人教版高中生物必修一

人教版高中生物必修一一、走进细胞：生命活动的基本单位本章作为开篇，旨在引导我们从宏观到微观，认识生命系统的结构层次，并初步建立“细胞是生物体结构和功能的基本单位”这一核心观念。1.1从生物圈到细胞生命的复杂性远超我们的想象，从浩瀚的生物圈到微小的细胞，生命系统层层相依，各有其特定的组成、结构和功能。理解生命系统的结构层次（细胞→组织→器官→系统→个体→种群→群落→生态系统→生物圈），是我们认识生命的起点。而细胞，无疑是这个复杂系统中最基本的层次，是地球上最基本的生命系统。无论是单细胞生物还是多细胞生物，其生命活动都离不开细胞。病毒虽然没有细胞结构，但其增殖过程也必须依赖活细胞才能完成，这从另一个角度佐证了细胞在生命活动中的核心地位。1.2细胞的多样性和统一性地球孕育了多种多样的生命，这些生命的基本结构单位——细胞，也呈现出惊人的多样性。根据细胞内有无以核膜为界限的细胞核，我们将细胞分为原核细胞和真核细胞。原核细胞结构相对简单，如细菌、蓝藻等，它们没有核膜包被的细胞核，遗传物质主要集中在拟核区域。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。尽管细胞形态各异，结构上也有原核与真核之分，但它们在基本结构（如细胞膜、细胞质）和化学组成（如DNA作为遗传物质）上又具有高度的统一性。细胞学说的建立，更是将这种统一性提升到了理论高度，它指出“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”，“新细胞可以从老细胞中产生”。细胞学说的提出，不仅揭示了细胞的统一性和生物体结构的统一性，更标志着生物学的研究进入了细胞水平，极大地推动了生物学的发展。1.3学会使用显微镜显微镜是我们窥探微观世界的“眼睛”。要学好细胞生物学，熟练掌握显微镜的使用方法是基本功。从取镜安放、对光调光，到低倍镜观察、高倍镜转换，每一个步骤都有其规范和技巧。特别需要注意的是，在使用高倍镜时，只能用细准焦螺旋进行调焦，以免压坏玻片标本或损坏镜头。同时，要学会区分显微镜视野中的细胞与气泡，以及如何根据观察对象的特点调整光圈和反光镜以获得最佳视野。二、组成细胞的分子：生命的物质基础如果说细胞是生命活动的基本单位，那么构成细胞的分子就是生命活动的物质基础。本章将深入探讨组成细胞的化学元素和化合物，以及这些物质如何为生命活动提供保障。2.1细胞中的元素和化合物自然界中的元素有百余种，而组成细胞的元素不过二十多种。这些元素根据其在细胞中的含量不同，可分为大量元素和微量元素。无论是大量元素如碳、氢、氧、氮，还是微量元素如铁、锰、锌、铜，它们在细胞中都具有不可替代的作用。碳元素因其独特的化学性质，成为构成细胞的最基本元素，碳链是生物大分子的基本骨架。组成细胞的各种元素大多以化合物的形式存在。这些化合物包括无机化合物（水和无机盐）和有机化合物（糖类、脂质、蛋白质、核酸）。我们可以通过特定的实验方法来检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质，这不仅能加深对这些化合物的认识，也能锻炼我们的实验操作技能。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，也是生命活动的主要承担者。其功能之多样，贯穿了生命活动的方方面面：催化（如酶）、运输（如血红蛋白）、调节（如胰岛素）、免疫（如抗体）、结构组成（如肌肉蛋白）等。氨基酸是组成蛋白质的基本单位。每种氨基酸分子都至少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。这个结构特点是判断氨基酸的关键。氨基酸通过脱水缩合形成肽键，进而连接成多肽链。一条或多条多肽链经过盘曲、折叠，形成具有一定空间结构的蛋白质。蛋白质的结构多样性（氨基酸的种类、数目、排列顺序以及肽链的空间结构不同）决定了其功能的多样性。而蛋白质结构的改变，哪怕是微小的，都可能导致其功能的丧失，如镰刀型细胞贫血症的病因就是血红蛋白分子中一个氨基酸的替换。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。DNA主要分布在细胞核中，RNA主要分布在细胞质中。核苷酸是组成核酸的基本单位。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。组成DNA的核苷酸是脱氧核苷酸，其五碳糖为脱氧核糖，碱基包括腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）。组成RNA的核苷酸是核糖核苷酸，其五碳糖为核糖，碱基包括腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）。核酸分子中核苷酸的排列顺序就蕴含了生物的遗传信息。2.4细胞中的糖类和脂质糖类是主要的能源物质，这是其最为人熟知的功能。根据水解情况，糖类可分为单糖、二糖和多糖。葡萄糖是细胞生命活动所需要的主要能源物质。淀粉和糖原分别是植物细胞和动物细胞中储存能量的多糖，而纤维素则是构成植物细胞壁的主要成分。脂质的种类较多，包括脂肪、磷脂和固醇等。脂肪是细胞内良好的储能物质，同时还具有保温、缓冲和减压的作用。磷脂是构成细胞膜的重要成分，也是构成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也发挥着重要的调节作用。2.5细胞中的无机物水在细胞中含量最多，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，还能运送营养物质和代谢废物。结合水则是细胞结构的重要组成成分。无机盐在细胞中含量很少，但作用十分重要。它们大多以离子的形式存在，有些是细胞内某些复杂化合物的重要组成成分（如Fe²⁺是血红蛋白的组成成分），有些则对维持细胞和生物体的生命活动有重要作用（如血钙含量过低会导致抽搐），还有些对维持细胞的酸碱平衡和渗透压具有重要意义。三、细胞的基本结构：功能的执行者细胞作为一个基本的生命系统，其内部具有复杂的结构，各种结构既有分工又有合作，共同完成细胞的生命活动。3.1细胞膜——系统的边界细胞膜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。它还能控制物质进出细胞，并进行细胞间的信息交流。细胞膜主要由脂质和蛋白质组成，此外还有少量的糖类。在组成细胞膜的脂质中，磷脂最丰富。关于细胞膜的结构，目前被广泛接受的是流动镶嵌模型，该模型认为磷脂双分子层构成了膜的基本支架，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。大多数蛋白质分子是可以运动的，这使得细胞膜具有一定的流动性。植物细胞在细胞膜的外面还有一层细胞壁，其主要成分是纤维素和果胶，对植物细胞起支持和保护作用。3.2细胞器——系统内的分工合作细胞中的各种细胞器，如同工厂中的各个车间，具有特定的形态结构和功能。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”，细胞生命活动所需的能量，大约95%来自线粒体。叶绿体是绿色植物能进行光合作用的细胞含有的细胞器，是植物细胞的“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”，有些附着在内质网上，有些游离在细胞质基质中。溶酶体是“消化车间”，内部含有多种水解酶，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，它们在结构和功能上是相互联系的。例如，分泌蛋白的合成和运输过程，就需要核糖体、内质网、高尔基体和线粒体等多种细胞器的协调配合。细胞质中除了细胞器以外的呈胶质状态的部分，叫做细胞质基质，它是细胞新陈代谢的主要场所。3.3细胞核——系统的控制中心细胞核是遗传信息库，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）、核仁（与某种RNA的合成以及核糖体的形成有关）、染色质（主要由DNA和蛋白质组成，DNA是遗传信息的载体）等。染色质和染色体是同样的物质在细胞不同时期的两种存在状态。细胞作为一个统一的整体，细胞核与细胞质之间存在着频繁的物质交换和信息交流。细胞核控制着细胞质中各种细胞器的代谢活动，而细胞质为细胞核提供必要的物质和能量支持。细胞只有保持结构的完整性，才能正常地完成各项生命活动。四、细胞的物质输入和输出：维持稳态的基础细胞的生命活动离不开物质的进出，物质的跨膜运输对于细胞的生存和生长至关重要。4.1物质跨膜运输的实例细胞的吸水和失水是常见的物质跨膜运输现象。渗透作用是指水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜的扩散。发生渗透作用需要两个条件：一是具有半透膜，二是半透膜两侧的溶液具有浓度差。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。当外界溶液浓度小于细胞液浓度时，植物细胞吸水，发生质壁分离复原；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。除了水，其他物质如离子和小分子有机物的跨膜运输也具有选择性。这表明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生物膜的流动镶嵌模型如前所述，生物膜的流动镶嵌模型认为，磷脂双分子层构成了膜的基本支架，这个支架不是静止的，而是具有流动性的。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。细胞膜的外表，还有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结合形成的糖蛋白，叫做糖被，它在细胞识别、细胞间的信息传递等方面具有重要作用。4.3物质跨膜运输的方式小分子物质跨膜运输的方式主要有被动运输和主动运输。被动运输是指物质顺浓度梯度进出细胞，不需要消耗能量，包括自由扩散和协助扩散。自由扩散是指物质通过简单的扩散作用进出细胞，如氧气、二氧化碳、甘油等。协助扩散是指进出细胞的物质借助载体蛋白的扩散，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。主动运输能够保证活细胞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，对于活细胞完成各项生命活动具有重要意义。大分子物质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：生命活动的动力细胞的生命活动需要持续的能量供应，这些能量主要来自细胞内的化学反应。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。酶具有高效性和专一性。高效性是指酶的催化效率比无机催化剂高得多。专一性是指一种酶只能催化一种或一类化学反应。酶的作用条件较温和，过酸、过碱或温度过高，都会使酶的空间结构遭到破坏，使酶永久失活。在最适温度和最适pH条件下，酶的活性最高。酶之所以能加快化学反应的速率，是因为它能显著降低化学反应的活化能。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。5.2细胞的能量“通货”——ATPATP是三磷酸腺苷的英文缩写，它是细胞内的一种高能磷酸化合物。ATP的结构简式可以写为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，叫做高能磷酸键，高能磷酸键断裂时会释放出大量的能量。ATP与ADP可以相互转化。ATP分子中远离A的那个高能磷酸键很容易水解，也很容易重新形成。ATP水解时释放的能量，直接用于各项生命活动。细胞中ATP和ADP的相互转化时刻不停地发生并且处于动态平衡之中，这保证了细胞能量的持续供应。ATP是细胞生命活动的直接能源物质，被形象地称为细胞的能量“通货”。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，它是指细胞在氧的参与下，通过多种酶的催化作用，把葡萄糖等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，释放大量能量，生成大量ATP的过程。有氧呼吸的主要场所是线粒体，其过程可以分为三个阶段：第一阶段在细胞质基质中进行，葡萄糖分解成丙酮酸，产生少量的[H]和ATP；第二阶段在线粒体基质中进行，丙酮酸和水彻底分解成二氧化碳和[H]，产生少量的ATP；第三阶段在线粒体内膜上进行，前两个阶段产生的[H]与氧结合生成水，释放大量的ATP。除了有氧呼吸，有些细胞在缺氧条件下还能进行无氧呼吸。无氧呼吸是指细胞在无氧条件下，通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物分解为不彻底的氧化产物，同时释放出少量能量的过程。无氧呼吸的场所是细胞质基质。对于高等植物和酵母菌等生物，无氧呼吸的产物是酒精和二氧化碳；对于高等动物、人和乳酸菌等，无氧呼吸的产物是乳酸。无氧呼吸只在第一阶段释放少量能量，生成少量ATP。细胞呼吸的原理在生产和生活中有着广泛的应用，如作物栽培中的合理灌溉、深耕松土，粮食贮藏和果蔬保鲜中的控制条