新教材高中生物必修一知识点总结

新教材高中生物必修一知识点总结生物学是一门探索生命奥秘的科学，而高中生物必修一则为我们打开了通往微观生命世界的大门。本模块以“细胞是生命活动的基本单位”为核心观点，系统阐述了细胞的分子组成、基本结构、物质输入与输出、能量供应与利用以及细胞的生命历程。掌握这些基础知识，对于理解更复杂的生命现象、形成科学的生命观念至关重要。一、走进细胞1.1细胞是生命活动的基本单位生命活动离不开细胞。无论是单细胞生物还是多细胞生物，其各项生命活动的实现均以细胞为基础。病毒虽无细胞结构，但其增殖过程也必须依赖宿主细胞才能完成。因此，细胞是地球上最基本的生命系统。生命系统的结构层次包括细胞、组织、器官、系统（植物无系统层次）、个体、种群、群落、生态系统乃至生物圈，它们层层相依，又各自具有特定的组成、结构和功能。1.2细胞的多样性与统一性显微镜是观察细胞的重要工具，其操作规范与成像原理是学习的基础。通过显微镜观察，我们能直观感受到细胞形态和大小的多样性。根据细胞内有无以核膜为界限的细胞核，可将细胞分为原核细胞和真核细胞。原核细胞结构相对简单，没有核膜包被的细胞核，也没有众多复杂的细胞器，仅有核糖体一种细胞器，代表生物有细菌、蓝细菌等。真核细胞则结构复杂，具有细胞核和多种细胞器，动植物细胞、真菌细胞均属此类。尽管细胞形态万千，结构各异，但它们在化学组成、基本结构（如细胞膜、细胞质、核糖体）和遗传物质（DNA）等方面具有高度的统一性，这暗示了生物界的共同起源。细胞学说的建立，通过对动植物细胞的研究，揭示了细胞的统一性和生物体结构的统一性，为生物学的发展奠定了坚实的基础。二、组成细胞的分子2.1细胞中的元素和化合物细胞是由各种化学元素和化合物构成的生命系统。组成细胞的化学元素，在无机自然界中都能找到，没有一种化学元素为细胞所特有，这体现了生物界与非生物界的统一性；但细胞中各种元素的相对含量与无机自然界的大不相同，这又体现了生物界与非生物界的差异性。组成细胞的化合物包括无机化合物和有机化合物。无机化合物主要有水和无机盐；有机化合物主要有糖类、脂质、蛋白质和核酸。水是细胞中含量最多的化合物，以自由水和结合水两种形式存在，自由水是细胞内的良好溶剂，参与许多化学反应，为细胞提供液体环境，运送营养物质和代谢废物；结合水是细胞结构的重要组成成分。无机盐在细胞中含量虽少，但作用重要，大多以离子形式存在，有些是细胞内某些复杂化合物的重要组成成分，有些则对维持细胞和生物体的生命活动、维持细胞的酸碱平衡和渗透压起着关键作用。2.2生命活动的主要承担者——蛋白质蛋白质是细胞中含量最多的有机化合物，是生命活动的主要承担者。组成蛋白质的基本单位是氨基酸，每种氨基酸分子至少都含有一个氨基和一个羧基，并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上。氨基酸通过脱水缩合的方式形成肽键，进而连接成多肽链。一条或多条多肽链按照一定的方式盘曲折叠，形成具有特定空间结构的蛋白质。由于组成蛋白质的氨基酸种类、数目、排列顺序的不同，以及多肽链盘曲折叠方式及其形成的空间结构的千差万别，导致了蛋白质结构的多样性。而结构的多样性又决定了蛋白质功能的多样性，如催化（酶）、运输（载体蛋白）、调节（部分激素）、免疫（抗体）、构成细胞和生物体结构（如肌肉蛋白）等。2.3遗传信息的携带者——核酸核酸是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。核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。组成核酸的基本单位是核苷酸，每个核苷酸由一分子含氮碱基、一分子五碳糖和一分子磷酸组成。DNA的基本单位是脱氧核苷酸，含有的五碳糖是脱氧核糖，碱基有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）；RNA的基本单位是核糖核苷酸，含有的五碳糖是核糖，碱基有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）。DNA主要分布在细胞核中，少量分布在线粒体和叶绿体中；RNA主要分布在细胞质中。不同生物的核酸，其核苷酸的排列顺序各不相同，这蕴含了丰富的遗传信息。2.4细胞中的糖类和脂质糖类是主要的能源物质，由碳、氢、氧三种元素构成。根据水解情况，糖类可分为单糖、二糖和多糖。单糖是不能水解的糖，如葡萄糖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；多糖则是由多个单糖分子脱水缩合而成的大分子化合物，如淀粉是植物细胞中储存能量的物质，糖原是动物细胞中储存能量的物质，纤维素是构成植物细胞壁的主要成分。脂质主要由碳、氢、氧三种元素组成，有些还含有氮和磷。与糖类相比，脂质分子中氧的含量相对较少，而氢的含量更多。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，还具有保温、缓冲和减压的作用；磷脂是构成细胞膜和多种细胞器膜的重要成分；固醇类物质如胆固醇、性激素和维生素D等，在细胞的生命活动中具有重要作用。三、细胞的基本结构3.1细胞膜的结构和功能细胞膜（质膜）是细胞的边界，将细胞与外界环境分隔开，保障了细胞内部环境的相对稳定。细胞膜的主要成分是脂质（磷脂最丰富）和蛋白质，还有少量的糖类。流动镶嵌模型是目前为大多数人所接受的细胞膜结构模型，该模型认为，磷脂双分子层构成了膜的基本支架，这个支架不是静止的，具有流动性；蛋白质分子有的镶在磷脂双分子层表面，有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的贯穿于整个磷脂双分子层，大多数蛋白质分子也是可以运动的。细胞膜上的糖类分子与蛋白质或脂质结合，形成糖蛋白或糖脂，它们与细胞识别、信息传递等功能密切相关。细胞膜的功能除了将细胞与外界环境分隔开，还能控制物质进出细胞（具有选择透过性），并进行细胞间的信息交流。细胞间信息交流的方式多种多样，如通过化学物质传递信息、通过细胞膜直接接触传递信息、通过细胞通道传递信息等。3.2细胞器之间的分工合作细胞中的各种细胞器既有分工又有合作，共同完成细胞的生命活动。线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所，是细胞的“动力车间”；叶绿体是绿色植物能进行光合作用的细胞含有的细胞器，是“养料制造车间”和“能量转换站”；内质网是由膜连接而成的网状结构，是细胞内蛋白质合成和加工，以及脂质合成的“车间”；高尔基体主要是对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”；核糖体是“生产蛋白质的机器”，有的附着在内质网上，有的游离分布在细胞质中；溶酶体是“消化车间”，内含多种水解酶，能分解衰老、损伤的细胞器，吞噬并杀死侵入细胞的病毒或细菌；液泡主要存在于植物细胞中，内有细胞液，含糖类、无机盐、色素和蛋白质等物质，可以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；中心体存在于动物细胞和某些低等植物细胞中，与细胞的有丝分裂有关。这些细胞器并非孤立存在，它们通过膜结构的联系形成了一定的结构和功能上的关联。分泌蛋白的合成和运输过程，充分体现了细胞器之间的协调配合：核糖体合成肽链，内质网进行初步加工和运输，高尔基体进行进一步加工、分类和包装，整个过程需要线粒体提供能量。由细胞膜、细胞器膜和核膜等结构共同构成了细胞的生物膜系统，这些生物膜的组成成分和结构很相似，在结构和功能上紧密联系，进一步体现了细胞内各种结构之间的协调配合。3.3细胞核的结构和功能细胞核是真核细胞中最重要的细胞结构之一，是遗传信息库，是细胞代谢和遗传的控制中心。细胞核的结构包括核膜（双层膜，把核内物质与细胞质分开）、核孔（实现核质之间频繁的物质交换和信息交流）、核仁（与某种RNA的合成以及核糖体的形成有关）和染色质（主要由DNA和蛋白质组成，DNA是遗传信息的载体）。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。四、细胞的物质输入和输出4.1物质跨膜运输的实例细胞的吸水和失水是水分子通过细胞膜的扩散（渗透作用）。发生渗透作用的条件是具有半透膜，以及半透膜两侧具有浓度差。动物细胞的细胞膜相当于一层半透膜，当外界溶液浓度小于细胞质浓度时，细胞吸水膨胀；反之，则细胞失水皱缩。植物细胞的原生质层（细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质）相当于一层半透膜，中央液泡中的细胞液具有一定的浓度。当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，植物细胞失水，发生质壁分离；当外界溶液浓度小于细胞液浓度时，植物细胞吸水，发生质壁分离复原。细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜，这种膜可以让水分子自由通过，一些离子和小分子也可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过。4.2物质跨膜运输的方式物质跨膜运输的方式主要分为被动运输和主动运输。被动运输是指物质通过简单的扩散作用进出细胞，不需要消耗能量，其动力来自于膜两侧物质的浓度差。被动运输包括自由扩散和协助扩散。自由扩散是指物质通过细胞膜时，不需要载体蛋白的协助，如水、氧气、二氧化碳等气体分子以及甘油、乙醇等脂溶性小分子物质；协助扩散是指物质通过细胞膜时，需要载体蛋白的协助，但不需要消耗能量，如葡萄糖进入红细胞。主动运输是指物质从低浓度一侧运输到高浓度一侧，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。主动运输保证了活细胞能够按照生命活动的需要，主动选择吸收所需要的营养物质，排出代谢废物和对细胞有害的物质，是物质跨膜运输的主要方式。此外，大分子物质（如蛋白质和多糖）进出细胞的方式是胞吞和胞吐，这两种方式也需要消耗能量，依赖于细胞膜的流动性。五、细胞的能量供应和利用5.1降低化学反应活化能的酶细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢。细胞代谢离不开酶的催化作用。酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA。酶具有高效性（催化效率远高于无机催化剂）、专一性（每一种酶只能催化一种或一类化学反应），并且酶的作用条件较温和（需要适宜的温度和pH等）。过酸、过碱或温度过高，会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活；低温只是抑制酶的活性，酶的空间结构未被破坏，在适宜温度下酶的活性可以恢复。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称为活化能。酶的作用机理是降低化学反应的活化能，从而使化学反应能够在温和条件下高效地进行。5.2细胞的能量“货币”——ATPATP（腺苷三磷酸）是细胞内的一种高能磷酸化合物。ATP的结构简式可以表示为A-P～P～P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基团，～代表一种特殊的化学键（高能磷酸键）。ATP分子中远离A的那个高能磷酸键很容易水解，释放出大量的能量，供给生命活动利用。ATP与ADP（腺苷二磷酸）可以相互转化。在有关酶的催化作用下，ATP分子中远离A的那个高能磷酸键水解，形成ADP和游离的磷酸（Pi），同时释放出大量的能量；在另一些酶的催化作用下，ADP可以接受能量，同时与一个游离的磷酸结合，重新形成ATP。ATP与ADP的相互转化是时刻不停地发生并且处于动态平衡之中的。细胞中ATP的含量很少，但ATP与ADP之间的转化十分迅速，从而保证了细胞能量的持续供应。ATP水解释放的能量可以用于主动运输、肌肉收缩、物质合成、神经传导等各项生命活动。5.3ATP的主要来源——细胞呼吸细胞呼吸是指有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并生成ATP的过程。有氧呼吸是细胞呼吸的主要形式，其主要场所是线粒体。有氧呼吸最常利用的物质是葡萄糖，其反应过程可以概括为三个阶段：第一阶段是葡萄糖分解成丙酮酸，产生少量的[H]，并释放少量的能量，发生在细胞质基质中；第二阶段是丙酮酸和水彻底分解成二氧化碳和[H]，并释放少量的能量，发生在线粒体基质中；第三阶段是前两个阶段产生的[H]与氧气结合生成水，并释放大量的能量，发生在线粒体内膜上。有氧呼吸的总反应式可以表示为：葡萄糖+氧气→二氧化碳+水+能量（大量）。除了有氧呼吸，某些细胞在缺氧条件下还能进行无氧呼吸。无氧呼吸的场所是细胞质基质，其过程可以概括为两个阶段，第一阶段与有氧呼吸的第一阶段完全相同；第二阶段是丙酮酸在不同酶的催化作用下，分解成酒精和二氧化碳，或者转化成乳酸，这个阶段没有能量的释放。无氧呼吸释放的能量较少。细胞呼吸的意义在于为细胞的生命活动提供能量，同时，细胞呼吸过程中产生的一些中间产物也可以成为合成其他物质的原料。5.4能量之源——光与光合作用光合作用是指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着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。光合作用的场所是叶绿体，叶绿体中的色素（叶绿素和类胡萝卜素等）能够吸收、传递和转化光能。叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。光合作用的过程可以分为光反应阶段和暗反应阶段。光反应阶段必须有光才能进行，发生在叶绿体的类囊体薄膜上，主要包括水的光解（产生氧气和[H]）和ATP的合成（利用光能将ADP和Pi合成ATP）。暗反应阶段有光无光都能进行，发生在叶绿体基质中，主要包括二氧化碳的固定（二氧化碳与五碳化合物结合生成三碳化合物）和三碳化合物的还原（在[H]和ATP的作用下，三碳化合物被还原成糖类等有机物，并再生出五碳化合物）。光合作用的强度受到光照强度、二氧化碳浓度、温度等环境因素的影响。光合作用不仅为植物自身的生长发育提供了物质和能量，也为地球上绝大多数生物的生存提供了物质和能量来源，对于维持大气中氧气和二氧化碳的相对稳定也具有重要意义。六、细胞的生命历程6.1细胞的增殖细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础。细胞通过分裂的方式进行增殖。真核细胞的分裂方式有三种：有丝分裂、无丝分裂和减数分裂（减数分裂将在必修二中学习）。有丝分裂是真核生物进行细胞分裂的主要方式，具有周期性，即连续分裂的细胞，从一次分裂完成时开始，到下一次分裂完成时为止，为一个细胞周期，包括分裂间期和分裂期。分裂间期是为分裂期进行活跃的物质准备，完成DNA分子的复制和有关蛋白质的合成，同时细胞有适度的生长。分裂期又分为前期、中期、后期和末期。前期：核膜、核仁消失，染色质螺旋化成为染色体，纺锤体形成；中期：染色体的着丝点排列在赤道板上，染色体形