1、普通高中教科书生物学必修1分子与细胞刘恩山杭州市体育场路347号邮政编码： 310006办公室电话： 0571-85176593销售部电话： 0571-85176040网址： E-mail： 杭州兴邦电子印务有限公司浙江新华数码印务有限公司89012401/16印张9186 0002019年7月第1版印次2021年7月第3次印刷ISBN 978-7-5341-8678-3定价10.97元浙江科学技术出版社书名主编出版发行排版印刷开本字数版次书号版权所有翻印必究（图书出现倒装、 缺页等印装质量问题， 本社销售部负责调换）定价批准文号： 浙发改价格 2019 319号、2020 331号举报电话：
2、 12345、 12315责任编辑顾旻波曹梦洁责任校对赵艳责任美编金晖责任印务田文主编刘恩山副 主 编朱立祥李晓辉本册执行主编荆林海本册编写人员 （按姓氏笔画排序）王健肖乐和张旭荆林海同学们：我们即将开始高中阶段的生物学学习了，是不是很期待？高中生物学课程是普通高中科学领域中的一个科目。高中生物学课程将在初中生物学的基础上，进一步获得基础的生物学知识，提高学生的生物科学素养，尤其是发展科学探究能力，理解生物科学、技术和社会的相互关系，增强对自然和社会的责任感，促进形成正确的世界观和价值观。高中阶段我们将完成分子与细胞和遗传与进化两个必修模块的学习。之后，同学们可以根据教学安排进一步完成稳态与调
3、节生物与环境和生物技术与工程三个选择性必修模块的学习。学习高中生物学课程时，对“生物学家是如何研究生命现象的”这个问题，同学们要给予高度重视。生物学的研究方法主要包括观察与实验。观察（observation）是按生物的本来面貌反映、描述生物的状况。生物学家研究生物，先是对生物的外形进行观察和描述，然后是将生物体解剖，观察其内部结构。除了用眼睛观察外，还可以用放大镜、显微镜等工具帮助观察。对于生物的观察，由静止的观察发展到动态致同学们1的观察，观察生物的生长、发育过程；由对个体的观察，进而发展到对群体的观察、对不同种类的观察。在观察的过程中，还可以引入比较的方法，即在观察的基础上，比较个体发育不
4、同时期的差异、不同种类之间外形和结构的异同等。在生物学发展的早期，主要是通过观察来归纳生物的形态、结构与功能。那么，如何进行可靠、有效的科学观察呢？观察需要具备扎实、丰富的学科知识。如果没有一定的生物学知识的积淀，是无法胜任科学观察的。观察需要持之以恒的毅力。连续的长期的观察是很多生物学家进行研究的共同特点，他们把自己一生中的大部分时间用在了对某些生物的观察和研究上。在卓越的观察者中，耳熟能详的有法国博物学家亨利法布尔（Jean Henri Casi-mir Fabre，18231915） ，他撰写的十卷昆虫记把读者带入了奇趣的昆虫世界。再如，英国生物学家珍妮古道尔（Jane Goodall，
5、1934） ，她对黑猩猩的社会行为进行了几十年的观察研究，积累了关于黑猩猩的习性、行为等方面的大量珍贵的科研数据，同学们如果感兴趣，可以读一读她的黑猩猩在呼唤一书。实验（experimentation）是人为地改变某些条件来考察生命现象的变化，以探究生命现象内在的因果关系，认识生命活动的内在规律的方法。哈维（William Harvey，15781657）首次把实验方法应用于生物学，于1628年发现了血液循环，成为现代生理学和实验生物学的奠基人。下面，我们来分析诺贝尔奖获得者尼古拉斯廷伯根 （Nikolaas Tinbergen，19071988） 对黑头鸥的一个研究实例，看看科学家是如何在观
6、察的基础上做出假设，并进一步结合观察和实验来验证假设的。【观察】廷伯根在对黑头鸥行为的观察过程中发现了一个有趣而奇特的现象：当雏鸥从蛋2壳中孵出后不久，双亲便小心地把蛋壳残片用喙捡起，然后飞到远离鸟巢的地方将其扔掉。【提出问题】亲鸟为什么要把破蛋壳从巢中移走呢？又是什么原因促进了这一行为的进化呢？【做出假设】廷伯根对观察到的现象曾提出了几种可能的解释，例如，破蛋壳的锋利边缘可能伤害雏鸥，破蛋壳妨碍亲鸟孵卵和喂养雏鸥，破蛋壳破坏了巢内的整洁等。但他对这些假设不是很满意。【进一步观察】廷伯根在更加细致的观察中有了新的发现：蛋壳的外表面呈杂色，而内表面呈白色。在成鸥孵卵期间，杂色的蛋壳有很好的隐蔽作
7、用，而白色的内表面十分醒目, 能吸引捕食者（乌鸦和银鸥等）的注意力。【做出新的假设】亲鸟把白色蛋壳移走以增加巢和雏鸥的安全性。【检验假设】为了检验巢内的白色蛋壳是否增加了雏鸥的被捕食率，廷伯根设计了如下实验：（1）把一些完整的杂色蛋分散地放置在沙滩上，然后再把一些破蛋壳分别放在距离完整蛋15 m、100 m和200 m的地方。（2）实验结果：发现破蛋壳与完整蛋之间的距离越远，完整蛋被捕食者捕食的可能性就越小。实验结果支持假设。上面的研究实例说明，在生物学的研究中，观察与实验是紧密联系在一起的。在具体的实验中，往往是先观察到某种现象，提出能解释这个实验现象的某种假设，再对提出的假设用实验进一步检
8、验。由于生命现象的复杂性，把实验方法应用于生物学要比用于物理学、化学更加困难。在观察与实验中要努力排除假象，防止得出错误的结论。当今，生命科学的研究与信息技术和工程技术的结合日益紧密，在微观和宏观两个方向的发展都非常迅速，高中生物学课程从微观方向揭开了学习生命科学的序幕。作为高中生物学课程的开篇，本模块内容将围绕“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”和“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”两个大概念展开，涵盖了细胞生物学、生物化学等生命科学的基本知识，以及分子生物学研究的最新进展和实际应用，是同学们学习其他模块的基础。3本模块安排了“细胞的分子组成” “细胞的结构” “细胞的代
9、谢” “细胞的生命历程”四章内容，循序渐进地指导同学们系统学习细胞的成分、结构与功能，以及细胞这一微观生命系统自我维持、自我增殖的模式。本模块的学习，有助于同学们在微观层面上更深入地理解生命本质，逐步形成“生命的物质性和生物界的统一” “细胞生活中物质、能量和信息变化的统一” “细胞结构与功能的统一” “细胞的整体与部分的统一”等生命观念，并在此基础上形成辩证唯物主义的自然观。生命观念对于指导同学们深入理解本模块知识大有裨益。掌握正确的学习方法很重要。同学们在学习过程中，要养成细心观察、善于实验、勤于思考、勇于质疑、分享交流的好习惯，认真做好各种观察、实验等探究性学习活动，以增加感性认识，克服
10、对微观结构认识的困难，同时领悟科学研究的方法并学习相关的操作技能。同学们可以结合自己的生活经验、初中学习的个体生物学知识，以及化学和物理学知识，更好地理解生命本质，以突破学习难点。同学们还可以收集有关细胞研究和应用方面的信息，进行交流，以丰富相关知识，加深对微观的生命系统细胞的结构、功能的理解，以及对科学、技术、社会相互关系的认识。4目 录第一章细胞的分子组成/1第一节水和无机盐是构成细胞的重要无机物/2第二节生物大分子以碳链为骨架/6本章小结/18第二章细胞的结构/19第一节细胞是生命的单位/20第二节细胞膜控制细胞与周围环境的联系/28第三节细胞质是多项生命活动的场所/38第四节细胞核是细
11、胞生命活动的控制中心/48第五节细胞在结构和功能上是一个统一整体/53第六节原核细胞内无成形的细胞核/57本章小结/621第三章细胞的代谢/63第一节ATP是细胞内的 “能量通货” /64第二节酶是生物催化剂/69第三节物质通过多种方式出入细胞/80第四节细胞呼吸为细胞生活提供能量/89第五节光合作用将光能转化为化学能/98本章小结/112第四章细胞的生命历程/113第一节细胞通过分裂增殖/114第二节细胞通过分化产生不同类型的细胞/124第三节细胞凋亡是编程性死亡/130本章小结/1362们生活在由生物体和非生物体组成的生物圈中，生物体所表现出的灵动，使之很容易与非生物体区分开来。生物体与非
12、生物体间为什么有如此巨大的差异？巨大差异的背后是否又存在着某些内在联系？答案是肯定的，物质性将生物和非生物统一在一起。我第 一 章细胞的分子组成学习目标1. 概述细胞中化合物的种类。2. 概述细胞中各种化合物的生理作用。3. 测定生物组织中的某些有机物。本章学习应聚焦的关键能力1. 解释细胞由多种多样的分子组成，说明这些分子是各项生命活动的物质基础，发展思维能力。2. 通过检测生物组织中的还原糖、脂肪和蛋白质等，学会归纳与概括的科学思维方法，发展观察能力和探究能力。生 物 学必 修 1分子与细胞本节要点元素氢键水和无机盐生命是物质的，组成生物体的各种化合物是由化学元素构成的。组成细胞的分子，既
13、包含简单的无机物，也包含复杂的有机物。细胞内的无机物主要是水和无机盐。水和无机盐与细胞的生活有什么关系？细胞主要由C、H、O、N、P和S等元素组成细胞是生物体结构和功能的基本单位。细胞是由物质组成的，物质是由元素构成的。组成细胞的化学元素，在地球的无机环境中都能找到，没有一种化学元素是细胞所特有的。地球上存在的天然元素有90多种，构成细胞的元素主要有哪些呢？表1-1组成人体的主要元素元素氧碳氢氮钙磷钾硫钠氯镁符号OCHNCaPKSNaClMg在人体中所占比重/%65.018.59.53.31.51.00.40.30.20.20.1元素铁锌铜碘锰硼铬钼钴硒氟符号FeZnCuIMnBCrMoCoS
14、eF在人体中所占比重微量微量微量微量微量微量微量微量微量微量微量第一节水和无机盐是构成细胞的重要无机物2第一章细胞的分子组成表1-1所列为组成人体的主要元素，也是构成细胞的主要元素，主要包括C、H、O、N、P和S等，其中C、H、O、N四种元素在人体中所占比重在96%以上。有些元素在人体中的含量很低，称为微量元素。微量元素含量虽少，但它们对维持细胞正常的结构和生命活动均起着重要作用。水为生命活动提供了条件细胞的含水量一般为60%90%，有些细胞含水量可超过90%，如水母的含水量可达97%。作为生物体内含量最多的化合物，水是生物体的重要组成成分。可以说，一切生命活动都离不开水，没有水就没有生命。水
15、分子中氧原子的原子核周围电子较多，使氧略带负电性而氢略带正电性，水成为极性分子，一端略正，一端略负。由于正负电荷的吸引，水分子之间便会形成氢键（图1-1） 。每个氢键中的氢原子同时属于两个氧原子，而每个水分子中的氧原子可以形成两个氢键，所以一个水分子可以通过氢键与另外4个水分子相连。这就是水分子的缔合。具有极性和氢键的形成使得水分子有许多不寻常的特性。图1-1水分子之间的氢键注： +表示带部分正电荷-表示带部分负电荷水是极性分子，凡是有极性的分子或离子都易溶于水中。例如，氯化钠的Na和Cl就会分别与水分子的略带负电荷的氧的一端和略带正电荷的氢的一端相互吸引，在这两种离子的周围形成一层水膜，把N
16、a和Cl分开，使得氯化钠晶体易溶于水中。在人和动物的体液、植物的汁液中，均含有大量的水，且都溶有多种多样生物体所必需的溶质。因此，水作为良好的溶剂，能帮助溶解和运输营养物质及代谢产物。3生 物 学必 修 1分子与细胞水分子之间的氢键使得水具有调节温度的作用。水分子间大量的氢键使水蒸发时要消耗大量的热，如出汗能有效地降低体温。水温的增高需要较多的热，因为先要破坏氢键才能促进分子的运动；反之，水温的降低就会形成较多的氢键，而氢键的形成会释放热量，这就使得细胞内水的温度变化不那么剧烈。此外，水还是细胞中某些代谢的反应物和产物，水在动、植物的分布、繁殖、生长发育以及动物体色、动物行为等方面有着深远的影
17、响。无机盐与细胞生活密切相关无机盐在生物体内含量不高，约占1%1.5%，多数以离子形式存在，它们对维持生物体的生命活动有着重要的作用。如血浆中含有多种无机盐，包括 K、Na、Mg2、Ca2等正离子，以及Cl、HCO3、H2PO4等负离子。无机盐对维持血浆的正常浓度、酸碱平衡，以及神经、肌肉的兴奋性等都是非常重要的。若哺乳动物血液中的Ca2含量过低，则会发生抽搐。无机盐是细胞的重要组成成分之一，如骨细胞的重要成分是磷酸钙。无机盐还是某些复杂化合物的重要组成成分，如Mg2是叶绿素的必需成分、Fe2是血红蛋白的必需成分。同位素及同位素示踪课外读同一元素的质子数相同，但中子数可能不同。质子数相同而中子
18、数不同的同一元素的不同原子互称为同位素。简单地说，同位素指质量不同而化学性质相同的原子。例如， “普通”的碳是12C，含有6个质子、6个中子，另外还存在含有6个质子、7个中子的13C和含有6个质子、8个中子的14C。生物体对这些碳原子一视同仁。因为同位素具有不同的特性，所以可用不同的方法检测出来。有些同位素能够发生衰变而产生放射性，因此易于检测。14C就是碳的一种放射性同位素。例如，研究光合作用时可以利用标记的二氧化碳（14CO2）进行实验，以追踪碳元素在植物体内的运行和变化，所以14C称为示踪原子，这种研究技术称为同位素示踪。同位素不仅可用于科学研究，也可用于疾病的诊断和治疗。例如，甲状腺可
19、以选择性地吸收碘，放射性碘同位素发出的射线能破坏甲状腺细胞，故碘同位素可用于治疗甲状腺肿大。4第一章细胞的分子组成与练习思考一、选择题1. 下列关于构成生物体的元素的叙述，错误的是（）A. 构成生物体的元素都来自自然界B. 不同元素在生物体内的含量各不相同C. 构成生物体的物质都包含C、H、O元素D. 构成生物体的元素没有一种是生命所特有的2. 水和无机盐在生物体的生命活动中发挥着重要作用。下列关于水和无机盐的叙述，错误的是（）A. 水不参与血浆正常浓度的维持B. 生物体可以从外界直接获取无机盐C. 在构成生物体的物质中，水的含量最高D. 无机盐必须溶解在水中才能被生物体吸收二、简答题液态水中
20、的水分子具有内聚力。在液态水中，水分子之间氢键的存在时间极短，瞬息之间，每个水分子都与无数个别的水分子相结合，彼此“黏合”在一起，这种内聚力比其他任何液体中的都强。水的内聚力对生命极其重要。地下深处的水能够源源不断地被运输到参天大树的叶片中，请用内聚力解释这种现象。5生 物 学必 修 1分子与细胞碳骨架糖类脂质蛋白质核酸碳元素存在于所有的生物体内，是生命系统中的核心元素。碳原子核外有6个电子，分内、外两层分布，2个在第一层，4个在第二层，即最外层。要使碳原子最外层成为具有8个电子的稳定结构，需要别的原子提供4个电子使碳原子与别的原子共用电子形成共价键。碳原子间可以共用电子形成共价键，从而由很多
21、碳原子串起长长的直链结构、支链结构或环状结构，共同形成碳骨架。骨架中的碳还可以与其他原子，如H、O、N、S、P等通过共用电子相连接。图1-2就是碳原子所形成的几种结构，其中游离的键可以与其他原子相连。组成生物体的有机物都是以碳骨架作为结构基础的，主要包括糖类 （carbohy-drates） 、脂质 （lipids） 、蛋白质 （proteins） 和核酸 （nucleic acids） 。许多有机物的相对分子量以万至百万计，所以称为生物大分子。蛋白质和核酸是两类最重要的生物大分子。组成生物体的大分子在结构上有何共同特点？各类有机物的主要功能是什么？各自的结构特点是什么？糖类是细胞的主要能源物
22、质日常生活中，我们通常所说的糖一般是指蔗糖，但糖类物质不仅仅指蔗糖。糖类物质是地球上含量最多的一类有机物，我们所吃主食中的主要成分就属于糖类。大多数糖类由C、H、O三种元素组成，多数糖分子中氢原子和氧原子之比为21，类似水分子，故糖类旧称为“碳水化合物” 。糖类可以分为单糖、二糖和多糖。图1-2碳原子所形成的几种结构直链支链环第二节生物大分子以碳链为骨架本节要点6第一章细胞的分子组成单糖是可被细胞直接吸收利用的小分子物质。例如，葡萄糖（C6H12O6）是细胞内主要的单糖，是细胞生命活动的主要能源物质；脱氧核糖是细胞遗传物质DNA分子的重要组成物质。此外，常见的单糖还有果糖、半乳糖、核糖等。细胞
23、中的单糖分子可进一步形成二糖和多糖。二糖由2个单糖分子脱水缩合形成。例如，蔗糖分子由葡萄糖和果糖组成，生活中常吃的白糖、冰糖、红糖等就是由蔗糖加工而来的。常见的二糖还有麦芽糖和乳糖，前者由2分子葡萄糖组成，后者由1分子葡萄糖和1分子半乳糖组成。多糖是由多个单糖分子通过特定的共价键连在一起形成的，其中淀粉、糖原和纤维素是比较重要的多糖。淀粉是稻米、面粉等食物的主要成分；纤维素是木材和棉花的主要成分；糖原储藏在人的肝脏和肌肉中，分别称为肝糖原和肌糖原。淀粉和糖原分别是植物、动物体内重要的储能物质；纤维素是植物体的结构多糖，是植物细胞壁的主要成分。小资料甜的物质都是糖吗甜是一种很美妙的感觉。甜度的检
24、测通常用蔗糖作为参照物，以它为100，果糖甜度几乎是蔗糖的两倍，其他天然糖的甜度均小于蔗糖。某些糖、糖醇及其他增甜剂的相对甜度见表1-2。表1-2某些物质的相对甜度名称乳糖半乳糖麦芽糖山梨醇木糖甘露醇葡萄糖麦芽糖醇甜度1630354045507090名称蔗糖木糖醇转化糖果糖天冬苯丙二肽蛇菊苷糖精应乐果甜蛋白甜度10012515017515000300005000020000注：表中山梨醇、甘露醇、麦芽糖醇、木糖醇、天冬苯丙二肽、糖精、应乐果甜蛋白等为非糖物质。7生 物 学必 修 1分子与细胞脂质是一类不溶于水的有机物，具有多种生物学功能脂质主要由C、H、O三种元素组成，其中氢原子较糖类多，而氧
25、原子较糖类少。有些脂质还含有N和P等元素。常见的脂质有油脂、磷脂和固醇等，通常不溶于水，而溶于有机溶剂，如丙酮、乙醚、四氯化碳等。小资料寒冷的冬季棕熊以脂肪作为主要的能源物质棕熊（图1-3）属于哺乳动物，维持体温需要消耗能量，需要大量的食物供应。生活在北方的棕熊，为适应冬季寒冷低温和食物短缺的环境条件，会有一段长时间的不活动、不吃食、睡眠的状态。棕熊在冬季前会大量进食。它们的食物以植物为主，肉类只占25%。食物中的糖类大量转化为脂肪储存在棕熊身体中，入冬前其一般体重可达 400 kg，脂肪层可厚达15 cm。在每年的10月至翌年的5月这段漫长的时间里，棕熊靠“燃烧”脂肪供能，冬季结束后其体重下
26、降到150200 kg。人和动物体内的脂肪、植物中的油统称为油脂。油脂由甘油和脂肪酸组成。甘油是一种简单糖类的衍生物；脂肪酸则是长的碳氢链，一端是羧基（COOH） 。很多生物中的油脂是能量的主要储存形式，1 g油脂在体内完全氧化将产生39 kJ的能量，而1 g糖或蛋白质只产生17 kJ的能量。由于油脂的不亲水性，油脂作为储能物质时不必携带多余的水。肥胖者的皮下脂肪组织（皮下、腹腔等）中积储的油脂可达1520 kg，足以供给一个月所需的能量。海豹、海象、企鹅和其他南北极温血动物，它们厚厚的皮下脂肪除作为能量储备外，还是抗低温的保温层。此外，人和动物的皮下和腹腔脂肪组织还起到防震作用。磷脂、固醇是
27、细胞的必要组分。磷脂是细胞各种膜结构的重要成分。固醇类物质包括胆固醇、性激素和维生素D等，其中胆固醇也是构成细胞膜的重要成分，但血液中胆固醇过多则可能引发心脑血管疾病；维生素D可促进人和动物对钙和磷的吸收等。图1-3棕熊8第一章细胞的分子组成活 动检测生物组织中的油脂各种生物组织和细胞中，有机化合物含量各不相同。对于某些有机化合物，可以使用指示剂染色后在显微镜下进行检测。苏丹染液能使细胞中的油脂呈橙黄色。生物组织材料必须制成薄片才能在显微镜下观察。目的要求1. 练习使用高倍显微镜。2. 制作徒手切片并进行染色。3. 尝试用化学试剂检测生物组织中的油脂。材料用具用水浸泡过的花生种子、蚕豆种子、菜
28、豆种子，苏丹染液，50%的酒精，清水，双面刀片，毛笔，培养皿，载玻片，盖玻片，显微镜，吸水纸等。方法步骤1. 材料处理：（1）将一粒种子剥去种皮，取一片子叶，用左手捏住。（2）右手持刀片，将子叶的一端切出一个平面。（3）将双面刀片的刃口平放在子叶的平面上，轻压刀片，同时从前向后拖动刀片，均匀用力，将子叶切成厚度为12 mm的薄片。（4）将切好的薄片置于培养皿内的清水中，挑选最薄的切片，用毛笔将它放到载玻片中央。2. 染色：用吸水纸吸去材料表面的清水，再用滴管将苏丹染液滴在切片上，静置23 min，使切片染色。用吸水纸吸去多余的染液，再在切片上滴加12滴50%的酒精溶液，洗去多余的染料。3. 制
29、片：用吸水纸吸去酒精溶液，再在切片上滴加12滴清水，盖上盖玻片，制成临时装片。4. 观察：将临时装片放在显微镜的载物台上，在低倍镜下找到已染色的材料，移动装片，将切片最薄的部分移到显微镜视野的中心。转动转换器，使高倍镜对准通光孔，调整细准焦螺旋，观察被染色（橙黄色）的脂肪颗粒。9生 物 学必 修 1分子与细胞讨论1. 描述观察到的现象。2. 你是否观察到位于两个细胞之间的脂肪滴？如何解释这种现象？3. 当把显微镜的低倍镜换成高倍镜后，视野为什么会变暗？蛋白质是生命活动的主要承载者小资料蛋白质的每种特定功能都取决于其特定的结构蚕和蜘蛛吐出的细而坚韧的丝、雄孔雀求偶季节展示的华丽的羽毛、羚羊浓密的
30、毛和坚硬的角，这些看似完全不同的物质，却是由结构大同小异的同一类蛋白质，即角蛋白构成的（图1-4） 。曾有人形象地称“一个蛋白一张脸” ，反映了蛋白质分子空间结构的多样性。弗里德里希恩格斯（Friedrich Engels，18201895）则从另一个角度指出“蛋白质是生命活动的体现者” ，反映了蛋白质功能的多样性。图1-4不同生物体中的角蛋白10第一章细胞的分子组成蛋白质与糖类及脂质不同。蛋白质不是能量供给的主要来源，却在其他方面发挥着不可替代的作用。如肌肉中的收缩蛋白、头发中的角蛋白、红细胞中的运输蛋白、种子中的储备蛋白等，都具有特殊的生物学功能（图1-5） 。蛋白质的每种特定功能都取决于
31、其特定的结构。红细胞中的运输蛋白种子中的储备蛋白肌肉中的收缩蛋白头发中的角蛋白图1-5不同功能的蛋白质许多蛋白质已经获得结晶的纯品。在此基础上分析蛋白质的元素组成发现，蛋白质分子主要由C、H、O、N四种元素组成，有些蛋白质还含有S元素。氨基酸（amino acid）是蛋白质的基本单位，蛋白质经消化水解为氨基酸后才能被人体吸收和利用。一个蛋白质分子可由数百至数千个氨基酸分子组成。绝大多数蛋白质是由约20种不同的氨基酸组成的。生物体内绝大多数氨基酸的生物通式如图1-6A所示，一个中央碳原子上通过共价键连接着四个基团，即一个氨基 （NH2） 、一个羧基 （COOH） 、一个H和一个R基团。不同氨基酸
32、的R基团不同，它可以较小，如丙氨酸中的 R 为CH3、缬氨酸中的R为CH （CH3）2（图1-6B，C） 。R 基团也可以是较长的链，或是环状结构。R 基团中也可能含有氨基 （NH2） 或羧基（COOH） ，有时还含有硫原子。图1-6氨基酸的化学结构A. 氨基酸通式B. 丙氨酸C. 缬氨酸11生 物 学必 修 1分子与细胞两个氨基酸分子发生脱水缩合（图1-7） ，形成二肽，其间的化学键称为肽键。许多个氨基酸以肽键连成一长串的肽链，称为多肽。图1-7两个氨基酸分子脱水缩合形成二肽H2NCHCOHHNCHCOHH2NCHCNCHCOHH2OR OR OR OR OHH肽键不同种多肽的差别在于其中氨
33、基酸的种类、数目和排列顺序各不相同。20种氨基酸所组成的多肽种类数不胜数。假定20种氨基酸任意组成一个含100个氨基酸分子的蛋白质，那么，将有20100种蛋白质。蛋白质分子可由一条或几条多肽链组成。每一种蛋白质都有其独特的空间结构，即三维立体结构。蛋白质分子的空间结构多种多样。例如，组成毛发和指甲的蛋白质是纤维状的，血液中的血红蛋白则是球形的。蛋白质正确的空间结构是蛋白质表现其特有的生物学活性所必需的。蛋白质的空间结构并不稳定，会随着温度的升高而发生改变。蛋白质的生物学活性会随着温度的升高而发生改变，在温度超过4050 时就可能丧失活性。小资料人体的必需氨基酸必需氨基酸是指人体需要的，但不能在
34、人体内合成，必须由食物供给的那些氨基酸，包括甲硫氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸、色氨酸和苯丙氨酸。动物性食品一般含必需氨基酸较多，豆类食品也含有较多的必需氨基酸。另外一些氨基酸是可以在体内由其他化合物转化而来的，称为非必需氨基酸，如甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、酪氨酸和半胱氨酸等。活 动检测生物组织中的糖类和蛋白质人们需要从膳食中得到各种营养物质，这些物质或直接或经过转化成为生物细胞中的各种化合物。那么，食物中又含有哪些营养物质呢？我们可以用一系列的化学方法，方便地把它们检测出来。例如，用双缩脲试剂检测蛋白质，用本尼12第一章细胞的分子组
35、成迪特（Benedict）试剂检测还原糖（如葡萄糖、果糖） ，用碘-碘化钾溶液检测淀粉。目的要求1. 尝试用化学试剂检测生物组织中的糖类、蛋白质。2. 分析实验现象，得出结论。材料用具供教师用的蛋白质溶液、淀粉溶液、葡萄糖溶液，供学生用的梨和白萝卜（或匀浆） 、稀释的蛋清液、马铃薯块茎（或匀浆） ，清水，双缩脲试剂A，双缩脲试剂B，本尼迪特试剂，碘-碘化钾溶液，试管若干支，10 mL的量筒，研钵，漏斗，滤纸，80100 的热水浴等。方法步骤1. 观察教师用指示剂分别检测蛋白质溶液、淀粉溶液和葡萄糖溶液的显色结果。2. 下表中的食物是否含有淀粉、蛋白质、还原糖？请将你对实验结果的预测填入表格中。
36、3. 将需要匀浆的生物组织材料剪碎，置于研钵中，加少量清水研磨，并将研磨液过滤或静置使其中的固形物沉淀。各种材料单独进行操作。4. 检测。（1）检测淀粉：取2 mL样本上清液，加入5滴碘-碘化钾溶液，与样本上清液比较，观察颜色变化并记录在下表的相应位置（“”表示有， “”表示无） 。（2）检测蛋白质：取2 mL样本上清液，加入2 mL双缩脲试剂A，振荡试管，使样本与试剂A混合均匀，再加入5滴双缩脲试剂B，与样本上清液比较，观察颜色变化并记录在下表的相应位置。（3）检测还原糖：取2 mL样本上清液，加入2 mL本尼迪特试剂，振荡试管，使样本与本尼迪特试剂混合均匀，然后将试管置于热水浴中加热23
37、min，与样本上清液比较，观察颜色变化并记录在下表的相应位置。检测样品稀释蛋清液马铃薯匀浆梨汁实验检测预测实测预测实测预测实测所含物质淀粉蛋白质还原糖13生 物 学必 修 1分子与细胞讨论1. 经过检测，你的哪一项预测与实测的结果一致？2. 你认为哪种食物可以作为人体蛋白质的来源？3. 生物材料原有的颜色是否会影响实验结果？核酸储存与传递遗传信息核酸由C、H、O、N、P五种元素组成，其基本单位为核苷酸。每个核酸分子由很多核苷酸通过共价键连接形成长链，其核苷酸数量可以从几十个到上亿个。核酸的相对分子质量可从几十万至几百万。每个核苷酸由三个小分子物质通过共价键连接形成。组成核苷酸的小分子物质包括五
38、碳糖、磷酸基团和含氮碱基。其中，五碳糖有两种，即脱氧核糖和核糖；含氮碱基有五种，即腺嘌呤（A） 、鸟嘌呤（G） 、胞嘧啶（C） 、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U） 。核酸包括两大类：核糖核酸 （RNA，ribonucleic acid） 和脱氧核糖核酸 （DNA，deoxyribonucleic acid） 。RNA的基本单位称为核糖核苷酸，其五碳糖为核糖，含氮碱基为腺嘌呤（A） 、鸟嘌呤（G） 、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U） ；DNA的基本单位称为脱氧核糖核苷酸，其五碳糖为脱氧核糖，含氮碱基为腺嘌呤（A） 、鸟嘌呤（G） 、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）（图1-8） 。图1-8核酸、 核苷酸的化学组
39、成（RNA）（DNA）核酸是细胞中控制其生命活动的生物大分子。组成生物体的亿万个细胞中都有DNA和RNA。DNA中储藏的信息控制着细胞的所有活动，并且决定着细胞和整个生物体的遗传特性。RNA是合成蛋白质所必需的。关于核酸，还将在遗传与进化模块的第三章中详细介绍。14第一章细胞的分子组成人工合成胰岛素课外读20世纪30年代，胰岛素在生物学界广为人知。它在超速离心机中的表现透露出这种蛋白质的相对分子量较小，其结构的复杂度却超出了当时科学家们的预期。英国生物化学家弗雷德里克桑格 （Frederick Sanger，19182013）于1945年开始研究一条肽链上各氨基酸的排列顺序并发明了一种标记N端
40、氨基酸的方法，历经数年，终于在1955年成功地解析了胰岛素的全部氨基酸序列。这是人类第一次了解到蛋白质对生命活动至关重要的分子结构，使得人类对蛋白质的认识迈出了历史性的一步，桑格也因此获得1958年的诺贝尔化学奖。值得一提的是，桑格还因他在DNA测序中的卓越贡献，于1980年再次获得诺贝尔化学奖。胰岛素这一天然蛋白质的成功测序，使人工合成蛋白质出现了第一缕曙光。经过技术上的创新，美国生物化学家文森特迪维尼奥（Vincent du Vigne-aud，19011978）在实验室中合成了由8个氨基酸组成的短肽催产素。经检验，人工合成的催产素的化学性质和生理性质与天然催产素完全相同。短肽人工合成的成
41、功，激发了科学家把目光聚焦在较小的蛋白质胰岛素上。1959年，我国科学家开始了胰岛素的合成研究。实验采取了“三步走”的策略：首先，成功地将天然胰岛素的A、B两条链拆开，再重新连接而得到了重合成的天然胰岛素结晶，这为下一步的人工合成积累了经验，确定了路线；随后，人工合成B链和A链，并分别与天然的A链和B链连接而得到半合成的胰岛素；最后，将人工合成的A链和B链连接而得到全合成的结晶胰岛素。1965年，经过数年图1-9人工合成的结晶牛胰岛素15生 物 学必 修 1分子与细胞的共同努力，中国科学家终于获得了人工合成的蛋白质结晶牛胰岛素（图1-9） 。经鉴定，人工合成的牛胰岛素，在结构、生物活性、物理化
42、学性质、结晶形状等方面，与天然的牛胰岛素完全一样。结果公布之后，立即引起世界科学界的极大关注。结晶牛胰岛素的合成，标志着中国科学家在蛋白质和多肽合成化学领域已经处于世界领先地位，为我们这个伟大的文明古国赢得了新的荣誉。与练习思考一、选择题1. 下列元素中，构成有机物基本骨架的是（）A. 氮B. 氢C. 氧D. 碳2. 下列关于生物体内有机物的叙述，正确的是（）A. 脂质仅用于生物体储存能量B. 蛋白质是生物体主要的能源物质C. 核酸是生物体储存遗传信息的物质D. 糖原和纤维素是生物体的储能物质3. 脑啡肽是一种具有镇痛作用的药物，它的基本组成单位是氨基酸。下图是脑啡肽的结构简式，形成这条肽链的
43、氨基酸分子数以及缩合过程中生成的水分子数分别是（）A. 3和2B. 4和3C. 5和4D. 6和54. 细胞中的DNA和RNA都由核苷酸构成，核苷酸由五碳糖、磷酸基团和含氮碱基组成。构成DNA和RNA的含氮碱基共有（）A. 2种B. 4种C. 5种D. 8种16第一章细胞的分子组成二、简答题蛋白质是由氨基酸组成的，是重要的生物大分子。人体中有数万种不同的蛋白质，各自有其独特的三维结构，分别执行专一的功能。细胞、组织和机体的结构都与蛋白质有关，生物体内的每一项活动都有蛋白质参与。请结合已有的生物学知识，根据蛋白质的功能，尝试将蛋白质进行分类。17生 物 学必 修 1分子与细胞本 章 小 结构成生
44、物体的元素来自自然界，主要包括C、H、O、N、P和S等，这些元素组成了构成生物体的无机物和有机物，这些物质对于生命活动都有重要的作用，渗透了生命的物质性观点。无机物包括水和无机盐。水是生物体中含量最多的化合物，为生命活动提供了必要的条件。它是构成生物体的主要物质，也是细胞中某些代谢的重要反应物和产物。水是良好的溶剂，可溶解和运输营养物质及代谢产物。此外，水在生物体温度调节等方面也发挥着重要的作用。无机盐在生物体内含量不高，但起着非常重要的作用，某些无机盐是有些复杂化合物的重要组成成分，另外一些无机盐则可以维持血浆的正常浓度、酸碱平衡和神经肌肉的兴奋性等，渗透了物质与能量观。由于碳原子的化学性质
45、，使其构成了多种多样的有机物，从而构成了生物体并行使特定的功能。这些有机物主要包括糖、脂质、蛋白质和核酸。糖主要分为单糖、二糖和多糖，它们既是细胞的组成物质，又是生命活动的主要能源物质。脂质包括油脂、磷脂、固醇等，是主要的储能物质。蛋白质是由氨基酸通过脱水缩合形成的大分子有机物，每一种蛋白质都有其独特的空间结构，行使特定的生物学功能，例如细胞识别、信号传递、催化细胞内的化学反应、参与免疫调节等。蛋白质是生命活动的承载者。核酸包括DNA和RNA，是由核苷酸构成的生物大分子，储存和传递遗传信息，控制着细胞内的所有活动，并且决定着细胞和整个生物体的遗传特性，在渗透物质与能量观、结构与功能观的同时，训
46、练科学探究与科学思维能力，发展思维能力。本章知识结构图18们已经知道，各种无机物和有机物依据各自的特性有序地组织起来构成细胞。我们肉眼能看到的各种生物，无论是动物、植物还是大型真菌等真核生物，它们的形态结构大相径庭，但在显微镜下，它们的细胞结构却大致相同，都是由细胞膜、细胞质和细胞核组成。无论是参天大树还是微小的草履虫，它们的细胞都很小，肉眼几乎不可见。这些形态、功能各异的细胞无时无刻不在进行着极其复杂的化学反应。那么，在这么小的空间中，如何才能保证多种生命活动有条不紊地进行呢？细胞具有极其精巧的结构，它将不同类型的生命活动置于不同的区域内进行，这些活动既相互独立又高度配合。同时，细胞又是一个
47、开放的系统，它通过与外界的物质交换、能量传递和信息交流，不仅维持自身的生命，也执行着各自特定的功能。我第 二 章细胞的结构学习目标1. 简述细胞学说及细胞的一般特点。2. 概述细胞膜的结构及特性。3. 阐明各种细胞器的结构及功能。4. 说出动、植物细胞的异同。5. 阐明细胞核的结构和功能。6. 描述生物膜系统的结构和功能。7. 说出原核细胞的特点。本章学习应聚焦的关键能力1. 通过观察细胞、探究膜特性、观察叶绿体和胞质流动等活动，发展观察能力和探究能力。2. 通过学习细胞膜结构模型、设计制作细胞结构模型等系列活动，发展批判性思维、模型与建模的科学思维方法。生 物 学必 修 1分子与细胞自然界的
48、生物千差万别、种类繁多，组成这些生物体的细胞形态结构和功能各异，但又具有许多共同的特征。直到17世纪中叶，第一台光学显微镜（light mi-croscope）制成后，科学家才发现细胞。因为人眼的分辨率只有约0.2 mm，而光学显微镜的分辨率可达人眼的1000倍，所以利用光学显微镜可以观察到微小的细胞。细胞是如何构成生物体的？构成不同生物体的细胞有什么共同特征？生物体由细胞构成1665年，英国物理学家罗伯特胡克（Robert Hooke，16351703）将软木薄片放在自制的显微镜下观察（图2-1） ，发现软木是由许多类似蜂巢的小室构成的。胡克觉得这一形状类似于单人房间，所以他用意为单人房间的
49、cell一词命名这些小室为cella，即细胞。cella为拉丁语，在英语中仍采用cell。胡克也成为第一个描述细胞的人。实际上，胡克看到的是已死亡细胞的纤维质细胞壁。A. 原始的显微镜B. 软木细胞图2-1胡克自制的显微镜 （A） 与他看到的软木细胞 （B）第一节细胞是生命的单位本节要点细胞学说20第二章细胞的结构小资料才华横溢的科学家罗伯特胡克1666年，英国伦敦发生特大火灾，整座城市几乎被烧成灰烬。之后，人们在废墟上重新设计了这座城市。一位物理学家设计的城市规划图获得伦敦市议会的认可，其本人亦被委任为城市重建工作的核心成员，他就是罗伯特胡克（图2-2） 。伦敦一些著名的建筑，如皇家内科医师
50、学会大厦、伦敦大火纪念碑等，均出自胡克的设计。胡克处于科学兴盛的时代，他以惊人的创造能力对当时的天文学、物理学、生物学、化学等学科都做出过重要贡献。他曾根据弹簧实验的结果，提出了“胡克定律” ；他用自制的望远镜首次观测到火星的旋转、木星的大红斑和月球上的环形山，提出彗星靠近太阳时轨道是弯曲的；同时，他在艺术和建筑方面也颇有建树，被誉为“英国的达芬奇” 。2003年，为纪念胡克逝世300周年，英国皇家学会和牛津基督教会学院举行了专题会，英国皇家海洋博物馆举办了胡克展，以纪念这位闪亮的“科学之星” 。此后不久，荷兰学者列文虎克 （Anto-ny van Leeuwenhoek，16321723）
