高中生物梳理（不定期更新）

傻白虎也要学生物！

必修一

走进细胞

细胞学说

过程：

• 从器官到组织
  • 维萨里《人体构造》，进入器官水平
  • 比夏指出组织，进入组织水平
• 认识细胞
  • 胡克首先发现
  • 列文虎克观察到细菌、红细胞和精子
  • 马尔比基观察到细胞壁和细胞质
• 形成理论
  • 施莱登提出植物细胞学说
  • 施旺提出动物细胞学说
• 修正理论
  • 耐格里发现新细胞是老细胞分裂的结果
  • 魏尔肖总结“细胞通过分裂产生新细胞”

内容：

1. 细胞是一个有机体，一切动植物都由细胞发育而来，并由细胞和细胞产物构成
2. 细胞是一个相对独立的单位，既有他自己的生命，又对与其他细胞共同组成的整体生命起作用
3. 新细胞是由老细胞分裂产生的

意义：

• 揭示了动植物统一性，打破动植物学壁垒
• 打破了解剖学、生理学、胚胎学等学科的学科壁垒
• 使人类对生物学研究进入细胞水平，并为之后进入分子水平打下基础
• 为进化论提供基础

细胞是基本的生命系统

生命系统层次：细胞 \(\to\) 组织 \(\to\) 器官 \(\to\) 系统 \(\to\) 个体 \(\to\) 种群（一定范围同一种生物）\(\to\) 群落（一定范围所有生物）\(\to\) 生态系统（包含无机环境，生物圈是最大生态系统）

结论：无论从结构上还是功能上，细胞都是最基本的生命系统

注意，植物无系统，单细胞无组织到系统，病毒不是生命系统

细胞的多样性和统一性

多样性和统一性的表现和产生原因：

多样性：形态、结构、功能多样 原因：变异、适应、细胞分化

统一性：统一结构模式 原因：共同祖先、细胞分裂

原核细胞和真核细胞：

区别：有无以核膜为界限的细胞核

原核生物：细菌、支原体、衣原体等

真核生物：动物、植物、真菌、原生生物

病毒没有细胞结构，这俩都不是

蓝细菌：

特点：能进行光合作用

原因：有叶绿素和藻蓝素（注意，他没有叶绿体，这些色素位于光合片层）

分类：色球蓝细菌、颤蓝细菌、念珠蓝细菌、发菜

灾害：水华（淡水中） 形成原因：水体富营养化

组成细胞的分子

元素

大量元素：\(\ce{C,H,O,N,P,S,K,Ca,Mg}\)

微量元素：\(\ce{Fe,Cu,Mn,Zn,Co,Mo,Cr,Ni,V,F,Se,I,Si,Sn}\) 等

化合物含量

水：\(70-90\%\)

蛋白质：\(7-10\%\)

脂质：\(1-2\%\)

糖类与核酸：\(1-1.5\%\)

无机盐：\(1-1.5\%\)

检测

本实验选取的液体材料最好本身是无色或白色的

• 淀粉：碘液（变蓝色）

• 还原糖：斐林试剂（蓝色变砖红色）

  • 需要 \(50-65^\circ\text{C}\) 水浴加热 \(1-2\text{min}\)
  • 由甲液（\(0.1\text{g/mL}\) 的 \(\ce{NaOH}\) 溶液）和乙液（\(\text{0.05g/mL}\) 的 \(\ce{CuSO4}\) 溶液）等量混合

• 蛋白质：双缩脲试剂（蓝色变紫色）

  • 检测的实际上是蛋白质中的肽键，所以只要存在肽键，双缩脲试剂都能生效
  • 由 \(\text{1mL}\ A\) 液（\(\text{0.1g/mL}\) 的 \(\ce{NaOH}\) 溶液）和几滴 \(B\) 液（\(\text{0.01g/mL}\) 的 \(\ce{CuSO4}\) 溶液）混合

• 脂肪：苏丹 \(\text{III}\) 染液（变橘黄色）

  • 须用体积分数为 \(50\%\) 的酒精洗去浮色

水

一般生物体内含水量为 \(60-95\%\)

• 自由水：占体内水的 \(95.5\%\)
  • 水是很好的极性分子，因此是良好的溶剂
  • 水具有容易断裂和形成的氢键，因此液态水具有良好的流动性
  • 由于氢键的存在，水具有较高的比热容，温度不易改变，利于维持生命系统稳定性
  • 参与人体内的生化反应
• 结合水：占体内水的 \(4.5\%\)
  • 是细胞结构的重要组成部分
  • 与蛋白质、多糖等物质结合，失去了流动性和溶解性，成为生物体构成部分

自由水与结合水比例关系：

• 自由水越多，细胞代谢就越旺盛
• 结合水越多，细胞抗不良环境能力就更强

无机盐

细胞内大多数无机盐以离子形式存在

\(\ce{Na+,K+,Ca^2+,Mg^2+,Fe^2+,Fe^3+,Cl-,SO^{2-}4,PO^{3-}4,HCO^-3}\)

作用：

• 组成复杂化合物
  • \(\ce{Mg}\) 构成叶绿素
  • \(\ce{Fe}\) 构成血红素
  • \(\ce{P}\) 是组成细胞膜、细胞核的重要成分
• 维持细胞和生物体的生命活动
  • \(\ce{Na+}\) 缺乏引起神经、肌肉细胞兴奋性降低，引发肌肉酸痛、无力
  • \(\ce{Ca^2+}\) 缺乏，动物出现抽搐症状
• 维持生物体体内平衡
  • 酸碱平衡
  • 渗透压平衡

糖类

主要组成元素：\(\ce{C,H,O}\)

分类：

• 单糖：
  • 六碳糖：
    • 葡萄糖：细胞生命活动所需的主要能源物质
    • 果糖
    • 半乳糖
  • 五碳糖（构成遗传物质）：
    • 核糖（构成核糖核酸）
    • 脱氧核糖（构成脱氧核糖核酸）
• 二糖：两个单糖脱水缩合得到
  • 蔗糖：包含红糖、白糖、冰糖，常见于甘蔗和甜菜，由一个葡萄糖和一个果糖组成
  • 麦芽糖：在发芽的小麦等谷粒中常见，由两个葡萄糖组成
  • 乳糖：常见于动物乳汁中，由一个葡萄糖和一个半乳糖组成
• 多糖：
  • 淀粉：最常见的多糖，光合作用的产物，作为植物储能物质
  • 糖原：作为动物储能物质，多见于动物的肝脏和肌肉中
  • 纤维素：被称为“第七类营养素”，构成植物细胞细胞壁，不溶于水，人体内难消化，但能够促进人体消化
  • 几丁质：四类多糖中唯一一个不由葡萄糖构成的，常见于甲壳类动物和昆虫外骨骼，可用作废水处理、人造皮肤

还原糖：指除了蔗糖和多糖以外的糖

脂质

主要组成元素 \(\ce{C,H,O}\)，有些也有 \(\ce{P,N}\)

氧的含量远低于糖类，而氢的含量更高

通常不溶于水，易溶于脂溶性有机溶剂（丙酮、氯仿、乙醚等）

分类：

• 脂肪：又称三酰甘油或甘油三酯，由一分子甘油和三分子脂肪酸组成
  • 体内良好的储能物质
  • 很好的绝热体
  • 可以保护内脏器官
  • 不饱和脂肪酸：长链中存在双键，不易凝固
  • 饱和脂肪酸：长链中不存在双键，容易凝固
• 磷脂：一分子甘油的三个羟基分别链接两分子脂肪酸和一分子磷酸及其衍生物
  • 构成细胞膜、细胞器膜的重要成分
• 固醇：
  • 胆固醇：动物细胞膜的重要成分，参与人体血液中脂质的运输
  • 性激素：能促进人和动物生殖器官的发育和生殖细胞形成
  • 维生素 \(D\)：促进人体对 \(\ce{Ca,P}\) 的吸收

可以和糖类互相转化，糖类可以大量转化为脂肪，但脂肪只能缓慢转化为糖类

使用案例：北京鸭的“肥育”

蛋白质

目前已知的结构最复杂、功能最多样的分子，是生命活动的主要承担者

功能：调节、催化、运输、免疫、做结构

种类繁多：生物界蛋白质多达 \(10^{10}-10^{12}\) 种

基本组成单位：氨基酸

• 结构：每种氨基酸都至少有一个与中心碳原子相连的氨基和羟基，中心碳原子还和一个氢原子和一个侧链基团链接
• 数量：\(21\) 种
  • 非必需氨基酸：人体可以合成
  • 必需氨基酸：人体不能合成（赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸）

链接方式：

1. 合成氨基酸
2. 两个氨基酸脱水缩合（一个氨基脱去 \(\ce{H+}\)，另一个羟基脱去 \(\ce{OH-}\)，链接后得到肽键），形成二肽
3. 继续进行上述操作，形成多肽（常成链状结构，称为肽链；环状结构则称环状肽）
4. 一条或多条多肽经过盘曲折叠，形成蛋白质

二硫键：由两个 \(\ce{-SH}\) 脱去两个氢原子形成，有时在题目里会被 \(\ce{Se}\) 代替，此时二硫键断裂

总结蛋白质种类繁多的原因：

• 氨基酸种类繁多
• 一个蛋白质上的氨基酸数量多
• 不同种类氨基酸排列顺序
• 肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构

核酸

分为 \(\text{DNA,RNA}\) 两大类

• \(\text{DNA}\)：脱氧核糖核酸，主要分布在细胞核中，线粒体、叶绿体中也有少量
• \(\text{RNA}\)：核糖核酸，主要分布在细胞质中

核酸是遗传信息的携带者，可以储存、传递遗传信息，具有多样性、特异性

核苷酸：

• 脱氧核苷酸：由一分子脱氧核糖、一分子磷酸、一分子碱基（\(\text{AGCT}\)）组成
• 核糖核苷酸：由一分子核糖、一分子磷酸、一分子碱基（\(\text{AGCU}\)）组成

核苷酸脱水缩合形成核苷酸链，两条核苷酸链拼接，形成 \(\text{DNA/RNA}\)

总结核酸具有多样性的原因：

• 排列顺序多种多样
• 一个核酸中核苷酸数量繁多

生物大分子以碳链为骨架

典型代表：多糖、蛋白质、核酸

特点：

• 都由小分子有机物通过脱水缩合连接起来
• 都以碳链为骨架

因此，碳是生命的核心元素

细胞的基本结构

细胞膜

是系统的边界

功能：

• 将细胞与外界环境分隔开
  • 为细胞提供相对独立的系统，保障内部环境相对稳定
• 控制物质进出细胞
  • 营养物质进入，废物排除，抗体、激素等物质分泌，阻止不需要的物质入，阻止需要物质出
  • 控制作用是相对的
• 进行细胞间信息交流
  • 内分泌细胞分泌激素通过血液，与靶细胞细胞膜表面受体结合（胰岛素）
  • 相邻两个细胞细胞膜接触（精卵识别结合）
  • 相邻两个细胞间形成通道（高等植物的胞间连丝）

结构探索：

• 欧文顿猜测细胞膜主要组成部分中有脂质（易溶于脂质的物质比不易的更容易穿过）
• 得出细胞膜的脂质包含磷脂和胆固醇
• 戈特和格伦德尔用丙酮提取脂质，推断得单层分子的面积恰为红细胞表面积的两倍，得出磷脂双分子层（选用红细胞：内部没有细胞核和大部分细胞器）
• 丹尼利和戴维森发现细胞膜表面张力小于油—水界面表面张力，猜测有蛋白质
• 罗伯特森通过电镜观察到细胞膜暗—亮—暗三层结构，于是猜测细胞膜为蛋白质—脂质—蛋白质的静态统一结构（最后都被证伪了）
• 冰冻蚀刻技术 \(\to\) 蛋白质镶嵌在磷脂双分子层中
• 荧光标记技术（人鼠细胞融合实验）\(\to\) 细胞膜具有流动性
• 辛格和尼科尔森提出流动镶嵌模型

流动镶嵌模型：

• 构成分子：磷脂分子、蛋白质分子、与脂质和蛋白质结合的糖
• 磷脂双分子层是细胞膜的基本支架，内部为疏水端，外部为亲水端
• 蛋白质镶嵌或贯穿于磷脂双分子层中（用于物质运输）
• 细胞膜具有流动性（磷脂分子可以侧向自由移动，膜中蛋白质大都也能移动）

各类物质占比：

\(50\%\) 脂质，\(40\%\) 蛋白质，\(10\%\) 糖类

细胞器

位于细胞质基质中

分离方式：差速离心法

分类：

• 双层膜：内共生学说
  • 线粒体：
    • 包含基质、内外膜、嵴，含有少量 \(\text{DNA,RNA,}\) 核糖体，呼吸酶
    • 供应细胞生命活动 \(95\%\) 的能量
  • 叶绿体：
    • 通常呈椭球状，但水棉的呈条带状
    • 包含叶绿体基质、内外膜、基粒、类囊体（内涵色素和光合酶），含有少量 \(\text{DNA,RNA,}\) 核糖体
    • 将光能转化为化学能
    • 分布于绿色植物的叶肉、幼茎皮层、幼果皮、保卫细胞中
• 单层膜：
  • 内质网（只有真核有）：
    • 光面内质网合成脂质
    • 粗面能内质网有核糖体，能够对蛋白质进行合成、加工和运输
  • 高尔基体（只有真核有）：
    • 对来自内质网的蛋白质进行加工、分类、包装
    • 在植物体中负责纤维素的合成
  • 溶酶体（主要分布在动物细胞中）：
    • 含有 \(60+\) 种酶，能够分解衰老损伤细胞器，以及杀吞细菌、病毒
    • 由高尔基体上的小球形成
  • 液泡（主要分布于植物细胞中）：
    • 内涵细胞液（专有术语），存储糖类、无机盐、可溶性色素、蛋白质
    • 能调节细胞内环境（如渗透压），使得细胞维持形态坚挺
• 没有膜
  • 核糖体：
    • 有蛋白质和 \(\text{RNA}\)，能够合成没有活性的蛋白质（得到高尔基体那里）
    • 附着在内质网上的制造分泌蛋白、膜蛋白和酶
    • 游离的则制造胞内蛋白
  • 中心体（主要分布于动物和低等植物细胞）：
    • 有中心粒，与细胞的有丝分裂有关

细胞器由细胞骨架支撑

协调配合：

例子：游离核糖体合成肽链 \(\to\) 一起转移到内质网上继续合成 \(\to\) 通过囊泡将蛋白质运输到高尔基体上 \(\to\) 高尔基体对蛋白质做修饰加工 \(\to\) 转运蛋白质至细胞膜（整个过程能量由线粒体提供）

由膜构成的囊泡运输物质，而高尔基体起交通枢纽作用

生物膜系统：

• 使得细胞具有相对稳定内部环境，对物质运输、能量转化、信息传递起决定性作用
• 为多种酶提供了附着位点
• 使得细胞内能够同时进行多种化学反应，而不互扰，保证细胞生命活动有序高效

细胞核

功能：控制细胞代谢和遗传 \(\to\) 是遗传信息库，是细胞代谢和遗传的控制中心

结构：

• 核膜：双层膜，把核内物质和细胞质分开
• 核仁：与某种 \(\text{RNA}\) 的合成以及核糖体的形成有关
• 染色质：由 \(\text{DNA}\) 和蛋白质组成，前者是遗传信息载体
• 核孔：实现核质间平凡的物质交换和信息交流

染色质在分裂时形成染色体，分裂结束后，染色体又变回染色体，所以二者是同一物质在细胞不同时期的两种存在状态

细胞物质的输入输出

被动运输

动物的细胞膜和植物的原生质层都可以看做半透膜

渗透作用：如果半透膜两侧存在浓度差，浓度低的一边的水分子向浓度高的一边流

植物细胞在失水的过程中会发生质壁分离的现象

两种不耗能得物质进出细胞的方式（都是浓度高到低）：

• 自由扩散：物质通过简单的扩散作用直接进出细胞的方式（氧、二氧化碳、甘油、乙醇、苯）
• 协助扩散：借助膜上的转运蛋白进出细胞的物质扩散方式（葡萄糖、氨基酸、水）
  • 转运蛋白分为载体蛋白和通道蛋白，并且载体蛋白只允许与自身结合部位相适应的物质通过

主动运输和胞吞胞吐

主动运输：

• 特点：逆浓度梯度、需要载体蛋白的协助、耗能

• 过程：物质与载体蛋白特定部位结合，然后在细胞内化学反应释放能量的推动下，载体蛋白空间结构发生变化，将于它结合的物质在另一侧释放，然后再回复原状

• 意义：选择吸收需要的物质，排除代谢废物和对细胞有害的物质

胞吞胞吐：

• 特点：耗能、需要受体蛋白

• 胞吞：大分子与受体蛋白结合，内陷形成小囊，然后小囊从细胞膜上分离下来，进入细胞内部

• 胞吐：先在细胞内形成囊泡，囊泡移到细胞膜处，与之融合，将大分子排出细胞

主动运输和胞吞胞吐的意义：

• 体现蛋白质是生命活动承担者
• 是细胞膜具有选择性透过性的结构基础
• 印证磷脂双分子层流动性意义

细胞的能量供应与利用

酶

细胞代谢：细胞中每时每刻进行的化学反应的统称

加快物质分解的方式（\(\ce{H2O2}\)）：

• 加热：将过氧化氢分子从常态转化为活化态
• \(\ce{Fe^3+}\)：降低了反应所需的活化能
• \(\ce{H2O2}\) 酶：大大降低了反应所需的活化能，比无机催化剂作用更显著，效率更高

作用：使得细胞代谢在温和条件下快速有序进行

酶的探索：

• 我国在夏禹时代掌握酿酒技术，“酶”字在《康熙字典》被收录
• 巴斯德提出发酵需要酵母菌活细胞，而李比希认为引起发酵的是酵母菌中某些等酵母菌死了才能发挥作用的物质
• 毕希纳发现引起发酵的酿酶
• 萨姆纳提取纯脲酶（溶剂为丙酮），并证明其为蛋白质
• 切赫和奥尔德曼发现少数 \(\text{RNA}\) 也有生物催化功能

酶的定义：活细胞产生的具有催化性质的有机物，绝大多是是蛋白质

性质：高效性、专一性（原因：蛋白质空间结构）、较加热等条件更温和

影响因素：温度、酸碱性

ATP

名称含义：

• \(A\to\) 腺苷（由腺嘌呤和核糖结合而成）
• \(T\to 3\)（代表有三个磷酸基团）
• \(P\to\) 磷酸基团

\(\ce{ATP}\) 是一种高能磷酸化合物，水解后形成 \(\ce{ADP + Pi}\)，接受能量后再形成 \(\ce{ATP}\)（动态平衡）

这种转化机制任何生物细胞内都一样，体现统一性

利用：大脑思考、电鳐发电和物质主动运输

\(\ce{ATP}\) 水解释放的磷酸基团使蛋白质等分子磷酸化，改变空间结构与活性，因此可参与特定化学反应

例：主动运输中，\(\text{ATP}\) 在载体蛋白的催化下，\(\ce{Pi}\) 脱离并于载体蛋白结合（载体蛋白磷酸化）

释放能量的反应为 \(\ce{ADP + Pi}\) 提供能量转化为 \(\ce{ATP}\)，吸收能量的反应则再将 \(\ce{ATP}\) 水解