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高中生物之分子与细胞
高中生物 分子与细胞知识点，涵盖了生命的基本组成单位——细胞，以及构成细胞的各种分子，知识点系统且全面，便于复习！
编辑于2024-09-16 06:38:46- 中学生物
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高中生物之 分子与细胞
外界交换
能量传递
酶
定义
细胞代谢
对细胞来说，能量的获得和利用都必须通过化学反应。细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢（cellular metabolism）。
活化能
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称为 活化能（activation energy）。 同无机催化剂相比，酶（enzyme）降低活化能的作用更显著，因而催化效率更高。 正是由于酶的催化作用，细胞代谢才能在温和条件下快速进行。
酶的本质
酶的化学本质不同于无机催化剂。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，少数是RNA。
酶的特性
高效性
专一性
作用条件较温和
ATP
概念
物质的主动运输需要能量，肌肉💪🏻收缩需要能量，细胞内还有许多化学反应是需要能量的，这些能量从哪里来呢？我们知道，细胞中的糖类、脂肪等有机物都储存着化学能，但是直接给细胞的生命活动提供能量的却是另一种有机物－ATP。 ATP的结构和功能1.ATP的名称：三磷酸腺苷 2.ATP的结构简式：A—P～P～P，其中：A代表腺苷，T代表三个，P代表磷酸基团，～代表高能磷酸键3.ATP的组成元素：C、H、O、N、P4.ATP水解掉两个磷酸后的简式：A—P5.ATP的结构式：
ATP的利用
主动运输
肌肉收缩
生物发电、发光
大脑🧠思考
主要来源
细胞呼吸
有氧呼吸
无氧呼吸
能量之源
细胞呼吸
物质运输
跨膜运输
方式
被动运输
主动运输
其他
胞吐
内吞
两性
统一性
真核胞核
原核细胞
多样性
生命历程
细胞增殖
概念
细胞以分裂的方式进行增殖。细胞在分裂之前必须进行一定的物质准备。细胞增殖包括物质准备和细胞分裂整个连续的过程。
分裂方式
真核细胞
有丝分裂
定义
有丝分裂（mitosis）是真核生物进行细胞分裂的主要方式。
细胞周期
细胞进行有丝分裂具有周期性。即连续分裂的细胞，从一次分裂完成时开始，到下一次分裂完成时为止，为一个细胞周期（cell cycle）。一个细胞周期包括两个阶段：分裂间期和分裂期。
分裂间期
分裂期
前期
中期
后期
末期
无丝分裂
减数分裂
原核细胞
二分裂
细胞的分化
概念
红细胞
心肌细胞
叶肉细胞
表皮细胞
贮藏细胞
细胞
全能性
1958美国斯图尔德
培养
植物组织培养
动物组织培养
细胞衰老
定义
特征
原因
自由基学说
端粒学说
细胞凋亡
定义
英文中细胞凋亡（apoptosis）一词，源自古希腊语，意思是花瓣或者树叶的脱落、凋零。选用这一名词，是强调细胞凋亡是一种自然的生理过程。 基因所决定的细胞自动结束生命的过程，就叫细胞凋亡。由于细胞凋亡受到严格的由遗传机制决定的程序性调控，所以也常常被称为细胞编程性死亡（programmed cell death）。
例如
人有尾阶段
人在胚胎时期，要经历有尾的阶段，后来尾部细胞自动死亡，尾才消失。
蝌蚪尾的消失
蝌蚪尾的消失，也是通过细胞自动死亡实现的。
胎儿手铲
在胎儿手的发育过程中，五个手指最初是愈合在一起的，像一把铲子，后来随着指间的细胞自动死亡，才发育为成形的手指。
意义作用
在成熟的生物体中，细胞的自然更新、被病原体感染的细胞的清除，也是通过细胞凋亡完成的。细胞凋亡对于多细胞生物体完成正常发育，维持内部环境的稳定，以及抵御外界各种因素的干扰都起着非常关键的作用。 细胞坏死与细胞凋亡不同。细胞坏死是在种种外界不利因素影响下，由于细胞正常代谢活动受损或中断引起的细胞损伤和死亡。
细胞癌变
定义
有的细胞受到致癌因子的作用，细胞中遗传物质发生变化，就变成不受机体控制的、连续进行分裂的恶性增殖细胞，这种细胞就是癌细胞（cancer cell）。 说到癌症（cancer），人们都不寒而栗。癌症通常也叫恶性肿瘤，是由癌细胞大量增殖而引起的。 “cancer”一词来源于拉丁文，原意是“蟹”，以此来形容癌在扩散时，像蟹一样“横行霸道”，侵袭周围健康的组织。
癌细胞特征
为什么癌症对健康的危害极大？这与癌细胞的特征有关。 与正常细胞相比，癌细胞具有以下特征。 在适宜的条件下，癌细胞能够无限增殖。在人的一生中，体细胞一般能够分裂50～60次，而癌细胞却不受限制，它们迅速地生长、分裂，无限增殖。 癌细胞的形态结构发生显著变化。例如，体外培养的正常的成纤维细胞呈扁平梭形，当这种细胞转变成癌细胞后就变成球形了。 癌细胞的表面发生了变化。由于细胞膜上的糖蛋白等物质减少，使得癌细胞彼此之间的黏着性显著降低，容易在体内分散和转移。
致癌因子
物理
化学
病毒
防癌
基本结构
细胞膜
定义
任何系统都有边界。 例如，使人体内部与外界分隔开的皮肤和黏膜，就是人体的边界；一个国家有陆地、海域、领空的边界。 边界对系统的稳定至关重要。 细胞作为一个基本的生命系统，它的边界就是细胞膜（cell membrane）。
成分
脂质
蛋白质
少量糖类
功能
将细胞与外界环境分隔开
控制物质进出细胞
进行细胞间的信息交流
细胞器
分离方法:差速离心法
线粒体
叶绿体
高尔基体
内质网
纺锤体
中心体
细胞核
概念
结构图
元素
微量元素
大量元素
化合物
无机
水
结合水
自由水
无机盐
有机
蛋白质
定义
组成细胞的有机物中含量最多的就是蛋白质（protein）。“protein”一词源自拉丁文“proteus”，意思是“首要的物质”。我们平时所吃的食物中，一般都含有蛋白质，肉🥩、蛋🥚、奶和大豆制品中蛋白质含量尤其丰富。蛋白质必须经过消化，成为各种氨基酸，才能被人体吸收和利用。 蛋白质是组成人体一切细胞、组织的重要成分。机体所有重要的组成部分都需要有蛋白质的参与。一般说，蛋白质约占人体全部质量的18%，最重要的还是其与生命现象有关。蛋白质（protein）是生命的物质基础，是有机大分子，是构成细胞的基本有机物，是生命活动的主要承担者。没有蛋白质就没有生命。氨基酸是蛋白质的基本组成单位。它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。蛋白质占人体重量的16%~20%，即一个60kg重的成年人其体内约有蛋白质9.6~12kg。人体内蛋白质的种类很多，性质、功能各异，但都是由21种氨基酸（Amino acid）按不同比例组合而成的，并在体内不断进行代谢与更新。
氨基酸
种类
结构及其多样性
检测
功能
蛋白质的结构多种多样，在细胞中承担的功能也是多种多样的。 蛋白质的功能还有许多。可以说，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。
结构蛋白
许多蛋白质是构成细胞和生物体结构的重要物质，称为结构蛋白。例如，羽毛、肌肉、头发、蛛丝等的成分主要是蛋白质。
催化作用
细胞内的化学反应离不开酶的催化。绝大多数酶都是蛋白质，如胃蛋白酶结晶。
运输载体
有些蛋白质具有运输载体的功能，如血红蛋白能运输氧气。
信息传递
有些蛋白质起信息传递的作用，能够调节机体的生命活动，如胰岛素。
免疫功能
有些蛋白质有免疫功能，人体内的抗体是蛋白质，可以帮助人体抵御病菌和病毒等抗原的侵害。
蛋白质工程
1983年，美国某基因公司的一名科学家提出了蛋白质工程这一名词。随着分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展，蛋白质工程已经取得了很大的进展。目前，它已经成为研究蛋白质结构和功能的重要手段，并将广泛应用于制药和其他工业生产中。
诞生背景
为什么要进行蛋白质工程的研究呢？我们知道，将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状，这就是基因工程的实质。基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。例如，干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存想当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃的条件下，可以保存半年。 又如，前面我们提到玉米🌽中赖氨酸的含量比较低，原因是赖氨酸合成过程中的两个关键酶——天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大，当赖氨酸浓度达到一定量时，就会抑制这两个酶的活性。所以赖氨酸的含量很难提高。如果我们将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使玉米🌽叶片和种子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。还有许多工业用酶也是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。
基本原理
蛋白质工程是怎样进行的呢？蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。由于基因决定蛋白质，因此，要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过基因来完成。 我们知道，天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因→表达（转录和翻译）→形成氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能；而蛋白质工程却与之相反，它的基本途径是：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）。 通过以上分析和讨论可以看出，蛋白质工程是指🈯以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。也就是说，蛋白质工程是在基因工程是基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程领域。
进展和前景
蛋白质工程取得的进展想人们展示出诱人的前景。例如，科学家通过对胰岛素的改造，以使其成为速效型药品。如今，生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点，因此有极为广阔的发展前景。 蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，这种高级结构十分复杂，而目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还远远不够，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需经过艰辛的探索。我们相信，随着科学技术的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福音。
核酸
定义
核酸（nucleic acid）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。
分类
脱氧核糖核酸
核糖核酸
糖类
定义
如同任何机器的运转都需要外界提供能量一样，细胞的生命活动也需要能量来维持。很多物质能可以为细胞的生活提供能量，其中糖类是主要的能源物质。 说到糖🍬，我们并不陌生，可以说出一串糖的名字：棉白糖、砂糖、冰糖、葡萄糖等。其实，除了这些我们熟知的糖类以外，淀粉、纤维素等也属于糖类。这些糖类的分子有什么相同和不同之处呢？淀粉、纤维素并不甜，为什么也属于糖类呢？ 糖类（carbohydrate）分子都是由C、H、O三种元素构成的。因为多数糖类分子中氢原子和氧原子之比是2:1，类似水分子，因而糖类又称为“碳水化合物”。
分类
单糖
二糖
多糖
检测
脂质
定义
分类
脂肪
磷脂
固醇
胆固醇
性激素
维生素D
检测
生不离胞
生命活动离不开细胞。即使是像病毒那样没有细胞结构的生物，也只有依赖活的细胞才能生活，才能存活。 细胞是生物体结构和功能的基本单位。尽管生物科学的研究已经进入分子水平，并且对生物大分子（如核酸、蛋白质等）的研究已经相当深入，但是这些大分子并没有生命。生命和细胞难解难分。
实例
草履虫
运动
分裂
人
卵巢排出卵细胞，精子进入卵细胞受精，细胞分裂，胚泡形成，胚泡植入子宫内膜。
生殖
发育
缩手反射
艾滋病
艾滋病（AIDS）是由HIV（人类免疫缺陷病毒）感染人体免疫系统的淋巴细胞引起的。淋巴细胞被大量破坏，导致人体免疫力降低，病人大多死于其他病原微生物的感染和其他病发症。
生命系统
结构层次
细胞
组织
器官
个体
群体
种群
群落
生态系统
生物圈
细胞的多样性和统一性
观察细胞
光学显微镜
分类
根据细胞的结构特点和复杂程度，可以将细胞分为真核细胞和原核细胞。
原核细胞
定义
类型
真核细胞
细胞学说建立的过程
分类
植物细胞工程
定义
植物体的细胞中，含有该植物所有的遗传信息。 在合适的条件下，一个细胞可以独立发育成完整的植物体。 利用细胞的这种全能性，生物学家通过组培来繁殖名贵花卉、消灭果树上的病毒，以及通过对细胞核物质的重新组合，进行植物遗传改造等。这就是人们常说的植物细胞工程。
基本技术
植物组织培养技术
概念
在无菌和人工控制的条件下，将离体的植物器官、组织、细胞，培养在人工配制的固体培养基（琼脂）上，给予适宜的培养条件，诱导其产生愈伤组织、丛芽，最终形成完整的植株。
过程
原理
植物细胞的全能性
用途
随着生物科技的进步，生活中处处可以发现生物技术的踪影。植物细胞工程作为一门新兴的生物技术，已经普遍应用于社会生产的方方面面。
植物繁殖的新途径
微型繁殖
作物脱毒
人工种子
作物新品种的培育
单倍体育种
突变体的利用
细胞产物的工厂化生产
细胞培养技术除了在农业上的应用外，还广泛应用于另一个重要的领域，即细胞产物的工厂化生产。这些细胞产物包括蛋白质、脂肪、糖类、药物、香料、生物碱等。
人参
三七
紫草
银杏等
尝试
紫杉醇
植物体细胞杂交技术
概念
植物体细胞杂交（plant somatic hybri dization）就是将不同种的植物体细胞，在一定条件下融合成杂种细胞，并把杂种细胞培育成新的植物体的技术。
基本原理
细胞膜的流动性
过程
先植物细胞融合，原理为细胞膜的流动性。 再植物组织培养，原理为植物细胞的全能性。
去壁方法
纤维素酶
果胶酶
诱导原生质体融合的方法
物理法
离心
振动
电激等
化学法
聚乙二醇（PEG）
融合成功的标志
杂种细胞再生出细胞壁，与高尔基体有关。核融合后的DNA数和染色体数、染色体组数均采取加法，会出现异源多倍体。再生出细胞壁之前注意培养基的渗透压。
成功案例
烟草－海岛烟草
胡萝卜－羊角芹
白菜－甘蓝等
生长期短
耐热性强
易于贮藏
意义
克服了远缘杂交不亲和的障碍，大大扩展了杂交的亲本组合范围。
不足
没有完全按照人们的意愿表达出双亲的优良性状。
动物细胞工程
定义
应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的原理方法与技术，按照人们的需要，在细胞水平上进行遗传操作，包括细胞融合、核质移植等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。
常用技术手段
动物细胞培养（基础）
概念
动物细胞培养（animal cell culture）就是从动物机体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后，放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和增殖。
过程
条件
无菌、无毒的环境
营养
温度和pH
气体环境
技术应用
动物细胞核移植
概念
动物核移植是将动物的一个细胞的细胞核，移入一个已经去掉细胞核的卵母细胞中，使其重组并发育成一个新的胚胎，这个新的胚胎最终发育为动物个体。用核移植的方法得到的动物称为克隆动物。
过程
应用前景
存在问题
动物细胞融合
概念
动物细胞融合（cell fusion）也称细胞杂交（cell hybridization）是🈯两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程，融合后形成的具有原来两个或多个细胞遗传信息的单核细胞，称为杂交细胞（hybrid cell）。
基本原理
细胞膜的流动性
常用诱导因素
聚乙二醇（PEG）
灭活的病毒
电激等
生产单克隆抗体
背景
长期以来，人们为了获得抗体，采用的方法是向动物体内反复注射某种抗原，使动物产生抗体，然后，从动物血清中分离所需抗体。这种方法不仅产量低、纯度低，而且制备的抗体特异性差。为了解决这一难题，科学家们进行了多年的研究和探索。他们发现，哺乳动物感染病原体（如病毒、细菌等）后，体内会形成相应的B淋巴细胞。B淋巴细胞能分泌抗体，凝聚或杀死这些病原体。动物在免疫反应的过程中，体内产生的特异性抗体种类可达百万种以上，但是每一个B淋巴细胞只分泌一种特异性抗体。因此，要想获得大量的单一抗体，必须克隆单一的B淋巴细胞，形成细胞群。遗憾的是，在体外培养条件下，一个B淋巴细胞是不可能无限增殖的，怎样解决这一问题呢？
制备
1975年，英国🇬🇧科学家米尔斯坦（C.Milstein）和柯勒（G.KOhler）在前人工作的基础上，继续探索和尝试，并且充分发挥想象力，设计了一个极富创造性的实验方案。他们想到，如果把一种B淋巴细胞与能在体外大量增殖的骨髓瘤细胞进行融合，所得到的融合细胞就能大量增殖，产生足够数量的特定抗体。根据这一设想，他们用羊的红细胞对小鼠进行注射，使小鼠产生免疫反应，从产生免疫反应小鼠的脾脏细胞中，他们得到了抗羊红细胞的抗体，这说明在小鼠的脾细胞中形成了相应的B淋巴细胞。他们又设法将鼠的骨髓瘤细胞与脾细胞中产生的B淋巴细胞融合，再用特定的选择性培养基进行筛选。在该培养基上，未融合的亲本细胞和融合的具有同种核的细胞都会死亡，只有融合的杂种细胞才能生长。这种杂种细胞的特点是既能迅速大量繁殖，又能产生专一的抗体。对上述经选择性培养的杂交瘤细胞，还需进行克隆化培养和抗体检测，经多次筛选，就可获得足够数量的能分泌所需抗体的细胞。最后，将杂交瘤细胞在体外条件下做大规模培养，或注射到小鼠腹腔内增殖，这样，从细胞培养液或小鼠腹水中，就可以提取出大量的单克隆抗体了。 由于米尔斯坦和柯勒等人的杰出贡献，1984年，他们获得了诺贝尔生理学或医学奖。
优点
特异性强
灵敏度高
可大量制备
应用
单克隆抗体技术在生物工程中占有重要的地位，至今，全球已经报道的单克隆抗体达10万多种，用于诊断和治疗用的单克隆抗体约有500余种。单克隆抗体主要有以下几方面的用途。
作为诊断试剂
单克隆抗体最广泛的用途是用作体外诊断试剂，它在多种人类疾病及动植物病害的诊断和病原鉴定中发挥着重要的作用。由于单克隆抗体纯度高、特异性强，所以能准确地识别各种抗原物质的细微差异，并跟一定抗原发生特异性结合，因此，单克隆抗体在诊断的应用上，具有准确、高效、简易、快速的优点。 利用同位素标记的单克隆抗体，在特定的组织中成像的技术，可定位诊断肿瘤、心血管畸形等疾病。
用于治疗疾病和运载药物
从目前临床试验来看单克隆抗体主要用于癌症治疗，也有少量用于其他疾病的治疗。但抗药物剂型种类繁多，有单独使用的，也有与同位素、毒素、药物结合使用的。如果把抗癌细胞的单克隆抗体跟放射性同位素、化学药物或细胞毒素相结合，制成“生物导弹”，注入体内，借助单克隆抗体的导向作用，能将药物定向带到癌细胞所在的位置，在原位杀死癌细胞。这样既不损伤正常细胞，又减少了用药剂量。因此，作为一种疗效高、毒副作用小的新型药物——“生物导弹”将有广阔的应用前景。
定义
细胞工程是生物工程的一个重要方面。总的来说，它是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、细胞拆合、染色体操作及基因转移等方面。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。