第一讲 生物的物质基础和结构基础
【元素】
1、 种类
最基本元素
基本元素
主要元素
大量元素
微量元素
矿质元素、必需的矿质元素（大量、微量）
2、 含量（占细胞干重、占细胞鲜重）
3、 作用
① 组成各种化合物
② 影响生物的生命活动
（N、P、K、Fe、S、Mg、I、Mn、B、Ca、Na）N（植物）主要是以铵态氮(NH4＋)和硝态氮(NO2－、NO3－)的形式被植物吸收的。
N是叶绿素的成分。N是可重复利用元素，参与构成的重要物质有蛋白质、核酸、ATP、NADP ，缺N就会影响到植物生命活动的各个方面，如光合作用、呼吸作用等。N在土壤中都是以各种离子的形式存在的，如NH4＋、NO2－、NO3－等。无机态的N在土壤中是不能贮存的，很容易被雨水冲走，所以N是土壤中最容易缺少的矿质元素。
N是一种容易造成水域生态系统富营养化的一种化学元素；
P参与构成的物质有核酸、ATP、NADP 等，植物体内缺P，会影响到DNA的复制和RNA的转录，从而影响到植物的生长发育。P还参与植物光合作用和呼吸作用中的能量传递过程，因为ATP和ADP中都含有磷酸。
P对生物的生命活动是必需的，但P也是容易造成水域生态系统富营养化的一种元素。在一般的淡水生态系统中，由于土壤施肥的原因，N的含量是相当丰富的，一旦大量的P进入水域，在适宜的温度条件下就会出现“水华”现象，故现在提倡使用无磷洗衣粉。
Fe2 是血红蛋白的成分；Fe在植物体内形成的化合物一般是稳定的、难溶于水的化合物，故Fe是一种不可以重复利用的矿质元素。
Fe在植物体内的作用主要是作为某些酶的活化中心，如在合成叶绿素的过程中，有一种酶必须要用Fe离子作为它的活化中心，没有Fe就不能合成叶绿素而导致植物出现失绿症，但发病的部位与缺Mg是不同的，是嫩叶先失绿。
I是甲状腺激素合成的原料；
Mg是叶绿素的构成成分；
B能促进花粉的萌发和花粉管的伸长，有利于受精作用；
Zn有助于人体细胞的分裂繁殖，促进生长发育、大脑发育和性成熟。
对植物而言，Zn是某些酶的组成成分，也是酶的活化中心。如催化合成吲哚乙酸的酶中含有Zn，没有Zn就不能合成吲哚乙酸。所以缺Zn引起苹果、桃等植物的小叶症和丛叶症，叶子变小，节间缩短；
Na 是维持人体细胞外液的重要无机盐，缺乏时导致细胞外液渗透压下降，并出现血压下降，心率加快、四肢发冷甚至昏迷等症状；
K 在维持细胞内液渗透压上起决定性作用，还能维持心肌舒张，保持心肌正常的兴奋性，缺乏时心肌自动节律异常，导致心律失常；（植物光合作用合成糖类及运输糖类离不开K）
Ca是骨骼的主要成分，Ca2 对肌细胞兴奋性有重要影响，血钙过高兴奋性降低导致肌无力，血钙过低兴奋性高导致抽搐，Ca2 还能参与血液凝固，血液中缺少Ca2 血液不能正常凝固。
4、 生物界与非生物界的统一性差异性
【化合物】种类、含量、分布、功能
1、无机化合物：
※水专题
1．水的存在
(1)细胞中的水
自由水含量的多少决定细胞的代谢强度，细胞中(或生物体)的自由水和结合水的比值影响细胞的代谢水平，比值越大，代谢越强，但抗性越弱；反之，则代谢减弱，但抗性增强。
(2)细胞外液中的水
多细胞植物的细胞间隙、各种分泌物(如某些浆汁等)和多细胞动物的内环境、分泌物(如消化液、泪液等)、排泄物(如尿液、汗液等)都含有水。
(3)生态环境中的水
大气、水体、土壤等非生物环境中都含有水。
2．水的功能
(1)生物体内的水
①结合水：细胞或生物体结构的组成成分。（失去细胞结构遭到破坏）
②自由水：（与代谢密切相关）
a．细胞内的良好溶剂，起运输代谢物质的作用
b．新陈代谢的反应物
有氧呼吸等许多生化反应需要水参与。
正常生活的生物，其细胞中“自由水／结合水”的比值越大，新陈代谢越旺盛，反之则越弱。
c．维持细胞及生物体的固有形态
由于细胞含有大量的水分，从而能维持细胞的紧张度。对植物而言可使枝叶挺立，便于接受阳光和叶面蒸腾，同时还可使花朵张开，利于传粉，成熟的植物细胞失水会发生质壁分离而收缩，吸水时会变得硬挺膨胀；对动物而言，细胞失水会发生皱缩，过度吸水会胀破。
d．调节生物的体温
水具有很高的汽化热和比热容，又有较高的导热性，因此水在生物体内的不断流动、蒸发、叶面蒸腾等能够使热量顺利地散发，利于生物体体温的稳定和避免被炎热夏季的阳光灼伤。
e．水的其他功能
水分子的极性强，能使溶解于其中的许多物质解离成离子，利于生化反应的进行；水还具有润滑作用。
(2)生态环境中的水——生态系统结构的组成成分
水是生态系统结构的重要组成成分，它保障着生物的生活和生存，影响着某些植物的形态结构，决定着陆生生物的分布，如干旱沙漠地区只有少数耐旱生物生存。另外它还是某些生物进化的重要选择因素。
3．水与新陈代谢
(1)水分的吸收
①吸水原理：吸胀作用、渗透作用
吸胀作用靠亲水性物质吸水，如干种子、分生区细胞；与细胞死活无关；亲水性强弱规律：蛋白质>淀粉>纤维素，脂肪不具亲水性；渗透吸水要有半透膜，靠浓度差吸水。
②吸水的部位和动力
细胞的吸水动力本质上主要来自细胞内、外液的浓度差(即渗透压)。对植物体而言，吸水外因是蒸腾作用和根压。就吸水部位而言，植物主要靠根尖成熟区表皮细胞吸收，其次还有叶片等；单细胞动物靠细胞直接吸收，如草履虫；低等多细胞动物靠消化腔吸收，如水螅；人和高等动物靠消化道中的胃、小肠、大肠吸收，肾小管、集合管对原尿中水的重吸收等。
③蒸腾作用、吸水与吸收矿质元素的关系
(1)蒸腾作用为水和矿质元素的吸收提供动力，与水和矿质元素的吸收无直接关系，但有利于水和矿质元素的吸收。
(2)水分的运输
低等多细胞生物通过细胞间的渗透运输。
高等多细胞植物可通过共质体(无数活细胞原生质体通过胞间连丝形成的一个连续整体)间的渗透运输，即通过胞间连丝运输，这种方式速率慢；也可通过质外体运输，即通过非原生质的部分，包括细胞壁、细胞间隙、导管运输，这种方式速率快。高等动物则通过血液循环系统和淋巴循环系统运输水分。
(3)水分的利用与产生
①新陈代谢利用水(消耗水)的生理过程及结构
a． 大分子有机物的消化(水解)
多糖的消化，即“淀粉一麦芽糖一葡萄糖”；部位：细胞质基质(细胞内消化)、消化道(细胞外消化)。
蛋白质的消化，即“蛋白质一氨基酸”；部位：细胞质基质(细胞内消化)、消化道(细胞外消化)。
脂肪的消化，即“脂肪一甘油、脂肪酸”；部位：细胞质基质(细胞内消化)、消化道(细胞外消化)。
b．肝脏和肌肉细胞中糖元的分解过程消耗水。
c．光合作用的光反应 部位：叶绿体囊状结构薄膜。
d．有氧呼吸的第二阶段部位：线粒体。
e．ATP的水解过程部位：细胞质基质、叶绿体基质、线粒体等。
f．ATP水解成ADP和Pi时消耗水。
②细胞中产生水的结构及代谢
a．在叶绿体的基质中通过暗反应合成有机物的过程产生水。
b．在线粒体中通过有氧呼吸的第三阶段产生水。
c．核糖体上通过氨基酸的脱水缩合作用产生水。
d．高尔基体上通过台成纤维素产生水。
e．细胞核在DNA复制过程中产生水。
f．动物肝脏和肌肉中合成糖元时产生水。
g．ADP生成ATP时产生水。
(4)水的排出
①植物：蒸腾作用(占95％～99％)；叶片的吐水；随某些分泌物排出，如浆汁等。
②动物：呼出的气体中的水蒸气；汗液中的水；尿液中的水；随某些分泌物排出，如泪液、消化液等。
(5)小结：水与光合作用、细胞呼吸
水既是光合作用和呼吸作用的原料，也是光合作用和呼吸作用的产物。叶片缺水萎蔫后气孔关闭，外界C02不能进入叶片内部是缺水限制光合作用进行的一个主要因素。水分对呼吸作用的影响主要表现在：种子的含水量在一定范围内与呼吸作用强度呈正比例关系，原因是种子吸水后，种子内水解淀粉的酶活性迅速增高，淀粉被水解成葡萄糖，使呼吸作用的底物增加导致呼吸作用强度增加
4．人体内的水平衡及其调节
人体内水平衡的调节是通过调节水的摄入量与排出量之间的平衡来实现的，肾脏中的肾小管和集合管对水分的重吸收能力是可以调节的。
人体内感受水分状况的感受器是渗透压感受器，当渗透压感受器感受到血浆中的渗透压升高时，通过传人神经纤维的兴奋传到大脑皮层，通过产生渴觉来调节水的摄人量；传到下丘脑使下丘脑神经细胞分泌、并由垂体后叶释放的抗利尿激素(也称加压素)增加，从而促进肾小管和集合管对水分的重吸收，减少了尿的排出。
当渗透压感受器感受到血浆中的渗透压下降时，下丘脑的神经细胞减少抗利尿激素的分泌，抑制垂体释放抗利尿激素，从而使肾小管和集合管对水的通透性降低，水的排出量增加。通过这种调节机制，人体的水分代谢保持了平衡。
5．水与生物的分布
水在陆地上的分布，决定了陆生生物的面貌。
如我国从东到西为：森林一草原一荒漠一沙漠。在水域生态系统限制生物分布的因素不是水分而是盐度。
6．水的污染
造成水污染的物质主要有有机物、重金属、农药、过量的N、P等植物必需的矿质元素和致病微生物等。当水中的上述有害物质超出水体的自净能力(物理净化、化学净化、生物净化)时，就发生了污染。
2、无机盐
a 、含量 b 、存在形式：大多以离子状态存在于细胞中。
c、功能
缺B：植物“花而不实”
缺碘——地方性甲状腺肿（大脖子病）、呆小症
缺钙——骨质疏松、软骨病
血钙过低：抽搐；血钙过高：骨无力
缺铁——缺铁性贫血 因此，无机盐离子是组成细胞内复杂的化合物的重要组成部分；对维持生命活动、细胞渗透压和酸碱平衡都具有重要作用。
3、糖类
a元素组成：C、H、O
b种类、分布、作用
概 念 种 类 分子式 分 布 主 要 功 能
单糖 不能水解的糖 核 糖 C5H10O5 动植物细胞 组成RNA的物质
脱氧核糖 C5H10O4 组成DNA的物质
葡萄糖 C6H10O6 细胞的主要能源物质
二糖 水解后能够生成二个单糖分子的糖 蔗 糖 C12H22O11 植物细胞 能水解成葡萄糖
麦芽糖
乳 糖 动物细胞
多糖 水解后能够生成许多个单糖分子的糖 淀 粉 （C6H10O5）n 植物细胞 植物细胞中的储能物质
纤维素 植物细胞壁的基本组成成分
糖 原 动物细胞 动物细胞中的储能物质
糖类是生物体进行生命活动的主要能源物质。
※“糖类”小专题知识归纳
1．糖类的化学组成、种类和结构
(1)化学组成和种类
(2)葡萄糖、核糖、脱氧核糖的结构简式，可联系的内容有：组成糖类的化学元素，核糖、脱氧核糖、葡萄糖的化学式和结构简式，蔗糖、麦芽糖、乳糖、淀粉、纤维素、糖元的化学式，单糖、二糖、多糖的分布和功能。
2．几种糖的性质
(1)葡萄糖的化学性质。①还原性，可联系的内容有：银镜反应，用班氏试剂进行尿糖的测定，用斐林试剂进行组织中还原性糖的测定；②能跟酸起酯化反应；③氧化反应，可联系的内容有：动、植物细胞进行有氧呼吸和无氧呼吸时的比较，厌氧发酵(酒精发酵、乳酸发酵)，兼性厌氧型微生物——酵母菌。
(2)蔗糖和麦芽糖的化学性质。①蔗糖不具有还原性，而麦芽糖具有还原性，可联系的内容有：还原性糖(还有果糖)与非还原性糖的鉴定；②水解反应，蔗糖水解生成一分子葡萄糖和一分子果糖，而麦芽糖水解生成两分子葡萄糖，可联系的内容有：蔗糖不具有还原性，而它的水解产物具有还原性。
(3)淀粉的化学性质。①跟碘作用呈现蓝色，可联系的内容有：用碘液检验淀粉；②水解反应，可联系的内容有：食物中淀粉的化学性消化的过程，工业上用硫酸等无机酸作催化剂水解制葡萄糖。
(4)纤维素的化学性质:水解反应；
3．糖类的功能：是生物体进行生命活动的主要能源物质。
4．绿色植物体内糖类的代谢
可联系的内容有：光合作用的概念、反应式、过程，叶片遮光实验，适当提高温室内CO2的浓度，有氧呼吸和无氧呼吸的概念、反应式、过程，中耕松土，种子的储藏，蔬菜的保鲜。
5．人和动物体内糖类的代谢
可联系的内容有：糖类的化学性消化过程及部位，葡萄糖被吸收的方式、途径，葡萄糖在细胞内的代谢，血糖的正常值，低血糖症、高血糖症和糖尿病血糖浓度的范围，高等动物和人体在剧烈运动时细胞呼吸的产物、能量，北京鸭等饲养动物的肥育过程，糖代谢与蛋白质代谢、脂肪代谢的关系。
6．人体内血糖平衡的调节
可联系的内容有：血糖的平衡及其意义，参与血糖平衡调节的主要激素及其作用，参与血糖平衡的神经——激素调节的具体过程，低血糖的病症、病因及其防治，糖尿病的诊断、病症、病因及其防治。
7．生物学意义
①糖类是构成生物体的重要成分，也是细胞的主要能源物质；②淀粉和糖元分别是植物和动物细胞中储藏能量的物质，纤维素是植物细胞壁的成分。
4、脂质 （元素组成：C、H、O等有的还含N、P）
种 类 举 例 主 要 功 能
脂 肪
（储存脂质） 脂肪
（仅含C、H、O） 储存能量、维持体温、保护内脏（生物体内重要的储能物质）
类 脂
（结构脂质） 磷脂 是细胞膜等膜结构的重要成分
固 醇
（功能脂质） 性激素 促进生殖器官的发育和生殖细胞的生成，激发并维持
动物的第二性征
胆固醇 是细胞膜的重要成分，参与血液中脂质的运输
维生素D 促进小肠对Ca、P的吸收和利用，促进骨的正常钙化
脂肪：所含C、H的比例高，完全氧化分解，所需氧气多，产生的水也多，释放的能量也多。
5、蛋白质
1）化学元素组成：C、H、O、N（少量含P、S）。
2）相对分子质量：高分子化合物。
3) 基本组成单位：氨基酸 大约有二十多种。
氨基酸之间是通过一种叫做脱水缩合的化学反应来完成连接的。
氨基酸的结构通式
脱水缩合 盘曲折叠
氨基酸——→肽链（一条或多条）———→蛋白质。
4) 蛋白质结构多样性的原因：
相关计算：多肽的种类、蛋白质分子量、肽键和水分子个数、氨基，羧基个数及写法等。
5) 蛋白质功能的多样性
构成细胞和生物体的重要物质，如肌肉主要成分是蛋白质；
催化作用， 如唾液淀粉酶等；
运输作用，如血红蛋白；调节作用，如胰岛素等；
免疫作用，如抗原，抗体等。
※蛋白质专题
1．教材中和蛋白质有关的知识点归纳：
2．自然界常见蛋白质的成分
(1)大部分酶：酶是活细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物，除少数的酶是RNA外，绝大多数的酶是蛋白质。
(2)部分激素：如胰岛素、生长激素，其成分为蛋白质。
(3)载体：位于细胞膜上，在物质运输过程中起作用，其成分为蛋白质。
(4)抗体：指机体受抗原刺激后产生的，并且能与该抗原发生特异性结合的具有免疫功能的球蛋白。
主要分布于血清中，也分布于组织液等细胞外液中。
(5)抗毒素：属于抗体，成分为蛋白质。一般指用外毒素给动物注射后，在其血清中产生的能特异性中和外毒素毒性的成分。
(6)凝集素：属于抗体，成分为蛋白质。
指用细菌给动物注射后，在其血清中产生的能使细菌发生特异性凝集的成分。另外，人体红细胞膜上存在不同的凝集原，血清中则含有相应种类的凝集素。
(7)部分抗原：引起机体产生抗体的物质叫抗原，某些抗原成分是蛋白质。如红细胞携带的凝集原、决定病毒抗原特异性的衣壳，其成分都是蛋白质。
(8)神经递质的受体：突触后膜上存在的一些特殊蛋白质，能与一定的递质发生特异性的结合，从而改变突触后膜对离子的通透性，激起突触后膜神经元产生神经冲动或发生抑制。
(9)朊病毒：近年来发现的，其成分为蛋白质，可导致疯牛病等。
(10)糖被：位于细胞膜的外表面，由蛋白质和多糖组成，有保护、润滑、识别等作用。
(11)单细胞蛋白：指通过发酵获得的大量微生物菌体。可用作饲料、食品添加剂、蛋白食品等。
(12)丙种球蛋白：属于被动免疫生物制品。
(13)细胞色素C：是动、植物细胞线粒体中普遍存在的一种呼吸色素，由一条大约含有110个氨基酸的多肽链组成。
(14)血浆中的纤维蛋白原和凝血酶原：均为蛋白质。在凝血酶原激活物的作用下，凝血酶原转变成凝血酶，在凝血酶的作用下纤维蛋白原转变成不溶性纤维蛋白，起到止血和凝血作用。
(15)血红蛋白：存在于红细胞中的含Fe2 的蛋白质。其特性是在氧浓度高的地方与氧结合，在氧浓度低的地方与氧分离。
(16)肌红蛋白：存在于肌细胞中，为肌细胞储存氧气的蛋白质。
(17)干扰素：由多种细胞产生的具有广泛的抗病毒、抗肿瘤和免疫调节作用的可溶性糖蛋白。
正常情况下组织或血清中不含干扰素，只有在某些特定因素的作用下，才能使细胞产生干扰素。
(18)动物细胞间质：主要含有胶原蛋白等成分，在进行动物细胞培养时，用胰蛋白酶处理才能获得单个细胞。
(19)含蛋白质成分的实验材料：黄豆研磨液、豆浆、蛋清、蛋白胨、牛肉膏等。
3．蛋白质的化学组成和结构
(1)化学组成和结构可表示为下图。
可联系的内容有：组成蛋白质的化学元素、基本单位；氨基酸的概念、种类、结构通式、缩合成肽的过程；必需氨基酸和非必需氨基酸；氨基酸数和控制合成蛋白质的基因中碱基数的关系；镰刀型细胞贫血症的病症、病因；由肽链形成蛋白质的空间结构；有关蛋白质相对分子质量的计算。
(2)结构特点——多样性。
4．蛋白质的性质
(1)两性。可联系的内容是：蛋白质分子结构中有游离的一NH2和一C00H。(2)盐析。可联系的内容是：蛋白质分子直径为10-7m～10-9m，具有胶体的性质；蛋白质的分离和提纯。
(3)变性。可联系的内容是：高温消毒灭菌；重金属盐能使蛋白质凝结，使人中毒。(4)水解反应。可联系的内容是：人体内蛋白质的消化过程。(5)显色反应。可联系的内容是：蛋白质与双缩脲试剂发生作用，可产生紫色反应；一般有苯环存在的蛋白质分子与浓硝酸作用时产生黄色反应。
(6)被灼烧时，产生烧焦羽毛般的气味。可联系的内容是：毛织品、真丝织品及羊角梳鉴定。 5．蛋白质的功能
(1)构成细胞和生物体的重要物质。(2)调节细胞和生物体新陈代谢的重要物质。可联系的内容有：酶的化学本质——绝大多数的酶是蛋白质；酶的特性，酶受温度和pH的影响；胰岛素的产生及其主要生理作用；生长激素的产生及其主要生理作用。
(3)其他作用。可联系的内容有：运载作用——载体；免疫作用——抗体；运输作用——血红蛋白；运动作用——肌肉蛋白。
6．蛋白质的代谢
蛋白质的代谢，可用下图表示。
可联系的内容有：蛋白质的化学性消化过程及部位；氨基酸被吸收的方式、途径；蛋白质的中间代谢(在细胞内)；蛋白质代谢与糖代谢、脂肪代谢之间的关系。
7．蛋白质的应用
(1)生物学意义——没有蛋白质就没有生命。
(2)工业上有广泛的用途，可联系的内容有：动物的毛和蚕丝的成分都是蛋白质，它们是重要的纺织原料；动物的皮经过鞣制后，可加工成柔韧的皮革；白明胶是用骨和皮等熬煮而的，可用来制造照相感光片和感光纸；牛奶中的蛋白质一一酪素除做食品外，还能和甲醛合成酪素塑料；酶的主要成分是蛋白质，酶广泛应用于食品、纺织、医药、制革、试剂工业上。
6、核酸
（1）基本元素组成 C、H、O、N、P 。
（2）基本组成单位是 核苷酸 （一分子含氮碱基、
一分子五碳糖、一分子磷酸）
（3）种类：DNA、RNA 。
（4）核酸是一切生物体的遗传物质，对于生物体的 遗传变异和蛋白质的生物合成有极其重要的作用。
（5）分布：
DNA：主要分布在细胞核中和蛋白质构成染色体
（原核细胞中的拟核，无染色体）
细胞质的线粒体和叶绿体中。
（原核细胞的质粒）
RNA：主要分布在细胞质中（mRNA、tRNA、rRNA）细胞质基质、线粒体、叶绿体和核糖体中。
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