分子与细胞

生物学考笔记，对应浙科版必修一《分子与细胞》，按专题整理。

专题一 细胞的分子组成

组成细胞的元素

• 主要元素：C、H、O、N、P、S 等;
• 核心元素：C（构成有机物的碳骨架）;
• 含量最多的元素：O（占细胞鲜重）。

构成细胞的化合物

• 无机化合物：水、无机盐;
• 有机化合物：糖类、脂质、蛋白质、核酸。

含量最多的化合物是 水。

水

存在形式

• 结合水：与细胞内其它物质结合，是细胞结构的重要组成成分;
• 自由水：占大多数，以游离形式存在，可以自由流动（代谢旺盛的细胞中自由水含量高）。

生理功能

• 良好的溶剂，运送营养物质和代谢废物;
• 水分子之间的氢键使水具有调节温度的作用;
• 参与细胞内某些代谢的反应（反应物或产物）。

无机盐

• 多数以 离子形式 存在;
• 作用：
  • 维持生物体的生命活动（如哺乳动物血液中 $\text{Ca}^{2+}$ 含量过低会抽搐）;
  • 维持细胞的酸碱平衡;
  • 维持细胞的渗透压;
  • 是某些复杂化合物的重要组成成分（如 $\text{Fe}^{2+}$ 是血红蛋白的主要成分，$\text{Mg}^{2+}$ 是叶绿素的必要成分）。

糖类

• 是细胞主要的能源物质;
• 由 C、H、O 三种元素组成;
• 分类依据：能否水解和水解后的产物。

类别	能否水解	举例
单糖	不能	葡萄糖（重要能源）、果糖、半乳糖（六碳糖）；核糖、脱氧核糖（五碳糖，构成核酸）
二糖	能	蔗糖、麦芽糖（植物）；乳糖（动物）
多糖	能	淀粉、纤维素（植物）；糖元（动物）

动植物细胞内共有的糖是葡萄糖、核糖和脱氧核糖。

能源物质系列

• 主要能源物质：糖类;
• 重要储能物质：油脂;
• 动物细胞特有的储能物质：糖元;
• 植物细胞特有的储能物质：淀粉;
• 直接能源物质：ATP（A—P～P～P）;
• 最终能量来源：太阳能。

脂质

• 主要由 C、H、O 构成，有些含 N、P;
• 分类：
  • 油脂（C、H、O）;
  • 磷脂（C、H、O、N、P）：构成细胞膜等膜结构的重要成分;
  • 固醇类（胆固醇、性激素、维生素 D）;
• 油脂由甘油和脂肪酸组成，其中 O 原子比例小，C、H 原子比例大，$1\ \text{g}$ 油脂完全氧化释放的能量是糖类的两倍以上，是生物体重要的贮能物质。

蛋白质的功能

• 结构作用：生物体和细胞的「建筑材料」;
• 催化作用：酶;
• 运输作用：血红蛋白运输氧气，细胞膜上的载体蛋白;
• 调节作用：胰岛素、生长激素;
• 免疫作用：免疫球蛋白（抗体）。

一切生命活动都离不开蛋白质，蛋白质是生命活动的主要承担者。

氨基酸与蛋白质的形成

• 蛋白质主要由 C、H、O、N 元素构成，有些含 S;
• 基本单位：氨基酸，约 $20$ 种;
• 结构特点：每种氨基酸都至少含有一个氨基和一个羧基，并且都连结在同一个碳原子上（不同点在于 R 基不同）;
• 肽键：—NH—CO—，由氨基酸脱水缩合形成。

有关计算

• 脱水个数 $=$ 肽键个数 $=$ 氨基酸个数 $n$ $-$ 肽链数 $m$;
• 蛋白质分子量 $=$ 氨基酸分子量之和 $-$ 水的个数 $\times 18$（有时要考虑二硫键）。

氨基酸经脱水缩合形成多肽（在核糖体），再盘曲折叠形成一定的空间结构（在内质网），最终成为蛋白质。

蛋白质结构与功能的多样性

• 多样性原因：氨基酸的种类、数目、排列顺序不同，肽链条数及蛋白质的空间结构不同;
• 蛋白质正确的空间结构是其表现特有生物学活性所必需的;
• 热变性：高温破坏了蛋白质的空间结构。

核酸的结构和功能

• 核酸由 C、H、O、N、P 五种元素构成;
• 基本单位：核苷酸;
• 核苷酸由一分子磷酸、一分子五碳糖（脱氧核糖或核糖）、一分子含氮碱基构成，碱基共 $5$ 种：A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）、U（尿嘧啶）;
• 功能：携带遗传信息，在遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有重要作用。

种类	英文缩写	基本组成单位	存在场所
脱氧核糖核酸	DNA	脱氧核苷酸（$4$ 种）	主要在细胞核，叶绿体和线粒体中有少量
核糖核酸	RNA	核糖核苷酸（$4$ 种）	主要在细胞质中

有机物的检测

检测对象	试剂	颜色变化	常用材料与注意
还原糖	本尼迪特试剂	红黄色沉淀	苹果、梨（白色或无色）；须用沸水浴加热
油脂	苏丹 III 染液	橙黄色	花生子叶或向日葵种子；切片要薄；$50\%$ 酒精洗去浮色；显微镜观察
蛋白质	双缩脲试剂（先加 A 液，再加 B 液）	紫色	鸡蛋清、黄豆组织样液、牛奶、豆浆
淀粉	碘—碘化钾溶液	变蓝	马铃薯

专题二 细胞的结构

细胞学说

• 创立者：施莱登、施旺、魏尔肖;
• 内容要点：所有的生物都是由一个或多个细胞组成的；细胞是所有生物的结构和功能的单位；所有的细胞必定由已存在的细胞产生;
• 意义：揭示了生物体结构的统一性。

原核细胞与真核细胞

• 最主要的区别：原核细胞 没有由核膜包围的典型细胞核（只有拟核）;
• 常考真核生物：绿藻、衣藻、真菌（酵母菌、霉菌、蘑菇）及动、植物;
• 常考原核生物：蓝藻（蓝细菌）、放线菌、乳酸菌、硝化细菌、支原体;
• 病毒既不是真核也不是原核生物，没有细胞结构。

	原核细胞	真核细胞
细胞核	无核膜包被的细胞核（拟核）	有核膜包被的细胞核
大小	较小（$2\sim 8\ \mu\text{m}$）	较大（$10\sim 100\ \mu\text{m}$）
细胞壁	主要成分：肽聚糖	植物细胞壁主要成分：纤维素和果胶
细胞器	只有核糖体一种	有多种
代表生物	细菌、蓝藻、放线菌、衣原体、支原体	动物、植物、真菌
相同点	都有细胞膜、核糖体、遗传物质 DNA	同左

显微镜与细胞大小

• 高倍镜的使用步骤：低倍镜下找到物象 $\to$ 将物象移至视野中央 $\to$ 转动转换器换高倍镜 $\to$ 调节光圈和反光镜使亮度适宜 $\to$ 调节细准焦螺旋使物象清晰;
• 细胞不能无限长大：细胞体积越大，相对表面积越小，物质运输的效率越低。

细胞膜（质膜）

• 功能特性：选择透性;结构特性：一定的 流动性;
• 结构模型：流动镶嵌模型;
• 化学成分：磷脂和蛋白质，还有少量多糖（动物细胞膜还含一定量胆固醇）;
• 磷脂双分子层：头部亲水，尾部亲脂疏水，构成细胞膜的基本骨架;
• 蛋白质分子：覆盖在膜表面、嵌入或贯穿（内外不对称）;
• 多糖：主要与蛋白质结合成 糖蛋白，只存在于质膜外表面，有 细胞识别 作用。

植物细胞壁成分是纤维素和果胶，作用是支持和保护。

细胞器

• 线粒体：双层膜，内膜向内折叠形成嵴；需氧呼吸的主要场所；细胞约 $95\%$ 的能量来自线粒体，是细胞的「动力车间」；内含少量 DNA、RNA;
• 叶绿体：双层膜；基粒（类囊体）上有色素；光合作用的场所；内含少量 DNA、RNA;
• 内质网：单层膜；蛋白质的加工与脂质（磷脂、胆固醇）合成的场所；分粗面、光面内质网;
• 核糖体：无膜；蛋白质合成的场所；游离在细胞质中或附着在粗面内质网上;
• 高尔基体：单层膜；动物细胞中与分泌物形成有关（分泌蛋白的加工、分类、包装），植物细胞中参与细胞壁的构建;
• 中心体：无膜；动物和低等植物细胞中，与细胞增殖有关;
• 液泡：单层膜；植物细胞；贮藏营养物质和色素，调节渗透压、维持细胞形态;
• 溶酶体：单层膜；含多种水解酶；进行细胞内消化，起源于高尔基体。

分泌蛋白的合成与运输

核糖体（合成肽链）$\to$ 内质网（初步加工）$\to$ 高尔基体（进一步加工）$\to$ 细胞膜（囊泡与细胞膜融合，分泌到胞外）。此过程需线粒体提供能量。

细胞溶胶

• 细胞质中细胞器以外的胶状物质;
• 含多种酶，是新陈代谢的主要场所;
• 是物质运输、能量交换、信息传递的重要介质。

细胞核

• 功能：遗传物质储存和复制的场所，是细胞代谢和遗传特性的控制中心;
• 结构：
  • 染色体：主要成分是 DNA 和蛋白质，含少量 RNA，容易被碱性染料染成深色;
  • 染色体和染色质成分相同，是细胞分裂不同时期形状各异的同一物质;
  • 核膜：双层膜，把核内物质与细胞质分开;
  • 核仁：与核糖体的形成有关;
  • 核孔：实现核质间频繁的物质交换和信息交流，是蛋白质和 RNA 等大分子出入细胞核的通道。

动、植物细胞的异同

• 高等植物特有的细胞器：叶绿体、液泡;
• 动物和低等植物特有的细胞器：中心体;
• 动植物细胞共有的细胞器：核糖体、线粒体、内质网、高尔基体。

实验：观察叶绿体和细胞质流动

• 材料：黑藓的幼嫩小叶（单层细胞），光学显微镜下叶绿体呈扁平的球形或椭球形;
• 以叶绿体为标志，可观察活细胞的细胞质绕大液泡环流;
• 注意：叶片要薄，制片时无需染色，装片要保持有水状态以保证活性。

专题三 ATP、酶、物质出入细胞

吸能反应与放能反应

放能反应常伴随 ATP 的合成（如呼吸作用），吸能反应常伴随 ATP 的水解（如光合作用），ATP 的能量用于各种生命活动。

ATP

• 元素组成：C、H、O、N、P;
• 中文名称：三磷酸腺苷，结构简式 A—P～P～P（A 代表腺苷，P 代表磷酸基团，～代表高能磷酸键），水解时远离 A 的高能磷酸键断裂;
• 作用：新陈代谢所需能量的 直接来源;
• ATP 在细胞内含量很少，但转化速度很快，所以含量很稳定。

ATP 与 ADP 的相互转化

• $\text{ADP} + \text{Pi} + \text{能量} \xrightarrow{\text{酶}} \text{ATP}$（储存能量）;
• $\text{ATP} \xrightarrow{\text{酶}} \text{ADP} + \text{Pi} + \text{能量}$（释放能量）;
• 能量来源：动物来自呼吸作用，植物来自光合作用和呼吸作用;
• 转化中物质是可逆的，但能量不可逆，所以不是可逆反应;
• 意义：ATP 是细胞内能量流通的能量「通货」。

酶

• 定义：活细胞内产生的具有生物催化作用的有机物;
• 化学本质：多数是蛋白质，少数是 RNA;
• 特性：
  • 高效性：催化效率是无机催化剂的 $10^7\sim 10^{13}$ 倍;
  • 专一性：一种酶只能催化一种或一类化学物质发生反应;
• 影响酶活性的因素：温度和 pH。在最适温度和 pH 条件下酶活性最高。过酸、过碱或温度过高会破坏酶的空间结构，使酶变性失活；低温使酶活性降低，但空间结构保持稳定，回到适宜温度活性可以恢复。

渗透作用

• 定义：水分子（溶剂分子）通过半透膜的扩散;
• 方向：低浓度溶液 $\to$ 高浓度溶液;
• 条件：有半透膜；半透膜两边存在浓度差。

红细胞的吸水与失水

• 外界溶液浓度 $>$ 红细胞内浓度（$0.9\%$ NaCl）：失水皱缩;
• 外界溶液浓度 $<$ 红细胞内浓度：吸水涨破;
• 外界溶液浓度 $=$ 红细胞内浓度：形态不变。

物质出入细胞的方式

	被动转运（扩散）	被动转运（易化扩散）	主动转运
方向	顺浓度梯度（高 $\to$ 低）	顺浓度梯度（高 $\to$ 低）	逆浓度梯度（低 $\to$ 高）
能量	不消耗	不消耗	消耗
载体	不需要	需要	需要
举例	水、$\text{O}_2$、$\text{CO}_2$、甘油等脂溶性物质	血浆中葡萄糖进入红细胞	$\text{K}^+$ 进入红细胞、$\text{Na}^+$ 排出红细胞

胞吞和胞吐

• 主要指大分子（蛋白质）进出细胞的方式;
• 消耗 ATP，不需要载体，利用细胞膜的流动性。

小结

• 离子或小分子：自由扩散（含渗透）、易化扩散（被动转运），以及主动转运;
• 大分子或颗粒：胞吞、胞吐。

质壁分离与复原

• 内因：原生质层的伸缩性比细胞壁大;
• 外因：外界溶液浓度 $>$ 细胞液浓度，细胞失水，质壁分离；外界溶液浓度 $<$ 细胞液浓度，细胞吸水，质壁分离复原;
• 条件：活细胞、有细胞壁、有大液泡、有浓度差。

实验：观察洋葱表皮细胞的质壁分离与复原

• 材料用具：紫色洋葱鳞片叶、显微镜、$0.3\ \text{g/mL}$ 蔗糖溶液、清水等;
• 步骤：制作临时装片 $\to$ 观察正常细胞 $\to$ 滴加蔗糖溶液观察质壁分离 $\to$ 滴加清水观察质壁分离复原;
• 三次观察相互对照。

专题四 细胞呼吸和光合作用

需氧呼吸与厌氧呼吸的概念

• 需氧呼吸：细胞在氧气的参与下，通过酶的催化作用，把糖类等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，同时释放能量、生成许多 ATP 的过程;
• 厌氧呼吸：在无氧条件下，细胞把糖类等有机物不彻底氧化分解，同时释放少量能量、生成少量 ATP 的过程。

需氧呼吸的过程

总反应式：

$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \to 6\text{CO}_2 + 12\text{H}_2\text{O} + \text{能量}$

实质：分解有机物，释放能量，形成 ATP。三个阶段的反应条件都是酶。

阶段	场所	物质变化	能量
糖酵解	细胞溶胶	葡萄糖 $\to 2$ 丙酮酸 $+\ 4[\text{H}]$	少量（$2$ ATP）
柠檬酸循环	线粒体基质	$2$ 丙酮酸 $+\ 6\text{H}_2\text{O} \to 6\text{CO}_2 + 20[\text{H}]$	少量（$2$ ATP）
电子传递链	线粒体内膜	$24[\text{H}] + 6\text{O}_2 \to 12\text{H}_2\text{O}$	大量（$28$ ATP）

厌氧呼吸的过程

反应式：

• $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \to 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2 + \text{能量}$（酒精；植物、酵母菌）;
• $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \to 2\ \text{乳酸} + \text{能量}$（动物和人、乳酸菌）。

第一阶段与需氧呼吸的糖酵解相同（在细胞溶胶），第二阶段也在细胞溶胶中进行。

细胞呼吸的应用

• 储藏粮食：低温、低氧、高 $\text{CO}_2$、干燥;
• 呼吸作用的意义：为生命活动提供能量；为其他化合物的合成提供原料（碳骨架）。

自养生物与异养生物

植物和藻类是自养生物，人、动物、真菌和大部分细菌是异养生物。

光合作用

• 概念：绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存能量的有机物，并释放氧气的过程;
• 生物种类：绿色植物、藻类、光合细菌（蓝细菌）;
• 总反应式：

$\text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{光能、叶绿体}} (\text{CH}_2\text{O}) + \text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$

	光合作用	呼吸作用
原料	$\text{CO}_2$、$\text{H}_2\text{O}$	$\text{O}_2$、$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$、$\text{H}_2\text{O}$
产物	$(\text{CH}_2\text{O})$、$\text{O}_2$	$\text{CO}_2$、$\text{H}_2\text{O}$
能量转换	贮藏能量	释放能量
发生场所	叶绿体	线粒体、细胞溶胶
发生条件	光照、色素、酶	酶

光合色素的提取与分离

• 提取：色素是有机物，可溶解在 $95\%$ 乙醇等有机溶剂中；$\text{SiO}_2$ 使研磨更充分，$\text{CaCO}_3$ 保护叶绿素;
• 分离：纸层析法。色素在层析液中溶解度不同，扩散速度不同，从而分离;
• 滤纸条从上到下依次为：胡萝卜素（橙黄色）、叶黄素（黄色）、叶绿素 a（蓝绿色）、叶绿素 b（黄绿色）;
• 类胡萝卜素（胡萝卜素、叶黄素）含量约占 $1/4$，叶绿素（叶绿素 a、叶绿素 b）含量约占 $3/4$。

光反应与碳反应

光反应阶段

• 场所：类囊体膜上;条件：光、色素、酶;
• 物质变化：水的光解（产物为 $\text{H}^+$、$\text{e}^-$、$\text{O}_2$）、ATP 的形成、NADPH 的形成;
• 能量变化：光能转变成 ATP 和 NADPH 中活跃的化学能;
• 产物：$\text{O}_2$、ATP、NADPH。

碳反应阶段

• 场所：叶绿体基质;条件：多种酶、ATP、NADPH;
• 物质变化：$\text{CO}_2$ 的固定（$\text{CO}_2 + \text{C}_5 \to 2\text{C}_3$）；$\text{C}_3$ 的还原（在 NADPH、ATP 作用下生成三碳糖，进而生成有机物并再生 $\text{C}_5$）;
• 能量变化：活跃的化学能转变成有机物中稳定的化学能。

环境因素对光合作用的影响

• 影响因素：光照（强度、时间、波长）、$\text{CO}_2$ 浓度、温度（主要影响酶的活性）、无机盐和水;
• 光照由强变弱时：NADPH、ATP 减少，$\text{C}_3$ 还原减弱，$\text{C}_3$ 含量上升、$\text{C}_5$ 含量下降，有机物合成率降低;
• $\text{CO}_2$ 浓度降低时：$\text{CO}_2$ 固定减少，$\text{C}_3$ 含量下降、$\text{C}_5$ 含量上升。

专题五 细胞的分裂、分化和凋亡

细胞周期

• 定义：连续分裂的细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的整个过程;
• 分裂间期（时间长，在前）：$G_1$ 期（合成蛋白质及核糖体的增生）、S 期（DNA 复制）、$G_2$ 期（合成蛋白质）;
• 分裂期（时间短，在后）：核分裂（前期、中期、后期、末期）和胞质分裂。

有丝分裂的过程

以 $N$ 表示一个染色体组，下表给出各时期的主要变化（设体细胞含 $2N$ 条染色体）。

时期	主要变化	染色体数	DNA 数	染色单体数
间期	DNA 复制及有关蛋白质合成	$2N$	$2N \to 4N$	$0 \to 4N$
前期	出现染色体、纺锤体，核仁、核膜消失	$2N$	$4N$	$4N$
中期	着丝粒排在赤道板上，染色体形态数目清晰	$2N$	$4N$	$4N$
后期	着丝粒分裂，染色体数目加倍，移向两极	$4N$	$4N$	$0$
末期	出现核仁、核膜，染色体、纺锤体消失	$2N$	$2N$	$0$

动、植物细胞有丝分裂的异同

	植物细胞	动物细胞
间期	无中心体	中心体复制
前期	细胞两极发出纺锤丝	中心体发出星射线形成纺锤体
末期	赤道板位置形成细胞板、细胞壁	细胞膜从中部向内凹陷缢裂
相同点	分裂过程基本相同；染色体变化规律相同；间期 DNA 复制；分裂时染色体平均分配到两个子细胞中	同左

意义：将亲代细胞的染色体经过复制，精确地平均分配到两个子细胞中，保持遗传性状的稳定性。细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础。

实验：观察根尖细胞有丝分裂

• 解离：$10\%$ 盐酸，使细胞彼此分离;
• 漂洗：清水，洗去盐酸，便于染色;
• 染色：$0.01\ \text{g/mL}$ 龙胆紫液，使染色体着色;
• 制片步骤：解离 $\to$ 漂洗 $\to$ 染色 $\to$ 制片;
• 观察：先在低倍镜下找到分生区细胞（呈正方形，排列紧密），再换高倍镜观察。

细胞分化

• 定义：个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程;
• 特点：是一种持久的、稳定的渐变过程;
• 实质：基因选择性表达 的结果;
• 意义：使多细胞生物体内的细胞趋向专门化，有利于提高各种生理功能的效率。

细胞的全能性

• 概念：已经分化的细胞仍然具有发育成完整个体的潜能;
• 原因：一般已分化的细胞都有一整套和受精卵相同的 DNA 分子;
• 全能性大小：受精卵 $>$ 生殖细胞 $>$ 体细胞;
• 植物细胞：高度分化的植物细胞仍具全能性（如胡萝卜根组织培养成新植株）;
• 动物细胞：高度特化的动物细胞全能性受限制，但细胞核仍保持全能性（如克隆羊多莉）。

癌细胞

• 主要特征：能够无限增殖；细胞表面的黏连蛋白减少，彼此之间黏着性减小，易在体内转移;
• 癌变的原因：内因是原癌基因和抑癌基因的突变，外因是物理、化学、病毒致癌因子;
• 防治：远离致癌因子，做到早发现早治疗。

干细胞

• 干细胞是一类可以分化成各种细胞的未分化细胞;受精卵是全能干细胞，胚胎干细胞是多能干细胞，造血干细胞是专能干细胞;
• 显著特点：进行不对称分裂，分裂产生的两个细胞中一个仍是干细胞，另一个经多次分裂后分化成各种细胞。

细胞衰老与凋亡

• 细胞衰老：细胞随着生存时间的延长，形态、结构发生改变，生理功能持续下降的过程。衰老细胞的特征：水分减少萎缩、细胞核体积增大、细胞膜通透性降低、各种酶活性降低、细胞代谢减弱;
• 细胞凋亡：由基因所决定的细胞自动结束生命的过程，受基因控制（编程性死亡）;
• 细胞衰老和细胞凋亡都是生物体生长发育所需要的正常生命现象。