞没有细胞壁来保护它们。
- 在一个更高水势的溶液中,水进入,细胞可能胀破。在一个红细胞中这种胀破叫溶血(haemolysis)。
- 在一个更低水势的溶液中,水离开,细胞收缩。
探索
Water potential
water follows the gradient
Drag the concentrations. A water-potential gradient drives net movement — it stops only when the two sides match.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| solute | 溶质 | róng zhì |
| distilled water | 蒸馏水 | zhēng liú shuǐ |
| turgid | 膨胀 | péng zhàng |
| plasmolysis | 质壁分离 | zhì bì fēn lí |
| haemolysis | 溶血 | róng xuè |
4.2
考试技巧
- 把膜描述为一个流动镶嵌:一个带蛋白质、胆固醇和糖蛋白的磷脂双层。
- 给每个过程分类:扩散、易化扩散和渗透是被动的(沿一个梯度向下);主动运输和胞吞/胞吐需要 ATP 并能逆它而行。
- 对于渗透总是用水势($\Psi$):水从高(不太负)到低(更负) $\Psi$ 移动;纯水是 $0$,最高的。
- 按细胞类型陈述结果:植物细胞膨胀/质壁分离;动物细胞溶解/皱缩——把它与水势梯度联系起来。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。