生物膜和生物膜系统的辨析与复习

谭文宇 文新明

(四川省宜宾市第一中学校)

1.准确理解和正确区分生物膜和生物膜系统,体现结构和功能相适应的生命观念

生物膜是指细胞中主要以磷脂双分子层为基本骨架,蛋白质分子以覆盖、镶嵌、贯穿等不同形式与之结合在一起而形成的一个整体,具有特定结构和特殊功能的膜结构。而生物膜系统则是细胞内由细胞膜、细胞器膜和核膜等共同构成的一个结构系统,和生物膜之间是部分和整体的关系。所有的生物膜在物质组成和分子结构上都具有相似性,结构上都具有一定的流动性,功能上都具有选择透过性,实现与外界分隔、控制物质进出、进行信息交流的主要功能。都可以用“流动镶嵌模型”加以解释。而膜蛋白种类和数量的不同又决定了不同的生物膜具备不同的功能,体现出结构和功能相适应的观点:即组成膜的分子具有运动性决定了膜具有流动性,膜的流动性又决定了其功能具有选择透过性。

【示例1】真核细胞具备的生物膜系统能为其代谢的稳定进行提供一个有利环境。下列关于生物膜的描述,正确的是

( )

A.核糖体不属于生物膜系统范畴,但其在生物膜的合成方面起到重要作用

B.浆细胞内,单层膜细胞器在抗体的加工过程中均发挥重要作用

C.糖蛋白普遍存在于各种生物膜上,其在信息传递方面发挥重要作用

D.具有一定流动性和选择透过性分别是各种生物膜的功能特性和结构特点

【解析】核糖体没有膜结构,不属于生物膜系统的范畴,但其是生物膜中蛋白质的主要合成场所,对生物膜的合成方面起到重要作用,A正确;抗体属于分泌蛋白,分泌蛋白合成过程:在核糖体上合成蛋白质→内质网进行粗加工→内质网“出芽”形成囊泡→高尔基体进行再加工形成成熟的蛋白质→高尔基体“出芽”形成囊泡→细胞膜,整个过程还需要线粒体提供能量。对分泌蛋白具有加工作用的单层膜细胞器只有内质网和高尔基体,而浆细胞内单层膜的细胞器还有溶酶体,B错误;糖蛋白主要分布在细胞膜的外侧,与细胞间的相互识别和信息传递有关,其他生物膜几乎不含糖蛋白,C错误;生物膜系统包括细胞膜、核膜和细胞器膜,各种生物膜结构特点是具有一定的流动性,功能特性是具有选择透过性,D错误。

【答案】A

2.生物膜系统在结构和功能上的联系,体现部分和整体的观点

2.1生物膜系统作为一个统一的整体在结构上具有一定的连续性

构成生物膜系统的各种生物膜可以实现彼此之间的相互转化。以教材插图为例,内质网在整个细胞中占据广大的空间,内连核膜,外连细胞膜,使细胞膜和核膜紧密联系,大面积的网格为多种酶提供附着位点,为许多重要的生化反应提供广阔空间,体现出生物膜之间在结构上的直接联系。同时,在细胞中有发达的高尔基体通过膜结构的囊泡向内实现与内质网的转化,向外实现与细胞膜的转化,起到了重要的交通枢纽和中转站的作用。所以,生物膜系统包含各种生物膜,而且根据功能的需要实现相互转化,是部分和整体的关系,如图1所示。

图1

2.2生物膜系统作为一个统一的整体在功能上紧密联系,协调配合

在分泌蛋白的合成、加工、运输、分泌完整而有序的过程中,蛋白质(多肽)最初在非膜结构的核糖体上合成一段肽链,这段肽链会与核糖体一起转移到粗面内质网上继续其合成过程,并且边合成边转移进入内质网管腔中进行初步加工、修饰,形成具有一定活性的较为成熟的蛋白质,再以囊泡包裹的形式运输到高尔基体内进一步的修饰、加工、分类、包装,形成成熟的蛋白质(如胰岛素),最后以囊泡包裹的形式运输到细胞膜,囊泡与细胞膜融合,分泌蛋白以胞吐的方式完成分泌,而整个过程中主要以线粒体供能间接参与。从生物膜系统功能上的联系看,该过程体现了生物膜部分与生物膜系统整体之间统一的观点(见图2)。

图2

【示例2】生物膜系统从结构和功能上都是一个统一的整体。根据图中所给信息,回答下列各题:

图3

图4

(1)图3分泌蛋白的合成与分泌过程体现了生物膜系统在________上的联系.该过程体现了细胞膜具有________的特点。图示的生理过程,一般采用的研究方法是________。

(2)图4显示了囊性纤维化的病因,从基因水平上理解,该病的产生体现了基因控制性状的方式是________。该图还显示了细胞膜的________模型。

(3)除了图所示的功能外,细胞膜还具有的两项功能是________、________。

【解析】(1)图3是膜泡运输的过程,图中,甲、乙分别表示内质网、高尔基体,由题图可知分泌蛋白的合成与分泌过程体现了生物膜系统在结构和功能上的联系;该过程体现了细胞膜的一定的流动性的特点;研究生物膜系统的结构和功能一般采用同位素标记法。(2)图4是生物膜的流动镶嵌模型,由题图可知囊性纤维病的病因;从基因水平上理解,该病的产生体现了基因控制性状的方式是基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物性状;图示为细胞膜的流动镶嵌模型,其基本支架是磷脂双分子层。(3)图3、图4显示了细胞膜控制物质进出功能,细胞膜除了具有控制物质进出功能外,还具有信息传递、能量转换或将细胞与外界环境分隔等功能。

【答案】(1)结构和功能 一定的流动性 同位素标记法 (2)基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物性状 流动镶嵌 (3)进行细胞间的信息交流 能量转换(或将细胞与外界环境分隔)

3.细胞内生物膜系统的存在和出现,体现生物进化的观点

就细胞结构而言,所有的细胞都有生物膜,但不是所有的细胞都有生物膜系统。原核细胞就只有生物膜——细胞膜,而没有生物膜系统,而真核细胞绝大多数都具有由多种生物膜构成的生物膜系统,少数特化后的细胞无生物膜系统。如哺乳动物成熟的红细胞,高等植物特化后的导管、筛管细胞等。从生物进化的规律(简单到复杂,低等到高等)来看,在原始海洋中由有机高分子物质组成的多分子体系外面包有最原始的界膜,与周围的原始海洋环境分隔开,成为一个相对独立的结构体系,能够实现原始的物质交换。由此可以看出:从原始海洋中多分子体系外的最原始界膜,到原核细胞只有细胞膜,再到真核细胞的由多种生物膜构成的生物膜系统,体现了生物进化的观点,生物膜系统的形成和出现是进化上的重要标志之一。而作为最原始低等的病毒既无生物膜更无生物膜系统。

【示例3】如图5是关于细胞生物膜系统的概念图,请回答下列问题:

图5

(1)科学家用________模型解释了生物膜的结构。

(2)请依次指出图中a、b、j、e、f、h、m、p所示结构名称:________。

(3)在m上所发生的能量转换形式为________;同时发生在p上的另一种物质变化为________。

(4)上述结构中具有识别功能的是________(填字母),其识别功能的结构基础是________;发生“f→g→h→g→j”过程的基础是________。

(5)原核细胞只有________(填字母)没有________(填字母)因而无生物膜系统。从进化角度看,首先由于________(填字母)的出现,才诞生了相对独立的生命系统。

【答案】(1)流动镶嵌

(2)核膜、细胞器膜、细胞膜、溶酶体膜、内质网膜、高尔基体膜、类囊体膜、线粒体内膜

(4)j 糖被 生物膜具有一定的流动性

(5)j a、b j

4.区分生物膜与组织黏膜

生物膜是位于细胞内的膜结构,概念的外延是细胞内,主要包括了细胞膜、细胞器膜和核膜三大类,在真核细胞中构成复杂的生物膜系统。而口腔黏膜、胃黏膜等属于组织黏膜,是由许多上皮细胞构成的组织结构,属于生命系统的一个结构层次,而生物膜不属于生命系统的结构层次。由于组织黏膜包含了许多细胞,也就包含了许多生物膜,但组织黏膜一定不能等同于生物膜。

【示例4】下列有关生物膜系统的说法,正确的是

( )

A.细胞膜、内质网膜、口腔黏膜与小肠黏膜都属于生物膜系统

B.所有的酶都在生物膜上,没有生物膜生物就无法进行各种代谢活动

C.生物膜的组成成分和结构都是一样的,在结构和功能上紧密联系

D.细胞内的生物膜把各种细胞器分隔开,使细胞内化学反应不会互相干扰

【解析】生物膜系统是真核细胞内由细胞膜、细胞器膜和核膜共同构成,而口腔黏膜和小肠黏膜属于消化道黏膜,不属于生物膜系统,A错误;生物膜为多种酶提供附着位点,是许多生物化学反应的场所,但细胞质基质中也含有酶(如进行无氧呼吸的酶),也能进行各种代谢活动,B错误;各种生物膜的组成成分和结构大致相同,在结构和功能上紧密联系,C错误;细胞内的生物膜把各种细胞器分隔开,如线粒体膜将线粒体基质与细胞质基质分开,使细胞内的化学反应不会互相干扰,D正确。

【答案】D