第一章 走近细胞——生物学的起点
本章是整个高中生物的奠基章节,核心是认识细胞这个生命的基本单位。
一、生命活动离不开细胞
除病毒外,细胞是生物体结构和功能的基本单位。各类生物与细胞的关系如下:单细胞生物(如细菌、蓝藻、草履虫、变形虫)依靠单个细胞就能完成各种生命活动;多细胞生物依赖各种分化的细胞密切合作,共同完成复杂的生命活动;病毒没有细胞结构,主要由蛋白质和核酸组成,不能独立生活,必须寄生在活细胞中。病毒虽然不属于生命系统的结构层次,但仍然是生物。
二、生命系统的结构层次
从微观到宏观依次为:细胞→组织→器官→系统→个体→种群→群落→生态系统→生物圈。需要特别注意的是:细胞是地球上最基本的生命系统;多细胞植物没有“系统”这一层次;单细胞生物既属于细胞层次也属于个体层次,没有组织、器官、系统层次。
三、原核细胞与真核细胞的区别
两者最根本的区别是:有无以核膜为界限的细胞核。原核细胞没有核膜包被的细胞核,没有染色体,只有核糖体一种细胞器,代表生物有细菌、蓝藻、放线菌、支原体等。真核细胞有核膜、有染色体、有多种细胞器,代表生物有动物、植物、真菌等。但两者也有统一性:都有细胞膜和细胞质。
四、细胞学说
建立者是德国的施莱登和施旺。主要内容有三点: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;细胞是一个相对独立的单位,既有自己的生命,又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用;新细胞可以从老细胞中产生。魏尔肖后来补充了“细胞通过分裂产生新细胞”。细胞学说揭示了细胞的统一性和生物体结构的统一性。
第二章 组成细胞的分子——细胞的物质基础
一、组成细胞的元素
组成生物体的化学元素在无机自然界都可以找到,说明生物界和非生物界具有统一性;但各种元素的相对含量又大不相同,说明两者还具有差异性。
大量元素包括:C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg。微量元素包括:Fe、Mn、B、Zn、Mo、Cu。基本元素是C。细胞干重中含量最多的是C,鲜重中含量最多的是O。生物大分子以碳链为骨架,C是构成细胞的最基本元素。
二、细胞中的化合物
活细胞中含量最多的化合物是水,干重中含量最多的是蛋白质。
1. 蛋白质——生命活动的主要承担者
蛋白质的基本组成单位是氨基酸。每种氨基酸分子至少都含有一个氨基(-NH₂)和一个羧基(-COOH),并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上,这个碳原子还连接一个氢原子和一个R基。各种氨基酸的区别在于R基的不同。
两个氨基酸通过脱水缩合形成二肽,连接两个氨基酸的化学键(—NH—CO—)叫肽键。脱水缩合中,脱去的水分子数=形成的肽键数=氨基酸数-肽链条数。
蛋白质具有多样性的原因:构成蛋白质的氨基酸种类、数目、排列顺序千变万化,多肽链的盘曲折叠方式千差万别。蛋白质的功能包括:结构蛋白(如肌肉、羽毛)、催化作用(绝大多数酶)、运输载体(如血红蛋白)、信息传递(如胰岛素)、免疫功能(如抗体)。
2. 核酸——遗传信息的携带者
核酸包括DNA和RNA两大类。基本组成单位是核苷酸。DNA由两条脱氧核苷酸链构成,碱基是A、T、G、C;RNA由一条核糖核苷酸链构成,碱基是A、U、G、C。核酸在生物体的遗传、变异和蛋白质合成中具有极其重要的作用。
3. 糖类——主要的能源物质
糖类由C、H、O三种元素组成。分为单糖、二糖和多糖。植物体内的储能物质是淀粉,人和动物体内的储能物质是糖原(肝糖原和肌糖原)。还原糖包括葡萄糖、果糖、麦芽糖等,可与斐林试剂反应生成砖红色沉淀。
4. 脂质
包括脂肪、磷脂和固醇等。脂肪是细胞内良好的储能物质;磷脂是构成生物膜的重要成分;胆固醇是构成动物细胞膜的重要成分,还参与血脂运输。
5. 水和无机盐
水在细胞中以自由水和结合水两种形式存在,绝大部分是自由水。结合水是细胞结构的重要组成成分,自由水是细胞内的良好溶剂。大多数无机盐以离子形式存在,对于维持细胞和生物体的生命活动有重要作用。
第三章 细胞的基本结构——细胞的“城市蓝图”
一、细胞膜——系统的边界
细胞膜主要由脂质和蛋白质组成。磷脂双分子层是基本骨架,功能越复杂的细胞膜,蛋白质的种类和数量越多。细胞膜具有流动性(结构特点)和选择透过性(功能特点)。
细胞膜的功能有三项:将细胞与外界环境分隔开;控制物质进出细胞(这种控制是相对的);进行细胞间的信息交流。细胞间信息交流的三种方式:通过分泌化学物质进行信息交流(需要受体);通过细胞膜直接接触进行信息交流(需要受体);形成细胞通道进行信息交流(如高等植物的胞间连丝,不需要受体)。受体的化学本质是糖蛋白,只存在于细胞外侧。
二、细胞器——分工合作的“车间”
分离细胞器的方法叫差速离心法。
双层膜的细胞器有:线粒体(有氧呼吸的主要场所,被称为“动力车间”)、叶绿体(光合作用的场所)。单层膜的细胞器有:内质网(蛋白质加工和脂质合成车间)、高尔基体、溶酶体、液泡。无膜的细胞器有:核糖体(蛋白质合成的场所)、中心体。
三、细胞核——系统的控制中心
细胞核包括核膜(双层膜,把核内物质与细胞质分开)、染色质(由DNA和蛋白质组成,染色质和染色体是同一物质在细胞不同时期的两种存在状态)、核仁等结构。
第四章 细胞的物质输入和输出——物质的“通关”方式
一、被动运输
被动运输是顺浓度梯度运输,不需要消耗能量。
自由扩散:不需要载体蛋白,也不需要能量。物质从高浓度一侧向低浓度一侧扩散。能通过自由扩散的物质包括:氧气、二氧化碳、水、甘油、乙醇、苯、脂肪酸、尿素、胆固醇、脂溶性维生素等气体小分子和脂溶性小分子。
协助扩散:需要载体蛋白的协助,但不需要能量。如红细胞摄取葡萄糖。协助扩散存在最大转运速率,因为膜上载体蛋白的结合位点会达到饱和。
二、主动运输
主动运输逆浓度梯度运输,需要载体蛋白,同时需要消耗能量(由ATP直接供能)。如小肠吸收K⁺、Na⁺、Ca²⁺等离子,以及葡萄糖、氨基酸、无机盐等。
三、胞吞和胞吐
大分子或颗粒物质进出细胞的方式是胞吞和胞吐,也需要消耗能量。
第五章 细胞的能量供应和利用——细胞的“能量工厂”
一、酶——生物催化剂
细胞代谢是指细胞内每时每刻进行着的许多化学反应。活化能是指分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。酶的作用机理是降低化学反应所需要的活化能。
绝大多数酶是蛋白质,少数是RNA。酶具有高效性、专一性等特性。酶活性受温度和pH等环境因素的影响。
二、ATP——细胞的直接能源物质
ATP的中文名称是腺苷三磷酸(三磷酸腺苷),结构简式为A—P~P~P,其中A代表腺苷,P代表磷酸基团,~代表特殊化学键(高能磷酸键)。ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。
ATP与ADP的相互转化:ATP水解时释放能量用于生命活动,合成ATP的能量来自呼吸作用或光合作用。这两个过程需要不同的酶催化。
三、光合作用
叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量,在二氧化碳和水转化为糖与氧气的过程中,将光能转化为糖分子中的化学能。
四、细胞呼吸
线粒体是活细胞进行有氧呼吸的主要场所。有氧呼吸第二阶段在线粒体基质中进行,第三阶段在线粒体内膜上进行。
第六章 细胞的生命历程——细胞的“一生”
一、细胞的增殖
细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖、遗传的基础。细胞不能无限长大的原因:细胞的表面积与体积比限制了物质运输效率;细胞核的控制范围和能力有一定限度。
二、细胞的分化、衰老和死亡
细胞分化使细胞在形态、结构和功能上发生稳定性差异。活细胞会经历生长、增殖、分化、衰老和死亡等生命历程。
必修一的核心是建立“细胞是生命活动基本单位”的观念。复习时可以抓住两条主线:一是“结构线”——从细胞膜到细胞器到细胞核,层层深入;二是“功能线”——从物质的组成到物质的运输,再到能量的供应和利用,理解细胞如何作为一个完整的系统运转。背诵时注重理解概念之间的逻辑关系,结合具体实例记忆,效果会更好。
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