生物膜和生物膜系統的辨析與復習

譚文宇 文新明

(四川省宜賓市第一中學校)

1.準確理解和正確區分生物膜和生物膜系統,體現結構和功能相適應的生命觀念

生物膜是指細胞中主要以磷脂雙分子層為基本骨架,蛋白質分子以覆蓋、鑲嵌、貫穿等不同形式與之結合在一起而形成的一個整體,具有特定結構和特殊功能的膜結構。而生物膜系統則是細胞內由細胞膜、細胞器膜和核膜等共同構成的一個結構系統,和生物膜之間是部分和整體的關系。所有的生物膜在物質組成和分子結構上都具有相似性,結構上都具有一定的流動性,功能上都具有選擇透過性,實現與外界分隔、控制物質進出、進行信息交流的主要功能。都可以用“流動鑲嵌模型”加以解釋。而膜蛋白種類和數量的不同又決定了不同的生物膜具備不同的功能,體現出結構和功能相適應的觀點:即組成膜的分子具有運動性決定了膜具有流動性,膜的流動性又決定了其功能具有選擇透過性。

【示例1】真核細胞具備的生物膜系統能為其代謝的穩定進行提供一個有利環境。下列關于生物膜的描述,正確的是

( )

A.核糖體不屬于生物膜系統范疇,但其在生物膜的合成方面起到重要作用

B.漿細胞內,單層膜細胞器在抗體的加工過程中均發揮重要作用

C.糖蛋白普遍存在于各種生物膜上,其在信息傳遞方面發揮重要作用

D.具有一定流動性和選擇透過性分別是各種生物膜的功能特性和結構特點

【解析】核糖體沒有膜結構,不屬于生物膜系統的范疇,但其是生物膜中蛋白質的主要合成場所,對生物膜的合成方面起到重要作用,A正確;抗體屬于分泌蛋白,分泌蛋白合成過程:在核糖體上合成蛋白質→內質網進行粗加工→內質網“出芽”形成囊泡→高爾基體進行再加工形成成熟的蛋白質→高爾基體“出芽”形成囊泡→細胞膜,整個過程還需要線粒體提供能量。對分泌蛋白具有加工作用的單層膜細胞器只有內質網和高爾基體,而漿細胞內單層膜的細胞器還有溶酶體,B錯誤;糖蛋白主要分布在細胞膜的外側,與細胞間的相互識別和信息傳遞有關,其他生物膜幾乎不含糖蛋白,C錯誤;生物膜系統包括細胞膜、核膜和細胞器膜,各種生物膜結構特點是具有一定的流動性,功能特性是具有選擇透過性,D錯誤。

【答案】A

2.生物膜系統在結構和功能上的聯系,體現部分和整體的觀點

2.1生物膜系統作為一個統一的整體在結構上具有一定的連續性

構成生物膜系統的各種生物膜可以實現彼此之間的相互轉化。以教材插圖為例,內質網在整個細胞中占據廣大的空間,內連核膜,外連細胞膜,使細胞膜和核膜緊密聯系,大面積的網格為多種酶提供附著位點,為許多重要的生化反應提供廣闊空間,體現出生物膜之間在結構上的直接聯系。同時,在細胞中有發達的高爾基體通過膜結構的囊泡向內實現與內質網的轉化,向外實現與細胞膜的轉化,起到了重要的交通樞紐和中轉站的作用。所以,生物膜系統包含各種生物膜,而且根據功能的需要實現相互轉化,是部分和整體的關系,如圖1所示。

圖1

2.2生物膜系統作為一個統一的整體在功能上緊密聯系,協調配合

在分泌蛋白的合成、加工、運輸、分泌完整而有序的過程中,蛋白質(多肽)最初在非膜結構的核糖體上合成一段肽鏈,這段肽鏈會與核糖體一起轉移到粗面內質網上繼續其合成過程,并且邊合成邊轉移進入內質網管腔中進行初步加工、修飾,形成具有一定活性的較為成熟的蛋白質,再以囊泡包裹的形式運輸到高爾基體內進一步的修飾、加工、分類、包裝,形成成熟的蛋白質(如胰島素),最后以囊泡包裹的形式運輸到細胞膜,囊泡與細胞膜融合,分泌蛋白以胞吐的方式完成分泌,而整個過程中主要以線粒體供能間接參與。從生物膜系統功能上的聯系看,該過程體現了生物膜部分與生物膜系統整體之間統一的觀點(見圖2)。

圖2

【示例2】生物膜系統從結構和功能上都是一個統一的整體。根據圖中所給信息,回答下列各題:

圖3

圖4

(1)圖3分泌蛋白的合成與分泌過程體現了生物膜系統在________上的聯系.該過程體現了細胞膜具有________的特點。圖示的生理過程,一般采用的研究方法是________。

(2)圖4顯示了囊性纖維化的病因,從基因水平上理解,該病的產生體現了基因控制性狀的方式是________。該圖還顯示了細胞膜的________模型。

(3)除了圖所示的功能外,細胞膜還具有的兩項功能是________、________。

【解析】(1)圖3是膜泡運輸的過程,圖中,甲、乙分別表示內質網、高爾基體,由題圖可知分泌蛋白的合成與分泌過程體現了生物膜系統在結構和功能上的聯系;該過程體現了細胞膜的一定的流動性的特點;研究生物膜系統的結構和功能一般采用同位素標記法。(2)圖4是生物膜的流動鑲嵌模型,由題圖可知囊性纖維病的病因;從基因水平上理解,該病的產生體現了基因控制性狀的方式是基因通過控制蛋白質的結構直接控制生物性狀;圖示為細胞膜的流動鑲嵌模型,其基本支架是磷脂雙分子層。(3)圖3、圖4顯示了細胞膜控制物質進出功能,細胞膜除了具有控制物質進出功能外,還具有信息傳遞、能量轉換或將細胞與外界環境分隔等功能。

【答案】(1)結構和功能 一定的流動性 同位素標記法 (2)基因通過控制蛋白質的結構直接控制生物性狀 流動鑲嵌 (3)進行細胞間的信息交流 能量轉換(或將細胞與外界環境分隔)

3.細胞內生物膜系統的存在和出現,體現生物進化的觀點

就細胞結構而言,所有的細胞都有生物膜,但不是所有的細胞都有生物膜系統。原核細胞就只有生物膜——細胞膜,而沒有生物膜系統,而真核細胞絕大多數都具有由多種生物膜構成的生物膜系統,少數特化后的細胞無生物膜系統。如哺乳動物成熟的紅細胞,高等植物特化后的導管、篩管細胞等。從生物進化的規律(簡單到復雜,低等到高等)來看,在原始海洋中由有機高分子物質組成的多分子體系外面包有最原始的界膜,與周圍的原始海洋環境分隔開,成為一個相對獨立的結構體系,能夠實現原始的物質交換。由此可以看出:從原始海洋中多分子體系外的最原始界膜,到原核細胞只有細胞膜,再到真核細胞的由多種生物膜構成的生物膜系統,體現了生物進化的觀點,生物膜系統的形成和出現是進化上的重要標志之一。而作為最原始低等的病毒既無生物膜更無生物膜系統。

【示例3】如圖5是關于細胞生物膜系統的概念圖,請回答下列問題:

圖5

(1)科學家用________模型解釋了生物膜的結構。

(2)請依次指出圖中a、b、j、e、f、h、m、p所示結構名稱:________。

(3)在m上所發生的能量轉換形式為________;同時發生在p上的另一種物質變化為________。

(4)上述結構中具有識別功能的是________(填字母),其識別功能的結構基礎是________;發生“f→g→h→g→j”過程的基礎是________。

(5)原核細胞只有________(填字母)沒有________(填字母)因而無生物膜系統。從進化角度看,首先由于________(填字母)的出現,才誕生了相對獨立的生命系統。

【答案】(1)流動鑲嵌

(2)核膜、細胞器膜、細胞膜、溶酶體膜、內質網膜、高爾基體膜、類囊體膜、線粒體內膜

(4)j 糖被 生物膜具有一定的流動性

(5)j a、b j

4.區分生物膜與組織黏膜

生物膜是位于細胞內的膜結構,概念的外延是細胞內,主要包括了細胞膜、細胞器膜和核膜三大類,在真核細胞中構成復雜的生物膜系統。而口腔黏膜、胃黏膜等屬于組織黏膜,是由許多上皮細胞構成的組織結構,屬于生命系統的一個結構層次,而生物膜不屬于生命系統的結構層次。由于組織黏膜包含了許多細胞,也就包含了許多生物膜,但組織黏膜一定不能等同于生物膜。

【示例4】下列有關生物膜系統的說法,正確的是

( )

A.細胞膜、內質網膜、口腔黏膜與小腸黏膜都屬于生物膜系統

B.所有的酶都在生物膜上,沒有生物膜生物就無法進行各種代謝活動

C.生物膜的組成成分和結構都是一樣的,在結構和功能上緊密聯系

D.細胞內的生物膜把各種細胞器分隔開,使細胞內化學反應不會互相干擾

【解析】生物膜系統是真核細胞內由細胞膜、細胞器膜和核膜共同構成,而口腔黏膜和小腸黏膜屬于消化道黏膜,不屬于生物膜系統,A錯誤;生物膜為多種酶提供附著位點,是許多生物化學反應的場所,但細胞質基質中也含有酶(如進行無氧呼吸的酶),也能進行各種代謝活動,B錯誤;各種生物膜的組成成分和結構大致相同,在結構和功能上緊密聯系,C錯誤;細胞內的生物膜把各種細胞器分隔開,如線粒體膜將線粒體基質與細胞質基質分開,使細胞內的化學反應不會互相干擾,D正確。

【答案】D