神经元发育与退行性病变的分子细胞遗传机制

第一篇：神经元发育与退行性病变的分子细胞遗传机制

自然科学基金申请书

项目名称：

神经元发育与退行性病变的分子细胞遗传机制

申 请 者：

所在单位：

邮政编码：

通讯地址：

电

话：

传

真：

申请日期：

川北医学院

637000 南充市顺庆区涪江路234号

0817-2340136

2011年12月

一、研究内容

主要研究内容:（1）Rheb/mTor信号通路在神经元发生、极化、网络化及神经退行性病变中的作用及分子机制：

体外研究发现，mTOR信号通路对神经元的发生、发育起重要作用，而Rheb处于mTOR蛋白上游并对其起正调节作用，前期工作发现，Rheb1敲除小鼠的大脑发育出现明显异常。我们的初步研究表明小鼠中mTOR的激活需要与神经元早期发育密切相关的Rheb1。Nestin-Cre介导的神经前体细胞敲除Rheb1导致小鼠大脑体积和重量均减少约50%。基于上述，我们计划深入研究Rheb/mTOR信号通路在神经元发生阶段作用和机制。预计本课题将帮助我们阐明Rheb1/mTOR信号通路在神经元发生作用和机制，为相关疾病的防治提供理论基础。

（2）与铁离子代谢相关基因在神经元发生、极化和网络化中的作用及分子机制：

研究结果表明，铁离子与神经元的发育密切相关，但其分子机理尚不清楚。为深入研究铁离子和铁转运蛋白在脑神经发育中的分子机理，我们将在神经前体细胞中敲除铁离子运输基因包括铁转运蛋白受体（Transferrin Receptor，TFR）、二价金属转运体（DMT1）和运铁素（Ferroportin，Fpn或SLC40A1)。铁转运蛋白受体主要摄取转铁蛋白结合铁（Transferrin-bound iron，Tf-Fe），二价金属转运体主要摄取非转铁蛋白结合铁（Non-Transferrin-bound iron，NTBI），而运铁素在机体内唯一具有从细胞内泵出铁离子的蛋白。这三个基因涵盖了细胞摄取和泵出铁离子的主要通路。通过本课题的研究我们将确定铁离子转运在神经元发生过程中的作用和机理，为防治铁离子代谢失调引起的神经性疾病奠定基础。

并且体外试验已经表明Numb调节神经元的极化。铁离子、转铁蛋白与内吞调节蛋白Numb共同参与内吞功能，但在脊椎动物中还未有遗传学证据证明这些分子介导的内吞调节神经元的极化。本课题将以这些基因敲除小鼠为模型，运用多种前沿生物学技术阐明中枢神经系统神经元摄取、泵出铁离子的通路和内吞调节蛋白Numb/Numblike在神经元极化中的作用及分子机制。课题的研究将确定TFR、DMT1、Fpn、numb和numblike信号通路是否是神经元极化所必需的，同时将为进一步揭示它们调控神经元极化的分子机制，为相关疾病的防治提供新的途径。

（3）研究Gsα在神经元极化中的作用及分子机制：

我们的前期工作表明异三聚体G蛋白的亚基Gs称性分裂和细胞极性，Emx1-cre介导的在大脑的神经前体细胞中敲除Gs致大脑的重量减轻50%和产后月内死亡。虽然我们已在Gs胞不对称细胞分裂的调控方面取得显著进展（被资助），最近体外和遗传学研究提示Gs题的研究将确定Gs号通路调控神经元极化分子机制。

（4）BDNF在神经元网络化中的作用及分子机制：

BDNF几乎在神经元的各个发育阶段都具有重要功能。其基因突变Val66Met导致它在神经元内活性诱导分泌缺陷，因而造成精神疾病，但是具体的分子机制还不清楚。为此我们建立了BDNFmet转基因小鼠模型。此模型真实反映BDNFmet相关精神疾病的行为特点。预计本课题的研究将确定BDNFmet在树突和树突棘形成中作用和分子机制，及对神经传递的调节，进一

Gs 3

步深化理解BDNFmet诱导精神疾病的发生病理及环境因素对BDNFmet精神疾病的影响，发现治疗BDNFmet诱导精神疾病的介入方式。（5）线粒体自噬在神经元发育和退行性病变中的功能及调节机制：

线粒体自噬是细胞控制线粒体数量和清除受损线粒体的唯一途径。线粒体自噬不足会导致受损线粒体的积累，引起细胞凋亡；而线粒体自噬过量会导致ATP水平下降，引起细胞的自噬性死亡。由于神经元对线粒体的正常运行具有特别高的要求，它们必须具备精细的线粒体自噬调节机制，以将它控制在适当水平。在本课题中，我们将运用细胞筛选方法分离线粒体自噬的促进因子和抑制因子，通过研究它们的生化功能，揭示线粒体自噬特有的调节方式。进一步通过研究它们在神经元发育和退行性病变过程中的作用和变化，阐明线粒体自噬在神经系统中的功能和调节机制，为发展相关神经疾病的新一代防治方法提供理论基础。

二、预期目标

总体目标：

确定在神经细胞发生发育及退变过程中起重要作用的信号分子，阐明在该过程中胞外信号如何通过细胞内信号传导发生作用，为防治神经精神性疾病提供理论依据，并为相关疾病研究建立动物模型。

五年预期目标：

1、对神经细胞发生，极化，突触形成，及神经退行性病变的机理研究有所突破，明确Rheb/mTOR通路在神经元发育及退行性病变中的作用和机理，确定是 4

否可通过干预mTOR通路治疗神经精神疾病。

2、利用制备的条件性基因敲除小鼠建立一系列特异小鼠模型，确定信号蛋白的不对称分布和膜蛋白内吞在神经元发育和退行性病变中作用及机理。

3、明确变性蛋白、老化线粒体的清除与退行性病变的关系，建立以干预线粒体自噬活力为基础的神经精神疾病治疗方法。

4、建立和完善小鼠遗传学，活体影象等公用技术平台。

三、研究方案

总体研究方案

项目拟以神经元为研究核心，分别围绕神经元的发生与极化，神经突起的形态发生，以及神经元退行性病变的分子机制等问题，从分子、细胞乃至整个机体的层次进行系统而深入的研究。我们希望通过构建一系列神经细胞特异性基因敲除小鼠，结合多种现代生物学前沿技术，如高分辨荧光染色影像分析、基因工程报告小鼠、免疫共沉淀、RNA干扰等，阐明上述问题的分子机制，为进一步的研究和临床治疗打下坚实基础。本课题立意新颖，技术先进，重点突出，内容具体，具有极大的理论研究意义和实际应用价值。

本项目的特色与创新性：

1． 立题新颖：我们的研究将首次揭示胞内调控因子，如

Gsα、Rheb和Fe，在神经元分化发育过程中的作用和机制。本项目的研究内容处于当代生命科学的前沿，国内外均未见类似的研究报道。

2． 技术先进：我们将大量采用目前世界上先进的生物学研究手段，如条件性基因敲除和报告基因技术（如Rosa26-GFP），荧光标记和成像（如catFISH）等，着重在体内研究基因在神经元发生和发育中的作用。

3． 取得重大突破的可能性大：参与本项目的科学家积累了大量前期工作的基础，在Cell，Nature，Science，Nature Genetics，Nature Neuroscience，Neuron，Moleculler Cell，Development，Genes Development等世界顶级杂志上发表论文26篇，影响因子达520，被引用次数达6000多次。该项目应用先进的技术手段，在大量前期工作基础上，研究神经元的发生、极化、树突形成及退变的分子机制等神经发育生物学的重大问题。项目所需关键条件性基因敲除小鼠和Cre小鼠已制备（如下图），因此，取得重大突破的可能性极大。

4． 神经系统发生发育的基础研究与临床疾病紧密相关。神经元生理功能和调节的失调将导致神经元退行性病变，如老年性痴呆症和帕金森氏病，我们对相关机制的阐明将有利于寻找新的药物靶点，开发新的神经元保护药物，从而为治疗神经疑难疾病发现新途径。

课题设置: 1)神经元发生的分子机制：重点研究Rheb/mTOR信号通路和铁离子在神经元发生中的作用和机制；2)神经元极化的分子机制：重点研究G-蛋白信号通路（Gsa,Rheb）和铁离子在神经元极化中的作用和机制；3)神经元突起形态发生的分子机制：着重研究生长因子BDNF、Rheb和铁离子在神经元突起形态发生的作用和机制；4)神经元退行性病变的分子机制：侧重研究线粒体自噬和Rheb/mTOR信号在神经元退行性病变中的作用和机制。

各课题既重点突出、内容具体、责任明确, 又互相合作、相互促进。各课题之间将在资源、技术和人才三方面充分实现共享，我们将共同利用多品系的基因敲除小鼠进行各课题相关基因功能的研究，节约大量的人力和经费，并且互相学习先进实验技术和交换专业人才，提高科研效率。

研究内容

1.建立和验证多个神经细胞特异性mTOR上游分子Rheb1、Rheb2及下游分子Shank3敲除小鼠品系。

2.初步分析Rheb/mTOR信号对大脑皮层、海马神经元和小脑蒲肯野细胞发生、极化和网络化的影响。

3.探讨Rheb/mTOR信号异常与神经祖细胞损伤的关系。

4.建立和验证TFR和Fpn等铁离子代谢相关基因的中枢神经系统敲除模型。5.初步分析上述基因敲除小鼠是否出现中枢神经系能发育异常。

6.探讨Gsα与神经细胞极化分子如Par3，Par6，LKB1或numb等的转运和定位的关系。7.通过转基因小鼠观察BDNFmet变异导致的神经元树突发生异常有无脑区的特异性，是否有不同脑区间的神经环路改变及其相应的行为学异常。

8研究BDNF及其受体TrkB参与活性调控神经突起形态发生的分子细胞学机制。9.完成线粒体自噬调节因子的筛选，并在体外培养的细胞中验证所筛选出的果蝇基因及其哺乳类同源基因具有线粒体自噬的调节功能。

10.研究AD、PD相关突变是否通过改变线粒体通透性骤变孔（mPTP）的开关来引发或抑制它们的自噬，并进一步探讨它们影响mPTP的生化机制。

11.着重在生化机理方面有所突破，如，探讨Rheb/mTOR信号是否影响与神经细胞极化、神经突起的形成、网络化相关的基因转录与蛋白质合成；初步揭示Rheb/mTOR对自噬在神经元发育与退行性病变中的功能调控的分子机制，切实做到表型/功能分析与机理有机结合。

预期目标

1.完成TFR和Fpn等铁离子代谢相关基因的中枢神经系统敲除模型的制备及验证，包括TFRf/f-Nestin-cre和Fpnf/f-Nestin-cre，为研究铁离子代谢在神经元发生、极化、网络化和死亡/退变中的作用打下基础。

2.建立和完善与研究神经系统发育相关的解剖学，免疫组化及体内成像等实验技术，检测上述基因敲除小鼠是否出现中枢神经系能发育异常。

3.完成多个神经细胞特异性Gsα敲除小鼠品系的制备及验证，包括Gsαf/f-Nex-cre, Gsαf/f-Nestin-cre和 Gsαf/f-Nestin-creER，为研究Gsα在神经元极化中有作用和分子机制打下基础。

4.建立并完善膜片钳技术测定轴突和树突专一的钾钠通道，并利用此技术初步研究Gsα在神经元极化中的作用。

5.多个BDNF转基因小鼠系的制备和验证，包括BDNFmetThy1-EGFP，BDNFwtThy-EGFP，为研究BDNF在神经突起形态发生中的作用和分子机制打下基础。6.确定BDNF及其受体TrkB在神经元活性调控突起生长中的作用，以及BDNFmet突变是否干扰了此过程及其机制。

7.建立线粒体自噬速度的萤光测定方法，并确定能明显提高或降低线粒体自噬速度的AD、PD相关突变。

8.建立线粒体自噬调节因子的细胞筛选系统，包括果蝇的Tom20-Dendra2稳定细胞株和RNAi库，并通过早期测试，确定大通量筛选的可行性。

9.确定线粒体自噬在神经元发育过程中的作用和调节机制。10.确定线粒体自噬异常导致神经元退行性死亡的分子机制。

11.确定AD、PD相关突变是否通过影响新筛选出的调节因子来改变细胞内的线粒体自噬水平，并进一步阐明它们的作用机制。

第二篇：分子与细胞教学计划

2012-2013学高一生物教学计划

高中生物分为三个模块，分别为分子与细胞、遗传与进化、稳态与环境。与初中的生物教材相比较，高中生物教材的知识涉及更广泛，内容更丰富，知识的层次更深，知识点与知识点之间的联系更加密切，对于学生的学习要求更高。而必修一的《分子与细胞》模块是以细胞是基本的生命系统构建内容体系。

鉴于以上的因素，因此对于高中生物的教与学都有一定的要求和计划。

一、教学目的要求

(一)要求学生比较系统地掌握关于细胞、生物的新陈代谢、生物的生殖和发育、生命活动的调节、遗传和变异等方面的基础知识，以及这些知识在农业、医药、工业、国防上的应用。

(二)通过生物学基础知识的学习，使学生受到辩证唯物主义和爱国主义思想的教育，以及形成保护环境的意识。

(三)要求学生了解高倍显微镜的基本结构及能掌握使用高倍显微镜，做简单的生物实验等的基本技能。

(四)培养学生自学生物学。使学生养成课前预习、自学的习惯，培养学生的自学能力，掌握知识的能力，观察动植物的生活习性、形态结构、生殖发育的能力，分析和解释一些生物现象的初步能力，并且能留心观察生活中的生物现象。

二、确定教学内容的原则

(一)从学生今后进一步学习和进入社会的需要出发，认真选取生物学基础知识：选取生物的结构和生理的知识。结构知识是理解生理知识的基础。生理知识是阐明生物的新陈代谢，生长、发育和生殖等的基础知识。因此，必须重视选取形态结构和生理的知识，并且处理好两者之间的侧重点。

(二)选取生物学基础知识，必须做到理论密切联系实际。

1、选取生物学基础知识，要密切联系工农业生产实际。生物学是农业、畜牧业和医学等方面实践的理论基础，通过学习生物学知识，要使学生知道生物与生产的关系十分密切，应该利用和改造有益的生物，防除有害的生物。

2、要密切联系各地的自然实际。由于我国幅员广大，各地的生物种类有很大差别。因此，所选取的植物和动物，既要重视其典型性，又必须尽可能是各地比较常见的，以便学生可以直接观察到这些动植物和了解这些动植物的生活规律。

3、注重学生的自主实验及探究能力，培养学生的实践能力、自主学习的能力及团结与互助的精神。

三、具体的实施要求

1、依据不同的教学内容，不同的学生情况，备好每一堂课，并及时写好教案

2、认真、有效地上好每一堂课

3、及时布置学生的作业，并且及时收取、批改、发放作业

4、按时下班进行辅导

5、命好每次课前小测的题目，及时进行课前小测，并进行批改

6、若安排月考或期中、期末考时，认真命好测试题

7、每节课后需要认真反思，吸取经验教训

四、对于学生的学习提出简单的要求：

1、上课认真听课，勤做笔记；

2、多做练习，独立思考，不抄作业；

3、注意归纳，多提出问题；

4、实验课做好课前预习，写预习报告；

5、做好课前预习，课后复习。

胡名亮

2012年9月16日

第三篇：《遗传的分子基础》的教学思考与探讨

《遗传的分子基础》的教学思考与探讨

北京师范大学附属实验中学 林祖荣

——本文载《生物学通报》2007年第2期

《遗传的分子基础》揭示了DNA是主要的遗传物质，以及遗传物质对遗传信息的储存、传递和表达。《遗传的细胞学基础》是从细胞水平阐述遗传的原理，本单元则从分子水平揭示遗传的本质，这两个单元共同构成了遗传学的理论基础。1 教学内容与要求

课标规定的本单元的内容包括:总结人类对遗传物质的探索过程；概述DNA分子结构的主要特点；说明基因和遗传信息的关系；概述DNA分子的复制；概述遗传信息的转录和翻译。活动建议有两项：搜集DNA分子结构模型建立过程的资料，并进行讨论和交流；制作DNA分子双螺旋结构模型。1）知识目标

“总结人类对遗传物质的探索过程”属于应用性的内容。这部分内容的教学不是要求学生记住对遗传物质探索过程的史实，而是通过对科学过程的分析领悟科学实验的思想、方法、过程与价值。具体选择哪些科学史实？肺炎双球菌的转化实验以及噬菌体侵染细菌的实验是两个经典实验，应该进行具体的分析。烟草花叶病毒感染烟叶的实验主要用于说明RNA也可以作为遗传物质，在实验设计的思想与方法上与DNA是遗传物质的实验是类似的，因此可以从简些。具体目标包括：①分析肺炎双球菌转化实验及噬菌体侵染细菌的实验，证明DNA是遗传物质；②分析烟草花叶病毒侵染烟草的实验，证明RNA也是遗传物质；③总结遗传物质的共同特征；④评价人类探索遗传物质的实验设计思想与方法。

“概述DNA分子结构的主要特点”属于理解水平。只有明确DNA的结构特点，才能理解DNA对遗传信息的贮存、传递与表达等基本功能。要明确DNA的结构特点，首先应掌握DNA的结构及化学组成，具体目标包括：①概述DNA的元素组成、基本组成物质、结构单位、一级结构，以及沃森-克里克提出的双螺旋结构模型的基本论点；②说明DNA分子结构的稳定性、特异性和多样性。

“说明基因和遗传信息的关系”属于理解水平。本单元的核心内容是阐明基因概念，即从基因与性状的关系上说明基因是控制性状遗传的基本单位，从基因与染色体的关系上说明基因的存在部位及方式，从基因与DNA的关系上说明基因的化学本质，从功能上揭示基因中蕴涵着特定的遗传信息。具体目标包括：①举例说明基因是有遗传效应的DNA片段；②说明基因与遗传信息的关系。

“概述DNA分子的复制”也属于理解水平。DNA通过自我复制将遗传信息从亲代传递到子代，从而保持亲子之间的连续性。具体教学目标为：①概述DNA的复制场所、时间和过程，②说明DNA复制的条件、分子基础和特点，③揭示DNA复制的实质及意义。

“概述遗传信息的转录和翻译”仍然是理解水平。在子代的个体发育阶段，基因控制蛋白质合成的转录与翻译过程，从而使遗传信息得以通过性状而表达。具体目标为：①区别遗传信息转录的场所、模板、过程、结果与条件；②说明翻译过程是信使RNA、转运RNA、核糖体三者之间协同作用的结果；③DNA分子的碱基序列与蛋白质分子的氨基酸序列之间的对应关系上分析说明遗传密码的构成方式；③解说中心法则的论点和意义。④举例说明基因对生物性状的控制作用。2）情感态度与价值观目标

本单元蕴含了丰富的情感态度价值观的内容。课标在《遗传与进化》模块中提出了要“体验科学家探索生物生殖、遗传和进化奥秘的过程”，在具体内容标准中列出了应用层次的“总结人类对遗传物质的探索过程”的要求，可见通过生物科学史组织教学应该是本模块的基本要求。从人类对遗传物质的探索过程中，可以领悟人们对科学的认识是不断的深化与发展的；从肺炎双球菌的转化实验、噬菌体侵染细菌的实验以及DNA半保留复制等实验中，可以体会从实验材料的选择、研究思路的确定、技术手段的进步对研究过程所起的作用；从DNA双螺旋结构模的构建过程，可以看到不同学科的交叉与渗透以及合作在科学研究中的重要性。通过完美的DNA双螺旋结构模型，可以从分子水平领悟DNA分子之美，从复制、转录与翻译等过程，可以体验遗传信息的传递与表达过程中的和谐之美；从遗传密码可以感悟生物界多样性与共同性的统一。3）能力目标

课标建议活动“搜集DNA分子结构模型建立过程的资料，并进行讨论和交流”，应该尽量让学生自己去搜集相关的资料，这对于学生搜集、甄别、处理信息能力的培养是十分有帮助的。建议活动“制作DNA分子双螺旋结构模型”是要学生动手制作模型，要通过这一活动让学生体会模型构建在科学研究中的应用，同时培养空间想象能力及动手操作的能力。除了这两个活动外，本单元可以安排的探究活动是非常多的，这些活动分别可以从不同的方面培养学生的能力。如运用分析与推理的方法说明遗传物质应该具备的条件及DNA具备作为遗传物质的条件；尝试运用数学的方法分析遗传信息的多样性、碱基与氨基酸之间的对应关系等相关问题；用假说-逻辑推理的方法探究DNA的复制过程；用资料分析与推理的方法分析遗传信息的转录与翻译过程等等。2 对教学的几点思考

根据本单元的教学目标及内容特点，笔者以为以下几个方面值得关注： 1）充分发挥科学史的作用。生物学是一门自然科学，知识的结论都是通过观察与实验得出或验证的。本单元有着许多经典的科学实验，如肺炎双球菌的转化实验，噬菌体侵染细菌的实验，烟草花叶病毒侵染烟叶的实验，DNA双螺旋结构模型的构建，DNA的半保留复制的证明实验，遗传密码的破译实验等等。通过这些经典科学实验分析与体验，不仅要让学生获得科学知识，更应通过这些实验发展学生的科学探究能力，培养学生质疑、求实、创新及勇于实验的科学精神和科学态度。

如何运用好这些经典的实验素材呢？方法可以是多种多样的，教学中要依据教学目标、教学对象等因素的不同而确定。例如噬菌体侵染细菌的实验可组织如下的教学：

步骤一：提供背景资料。通过投影或视频介绍噬菌体以及噬菌体侵染细菌的过程，让学生明确在噬菌体侵染细菌的过程中，DNA进入了细菌细胞内，而蛋白质的外壳留在了细胞外。

步骤二：引发思考与讨论：

问题1：根据这个实验你能得出什么结论？为什么？

问题2：细菌和病毒那么小，用肉眼是无法观察到的，那么科学家怎么知道DNA进入到了细菌细胞内，而蛋白质没有进入的呢？ 问题3：用同位素标记什么元素？

问题4（如果学生无法回答问题3）：科学用32P和35S分别标记了噬菌体的DNA中的P和蛋白质中的S，为什么选择标记这两种元素呢？ 问题5： 用什么办法才能使噬菌体标记上同位素呢？

问题6：用含有同位素标记的噬菌体去侵染不含同位素标记的细菌，结果将会是如何？

问题7：在培养液中我们没有办法直接看到32P位于细菌内，35S位于细菌之外的，有什么办法能够知道呢？

步骤三：归纳总结。通过图示或CAI回顾总结噬菌体侵染细菌的实验过程，并作如下归纳： ①标记噬菌体

含 35S的培养基 含 35S的细菌 蛋白质外壳含35S的T2噬菌体

含 32P的培养基 含32P的细菌 内部DNA含32P的T2噬菌体 ②噬菌体侵染细菌

组别 被标记的噬菌体 被侵染细菌 处理 实验结果 成分 1 含35S的 T2噬菌体 未标记 的细菌 搅拌

离心 上清液放射性很高 主要是噬菌体外壳

沉淀物放射性很低 主要是细菌 2 含 32P的 T2噬菌体 未标记 的细菌 搅拌

离心 上清液放射性很低 主要是噬菌体外壳

沉淀物放射性很高 主要是细菌 ③原理与结论

亲代噬菌体 寄主细胞内 子代噬菌体 实验结论

32P标记DNA 有32P标记DNA DNA有32P标记 DNA分子具有连续性，是遗传物质

35S标记蛋白质 无35S标记蛋白质 外堑鞍字饰?5S标记 步骤四：深化讨论：

问题1．科学家选用噬菌体侵染细菌的实验来证明DNA是遗传物质，你认为有什么巧妙之处？这一实验与肺炎双球菌转化实验在实验设计的思想与方法上有什么共同之处？

问题2．同位素的标记还可以用于哪些类型的研究？

2）注重演绎、推理的运用。在科学发现过程中，与观察、实验法一样，演绎与推理也是科学发现的重要方法。课标也明确提出了《遗传与变异》教学应让学生领悟假说与演绎在科学研究中的作用的要求。在本单元的教学中，许多内容是适宜组织学生进行演绎与推理的，如遗传物质应该具备的条件，可从自然界生命现象的特点入手进行分析推理；DNA的双螺旋结构模型可以科学家相关的实验结果与数据为资料，引导学生去分析推理。下面重点以DNA半保留复制证明为例，说明演绎与推理在教学中的应用。

步骤一：作出假设。要求学生根据已有DNA结构等方面的知识对DNA可能的复制作出猜测，并对所猜测的复制方式作简要的描述。

步骤二：分析推演。告诉学生，科学家已证实，DNA是一种半保留式的复制。问题1：从理论上作出推演，如果是半保留复制，亲代的DNA分子复制后得到的第一代DNA和第二代DNA的组成是怎么样的？

问题2：你如何识别DNA中的哪一条链是母链哪一条是子链呢？（启发学生采用同位素标记的方法。）

问题3：你准备用同位素标记哪种物质？哪种元素？

问题4：如果原DNA是15N的，原料是14N的，那么请推演复制后的第一代DNA与第二代DNA中N的情况如何？用图解表示出来。

问题5：根据分析第一代的每条DNA都是一条链含有15N，另一条链含有14N的（表示为15N/14N—DNA）；第二代的DNA中有一半是14N/14N-DNA，另一半为15N/14N-DNA。但我们是看不出DNA分子的，有什么办法我们可以知道这一结论呢？

（引导学生考虑同位素除了放射性不同外，还有哪些性质。启发学生明确同位素的质量也是不相同的。）

问题6：根据同位素质量的不同，你有什么办法可以区别不同同位素标记的DNA呢？

问题7：如果对每一代的DNA进行离心分离，推演实验的结果会是怎样的呢？ 最后向学生介绍科学家所做的具体实验，并分析讨论DNA半保留复制的具体过程。

3）重视模型的构建与运用。模型构建是自然科学研究中的一种常用方法。在现代生物科学研究中，模型方法被广泛运用。模型方法也被引入新课标中。在生物科学学习中，模型提供观念和印象，是非常吸引学生的生动的感性材料，是学生知识结构的重要组成部分。本单元的两个建议活动都是与模型构建相关的，教学中要切实加以落实。

例如，DNA双螺旋结构模型的构建，教学中可以采取以下步骤：

步骤一：资料搜集。课前由学生搜集DNA双螺旋结构模型构建的相关资料，为课上进行交流与讨论作为准备。

步骤二：模型讨论。围绕模型构建过程的相关资料，提出问题让学生进行分析讨论，如：①哪些资料支持DNA是双链的结构？②哪些资料支持DNA碱基间的配对是嘌呤与嘧啶？哪些支持A与T配对，G与C配对？③哪些观点支持磷酸与核糖的骨架在螺旋的外部，碱基对在螺旋的内部？④DNA双螺旋结构模型的构建运用到了哪些学科的知识与方法？有哪些科学家为此作出了贡献？能够给你哪些方面的启迪？等等。

步骤三：模型构建。学生自己动手构建模型。

对于条件有限，学生搜集资料有困难的学校，也可由教师搜集并提供资料给学生进行讨论。例如，提供不同生物DNA碱基组成的材料以及嘌呤与嘧啶的分子结构资料，让学生分析碱基之间的数量关系，进而推测碱基间的可能配对关系等。4）重视直观教学手段的运用。本单元是内容复杂抽象，运用现代化的多媒体教学手段辅助教学，能充分体现多媒体手段的优势，化微观为宏观，化静止为动态。如DNA的复制过程，基因控制蛋白质的合成过程等，如果能制作或有选用一些多媒体动画，对促进学生理解知识知识，突破难点，提高教学质量是十分有益的。但要注意避免将知识的理解作为唯一的目标追求，用多媒体的手段替代学生活动过程及思维过程的做法。

如何运用多媒体组织教学，要依据教学目标、教学内容及教学对象的具体情况来确定。如噬菌体的结构，属于陈述性内容，而且了解其结构的目的是服务于对噬菌体侵染细菌的过程的理解，其结构的掌握本身并不是教学需要达成的目标，因此可通过幻灯片直接向学生介绍；噬菌体侵染细菌过程的也只是为了服务于DNA是遗传物质的实验证明的，因此也可以直接向学生展示侵染过程的动画。但DNA的半保留复制，就必须在学生充分分析推理探究的基础上再展示，其展示的目标在于进一步印证自己的分析推断，并加深对这一知识的理解。同样蛋白质的合成过程也不宜直接通过多媒体向学生展示其过程，媒体的使用宜用来提供学生分析推理的情境与资料，以及证明学生分析推理的结论，否则学生就失去了亲历探究的过程，思维训练被弱化，也就背离了课标的要求。

第四篇：高中生物必修1分子与细胞教学案

高中生物必修①《分子与细胞》教学案

【课 题】第3章细胞的基本结构 第3课时细胞器——系统内的分工合作

（二）【本节聚焦】

1、细胞器之间的协调配合

2、生物膜系统的结构和功能 【知识结构】

【自主学习】

1.分泌蛋白的合成和运输：

分泌蛋白是指在 合成，但是分泌到 起作用的蛋白质。此过程所采取的研究方法：。分析各细胞器在分泌蛋白的合成和运输中所起的作用：

核糖体：，内质网： ,高尔基体：，线粒体： 2.生物膜系统包括：细胞膜，核膜，细胞器膜

（双层膜：，单层膜：，，）这些膜的 和 很相似，在 和 紧密联系。3.生物膜系统在细胞生命活动中所起的作用： ① ； ② ；③ ； 【合作探究】

1.屏幕显示细胞的亚显微结构.并设计如下问题:(1).细胞内有哪些细胞器?各有什么功能?(2).蛋白质的合成场所是什么?(3).核糖体有哪几种存在形式?引导思考这两种类型的核糖体所合成的蛋白质有何不同呢? 引出分泌蛋白的概念,研究所采取的方法是同位素标记法.阅读资料分析: 回答课本问题

2.这些细胞器为什么在功能上有如此紧密的联系呢?这是由它们的结构决定的.屏幕展示细胞的亚显微结构.并设计下列问题:(1).具有单层膜的细胞结构有哪些?(2).具有双层膜的细胞结构有哪些?(3).细胞膜的化学成分是怎样的? 结构如何? 引出生物膜系统的概念.3.这些生物膜在结构上有什么联系呢? 结合图3-9 分析内质网与细胞膜、核膜直接联系.通过刚才对各细胞器之间的协调配合的学习中可见，各细胞器膜之间以及与细胞膜之间可通过“囊泡“以“出芽”，“突起”等形式相互融合。表现为生物膜之间的间接联系。最后分析细胞内的生物膜系统在细胞的生命活动中起着什么作用呢？ 【规律总结】

1、细胞的生物膜系统的概念(分析生物膜的成分和结构，结构和功能上的紧密联系)

2、通过分泌蛋白的合成和运输实例,理解细胞的生物膜系统在结构和功能上都是一个紧密联系的统一整体.3、细胞的生物膜系统的作用 【典题讨论】

1.内质网膜与核膜、细胞膜相连，这种结构特点表明内质网的重要功能之一是()A.扩展细胞内膜，有利于酶的附着 B.提供细胞内物质运输的通道 C.提供核糖体附着的支架 D.参与细胞内某些代谢反应

[精析]题中所阐述的结构特点分析，表达的是内质网重要的功能之一提供细胞内物质运输的通道。例如细胞内合成的胰岛素、抗体、血浆蛋白、各种消化酶等各种分泌蛋白，就是从这些膜构成的管道内通过，运输到高尔基体，经加工包装后再分泌到细胞外。[答案] B 2.体现各生物膜在结构上的联系，以“出芽”方式进行的是（）

A．核膜和内质网膜 B．内质网膜和细胞膜 C．细胞膜和高尔基体膜 D．细胞膜和线粒体膜 [精析] 本题从以下几方面分析：①各种生物膜在结构上的联系分为直接联系和间接联系两种方式；②内质网膜与核膜和细胞膜可直接相连，能直接相互转变而成，不需小泡作中介；③内质网膜、高尔基体膜、细胞膜之间不直接相连，需要以“出芽”的形式形成小泡.[答案] C 3.从某腺体的细胞中，提取出附着有核糖体的内质网，放入含有放射性标记的氨基酸的培养液中。培养液中含有核糖体和内质网完成其功能所需的物质和条件。很快连续取样，并分离核糖体和内质网。测定标记的氨基酸出现在核糖体和内质网中的情况，结果如下图所示。请回答：

(1)放射性氨基酸首先在核糖体上大量积累，最可能的解释是_______________。

(2)放射性氨基酸继在核糖体上积累之后，在内质网中也出现，且数量不断增多，最可能的解释是___。(3)实验中，培养液相当于细胞中的_________。

解析：核糖体是细胞内将氨基酸合成蛋白质的场所，内质网是蛋白质的运输通道。分析：在细胞内，游离的氨基酸应先进入核糖体，在核糖体内合成蛋白质，蛋白质合成后进入内质网被内质网运输。整个实验过程中，培养液相当于细胞质基质.答案：(1)核糖体是蛋白质合成的场所(2)蛋白质进入内质网中(3)细胞质基质 【课堂巩固】

1.下列哪种物质不是分泌蛋白（）A．抗体 B．血红蛋白 C．血浆蛋白 D．生长激素

2.分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，其运输的方向是()A．内质网→细胞膜→高尔基体 B.高尔基体→内质网→细胞膜 C．内质网→高尔基体→细胞膜 D.细胞膜→内质网→高尔基体 3.下列有关生物膜的叙述，正确的是（）（多选）A．各种生物膜的化学组成和结构完全相同

B．不同种细胞器或细胞结构的生物膜之间的可以相互转变的

C．生物膜的研究已经深入到分子水平

D．细胞内的生物膜既各司其职，又相互协作，共同完成细胞的生理功能 4.如图4－1－4所示为某动物细胞结构示意图，如果在一定时间内，让该细胞吸收放射性同位素标记的氨基酸，请回答下列问题：

(1).放射性同位素将依次出现在图中的哪些部位（用图中号码表示）(2).图上方的黑圆点首先是附着在[ ] 上的 [ ] 合成的 类物质。(3).它是由[ ] 再加工后形成的。(4).该系列过程需要[ ] 提供动力。【课后检测】 一．单项选择题

1．组成生物膜系统的生物膜是指()A、在结构上具有直接相连的生物膜 B、细胞内所有的生物膜 C、具有单层膜结构的细胞器 D、具有双层膜的细胞器 2.生物膜在结构上没有直接相连的是()A．内质网膜与外层核膜

B．内质网膜与细胞膜 C．高尔基体膜与内质网膜

D．内质网膜与线粒体外膜 3.下列有关生物膜转化的叙述中，正确的是（）A．生物膜的功能特性是膜之间转化的前提条件

B．一种膜结构的膜成为另一种膜结构的一部分与膜的流动性无关

C．任意两个膜结构之间的膜可以互相转变 D．囊泡成为具膜结构的一部分要靠膜融合 4.牛奶中含有乳球蛋白和酪蛋白等物质，在奶牛的形成过程中，与上述物质的合成和分泌有密切关系的细胞结构是（）

A．核糖体、线粒体、中心体、染色体 B．线粒体、内质网、高尔基体、核膜 C．核糖体、线粒体、质体、高尔基体 D．线粒体、核糖体、内质网、高尔基体 5.在处理污水时，人们设计出一种膜结构，将有毒重金属离子阻挡在膜的一侧，以降低 有毒重金属对水的污染，这是模拟了生物膜的()A.自由扩散功能 B．流动性 C.主动运输功能 D．选择透过性 6．把胰腺细胞培养在含某种氨基酸（用放射性同位素标记）的培养基中，最后测得细胞分．．．泌带有放射性的胰岛素。如果用仪器追踪上述过程中放射性同位素在细胞内出现的先后顺序，最可能是()①线粒体 ②核糖体 ③中心体 ④染色体 ⑤高尔基体 ⑥细胞膜 ⑦细胞核 A.①③④⑦⑥ B.⑥②⑤⑥ C.②③⑦④⑤ D.⑥②⑦④⑤ 二.多项选择题

7.若右图为小鼠某种淋巴细胞，下列分析中正确的是()A．该细胞分泌的物质可能是具有免疫功能的抗体 B．图示物质运输、分泌过程与线粒体有关 C．图中可见细胞内生物膜在结构上具有连续性 D．分泌蛋白通过胞吐方式排出细胞外

8.下列哪一项对于线粒体高效、有序完成其功能有意义()A．封闭双层膜结构，化学反应不受干扰 B.线粒体呈棒状 C．有内膜形成嵴，增大膜面积

D.含有许多有关的酶 三．简答题：

9.下表是某种动物细胞内的几种膜结构的化学成分表，请据此回答：

(1)表中的膜在结构上具有直接联系的是_________，只有在合成旺盛的细胞中才有直接联系的膜结构是______.(2)表中正常细胞膜物质含量的差别说明细胞膜具有的不同于其他膜的功能是_______.(3)癌细胞膜与正常细胞膜比较，膜的组成成分的差别是______，这样癌细胞膜与正常细胞膜在功能上的差别是______.10.科学工作者用绿色和红色荧光染料，分别标记人和鼠的细胞膜上的蛋白质，然后将两个细胞融合成一个细胞。起初，一半膜发绿色荧光，另一半膜发红色荧光。一段时间后，两种颜色的荧光均匀分布如右图

（1）该实验结果说明细胞膜，这是因为。

（2）若两个细胞融合成一个细胞后，将融合细胞置于0℃条件下保持40分钟，则融合细胞仍是一半膜发绿色荧光，另一半膜发红色荧光，这说明。课堂巩固答案：

1.B 2.C 3.BCD 4.（1）④→⑤→③→②→①

（2）5 内质网 4 核糖体 蛋白质（3）3 高尔基体（4）6 线粒体 课后检测答案: 1.B 2.C 3.D 4.B 5.D 6.B 7.ABCD 8.ACD 9.(1)细胞膜和内质网膜 内质网膜和线粒体膜(2)识别和信息传递(3)糖 细胞之间的黏着性减少

10.（1）具有一定的流动性 细胞磷脂分子和蛋白质分子大都是可以运动的

（2）细胞膜的流动性受温度影响，在低温条件下，磷脂分子和蛋白质分子的运动受到抑制

第五篇：高中生物必修一“分子与细胞”模块“细胞的结构”教学研究)作业

教学流程

设问引入→“问题探讨”→体验“生物膜结构的探索历程”→阐述“流动镶嵌模型的基本内容”

（一）情景创设

教师：同学们，在前面我们制作真核细胞的三维结构模型中，遇到过用什么材料做细胞膜的问题，现在有三种材料：塑料袋、普通布和弹力布，你选用哪种材料呢？为什么？

学生：细胞膜很薄，是细胞这个生命系统的边界。

学生：细胞膜是选择透过性膜，能够控制物质的进出，让一部分物质通过，其他物质不能通过。学生：植物细胞质壁分离和复原的实验告诉我们，细胞能够在一定范围内胀大和缩小，说明细胞膜具有一定的弹性。

学生：塑料袋只能满足作为系统边界的要求，普通布能够满足系统的边界和让一部分物质透过这两项功能的要求，只有弹力布能够满足前面提到的三项功能的要求。

教师：大家进行选择的依据是利用了细胞膜的功能，这体现了什么样的生物学思想呢？ 学生：生物体结构和功能相适应的思想。

教师：实际上，弹力布也并不能完全代替生物膜。要找到更好的材料，我们还需要对细胞膜的结构有更深的认识。

（二）师生互动

1、对生物膜结构的探索历程

教师：人们对事物的认识是有一个过程的，科学家当年正是怀着对物质跨膜运输现象产生的疑问，开始了对生物膜结构的孜孜以求地探索，历经了一百多年时间，走过了一条曲折的道路，直到现在仍有许多科学家在继续深入研究。让我们一起重温一下这段历史，会让大家对科学过程和本质的理解有所启发。我想让大家穿过时空隧道，回到一百多年前，假想一下：如果你是当时的一位科学家，你会怎样去研究细胞膜的结构？（提示学生，引导他们明白限于当时的技术条件，还不能亲眼看到生物膜，无法想像它的结构是什么样的，通过什么办法进行第一步的探究呢？引导学生看教材后明白当时科学家是从生理功能入手来探究的，通过实验观察，科学家才有严谨的推理，提出膜是由脂质组成这一假说，提示学生作出科学探究过程中作出假设后的步骤是什么（通过实验来验证假设），从而进入下面的学习。

学生：可以从现象入手，去进行推测。

教师：这就是生物学研究上常用的一种科学方法——假说法。这也是我们今天探究生物膜的结构的一个重要的方法，下面，就让我们沿着科学家的足迹，和科学家一起来研究这个问题。

问题（1）：探究细胞膜的组成成分是什么？ 展示材料①：欧文顿的实验及其相关的图片

时间：19世纪末 1895年 人物：欧文顿（E.Overton）

实验：用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行过上万次的实验，发现细胞膜对不同物质的通透性是不一样的：凡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。

教师：根据实验，你能提出什么假说？ 学生：提出假说：膜是由脂质构成的。

教师：在得出结论之后，还有没有必要对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？ 学生：有必要，通过鉴定能更准确地说明问题。

教师：那为什么一开始不直接对膜的成分进行提取、分离和鉴定呢？ 学生：当时的技术不能实现。教师：这说明什么问题呢？

学生：这说明技术对科学研究的重要作用。

教师：直至20世纪初，科学家才能第一次将细胞膜从哺乳动物红细胞中分离出来，化学分析表明，膜的主要成分的确是磷脂和蛋白质。从而以实验说明了欧文顿的假说是成立的。也就是说假说是在实验与观察的基础上提出来的，同时又需要更进一步的实验来证明。

问题（2）：探究这些物质是如何组成膜的？

出示资料②：1917年欧文·朗缪尔将提取的膜质铺展在水盘的水面上，发现脂在水面上形成一薄层，单脂层亲水的头朝向水面，疏水的尾背离水面。于是他提出：磷脂分子是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的分子，结构既有疏水基团（尾部），又有亲水基团（头部）。因为磷脂分子的“头部”亲水，所以在水—空气界面上磷脂分子是“头部”向下与水面接触，尾部则朝向空气一面。这样磷脂分子可以在空气和水的界面上展开为一层。

教师：大家分组讨论，利用手中的磷脂分子模型摆出下面两种情况下磷脂的分布情况①在空气-水界面上②完全浸没在水中

学生：小组代表上黑板演示

展示材料③：戈特 和格伦德对血影的研究 时间：1925年

人物：荷兰科学家Gorter和Grendel 实验：两位科学分离纯化了红细胞，从一定数量的红细胞中抽提脂类，按Langmuir的方法进行展层，并比较展层后的脂单层的面积和根据体积所推算的总面积，发现提取的脂铺展后所测的面积同实际测量的红细胞的表面积之比为（1.8～2.2）∶1，约为两倍。

教师：假如你是当时的科学家，当你做实验时发现单分子的磷脂分子正好是红细胞的两倍时，大胆地展开你的想象力，你能做出什么假说？

学生：细胞膜中的磷脂是两层的。

教师：那这两层磷脂分子在细胞中又是怎样排布的呢？再分小组讨论、利用你手中的模型摆出来吧。学生：分组讨论，共可有六种排布方式，并提出细胞膜应两面都处于水环境中，所以讨论得到正确的排布方式。

问题（3）：那蛋白质和磷脂的位置关系又是如何的呢？ 展示材料④：罗伯特森的单位膜模型 时间：1959年

人物：J.D.Robertson罗伯特森

实验：用超薄切片技术获得了清晰的细胞膜照片，显示暗—明—暗三层结构，厚约7.5 nm，它由厚约3.5 nm的双层脂质分子和内外表面各为厚约2 nm的蛋白质构成。

提出假说：连续的脂质双分子层组成膜的主体，磷脂的非极性端朝向膜内侧，极性端朝向膜外两侧，蛋白质以单层肽链的厚度，通过静电作用与磷脂极性端相结合，从而形成蛋白质—磷脂—蛋白质的三层结构，称之为单位膜。他提出真核细胞与原核细胞具有相同的膜结构。单位膜模型的主要不足在于：把生物膜的结构描述成静止的、不变的，这显然与膜功能的多样性相矛盾。

单位膜结构模型继承了前人的有关结论，又成功地利用了先进的电子显微镜的观察结果作为证据。但是他将生物膜描述为静态的刚性的结构，这一点很快又被新的技术手段下的实验所否定。

问题（4）：有什么证据证明细胞膜中的物质不是静态的呢？

教师放映变形虫的变形运动、白细胞吞噬病原体、细胞分裂的动画，让学生从感性上认识膜不是刚性结构。展示材料⑤：荧光标记小鼠细胞和人细胞融合实验

时间：1970年 人物：Larry Frye等

实验：将人和鼠的细胞膜用不同荧光抗体标记后，让两种细胞融合，杂种细胞一半发红色荧光、另一半发绿色荧光，放置一段时间后发现两种荧光抗体均匀分布。

提出假说：细胞膜具有流动性。

教师：很好，在继承前人的结论基础上，结合新的观察和实验证据，又有科学家提出一些关于生物膜的分子结构模型。其中1972年桑格（S.J.Singer）和尼克森（G.Nicolson）提出的流动镶嵌模型为大多数人所接受。

好，学到这里，纵观整个人们对建立生物膜模型的探索过程，我们有些话题想让大家思考讨论。以讨论小组的形式开展课堂讨论交流。

（1）生物膜的流动镶嵌模型是不是就完美无缺了呢？请说说你的看法。

学生：生物膜的流动镶嵌模型不可能完美无缺。人类对自然界的认识永无止境，随着实验技术的不断创新和改进，对膜的研究将更加细致入微，对膜结构的进一步认识将能更完善地解释细胞膜的各种功能，不断完善和发展流动镶嵌模型。的确，流动镶嵌模型是目前人们普遍认同的，但它无法完美地回答生物膜的所有功能。所以后来不断提出一些新的模型，如Wallach于1975年提出晶格镶嵌模型；Jain和White于1977年提出板块镶嵌模型等，迄今为止，已提出的生物膜结构模型达几十种之多，生物膜的结构模型虽然有很多种，但被广泛接受的结构模型基本内容是趋向一致的。其要点和特点基本相同，主要包括膜的分子组成和结构特征。

（2）纵观整个人们对建立生物膜模型的探索过程，你能谈谈实验技术的进步起到怎样的作用？ 学生：在建立生物膜模型的过程中，实验技术的进步起到了关键性的推动作用。如血影的制取和化学成分的鉴定技术使人们认识膜的化学组成；电子显微镜的诞生使人们终于看到了膜的存在；冰冻蚀刻技术和扫描电子显微镜技术使人们认识到膜的内外两侧并不对称；荧光标记小鼠细胞与人细胞的融合实验又证明了膜的流动性等。没有这些技术的支持，人类的认识便不能发展。

（3）分析生物膜模型的建立过程中，结构与功能相适应是如何得到体现的？

学生：在建立生物膜模型的过程中，结构与功能相适应的观点始终引导人们不断实践、认识，再实践、再认识；使人类一步步接近生物膜结构的真相。例如，不同生物膜的功能是有差异的。在生命系统中，一般来说，功能的不同常伴随着结构的差异，而早期的生物膜模型假定所有的生物膜都是相同的，这显然与不同部位的生物膜功能不完全相同是矛盾的。还有，不同膜的厚度也不完全一样。由此促进学者们重新研究脂质和蛋白质相互作用的问题。一些学者使用了更加先进的技术，运用红外光谱等技术证明，膜蛋白主要为球形结构。冰冻蚀刻电镜技术又证明，脂双层中分布有蛋白质颗粒，这样又发展了生物膜模型。生物膜中存在不同种类的蛋白质，以及蛋白质在生物膜中的不同分布情况，恰能较好地解释不同结构的生物膜具有不同的生理功能。

（4）分析生物膜模型的建立过程，你受到什么启示？

学生：科学研究是要在实验和观察的基础上，通过严谨的推理和大胆的想象，提出假说，再通过实验进一步地验证假说。

学生：科学研究依赖于技术的进步，技术进步了，可以得到更多新的实验数据。学生：科学发现的过程是一个长期的过程，涉及到许多科学家的辛勤工作。

学生：科学发现的过程不是一帆风顺的，往往是在继承的基础上不断验证、修正和完善发展的。

学生：科学家的观点并不全是真理，还必须通过实践验证；科学学说不是一成不变的，需要不断完善。教师：那流动镶嵌模型的具体内容是如何的呢？

（1）磷脂双分子层是生物膜的基本支架。其中磷脂分子的亲水性头部朝向两侧，疏水性的尾部相对朝向内侧。

（2）蛋白质分子有的镶嵌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，有的横跨整个磷脂双分子层。这里体现了膜结构内外的不对称性。

（3）在细胞膜的外侧，有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结构合形成的糖蛋白，叫做糖被。糖被与细胞识别、细胞间的信息交流有密切联系。

（4）磷脂分子是可以运动的，具有流动性。大多数的蛋白质也是可以运动的，也体现了膜的流动性。