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1绪论:生物界与生物学--竞赛辅导课件


1绪论:生物界与生物学

1.1生命的特征
当人们从太空俯瞰我们居住的地球时都深身地被 这颗美丽蔚蓝色的星球所感动,一种自豪和幸运 的心情油然而生.这颗默默无闻的星球漂浮在茫 茫星际和浩瀚的宇宙之中,显得是那么渺小和微 不足道.但是它和我们迄今已知的所有天体表现 得又是如此地不同,呈现出一派昂然生机,山峦原 野,江河沧海,众生芸芸,千势百态,是什么

赋予地球 以如此神奇的景观,答案是生命.

生命是主要由核酸和蛋白质组成的具 有不断自我更新能力的多分子体系的 存在形式,是一种过程,是一种现象. 生命的物质基础是蛋白质和核酸;生 命运动的本质特征是不断自我更新, 是一个不断与外界进行物质和能量交 换的开放系统;生命是物质的运动,是 物质运动的一种高级的特殊存在形式

新陈代谢
生物体不断地吸收外界的物质,在生 物体内发生一系列变化,最后成为代 谢最终产物而被排出体外 合成作用(anabolism) 从外界摄取 物质和能量,将它们转化为生命本身 的物质和贮存在化学键中的化学能. 分解作用(catabolism) 分解生命物 质,将能量释放出来,供生命活动之 用.

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应激性
生物体对外界刺激发生反应的特性,称应激 性.

稳态
生物体内部都含有一定的液体,分布在细 胞内和细胞外.细胞外的液体即生物体的 内环境.当内环境发生某种变化时,生物体 就会行使一定的调节功能,来使这种变化 减至最小.

生长发育
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. 生物体的一生,从生殖细胞形成、卵受精、 受精卵分裂,再经过一系列形态、结构 和功能的变化,才能形成一个新的个体, 再经性成熟,然后经衰老而死亡,这一 转变过程叫做发育。

遗传变异和进化
生物体生殖所产生的后代常与亲代相似,这种 现象叫遗传。 但是后代与亲代之间,后代个体之间,不会完 全相同,总会有所差异,这种现象称变异。 进化是群体或物种在连续的世代中发生的遗传 改变和相关的表型变化,也包括在漫长历史时 期中生物和环境的相互作用和它们之间的协同 进化。

适应
每一种生物都有自己特有的 生活环境,它的结构和功能 总是适合于在这种环境条件 下的生存和延续. 适应的含义: (1)生物的结构都适应 于一定的功能. (2)生物的结构和功能 适应于其在一定环境条件下 的生存和 延续. 适应是生命所特有的现象。

1.2 分类阶元和界的划分

林奈提出用两个拉丁名作为物种的学名.如家犬 的学名是Canis famuliaris. Canis是属名, famuliaris是种名.每一个物种都由一个双名命 名的学名,即二名法. 物种以上的分类阶元有属(genus)、科(family)、 目(order)、纲(class)、门(phylum)和界 (kingdom). 林奈提出两界分类系统,即动物界和植物界;海克 尔提出三界分类系统,即增加了原生生物界;惠特 克又提出了五界分类系统,即原核生物界、原生 生物界、真菌界、植物界和动物界。

1.3生物学常用的研究方法
研究步骤: 认识问题——搜集资料——提出假说— —检验假说——评价数据——结果报 道

1.4生物学分科
1.按生物类群或研究对象来分 植物学、动物学、微生物学、病毒学、人类 学、古生物学、藻类学、昆虫学、鱼类学、 鸟类学等. 2.按研究的生命现象或生命过程来分

形态学、生理学、分类学、胚胎学、解剖 学、遗传学、生态学、进化学、组织学、 细胞学、病理学、免疫学等

3.按生物结构的层次来分 种群生物学、细胞生物学、分子生物 学、分子遗传学、量子生物学等. 4.按与其他学科的关系来分 生物物理学、生物化学、生物数学、 生物气候学、生物地理学、仿生学、 放射生物学等

1.5生物学学与现代社会生活的关系
1.农业方面 遗传育种—— 农作物、畜牧 业的优良品种 (无籽西瓜) 人造种子 生物杀虫剂

2.医药卫生方面
新的抗菌素、疫苗 免疫学 提高了异体器官移植的成功率,并 发现了自体免疫疾病的病因 基因工程菌与基因疗法 胰岛素、干扰素、生 长激素、淋巴细胞活素、血纤维蛋白溶解 剂、白蛋白、血因子、单克隆抗体、DNA 探针等

干扰素

3.轻工业、食品工业
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

2.生命的物质基础
遗传信息的存储和传递者——核酸 遗传信息的表达者——蛋白质

生命过程的催化剂——酶
生命过程的碳源和能源——糖类

生命体的重要构件和储能物质——脂类
维持生命的重要小分子物质——维生素

有机物
蛋白质(protein) 核酸(nucleic acid) 糖(carbohydrate) 脂类(lipid) 维生素 (vitamin) 其中蛋白质是由氨基 酸(amino acid)构成的, 核酸是由核苷酸 (nucleotide)构成 因此氨基酸,核苷酸被 称为构件分子 (building block molecule)

⑴无 机 物
水(water) 无机盐(mineral)

⑵生命过程的碳源和能源——糖类
①单糖 葡萄糖的分子结构 单糖分类 丙糖 戊糖 己糖

②寡糖 麦芽糖 (maltose):两分子葡萄糖由糖苷键连接,具还原 性 蔗糖 (sucrose):由一分子葡萄糖和一分子果糖通过糖苷 键连接而成,无还原性 乳糖(lactose)

③多糖
均一多糖 淀粉 糖原 纤维素 非均一多糖 透明质酸 软骨素

几种多糖
淀粉

肌糖原

纤维素

⑶生命体的重要构件和储能物质——脂类
①脂肪(三酰甘油) 甘油和脂肪酸结合而成.室温下,液态的称为油, 固态的称为脂.
②类脂: 磷脂是细胞膜的主要结构成分,有极性的头部和两 条疏水的尾部. 类固醇:最常见的为胆固醇,是细胞膜的重要成分,也 是动物体内合成其他类固醇的原料. 蜡也是脂类,其疏水性比脂肪更强,可以保护生物体 的表面.

固醇

⑷维 生 素
维生素A (视黄醇) 维生素D 维生素E 维生素K (血凝维生素) 维生素C (抗坏血酸) 维生素B

⑸遗传信息的表达者——蛋白质 蛋白质的功能:
结构功能 防御功能 信号功能 调节功能 运输功能 运动功能 其他功能

氨基酸的通式
组成蛋白质的常见

氨基酸有20种,通
式如右图R不同, 组成的氨基酸就不

同.

必需氨基酸
20种氨基酸中有8种不能由人体合成,必须 从外界摄取,称为必需氨基酸
8种必需氨基酸为 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

蛋白质一级结构
肽键
肽链 氨基酸排列顺序等

二级结构
肽链的主链在空间的走向

α 螺旋
β 折叠

β 转角

三级结构
亲水基位于球体表面,疏水基位于球体内部
球状蛋白溶于水

四级结构
多亚基构成的寡聚蛋白结构
均一寡聚蛋白:由相同亚基构成 非均一寡聚蛋白:由不同亚基构成

⑹遗传信息的存储和传递者—— 核酸 核酸的化学结构

核酸的分类
核酸分为:
脱氧核糖核酸:(Deoxyribonucleic acid DNA) DNA含G(鸟嘌呤)、A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)、 T(胸腺嘧啶)四种碱基和脱氧核糖. 核糖核酸(Ribonucleic acid RNA): RNA含G (鸟 嘌呤) 、A (腺嘌呤) 、C (胞嘧啶) 、U(尿嘧啶)四 种碱基和核糖.

DNA的碱基组成

A+G=C+T、G=C、A=T 同种生物的不同组织的碱基组成相同,不
同生物的同种组织的碱基组成不同

年龄、营养、环境不影响碱基组成

DNA一级结构

一种十分稳固的结构——DNA双螺旋

1953年,Watson 提出的DNA双 螺旋结构

DNA双螺旋模型的意义
能够有效地解释遗传信息的储存、传送和自
我复制 提出了遗传信息的流动过程: 复制DNA → 转录RNA → 翻译蛋白质

3细胞的基本形态结构与功能
3.1细胞的基本结构与功能
1.细胞膜和细胞壁 细胞膜最重要的特性之一是半透性或选择 性透性,既选择地允许物质通过扩散、渗透 和自动运输等方式出入细胞,从而保证细 胞正常代谢的进行。
植物细胞在细胞膜之外有细胞壁,细胞壁 的主要功能是支持和保护,同时还能防止 细胞吸水而破裂,保持细胞正常形态。

2.胞核的基本结构
⑴核被膜与核纤层:
核膜位于细胞核的最外层,是细细胞核与细胞质 之间的界膜.由于膜的特殊位置决定了它的两方 面的功能:一方面核被膜构成了核、质之间的天 然选择性屏障,它将细胞分成核与质两大结构与 功能区域,DNA复制、RNA转录与加工在核内 进行,蛋白质翻译则局限在细胞质中,这样就避 免彼此相互干扰,使细胞的生命活动更加有序井 然;另一方面,核膜并不是完全封闭的细胞核与 细胞质之间有频繁的物质交换与信息交流,这主 要是通过核膜上的核孔复合体进行的。

⑵染色质: 染色质是细胞周期细胞核内能被碱性染料 染色的物质,主要由DNA、组蛋白、非组 蛋白及少量RNA组成的线形复合结构,是 细胞周期细胞遗传物质的存在形式。染色 体是细胞在有丝分裂和减数分裂过程中由 染色质聚缩而成的是染色质的高级结构。 DNA是生物遗传信息的一级载体,一种生 物储存在单倍体染色体组中的总遗传信息 称该生物的基因组.

组蛋白是真核生物染色质和染色体的基本 结构蛋白,是一套碱基蛋白质,带正电荷。 组蛋白有5种类型:H1、H2A、H2B、H3 和H4。5种组蛋白在功能上分为两组:一组 是核小体组蛋白,包括H2A、H2B、H3和 H4; H1属于另一组组蛋白,它不参与核小 体的组建,在构成核小体时起连接作用。 核小体是染色质和染色体的基本结构单位, 由DNA和组蛋白构成 非组蛋白是与特异DNA序列结合的蛋白, 所以又称特异DNA序列结合蛋白,含有较 多的酸性氨基酸。非组蛋白是一类特异的 转录调控因子,参与基因表达调控

⑶核仁:核仁的功能有:
①rRNA的合成:核仁的主要功能是进行rRNA的合 成,并且是由专一的RNA聚合酶Ⅰ负责转录; ②rRNA的前体的加工:每个rRNA基因转录单位由 RNA聚合酶Ⅰ转录产生相同的初始转录产物 rRNA前体,负责rRNA的前体加工的酶是RNA酶 (RNase); ③参与核糖体大小亚基的装配: ④控制蛋白质合成的速度:由于核糖体是蛋白质合 成的工厂,核糖体装配的速度直接影响蛋白质的 合成,所以核仁通过控制核糖体装配达到 控制蛋白质合成。

3细胞质和细胞器
⑴内质网: 光面内质网(sER)的功能包括:脂质的合成 与转运;类固醇激素的合成;解毒作用; 离子调节作用。 糙面内质网(rER)的功能包括:参与蛋白质 的合成;蛋白质的运输;蛋白质的修饰与 加工;新生肽的折叠与组装。

内质网

光面内质网

糙面内质网

⑵高尔基体
高尔基体功能:
蛋白质修饰与加工(糖基化等) 蛋白质的分选 蛋白质和脂质的运输 蛋白质分泌等

成熟面

分泌小泡 形成面

空腔

⑶线粒体——能量转换器: 线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成 ATP的主要场所。
形态结构

线粒体的形态结构
嵴 基质 膜间隙

外膜

内膜

线粒体的主要功能:
线粒体是细胞进行氧化呼吸,产生能量的地方, 在线粒体中进行的代谢途径主要有: 三羧酸循环 氧化磷酸化 参与脂肪酸代谢

⑷叶绿体--能量 转换器
叶绿体基本结构
基粒 类囊体 内膜 外膜

⑸溶酶体
? 溶酶体(lysome) 是胞质中一类包着多种水解 酶的小泡.

溶酶体的功能:
溶酶体的标志酶是酸性水解酶 消化细胞内吞的食物,为细胞提供营养 清除衰老的细胞器 防御功能 例如:1.两栖类发育过程中蝌蚪尾巴的退 2. 哺乳动物断奶后乳腺的退化性的变化等

⑹细胞骨架系统

?胞质骨架 微丝 微管中间 纤维

?核骨架 核纤层 核基质

①微丝: 微丝是指真核细胞中由肌动蛋白单体组成的骨架 纤维.

微丝的功能
肌肉收缩 微绒毛 应力纤维 胞质环流和阿米巴运动 胞质分裂环

②微管: 双管

微管蛋白二聚体 原纤维 微管壁 长管状微管

三连管

二连管

三连管

(菌毛和鞭毛) (中心体和基体)

微管的功能:
维持细胞形态
与胞内运输有关 与鞭毛运动与菌毛运动有关 与纺锤体和染色体运动有关 基粒与中心体的结构单位

③中间纤维
中间纤维的类型
角蛋白纤维 N末端 波形纤维 结蛋白纤维 神经元纤维 神经胶质纤维

C末端

中间纤维

④细胞核骨架: 非活性基因

活性基因
复制起点 残留核仁

核骨架纤维
核纤层

DNA环状 结构域

3.2 生物膜---流动镶嵌模型

膜蛋白分布不对称

跨膜 蛋白 膜表面 蛋白

脂质双层

镶嵌蛋白

1.脂双层

脂双层的脂质包括:磷脂、胆固醇和糖脂。 磷脂是脂双层的基本成分,在水溶液中,磷脂分 子能自发地迅速形成脂双层。磷脂分子可以进行 侧向运动、旋转运动、脂肪酸链的摆动及翻转运 动等运动形式。 胆固醇:在哺乳动物细胞中,与磷脂分子一样多。 胆固醇分子也是极性分子,在脂双层中它的极性 顶端(—OH)靠近磷脂的极性端,类胆固醇环 与磷脂亲水顶端以下的碳氢链相互作用,可调节 膜的流动性,这对膜行使其功能是必需的。

2.膜蛋白
膜蛋白可分为二类:内在蛋白和外在蛋白. 内在蛋白又称跨膜蛋白、镶嵌蛋白,部分或全 部镶嵌在细胞膜中或内外两侧,以其疏水的部分 直接与磷脂的疏水部分非共价结合的,它们大多 是两端都是具有极性。 外在蛋白不与磷脂分子的疏水部分直接结合,它 们只是以非共价结合在内在蛋白的外端上,或结 合在磷脂分子的亲水头上。

膜蛋白的功能是多方面的,有些膜蛋白可 作为载体而将物质转运进出细胞,有些膜 蛋白是激素的专一受体,如甲状腺细胞上 有接受来自脑垂体的促甲状腺素的受体。 膜表面还有各种酶,使专一的化学能在膜 上进行。 细胞的识别功能也决定与表面的表面抗原, 能与特异的抗体结合,如人细胞表面有一 种蛋白质抗原HLA(主要组织相容性复合 体),不同的人有不同的HLA分子,器官 移植使,被植入的器官常被排斥,这就是 因为植入细胞的HLA分子不为受体接受.

3.糖和糖萼
细胞膜表面的糖,部分以共价键与膜蛋白结合而 成糖蛋白,少部分与脂质结合而成糖脂。它们与 细胞识别功能有关。美国科学家发明了一种新方 法,能使不同血型的人相互输血,因各种血型的 区别主要在于糖分子的含量不同,科学家借助一 些酶使血细胞中的多余糖分子“冲淡”,从而使 不同血型的血液对任何人都能通用(已制造出这 种处理样机),其经济效益显著,每年可使美国 节省20~30亿美元。 寡糖链和蛋白质共同构成细胞表面的一层糖萼或 糖被,与细胞识别有关。

3.3物质的跨膜转运
新陈代谢是细胞生命活动的主要特征,细胞 必须不断地从周围环境,既细胞外液进行物 质和能量的交换,才能维持细胞的正常生命 活动.因此,细胞膜具有选择性地进行物质跨 膜转运,调节细胞内外物质和离子及渗透压 平衡的功能.运输的方式有单纯扩散、易化 扩散、主动转运、胞吞作用和胞吐作用。

1.单纯扩散和易化扩散
物质顺着浓度梯度由高浓度向低浓度运动, 运动的动力来自浓度差,因而不需要细胞提 供能量,这种运输相对于细胞来说是被动的, 主要特点是顺浓度梯度,不需要消耗ATP,细 胞膜仅起被动屏障作用. (1) 单纯扩散:它不要膜蛋白的帮助,也不消 耗能量,而只靠膜两侧保持一定浓度差,通过 通透发生的物质运输.

(2)、易化扩散:是指非脂溶性物质或亲水性物质 借助细胞膜上的膜蛋白的帮助顺浓度梯度,不消 耗ATP进入膜内的一种运输方式,膜蛋白起的作 用是加快运输.参与物质运输的膜蛋白称为运输 蛋白,它们是跨膜蛋白,功能是参与被动或主动的 物质转运,可分为:①通道蛋白:形成水性通道的蛋 白质,能使大小适宜的分子或带电荷的溶液通过 简单的单纯扩散运动,从膜的一侧到另一侧. ②载体蛋白:能与特定的分子,如糖、氨基酸、金 属离子结合,穿过膜。载体蛋白具有高度特异性, 只能与某一种物质进行暂时性,可逆的结合和分 离。

2.主动转运
主动转运的特点: ①逆浓度梯度运输;②需要能量;③都有载 体蛋白. 主动转运所需的能量来源主要有: ①协同运输中的离子梯度动力;②ATP驱 动的泵通过水解ATP 获得能量;③光驱 动的泵利用光能运输物质,见于细菌.

Na+--K+泵:实际上是一种Na+--K+ ATP酶,是跨膜 蛋白.其工作原理是:在膜内, Na+、Mg2+ 与酶结合, 激活了ATP酶的活性,使ATP分解,高能磷酸根 与酶结合,引起酶构象发生变化,于是与Na+结 合的部位转向膜外侧,这种磷酸化的酶对Na+的 亲和力低,对K+ 的亲和力高,因而在膜外侧释 放Na+,而与K+ 结合。 K+ 与磷酸化酶结合后, 促使酶磷酸化,磷酸根很快解离,酶的构象又恢 复原状,于是K+ 的结合部又转向膜内侧,这种 去磷酸化的构象与Na+的亲和力高,与K+ 的亲和 力低,使K+ 在膜内被释放,而又与Na+结合,每 水解一个ATP,运出3个Na+,运进2个K+ 。

Na+--K+泵的作用: ①维持细胞的渗透性,保持细胞的体积; ②维持低Na+ 高K+的细胞内环境; ③维持细胞的静息电位。

3.胞吞作用与胞吐作用

胞饮作用

3.4细胞连接
在细胞紧密靠拢的组织如上皮组织中,细胞膜在 相邻细胞之间形成特定的连接,称细胞连接. 1.桥粒:上皮细胞,特别是皮肤、子宫颈等处上皮 细胞之间有一种非常牢固的连接,在电镜下成纽 扣状的斑块结构,即是桥粒。

小肠
质膜

相邻小肠 细胞 桥粒

2.紧密连接:2个相邻细胞之间的细胞膜紧 密靠拢,两膜之间不留空隙,使胞外物质 不能通过,即紧密连接。紧密连接有两个 作用:①防止物质双向渗漏,②限制了膜 蛋白在脂分子层的流动,维持细胞的极性。 紧密连接能够阻止细胞外液中的物质从细 胞层的一侧流向另一侧,这种作用对膀胱 一类器官特别重要,在膀胱中必须严格防止尿
液回流到组织。

膀胱

相邻膀 胱细胞

紧密连接

质膜

间隙连接

肝脏

相邻肝 细胞

通道连接
质膜

间隙连接:两细胞之间有很窄的间隙,贯 穿与间隙之间有一系列通道,使两细胞的 细胞质相通。除连接外,还可介导细胞之 间电和化学信号的传递。 胞间连丝:相邻的植物活细胞之间穿过细 腻壁的原生质通道,即连接两个原生质体 的连接物。是植物细胞之间物质运输和传 递刺激的重要渠道。胞间连丝的功能有物 质运输、传递刺激、控制分化。

4.细胞代谢
4.1 能与细胞

1.能是作功的本领 能的定义就是作功的本领,作功就是指让物体移 动位置。这种移动不会自发进行,例如,在平坦 大路上的一块石头,不推它就不会动,推动它就 是作功。生物体内作的功种类很多,物质的流动, 肌肉的收缩,生物体各部分乃至整个生物体的运 动,细胞中各式各样物质的合成,都是需要能量 的。没有能,生物就不可能存活。

能量可以分为动能(kinetic energy)和势能 (potential energy)两种形式。超速飞行的飞 机能将高耸入云的摩天大楼撞毁,就是动 能在作功。我们的两腿上下运动可以使自 行车奔驰,鸟的双翅扇动可以飞翔,也都 是利用动能作功。热、电和光也都是动能。 热是物体内部分子运动的能量,电是电子 运动的能量,光是光子运动的能量,都是 动能。

势能是物体由于所在位置或本身的排列而具有的 能量。古代打仗时放在城墙上的滚木雷石,水库 中蓄积在大坝后面的水都没有运动,但由于其所 在位置的高度而具有能量,这种能量就是势能, 在某些情况下也称为位能。绷紧的弹簧、张开的 弓都有势能。原子中带负电荷的电子具有势能, 因为它存在于电子层中,与带正电荷的原子核有 一定距离。活细胞中的分子,由于其中原子的排 列而具有势能。这种势能就是活细胞中作各种功 的化学能(chemicd energy)。

4· 1· 3 吸能反应和放能反应
吸能反应是指反应产物分子中的势能比反应物分 子中的势能多。发生这种反应时,周围环境中的 能量被吸收,贮藏在产物分子中。所吸收能量的 多少等于产物与反应物之间势能之差. 光合作用是生物界最重要的吸能反应。光合作用 是植物细胞利用含能较少的反应物(二氧化碳和水 合成含能较多的产物(糖)的过程。能量来源是太 阳光。

放能反应与吸能反应相反,其产物分子中的化学 能少于反应物分子中的化学能,在反应过程中向 周围环境释放能量。所释放能量的多少等于反应 物分子中与产物分子中势能之差。 我们日常生活中遇到的木材的燃烧就是一个放 能反应。木材的主要成分是纤维素,一种多糖, 是含能量很多的分子。燃烧是一个氧化过程,空 气中的氧气把多糖氧化,产生二氧化碳和水。这 个过程和光合作用恰好相反。反应过程中反应物 分子中的势能变成光和热,散发到周围环境中去。

在每一个细胞内部都发生这种类似的作用, 称为细胞呼吸(cellular respiration)。细胞呼 吸与燃烧作用都是空气中的氧将糖氧化, 但二者有极为显著的不同。燃烧作用是在 高温下一步完成的,而细胞呼吸却是在常 温下分多步发生的。燃烧时释放的能量全 部变成了光和热,细胞呼吸虽然也产生热, 但相当一部分能量却贮藏在ATP分子中, 供细胞的各种活动所需,ATP是细胞最容 易利用的能源。

每一个活细胞中都要发生千万种放能反应和吸能 反应,.所有这些反应总称为细胞代谢。试以萤 火虫为例,萤火虫要发光,这是放能反应,是反 应物分子转变为含能较少的产物分子时所释放出 来的能量。此外,萤火虫和所有的动物一样,要 觅食、进食和消化食物,要逃避捕食者的追逐, 要修补身体的损伤,要生长,要生殖。所有这些 都与吸能反应有关,也就是都需要能量。能量的 唯一来源就是食物中的糖分子,细胞呼吸中的放 能反应将糖分子中的势能释放出来。然后细胞再 利用这些势能进行吸能反应,合成所需要的特定 的分子。

4.1.4 ATP是细胞中的能量通货
ATP发生水解时,形成ADP并释放一个磷酸根, 同时释放能量。这些能量在细胞中就会被利用, 肌肉收缩产生的运动,神经细胞的活动,生物体 内的其他一活动利用的都是ATP水解时产生的能 量。 细胞如何利用这种能量呢?办法是将ATP水解这 一放能反应与另一吸能反应耦联起来。例如, ATP可将蛋白质磷酸化,磷酸化的蛋白质就改变 了形状,能够作功了。作功后的蛋白质又失去了 磷酸根,恢复原状。肌肉细胞收缩过程中发生的 就是这种变化(图4.2)。

4.2 酶 1.酶的概念: 酶是生物活体细胞产生,以蛋白质为主要成分, 具催化功能的一类生物催化剂. 2.酶的作用特点: 只催化热力学允许的反应;
只加快反应速度,不改变反应平衡点;

对正逆反应催化作用相同;
降低反应活化能;

3.酶的催化特点:
反应条件温和;
多样;

高效;

专一;

受多因素影响.

4.酶的作用机制:



底物

酶-底物复合物

酶+产物

5.酶的生理意义:
⑴生物体内绝大多数反应都在酶的作用下进行; ⑵各种反应的综合就是生命.

4.3 细胞呼吸
1.细胞呼吸引论
通常我们说人要进行呼吸作用,是指从周围空气 中吸入氧气,又向其中呼出二氧化碳,是一种气 体交换。细胞呼吸(cellular respiration)是指细胞 在有氧条件下从食物分子(主要是葡萄糖)中取得 能量的过程。

细胞呼吸与气体交换是密切相关的两个过程。以 人为例,气体交换发生在肺中,氧气进入肺再进 入血流,通过动脉和毛细血管进入每个细胞。在 每一个细胞中发生着细胞呼吸,将葡萄糖氧化产 生二氧化碳。二氧化碳又通过毛细血管和静脉进 入肺中,并被呼出体外。 细胞呼吸必须有氧参加,没有氧就不能把糖分子 氧化成二氧化碳和水,如下列方程式所示: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 能量 葡萄糖

任何生物体的每一个细胞,无时无刻都需要源源 不断的能量供应,才能维持生命。例如,人体内 心脏的跳动、肺部的呼吸、体温的保持、食物的 消化等等,都需要能量。一般情况下,为维持基 本生命活动所需的能量约占一个人每天所进膳食 中能量的75%。所以,人体的细胞总是在不停地 进行呼吸,不管是熟睡时还是剧烈运动时都是如 此,都在不停地合成ATP。 当葡萄糖分子被氧化时,其中的碳形成了C02: 氢形成了水,实际上就是葡萄糖分子失去了氢而 氧分子获得了氢。

2.糖酵解 ⑴糖的来源:绿色植物和光合微生物的光合作 用和动物体内糖异生. ⑵EMP(糖酵解)途径: ①EMP途径的概念
酵母等微生物生醇发酵,丙酮酸由丙酮酸脱羧酶 催化,生成乙醛,在乙醇脱氢酶催化下,生成乙 醇; 动物和人体不含丙酮酸脱羧酶,丙酮酸由乳酸脱 氢酶催化,生成乳酸。

②EMP(糖酵解)途径:
ATP ADP
葡萄糖
E?

ATP

ADP
E?

6-磷酸葡萄糖 E?
E?

6-磷酸果糖
NAD NADH

1,6-二磷酸果糖

3-磷酸甘油醛
Pi

E?

1,3-二磷酸甘油酸

E?

磷酸二羟基丙酮 ATP ADP
E? H2O E?

3-磷酸甘油酸

2-磷酸甘油酸

E?

烯醇式丙酮酸

ATP ADP
E?

丙酮酸

丙酮酸脱羧脱氢生成乙酰CoA

3.柠檬酸循环
草酰 乙酸 ↗ 苹果 酸 ↑ 延胡 索酸 2ATP ↖ 琥珀 酸 3ATP

乙酰CoA ← 丙酮酸 →



柠檬 酸



异柠 檬酸 3ATP ↘

定义:在有氧条件下,酵解产物 丙酮酸被氧化分解成CO2和H2O, 并以ATP形式贮备大量能量的代 谢系统。 1ATP
3ATP
α-酮 戊二酸


草酰 琥珀酸

CO2 ↙



琥珀酰 ↙ CO2 CoA

柠檬酸循环的意义 提供能量,一分子葡萄糖经EMP和TCAc彻底氧化成 H2O、CO2,可生成38个ATP. 糖酵解

2NADH







为其他物质的合成 提供C骨架; 沟通脂质、蛋白质等有机物代谢.
?

糖代谢紊乱引发的病症
糖原病: 糖原分解合成 酶的欠缺引起
低血糖症: 胰岛素分泌或 应用过量 高血糖症及糖尿病 血糖的来源和去路 间失去动态平衡 欠缺G-6-P 酶时表现 为肝大,瘦,重低血糖等

当血糖浓度低于45mg%时, 会出现惊厥和昏迷,称 “低血糖休克”
血糖浓度高于120mg%时 称为高血糖。血糖含量超 过肾糖阈值(160~180mg% )时,会出现糖尿

5. 发酵作用
酵母菌在无氧条件下只能进行糖酵解,糖酵解除 产生2个ATP外,还将NAD+还原成NADH。但是 细胞中NAD+的含量有限,酵母菌必须将NADH 再氧化为NAD+,才能使糖酵解继续进行下去。 酵母菌利用丙酮酸氧化NADH,这时丙酮酸转变 为CO2和乙醇(酒精)。这种过程称为乙醇发酵。 另一种发酵作用为乳酸发酵,这时发酵产物不是 乙醇而是乳酸。乳酸发酵中ATP的产量和糖酵解 中一样,所形成的乳酸仍为三碳化合物,和丙酮 酸一样。

4.4光合作用
光合作用 绿色植物和 光合细菌摄取太阳光, 使二氧化碳固定成为有 机物. 光合作用是一切生命得 以生存的基础.

1.光反应
光合色素吸收、 传递光能,并将光能转化成化 学能,形成ATP的过程. (1) 原初反应 (2) 电子传递 (3) 光合磷酸化

2.暗反应
利用光反应产生的ATP ,使CO2还原 并合成糖,分为三步: (1) CO2的固定 (2) 还原反应 (3) 二磷酸核酮糖的再生

光合作用的暗反应

CO2 二磷酸 核酮糖

中间物 磷酸甘油酸

磷酸甘 油醛 葡萄糖等

5 细胞的分裂和分化
细胞分裂是生命的重要特征,细胞通过分 裂进行增殖,对单细胞生物来说,则是繁 衍种族的生命现象。而多细胞生物则依赖 它来完成个体发育。细胞分裂是细胞分化、 组织与器官和系统形成的基础。

5.1细胞分裂和细胞周期
细胞周期是指亲代细胞分裂完成到子代细胞分裂结 束所经历的一个完整细胞世代.细胞周期与个体 发育、细胞分化、生长、再生、创伤修复、细胞 衰老、肿瘤发生和治疗等均有密切关系。完整的 细胞周期包括有丝分裂期和分裂间期两个阶段。 分裂间期又包括:G1期—DNA合成前期,S 期——DNA合成期, G2期—DNA合成后期, G0期—临时离开细胞周期不再分裂的细胞,在 某些条件下,可重新进行分裂。

细胞周期的研究,对医学有重要作用,为肿瘤化 疗提供理论基础。例如对白血病的治疗取得明显 效果,化疗的中心问题是如何消灭癌的G0期细 胞,因为G0期细胞对药物杀伤最不敏感,往往 成为复发的根源。在临床上常用先给周期非特异 性药物大量杀伤癌细胞,从而诱发大量的G0期 细胞进入周期,然后再用周期特异性药物,经多 次进行以达到最大程度地杀伤癌细胞。过去急性 白血病人一般生存几十天到一年,现通过治疗达 到20年缓解者已不乏其人。当然白血病最好的治 疗方法是移植造血干细胞。

5.1.1有丝分裂(M期)
有丝分裂又称核分裂或间接分裂,是在细胞 周期的分裂期(M期)进行的分裂活动.在这个 时期,通过纺锤丝的形成和运动,把在S期已 经复制好的DNA平均分配到两个子细胞,使 每个子细胞都得到一组与母细胞相同的遗 传物质.

1.前期

2.前中期

3.中期

4.后期

5.1.4染色体

1.染色体的一般形态在细胞周期分裂前期, 染色质凝缩成长短、形态不同的染色体。 染色体复制后,含有纵向并列的2条染色体, 称姐妹染色单体,只有在着丝粒的地方联 在一起。

着丝粒处表现为一个缢痕,根据着丝粒在 染色体上的位置不同,可将染色体分成4种 形态:①着丝粒位于染色体中央,两臂等 长,称等臂染色体;②着丝粒位于染色体 靠近中央的部分,有一个稍长和一个稍短 的臂,称近中着丝粒染色体; ③着丝粒位 于染色体一端的附近,两臂长度差异显著, 称近端着丝粒染色体; ④着丝粒位于染色 体的末端,称端着丝粒染色体。

2.性染色体和常染色体

性染色体是决定性别的染色体。人有23对 染色体,其中22对男女都一样,称为常染 色体,另一对男女不同,称性染色体。女 性的一对性染色体,形态相同,可用X代表; 男性的一对性染色体中,有一条和女性的 性染色体一样,是X染色体,另一条不同, 称Y染色体。XX是女性,YY是男性。

3.染色体数目(略) 4.染色体组型(略) 5.染色体带型:用吉母萨染料染色,染色体上出 现的横带,称G带.将染色体用热碱溶液处理, 再用吉母萨染料染色,染色体上就出现另一 套横带,称R带. G带和R带不重叠,显示G带 的方法不能显示R带,反之亦然.吉母萨染色 显示的G带富含A-T核苷酸的片段,热碱溶液 处理后,吉母萨染色显示富含G-C序列的R带

5.2细胞分化

多细胞生物是由多种类型的分化细胞组成的, 发育的过程同时也是不断进行细胞分化的 过程,生物结构越复杂,它的分化细胞的种类 就越多.基因组测序表明人类共有3~4万个 蛋白编码基因,组成人体的细胞类型为250 余种.细胞分化现象最主要的是发生在发育 过程中,细胞分化是发育实现的基础.

多细胞生物细胞分化的实现有3个重要 的条件:①携带有丰富的遗传信息以及 它们具有复杂的表达调控机制是细胞 分化建立的前题;②细胞间的复杂信号 系统的存在及由此引导的细胞间的相 互作用是多细胞生物细胞分化得以实 施的重要条件;③细胞间质是细胞分化 的依托并为之提供了必要的微环境.

5.2.1管家基因与组织特异性基因
分子生物学研究表明,细胞分化是通过严格、精 密调控遗传信息的发达来实现的,而基因组是这 一信息的重要的载体.基因组中的基因可分为2类: ①一类是管家基因,是维持细胞所必需的,在各类 分化细胞中普遍处于活动状态的基因,如编码组 蛋白基因、②编码核糖体蛋白基因、线粒体蛋白 基因等。另一类是组织特异性基因:这类基因与 各类细胞的特殊性有直接的关系,是在各种组织 中进行不同的选择性表达的基因,如肌肉细胞的 肌动蛋白基因和肌球蛋白基因、红细胞的血红蛋 白基因等。

5.2.2基因调控的作用
基因调控有两方面的作用: 1、维持细胞的生理功能:包括新陈代谢、生长、 发育和生殖等,基因调控就是保证这些功能正常 进行,主要是管家基因的作用。 2、导致细胞分化:不同分化细胞在形态、结构和 功能上都是不同的,但是所含的遗传物质又是相 同的。形态、结构和功能上的差异基因选择性表 达的结果,主要是组织特异性基因经调控后差异 表达的结果。基因差异表达可以在多层次水平上 受到调控,包括染色体活化、DNA序列重组、基 因的转录、mRNA的加工与翻译,以及肽链的修 饰、加工等环节。

5.2.3影响细胞分化的因素

信号分子可分为二类:一类为激素信号分子: 研究证明两栖动物变态诱导的关键成分是甲状腺 素,它由甲状腺分泌.两栖动物的变态是一个十分 复杂的形态和生理改造和再生的过程,它不仅涉 及多种不同类型细胞的分化(肌肉、神经、皮肤 等),包括多种器官结构的发育(肺、肢体)或 退变(如尾),还发生着代谢类型的深刻改造 (如血红蛋白与氧结合能力的提高,代谢废物由 氨转为尿素)。昆虫变态过程受2种激素的调控, 即20-羟基蜕皮激素和保龄激素,前者促进幼虫 变态,而后者抑制变态。

另一类信号分子称旁泌素,又称细胞生长分化因 子,由诱导细胞产生,并通过扩散的方式到达邻 近的靶细胞只作用于周围细胞。旁泌素可归纳为 5大家族,即纤维细胞生长因子家族:Hedgehog 家族,Wnt家族,TGT-β 超家族,和Juxtacrine 信号。其中纤维细胞生长因子家族中有9个成员, 在发育中有着重要和广泛的功能。例如,FGF-2 与循环系统的发生有密切关系;fgf3基因的失效 会导致小鼠体节形成的混乱和不正常的椎骨发育; fgf4基因的缺损会使小鼠因早期胚胎内层细胞生 长而终止发育;FGF8在中脑的发育中发挥重要 作用; FGF3的受体突变使软骨细胞分裂受阻, 造成人类骨骼发育的异常,如致死性侏儒症状。

5.2.4干细胞与细胞全能性
细胞全能性是指细胞经分裂和分化,能发育 成完整机体的潜能或特性. 干细胞是具有自我更新、高度增殖和多向 分化潜能的细胞群体,即这些细胞可以通 过细胞分裂维持自我细胞群的大小,同时 又可以进一步分化成为各种不同的组织细 胞,从而构成机体各种复杂的组织器官。

1、根据发生学来源分类(1)胚胎干细胞:指由 胚胎内细胞团或原始生殖细胞经体外抑制培养而 筛选出的细胞。胚胎干细胞具有发育全能性,可 以诱导分化为机体中所有种类的细胞。(2)成 体干细胞:指存在于一种已经分化组织中的未分 化细胞,这种细胞能够自我更新并且能够特化形 成组成该类组织的细胞,存在于机体的各种器官 中,目前发现的成体干细胞有:造血干细胞、骨 髓间充质干细胞、神经干细胞等。成体干细胞在 修复、取代受损的细胞、组织甚至是器官方面发 挥重要作用。

2、根据分化潜能分类(1)全能干细胞:具有自 我更新和分化形成任何类型细胞的能力,有形成 完整个体的分化潜能,如胚胎能干细胞,具有与 早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力, 可以无限增殖并分化为全身200多种细胞类型, 进一步形成机体的所有组织、器官。(2)多能 能干细胞:具有产生多种类型细胞的能力,但失 去了发育成完整个体的能力,发育潜能受到一定 的限制,如造血干细胞可分化出至少12种血细胞。 (3)单能干细胞:只能向单一方向分化,产生 一种类型的细胞,如肌肉中的成肌细胞,使肌肉 组织处于一种稳定的自我更新的状态。

5.3细胞衰老与细胞凋亡
5.3.1细胞衰老
细胞衰老是指细胞经过有限次数的分裂后进入不可逆转 的增殖抑制状态,其结构与功能发生衰老性的改变. 细胞 衰老的机制有: (1)端粒与细胞衰老:端粒DNA是由一种特殊的酶——端 粒酶合成的。当DNA复制时,由于DNA聚合酶只能由5’ →3’方向进行复制,且必须要RNA引物,这样DNA每复 制一次,则其5’端的端粒便会缩短一截,从而提出关于 细胞衰老的“有丝分裂钟"假说,很多实验支持这一假 说。但是另一些实验表明端粒的缩短虽然可导致细胞复 制性衰老,但细胞衰老不仅仅是端粒缩短的结果.

(2)氧化性损伤与细胞衰老(自由基学说):在细 胞利用氧分子,获得能量的同时,也有约2 %-3%的氧分子转化成过氧化氢(H202)和羟 自由基(.OH)。这些活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)对细胞中的DNA、 RNA和蛋白质等均会造成较大的损伤。虽 然细胞内存在抗氧化的防御机制,但不可 能在任何生理状态下都能完全有效地清除 活性氧自由基的损伤。氧化损伤的积累造 成细胞乃至机体的衰老。

5.3.2 细胞凋亡
发生凋亡的细胞在正常发育过程中是多余的细胞、无用 的细胞、或发育不正常的细胞、有害细胞,或已完成使 命衰老的细胞,机体通过细胞凋亡以维持器官、组织的 细胞数目相对平衡,保证个体正常发育与生长。 细胞死亡有两种形式(1)细胞凋亡:有两个特点:一 是在形态上出现了细胞质收缩,染色质固缩,凝固在核 膜的周边,伴随着染色质的降解,以出芽方式形成凋亡 小体。凋亡小体是指细胞膜内陷将细胞分割成多个细胞 包被的内涵物不外溢的小体,它可被吞噬细胞和邻近细 胞识别、吞噬,不引起炎症。二是核酸内切酶激活,染 色质在H1处被切割成不同倍数的200个bp的片段,在琼 脂糖电泳板上呈现梯状DNA条带图谱。

2.细胞坏死是指细胞受到严重的物理、化学因素 刺激或严重的病理刺激,所造成的细胞损伤或死 亡。在这个过程中溶酶体等细胞器发生破裂,细 胞内容物向外释放,引起炎症反应。 有关细胞凋亡的基因可分为正调控基因和负调控 基因两类:死亡基因属于正调控基因,生存基因 属于负调控基因。(1)死亡基因是促进细胞凋 亡的,如ICE、CED-3、CDE-4基因。 ICE基因 家族是 高等动物死亡基因, ICE基因过量表达 可引起不该凋亡的细胞凋亡, CED-3、CDE-4 基因是在线虫中发现的死亡基因。

(2 )生存基因:包括BCL-2基因家族、 CED-9基因。它们上维持细胞生存, 而不是促使细胞数目增加的, BCL-2 基因最初是在滤泡性B细胞淋巴瘤中得 到鉴定,其基因产物具有抑制淋巴细 胞凋亡的作用; CED-9基因是线虫的 生存基因,其失活时,线虫大部分细 胞在发育中就会死亡。


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