高中人教版生物必修一

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生物 人教版 必修一

第一章 走近细胞

第 1 节 细胞是生命活动的基本单位

细胞学说及其建立过程

建立过程：

• 比利时的维萨里：揭示了人体在器官水平的结构；
• 法国的比夏：揭示了器官由组织构成；
• 英国的罗伯特·胡克：发现并命名了细胞，但观察到的是死细胞；
• 荷兰的列文虎克：用显微镜观察到了活细胞（细菌、红细胞、精子等）；
• 意大利的马尔比基：用显微镜观察了动物细胞的细微结构；
• 德国的施莱登和施旺：建立了细胞学说；
• 德国的耐格里：发现了新细胞的产生是细胞分裂的结果；
• 德国的魏尔肖：总结细胞通过分裂产生新细胞。

并不是一切生物都由细胞构成，病毒无细胞结构但属于生物；
新细胞也可由老细胞相互融合形成，如受精卵。

主要内容：

• 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所构成；
• 细胞是一个相对独立的单位，既有它自己的生命，又对其他细胞共同组成的整体生命起作用；
• 新细胞是由老细胞分裂而成的（是魏尔肖总结出的）。

意义：

• 揭示了动物植物的统一性，从而阐明了生物界的统一性；
• 使人们认识到植物动物有着共同的结构基础 —— 细胞，在思想观念上打破了在植物学和动物学之间的壁垒，催生生物学的问世；
• 标志着生物学的研究由器官、组织水平进入细胞水平，为进入分子水平打下基础；
• 解释了个体发育，也为后来生物进化论的确立埋下了伏笔。

细胞学未涉及到原核细胞、病毒、真菌，以及生物或细胞的差异性（多样性）。

归纳法：

• 指由一系列具体事实推出一般结论的思维方法，分为不完全归纳法（很可能是可信的，但要注意例外的可能）和完全归纳法。

细胞是最基本的生命系统

细胞：

• 单细胞生物：能够独立完成生命活动，常见的有：大肠杆菌、眼虫、变形虫、酵母菌、衣藻、草履虫等；
• 多细胞生物：依赖各种分化的细胞密切合作，共同完成一系列复杂的生命活动（以细胞为基础）；
• 非细胞结构的生物：病毒的生命活动离不开细胞，必须寄生在活细胞中才能完成复制等生命活动。

生命系统的结构层次：

• 定义：能独立与所处的环境进行物质与能量交换，并在此基础上实现内部的有序性发展与繁殖的系统。
• 细胞：是生物体结构和功能的基本单位；
• 组织：由形态相似，结构、功能相同的细胞联合在一起形成的细胞群；
• 器官：不同的组织按照一定的次序结合在一起形成的能完成某一生理功能的结构；
• 系统：能够共同完成一种或几种生理功能的多个器官按照一定次序组合在一起形成的结构；
• 个体：由各种器官或系统协调配合共同完成复杂的生命活动的生物（单细胞生物由一个细胞构成生物体）；
• 种群：在一定空间范围内，同种生物的所有个体形成一个整体；
• 群落：同一时间内聚集在一定区域中的各种生物种群的集合；
• 生态系统：一定空间范围内，由生物群落与它所生活的无机环境相互作用而形成的统一整体；
• 生物圈：地球上全部生物及其无机环境的总和。

无细胞结构的病毒不能独立进行生命活动；分子原子也不能实现生命活动，均不属于生命系统。

病毒

• 成分：一般由蛋白质（动物细胞的蛋白质有衣壳、神经氨酸酶和血凝素）和核酸（\(\text{DNA}\) 或 \(\text{RNA}\)）组成，有的病毒还含有脂质等；
• 大小：一般情况下约为 \([20,300] \text{nm}\)，只有在电子显微镜下才能观察到；
• 代谢与繁殖：寄生生活，属于消费者。因为没有细胞结构，缺少代谢所需酶系统，需要在活细胞内表现出生命迹象；
• 种类：根据宿主细胞的不同，可以分为动物病毒、植物病毒、细菌病毒（噬菌体）；根据遗传物质的不同，又可分为 \(\text{DNA}\) 病毒（乙肝、天花等）和 \(\text{RNA}\) 病毒（烟草花叶、流感）；
• 作用：
  • 动物细胞工程：用灭活的病毒作为动物细胞融合诱导剂；
  • 基因工程：利用病毒作为运载体，将目的基因导入受体细胞；
  • 疫苗。

噬菌体的增值过程为吸附、注入核酸、复制（合成核酸）、合成病毒蛋白质、组装、释放。

第 2 节 细胞的多样性和统一性

显微镜

构造：

使用步骤：

• 制作临时装片：擦拭载玻片、盖玻片、滴清水（动物细胞使用生理盐水）、取材、展平（或涂匀）、盖上盖玻片、染色；
• 使用显微镜观察：
  • 取镜与安放；
  • 对光：使大光圈对准通光孔，转动反光镜，使视野明亮；
  • 低倍镜观察：
    • 置片：标本正对通光孔中心；
    • 侧面观察降镜筒：转动粗准焦螺旋；
    • 找到清晰物像：先转动粗准焦螺旋调出物像，再用细准焦螺旋调清物像。
  • 高倍镜观察：
    • 移动装片，将物像移至视野中央；
    • 转动转换器，换成高倍物镜；
    • 调节反光镜或光圈，使视野亮度适宜、调节细准焦螺旋，使物像清晰。

换用高倍镜后，若视野太暗，应先换大光圈或凹面镜使视野明亮，再调节细准焦螺旋；
观察深色材料视野应适当调亮，反之亦然；
若使用高倍镜观察反的标片，会因为标本离物体太远而观察不到。

原核细胞和真核细胞

• 分类依据：有无以核膜为界限的细胞核。

常见的原核生物：

• 蓝细菌：
  • 结构：比其他细菌大，无核膜（有拟核），无染色体，有细胞壁，只有核糖体这一细胞器；
  • 代谢类型：含有藻蓝素和叶绿素，能进行光合作用，属于自养生物。
  • 种类：色球蓝细菌、颤蓝细菌、念珠蓝细菌、发菜等。
• 大肠杆菌：
  • 结构：无核膜（有拟核），无染色体，有细胞壁、细胞膜和细胞质，只有核糖体一种细胞器；
  • 代谢类型：腐生或寄生生活，异养生物。

腐生：将动植物遗体残骸中的有机物分解成无机物从而获得营养的生活方式；
寄生：一种生物从另一种生物的体液、组织或已消化的物质中获取营养的生活方式；
自养生物：指自己制造有机物进行生命活动的生物；
异养生物：不能自己制造有机物，只能直接或间接利用自养生物制造的有机物进行生命活动的生物。

两者区别：

项目	原核细胞	真核细胞
模式图
细胞大小	约 \([1,10] \text{μm}\)	约 \([20,30] \text{μm}\)
染色体	无染色体，\(\text{DNA}\) 分子以裸露的环状形式存在	有染色体，\(\text{DNA}\) 分子与蛋白质结合形成
细胞壁	除支原体外都由细胞壁，某些细菌细胞壁主要成分为多肽聚糖	植物细胞有细胞壁（主要成分为纤维素和果胶），动物细胞无细胞壁，真菌细胞有细胞壁（主要成分为葡聚糖或几丁质等）
生物类群	细菌（如蓝细菌、大肠杆菌等）、放线菌、支原体、衣原体、立克次氏体等	真菌、植物、动物

能进行光合作用的生物不一定含有叶绿体；能进行有氧呼吸的生物不一定含有线粒体；单细胞生物不一定是原核生物；没有细胞核的细胞不一定是原核细胞；病毒既不是原核生物也不是真核生物。

第二章 组成细胞的分子

第 1 节 细胞中的元素和化合物

组成细胞的元素

和无机自然界的关系：

• 统一性：组成细胞的化学元素，在无机自然界中都能找到；
• 差异性：组成生物体的化学元素，在生物体内和无机自然界中的相对含量相差很大。

生命起源起源于无机自然界，生物体有选择性地从无机自然界获取组成自身的物质。

分类：

• 大量元素：\(\ce{C,H,O,N,S,K,Ca,Mg}\) 等；
  • 基本元素：\(\ce{C,H,O,N}\)。在细胞中含量很高；
  • 最基本元素：\(\ce{C}\)。
• 微量元素：\(\ce{Fe,Mn,Zn,Cu,B,Mo}\) 等，也是生活必须的。

生物体内含有的元素不一定都是必须的，例如 \(\ce{Pb}\)。

组成细胞的化合物

存在形式：

• 元素大多以化合物的形式存在；
• 少数是以离子的形式存在，如 \(\ce{K+}\)；
• 个别以单质形式存在，如硫细菌的硫。

组成细胞（鲜重，既含有自由水的重量）的主要化合物：

• 无机化合物：
  • 水（\([70\%,90\%]\)）；
  • 无机盐（\([1\%,1.5\%]\)）；
• 有机化合物：
  • 脂质（\([1\%,2\%]\)）；
  • 蛋白质（\([7\%,10\%]\)）；
  • 核酸、糖类（\([1\%,1.5\%]\)）。

检测脂肪

实验步骤：

• 取材：花生种子，浸泡 \(3\) 到 \(4\) 个小时，去掉种皮；
• 切片：用刀片在花生子叶的横断面上平行切下若干薄片，放入盛有清水的培养皿待用；
• 制片：
  • 选切片：选最薄的切片，置于载玻片中央；
  • 染色：在花生子叶薄片上滴 \(3\) 滴苏丹 \(\text{III}\) 染液，染色 \(3 \text{min}\)；
  • 去浮色：用吸水纸吸去染液、滴加一两滴体积分数为 \(50\%\) 的酒精溶液洗去浮色（苏丹 \(\text{III}\) 易容于酒精）；
  • 制作临时装片：用吸水纸吸去酒精，滴一滴蒸馏水，盖上盖玻片；
• 使用显微镜观察，可见被染成橘黄色的脂肪颗粒。

浸泡时若时间过短不易切片，时间过长组织太软切下不易成形。若是新鲜种子则不必浸泡；
尽可能切薄切片，否则显微镜下看到的细胞重叠影响观察；
染色时，时间过短会使染色不充分不易观察，时间过长会使细胞全部着色观察不到。

检测蛋白质

选材：大豆种子组织研磨液。

进行反应：

• 将 \(1 \text{mL}\) 双缩脲 A 液（\(0.1 \text{g/mL} \ce{NaOH}\)）和 \(2 \text{mL}\) 组织样液加入试管，创造碱性反应环境；
• 加入 \(4\) 滴双缩脲 B 液（\(0.01 \text{g/mL} \ce{CuSO4}\)），摇匀，观察到变为紫色，反应式如下：

• 所以证明其含蛋白质。

材料应选择无色或白色且蛋白质含量丰富的生物组织；
必须先加入 A 液再加入 B 液，创造碱性反应环境；
三肽及多肽都能和双缩脲产生紫色反应。
如果先加 B 液或 A、B 液同时加入，会导致 \(\ce{CuSO4}\) 在碱性溶液中反应为 \(\ce{Cu(OH)2}\) 沉淀，呈现蓝色。

检测还原糖

选材：先择含糖量较高、颜色浅的植物组织。

制备组织样液：制浆、过滤（用一层纱布）、取滤液。

进行反应：

• 将甲液（\(0.1 \text{g/mL} \ \ce{NaOH}\)）和乙液（\(0.05 \text{g/mL} \ \ce{CuSO4}\)）混合进行反应：

\[\ce{CuSO4 + 2NaOH \xlongequal{} Cu(OH)2 + Na2SO4} \]

\[\ce{Cu(OH)2 + 2NaOH \xlongequal{} Na2[Cu(OH)4]} \]

• 得到斐林试剂，再取待测溶液 \(2 \text{mL}\) 和刚刚配置的斐林试剂 \(1 \text{mL}\) 加入试管，将试管在 \(50℃ \sim 65℃\) 水浴加热的条件下进行反应：

\[\ce{2Na2[Cu(OH)4] + RCHO \xlongequal{50℃ \sim 65℃} RCOONa + Cu2O v + 3H2O + 3NaOH} \]

• 生成砖红色沉淀，证明待测溶液中有还原糖。

不宜使用蔗糖、淀粉过多的选材，因为他们不是还原糖；
不宜使用有颜色的材料，会掩盖显色反应的结果；
斐林试剂要现用现配，若放置时间长了会有沉淀析出，反应速度减慢甚至不发生反应。若无法做到现用现配，可使用本尼迪特试剂，但反应速率、灵敏度会略低于斐林试剂；
实验的颜色变化：浅色或无色、蓝色（\(\ce{Na2[Cu(OH)4]}\)）、棕色、砖红色沉淀；
加热时，试管底部不要触及烧杯底部；要确保试管液体受热均匀。
用斐林试剂检测蛋白质：可以将斐林试剂的乙液用蒸馏水稀释 \(5\) 倍后作为双缩脲试剂 B 液使用，或减少乙液用量。

第 2 节 细胞中的无机物

水

生物种类不同含水量一般不同，一般为 \([60\%,95\%]\)，水母可达到 \(97\%\)，是活细胞中含量最多的。

结构：

• 水分子具有极性，决定了水是良好的溶剂；
• 水分子间存在氢键，决定了水具有流动性；
• 较高的比热容，决定了水的温度相对不容易发生改变。

存在形式：

• 自由水：
  • 在细胞中以游离形式存在，可以自由流动，约占 \(95.5\%\)；
  • 作用：是细胞内良好溶剂、参与生物化学反应、为多细胞生物细胞提供液体环境、运送营养物质代谢废物。
• 结合水：
  • 与细胞内其他物质相结合，不能自由流动，约占 \(4.5\%\)；
  • 是细胞结构的重要组成部分。

自由水与结合水的比值越大，新陈代谢越旺盛，但抗逆性越差，反之亦然

无机盐

存在形式：

• 大部分以离子形式存在；
• 少数以化合物形式存在，如 \(\ce{Fe}\) 在血红素中、\(\ce{Mg}\) 在叶绿素中。

作用：

• 组成某些复杂化合物；
• 维持细胞和生物体的生命活动：
  • 缺乏 \(\ce{Na+}\) 引起肌肉酸痛、无力；
  • 哺乳动物缺乏 \(\ce{Ca^{2+}}\) 会痉挛，太高会肌无力。
• 维持细胞的渗透压和细胞正常的形态：\(\ce{Na+, Cl-, K+}\) 有着重要作用；
• 维持细胞酸碱平衡：某些无机盐离子组成重要的缓冲体系，如 \(\ce{H2PO4-, HPO4^{2-}}\) 和 \(\ce{H2CO3, HCO3-}\) 等。
• 对植物生长发育有影响：
  • \(\ce{N}\) 能促进细胞分裂生长，枝叶繁茂，缺乏会矮小瘦弱，叶片发黄；
  • \(\ce{P}\) 能促进幼苗的发育和花的开放，缺乏会变得矮小、叶片暗绿色，成熟延迟；
  • \(\ce{K}\) 可使茎秆健壮，促进淀粉形成运输，缺乏会软弱易倒，叶片边缘尖端褐色并逐渐焦枯，果实少而不饱满。

第 3 节 细胞中的糖类和脂质

糖类

元素组成：

• 一般由 \(\ce{C,H,O}\) 三种元素构成（几丁质还有 \(\ce{N}\)）；
• 一般氢原子和氧原子数目之比为 \(2:1\)，因此又被称为「碳水化合物」，即 \(\ce{CH2O}\)；

并不是 \(2:1\) 的所有化合物都是糖类，如甲醇 \(\ce{CH2O}\)。

单糖、二糖和多糖：

单糖：不能水解的糖，可直接被细胞吸收：

• 五碳糖：
  • 核糖：\(\ce{C5H10O5}\)，是 \(\text{RNA}\) 的组成成分之一；
  • 脱氧核糖：\(\ce{C5H10O4}\)，是 \(\text{DNA}\) 的组成成分之一；
• 六碳糖（\(\ce{C6H12O6}\)）：
  • 果糖：主要分布在植物细胞，提供能量；
  • 半乳糖：主要分布在动物细胞，提供能量；
  • 葡萄糖：主要分布在动植物细胞，是细胞生命活动所需要的主要能源物质。

二糖：由两分子单糖脱水缩合而成，一般要水解为单糖才能被吸收（\(\ce{C11H22O11}\)）：

• 蔗糖：水解产生 \(1\) 分子葡萄糖和 \(1\) 分子果糖，主要分布在植物细胞；
• 麦芽糖：水解产生 \(2\) 分子葡萄糖，主要分布在植物细胞；
• 乳糖：水解产生 \(1\) 分子葡萄糖和 \(1\) 分子半乳糖，主要分布在人和动物的乳汁。

多糖：由许多单糖分子连接而成，生物体内的糖类绝大多数以多糖的形式存在（\(\ce{(C6H10O5)_n}\)）：

• 淀粉：主要分布在植物细胞，是重要的储能物质；
• 纤维素：主要分布在植物细胞，是细胞壁的主要组成部分；
• 肝糖原：主要分布在动物肝脏，储存能量，调节血糖；
• 肌糖原：主要分布在动物肌肉，储存能量，不能水解成葡萄糖，只能转化为乳酸等物质，运输到肝脏再被利用；
• 几丁质：\(\ce{(C8H13O5N)_n}\)，主要分布在甲壳类动物和昆虫的外骨骼（绿藻中也有），可用于废水处理、制作食品包装纸和食品添加剂、制作人造皮肤等。

淀粉、糖原和纤维素的基本组成单位都是葡萄糖，理化性质的不同是由于葡萄糖连接方式不同；
几丁质的基本组成单位是 \(\ce{N}\) - 乙酰氨基葡萄糖。

不是所有糖类都是能源物质，例如核酸和脱氧核酸不能氧化供能；
二糖或多糖必须水解成单糖才能被细胞吸收，所以蔗糖只能口服；
糖不一定有甜味，有甜味的也不一定是糖；

功能：

• 是主要的能源物质；
• 是构成细胞和生物体的重要成分；
• 是细胞中的储能物质；
• 是细胞识别的信号分子。

糖类的甜味：

糖类是多羟基醛或多羟基酮以及它们缩合而成的聚合物，甜味来自糖的分子结构中的羟基，含羟基结构的化合物大多数具有甜味（例外：甘油「丙三醇」、甘醇「乙二醇」等）。在糖类中，最甜的糖类是果糖。

脂质

元素组成：

• 一般为 \(\ce{C,H,O}\)，有些脂质还有 \(\ce{P,N}\)；
• 脂质分子中氧的含量远远低于糖类，而氢的含量更高；
• 不同种类的脂质分子结构差异很大，通常不溶于水，而溶于脂溶性有机溶剂，如丙酮、氯仿、乙醚等。

光面内质网能合成脂质、粗面内质网能合成蛋白质。

脂肪（储能脂质）：

• 构成：三分子脂肪酸 + 一分子甘油 \(\xlongequal{}\) 三酰甘油；
• 种类：植物脂肪（含有不饱和脂肪酸）和动物脂肪（含有饱和脂肪酸）：
  • 饱和脂肪酸：没有不饱和双键，熔点较高，室温呈固态，稳定，不易被氧化；
  • 不饱和脂肪酸：有一个或多个不饱和双键，熔点较低，室温呈液态，不稳定，容易被氧化。
• 功能：细胞内良好的储能物质，有保温、缓冲和减压等作用；
• 分布：主要在人和动物体的皮下、大网膜和肠系膜等部位。

（未配平）

磷脂（结构脂质）：

• 功能：构成细胞膜和多种细胞器膜的重要成分；
• 分布：人和动物的脑、卵细胞、肝脏以及大豆的种子等中；

固醇（活性脂质）：

• 胆固醇：是构成动物细胞膜的重要成分，在人体内还参与血液中脂质的运输，在许多动物性食物中含量丰富；
• 性激素：促进生殖器官的发育和生殖细胞的形成，睾丸分泌雄激素，卵巢分泌雌激素；
• 维生素 D：促进肠道对钙和磷的吸收，分布广泛。

只有脂肪可被苏丹 \(\text{III}\) 染成橘黄色；
胆固醇可通过代谢转化为维生素 D 和性激素；

能量的提供：

• \(1 \text{g}\) 糖原氧化分解释放约 \(17 \text{kJ}\) 的能量，\(1 \text{g}\) 脂肪则可以释放约 \(39 \text{kJ}\)。
• 由糖类、脂肪、蛋白质的顺序供能，当前者不足时，后者会分解；
• 正常代谢蛋白质一般不供能，若需要蛋白质大量供能时，说明生命体病重或已经接近终结。

第 4 节 蛋白质是生命活动的主要承担者

蛋白质基础

蛋白质的功能：结构、催化（酶）、运输（血红蛋白）、调节（胰岛素）、免疫（抗体）。蛋白质需要被消化为氨基酸后才能被吸收。

氨基酸的种类和元素组成：

• 构成人体蛋白质的氨基酸共有 \(21\) 种；
• 大部分氨基酸只含有 \(\ce{C,H,O,N}\) 四种元素，还有几种含有 \(\ce{S,Se}\)。

氨基酸

是蛋白质的基本组成单位，分子结构：

• \(\ce{-H2N}\)：氨基；
• \(\ce{-COOH}\)：羧基；
• \(\ce{R}\)：R 基，决定氨基酸的种类和性质。

特点：

• 每种氨基酸都至少含有一个氨基和一个羧基，脱水缩合形成肽键；
• 对于 R 基，若某氨基酸含有基础元素以外的元素，一定在 R 基中，同时 R 基中也可能有氨基和羧基；
• 分子式为 \(\ce{C2H4O2N - R}\)。

分类：是否能在人体能合成。

• 必须氨基酸（不能合成）：蛋（甲流）氨酸、赖氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、苏氨酸；
• 非必须氨基酸：\(13\) 种。

肽链

分为四种结构：

• 一级结构：氨基酸之间合成肽链；
• 二级结构：一条肽链特定区域进行有规律盘旋折叠，常见的有 \(\alpha\) 螺旋和 \(\beta\) 折叠；
• 三级结构、四级结构。

蛋白质的多样性

多样性：氨基酸种类、数目、排列顺序不同，肽链数目、空间结构不同。

脱水缩合：

• 脱水缩合：一个氨基酸分子的氨基和另一个氨基酸分子的羧基相连接，同时脱去一分子水；
• 肽键：连接两个氨基酸分子的化学键；
• 二肽、多肽、肽链：由两个氨基酸缩合而成的化合物叫作二肽，由三个及以上的氨基酸缩合而成的化合物叫作多肽，多肽通常呈链状，叫作肽链。

过程如图所示：

蛋白质的水解：

• 定义：蛋白质在蛋白酶的作用下分解成多肽和氨基酸，或者多肽在肽酶的作用下肽键断裂分解为氨基酸的过程。
• 完全水解（彻底水解）：得到的水解产物是各种氨基酸的混合物；
• 部分水解（不完全水解）：得到的产物是各种大小不等的肽段和氨基酸。

蛋白质的变性：

• 定义：指蛋白质在某些物理和化学因素作用下其特定的空间构象被破坏从而导致其理化性质改变和生物活性丧失的现象；
• 原因：蛋白质分子在重金属盐、强酸、强碱或高温作用下，空间结构被破坏；
• 特点：一般过程不可逆，但肽键一般没被破坏，仍然可以和双缩脲试剂反应；

蛋白质的盐析：

• 定义：向某些蛋白质溶液加入一定浓度的无机盐溶液后，可降低蛋白质的溶解度，使蛋白质凝聚而从溶液析出；
• 特点：是物理变化，蛋白质结构不发生变化。

计算

蛋白质数据有关计算：

项目	\(\ce{AA}\)平均 \(\vert M \vert\)	\(\ce{AA}\)数目	肽键数目	脱去水分子数目	多肽 \(\vert M \vert\)	\(\min\)游离氨基	\(\min\)游离羧基
\(m\) 条肽链	\(a\)	\(n\)	\(n-m\)	\(n-m\)	\(na-18(n-m)\)	\(m\)	\(m\)
环状肽	\(a\)	\(n\)	\(n\)	\(n\)	\(na-18n\)	\(0\)	\(0\)

\(M\) 为摩尔质量，在数值上等于相对分子质量或相对原子质量；
注意二硫键的两个氢，形成一个二硫键要脱去两个氢。

原子计算：

• 碳原子数 = 氨基酸数 \(\times 2\) + R 基的碳原子数；
• 氧原子数 = 肽键数 + 肽链数 \(\times 2\) + R 基的氧原子数；
• 氮原子数 = 肽链数 + 肽键数 + R 基的氮原子数。

氢原子过于繁琐，一般不使用其进行计算。

多肽种类计算：

若有 \(n\) 种氨基酸，则由这 \(n\) 种氨基酸组成的链状肽情况：

• 若每种氨基酸数目不限，形成 \(m(m \le n)\) 肽的种类有：

\[n^m \]

• 若每种氨基酸只能由一个，形成 \(m(m \le n)\) 肽的种类有：

\[\prod_{i=1}^{n}(n-m+1) \]

第 5 节 核酸是遗传信息的携带者

核酸

核酸种类和分布：

• 分有脱氧核糖核酸（\(\text{DNA}\)）和核糖核酸（\(\text{RNA}\)）；
• 真核生物：
  • DNA：主要分布在细胞核（与蛋白质结合为染色体），少量分布在线粒体和叶绿体（游离存在）；
  • RNA：主要分布在细胞质，少量分布在细胞核；
• 原核生物：\(\text{DNA}\) 主要位于拟核（游离存在），有些的细胞质中也有小型环状的 \(\text{DNA}\) 分子（质粒）；
• 病毒：没有细胞结构，一种病毒最多只有一种核酸，阮病毒没有核酸。

核酸的组成：

• 只有 \(\ce{C,H,O,N,P}\) 这些元素，基本组成单位为核苷酸；
• 分子组成：\(1\) 个核苷酸是由 \(1\) 分子磷酸、\(1\) 分子五碳糖和 \(1\) 分子含氮碱基组成；

项目	脱氧核糖核苷酸	核糖核苷酸
五碳糖	脱氧核糖	核糖
含氮碳基	A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、T（胸腺嘧啶）	A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、U（尿嘧啶）
种类	腺嘌呤脱氧核糖核苷酸、鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸、胞嘧啶脱氧核糖核苷酸、胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸	腺嘌呤核糖核苷酸、鸟嘌呤核糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸、尿嘧啶核糖核苷酸
用途	组成 \(\text{DNA}\) 的基本单位	组成 \(\text{RNA}\) 的基本单位

核苷酸脱水缩合成核苷酸链，再构成核酸。

上图依次为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶。

核酸的功能：

• 细胞内携带遗传信息的物质；
• 在生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有极其重要的作用；
• 某些 \(\text{RNA}\) 具有催化作用。

生物大分子

• 概念：一般是指在于生物体内的相对分子质量大于 \(10 \text{KD}\) 的大分子物质；
• 种类：蛋白质、核酸和多糖等。

单体和多聚体：

• 单体：组成多糖、蛋白质、核酸等生物大分子的基本单位；
• 多聚体：由许多单体相互连接构成的生物大分子。

第三章 细胞的基本结构

第 1 节 细胞膜的结构和功能

细胞膜（质膜）

功能：

• 将细胞与外界环境分隔开：
  • 对细胞的作用：保障了细胞内部环境相对稳定；
  • 意义：膜的出现是生命起源过程中至关重要的阶段，将生命物质与外界环境分隔开，产生原始细胞并成为相对独立的系统；
  • 体现了细胞这个系统的独立性；
  • 该功能使细胞膜具有选择透过性，是细胞膜的功能特性；
• 控制物质进出细胞：
  • 普遍性：细胞需要的营养物质可进入细胞；抗体、激素等物质在细胞内合成后，被分泌到细胞外；细胞产生的代谢废物被排到细胞外；
  • 相对性：对细胞有害的物质有可能进入细胞；有些病毒、细菌也能入侵细胞，使生物体患病。
• 进行细胞间的信息交流：
  • 通过信号分子间接交流（通过细胞分泌的激素等信号分子进行间接的信息传递），如内分泌细胞分泌的激素随血液到达全身各处并与靶细胞的细胞膜表面的受体结合将信息传递给靶细胞；
  • 通过细胞的接触直接交流（通过细胞膜与细胞膜或者其他物质的直接接触传递信息），如精子和卵细胞之间的识别和结合；
  • 通过特殊通道交流（通过相邻两个细胞之间形成通道传递信息），如高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接。

信息交流发生在细胞与细胞之间，而不是在同一个细胞内，例如 \(\text{HIV}\) 识别人体淋巴细胞不属于细胞间的信息交流。

验证控制物质进出的方法：

• 台盼蓝染色法：鉴别细胞是否死亡常用台盼蓝染液，活细胞的细胞膜具有选择透过性，染料台盼蓝不是细胞需要的物质，不易通过细胞膜不会被染色，死细胞则会被染成蓝色；
• 色素透出实验：有的植物细胞含有色素，活细胞放在清水中，色素不会透出，细胞膜遭到破坏后色素分子就会从细胞中透出，外界溶液呈色素颜色。

验证细胞间信息交流功能：通常只有同种生物的精子和卵细胞才能结合，验证了细胞膜具有进行细胞间信息交流的功能。

探索细胞膜成分史

• 英国的欧文顿：发现细胞膜对不同物质的通透性不一样：溶于溶质的物质容易穿过细胞膜。推测细胞膜是由脂质组成的；
• 利用哺乳动物成熟的红细胞通过一定的方法制备出纯净的细胞膜进行化学分析，推测组成动物细胞膜的脂质有磷脂和胆固醇，其中磷脂含量最多；
• 荷兰的戈特和格伦德尔：将人的红细胞中提取的脂质在空气——水界面上铺成单分子层，测得单层分子的面积恰为红细胞表面积的 \(2\) 倍：推测细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层；
• 英国的丹尼利和戴维森：细胞的表面张力明显低于油——水界面的表面张力，得出细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质（因为蛋白质分子极性强，脂质表面吸附有蛋白质时，表面张力会降低）。

磷脂分子

组成：磷脂分子由甘油、脂肪酸和磷酸及其结合的基团（如胆碱）组成；
特点：磷脂的一端为亲水头部，两个脂肪酸的一端为疏水尾部，多个磷脂分子在水中总是自发地形成双分子层。

用哺乳动物成熟红细胞制备细胞膜：把哺乳动物成熟红细胞放在清水里，水进入细胞使细胞吸水涨破，细胞内的物质流出，再经过离心等操作就可以得到较为纯净的细胞膜。

细胞膜的成分

主要为脂质和蛋白质，还含有少量糖类：

• 脂质：约 \(50\%\)；
• 蛋白质：约 \(40\%\)，细胞膜的功能主要由蛋白质来行使，功能越复杂的细胞膜，其蛋白质的种类和数量越多；
• 糖类：约 \([2,10]\%\)，于细胞识别、细胞间的信息传递等功能有关。

细胞膜中的糖类通常与脂质结合形成糖脂，或与蛋白质结合形成糖蛋白。其中的糖类分子有单糖也有多糖（一般是低聚糖，由 \(2 \sim 10\) 个单糖分子聚合而成）；
不同种类的细胞，细胞膜的成分及各成分的含量不完全相同，如动物细胞膜中含有一定量的胆固醇，而植物一般没有。

成分的验证：

• 脂质：
  • 脂溶剂处理：细胞膜被溶解；
  • 磷脂酶处理：细胞膜被破坏；
  • 脂溶性物质透过实验：脂溶性物质优先通过；
• 蛋白质：
  • 双缩脲试剂反应：紫色；
  • 蛋白酶处理：细胞膜被破坏；
• 糖类：斐林试剂，水浴加热：砖红色沉淀。

细胞膜结构史

• 美国的罗伯特森：在电镜下看到了细胞膜清晰的暗亮暗三层结构，提出所有的细胞膜都由蛋白质——脂质——蛋白质三层结构构成，电镜下看到中间的亮层是脂质分子，两边暗层是蛋白质分子；
• 小鼠细胞和人细胞融合实验：不同颜色荧光标记两个细胞，发现了细胞膜上的蛋白质具有流动性；
• 美国的辛格和尼科尔森：提出流动镶嵌模型，在新的观察和实验证据的基础上，提出大多数人接受的模型。

静态模型不能解释变形虫的变形运动、细胞的生长、白细胞吞噬细菌、细胞的融合、植物细胞的质壁分离及复原等现象。一定范围内，随着温度的升高，细胞膜的流动性增强；
第二个实验只能证明了细胞膜上的蛋白质具有流动性，没有证明脂质分子是否具有流动性。

流动镶嵌模型

• \(\text{Cholesterol}\)：胆固醇，嵌入紧密排列的磷脂分子之间，有助于调节膜的流动性，维持膜结构的稳定性；
• \(\text{Protein}\)：蛋白质，在物质运输等方面具有重要作用；
• \(\text{Phosphatidylinositol}\)：磷脂，某些物质包括水能直接穿过磷脂双分子层运输；
• \(\text{Glycoprotein}\)：糖蛋白，糖类与蛋白质结合的产物，与细胞表面的识别、细胞的信息传递有关。与糖脂一起使膜结构保持稳定；
• \(\text{Glycolipid}\)：糖脂，与糖蛋白相似，糖脂也可以作为细胞表面受体，并且有维持膜结构稳定的作用。

主要内容：

• 细胞膜主要是由磷脂分子和蛋白质分子构成的；

动物细胞膜中含有胆固醇；

• 磷脂双分子层是膜的基本之架，其内部的磷脂分子的疏水端，水溶性分子或离子不能自由通过，因此具有屏障作用；
• 蛋白质分子以不同方式镶嵌在磷脂双分子层中：镶在、部分或全部嵌入、贯穿；
• 细胞膜不是静止不动的而是具有流动性的，主要表现为构成膜的磷脂分子可以侧向自由移动，膜中的蛋白质大多也能运动。

膜蛋白的作用：

• 运输（膜转运蛋白）：膜转运蛋白可将某些物质运入或运出细胞，包括载体蛋白和通道蛋白；
• 识别（受体蛋白）：用于细胞与细胞间相互识别的糖蛋白，具有识别作用；
• 催化（酶）：原核生物由于没有复杂的细胞器，许多功能都是由细胞膜来承担的，在其他胞膜上往往分布着各种代谢所需的酶；
• 保护（糖蛋白）：糖蛋白具有高黏性，可以成为细胞表层的润滑剂，防止蛋白水解酶的水解作用，同时也可以防止细菌、病毒侵袭；
• 连接：通过一些特定的膜蛋白，将相邻细胞的细胞膜相互联系；
• 运动（微管蛋白）：由微管蛋白构成的鞭毛和纤毛作为细胞表面的特化结构，可使细胞运动。

第 2 节 细胞器之间的分工合作

细胞质

在真核细胞中，细胞质是指细胞膜以内、核膜以外的部分。

组成：

• 细胞质基质：
  • 状态：呈溶胶状，也称胞质溶液；
  • 组成：水、无机盐、脂质、糖类、氨基酸、核苷酸和多种酶等；
• 细胞器：
  • 概念：细胞质中具有特定功能的结构；
  • 组成：线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体、溶酶体、核糖体、液泡、中心体等；
  • 分布：细胞质基质中。

细胞壁

• 位置：位于植物细胞细胞膜外面；
• 成分：主要成分是纤维素和果胶；
• 功能：对细胞起支持与保护作用；
• 特性：全透性。

差速离心法

• 原理：差速离心法主要采取逐渐提高离心速率的方法分离不同大小的细胞器；
• 一般步骤：匀浆、离心分离处理、分析研究：
  • 将细胞膜破坏，形成由各种细胞器和细胞中其他物质组成的匀浆；
  • 将匀浆放入离心管，采用逐渐提高离心速率的方法分离不同大小的细胞器，启示离心速率较低，让较大的颗粒沉降到管底，小的颗粒仍然悬浮在上清液中；
  • 收集沉淀，改用较高的离心速率离心上清液，将较小的颗粒沉降，以此类推。

双层膜结构细胞器

项目	线粒体	叶绿体
图
形态	短棒状、圆球状、线形或哑铃形	扁平的椭球形或球形
结构	内膜向内凹陷形成嵴，增大酶附着面积，内膜上和基质中含有多种呼吸酶	内有基粒和基质，基粒由一个个圆饼状的囊状结构（类囊体）堆叠而成，类囊体薄膜上有光合色素、酶等，基质中也含有与光合作用有关的酶
分布	绝大多数动植物细胞	绿色植物的叶肉细胞及幼嫩茎的皮层细胞
功能	真核细胞进行有氧呼吸的主要场所，生命活动所需能量约 \(95\%\) 来自线粒体，线粒体是细胞的『动力车间』和『能量转化站』	绿色植物进行光合作用的场所，是植物细胞的『养料制造车间』和『能量转化站』

相同点：具有双层膜结构；含有少量 \(\text{DNA}\) 和 \(\text{RNA}\)，具有能量转化功能，都是半自主性细胞器。

并不是所有绿色植物细胞都由叶绿体，叶绿体一般存在于叶肉细胞、幼嫩茎的皮层细胞中，植物根部细胞不含叶绿体；
有些低等动物体内也含有叶绿体，如绿叶海天牛；
细胞器数量的分布与其功能是相适应的。

单层膜结构细胞器

项目	内质网	高尔基体	液泡	溶酶体
图
形态 结构	由单层膜围成的管状、泡状或扁平囊状结构 连接形成的一个 连续的内腔相通的 膜性管道系统	由单层膜组成的 扁平囊叠加在一起 组成的结构	由单层膜组成的 泡状结构，内有细胞液（糖类、无机盐、色素和蛋白质等）	由单层膜组成 泡状结构，内含多种 水解酶
分布	动植物细胞中	动植物细胞中，一般位于 细胞核附近	主要存在于 植物细胞，且成熟植物细胞 较明显	主要在 动物细胞中
功能	蛋白质等大分子 物质的合成、加工场所和运输通道。光面内质网是脂质 合成的重要场所	对于来自内质网的 蛋白质进行加工、分类和包装的『车间』及『发送站』；在动物细胞中与 细胞分泌物形成有关，在植物细胞中与 植物细胞壁的形成有关	调节植物细胞 内的环境；充盈的液泡 还可以使植物细胞 保持坚挺	细胞内的『消化车间』内含多种 水解酶，分解衰老损伤 的细胞器，吞噬并杀死 侵入细胞的 病毒或细菌

纤维素是在细胞膜上合成的，高尔基体只合成构成细胞壁的非纤维素多糖（如果胶）；
液泡的作用：储存作用、维持细胞渗透压、含有多种水解酶是植物体内的『消化车间』、能水解破坏真菌的细胞壁。
溶酶体的形成：首先在核糖体中合成肽链，然后肽链会与核糖体一起转移至粗面内质网上继续合成，肽链经内质网、高尔基体加工后，由高尔基体产生的囊泡将其包裹从而形成溶酶体；

无膜结构细胞器

项目	核糖体	中心体
图
结构组成	由 \(\text{rRNA}\) 和蛋白质组成	由两个互相垂直排列的 中心粒及周围物质组成，主要成分为微管蛋白
分布	附着在内质网或外层核膜上；游离在细胞质基质中；线粒体和叶绿体中也有少量核糖体	动物细胞和低等植物细胞中
功能	是『生产蛋白质的机器』	与细胞的有丝分裂有关

观察叶绿体和细胞质的流动

实验原理：

• 在高倍镜下，叶绿体绿色、扁平的椭球形或球形；
• 叶绿体的运动说明活细胞中的细胞质在不断流动；

实验目的：理解细胞质的流动是一种生命现象。

实验选材：

• 观察叶绿体：
  • 藓类小叶：叶片很薄，大多仅有一层叶肉细胞，可以取整个小叶直接制片；叶绿体少而大；
  • 菠菜叶稍带些叶肉的下表皮：菠菜叶接近下表皮的部分，易撕取，叶绿体大且排列疏松，便于观察；稍带些叶肉是因为表皮细胞不含叶绿体。
• 观察细胞质的流动：
  • 新鲜的黑藻叶片：叶片很薄，大多仅有一层细胞，叶肉细胞有大而清晰的叶绿体，液泡无色，容易观察。

实验流程：

• 观察叶绿体：
  • 取材：用镊子取一片藓类的小叶放入盛有清水的培养皿中；
  • 制作临时装片：往载玻片中央滴一滴清水，用镊子夹住藓类小叶放入水滴中（维持细胞活性）；
  • 盖上盖玻片；
• 观察。

细胞器之间的协调配合

分泌蛋白和细胞内蛋白：

• 有些蛋白质是在细胞内合成后，分泌到细胞外起作用的，这类蛋白质叫作分泌蛋白。

分泌蛋白的合成与运输：

• 研究方法：同位素标记法；
• 合成和运输过程：
  • 核糖体：在游离的核糖体中，以氨基酸为原料开始多肽链的合成。当合成了一段肽链后，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，并且边合成边转移到内质网腔内；
  • 粗面内置网：肽链经过加工、折叠，形成具有一定空间结构的蛋白质；
  • 囊泡（内质网形成）：内质网膜鼓出形成囊泡，包裹蛋白质离开内质网，到达高尔基体，与高尔基体膜融合，囊泡膜成为高尔基体膜的一部分；
  • 高尔基体：对蛋白质做进一步的修饰加工，形成成熟蛋白质；
  • 囊泡（高尔基体形成）：高尔基体膜形成包裹着蛋白质的囊泡，囊泡转运到细胞膜；
  • 细胞膜：囊泡膜与细胞膜融合，将蛋白质分泌到细胞外；
  • 线粒体：为分泌蛋白质的合成、加工、运输提供能量。

细胞的生物膜系统

组成：

• 细胞膜：单层膜，细胞的界膜；
• 核膜：双层膜，具有核孔；
• 细胞器膜：
  • 双层膜：叶绿体、线粒体的膜；
  • 单层膜。

各种生物膜的关系：

• 相似性：各种生物膜在组成成分的种类上基本相同，都主要由蛋白质分子和磷脂分子组成；
• 差异性：各种生物膜在组成成分的种类上有显著差异，这与不同的生物膜功能的复杂程度有关——功能越复杂的生物膜中，蛋白质的种类和数量越多。

第 3 节 细胞核的结构和功能

细胞核

有关实验：

• 实验一：美西螈细胞核移植：
  • 将黑色美西螈胚胎细胞的细胞核和白色美西螈的去核卵细胞结合重组细胞得到了黑色美西螈；
  • 结论：美西螈皮肤的颜色是由细胞核控制的；
• 实验二：横缢蝾螈受精卵：
  • 用头发横缢蝾螈受精卵，无核部分停止分裂，加核后开始分裂；有核也能正常分裂；
  • 结论：蝾螈的细胞分裂、分化是由细胞核控制的；
• 实验三：切割变形虫：
  • 切割变形虫，无核部分不能生长、分裂、只能消化已经吞噬的食物，不能摄取食物，对外界的刺激不再发生反应；有核部分能生长、分裂、再生，对刺激仍有反应。去核后，同无核状况；及时植入核，生命活动回复；
  • 结论：变形虫的生长、分裂、再生、对外界刺激的反应是由细胞核控制的；
• 实验四：伞藻嫁接与核移植：
  • 嫁接：将两种不同颜色的柄更换，会发现长出的伞形帽是和假根一样的颜色而并非柄；
  • 核移植：把菊花形帽伞藻的细胞核和伞形帽伞藻去掉伞形帽和细胞核后的部分结合，发育成菊花形帽伞藻；
  • 结论：伞藻『帽』的形状是由细胞核控制的。

以上所有实验表明，细胞核控制着细胞的代谢和遗传。

实验一缺乏对照试验；
实验二、三、四还说明细胞只有保持结构的完整性，才能完成正常的生命活动；

功能：

• 细胞核是遗传信息库；
• 细胞核是细胞代谢和遗传的控制中心。

并不是所有的真核细胞都具有细胞核，也不是只可能有一个细胞核（人骨骼肌细胞高达上百个）；
是细胞代谢的控制中心，不是细胞代谢的中心。

细胞核的结构

各结构的特点和功能：

结构	特点	功能
核膜	双层膜，外层核膜与内质网膜相连，附着有大量的核糖体	具有屏障作用，将细胞核与细胞质分隔开；上面附着多种酶，有利于多种反应的进行；可控制某些离子和小分子物质进出细胞核
核仁	折光率较大，颜色深	与某种 \(\text{RNA}\) 的合成以及核糖体的形成有关
核孔	是核膜上的一种孔道结构	能选择性地转运核内外物质，是 \(\text{RNA}\) 从细胞核进入细胞质、蛋白质从细胞质进入细胞核的通道，同时实现核质之间的信息交流
染色质	成分主要为蛋白质和 \(\text{DNA}\)，容易被碱性染料染成深色，分裂间期为染色质、分裂期为染色体，染色质为丝状物、染色体为圆柱状或杆状	染色质是真核细胞的遗传物质，\(\text{DNA}\) 的主要载体
核基质	细胞核内透明的液态胶状物质	构成核内的液体环境

• 核膜：核膜是细胞核的界膜，由内外两层平行的单位膜组成，在内外膜之间有间隙，称为核周隙或膜间腔。外膜表面附着有大量的核糖体颗粒，有些部位与内质网相连，核周隙与内质网腔相通。内膜面向核基质，其表面光滑，没有核糖体颗粒；
• 核孔：核孔是由许多蛋白质构成的复杂结构，对进出核孔的物质具有严格调控作用；
• 细胞核的大小（直径）：
  • 高等动物细胞核：约 \([5,10] \text{μm}\)；
  • 高等植物细胞核：约 \([5,20] \text{μm}\)；
  • 低等植物细胞核：约 \([1,4] \text{μm}\)。

第四章 细胞的物质输入和输出

第 1 节 被动运输

渗透作用原理

渗透作用：

• 概念：溶剂分子通过半透膜的扩散，称为渗透作用；
• 渗透方向：溶剂分子从溶剂分子的相对含量高的一侧向相对含量低的一侧渗透；
• 发生渗透作用的两个条件：具有半透膜且膜两侧具有浓度差（是 \(c\) 不是 \(\omega\)）。

渗透装置：

• 在一个长颈漏斗的漏斗口外密封上一层半透膜，往漏斗内注入蔗糖溶液，然后将漏斗浸入盛有清水的烧杯，使漏斗管内外的液面高度相等，一段时间后液面上升直至渗透平衡（液面高度产生静水压 \(=\) 半透膜两侧渗透压差）。

此时的渗透平衡不是浓度相等，而是漏斗中溶液浓度 \(>\) 烧杯中溶液浓度。

水进出细胞

动物细胞：

• 原理：动物细胞没有细胞壁，也没有大液泡，其细胞膜相当于半透膜；红细胞内的细胞质有一定的浓度，并与外界溶液之间存在浓度差，通过渗透作用吸水或失水；
• 令外界溶液浓度为 \(c_w\)，细胞质浓度为 \(c_c\)，则：
  • \(c_w<c_c\)，细胞吸水膨胀，甚至涨破；
  • \(c_w>c_c\)，细胞失水皱缩；
  • \(c_w=c_c\)，细胞形态不变。

所以，临床输液使用生理盐水（\(0.9 \% \ce{NaCl}\)），其渗透压和人体红细胞渗透压相等，可以维持细胞正常形态。

植物细胞：

• 成熟植物细胞的结构：
  • 细胞壁：伸缩性小，具有全透性；
  • 细胞膜、细胞质、液泡膜：原生质层，伸缩性大，具有选择透过性，相当于半透膜，仅存在于具有大液泡的成熟植物细胞中；
  • 细胞液：液泡内的液体，细胞的主要液体环境；
• 原理：细胞液有一定的浓度，与外界溶液能形成一定的浓度差，植物细胞通过渗透作用吸水和失水；
• 令外界溶液浓度为 \(c_w\)，细胞液浓度为 \(c_y\)，则：
  • \(c_y>c_w\)：细胞吸水，中央液泡体积变大，细胞坚挺；
  • \(c_y<c_w\)：细胞失水，中央液泡体积变小，发生质壁分离；
  • \(c_y=c_w\)：细胞形态不变。

植物细胞置于清水中不会涨破，细胞壁也不会皱缩；
原生质层与细胞壁之间的物质是稀释的外界溶液。

若外界溶液为 \(1 \text{g/mL} \ \ce{KNO3}\)，则质壁分离后由于细胞主动吸收 \(\ce{K+},\ce{NO3-}\) 而使细胞发生质壁分离复原；
适当浓度的尿素、甘油、乙二醇溶液等可使其发生质壁分离后复原，其通过自由扩散的方式进入植物细胞，缓慢扩散进入细胞液，使细胞液浓度逐渐变大，当细胞液溶质浓度大于外界溶液溶质浓度时，细胞发生质壁分离复原。

探究植物细胞的吸水和失水

实验材料的选择：

• 成熟的植物活细胞，保证细胞具有有中央大液泡和原生质层；
• 细胞液应具有颜色；
• 还可以使用具有较多叶绿体的材料，通过观察叶绿体所在原生质层的大小、绿色深浅来判断细胞是否发生质壁分离现象。

实验试剂的选择：

• 对细胞无害；
• 常选质量浓度为 \(0.3 \text{g/mL}\) 的蔗糖溶液作为外界溶液，原因是其既能使细胞发生明显的质壁分离又不会导致细胞过快死亡。若浓度过高，细胞质壁分离速率虽快，但不久就会死亡，不能在进行实验；若浓度过低，则不能使细胞发生明显的质壁分离。

实验步骤与现象：

• 制作洋葱鳞片叶外表皮的临时装片；
• 低倍镜下观察洋葱鳞片叶外表皮细胞：
  • 有一个紫色的中央液泡；
  • 原生质层紧贴细胞壁；
• 低倍镜下观察质壁分离：
  • 中央液泡逐渐变小，紫色加深，由细胞失水导致，此时细胞吸水能力逐渐增强，宏观表现为植物变萎蔫；
  • 原生质层与细胞壁逐渐分离；
• 滴加清水，用吸水纸引流；
• 低倍镜下观察质壁分离复原：
  • 中央液泡逐渐变大，可恢复原来大小，由细胞吸水导致，此时细胞吸水能力逐渐变弱，宏观表现为植物变坚挺；
  • 原生质层逐渐贴近细胞壁。

一次不要滴加太多蔗糖溶液，防止过多溶液污染物镜；
用吸水纸在滴加溶液的另一侧引流时，吸水纸要贴紧盖玻片边缘，以便蔗糖溶液或清水能均匀通过玻片下方充分接触材料；
实验过程中不能移动装片，质壁分离时间不宜过长（可能细胞会死亡）。

质壁分离和复原的应用

• 判断成熟植物细胞的死活；
• 测定细胞液浓度范围；
• 比较不同植物细胞的细胞液浓度；
• 比较未知溶液的浓度大小；
• 鉴别不同种类的溶液；
• 观察植物细胞膜的存在（在显微镜下）；
• 证明原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性。

自由扩散和协助扩散

被动运输：

• 物质以扩散形式进出细胞，不需要消耗细胞内化学反应所释放的能量，这种物质跨膜运输方式称为被动运输；
• 类型：分为自由扩散（简单扩散）和协助扩散（易化扩散）两类：
  • 自由扩散：物质通过简单的扩散作用进出细胞的方式（小部分水分子、小分子物质、脂溶性小分子有机物），影响因素仅有膜内外物质浓度差，所有带电荷的分子或离子均不能自由扩散；
  • 协助扩散：借助膜上的转运蛋白进出细胞的物质扩散方式（大部分水分子、葡萄糖、\(\ce{Na+,K+}\) 等离子，影响因素有膜内外物质浓度差、转运蛋白的种类和数量，所以当转运蛋白到达饱和时，物质的运输速率也不再增加。

转运蛋白：

• 概念：镶嵌在膜上的一些特殊蛋白质，能够协助物质顺浓度梯度跨膜运输。
• 载体蛋白：
  • 只容许与自身结合部位相适应的分子或离子通过；
  • 和转运分子结合，具有特异性；
  • 如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等的载体蛋白。
• 通道蛋白：
  • 只容许与自身通道的直径和形状相适配、大小和电荷相适宜的分子或离子通过；
  • 不与转运分子结合，具有特异性；
  • 如水通道蛋白，\(\ce{Na+,K+}\) 等通道蛋白；
  • 介导转运速率比载体蛋白快约 \(1000\) 倍。

两者发挥作用时均发生空间构象的改变，发挥完作用后，均可恢复原来的空间结构。

第 2 节 主动运输与胞吞、胞吐

主动运输

物质逆浓度梯度进行跨膜运输，需要载体蛋白的协助，同时还需要消耗细胞内化学反应所释放的能量，叫做主动运输。

特点：

• 逆浓度梯度进行跨膜运输；
• 需要消耗能量；
• 需要载体蛋白协助。

过程：离子或分子与载体蛋白结合、载体蛋白空间结构改变以转运离子或分子、释放离子或分子、载体蛋白恢复原状。

意义：主动运输普遍存在于动植物和微生物细胞中，通过主动运输来选择吸收所需要的物质，排除代谢废物和对细胞有害的物质，从而保证细胞核个体生命活动的需要。

举例：小肠上皮细胞吸收葡萄糖、氨基酸、无机盐等。

胞吞胞吐

• 胞吞：当细胞摄取大分子时，首先是大分子与膜上的蛋白质结合，从而引起这部分细胞膜内陷形成小囊包围大分子，然后小囊从细胞膜上分离下来形成囊泡进入细胞内部；
• 胞吐：细胞需要外排的大分子，先在细胞内形成囊泡，囊泡移动到细胞膜处于细胞膜融合，将大分子排除细胞。

胞吞胞吐体现了细胞膜的流动性；
胞吞胞吐的物质可以是固体或液体，一般是一些大分子物质（蛋白质、多糖等）和颗粒性物质，但有些小分子物质也可以通过被胞吞胞吐，如小分子神经物质（乙酰氨基等）以胞吐排到细胞外；
大分子物质进入生物膜不一定通过胞吞胞吐，如 \(\text{RNA}\) 和蛋白质通过核孔进出细胞核；
胞吞形成的囊泡在细胞内可以被溶酶体降解；

特点：需要消耗能量、不需要转运蛋白但需要特定的膜蛋白（识别蛋白）参与，依赖膜的流动性。虽然没有穿过细胞膜，但属于跨膜运输。

细胞膜的流动性和选择透过性比较：

• 结构特点为具有一定的流动性：
  • 构成细胞膜的磷脂分子和大多数蛋白质分子不是静止的而是可以运动的；
  • 在一定范围内，温度越高，细胞膜的流动性越强；
• 功能特性为具有选择透过性：
  • 磷脂双分子层的疏水性和膜转运蛋白的专一性；
  • 内因：细胞膜上转运蛋白的种类和数量；
  • 外因：温度、\(\text{pH}\)、\(\ce{O2}\) 浓度等影响细胞呼吸的因素。

细胞膜的结构特点决定其功能特性，流动性是选择透过性的基础。

同一物质进出不同细胞的跨膜运输方式可能不同；
同一物质进出同一细胞的方式不一定相同；
需要通道蛋白转运的一定是协助扩散。

影响物质跨膜运输的因素

膜内外浓度差：

• 自由扩散：浓度差（\(\Delta c\)）越大，运输速率越大；
• 协助扩散：同自由扩散，但 \(\Delta c\) 到达一定程度时，运转速率不再增大，因为受转运蛋白数量限制。

转运（载体）蛋白数量：

• 自由扩散不受转运蛋白数量影响；
• 在其他条件适宜情况下，转运蛋白越多，协助扩散运输速率越大，而主动运输受载体蛋白的影响外，还受能量供应的影响。

氧气浓度：

• 自由扩散或协助扩散不受氧气浓度影响；
• 当氧气浓度为 \(0\) 时，由无氧呼吸为物质的运输提供能量，所以运输速率不为 \(0\)；
• 随着氧气浓度增大，有氧呼吸产生能量增多，主动运输的速率增大；
• 当氧气浓度到达一定程度后，受载体蛋白数量以及其他限制因素的影响，运输速率不再增加；
• 若图像横坐标为呼吸强度时，曲线起点应为 \(0\)；

若细胞内无线粒体，只能通过无氧呼吸提供能量，则不受氧气浓度的影响。

温度：通过影响生物膜的流动性和酶活性（从而影响呼吸速率），从而影响物质跨膜运输速率。

载体蛋白的种类

• 协同转运蛋白：运转两种类型化学物质同向或反向穿过细胞膜的蛋白质或蛋白质体系，一种物质跨膜运输所需要的能量来自膜两侧另一种离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学浓度梯度的协同转运蛋白可以是钠 - 钾泵或质子泵。动物细胞常常利用膜两侧 \(\ce{Na+}\) 浓度梯度来驱动，植物细胞和细菌常常利用 \(\ce{H+}\) 浓度梯度来驱动；
• \(\text{ATP}\) 驱动泵：实质上是 \(\text{ATP}\) 酶，通过水解 \(\text{ATP}\) 获得能量，实现离子和小分子物质逆浓度梯度跨膜运输；
• 光驱动泵：一些光合细菌细胞膜上的 \(\ce{H+}\) 泵 被光激活后形成跨膜的 \(\ce{H+}\) 浓度梯度，驱动溶质主动运输。

所以，主动运输所需能量并不都是 \(\text{ATP}\) 直接提供。