生命科学基础教程之生物联赛同步辅导

1、第一章 细胞生命活动的化学基础内容提要1. 生命是物质的，细胞是由化学分子构成的。化学分子分为无机物和有机物，它们都由原子构成。两个或多个原子常常能够进行化学结合，产生化合物。化合物的原子是通过化学键的作用结合在一起的。 2. 生命离不开水。水通常占细胞总量70%80%。细胞中的所有反应都是在水中进行的，水是细胞生命活动的介质。 水作为溶剂，为细胞对物质的吸收提供了条件。水分子参与了生命活动的一些重要反应，在大分子的合成过程中水是产物，而在分解反应中水是反应剂。 3. 葡萄糖是较简单的糖，也是细胞生命活动的主要能源，它经过一系列氧化反应，释放出能量，最终变成水和CO2。单纯的多糖由许多葡萄糖残

2、基组成，如动物细胞中的糖原和植物细胞中的淀粉。它们是细胞内贮存的营养物质，提供细胞代谢所需的能源。糖不仅是生物代谢的重要能源，也是核酸和糖蛋白等重要的生物大分子的结构成分，同时也是构成细胞的结构成分，如植物细胞壁中的纤维素。 4. 脂类是生物膜的主要成分，也是很好的能源，脂类可构成生物表面的保护层。 5. 蛋白质是细胞最重要的结构成分，并参与几乎所有的生命活动过程，是细胞内行使各种生物功能的生物大分子。 6. 细胞中的核酸是由核苷酸单体连接形成的大分子多聚体，核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成。核酸分为两类：核糖核酸和脱氧核糖核酸。RNA种类较多， 有tRNA、rRNA、mRNA，DNA是遗传

3、物质， 只有一种类型， 其结构呈现双螺旋。 二、细胞 1. 细胞的学说： 1. 地球上的生物都是由细胞构成的； 2. 所有的生活细胞在结构上都是相类似的。1855年德国医生和病理学家魏尔肖(Rudolf Virchow)又补充了第三条原理: 3. 所有的细胞都是来自于已有细胞的分裂，即细胞来自细胞。细胞学说的提出论证了生物界的统一性和生命的共同的起源。 2. 细胞分为两大类: 原核细胞和真核细胞。原核生物向真核生物进化的一个重要变化就是细胞内部结构的复杂化，即出现了许多结构和功能都不同的细胞器。 3. 细胞质膜是指包围在细胞表面的一层透性膜，基本作用是维护细胞内微环境的相对稳定，并参与同外界环

4、境进行物质交换、能量和信息传递。 4. 细胞合成ATP可以通过无氧呼吸和有氧呼吸，但主要是有氧呼吸。 5. 光合作用是绿色植物、藻类吸收并利用光能，将CO2固定并合成有机化合物，同时释放O2的系列反应。绿色植物的光合作用在叶绿体中进行，C3与C4植物中的光合作用途径略有不同。蓝藻的光合作用则发生在质膜上。 思考题：一、问答题1. 什么是细胞？细胞学说的主要内容是什么？ 2. 比较真核细胞与原核细胞的异同。 3. 试述真核细胞主要的细胞结构和功能 4. 细胞如何将光能转变成化学能？有如何将糖分子中的能量转变成流通的ATP? 5. 说明细胞质膜的组成及流动镶嵌模型的特点 6. 细胞内有几种类型的生

5、物大分子？各起什么作用？ 二、比较每对名词1. 被动运输与主动运输 2. 染色质与染色体 3. 糙面内质网与滑面内质网 4. 共价键与离子键 5. 胞吞作用与胞吐作用 进入课程学习第一章 细胞生命活动的基本原理1665年，英国学者胡克(Robert Hooke)第一个发现了细胞，1838年德国植物学家施莱登(Mathias Schleiden)和动物学家施旺(Theodor Schwann)创立了细胞学说；1858年德国医生和病理学家魏尔肖(Theodor Virchow)补充了细胞学说。细胞学说的创立解决了生命科学的一个根本问题，即生命的共同起源问题，也就是生命的同一性问题。恩格斯对细胞学说

6、给予极高的评价，把它与进化论和能量守恒定律并列称为19世纪的三大发现。细胞学的研究是现代生命科学的基础，并广泛渗透到遗传学、发育生物学、生殖生物学、神经生物学和免疫生物学等学科的研究中，是生命科学的重要支柱之一。第一节 细胞的化学基础：原子与分子 生命是物质的，细胞是由化学分子构成的。化学分子分为无机物和有机物，它们都由原子构成。一、自然界中的元素1. 元素与原子 元素是在化学反应中不可再分解的最简单的物质。元素符号由拉丁字母表示，如O、C、H、N分别代表碳、氢、氧、氮，这四种元素在大多数生物体中占总重量的96%以上。除此4种元素之外，生物体内还有一些微量元素，它们的量不大，但非常重要(表1-

7、1)。表1-1 生物体内一些重要元素的组成和功能元素占人体重%占非木本植物体重%功能氧(O)6578参与细胞呼吸；存在于大多有机物；水中碳(C)1811有机分子的骨架；能与其他原子形成四中键氢(H)109存在于大多有机分子中；水的组成；氢离子(H+)参与能量传递氮(N)3*蛋白质和核酸的成分；植物叶绿素的成分钙(Ca)1.5*骨和牙的结构成分；重要的信号分子；参与血凝集；参与形成植物细胞壁磷(P)1*核酸和磷脂的成分；在能量转移反应中起重要作用；骨的结构成分钾(K)*动物细胞中主要的阳离子；在神经功能中有重要作用；影响肌收缩，控制植物气孔的开启硫(S)*大多数蛋白质的成分钠(Na)*钠离子是动

8、物体液中的阳离子；维持体液离子平衡；神经脉冲传导中具有重要作用；在植物光合作用中有重要作用。镁(Mg)*动物的血液和其他组织必须离子；激活酶；植物叶绿素的成分氯(Cl)*氯离子是动物体液中主要的阴离子；在维持平衡中起重要作用；光合作用中有重要作用铁(Fe)*动物血红蛋白的成分；酶的活性中心*表示检测量在1以下。 二、水是生命的基础 生命离不开水。人体组织中，水的含量最高，骨组织中为20%，脑细胞中为85%。通常占细胞总量70%80%。细胞中的所有反应都是在水中进行的，所以水是细胞生命活动的介质(1-7)。图1-1 细胞中各主要成分的相对含量(引自Kleinsmith，1995)（一）水的结构

9、图1-8 水分子的V形结构与极性(引自Campbell & Reece，2001)通过单共价键结合起来的水，在氢原子和氧原子间的共价键的电子不是均衡共享的，氧对电子有较大的推力是电子更靠近氢，由于带负电的电子在水分子内不均衡的分布，水分子形成V字形，而具有极性，即氧原子端稍微带负电，而氢原子端带正电荷(图1-8)。（二）水的性质与功能 相邻水分子间能够形成氢键(图1-3)。氢键赋予水分子一些独特的性质， 而这些性质对于生活细胞是十分重要的。首先，氢键能够吸收较多的热能，将氢键打断需要较高的温度， 所以氢键可维持细胞温度的相对稳定。图1-3 水分子间的氢键(引自Campbell & Reece，

10、2001)水有很高的比热，因此，使水的温度升高需要较大的能量。1克水升高摄氏1度需要1卡的热量，即水的比热为1；大多数金属、玻璃和乙醇等物质的比热都比水低。如乙醇的比热是0.59。水由于氢键的缘故，比其他物质具有较好的热稳定性，地球上正是具有70%以上的水，才维持着适于生命生存的温度。当水被加热时，热能首先必须破坏氢键才能使水分子的运动加快。氢键不被破坏，水分子的运动是快不起来的。由于水开始吸收并储存了大量的热能，温度也就不会很快升高。相反，当水温下降时，也会释放大量的热。另外，水还有另外一种方式对温度进行调节，这就是蒸发冷却。最熟知的例子就是夏天，人通过流汗，将体内的部分水蒸发释放出来，从而

11、达到调节体温的作用，因为将1g液态水转变成气态水需要540卡热量。水的第二个特性是冷却时能够结冰。大多数液体冷却时，密度比越来越大。然而水却不同，水结成冰时，其密度比液态小(如1-4)，所以冰能够浮在水面。水结冰降低密度，对于保护冰下地球上的生物具有十分重大意义。 图1-4 水与冰中氢键的状态(引自Campbell & Reece，2001)冰中，水分子的氢键拉大，且十分稳定，水中的氢键段且不断形成和断开。 水的第三个特性就是具有黏性。相邻水分子间形成的氢键使水分子具有一定的黏性， 这样使水具有较高的表面密度。水的黏性对于生物体来说具有重要的作用。如植物所需的水分是由根吸收并通过微管运输到地上

12、部分的， 在水的运送过程中水的黏性其重要作用，如果水分子没有黏性，地上部分的供水就无法完成。毛吸现象就是水的黏性所致。由于水的黏性，使水的表面具有很高的张力。水的第四个特性就是作为溶剂。由于水分子具有极性，所以食糖、盐等极性分子、离子化合物很容易溶于水，其中，水称为溶剂，而糖和食盐则称为溶质。含有溶质的水称为水溶液。水的溶剂作用对于加速一些化学反应起重要作用。易于溶于水的物质称为亲水性的，如NaCl(离子化合物)和蔗糖(极性化合物)。不溶于水的物质称为疏水性物质，对于细胞的生命活动同样是重要的。水作为溶剂，为细胞对物质的吸收提供了条件。血液中溶有大量细胞所需的物质，通过血液循环被运送到各个组织

13、。另外，水分子参与了生命活动的一些重要反应，在大分子的合成过程中水是产物，而在分解反应中水是反应剂。细胞中有70%以上的水，其酸碱度约为中性，即pH为6.87.0。水具有轻微的离子化作用，即水会解离成氢离子(H+)和羟基离子(OH-)， 纯水中会有少量的水分子离子化。这种过程是可逆的：纯水中水解离产生的离子浓度极低，只有0.或10-7/Mol/L，溶液的酸碱度为中性，既不是酸性也不是碱性。谓酸性即是在溶液中解离后产生氢离子(H+)和酸根离子：由于酸能够解离出氢离子，所以，酸是质子供体。所谓碱性即是在溶液中解离后产生羟(OH)和阳离子，并且产生的羟可以接收质子(H+)，形成水，所以碱是质子受体：

14、酸性溶液中的氢离子的浓度比氢氧离子浓度高。有些碱解离后并不直接产生氢氧离子，例如铵(NH3)，溶于水，与水反应产生铵离子(NH4+)和氢氧根离子：碱性溶液中的氢离子的浓度比氢氧离子浓度低。溶液中酸性程度通常用pH值来表示:pH=log10H+。高于7为碱性，低于7为酸性，等于7则为中性。体内溶液的pH是不能大幅变化的，其变化应限制在一个很小的波动范围之内。如人血液的pH为7.4，这个值必须严格控制，使其稳定。如果酸性过强，就会导致昏迷，严重的会导致死亡。如果碱性太强，会引起神经系统的疾病。生命有机体含有很多天然的抵抗pH急剧变化的缓冲体系。缓冲体系包括弱酸和弱碱，因为弱酸和弱碱不会完全离子化，任何时候都是部分离子化。脊椎动物的血液中具有极好的缓冲体系，即二氧化碳的血液pH的缓冲作用：这一体系极好地维持了血液的酸碱度的稳定。（三）无机盐 当酸和碱在水中混合时，就会形成盐， 同时，释放的H+和OH-会形成水。如盐酸和氢氧化钠在水中混合，会产生氯化钠和水：盐是酸转变而来，即