生命科学导论(生物学导论)全复习整理

生命科学导论

第一章绪论

21世纪将是生命科学的世纪，面向21世纪的大学生应有生命科学基础，而不应该成为“生物盲”。

一．什么是生物学？

1. 定义

生物学（biology）是研究生物体生命现象和生命活动规律的科学，因此，又称为生命科学（life sciences）。

生物学研究生物体的形态、构造、行为、机能、演变及其与环境间相互关系等问题。

2. 生物学的研究对象

生物学的研究对象正在日渐加深和扩大，不仅要研究肉眼看不见的微生物，也要研究自然界的动物、植物。生物学还要研究人类自己，因为人类也是一种生物。

生物学还要研究小至生物大分子的基团行为，广至地球表面的生物圈（bio-sphere)的将来动态，延伸至玄古生命的发生和宇宙中生命存在的问题。

3. 生物学的分科

根据研究对象分为：

动物生物学、植物生物学、微生物学、人类学。

根据研究角度分为：

分类学，形态学，生理学，胚胎学，古生物学，遗传学，生态学等。

根据研究范围分为：

生物化学，生物物理学，分子生物学，细胞生物学，组织生物学，器官生物学，个体生物学，群体生物学等。

二．生物学的历史和发展

从传统生物学到现代生命科学

（1）描述生物学阶段（19世纪中叶以前）

主要从外部形态特征观察、描述、记载各种类型生物，寻找他们之间的异同和进化脉络。

代表人物：达尔文—《物种起源》（1859）

（2）实验生物学阶段（19世纪中叶~20世纪中叶）

利用各种仪器工具，通过实验过程，探索生命活动的内在规律。

（3）创造生物学阶段（20世纪中叶以后）

分子生物学和基因工程的发展使人们有可能“创造”新的物种。

（4）生物学的发展趋势

从微观到宏观

分子→细胞→整体水平

高度分化和高度综合的辨证统一

现代生物学的高度分化，各学科的相互渗透，新学科或边缘学科的产生。

三．生物学的研究方法

1. 观察与描述方法

外部观察和外部形态描述：分类学。《尔雅》、《本草纲目》、亚里士多德对500种动物的描述分类、林奈的双名法等。

2. 比较方法

比较解剖学：脊椎动物各类群的器官和器官系统的形态，结构进行解剖，加以比较，为

生物进化论提供证据。

比较胚胎学：研究各类动物胚胎发育的过程并加以科学比较。为系统发生和进化论提供证据。

细胞学：研究细胞的结构和功能，生长和分裂，受精和分化，遗传和变异，病变和衰老等现象。

3.假说和实验

实验是人为地干预、控制所研究对象的条件下进行的观察。

用实验的方法研究客观事物：要求根据已有的事实(来自观察或来自实验)提出假说，再根据假说推导出一个可以用实验加以检验的预测，然后实施这个实验来加以验证。

四．21世纪是生命科学世纪

生命科学在20世纪取得了飞速的发展;

当前自然科学的带头学科正开始从物理科学向生命科学转移;

社会的可持续发展需要生命科学作为21世纪的带头学科。

近300年来（17-20世纪）：物理学一直作为带头学科

17世纪中叶牛顿经典力学

18世纪中叶（蒸汽机）工业革命

19世纪中后电气革命

20世纪初量子论、相对论和核物理标志着物理学革命性飞跃。20世纪上半叶被称为“现代物理学黄金半世纪”

21世纪可持续发展面临的主要问题

①人口膨胀②粮食短缺③疾病危害④环境污染⑤能源危机⑥资源匮乏⑦物种灭绝①人口膨胀

预计到2050 年,全球人口将增至92 亿。

预计到2050年,中国总人口将突破16亿。

预计到2020年,南京市总人口将突破1000万。

②粮食短缺

中国古语: “国以民为本,民以食为天”。

根据联合国粮农组织提供的数据，目前全球仍有7.95亿饥民，饥饿情况在非洲东部和中部最严峻，有超过30%人口营养不足。

③疾病危害④环境污染⑤能源危机

⑥资源匮乏

目前，世界上已有100个国家缺水（包括中国），26个国家严重缺水，40%的人口遭受缺水之苦，每年有2500万人因水污染而死亡，有10亿人喝不到干净的饮用水;

全世界森林面积以每年约1700万公顷的速度消失;

全球每年有600万公顷的土地变为荒漠;

由于过度捕捞和环境污染，世界海洋里的大型鱼类资源已经减少了90％.

⑦物种灭绝

如无人类干扰，在过去的2亿年中，平均每100年有90种脊椎动物灭绝，平均每27年有一种高等植物灭绝。

因受人类的干扰，鸟类和哺乳类动物灭绝的速度提高了100至1000倍。

地球正迎来“第六次物种大灭绝”

平均每小时就有一个物种灭绝，50年后100多万种陆地生物将从地球上消失。

※生物学与农业

绿色革命－抗病、抗旱、抗倒伏、高产的稻麦新品种

单细胞蛋白－人类食品蛋白添加剂。

10万吨级生化反应器的产品＝1.6亿亩的草喂养牛羊后产生的蛋白质＝180万亩所产大豆的蛋白质。

动植物新品种：转基因动物、转基因植物花卉的组织培养

※生物学与医药卫生

解决了常规方法不能生产或生产成本昂贵药物的生产技术－干扰素、胰岛素、人生长激素等

新的抗菌素、疫苗

基因芯片和蛋白芯片——实用性强的临床诊断

基因治疗获得初步成功－血友病等

胚胎干细胞的应用研究——治疗复杂疾病等。

※生物学与轻工业、食品工业及能源

酶工程：食品、医药、发酵、日用化工、轻纺、制革、水产、木材、造纸、能源、农业、环保等经济部门

发酵工程：酿酒制曲、味精、抗菌素、维生素等

生物能源：使生物材料转化成可燃性化合物如乙醇、甲烷、氢气（H2).石油草、沼气

微生物：提高石油开采量。

※生物学与环境污染治理

—利用微生物治理环境污染问题：

污染河流的微生物治理；

海湾石油污染的微生物治理；

生活垃圾、泔水的生化处理。

※生物学与军事

生物电子装备、生物传感器、生物能源等。

生物战剂：病原微生物，包括6大类：病毒、细菌、立克氏体、衣原体、真菌和毒素。 基因武器：根据不同人种、种族的基因特异性。

五．生命的基本特征

1.化学成分的同一性

构成形形色色生物体的元素都是普遍存在于无机界的C、H、O、N、P、S等元素，并不存在特殊的生命所特有的元素。各种生物体还含有蛋白质、核酸、脂、糖、维生素等有机分子蛋白质：由20种氨基酸组成。

核酸：由8种核苷酸组成。

各种生物编制基因程序的遗传密码是统一的。

2. 生物过程的同一性

各种生物都是以A TP(三磷酸腺苷)为贮能分子

糖类分解释放能量的步骤在各种生命体中都基本相似——细胞呼吸都是无氧的糖酵解和需氧的三羧酸循环过程。

3.严整有序的结构

生物体的各种化学成分在体内不是随机堆砌在一起，而是严整有序地结合在一起的。

生命的基本单位是细胞.

整个生物界是一个多层次的有序结构：

细胞→组织→器官→系统→个体→种群→群落→生态系统

4. 新陈代谢

生物是开放系统，生物和周围环境不断进行着物质的交换和能量的流动，这些物质在生物体

内发生一系列变化，最后成为代谢过程的最终产物而被排出体外。

同化作用：是在生物体内合成有机物和储存能的过程.合成了或建造了生命物质；

异化作用：是在生物体内分解有机物和释放能的过程.

5. 应激性和运动

生物体对刺激发生反应的特性，叫做应激性。在大多数情况下，生物体都会以某种形式的运动来对刺激作出反应。

单细胞：趋性(taxis)

植物：不平衡的生长运动（即向性，tropism）

高等动物：感受器和反应器

反应的结果使生物“趋吉避凶”。

6. 生长和繁殖

任何生物体在其一生中都要经历从小到大的生长过程，这是由于同化作用大于异化作用的结果。单细胞生物的生长主要是依靠细胞体积与重量的增加。多细胞生物的生长，主要的是依靠细胞的分裂来增加细胞的数目。

生物能繁殖，能复制出新的一代。任何一个生物体都是通过繁殖后代而使生命得以延续下去。

7.稳态

尽管外界环境波动很大，哺乳动物总有某些机制使内环境的性质维持不变。

细胞、个体、群落和生态系统在没有激烈外界环境的影响下，也保持稳态。

8. 遗传和变异

遗传：遗传物质从上代传给下代,从而使上代的形态特征或生理特性等性状在下代得以表现。但是，上代和下代之间以及后代个体之间总有些差异，这种现象叫做变异。遗传和变异都是普遍的生命现象。二者同时存在。

遗传保持了物种的相对稳定

变异产生新的性状，导致物种的发展变化。

★主要参考书

《陈阅增普通生物学》（第4版）吴相钰等主编，高等教育出版社，2014，6

《基础生命科学》（第2版），吴庆余主编，高等教育出版社，2006，5

《现代生物学基础》，靳德明主编，高等教育出版社，2009，5

★课后思考题

1、生命的主要特征有那些？

2、为什么要研究生物学？

第二章生命的物质基础

一、生命的元素组成

1．哪些元素参与生物体的组成？

参与生物体组成的元素总共约27种。

以人体为例，常量元素(11种)——在人体中含量较大。微量元素(16种)——在人体中含量很少。

2. 人体元素成分的营养学意义

通常用实验动物的饲养实验来研究各种元素成份在营养学上的必要性。

要证明某一种微量元素在营养学上是必不可少的，至少需要做下三个方面的实验: 让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食，观察是否出现特有的病症→向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失→进一步阐明该种元素在身体中起作用的代谢机理※常量元素的含量高，生理作用明显，重要性比较容易认识

C、H、O、N是构成水、生物大分子和小分子必不可少的组分；

P和S分别是核酸和蛋白质的重要组分；

Ca是骨骼和牙齿的重要组分，并且还有信息传递的重要功能；

Na、K、Cl、Ca、Mg对生物体水盐平衡至关重要，Mg还是多种酶的组分。

3. 元素营养方面的几个例子

※例一钙

（1）人每天需要摄入多少钙？

从粪、尿、汗中排出320~450 mg

吸收率约40%

需摄入钙量:320 x 100/40=800 mg

（2）钙在生理代谢中的作用

①需要Ca 参与的生理过程（Ca 调节多种酶的活性）

肌肉：肌肉收缩

免疫：白细胞吞噬功能

循环：血液凝固、毛细血管通透性、微循环改善

生殖：胚胎发育

内分泌：激素分泌

骨骼：骨骼形成

神经：神经肌肉应激性

②缺钙引起的疾病

婴、幼、少儿：夜惊、夜啼、盗汗、厌食、方颅、佝偻病、免疫力低下、易感染等；

青少年：腿软、抽筋、疲倦乏力、烦躁、精力不集中、偏食、厌食、蛀牙、牙齿发育不良等；

青壮年：经常性的倦怠、乏力、抽筋、腰酸背痛、易感冒、过敏；

孕产妇：小腿痉挛、腰酸背痛、关节痛、浮肿、妊娠高血压等。

老年人：骨质疏松、骨质增生、高血压、心脑血管病等；

肾结石（肾结石中重要成分是钙，但是，限制钙摄入恰恰会使肾结石加重。缺钙→反常钙内流，损伤肾细胞→肾脏对钙回收功能受损→尿钙排出增多→高钙尿液与尿中草酸结合形成结石）

结（直）肠癌

③影响钙吸收的因素

a.维生素D—使血清中的钙浓度升高

b.甲状旁腺素（PTH,甲状旁腺分泌）—使血清中的钙浓度升高

促小肠吸收钙

促骨骼释放钙

促肾细胞回收钙

c.降血钙素（CT,甲状腺分泌)—使血清钙

抑骨骼释放钙

抑肾细胞回收钙

※例二锌

锌在人体内的含量约2.2克，仅次于铁

锌每日的摄入量约需6~12mg

锌是多种酶和蛋白质的必要功能组分，参与：

①消化吸收过程②红细胞运输二氧化碳③骨骼正常生长④蛋白质合成、氨基酸合成⑤胰岛素功能⑥味觉灵敏性⑦毛发光滑⑧生殖系统发育⑨创伤愈合

二、生物小分子和生物大分子

生物小分子生物大分子复合大分子

单糖多糖糖蛋白

氨基酸蛋白质糖脂

核苷酸核酸脂蛋白

甘油脂类

脂肪酸

水

1. 生物小分子简介

1）水—对生物非常重要！！！

水占生物体的60％以上的重量；

地球上生命起源于水中，陆生生物体内细胞也生活在水环境中；

水的性质影响生命活动，如：溶解性质，酸碱度，pH。

水影响生命活动的例子

△肺泡在水环境中保证O2 和CO2 的交换；

△水分子间氢键造成水的表面张力，可使肺泡瘪塌；

△肺泡中存在一种表面活性蛋白破坏水的表面张力，使肺泡胀开。

2）氨基酸

①氨基酸的分子结构

氨基酸是同时具有

α－氨基和

α－羧基的小分子；

具有α－氨基和α－羧基是各种氨基酸的共性;

各种氨基酸的区别在侧链基团—R;

参与蛋白合成的共有20种天然氨基酸。

甘氨酸（Gly）丙氨酸（Ala）缬氨酸（Val）亮氨酸（Leu）异亮氨酸（Ile）

脯氨酸（Pro）色氨酸（Trp）苯丙氨酸（Phe）酪氨酸（Tyr）丝氨酸（Ser）

苏氨酸（Thr）半胱氨酸（Cys）蛋氨酸（Met）天冬酰胺（Asn）谷氨酰胺（Gln）

组氨酸（His）赖氨酸（Lys）精氨酸（Arg）天冬氨酸（Asp）谷氨酸（Glu）

※根据侧链结构和性质，可把20种氨基酸分成不同的组：

——疏水氨基酸

侧链为直链：甘、丙、缬、亮、异亮氨酸

侧链带环氨基酸：脯、色、苯丙氨、酪氨酸

——亲水氨基酸

含羟基氨基酸：丝、苏氨酸

含硫氨基酸：半胱、甲硫氨酸

酸性氨基酸：天冬、谷氨酸

碱性氨基酸：赖、精、组氨酸

天冬酰胺、谷胺酰胺

20 种天然氨基酸除甘氨酸外，都带一个不对称碳原子—α碳原子，都有光学异构体（镜映体）。

已知19 种天然氨基酸均为L－型氨基酸。

②氨基酸的生理功能

a.作为组建蛋白质的元件

b.有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等）

※必需氨基酸

人体需要又不能自身合成，只能从食物中摄取；

包括缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、色氨酸、赖氨酸8种，婴儿还应包括组氨酸。

3）单糖

——多羟基醛或多羟基酮称为糖，单糖的生物功能：

A、作为多糖的组成元件

B、作为燃料

C、组成寡糖参与细胞信号传递

天然单糖大多C1上羟基位置不同吡喃型

数是D-型糖出现α-，β-两种构型

重要单糖——葡萄糖结构式

※单糖的结构

C2—C5 均为不对称碳原子。

——六碳糖有16 种同分异构体。天然单糖在C5 位上羟基有固定结构方向，天然单糖大多数是D-型糖。在水溶液中葡萄糖在C1—C5 之间脱水通过氧桥相联成环状－吡喃型。各个C 上羟基位于环上或环下，C1 上半缩醛羟基位置不同出现α-，β-两种构型

4）核苷酸

核苷酸分子由3个部分组成：①碱基：嘌呤、嘧啶②五碳糖：核糖或脱氧核糖③磷酸

碱基—糖之间是β—糖苷键

糖—磷酸之间是磷酸酯键

参加大分子核酸组成的共有8种核苷酸：

DNA 水解液中 RNA 水解液中

腺脱氧核苷酸（dAMP ） 腺苷酸（AMP ）

鸟脱氧核苷酸（dGMP ） 鸟苷酸（GMP ）

胞脱氧核苷酸（dCMP ） 胞苷酸（CMP ）

胸腺脱氧核苷酸（dTMP ） 尿苷酸（UMP ）

另外还有一些重要的具有生物活性的核苷酸

cAMP, cGMP 参与细胞信号传递

A TP 参与能量代谢

5）脂类

脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种小分子。

脂类种类很多，分子结构相差较大

A 、油脂：甘油三脂

B 、磷脂和鞘脂

C 、萜类和固醇类

D 、维生素

（1） 磷脂分子可以看成是一个极性头，两条非极性尾巴。

（2） 鞘脂分子和磷脂不同。但总体看来，也可看成一个极性头，两条非极性尾巴。

（3） 萜类：由10~几千个异戊二烯缩合而成

C H 3C

H 2C C

CH 2H

一些人体需要的维生素是萜类。对人类有利用价值的植物次生产物(植物油、橡胶)是萜类

（4） 固醇类

固醇类的内核由 4 个环（环戊烷多氢菲）组成。一些人体重要的激素（性激素、皮质激素）

是固醇。胆汁酸可帮助油脂的消化吸收。胆固醇是细胞的必要成份，血清中的胆固醇太多会

促使形成动脉硬化 和心脑血管疾病

（5） 维生素

维生素的归类是按其生物学功能。

人体不能合成维生素，必须从食物中获得，缺乏维生素会引起各种疾病。

※维生素的生理功能

维生素生理功能缺乏症状

A 参与视网膜细胞组成夜盲症

B2 参与辅酶FMN、FAD的组成口舌炎、眼球多血管

C 防治坏血症皮肤出现小血斑、牙龈出血

D 促进钙吸收与缺钙同

E 与生殖有关生殖不育

K 为血凝过程所必须凝血时间延长，贫血

2. 生物大分子的形成

生物大分子主要有三大类：蛋白质、核酸、多糖

它们都是由生物小分子单体通过特有的共价键联结而成。

1）氨基酸通过肽键联成肽链

寡肽：含有10 左右氨基酸残基（如二肽、五肽、八肽）

多肽：含10－20 个氨基酸残基

蛋白质：含几十个氨基酸残基

注意：肽链有方向性，

氨基端（N 端），羧基端（C 端）

一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成肽键

一条肽链的两端有不同结构和性质：

一端的氨基酸残基带有游离氨基，称氨基端；

另一端的氨基酸残基带有游离羧基，称羧基端。

2）单糖通过糖苷键联成多糖链

（1）贰糖

贰糖结构包括：单糖基成份、α－还是β－糖苷键、取代位置

（2）淀粉和纤维素

都由葡萄糖组成，它们之间主要区别在于α－糖苷键和β－糖苷键的区别

多糖链也有方向性，有还原端和非还原端。

※一条多糖链的两端有不同结构和性质：

一端的糖基有游离的半缩醛羟基，称还原端；

另一端的糖基没有游离的半缩醛羟基，称非还原端。

3）核苷酸通过磷酸二酯键联成核酸

（1）核酸链也有方向性

（2）DNA 和RNA 在组成成份上有差别

DNA RNA

脱氧核糖核糖

有胸腺嘧啶（T）有尿嘧啶（U）

无尿嘧啶（U）无胸腺嘧啶（T）

一端的核苷酸，其5－C没有进入磷酸二酯键，称5 ’末端；

另一端的核苷酸，其3－C没有进入磷酸二酯键，称3 ’末端。

由生物小分子到生物大分子，分子增大，出现新的性质。

其中最主要的特点是：生物大分子有独特的立体结构、空间构型和分子整体形状。

3. 生物大分子的高级结构

1）蛋白质的高级结构

蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸的排列顺序

蛋白质的二级结构是指邻近几个氨基酸形成的一定的结构形状。如：α－螺旋和β－折叠蛋白质的三级结构是指整条肽链盘绕折叠形成一定的空间结构形状。如纤维蛋白和球状蛋白。

蛋白质的四级结构是指各条肽链之间的位置和结构。所以，四级结构只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。

2）维持生物大分子高级结构的重要因素——非共价键

生物大分子中常见的非共价键：氢键、离子键、范德华引力、疏水键

※非共价键的键强度很小，所以

A、需要多个非共价键才足以维持高级结构的稳定；

B、高级结构不很稳定。生物大分子变性就是因为高级结构破坏，大分子性质改变，生物活性丧失。但是，一级结构尚未破坏。

3）核酸的高级结构

（1）DNA双螺旋

A、两条反向平行的核苷酸链共同盘绕形成双螺旋，糖－磷酸－糖构成螺旋主链;

B、两条链的碱基都位于中间，碱基平面与螺旋轴垂直;

C、两条链对应碱基呈配对关系A＝T G≡C

D、螺旋直径2.0nm，螺距3.4nm，每一螺距中含10 bp.

DNA 双螺旋可以看作是DNA 的二级结构，DNA 的三级结构的形成需要蛋白质帮助。（2）RNA结构

为单链盘绕，局部形成碱基配对。

例如：转运RNA（tRNA）的三叶草结构

4）多糖链的高级结构

不同高级结构带来不同的生物学性能

淀粉形成螺旋状能源贮存

纤维素呈长纤维状结构支架

第二章知识点复习

常量元素种、微量元素种

天然氨基酸都是型，天然单糖大多为型。

核苷酸组成。

肽链、多糖链、核酸链的方向性

DNA、RNA在组成成份上的差别

蛋白质的一、二、三、四级结构

生物大分子中常见的非共价键

DNA双螺旋结构

第三章细胞—生物体的基本结构单位

一、细胞学说的建立

1、细胞学说的主要的内容

17世纪中叶，显微镜被用于生物学研究，用显微镜观察来自树皮的木栓，看到一个个“小室”结构，称之谓“Cell”（细胞）。

人们用显微镜观察各种生物，包括微生物和动、植物的细微构造，到处都看到细胞结构。逐渐形成一个观念：各种生物都是由细胞组成的。

19 世纪初，两位德国生物学家施莱登和施旺正式明确提出：细胞是植物体和动物体的基本结构单位。

这个观点，经过后来的丰富和发展，形成公认的细胞学说：

（1）细胞是所有动、植物的基本结构单位。

（2）每个细胞相对独立，一个生物体内各细胞之间协同配合。

（3）新细胞由老细胞繁殖产生。

2、细胞学说的科学意义

细胞学说的提出先于进化论约20年，它与进化论一起，奠定了生物科学的基础。细胞学说使生命世界有机结构多样性的统一，从哲学推断走向自然科学论证。

细胞学说被认为是19 世纪自然科学的重大发现之一。值得注意的是，从两篇经典的论文看来，细胞学说不但关系到生物体的构造，也关系到生物体的生长与发育。

※有没有非细胞生命？

19 世纪末，人们逐渐发现比细菌还小的“传染性的活性成份”，称为病毒。

1930s－1940s 期间弄清病毒的化学本质和电镜结构。病毒是一类不具细胞结构的生命形态。

最简单的病毒仅由核酸大分子和蛋白质大分子组成。但是，病毒颗粒必需进入寄主活细胞才能表现出生命的各方面特性。

二、细胞的结构和功能

1、动物细胞的典型结构

（1）细胞膜和生物膜

基本框架是甘油磷脂和鞘脂所形成的脂双层；甘油磷脂和鞘脂分子具有一个共同的特征——一个极性的头两个非极性的尾巴。在水环境中，这类分子会自发形成脂双层微囊。

细胞膜化学成分：膜脂55~57%、蛋白质约40%、糖类约2~10%

细胞膜的框架，就是脂双层，还有蛋白质“镶嵌”其中。1970s 提出的流动镶嵌学说，强调了生物膜中脂分子和蛋白质分子的运动。

这样的膜结构不但用以组成细胞膜，还用以分割形成各种细胞器，所以, 统称生物膜。※流动镶嵌模型

细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成;

磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架；

蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层。

（2）细胞核

由两层生物膜围成，遗传信息贮藏在核内，是DNA 复制和RNA 合成场所。（3）内质网

由单层生物膜围成。是蛋白质合成、修饰和分泌，脂类合成的场所。

（4）高尔基体

由单层生物膜围成，与蛋白质修饰和分泌有关。

（5）溶酶体

由单层生物膜围成，是生物大分子分解的场所。

（6）线粒体

由双层生物膜围成，是呼吸作用进行的场所，生命活动的“动力工厂”，是三羧酸循环、

电子传递和ATP生成的场所。

线粒体的基质中含有DNA和DNA复制的酶系，以及蛋白质表达的酶系，所以,它是一个半自主性的细胞器。

（7）细胞质

有多种蛋白质和酶，是糖酶解和糖元合成等反应的场所。

（8）细胞骨架

由蛋白质亚基组装成，和细胞形状、迁移、信息传导等有关。

（9）核糖体

由RNA 和蛋白质形成的大颗粒，是蛋白质合成的场所。

2、植物细胞的典型结构

动植物细胞的共同点:都有线粒体,内质网,高尔基体,核糖体,细胞核,细胞膜

与动物细胞相比，有几点不同:

植物细胞动物细胞

有细胞壁没有细胞壁

有叶绿体没有叶绿体

有中央液泡没有中央液泡

（10）叶绿体

白色体、有色体（叶绿体）

前质体→→光→→白色质体：贮存淀粉

前质体→→光→→叶绿体：含有叶绿素的有色体

前质体→→光→→其它有色体：果实、花、秋叶中，含色素

※叶绿体的功能

是绿色植物进行光合作用的场所，与线粒体，在结构上具有一定的相似性。

①均由两层膜包被而成，且内外膜的性质、结构有显著的差异。

②均为半自主性细胞器，具有自身的DNA和蛋白质体系。因此绿色植物的细胞内存在3个遗传系统。

3、真核细胞和原核细胞

细菌细胞结构与动、植物细胞不同，要简单的多。最主要的差别是细菌没有细胞核结构，核物质－DNA还是有的，形成类核区(又称拟核)。并且细菌细胞也没有其他各种细胞器。※原核细胞与真核细胞的区别

原核细胞真核细胞

细胞大小很小（1-10μm）较大（10-100μm）

细胞核无核膜（称“拟核”）有核膜

遗传系统DNA不与蛋白质结合DNA与蛋白质结合

细胞器无有

细胞壁主要由胞壁质组成主要由纤维素组成

分裂方式不进行有丝分裂进行有丝分裂

※依据有无细胞核，整个生命世界可以区分为两大类：

原核生物：细菌、放线菌、蓝藻、等等

真核生物：植物、动物、真菌（霉菌/酵母/伞菌）、原生动物、藻类(蓝藻除外) 三、细胞分裂和细胞周期

1、为什么会有细胞分裂？

随着细胞生长，细胞体积增大，而细胞表面积和体积之比(表面积/体积)却在变小。

活细胞不断进行新陈代谢，细胞表面担负着输入养分，排出废物的重任。

表面积/体积比值的下降，意味着代谢速率的受限和下降。所以，细胞分裂是细胞生长过程中保持足够表面积，维持一定的生长速率的重要措施。

2、原核生物的细胞分裂

原核生物以细菌为例，细胞分裂比较简单。

细胞生长增大到一定程度，DNA 复制，形成两个DNA 分子，分别移到拉长了的细胞两端，中间形成新的细胞间隔，进而形成细胞壁，成为两个细胞。这个过程称为二分分裂。

3、真核细胞的有丝分裂

大多数真核生物是多细胞生物。体细胞的分裂称为有丝分裂；生殖细胞形成过程中，则有与之不同的减数分裂。

（1）细胞分裂周期

细胞从前一次分裂开始到后一次分裂开始，这段时间称为一个：细胞周期。

通常, 细胞周期可以区分为四个阶段：

G1 期、S期、G2 期——分裂间期（DNA 合成期）

M 期——分裂期，在这个阶段可以在显微镜下看到细胞分裂过程。

（2）有丝分裂过程（在M 期发生的有丝分裂过程）

前期：染色质浓缩，折叠，包装，形成光镜下可见的染色体。每条染色体含两条姊妹染色单体，出现纺锤体。

中期：核膜消失，染色体排列在赤道板上。

后期：姐妹染色单体分开，被分别拉向细胞两侧。

末期：重新形成核膜，染色体消失。

细胞质分裂：胞质形成间隔，最终分开为两个细胞。

（3）染色质和染色体

处于分裂间期的细胞，细胞核内的DNA 分子，在一些蛋白质的帮助下，有一定程度的盘绕，形成核小体。多个核小体串在一起形成染色质。所以，染色质是在细胞分裂间期遗传物质存在的形式。

核小体直径10 nm，光镜下看不到。当细胞进入M 期时，染色质折叠包装，大约压缩8400 倍，形成光镜下可以看到的染色体。

应记住，在染色体出现时，细胞已经过S 期完成DNA 复制，已由原来的每个DNA 分子复制出两个DNA分子。所以，每条染色体由两条姐妹染色单体组成。

通常把体细胞称为双倍体细胞，体细胞的遗传物质的总含量为2n。在细胞分裂中，在光镜下可以看到染色体时，已经过DNA 复制，这时遗传物质的总量已经是4n 了。细胞分裂完成时，出现的两个子细胞又都回复为2n。

不同物种的细胞，染色体数目不同。所以，染色体数目也是不同物种细胞的特征。因为，对大多数物种来说，体细胞是2n 的，所以染色体数目通常为偶数。

物种染色体数目物种染色体数目

人46 豌豆14

小鼠40 玉米20

爪蟾36 小麦42

果蝇8 酵母32

4、真核细胞的减数分裂

（1）减数分裂发生在产生生殖细胞的过程中。生殖细胞包括卵细胞和精子细胞。它们的遗

传物质总量仅为体细胞的一半，称为n 细胞。

由2n 的体细胞产生n 的生殖细胞，需要经过减数分裂。

（2）减数分裂后，细胞中染色体数目减少一半。

减数分裂可以分为两个阶段：

第一次减数分裂：DNA复制一次，细胞分裂一次。

第二次减数分裂：DNA不复制,细胞再分裂一次。

结果，子细胞染色体数目减半，遗传物质总量由2n 变为n。

总之，减数分裂就是DNA 复制一次，细胞连续分裂两次，结果由一个2n 细胞分出4 个n 细胞。

经过减数分裂，一个精原细胞产生4个精子，一个卵原细胞产生1个卵子和3个极体。减间期DNA复制，有关蛋白质合成

数前期核仁逐渐消失，核膜逐渐溶解，出现纺锤体，染色质变成染色体；同源染色体联第会，出现四分体

一中期同源染色体排列在细胞中央的赤道板上

分后期同源染色体分离，染色体数目减半

裂末期核仁重现，核膜重建，纺锤体消失，形成两个新细胞

减数第二次分裂后期：着丝点分裂，姐妹染色体分离

减数第二次分裂前，有的有间期，有的没有。不再进行DNA复制和有关蛋白质合成。（3）减数分裂丰富基因组合

减数分裂的特点:一是子细胞染色体数减半；二是子细胞基因组合大为丰富。

基因组合的丰富由两个原因造成。

首先，体细胞的染色体实际上是由两套同源染色体组成。人的细胞有46条染色体，实际上可以看作22对同源染色体加上两条性染色体。

在减数分裂的第一次分裂时，每对同源染色体分别分配至两个子细胞。于是父源的同源染色体和母源的同源染色体以不同组合，分配到两个子细胞中去。这样，产生不同染色体组合的配子种型大增。

其次，在第一次减数分裂中，还发生同源染色体配对，配对后发生同源染色体之间的染色体交叉和基因重组。这使基因组合状况更为复杂化。

所以，经由减数分裂产生的生殖细胞，其基因组合表现极大的丰富和多样化。结果是, 有性生殖的后代具有更丰富的基因组合，具有更强的适应性和进化潜能。

※减数分裂和有丝分裂的比较

比较项目有丝分裂减数分裂

减数Ⅰ减数Ⅱ

发生部位一般发生在体细胞中精巢、卵巢中

细胞分裂的次数一次连续分裂二次

有无联会、四分体无有

同源染色体单体交换无有

有无同源染色体分离无有

何时着丝点分裂后期后期

子细胞的名称和数目体细胞2个精子细胞4个；卵细胞1个和3个极体

子细胞染色体数目不变（2N—2N）减半（2N→N）

相同点 1.分裂过程中都有纺锤丝出现2.染色体在分裂过程中都复制1次

四、细胞的分化、衰老与死亡

1、细胞的分化：发育过程中细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化。

成年人全身细胞总数约1010～1011个。细胞种类有200 多种。这么多种类细胞均来自一个受精卵细胞。

细胞分化的定义：发育过程中细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化。

细胞分化不但发生在胚胎阶段和发育过程中，亦发生在成人阶段。如：人体血细胞的产生。

分化以后不同种类的细胞，形态不同，功能不同，基因表达不同，代谢活动也不同。（好多种血细胞都由生血干细胞分化而来。）

2、细胞的衰老

细胞核体积增大，核膜内折，染色质凝集程度增加；

线粒体数量减少，体积膨胀；

细胞膜由液相变为凝胶或固相，膜渗透性增加；

细胞骨架体系改变；

蛋白质合成发生改变。衰老细胞合成蛋白质速度降低，与衰老相关的特异蛋白质如纤粘连蛋白增加。

衰老的机理，尚不清楚，有各种学说。有3种说法得到较多人的共识：

（1）细胞核的遗传控制（2）自由基假说（3）端粒DNA序列的缩短

（1）细胞核遗传控制：细胞核的遗传控制在细胞衰老中起决定作用。

（2）自由基假说

生物氧化中产生自由基，自由基破坏生物大分子——蛋白质、核酸、脂类等。使得细胞结构破坏，基因突变，导致细胞衰老。

人体存在着清除自由基机制，这些淬灭自由基机制受遗传控制。

（3）端粒DNA序列的缩短

每条染色体的两端都有一段特殊序列的DNA，称为端粒。端粒DNA序列在每次细胞分裂后会缩短一截。随着细胞分裂次数的增加，截短的部分会逐渐向内延伸。在端粒DNA 序列被“截”短后，端粒内侧的正常基因的DNA序列就会受到损伤，结果使细胞活动渐趋异常。

3、细胞凋亡

多细胞生物个体的一生中，不断发生构成身体的细胞的死亡。

有两种细胞死亡：①因环境因素突变或病原物入侵而死亡，称为病理死亡，或细胞坏死。

②因个体正常生命活动的需要，一部分细胞必定在一定阶段死去，称细胞凋亡。

细胞凋亡和细胞坏死有明显区别:

细胞凋亡Apoptosis 细胞坏死Necrosis

细胞变圆,与周围细胞脱开细胞外形不规则变化

核染色质凝聚溶酶体破坏

细胞膜内陷细胞膜破裂

细胞分为一个个小体胞浆外溢

被周围细胞吞噬引起周围炎症反应

细胞凋亡受基因控制。线虫是研究细胞凋亡的理想材料。

每条线虫具有1090个细胞，其中131个细胞在发育过程中凋亡。从线虫中找到若干控制细胞凋亡的基因。

第四章生物的新陈代谢

※新陈代谢：是生物体内进行的物质和能量的变化的总称、是最基本的生命活动过程

※A TP是生物体能量流通的货币

一个代谢反应释出的能量贮入ATP，ATP所贮能量供另一个代谢反应消耗能量时使用。

生物体把能量（ATP）用在生命活动的各个方面：合成其它形式的能量分子如：NADPH、发热（体温）、生物电、物质进出细胞、运动...

生命活动的原动力在于生物体内一刻不停的新陈代谢。通过新陈代谢不断把太阳能或食物中贮存的能量，转化为可供生命活动利用的能量，不断制造出各种大、小分子以供生命活动所需要。体内的新陈代谢过程又都是在生物催化剂—酶的催化下进行的。

一、酶是生物催化剂

1、酶的催化特点

催化剂可以加快化学反应的速度，酶是生物催化剂，它的突出优点是：催化效率高、专一性、可以调节。

2、酶的化学本质是蛋白质

有的酶仅仅由蛋白质组成，如：核糖核酸酶；有的酶除了主要由蛋白质组成外，还有一些金属离子或小分子参与。这些金属离子或小分子是酶活性所必须的，称为辅酶/辅基或辅助因子。

如：羧基肽酶以二价锌离子（Zn2+）为辅助因子、过氧化氢酶以铁卟啉环为辅助因子3、酶催化作用的机理是降低活化能

催化剂只能催化原来可以进行的反应，加快其反应速度。

即使对可以进行的反应来说，反应物分子应越过一个活化能才能发生反应。

酶作为催化剂的作用是降低活化能。

※酶是如何降低活化能的呢?

首先需要酶与底物分子结合，酶蛋白结构中有底物结合中心—活性中心。

然后，酶蛋白分子以各种方式，作用于底物分子，使底物分子活化起来，易于进行反应。

酶与底物的专一结合，又是酶促反应专一性的体现。

4、酶活性的调控

（1）非共价调节

①竞争性抑制

有的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分子时，这些分子与底物竞争结合酶的活性中心，亦会表现出酶活性的降低（抑制）。这种情况称为酶的竞争性抑制。

②变构调节

某些调节物分子结合在酶蛋白分子的非活性中心部位(调节中心)，导致酶蛋白构象改变，从而不利于酶对底物反应的催化，或更加快酶对底物的催化。

这种调节物称为变构调节物。

（2）共价调节

有时候，酶蛋白分子可以和一个基团形成共价结合，结合的结果，使酶蛋白分子结构发

生改变，使酶活性发生改变。例如，与磷酸根的结合。

这种调节酶活性的情况称为酶的共价调节。

（3）代谢途径中酶活性的调节

几个酶或十几个酶前后配合，完成一系列代谢反应，形成一条代谢途径。在一条代谢途径中，常常是前一个酶促反应的产物，便是下一个酶促反应的底物。

一条代谢途径的终产物，有时可与该代谢途径的第一步反应的酶相结合，结合的结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。这种情况称为“反馈抑制”。

值得注意的是，发生反馈抑制时，代谢终产物与酶结合时，是非共价结合，是可逆的。

二、生命世界的能量源泉是太阳能

1、生物体的代谢反应分为物质代谢和能量代谢两个方面：

物质代谢——由底物分子变成产物分子

能量代谢——消耗能量或释放能量

n氨基酸+ 能量→蛋白质

2丙酮酸+ 能量→葡萄糖

从小分子合成大分子需要消耗能量。

葡萄糖→2丙酮酸+ 能量

从大分子分解为小分子会释放能量。

2、A TP是生物体能量流通的货币

一个代谢反应释出的能量贮入ATP，ATP所贮能量供另一个代谢反应消耗能量时使用。

3、生物体把能量用在生命活动的各个方面

4、太阳能是整个生命世界的能量源泉

绿色植物和光合细菌把太阳能转变为化学能，利用太阳能合成有机物；除了维持自身的生存还为其他生物提供食物。

绿色植物和光合细菌利用太阳能的过程称为光合作用。

5. 光合作用

概念：指光合生物吸收太阳能，并将其转变成有机化合物中化合能的过程。

光合生物：

绿色植物、藻类：CO2 + 2H2O*→(CH2O) + O2*↑ + H2O

紫硫细菌：CO2 + 2H2S→(CH2O) + H2O + 2S↓

氢细菌：CO2 + 2H2→(CH2O)+H2O

1)光合作用早期实验

得出结论：

植物消耗CO2，把它转变成化合物(淀粉和葡萄糖)，提出了“固碳”这个名词，表示食物的制造过程。

在固碳时，植物同时释放O2。

植物只有在阳光下才能固碳，它们利用太阳光而不是热能，把光合作用(photosynthesis)看作固碳的同名词应用。

只有植物的绿色部分产生O2，即光合作用需要叶绿素。

当时留下的疑问：绿色植物怎样俘获阳光？植物如何利用太阳能？O2来自CO2，还是来自H2O？光合作用中，植物如何利用CO2制造出碳水化合物的？

※布莱克曼实验结论：

光合作用至少包括两个不同的过程，一个是需要光的反应(光反应)，另一个是不需要光的反应(暗反应)，虽然暗反应也能在光照下进行。

布莱克曼推测：绿色植物似乎是利用阳光的能制造一种物质(称为X物质)。

他不知道这种X物质究竟是什么物质，也不知道这种物质在光反应中是怎样产生的，或者是在暗反应中怎样被利用的？

※阿农实验—证实光反应、卡尔文和本森实验——证实暗反应

植物光合作用：是氧化还原反应、CO2被还原成糖、H2O被氧化成O2、光能被固定并转换成化学能

2)光合作用发生部位

类囊体膜：光反应

基质：暗反应

叶绿体中的叶绿素是进行光合作用必不可少的成份。在叶绿体中进行的光合作用，又可以分为两个步骤：

光反应：在叶绿素参与下，把光能用来劈开水分子，放出O2，同时生成两种高能化合物A TP和NADPH。

暗反应：把ATP 和NADPH 中的能量，用于固定CO2，生成糖类化合物。这个过程不需要光。

3)光合作用的过程：光反应和暗反应

Light-dependent reactions（光反应）

概念：通过叶绿素等光合色素吸收、传递光能，并将光能转化为化学能，形成ATP和NADPH 的过程。

反应部位：在叶绿体类囊体膜上进行

反应过程：包括原初反应、电子传递和光合磷酸化

Dark reactions（暗反应）

概念：利用光反应所形成的能量（A TP和NADPH）（同化力），将二氧化碳合成糖类的过程。反应不需光。

反应部位：在叶绿体基质中进行

※光合作用过程中能量的转变：

原初反应：光能→电能

电子传递与光合磷酸化：电能→活跃化学能

碳同化：活跃化学能→稳定化学能

①原初反应

指从光合色素分子被光激发到引起第一个光化学反应为止的过程。

包括：光能的吸收和传递、光化学反应

光能吸收与传递：光量子吸收与色素分子结构有关（高等植物）

叶绿素：叶绿素a、叶绿素b（卟啉环）640－660nm 红光、430－450nm蓝紫光吸收最强

类胡萝卜素：叶黄素、胡罗卜素（一系列共轭双键）吸收带在400－500nm蓝紫光

②电子传递与光合磷酸化

原初反应使光系统的反应中心发生电荷分离，产生的高能电子推动光合膜上电子传递。

电子传递的结果：引起水的裂解放氧和NADP+的还原,生成NADPH建立跨膜质子动力势，启动光合磷酸化，生成A TP

电子传递：在叶绿体类囊体上的光合链进行（光合链：定位在光合膜上，由多个电子传递体组成的电子传递轨道。）

光合磷酸化

概念：指在光合作用过程中，将水光解产生的电子经电子传递链所释放的能量，储存在由ADP磷酸化形成的高能磷酸键的过程。

类型：

非循环式光合磷酸化：最终产物A TP、NADPH和水

循环式光合磷酸化：仅有ATP，无NADPH和水

③碳同化

概念：植物利用光反应中形成的ATP、NADPH将CO2转化成稳定的碳水化合物的过程。类型：根据最初产物碳原子数目及碳代谢特点分为：

C3途径—产物为PGA（3－磷酸甘油酸）

C4途径—产物为4C酸（苹果酸）

CAM途径—产物为4C化合物

C3途径：羧化阶段→还原阶段→再生阶段

羧化阶段

指进入叶绿体的CO2与受体RuBP结合，并水解产生PGA的过程。

3RuBP +3CO2 +3H2O→6PGA+6H+

RuBP：核酮糖－1,5－二磷酸

PGA：3－磷酸甘油酸

还原阶段

指利用同化力将3－磷酸甘油酸还原为甘油醛－3－磷酸(PGA)

6PGA+6ATP+6NADPH+6H+ →6GAP+6ADP+ 6NADP+ + 6Pi

再生阶段

指由甘油醛－3－磷酸重新形成RuBP过程。

5GAP＋3ATP+2H2O →3RuBP+3ADP+2Pi+3H+

※C4途径：

强光、高温、干燥条件下发生

光合速率C4植物大于C3植物

C3植物光合细胞主要为叶肉细胞；C4植物光合细胞有叶肉细胞和维管束鞘细胞；

C4植物包括玉米、高粱、甘蔗等近2000种植物

项目C3 植物C4 植物

定义光合作用CO2固定的光合作用CO2固定的碳首先转

碳仅转移到C3中的植物移到C4中，然后转移到C3中的植物维管束细胞比较大，含没有基粒的

鞘细胞不含叶绿体叶绿体，数多、个体大

叶肉含叶绿体，部分叶肉细胞与

细胞排列疏松，都含叶绿体维管束鞘细胞共同围绕着维管束

举例小麦、水稻玉米、甘蔗

※CAM（景天酸代谢）途径：

在干热条件下进行

夜间打开气孔，吸收CO2，固定为四碳化合物，贮存在液泡中；白天气孔关闭以减少水分丧失，利用夜间贮存的释放出CO2进行光合作用；

CAM植物包括菠萝、仙人掌、百合、龙舌兰等。

4)影响光合作用因素：光、CO2、温度、水分、矿质营养

三、生物体主要靠有机分子的氧化(呼吸作用)取得能量

1、呼吸作用的概念：生活细胞内的有机物在酶的参与下逐步氧化并释放能量的过程。

有机物氧化释放能量

一支火柴的燃烧是纤维素氧化

（C6H12O6）n + O2 →n CO2 + nH2O + 能量

纤维素氧温度光和热

（可燃物）

生物体也进行类似的反应

（C6H12O6）n + O2 →n CO2 + nH2O + 能量

淀粉氧酶ATP

（氧化底物）

把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本原则是相似的——有机物氧化释放出能量。

有哪些不同？

A、生物体内氧化比燃烧过程缓慢的多，不是猛然地发出光和热。

B、生物体内氧化在水环境中进行。

C、生物体内的氧化由酶催化。

D、生物体内氧化分步骤进行，产生能量贮存在A TP 中。

生物体内氧化分步骤进行

ATP：淀粉→葡萄糖→丙酮酸→CO2+H2O

2、呼吸作用类型

有氧呼吸：指生活细胞利用分子氧，将某些有机物质彻底氧化分解，形成CO2和H2O,同时释放能量的过程。

C6H12O6+6O2 →6CO2 + 6H2O＋能量

酶

无氧呼吸：指生活细胞在无氧条件下，把某些有机物分解成为不彻底的氧化产物，同时释放能量的过程。

C6H12O6 →2C2H5OH + 2CO2 + 能量

酶

3、呼吸作用的过程

一般可分为三个主要阶段（以葡萄糖为例）