分子与细胞

专题一 细胞的分子组成

概述

组成细胞的元素

• 主要元素：C、H、O、N、P、S 等；
• 核心元素：C（构成有机物的碳骨架）；
• 含量最多的元素：O（占细胞鲜重）；
• 大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg 等；
• 微量元素：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo 等，含量极少但不可缺少。

组成细胞的元素在无机自然界中都能找到，没有一种是细胞特有的，说明生物界与非生物界具有 统一性；而元素的种类、含量与无机界又有明显差异，说明二者具有 差异性。

构成细胞的化合物

• 无机化合物：水、无机盐；
• 有机化合物：糖类、脂质、蛋白质、核酸。

含量最多的化合物是 水，含量最多的有机物是 蛋白质（鲜重）。

无机物

水

存在形式

• 结合水：与细胞内其它物质结合，是细胞结构的重要组成成分；
• 自由水：占大多数，以游离形式存在，可以自由流动。

自由水与结合水的比值反映代谢强弱：比值高，代谢旺盛；比值低，代谢缓慢、抗逆性强。休眠的种子、越冬的植物结合水比例高，因而抗旱、抗寒。

生理功能

• 良好的溶剂，运送营养物质和代谢废物；
• 水分子之间的氢键使水具有调节温度的作用；
• 参与细胞内某些代谢的反应（反应物或产物）。

无机盐

• 多数以 离子形式 存在；
• 作用：
  • 维持生物体的生命活动（如哺乳动物血液中 $\text{Ca}^{2+}$ 含量过低会抽搐）；
  • 维持细胞的酸碱平衡；
  • 维持细胞的渗透压；
  • 是某些复杂化合物的重要组成成分（如 $\text{Fe}^{2+}$ 是血红蛋白的重要组成成分，$\text{Mg}^{2+}$ 是叶绿素的必要成分）。

微量元素含量虽少，却不可替代，缺乏会引起特定病症（如缺 Fe 贫血、缺 Mg 叶片失绿）。植物根毛吸收矿质离子是主动运输，需呼吸作用供能；一次施肥过多，土壤溶液浓度高于根毛细胞，根毛反而失水，即「烧苗」。

有机物

糖类

• 是细胞主要的能源物质；
• 由 C、H、O 三种元素组成；
• 分类依据：能否水解和水解后的产物。

类别	能否水解	举例
单糖	不能	葡萄糖（重要能源）、果糖、半乳糖（六碳糖）；核糖、脱氧核糖（五碳糖，构成核酸）
二糖	能	蔗糖、麦芽糖（植物）；乳糖（动物）
多糖	能	淀粉、纤维素（植物）；糖元（动物）

动植物细胞内共有的糖是葡萄糖、核糖和脱氧核糖。纤维素是构成植物细胞壁的成分，人体缺乏纤维素酶，不能消化纤维素。

能源物质系列

• 主要能源物质：糖类；
• 重要储能物质：油脂；
• 动物细胞特有的储能物质：糖元；
• 植物细胞特有的储能物质：淀粉；
• 直接能源物质：ATP（A—P～P～P）；
• 最终能量来源：太阳能。

脂质

• 主要由 C、H、O 构成，有些含 N、P；
• 分类：
  • 油脂（C、H、O）；
  • 磷脂（C、H、O、N、P）：构成细胞膜等膜结构的重要成分；
  • 固醇类（胆固醇、性激素、维生素 D）；
• 油脂由甘油和脂肪酸组成，其中 O 原子比例小，C、H 原子比例大，1 g 油脂完全氧化释放的能量约为糖类的两倍（约 39 kJ 对 17 kJ），是生物体重要的贮能物质。

磷脂 是两性分子：磷酸和含氮部分构成亲水的头部，脂肪酸链构成疏水的尾部，这一结构决定了它在膜中排成双分子层。

脂肪酸有饱和与不饱和之分。不饱和脂肪酸含碳碳双键，天然多为顺式，分子弯曲，常温呈液态（植物油）；氢化或加工产生的反式脂肪酸分子伸直，不利健康。

蛋白质的功能

• 结构作用：生物体和细胞的「建筑材料」；
• 催化作用：酶；
• 运输作用：血红蛋白运输氧气，细胞膜上的载体蛋白；
• 调节作用：胰岛素、生长激素；
• 免疫作用：免疫球蛋白（抗体）。

一切生命活动都离不开蛋白质，蛋白质是生命活动的主要承担者。

氨基酸与蛋白质的形成

• 蛋白质主要由 C、H、O、N 元素构成，有些含 S；
• 基本单位：氨基酸，约 20 种；
• 结构特点：每种氨基酸都至少含有一个氨基和一个羧基，并且都连结在同一个碳原子上（不同点在于 R 基不同）；
• 肽键：—NH—CO—，由氨基酸脱水缩合形成。

有关计算

• 脱水个数 $=$ 肽键个数 $=$ 氨基酸个数 $n$ $-$ 肽链数 $m$；
• 蛋白质分子量 $=$ 氨基酸分子量之和 $-$ 水的个数 $\times 18$（有时要考虑二硫键）。

氨基酸经脱水缩合形成多肽（在核糖体），再盘曲折叠形成一定的空间结构（在内质网），最终成为蛋白质。

蛋白质结构与功能的多样性

• 结构层次：氨基酸经脱水缩合成 多肽链，多肽链盘曲折叠形成特定的 空间结构；
• 多样性原因：氨基酸的种类、数目、排列顺序不同，肽链条数及蛋白质的空间结构不同；
• 蛋白质正确的空间结构是其表现特有生物学活性所必需的；
• 热变性：高温破坏了蛋白质的空间结构，使其丧失活性，且不可逆。变性只破坏空间结构，不断裂肽键。

核酸的结构和功能

• 核酸由 C、H、O、N、P 五种元素构成；
• 基本单位：核苷酸；
• 核苷酸由一分子磷酸、一分子五碳糖（脱氧核糖或核糖）、一分子含氮碱基构成，碱基共 5 种：A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）、U（尿嘧啶）；
• 功能：携带遗传信息，在遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有重要作用。

种类	英文缩写	基本组成单位	存在场所
脱氧核糖核酸	DNA	脱氧核苷酸（4 种）	主要在细胞核，叶绿体和线粒体中有少量
核糖核酸	RNA	核糖核苷酸（4 种）	主要在细胞质中

DNA 与 RNA 的区别：五碳糖不同（脱氧核糖对核糖），特有碱基不同（T 对 U），一般 DNA 为双链、RNA 为单链。

有机物的检测

检测对象	试剂	颜色变化	常用材料与注意
还原糖	本尼迪特试剂	红黄色沉淀	苹果、梨（白色或无色）；须用沸水浴加热
油脂	苏丹 III 染液	橙黄色	花生子叶或向日葵种子；切片要薄；50% 酒精洗去浮色；显微镜观察
蛋白质	双缩脲试剂（先加 A 液，再加 B 液）	紫色	鸡蛋清、黄豆组织样液、牛奶、豆浆
淀粉	碘—碘化钾溶液	变蓝	马铃薯

苏丹 III 使脂肪显橙黄色，苏丹 IV 使脂肪显红色。还原糖检测选材料要白色或浅色，以免掩盖砖红色；蔗糖是非还原糖，与本尼迪特试剂不显色。

专题二 细胞的结构

细胞学说

• 创立：施莱登、施旺创立，魏尔肖加以补充；
• 内容要点：所有的生物都是由一个或多个细胞组成的；细胞是所有生物的结构和功能的单位；所有的细胞必定由已存在的细胞产生；
• 意义：揭示了生物体结构的统一性。

魏尔肖提出「细胞通过分裂产生新细胞」，即「细胞来自细胞」，是对细胞学说的重要补充。

原核细胞与真核细胞

• 最主要的区别：原核细胞 没有由核膜包围的典型细胞核（只有拟核）；
• 常考真核生物：绿藻、衣藻、真菌（酵母菌、霉菌、蘑菇）及动、植物；
• 常考原核生物：蓝藻（蓝细菌）、放线菌、乳酸菌、硝化细菌、支原体；
• 病毒既不是真核也不是原核生物，没有细胞结构。

	原核细胞	真核细胞
细胞核	无核膜包被的细胞核（拟核）	有核膜包被的细胞核
大小	较小（2 – 8 μm）	较大（10 – 100 μm）
细胞壁	主要成分：肽聚糖	植物细胞壁主要成分：纤维素和果胶
细胞器	只有核糖体一种	有多种
代表生物	细菌、蓝藻、放线菌、衣原体、支原体	动物、植物、真菌
相同点	都有细胞膜、核糖体、遗传物质 DNA	同左

蓝藻虽含叶绿素和藻蓝素、能进行光合作用，但没有叶绿体，属于原核生物。

显微镜与细胞大小

• 高倍镜的使用步骤：低倍镜下找到物象 $\to$ 将物象移至视野中央 $\to$ 转动转换器换高倍镜 $\to$ 调节光圈和反光镜使亮度适宜 $\to$ 调节细准焦螺旋使物象清晰；
• 显微镜下所成的是倒立的虚像，物象移动方向与装片移动方向相反；
• 换高倍镜后视野变暗、看到的细胞数目变少、体积变大；
• 细胞不能无限长大：细胞体积越大，相对表面积越小，物质运输的效率越低；同时细胞核控制的范围有限，核质比也限制细胞增大。

细胞膜（质膜）

• 功能特性：选择透性；结构特性：一定的 流动性；
• 结构模型：流动镶嵌模型；
• 化学成分：磷脂和蛋白质，还有少量多糖（动物细胞膜还含一定量胆固醇）；
• 磷脂双分子层：头部亲水，尾部亲脂疏水，构成细胞膜的基本骨架；
• 蛋白质分子：覆盖在膜表面、嵌入或贯穿（内外不对称），是膜功能的主要承担者，蛋白质种类和数量越多，膜的功能越复杂；
• 多糖：主要与蛋白质结合成 糖蛋白，只存在于质膜外表面，有 细胞识别 作用。

膜的结构是不对称的：糖蛋白、糖脂上的糖链只分布在膜的外表面，构成糖被，是内外两侧的重要标志。胆固醇能调节膜的流动性，温度高时限制磷脂运动、温度低时增加柔韧性。膜的选择透性由膜上的转运蛋白决定，不同细胞表面糖蛋白不同，是细胞识别、免疫、信息交流的基础。

植物细胞壁成分是纤维素和果胶，作用是支持和保护，是全透性的，不具选择透性。

细胞器

• 线粒体：双层膜，内膜向内折叠形成嵴（扩大膜面积）；需氧呼吸的主要场所；细胞约 95% 的能量来自线粒体，是细胞的「动力车间」；内含少量 DNA、RNA，能半自主地增殖；
• 叶绿体：双层膜；基粒由类囊体（单个扁平膜囊）堆叠而成，类囊体膜上有色素；光合作用的场所；内含少量 DNA、RNA；
• 内质网：单层膜；蛋白质的加工与脂质（磷脂、胆固醇）合成的场所；分粗面、光面内质网，是细胞内的「加工厂」和膜面积最大的细胞器；
• 核糖体：无膜；蛋白质合成的场所；游离在细胞质中或附着在粗面内质网上；
• 高尔基体：单层膜；动物细胞中与分泌物形成有关（分泌蛋白的加工、分类、包装），植物细胞中参与细胞壁的构建；
• 中心体：无膜；动物和低等植物细胞中，与细胞增殖有关；
• 液泡：单层膜；植物细胞；贮藏营养物质和色素，调节渗透压、维持细胞形态；
• 溶酶体：单层膜；含多种水解酶；进行细胞内消化，起源于高尔基体。

分泌蛋白的合成与运输

核糖体（合成肽链）$\to$ 内质网（初步加工）$\to$ 高尔基体（进一步加工）$\to$ 细胞膜（囊泡与细胞膜融合，分泌到胞外）。此过程需线粒体提供能量。囊泡在细胞器间穿梭，使各种生物膜在结构和成分上连成 生物膜系统。

生物膜系统

细胞内的膜结构，包括细胞膜、核膜以及各种由膜围成的细胞器，它们的化学组成相似、结构相近，在功能上紧密联系、协调配合，构成一个统一的生物膜系统。

细胞骨架

由蛋白质纤维构成的网架结构，维持细胞形态、锚定细胞器，并与物质运输、细胞运动、细胞分裂有关。

细胞溶胶

• 细胞质中细胞器以外的胶状物质；
• 含多种酶，是新陈代谢的主要场所；
• 是物质运输、能量交换、信息传递的重要介质。

细胞核

• 功能：遗传物质储存和复制的场所，是细胞代谢和遗传特性的控制中心；
• 结构：
  • 染色体：主要成分是 DNA 和蛋白质，含少量 RNA，容易被碱性染料染成深色；
  • 染色体和染色质成分相同，是细胞分裂不同时期形状各异的同一物质；
  • 核膜：双层膜，把核内物质与细胞质分开；
  • 核仁：与核糖体的形成有关；
  • 核孔：实现核质间频繁的物质交换和信息交流，是蛋白质和 RNA 等大分子出入细胞核的通道（DNA 不能通过核孔）。

动、植物细胞的异同

• 高等植物特有的细胞器：叶绿体、液泡；
• 动物和低等植物特有的细胞器：中心体；
• 动植物细胞共有的细胞器：核糖体、线粒体、内质网、高尔基体。

真核细胞在结构和功能上是一个统一整体：各部分分工协作，任一结构受损都会影响整体的生命活动。

实验：观察叶绿体和细胞质流动

• 材料：黑藻的幼嫩小叶（单层细胞），光学显微镜下叶绿体呈扁平的球形或椭球形；
• 以叶绿体为标志，可观察活细胞的细胞质绕大液泡环流；
• 注意：叶片要薄，制片时无需染色，装片要保持有水状态以保证活性。

专题三 ATP、酶、物质出入细胞

能量与酶

吸能反应与放能反应

放能反应常伴随 ATP 的合成（如呼吸作用），吸能反应常伴随 ATP 的水解（如光合作用），ATP 的能量用于各种生命活动。

ATP

• 元素组成：C、H、O、N、P；
• 中文名称：三磷酸腺苷，结构简式 A—P～P～P（A 代表腺苷，P 代表磷酸基团，～代表高能磷酸键），水解时远离 A 的高能磷酸键断裂；
• 作用：新陈代谢所需能量的 直接来源；
• ATP 在细胞内含量很少，但转化速度很快，所以含量很稳定。

ATP 与 ADP 的相互转化

• $\text{ADP}+\text{Pi}+\text{能量}\xrightarrow{\text{酶}} \text{ATP}$（储存能量）；
• $\text{ATP}\xrightarrow{\text{酶}} \text{ADP}+\text{Pi}+\text{能量}$（释放能量）；
• 能量来源：动物来自呼吸作用，植物来自光合作用和呼吸作用；
• 转化中物质是可逆的，但能量不可逆，所以不是可逆反应；
• 意义：ATP 是细胞内能量流通的能量「通货」。

酶

• 定义：活细胞内产生的具有生物催化作用的有机物；
• 化学本质：多数是蛋白质，少数是 RNA；
• 催化机理：酶通过降低化学反应的 活化能 来加快反应速率，本身在反应前后不改变；
• 特性：
  • 高效性：催化效率是无机催化剂的 $10^7\sim 10^{13}$ 倍；
  • 专一性：一种酶只能催化一种或一类化学物质发生反应。
• 影响酶活性的因素：温度和 pH。在最适温度和 pH 条件下酶活性最高。过酸、过碱或温度过高会破坏酶的空间结构，使酶变性失活；低温使酶活性降低，但空间结构保持稳定，回到适宜温度活性可以恢复。

由此得出关键辨析：高温、过酸、过碱使酶 永久失活（结构被破坏），低温只是 暂时抑制（结构未变，可恢复）。不同生物酶的最适条件不同，如人体多数酶最适温度约 37°C、最适 pH 近中性，而胃蛋白酶的最适 pH 约为 1.5。

物质出入

渗透作用

• 定义：水分子（溶剂分子）通过半透膜的扩散；
• 方向：低浓度溶液 $\to$ 高浓度溶液；
• 条件：有半透膜；半透膜两边存在浓度差。

红细胞的吸水与失水

• 外界溶液浓度 $>$ 红细胞内浓度（0.9% NaCl）：失水皱缩；
• 外界溶液浓度 $<$ 红细胞内浓度：吸水涨破；
• 外界溶液浓度 $=$ 红细胞内浓度：形态不变。

物质出入细胞的方式

	被动转运（扩散）	被动转运（易化扩散）	主动转运
方向	顺浓度梯度（高 $\to$ 低）	顺浓度梯度（高 $\to$ 低）	逆浓度梯度（低 $\to$ 高）
能量	不消耗	不消耗	消耗
载体	不需要	需要	需要
举例	水、$\text{O}_2$、$\text{CO}_2$、甘油等脂溶性物质	血浆中葡萄糖进入红细胞	$\text{K}^+$ 进入红细胞、$\text{Na}^+$ 排出红细胞

主动转运使细胞能够 逆浓度 主动选择所需物质、排出代谢废物，体现了膜的选择透性。

胞吞和胞吐

• 主要指大分子（蛋白质）进出细胞的方式；
• 消耗 ATP，不需要载体，利用细胞膜的流动性。

小结

• 离子或小分子：自由扩散（含渗透）、易化扩散（被动转运），以及主动转运；
• 大分子或颗粒：胞吞、胞吐。

质壁分离与复原

• 内因：原生质层的伸缩性比细胞壁大；
• 外因：外界溶液浓度 $>$ 细胞液浓度，细胞失水，质壁分离；外界溶液浓度 $<$ 细胞液浓度，细胞吸水，质壁分离复原；
• 条件：活细胞、有细胞壁、有大液泡、有浓度差。

质壁分离可用于判断细胞死活、测定细胞液浓度：死细胞的原生质层失去选择透性，不会发生质壁分离。

实验：观察洋葱表皮细胞的质壁分离与复原

• 材料用具：紫色洋葱鳞片叶、显微镜、0.3 g/mL 蔗糖溶液、清水等；
• 步骤：制作临时装片 $\to$ 观察正常细胞 $\to$ 滴加蔗糖溶液观察质壁分离 $\to$ 滴加清水观察质壁分离复原；
• 三次观察相互对照。

选紫色洋葱外表皮，是因为液泡中有紫色色素，便于观察分离界面。蔗糖溶液浓度不能过高，否则细胞过度失水死亡，无法复原。

专题四 细胞呼吸和光合作用

细胞呼吸

需氧呼吸与厌氧呼吸的概念

• 需氧呼吸：细胞在氧气的参与下，通过酶的催化作用，把糖类等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳和水，同时释放能量、生成许多 ATP 的过程；
• 厌氧呼吸：在无氧条件下，细胞把糖类等有机物不彻底氧化分解，同时释放少量能量、生成少量 ATP 的过程。

需氧呼吸的过程

总反应式：

$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6+6\text{O}_2+6\text{H}_2\text{O}\to 6\text{CO}_2+12\text{H}_2\text{O}+\text{能量}$

实质：分解有机物，释放能量，形成 ATP。三个阶段的反应条件都是酶。

阶段	场所	物质变化	能量
糖酵解	细胞溶胶	葡萄糖 $\to 2$ 丙酮酸 $+4[\text{H}]$	少量（2 ATP）
柠檬酸循环	线粒体基质	$2$ 丙酮酸 $+6\text{H}_2\text{O}\to 6\text{CO}_2+20[\text{H}]$	少量（2 ATP）
电子传递链	线粒体内膜	$24[\text{H}]+6\text{O}_2\to 12\text{H}_2\text{O}$	大量（28 ATP）

物质来源辨析：$\text{CO}_2$ 全部来自第二阶段（丙酮酸与水反应），$\text{O}_2$ 只在第三阶段被消耗、与 $[\text{H}]$ 结合生成水，反应生成的水也全部在第三阶段。第三阶段释放的能量最多。

厌氧呼吸的过程

反应式：

• $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6\to 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}+2\text{CO}_2+\text{能量}$（酒精；植物、酵母菌）；
• $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6\to 2\text{乳酸}+\text{能量}$（动物和人、乳酸菌）。

第一阶段与需氧呼吸的糖酵解相同（在细胞溶胶），第二阶段也在细胞溶胶中进行。第二阶段不释放能量，其作用是把糖酵解产生的 $[\text{H}]$ 交给丙酮酸，生成酒精或乳酸，使糖酵解得以持续。

影响细胞呼吸的因素

• 温度：通过影响酶活性影响呼吸速率，有一个最适温度；
• $\text{O}_2$ 浓度：$\text{O}_2$ 浓度过低时以厌氧呼吸为主，随 $\text{O}_2$ 升高需氧呼吸增强、厌氧呼吸受抑制，$\text{CO}_2$ 释放量出现先降后升的转折；
• $\text{CO}_2$ 浓度：升高会抑制呼吸；
• 含水量：适当范围内含水量越高呼吸越强。

细胞呼吸的应用

• 储藏粮食：低温、低氧、高 $\text{CO}_2$、干燥（种子需保留少量水分维持生命活动）；
• 储藏水果蔬菜：适当低温、低氧，抑制呼吸、延长保鲜；
• 松土、及时排涝，保证根系需氧呼吸；
• 呼吸作用的意义：为生命活动提供能量；为其他化合物的合成提供原料（碳骨架）。

光合作用

自养生物与异养生物

植物和藻类是自养生物，人、动物、真菌和大部分细菌是异养生物。

光合作用

• 概念：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能量的有机物，并释放氧气的过程；
• 生物种类：绿色植物、藻类、光合细菌（蓝细菌）；
• 总反应式：

$\text{CO}_2+2\text{H}_2\text{O}\xrightarrow{\text{光能、叶绿体}} (\text{CH}_2\text{O})+\text{H}_2\text{O}+\text{O}_2$

	光合作用	呼吸作用
原料	$\text{CO}_2$、$\text{H}_2\text{O}$	$\text{O}_2$、$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$、$\text{H}_2\text{O}$
产物	$(\text{CH}_2\text{O})$、$\text{O}_2$	$\text{CO}_2$、$\text{H}_2\text{O}$
能量转换	贮藏能量	释放能量
发生场所	叶绿体	线粒体、细胞溶胶
发生条件	光照、色素、酶	酶

光合色素与叶绿体

• 光合色素分两类：叶绿素（叶绿素 a、叶绿素 b，约占 $3/4$）、类胡萝卜素（胡萝卜素、叶黄素，约占 $1/4$）；
• 叶绿素 a、叶绿素 b 主要吸收 红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收 蓝紫光；所有色素对绿光吸收最少，绿光被反射，故叶片呈绿色；
• $\text{Mg}^{2+}$ 是叶绿素的核心元素，缺镁会使叶片失绿发黄；叶绿素的合成需要光照和适宜温度，黑暗中长出的幼苗因缺叶绿素而黄化；
• 色素分布在叶绿体的类囊体膜上，酶主要分布在叶绿体基质中。

光合色素的提取与分离

• 提取：色素是有机物，可溶解在 95% 乙醇等有机溶剂中；$\text{SiO}_2$ 使研磨更充分，$\text{CaCO}_3$ 中和研磨中释放的有机酸、防止叶绿素被破坏；
• 分离：纸层析法。色素在层析液中溶解度不同，扩散速度不同，从而分离；
• 滤纸条从上到下依次为：胡萝卜素（橙黄色）、叶黄素（黄色）、叶绿素 a（蓝绿色）、叶绿素 b（黄绿色）；
• 操作要点：滤液细线要细、直、齐，且不能触及层析液，否则色素直接溶入层析液，分离失败。

光反应与碳反应

光反应阶段

• 场所：类囊体膜上；条件：光、色素、酶；
• 物质变化：水的光解（产物为 $\text{H}^+$、$\text{e}^-$、$\text{O}_2$）、ATP 的形成、NADPH 的形成；
• 能量变化：光能转变成 ATP 和 NADPH 中活跃的化学能；
• 产物：$\text{O}_2$、ATP、NADPH。

碳反应阶段

• 场所：叶绿体基质；条件：多种酶、ATP、NADPH；
• 物质变化：$\text{CO}_2$ 的固定（$\text{CO}_2+\text{C}_5\to 2\text{C}_3$）；$\text{C}_3$ 的还原（在 NADPH、ATP 作用下生成三碳糖，进而生成有机物并再生 $\text{C}_5$）；
• 能量变化：活跃的化学能转变成有机物中稳定的化学能。

两个阶段相互依赖：光反应为碳反应提供 ATP、NADPH，碳反应为光反应提供 ADP、Pi、$\text{NADP}^+$。缺一不可，光照停止时光反应停止，碳反应也随之受阻。NADPH（辅酶 II）是光合作用的还原剂，与呼吸作用中的还原剂 $[\text{H}]$ 加以区分。

经典实验

• 恩格尔曼：以水绵和好氧细菌，用极细光束照射，细菌集中在被照射的叶绿体附近，证明叶绿体是光合作用的场所，且红光、蓝紫光下放氧最多；
• 萨克斯：把绿叶一半遮光、一半曝光，一段时间后碘蒸气处理，曝光部分变蓝，证明光合作用产生淀粉、且需要光；
• 鲁宾和卡门：用 $^{18}\text{O}$ 分别标记 $\text{H}_2\text{O}$ 和 $\text{CO}_2$，证明光合作用释放的 $\text{O}_2$ 全部来自水；
• 卡尔文：用 $^{14}\text{C}$ 标记 $\text{CO}_2$，追踪碳的转移途径，揭示了 $\text{CO}_2\to\text{C}_3\to$ 有机物的碳反应过程。

环境因素对光合作用的影响

• 影响因素：光照（强度、时间、波长）、$\text{CO}_2$ 浓度、温度（主要影响酶的活性）、无机盐和水；
• 光照由强变弱时：NADPH、ATP 减少，$\text{C}_3$ 还原减弱，$\text{C}_3$ 含量上升、$\text{C}_5$ 含量下降，有机物合成率降低；
• $\text{CO}_2$ 浓度降低时：$\text{CO}_2$ 固定减少，$\text{C}_3$ 含量下降、$\text{C}_5$ 含量上升。

中间产物瞬间变化的分析法：抓住某物质的「来源」与「去路」哪一侧先变。以 $\text{C}_3$ 为例，其来源是 $\text{CO}_2$ 固定，去路是被还原；光照变弱使去路减慢，$\text{C}_3$ 积累而上升；$\text{CO}_2$ 减少使来源减慢，$\text{C}_3$ 下降。$\text{C}_5$ 的变化与 $\text{C}_3$ 相反。

光合午休：晴天正午光照强、温度高、蒸腾旺盛，气孔关闭，$\text{CO}_2$ 供应不足，$\text{CO}_2$ 固定减弱，光合速率短暂下降，此时 $\text{C}_3$ 下降、$\text{C}_5$ 上升。

净光合与总光合

• 总光合速率（真正光合）：叶绿体实际制造有机物、产生 $\text{O}_2$ 的速率；
• 净光合速率（表观光合）：光照下实测的 $\text{O}_2$ 释放量或 $\text{CO}_2$ 吸收量，是扣除了呼吸消耗后的表观值；
• 呼吸速率：黑暗中测得的 $\text{O}_2$ 消耗量或 $\text{CO}_2$ 释放量；
• 关系：总光合 $=$ 净光合 $+$ 呼吸；
• 光补偿点：光合速率等于呼吸速率，净光合为零的光照强度；
• 光饱和点：光合速率不再随光照增强而升高时的光照强度。

光合作用与呼吸作用的联系及应用

• 有光时，叶肉细胞既进行光合又进行呼吸，叶绿体产生的 $\text{O}_2$ 可直接供线粒体利用，线粒体产生的 $\text{CO}_2$ 也可被叶绿体固定；
• 只有光合速率大于呼吸速率时，植物才能积累有机物、正常生长；
• 提高产量的措施：合理密植、间作套种（增大光能利用率），温室适当增施 $\text{CO}_2$，增大昼夜温差（白天充分光合、夜晚减弱呼吸以减少消耗）。

专题五 细胞的分裂、分化和凋亡

细胞分裂

细胞增殖的方式

真核细胞的分裂方式有有丝分裂、减数分裂和无丝分裂，原核细胞进行二分裂。

• 无丝分裂：不出现纺锤丝和染色体，细胞核直接缢裂，如蛙的红细胞；因缺少纺锤丝的精确牵引，遗传物质的分配 不够均等；
• 二分裂：原核生物的繁殖方式，环状 DNA 复制后随细胞一分为二；
• 有丝分裂能保证遗传物质精确、均等地分配到子细胞。

细胞周期

• 定义：连续分裂的细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的整个过程；
• 分裂间期（时间长，在前）：$G_1$ 期（合成蛋白质及核糖体的增生）、S 期（DNA 复制）、$G_2$ 期（合成蛋白质，为纺锤体准备）；
• 分裂期（时间短，在后）：核分裂（前期、中期、后期、末期）和胞质分裂；
• 暂不分裂或不再分裂的细胞脱离细胞周期，处于 $G_0$ 期，如高度分化的神经细胞。

有丝分裂的过程

以 $N$ 表示一个染色体组，下表给出各时期的主要变化（设体细胞含 $2N$ 条染色体）。

时期	主要变化	染色体数	DNA 数	染色单体数
间期	DNA 复制及有关蛋白质合成	$2N$	$2N\to 4N$	$0\to 4N$
前期	出现染色体、纺锤体，核仁、核膜消失	$2N$	$4N$	$4N$
中期	着丝粒排在赤道板上，染色体形态数目清晰	$2N$	$4N$	$4N$
后期	着丝粒分裂，染色体数目加倍，移向两极	$4N$	$4N$	$0$
末期	出现核仁、核膜，染色体、纺锤体消失	$2N$	$2N$	$0$

几个易错点：着丝粒的分裂是自主行为，与纺锤丝牵引无关；染色体数在后期因着丝粒分裂而 瞬间加倍，染色单体也在此时消失为零；赤道板是假想的平面、不可见，末期出现的细胞板才是植物细胞真实的结构、发展为细胞壁。

动、植物细胞有丝分裂的异同

	植物细胞	动物细胞
间期	无中心体	中心体复制
前期	细胞两极发出纺锤丝	中心体发出星射线形成纺锤体
末期	赤道板位置形成细胞板、细胞壁	细胞膜从中部向内凹陷缢裂
相同点	分裂过程基本相同；染色体变化规律相同；间期 DNA 复制；分裂时染色体平均分配到两个子细胞中	同左

意义：将亲代细胞的染色体经过复制，精确地平均分配到两个子细胞中，保持遗传性状的稳定性。细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础。

实验：观察根尖细胞有丝分裂

• 解离：质量分数 10% 的盐酸与体积分数 95% 的酒精按一定比例混合，使细胞彼此分离；
• 漂洗：清水，洗去解离液，便于碱性染料着色；
• 染色：0.01 g/mL 龙胆紫液（或醋酸洋红），使染色体着色；
• 制片步骤：解离 $\to$ 漂洗 $\to$ 染色 $\to$ 制片；
• 观察：先在低倍镜下找到分生区细胞（呈正方形，排列紧密），再换高倍镜观察；
• 装片中各时期细胞数目与其持续时间成正比，间期最长、故间期细胞最多；解离后细胞已死亡，看到的是各细胞停留在不同时期的固定图像。

细胞分化与凋亡

细胞分化

• 定义：个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程；
• 特点：是一种持久的、稳定的渐变过程，贯穿生物体的一生，在胚胎时期达到最大程度；
• 实质：基因选择性表达 的结果，不同细胞表达的基因不同，但都含有相同的全套遗传信息；
• 意义：使多细胞生物体内的细胞趋向专门化，有利于提高各种生理功能的效率。

细胞的全能性

• 概念：已经分化的细胞仍然具有发育成完整个体的潜能；
• 原因：一般已分化的细胞都有一整套和受精卵相同的 DNA 分子；
• 全能性大小：受精卵 $>$ 生殖细胞 $>$ 体细胞；
• 植物细胞：高度分化的植物细胞仍具全能性（如胡萝卜根组织培养成新植株）；
• 动物细胞：高度特化的动物细胞全能性受限制，但细胞核仍保持全能性——克隆羊多莉证明的是动物 细胞核 的全能性，而非体细胞本身的全能性。

癌细胞

• 主要特征：能够无限增殖；细胞表面的黏连蛋白减少，彼此之间黏着性减小，易在体内转移；形态结构发生显著改变；
• 癌变的原因：内因是原癌基因和抑癌基因的突变，外因是物理、化学、病毒致癌因子；
• 防治：远离致癌因子，做到早发现早治疗。

干细胞

• 干细胞是一类可以分化成各种细胞的未分化细胞；受精卵是全能干细胞，胚胎干细胞是多能干细胞，造血干细胞是专能干细胞；
• 显著特点：进行不对称分裂，分裂产生的两个细胞中一个仍是干细胞，另一个经多次分裂后分化成各种细胞。

细胞衰老与死亡

• 细胞衰老：细胞随着生存时间的延长，形态、结构发生改变，生理功能持续下降的过程。衰老细胞的特征：水分减少萎缩、细胞核体积增大、细胞膜通透性降低、各种酶活性降低（如酪氨酸酶活性下降致白发）、细胞代谢减弱；
• 衰老机制有 自由基学说（自由基攻击膜、DNA 和蛋白质）和 端粒学说（端粒随分裂缩短，到一定程度累及基因）两种解释；
• 单细胞生物的细胞衰老即个体衰老；多细胞生物个体的衰老是细胞普遍衰老的过程，但年轻个体内也有衰老的细胞、衰老个体内也有幼嫩的细胞；
• 细胞凋亡：由基因所决定的细胞自动结束生命的过程，受基因控制（编程性死亡）；凋亡产生的凋亡小体被邻近细胞吞噬，不引发炎症；
• 细胞坏死：由不利因素引起的被动死亡，细胞肿胀破裂、内容物外泄，会引发炎症，与凋亡不同；
• 细胞衰老和细胞凋亡都是生物体生长发育所需要的正常生命现象。