分子与细胞

组成细胞的分子

细胞中的元素和化合物

水

1. 存在形式：
   • 结合水
   • 与其他化合物相结合
   • 细胞结构的重要组成部分
   • 细胞一旦失去结合水就死亡 - 自由水
   • 游离的形式存在，可以自由流动
   • 良好的溶剂 $\to$ 许多物质都可以溶解在自由水中
   • 作为反应物参与反应
     • 光合作用
     • 呼吸作用
     • 水解 等
   • 有利于物质运输
   • 提供了细胞生活的液体环境
2. 相互转化 自由水$\to$结合水 : 温度降低 $\to$ 代谢 $\downarrow$ 结合水$\to$自由水 : 温度升高 $\to$ 代谢 $\uparrow$

• 同一生物，不同时期体内的含水量不同 : $\frac{自由水}{结合水}$ 的比例不同
• 不同生物，体内的含水量不同
• 晒干 $\to$ 自由水
• 烘干 $\to$ 结合水

1. 考点
   1. 细胞的衰老
      • 呼吸减少
      • 水分减少
      • 酶活性降低
      • 色素积累
      • 物质匀速效率增大
      • 细胞核体积增大，核膜内折，染色质加深
   2. 利用水，生成水的生理作用：
      • 呼吸作用
      • 光合作用

无机盐

• 大量元素：$C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg$
• 微量元素：$Fe、Mn、B、Zn、Mo、Cu$

1. 在细胞呢主要以离子的形式存在，少数以化合物的形式存在

   血红蛋白：$C、H、O、N、Fe^{2+}$

   叶绿素：$C、H、O、N、Mg^{2+}$

   甲状腺激素：$C、H、O、I$

   • 维持细胞和生物的生命活动

     1. $P$：磷脂，$DNA\ /\ RNA $， $ATP$
     2. $K^+$
        • 维持细胞内液压
        • 维持人的正常心率
     3. $Ca$
        • 缺钙
          • 青年：抽搐
          • 老年：骨质疏松
     4. $Mg$：合成叶绿素
     5. $Fe$：血红蛋白
     6. $B$：促成果实生长
     7. $Zn$：
        • 促进蛋白质合成
        • 骨骼生长发育

   • 维持细胞的渗透压（$770kPa$）

     • 细胞外液：$Na^+、Cl^-$
     • 细胞内液：$K^+$
       • 生理盐水$0.9\%$
     • 维持酸碱平衡
       • $HCO_3^{-}、PO_4^{2-}$

   • 影响酶的活性

     • $Zn^{2+}、Mg^{2-}、Cl^-\ \to$ 酶的活化剂
     • $Hg、Pb\ \to$ 酶的抑制剂

化合物的鉴定

还原糖的鉴定

1. 原理：还原糖 + 斐林试剂（50度~65度）水浴加热 $\to$ 砖红色沉淀

   大多数单糖，二糖都具有还原性 $\to$ 蔗糖，多糖不具有还原性

2. 斐林试剂：

   • 使用方法
   • 混合使用，现配现用
   • 甲：$0.1g/ml\ NaOH$ 乙：$0.05g/ml\ CuSO_4$

   • 反应过程：

     $-OHO + Cu(OH)_2 \to Cu_2O$（砖红色）

蛋白质的鉴定

1. 原理：蛋白质+双缩脲试剂 $\to$ 紫色络合物
2. 双缩脲试剂：
   • 使用方法
   • 先加A液再滴加B液
   • A：$0.1g/ml\ NaOH$ B：$0.01g/ml \ CuSO_4$

   • 检测肽键，变性仍然能检测

     $-CO-NH- \ + Cu^{2+} \to $ 紫色

     碱性环境：

     1. 染液碱性：染色染色体：
        • 龙胆紫溶液
        • 醋酸洋红溶液
        • 改良的苯酚溶液
     2. 双缩脲试剂：检测蛋白质

脂肪的镜检

1. 使用试剂：
   • 苏丹$3$：橘黄色
   • 苏丹$4$：红色
2. 使用方法：

   • 显微镜下检验，使用$50\%$的酒精洗去浮色

     酒精的使用：

     • $75\%$的酒精（医用酒精）$\to$ 消毒
     • 无水乙醇 $\to$ 提取色素
       • 代替：$95\%$ 的酒精$+$除水剂
     • $95\%$的酒精$+15\%$的盐酸 $1:1$ 混合 $\to$ 解离液

   • 无显微镜：用大量染液和样本染色观察

蛋白质

组成元素

• 都有：$C、H、O$
• 部分有：$P、S$
• 不含金属元素

基本单体：氨基酸

• $R$ 基决定了氨基酸的种类
• 组成蛋白质的氨基酸有 $20$ 种
• 根据人体是否可以合成氨基酸分为：
  • 能合成：非必需氨基酸（$\complement{必须氨基酸}$）
  • 不能合成：必需氨基酸（8种，婴儿9种）
• 化学结构：

合成方法

• 脱水缩合：生成$H_2O$
  • $H$：一部分来自氨基，一部分来自羧基
  • $O$：来自羧基
• 结果肽：$-CO-NH-$
  1. 肽键
  2. 脱去水分子数 $=$ 肽键数
  3. 作用：连接肽键中氨基酸与氨基酸
  4. 双缩脲试剂可以检验

相关计算

• 肽键数 $=$ 脱去的水分子数 $=$ 氨基酸数目 $-$ 肽键数
• 每条肽链上至少有一个氨基和一个羧基
• 蛋白质分子由 $M$ 个氨基酸构成，氨基酸的平均相对分子质量为$A$，生成 $N$ 条肽链，蛋白质的相对分子质量：$MA-(M-N)\times 18 $
  • 若形成环状肽链，脱去的水分子数 $=$ 肽键数

    蛋白质是由两条或两条以上多肽链组成的:

    一条多肽链也可以构成蛋白质。

蛋白质多样性的原因

• 直接原因
  1. 组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序不同
  2. 空间结构不同
• 根本原因
  1. $DNA$ 的碱基序列不同
• $DNA \to$ 蛋白质多样性 $\to$ 生态系统多样性
  1. 基因的多样性
  2. 物种的多样性
  3. 生态系统的多样性

蛋白质功能多样性

1. 构成细胞混合生物体的重要成分：
   • 结构蛋白
   • 膜蛋白
   • 血红蛋白
2. 催化作用，参与生物体各种化学反应的大多数酶（胃蛋白酶）

   绝大多数酶是蛋白质，少数是$RNA$

3. 信息传递及调节作用（受体，激素类）

4. 运输作用
   • 不是蛋白质：
   • $tRNA$ 在在细胞质中将氨基酸运送到核糖体
   • 囊泡 - 蛋白质：
   • 血红蛋白
   • 载体蛋白
5. 免疫作用
   • 所有的抗体都是蛋白质

• 淋巴因子

• 溶菌酶

• 变性：高中阶段 指蛋白质的空间结构遭到破坏
  1. 重金属会使蛋白质瞬间失活
  2. 高温破坏蛋白质的空间结构，使其发生不可逆性失活
  3. 过酸、过碱使蛋白质失活

  4. 低温不会导致蛋白质变性失活

  5. 盐析不会导致蛋白质变性失活

• 水解：让蛋白质水解为其单体 $:\to$ 作用点：肽键

核酸-遗传信息的携带者

基本组成单位：核苷酸

• 组成元素：$C、H、O、N、P$
• 分类：
  • 脱氧核糖核苷酸
    • 含氮碱基：
      • $A$：$\text{Adenine}$ 腺嘌呤
      • $G$：$\text{Guanine}$ 鸟嘌呤
      • $C$：$\text{Cytosine}$ 胞嘧啶
      • $T$：$\text{Thymine}$ 胸腺嘧啶

  • 核糖核苷酸

    • 含氮碱基：
      • $A$：$\text{Adenine}$ 腺嘌呤
      • $G$：$\text{Guanine}$ 鸟嘌呤
      • $C$：$\text{Cytosine}$ 胞嘧啶
      • $U$：$\text{Uracil}$ 尿嘧啶
• 数量关系
  • 核苷酸数 $=$ 五碳糖数 $=$ 含$\text{N}$碱基数 $=$ 磷酸分子数 $=$ $\text{P}$原子数
• $DNA、RNA$ 单链
  • 使用$DNA$聚合酶进行催化
  • 使用 磷酸二酯键 连接

• $DNA$ 双链

  • $A = T$ （$\text{H}$键）
  • $C \equiv G$ （$\text{H}$键）
  • 磷酸基团和五碳糖排列在外侧构成了$DNA$的基本骨架

• 相关酶

  • $DNA$ 聚合酶：合成磷酸二酯键
  • $DNA$ 解旋酶：破坏含$N$碱基中的$H$键
  • $DNA、RNA$ 的区别
• 含有的核糖种类不同
  • 含氮碱基不同
  • $DNA$ 双链，$RNA$ 单链
• 磷酸的水解
  • 核酸 $\leftrightarrow$ 核苷酸 $\leftrightarrow$ 磷脂、碱基、五碳糖
  • $RNA$ $\leftrightarrow$ 核糖核苷酸 $\leftrightarrow$ 磷酸、$A、G、C、U$、核糖
  • $DNA$ $\leftrightarrow$ 脱氧核糖核苷酸 $\leftrightarrow$ 磷酸、$A、 G、C、T$、核糖
• 不同生物中的核酸，核苷酸和碱基种类数量

生物种类	五碳糖	含氮碱基	核苷酸	核酸	遗传物质	实例
细胞生物（真核、原核）	2	5	8	2	$DNA$	人、植物、真菌
$DNA$ 病毒	1	4	4	1	$DNA$	肝炎病毒 $T_2$噬菌体
$RNA$ 病毒	1	4	4	1	$RNA$	$HIV、SARS$ $nCoV-2019$ 烟草花叶病毒

脂质

磷脂

• $C、H、O、N、P$
• 构成生物膜 $\to$ 形成磷脂双分子层，形成细胞膜的基本支架

脂肪

• 构成单体：甘油、脂肪酸
• 作用
  • 良好的储能物质
  • 保温、减压

类固醇

• 胆固醇
  • 构成动物细胞膜的成分
  • 参与血液中脂质的运输
• 性激素
  • 促进生殖器官发育
  • 促进生殖细胞的形成
• 维生素$\text{D}$ （$Vitamin\ D$）
  • 促进肠道对 $P、Ca$ 的吸收

观察$DNA$和$RNA$在细胞中的分布

染色剂

• $DNA\ + $ 甲基绿 $\to$ 绿色 $\to$ 主要分布在细胞核
• $RNA\ + $ 吡罗红 $\to$ 红色 $\to$ 主要分布在细胞质

材料

• 人的口腔上皮细胞 / 洋葱内表皮细胞
• $8\%$的盐酸
  • 改变细胞膜的通透性，加速染色剂进入细胞
  • 使染色质中的$DNA$和蛋白质分开，有利于$DNA$染色

    $15\%$的盐酸与$95\%$的酒精混合作为解离液 用到盐酸后的细胞都是死细胞，后续不会发生动态变化

方法步骤

1. 制片：取样（动物细胞使用$0.9\%$的$NaCl$溶液）
2. 水解
3. 冲洗：缓水冲洗
4. 染色：甲基绿、吡罗红混合使用，现配现用。

细胞的基本结构

细胞膜

• 组成元素：$C、H、O、N、P$

• 成分

  1. 脂质（$\approx 50\%$）：
     • 磷脂：$a、c$
       • 组成磷脂双分子层 $\to$ 细胞膜的基本支架
       • $a$：疏水尾
       • $c$：亲水头
     • 胆固醇：
       • 动物细胞特有，参与脂质运输
  2. 蛋白质（$\approx 40\%$）：$b、d、e$
     • 形式：
       • 贯穿，潜入内部，镶在表面
     • 蛋白质种类和数量决定了细胞膜的复杂度
     • 蛋白质的种类和数量越多，细胞膜功能就越复杂
  3. 糖类（$\approx 10\%$）
     • 单糖（葡萄糖）
     • 与蛋白质（脂质）形成糖蛋白参与细胞间识别作用（糖蛋白：单糖）
• 细胞膜的特点：

  • 结构特点：具有一定的流动性

    • 原因：构成细胞膜的磷脂分子和绝大多数蛋白质可以运动的
  • 证明实验：
    • 名字：人鼠细胞膜融合实验
    • 方法：荧光素标记法
    • 结论：细胞膜具有一定的流动性
    • 如何制备细胞膜
      • 哺乳动物成熟的红细胞
        • 哺乳动物成熟的红细胞没有细胞核与细胞器
        • 操作方法：差速离心
  • 生理特点
    • 具有选择透过性
    • 根本原因：基因的选择性表达
    • 直接原因：蛋白质的种类和数量
  • 功能
    1. 边界，为细胞的生命活动提供相对稳定的内部环境
    2. 控制物质进出细胞：物质的跨膜运输
    3. 生物功能：激素作用、酶促反应、细胞识别、电子传递等
    4. 细胞间的信息交流
       • 糖蛋白
       1. 物质转运功能：细胞与周围环境之间的物质交换，是通过细胞膜的转运功能实现的
• 细胞间信息传递的方式：
  • 通过化学物质传递（激素，神经递质，$\ce{CO2}$）等物质通过血液识别作用到靶细胞
  • 通过直接接触传递信息
    • 精子与卵细胞的结合
    • 效应$T$细胞与靶细胞结合

  • 高等植物之间的胞间连丝

    胞间连丝传递信息

细胞壁

• 动物细胞没有细胞壁
• 高等植物细胞 $\to$ 纤维素和果胶组成（用纤维素酶和果胶酶去除 酶解法）
  • 对细胞有保护作用
  • 生理特性：全透性
• 原核生物：
  • 成分：肽聚糖
  • 支原体没有细胞壁
• 真菌：
  • 成分：几丁质

细胞器

• 分离细胞器：
  • 差速离心法

线粒体

• 双层膜结构 $\to$ 内膜存在有关有氧呼吸的酶
• 内膜有脊 $\to$ 增大膜面积
• 功能：有氧呼吸的主要场所
• 成分：呼吸酶，少量的$DNA、RNA$
• 有氧呼吸的过程：

  1. 第一阶段：细胞质基质： $\ce{C6H12O6}\to 丙酮酸 + [H] + 少量能量$

  2. 第二阶段：线粒体基质 $\ce{丙酮酸+H2O}\to \ce{CO2} + [H] + 少量能量$

  3. 第三阶段：线粒体内膜 $[H] + \ce{O2} \to \ce{H2O} + 大量能量$

叶绿体

• 双层膜结构：
  • 基粒（类囊体堆叠而成）
  • 基质

• 功能：绿色植物光合作用进行的场所

• 成分：光合色素，光合酶，少量$DNA、RNA \to$ ($DNA$相关复制和表达)

• 增大膜面积，堆积基粒

• 光合作用：

  

  • 光反应：叶绿体内囊体薄膜
  • 暗反应：叶绿体基质

内质网

• 由膜构成的网状结构 $\to$ 单层膜
• 分类：
  • 粗面内质网
    • 分布着许多核糖体，主要合成蛋白质
  • 光面内质网
    • 主要合成脂质
• 增大膜面积：脊

高尔基体

• 由蛋白质构成的囊状结构 $\to$ 单层膜

• 主要是对来自内质网的蛋白质进行加工，分类，包装，修饰（没有合成）
• 对于植物细胞，在有丝分裂末期与细胞壁形成有关

溶酶体

• 细胞的“酶仓库”和“消化车间”
• 结构：单层膜 $\to$ 来源于高尔基体，内质网形成的囊泡
• 成分：许多水解酶（蛋白酶，溶菌酶等）
• 功能：
  • 消化作用：
    • 消化细胞的营养物质，病毒，细菌
  • 自体吞噬：
    • 能够分解细胞内衰老，损伤等细胞器
  • 细胞自溶：
    • 溶酶体膜破裂，整个细胞被溶酶体释放的水解酶消化
• 细胞中的溶酶体与细胞凋亡有直接关系
• 动物细胞中的溶酶体在免疫调节中发挥作用
• 硅肺病也跟溶酶体有关

液泡

• 液泡：植物细胞中的“水源”和“营养库”
• 结构
  • 单层膜结构
  • 水分，无机盐，糖类，色素，蛋白质
• 功能
  • 调节细胞内的环境，保持渗透压和膨胀状态
  • 提高了植物抗寒和抗旱的能力

• 注：根尖分生区细胞没有液泡

  色素	溶解性	提取方法	类型
  叶绿体	脂溶性	无水乙醇	光合色素
  液泡	水溶性	水溶	主要是花青素

核糖体

• 功能：生产蛋白质的机器
• 细胞合成蛋白质的场所
• 组成
  • 蛋白质
  • $rRNA$
• 分类：
  • 固着的核糖体 $\to$ 附着在内质网
  • 游离的核糖体 $\to$ 游离在细胞质基质
• 分布：
  • 分布在细胞质基质内，内质网，线粒体，叶绿体

中心体

• 无膜结构
• 结构：有两个互相垂直的圆柱形物质组成
• 存在：动物细胞和某些低等植物细胞
• 功能：在有丝分裂过程中发射星射线形成纺锤体

功能	细胞器
含色素	叶绿体，液泡
能进行能量转换	叶绿体，线粒体
含有遗传物质	叶绿体，线粒体
含有$RNA$	叶绿体，线粒体，核糖体
能进行碱基配对（翻译）	叶绿体，线粒体，核糖体
能够复制（转录）	叶绿体，线粒体，中心体
能够产生水	叶绿体，线粒体，核糖体，内质网，高尔基体
能利用水	线粒体，溶酶体

细胞器之间的协调合作：分泌蛋白的分工合作

• 分泌蛋白的种类
  • 消化酶，溶酶体，抗体，淋巴因子
• 分泌蛋白产生经过
  • 细胞结构
    1. 核糖体
    2. 内质网
    3. 高尔基体
  • 细胞器
    1. 细胞器
• 含量的变化：
  • 内质网：面积有所减少
  • 高尔基体（先增加后减少），基本保持不变
  • 细胞膜：面积有所增加
• 分泌蛋白的分泌：
  • 胞吐
    • 体现了细胞膜的流动性
  • 实验方法：
    • 同位素标记法
  • 扩展：内质网上合成的蛋白质
    • 溶酶体酶
    • 分泌蛋白
    • 膜蛋白

生物膜

• 细胞中的各种膜统称生物膜
  • 细胞膜
  • 细胞器膜
  • 核膜
• 生物膜系统
  • 细胞中的生物膜共同构成生物膜系统，生物膜系统为真核细胞特有
  • 线粒体脊膜，囊泡膜，内囊体膜都是生物膜
  • 真核细胞的核糖体，中心体没有生物膜结构
  • 人体黏膜不是生物膜
• 生物膜的化学成分：
  • 各种生物膜的化学成分相似
    • 脂质
    • 蛋白质
    • 糖类
  • 不同的生物膜，组成成分的含量有差异
  • 蛋白质在细胞膜上的含量少于细胞器膜
• 生物膜在结构上的联系
  • 直接联系
  • 间接联系
• 生物膜系统的作用
  • 细胞膜作用：屏障作用，物质运输，能量交换
  • 附着大量的酶，是许多生化反应的重要场所
  • 具有分割作用

细胞核：系统的控制中心

• 结构：
  • 核膜（$Nuclear\ Envelop$）
    • 核膜存在于细胞间期，细胞有丝分裂过程中会周期性消失和重建
    • 双层膜
      • 外膜与内质网相连，附着有核糖体
    • 上面有核孔
  • 核孔($Nuclear\ Pore$)：
    • 核 - 质之间的大分子交换
    • 选择透过性
  • 核仁（$Nucleolus$）
    • 核仁存在于细胞间期，细胞有丝分裂过程中会周期性消失和重建
    • 与$rRNA$的合成以及核糖体的形成有关
  • 染色质（$Chromatin$）
    • 成分：$DNA$ 蛋白质构成
    • 遇到碱性染料容易染成深色
    • 是$DNA$的主要载体
• 细胞新陈代谢越旺盛
  • 核体积增大
  • 核孔增多

细胞的物质输入和输出

• 渗透作用
  • 具有半透膜
    • 生物性半透膜
    • 物理性半透膜
  • 膜两侧具有浓度差
• 动物细胞的失水和吸水
  • 发生在：细胞质基质
    • $C_外 > C_内$ ；细胞失水
    • $C_外 < C_内$ ；细胞吸水
    • $C_外 = C_内$ ；细胞吸水失水动态平衡
• 植物细胞的失水和吸水
  • 发生在：液泡
    • $C_外 > C_内$ ；细胞失水
    • $C_外 < C_内$ ；细胞吸水
    • $C_外 = C_内$ ；细胞吸水失水动态平衡
  • 植物细胞特点：
    • 细胞壁：全透性
    • 原生质层：相当于一层半透膜
      • 细胞膜
      • 细胞质
      • 液泡膜
    • 植物细胞发生质壁分离的条件：具有成熟的大液泡
• 低渗溶液：
  • 外界溶液浓度 $<$ 细胞质浓度
  • 细胞吸水
  • 动物细胞吸水胀破
• 高渗溶液：
  • 外界溶液浓度 $>$ 细胞质浓度
  • 细胞失水
  • $1.8\%$ 的 $\ce{NaCl}$ 溶液治疗水中毒
• 质壁分离及其复原的条件
  • 成熟的植物细胞，具有中央液泡
  • 原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性
  • 外界溶液与细胞液之间存在浓度差

观察植物质壁分离及复原

• 实验原理：
  • $C_外 > C_内$ ；细胞失水，发生质壁分离，$C_外 < C_内$ ；细胞吸水，发生质壁分离复原
  • 原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性
• 实验步骤
  1. 取洋葱外表皮细胞，制作临时装片
     • 放入清水中
  2. 用低倍镜观察
     • 原生质层紧贴细胞壁
     • 细胞中有一个紫色中央大液泡
  3. 滴加蔗糖溶液
  4. 低倍镜观察
     • 逐渐发生质壁分离
     • 液泡缩小，颜色变深
  5. 滴加清水
  6. 低倍镜观察
• 提示：
  • 实验不需要设置对照组
  • 若使用浓度过高的蔗糖溶液，质壁分离明显，但不能复原，因为细胞过度失水死亡
  • 使用$1mol·L^{-1}$的$\ce{KNO3}$溶液，$\ce{K+}$和$\ce{NO3-}$会被细胞吸收，细胞先质壁分离后复原
  • 使用$1mol·L^{-1}$的$\ce{CH3COOH}$溶液，$\ce{CH3COOH}$会杀死细胞，细胞不会发生质壁分离和复原
  • 活植物细胞能发生质壁分离，死细胞不会
    • 动物细胞使用台盼蓝，死的动物细胞会被染成蓝色，活细胞不会

扩散作用与渗透作用

• 扩散作用

  • 指物质从浓度高的一侧通过细胞膜向低浓度的一侧转运

• 渗透作用

  • 指水分子通过半透膜从浓度低的一侧向高浓度溶液的扩散

物质的跨膜运输

• 物质的跨膜运输
  • 主动运输
    • 顺浓度梯度：高 $\to$ 低
    • 自由扩散
      • 不需要载体，也不需要能量
      • $\ce{CO2、O2、}$甘油
  • 被动运输
    • 顺浓度梯度：低 $\to$ 高
    • 需要载体，需要能量
      • 小肠上皮细胞吸收葡萄糖
      • 离子泵
      • 植物生长素的极性运输
  • 协助扩散
    • 需要载体，不需要能量
    • 神经纤维上的$\ce{Na+ K+}$交换
    • ······通道 $\to$ 协助扩散

• 胞吞，胞吐

  • 细胞膜的流动性
• 通道运输
  • 水通道蛋白
  • 离子通道
• 核孔运输
  • 大分子的通道
  • 蛋白质和$RNA$进出核孔
• 图像
  • 物质浓度 自由扩散
  • 物质浓度 协助扩散 / 主动运输
  • $O_2$浓度影响 自由扩散 / 协助扩散
  • $O_2$浓度影响 主动运输

    影响细胞膜的透过性的环境因素

    1. 温度
    

    • 影响细胞膜的流动性，载体，酶的活性
      1. 高温，过酸，过碱，过度失水
    • 膜蛋白失活，失去选择透过性
      1. 激素，神经递质
    • 作用于细胞上的受体

细胞的能量供应和利用

酶——活细胞产生的具有催化作用的有机物

• 绝大多数是蛋白质，少数$RNA$
  • 蛋白质：核糖体
  • $RNA$：细胞核
• 作用部位
  • 细胞内：呼吸酶
  • 细胞外：胃蛋白酶等
• 酶的特性
  • 高效性
    • 比无机催化剂高效
  • 专一性
    • 每一种酶只能催化一种或一类反应
  • 作用条件温和
    • 在温和的条件下反应

酶与一般催化剂的共性

• 反应前后数量与性质不变
• 只能催化允许进行的化学反应
• 降低化学反应的活化能，提高反应速率
• 不改变化学反应的平衡点

酶在代谢中的作用

细胞代谢

1. 概念：细胞代谢是细胞中进行各种化学反应的统称，是细胞最基本的结构，只有在活细胞才能进行
2. 内容：
3. 同化作用：合成有机物，储存能量
4. 异化作用：分解有机物，释放能量

   酶的作用机理

   • 降低化学反应的活化能

影响酶反应速率的因素

• 温度
  • 在一定温度范围内，酶反应速率随温度升高而加快，超过一定的温度则失活
    • 低温（$a$）：酶活性降低，酶不会失活
    • 高温（$c$）：使酶活性降低，使酶的空间结构发生改变，使酶失活

• $pH$
  • 过酸过碱都会使酶发生不可逆转的失活
  • 人体适宜$pH$值：7.35～7.45（血浆）
  • 每种酶只能在一定的$pH$范围内才能表现活性，超出这个范围立即失活

• 实验：探究影响酶活性的条件

  	温度对酶活性的影响	$pH$对酶活性的影响
  反应原理	淀粉 + 碘液 $\to$ 变蓝色 麦芽糖 + 碘液 $\to$ 变蓝色	$\ce{2H2O2 ->[过氧化][氢酶] 2H2O + O2 }$
  鉴定原理	温度影响酶的活性，从而影响淀粉的水解，滴加碘液，根据蓝色的深浅来判断。	$pH$影响酶的活性，从而影响$\ce{O2}$的生成量，可以用带有火星的木条检验生产的$\ce{O2}$的量

  • 温度对酶活性的影响

    实验操作	试管1、A	试管2、B	试管3、C
    加等量可溶性淀粉溶液	1: $2ml$	2: $2ml$	3: $2ml$
    加等量淀粉酶	A: $1ml$	B: $1ml$	C: $1ml$
    控制不同温度条件	0度	60度	100度
    淀粉酶溶液与淀粉溶液混合	5分钟	5分钟	5分钟
    加入等量碘液	1滴	1滴	1滴
    观察	变蓝	不变蓝	变蓝

  • $pH$对酶活性的影响

    实验操作	试管1	试管2	试管3
    加等量$\ce{H2O2}$酶溶液	2滴	2滴	2滴
    加入不同$pH$值的溶液	$1ml $ 蒸馏水	$1ml$ $\ce{HCl}$溶液	$1ml$ $\ce{NaOH}$溶液
    注入等量的$\ce{H2O2}$	$2ml$	$2ml$	$2ml$
    观察现象	大量气泡产生	无气泡产生	无气泡产生

$ATP$——细胞能量的通货

$ATP$的结构简式

（$A - P \sim P \sim P$）

• $A\to$ 腺苷
• $T\to$ 三
• $P \to$ 磷酸腺苷

$ATP$的基本性质

1. $ATP$是细胞内的一种高能磷酸化合物，分子中具有储存大量化学能的高能磷酸键（～）
2. $ATP$的水解指$ATP$分子中的高能磷酸键的水解，释放能量$30.54kJ/mol$
3. $ATP$分子远离$A$的那个高能磷酸键所含能量最多，极为不稳定，容易水解和重新形成。所以$ATP$是生物体内的能量货币和直接能源
4. $ATP$的碱基是腺嘌呤，五碳糖是核酸
5. $ATP$含有3个磷酸基，但是只有2个高能磷酸键

$ATP$与$ADP$的相互转化

• 反应式 $\ce{ATP <=>[ATP水解酶][ATP合成酶]ADP + Pi + 能量}$
• 细胞中的$ATP$与$ADP$在不停互相转化，并处于动态平衡
• 在细胞中$ATP$与$ADP$的含量很少，但转换速率很快
• $ATP$与$ADP$相互转换的能量供应机制是细胞的共性

$ATP$的合成与水解

• $ATP$的合成需要能量
• $ATP$的水解释放能量

$ATP$的产生与能量转变

• 植物：细胞呼吸&光合作用
  • 场所：叶绿体内囊体薄膜
  • 过程：光反应
• 动物：细胞呼吸

人体$ATP$的释放

• 主动运输
• 胞吞、胞吐
• 各种吸能反应
• 物质合成
• 神经传导
• 生物电和生物光
• 大脑思考

$ATP$形成的场所以及相关的生理过程

生物	场所	生理过程
绿色植物	叶绿体的内囊体膜	光反应
酵母菌、植物、动物 > 真核生物	细胞质基质	有氧呼吸的第一阶段 无氧呼吸的第一阶段
	线粒体基质	有氧呼吸的第二阶段
	线粒体内膜	有氧呼吸的第三阶段
蓝细菌 > 原核生物	细胞质基质	有氧呼吸的第一阶段 有氧呼吸的第二阶段
	细胞膜	有氧呼吸的第三阶段
	光合片层薄膜	光反应

细胞呼吸

$\ce{外环境 <=>[O2][CO2] 内环境 <=>[O2][CO2] 组织细胞}$

• 细胞呼吸

  • 有机物氧化分解，产生$CO_2$或其他产物，释放能量并生成$ATP$的过程

  • 有氧呼吸

    • 细胞在氧气参与下，通过多种酶的催化作用将葡萄糖彻底氧化分解产生$CO_2$和$H_2O$并释放能量，生成大量$ATP$的过程

    • $\ce{C6H12O6 + 6H2O + 6O2 ->[酶] 6CO2 + 12H2O + 能量}$

      $H:$ 还原氢

      1. $\ce{C6H12O6 ->[酶] 2C3H4O3 +4[H] + 少量能量}$
         • 细胞质基质
      2. $\ce{2C3H4O3 + 6H2O ->[酶] 6CO2 + 20[H] + 少量能量}$
         • 线粒体基质
      3. $\ce{6O2 + 24[H] ->[酶] 12H2O + 大量能量}$
         • 线粒体内膜

    • 有氧呼吸的第一阶段和第二阶段释放出少量能量，第三阶段释放大量能量

  • 无氧呼吸

    • 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，成为不彻底的氧化产物，释放能量，生成少量$ATP$的过程
    • $\ce{C6H12O6 ->[酶] 2C2H5OH +2CO2 + 能量}$
      1. $\ce{C6H12O6 ->[酶] 2C3H4O3 + 4[H] + 少量能量}$
      2. $\ce{2C3H4O3 + 4[H] ->[酶] 2C2H5OH + 2CO2}$
    • $\ce{C6H12O6 ->[酶] 2C3H6O3 + 少量能量}$
      1. $\ce{C6H12O6 ->[酶] 2C3H4O3 + 4[H] + 少量能量}$
      2. $\ce{2C3H4O3 + 4[H] ->[酶] 2C3H6O3}$
    • 无氧呼吸第一阶段产生少量能量，第二阶段不产生能量

• 有氧呼吸与无氧呼吸的能量

  	无氧呼吸	有氧呼吸
  能量利用率	低	高
  能量大小	少量	大量
  能量产生速率	高	低

• 无氧呼吸与有氧呼吸的物质变化

  	无氧呼吸	有氧呼吸
  $[H]$	1. 第一阶段产生$[H]$ 2. 第二阶段用于还原丙酮酸	1. 第一、第二阶段产生$[H]$ 2. 第三阶段用于还原$O_2$
  $[H]$来源	葡萄糖	$\ce{H2O}$、葡萄糖、丙酮酸
  $\ce{H2O}$	1. $\ce{H2O}$不作为反应物 2. $\ce{H2O}$是生成物（合成ATP）	1. $\ce{H2O}$作为反应物 2. $\ce{H2O}$作为生成物
  $\ce{CO2}$	1. 乳酸菌、动物、人体不产生$\ce{CO2}$	第二阶段产生$\ce{CO2}$
  	2. 酵母菌、植物、第一阶段产生$\ce{CO2}$

• 特殊微生物的细胞呼吸

  生物		线粒体	细胞呼吸
  原核生物	蓝细菌、醋酸菌、硝化细菌	无	有氧呼吸
  	大肠杆菌	无	兼氧呼吸
  	乳酸菌、破伤风杆菌	无	无氧呼吸
  真核生物	蛔虫细胞、哺乳动物成熟的红细胞	无	无氧呼吸
  	酵母菌	有	兼氧呼吸

细胞呼吸的图像问题

1. $CO_2$释放量和$O_2$吸收量的变化与呼吸作用的关系

   • 有氧呼吸：$1\ce{C6H12O6 - 6O2 - 6CO2}$

   • 无氧呼吸：$\ce{1C6H12O6 - 2CO2 - 2C2H5OH}$

   1. 释放$CO_2=$ 吸收$O_2 \to$ 有氧呼吸
   2. 只生成$CO_2$ $\to$ 无氧呼吸（生成$CO_2$量 $=$ 生成的酒精量 $\to$ 无氧呼吸）
   3. $CO_2$释放量 $> O_2$消耗量 $\to$ 进行有氧呼吸和无氧呼吸
   4. $CO_2$释放量 $: O_2$消耗量 $=2:1$ $\to$ 无氧呼吸和有氧呼吸释放的$CO_2$相等，无氧呼吸消耗的葡萄糖是有氧呼吸的3倍
   5. $CO_2$释放量 $: O_2$消耗量 $=4:3$ $\to$ 无氧呼吸和有氧呼吸消耗的葡萄糖相等，无氧呼吸释放的$CO_2$是有氧呼吸的3倍

光合作用

• 叶绿体的种类以及作用

  

  • 叶绿素$\frac{3}{4}$：主要吸收红光，蓝紫光
    • 叶绿素$a$ 蓝绿色
    • 叶绿素$b$ 黄绿色
    • $C、H、O、N、Mg$
  • 类胡萝卜素$\frac{1}{4}$：主要吸收蓝紫光
    • 胡萝卜素：橙黄色，$C、H$
    • 叶黄素：黄色，$C、H、O$
  • 作用：吸收，传递，转化光能
  • 分布：分布在叶绿体的类囊体膜上
  • 光合色素只能吸收可见光

• 色素的提取和分离

  

  1. 提取色素：

     • 原理 $\to$ 叶绿素能溶解在有机溶剂中，可以用无水乙醇来提取色素
       • 代替：$95\%$的乙醇 $+$ $\ce{NaCO3}$
     1. 称重并剪碎，称取$5g$的新鲜绿叶，剪碎后放入研体
     2. 研磨：加入少量的$\ce{SiO2、CaCO3}$和$10ml$无水乙醇，进行快速充分研磨
        • $\ce{SiO2}$：充分研磨
        • $\ce{CaCO3}$：保护色素，防止色素被破坏
     3. 过滤

  2. 制备滤纸条

     1. 将干燥的滤纸剪成略小于试管长度与直径的滤纸条，一端剪去两角
        • 剪去两角：防止边缘效应
     2. 在距剪两角一端$1cm$处用铅笔画一条细直线

  3. 画滤液细线

     1. 用毛细吸管吸取少量的滤液，沿铅笔画线处均匀地画一条直的滤液细线
     2. 干燥后重复$1 \sim 2$次

  4. 分离色素

     • 原理：层析液可以溶解色素，溶解度高的色素随层析液在滤纸上扩散的快，溶解度低的在滤纸上扩散的慢。
     • 方法：纸层析法
     1. 将适量的层析液倒入试管中
     2. 将滤纸有细线一端插入层析液中

• 光合作用的过程

  • 光合作用的化学反应

    $\ce{CO2 + H2O ->[光能、叶绿体] (CH2O) + O2}$

    $\ce{CO2 + 2H2O ->[光能、叶绿体] (CH2O) + H2O +O2}$

    $\ce{6CO2 + 12H2O ->[光能、叶绿体] C6H12O6 + 6H2O + 6O2}$

  • 光合作用形成的产物$(CH_2O)$中的$C、O$都来自$CO_2$

• 光合作用中，$H_2O$既是产物又是原料，总体来看光合作用消耗$H_2O$

  • 光反应

  

  • 暗反应

  

  	光反应	暗反应
  概念	有光才能进行	黑暗中进行
  场所	类囊体膜	叶绿体基质
  条件	光、色素、酶、$ADP$、$Pi$	酶、$[H]$、$ATP、CO_2$
  能量变化	光能 $\to$ $APT$ 中活跃的化学能 $\to$	$\to$ $CH_2O$中的化学能
  物质变化	1. 水光解释放氧气 2. 还原氢还原 3. $ATP$的合成	1. $CO_2$的固定 2. $C_3$的还原 3. $C_5$的再生 4. 糖类等有机物生成
  联系	光反应为暗反应提供$ATP、NADPH$	暗反应为光反应提供$ADP、Pi、NADP^+$

• 影响光合作用速率的因素

  • 影响因素

    1. 内因：色素含量、$C_3$含量、酶的含量与活性
    2. 外因：光照、$CO_2$浓度、温度、水分、矿物质

  • 光照强度

    

    • 光补偿点：$b$，植物的光合作用所吸收的$CO_2$和细胞呼吸所释放出的$CO_2$相等时的光照强度
    • 光饱和点：$c$，植物光合速率达到最大值的最小光照强度
    • $oa$段的绝对值表示植物的呼吸强度
    • 农业上使用延长光照时间，合理密植，间作套作来合理利用光能

  • 叶面积指数

    

    • $a$：光合作用的实际量
      • $oa$表示随着叶面积指数增大光合作用增强
    • $b$：呼吸作用的消耗量
      • $ob$表示呼吸作用随面积的增大而增强

    • $c$：植物干重变化

    • 农业上使用修剪枝条，筛检叶片的方式保证一定的叶面积

  • $CO_2$的浓度

    

    • $oa$段的绝对值表示植物的呼吸强度
    • $b$点是$CO_2$的补偿点：植物的光合作用所吸收的$CO_2$的量等于细胞呼吸所释放出的$CO_2$量时的外界$CO_2$浓度
    • $c$点是$CO_2$的饱和点，植物的光合速率达到最大时的外界环境的$CO_2$的最低浓度
    • 限制因素：光照，温度
    • 低于$CO_2$补偿点时，植物不能正常发育
    • 农业上：正其行，通其风，增施农家肥增加$CO_2$的浓度，提高光合作用强度

  • 温度

    • 主要是影响暗反应中酶的催化效率来影响光合速率
    • 当温度过高或光线不足时，呼吸作用大于光合作用，净光合作用降低
    • 农业：温室栽培，白天适当提高温度，晚上适当降低温度降低呼吸作用对有机物消耗

• 光合作用的强度（速率）

  • 概念

    • 光合强度（光合速率）：单位时间内单位面积叶片吸收$CO_2$或放出$O_2$（积累有机物）的量
    • 净光合速率（表观光合速率）：光合作用减去细胞呼吸的差数，叫净光合速率
    • 总光合速率（实际光合速率）：同时测定呼吸速率并加到净光合速率中，叫总光合速率
    • 光合速率与呼吸速率的数量关系
      1. 净光合速率 $=$ 总光合速率 $-$ 呼吸速率
      2. 净光合量 $=$ 实际光合量 $-$ 呼吸量
      3. $CO_2$的吸收量 $=$ 光合同化量 $-$ 呼吸产生量
      4. $O_2$的释放量 $=$ 光合作用产生量 $-$ 很小消耗量
      5. 有机物的积累量 $=$ 光合生成量 $-$ 呼吸消耗量

  • 叶绿体，叶肉细胞和支柱光合速率的关系

    

    • 叶肉细胞的光补偿点$C$ $<$ 植株的光补偿点$D$
    • 叶绿体，叶肉细胞，植株的光饱和点$E$相同
    • 叶肉细胞的呼吸速率$B$ $<$ 植株的呼吸速率$A$
    • 叶肉细胞的净光合速率 $>$ 植株的净光合速率
    • 植株的总光合速率 $=$ 叶肉细胞的总光合速率 $=$ 叶绿体的光合速率

  • 植物吸收和释放$CO_2$速率的日变化

    

    1. 表示环境中的各种生态因素（温度，光照强度，$CO_2$浓度等）对植物光合作用和呼吸作用的综合影响。假设一天内光照时段为$6\sim18$点
    2. 植物的呼吸强度在一昼夜中，处于不断变化的状态，$0\sim a$段的绝对值只表示$0$时刻的植物呼吸强度
    3. $d$和$h$时刻不是光合作用的起点和终点，在其前后均有光合作用，但是光合作用速率小于呼吸作用速率，是光补偿点。如果呼吸强度相等，由于$h$时刻大气中$CO_2$浓度低于$d$时刻，那么$h$时刻的光照强度 $> d$时刻 ，$d\sim h$段植物的光合速率大于呼吸速率，植物吸收$CO_2$释放$O_2$积累有机物。
    4. $a\sim b$段由于温度逐渐降低，细胞的呼吸速率逐渐降低
    5. $c\sim d$段由于光合作用，植物释放的$CO_2$逐渐减少
    6. $e\sim f$段温度过高，蒸腾作用强烈，气孔关闭，$CO_2$的吸收减少，净光合速率降低
    7. $g\sim h$段因为傍晚光照强度减弱，净光合速率降低
    8. $d$点植物体内的有机物质量最少，$h$点最大
    9. $Oabcd$与$hi$围成的面积表示有机物的消耗量，$defgh$围成的面积表示有机物的生成量，生成量 $-$ 消耗量 $> 0$ 表示植物正常生长发育。

  • 光合速率

    

    1. 曲线含义：在一定光照强度范围内，光合作用强度随光照强度增加而增加，达到某一光照强度后光合作用不再随着光照强度增加而增加。
    2. 在光照条件下测定的植物净光合速率
       • 植物释放$CO_2\to$ 植物的净光合速率 $> 0$
       • 植物不吸收也不释放$CO_2\to$ 植物净光合速率 $=$ 0
       • 植物吸收$CO_2 \to$ 植物的净光合速率 $< 0$
    3. 在黑暗条件下测定的是植物的呼吸速率
       • 黑暗条件下植物释放$CO_2$的速率是植物的呼吸速率
       • 光照条件下的植物释放$CO_2$的速率是植物的净光合速率（负值）
       • 植物的呼吸速率是定植
    4. 总光合速率不能直接测出，只能计算得出
    5. 植物是否正常发育，看净光合速率

细胞的生命历程

细胞的增殖

• 模拟探究细胞表面积和体积的关系
  • 原理：$NaOH$与酚酞相遇 $\to$ 紫色
    • $NaOH$ 在琼脂块中的扩散速率相同
    • 模拟细胞大小与物质运输的效率的关系
  • 实验结论：
    1. 琼脂块的表面积和体积之比随着琼脂块的增大而减小
    2. $NaOH$的扩散体积和整个琼脂块的增大而减小
  • 结论：细胞体积越大，其相对表面积越小，细胞的物质运输效率越低

• 细胞不能无限长大的原因

  1. 细胞的表面积与体积的关系，限制了细胞的长大
  2. 细胞核与细胞质的比例（细胞核的控制能力，限制了长大）

细胞的增殖通过有丝分裂

• 细胞增殖是重要的生命活动，是生物体生长发育繁殖的基础
• 真核细胞
  • 无丝分裂：蛙的红细胞，其他真核细胞
  • 有丝分裂：受精卵，胚胎细胞，体细胞，干细胞，精原细胞（有丝 / 减数），卵原细胞（有丝 / 减数）
    • 特点：复制一次，分裂一次
  • 减数分裂：动物的精（卵）原细胞，植物的孢子母细胞
    • 特点：复制一次，连续分裂$2$次
• 原核细胞
  • 二分裂

细胞周期

• 分裂周期：一次分裂完成到下一次细胞分裂完成，为一个细胞周期。经过一个细胞周期完成了一次细胞的增殖。
• 分裂间期：是细胞生长的阶段，为分裂期做物质准备
• 在细胞生长阶段，分裂间期较长，分裂期较短
• 神经细胞，浆细胞等高度分化的细胞不会分裂

分裂间期

• $G_1$期：主要进行$RNA$、蛋白质、酶的合成，为$S$期$DNA$的合成做准备

• $S$ 期：主要进行$DNA$的复制（合成），使$DNA$分子数目加倍

• $G_2$期：主要是进行$RNA $、蛋白质的合成，为分裂期纺锤丝的形成做准

• 染色体数目根据着丝点决定
• 染色体的复制实质是$DNA$分子的复制