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（二）蛋白质
蛋白质具有催化作用、运输作用和贮存作用、结构和机械支持作用、收缩或运动功能、免疫防护功能、调节作用。
2．组成元素和基本组成单位
蛋白质主要由C、H、O、N四种元素组成，多数还含有S。
基本组成单位是氨基酸，其通式为
。
组成天然蛋白质的氨基酸约有20种，都是L型的α氨基酸。
氨基酸与氨基酸之间可以发生缩合反应，形成的键为肽键。
肽是两个以上氨基酸连接起来的化合物。
两个氨基酸连接起来的肽叫二肽，三个氨基酸连接起来的肽叫三肽，多个氨基酸连接起来的肽叫多肽。
多肽都有链状排列的结构，叫多肽链。
蛋白质就是由一条多肽链或几条多肽链集合而成的复杂的大分子。
3．结构
蛋白质结构分一、二、三、四级结构。
在蛋白质分子中，不同氨基酸以一定数目和排列顺序编合形成的多肽链是蛋白质的一级结构。
蛋白质分子的高级结构决定于它的一级结构，其天然构象（四级结构）是在一定条件下的热力学上最稳定的结构。
4．变性
蛋白质受到某些物理或化学因素作用时引起生物活性的丧失、溶解度降低以及其他物理化学因素的改变，这种变化称为蛋白质的变性。
变性的实质是由于维持高级结构的次级键遭到破坏而造成的天然构象的解体，但未涉及共价键的破坏。
有些变性是可逆的（能复性），有些则不可逆。
（三）核酸
核酸是遗传信息的载体，存在于每一个细胞中。
核酸也是一切生物的遗传物质，对于生物体的遗传性、变异性和蛋白质的生物合成有极其重要的作用。
2．种类
核酸分DNA和RNA两大类。
所有生物细胞都含有这两大类核酸（病毒只含有DNA或RNA）。
3．组成元素及基本组成单位
核酸是由C、H、O、N、P等元素组成的高分子化合物。
其基本组成单位是核苷酸。
每个核酸分子是由几百个到几千个核苷酸互相连接而成的。
每个核苷酸含一分子碱基、一分子戊糖（核糖或脱氧核糖）及一分子的磷酸组成。
5’﹣腺瞟吟核苷酸（5’﹣AMP）
3’﹣胞嘧啶脱氧核苷酸（3’﹣dCMP）
DNA的碱基有四种（A、T、G、C），RNA的碱基也有四种（A、U、G、C）。
这五种碱基的结构式如下图所示：
DNA中碱基的百分含量一定是A＝T、G＝C，不同种生物的碱基含量不同。
RNA中A﹣U、G﹣C之间并没有等当量的关系。
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）胸腺嘧啶（T）尿嘧啶（U）胞嘧啶（C）
4．结构
DNA一级结构中核苷酸之间唯一的连接方式是3’、5’﹣磷酸二酯键，如下图所示。
所以DNA的一级结构是直线形或环形的结构。
DNA的二级结构是由两条反向平行的多核音酸链绕同一中心轴构成双螺旋结构。
（四）脂类
脂类是生物体内一大类重要的有机化合物，由C、H、O三种元素组成，有的（如卵磷脂）含有N、P等元素，不溶于水，但溶于乙醚、苯、氯仿和石油醚等有机溶剂。
脂类是构成生物膜的重要成分；
是动植物的贮能物质；
在机体表面的脂类有防止机械损伤和水分过度散失的作用；
脂类与其他物质相结合，构成了细胞之间的识别物质和细胞免疫的成分；
某些脂类具有很强的生物活性。
（l）脂肪
也叫中性脂，一种脂肪分子是由一个甘油分子中的三个羟基分别与三个脂肪酸的末端羟基脱水连成酯键形成的。
脂肪是动植物细胞中的贮能物质，当动物体内直接能源过剩时，首先转化成糖元，然后转化成脂肪。
在植物体内就主要转化成淀粉，有的也能转化成脂肪。
（2）类脂
包括磷脂和糖脂，这两者除了包含醇、脂肪酸外，还包含磷酸、糖类等非脂性成分。
含磷酸的脂类衍生物叫做磷酯，含糖的脂类衍生物叫做糖脂。
磷脂和糖脂都参与细胞结构特别是膜结构的形成，是脂类中的结构大分子。
（3）固醇
又叫甾醇，是含有四个碳环和一个羟基的烃类衍生物，是合成胆汁及某些激素的前体，如肾上腺皮质激素、性激素。
有的固醇类化合物在紫外线作用下会变成维生素D。
在人和动物体内常见的固醇为胆固醇。
（五）水和无机盐
1．水
水是细胞的重要成分，一般发育旺盛的幼小细胞中含水量较大，生命活力差的细胞组织中含水量较小，休眠的种子和孢子中含水量一般低于10％。
水的作用有：
水是代谢物质的良好溶剂，水是促进代谢反应的物质，水参与原生质结构的形成，水有调节各种生理作用的功能。
2．无机盐
它在体内通常以离子状态存在，常见的阳离子有K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Fe3＋等；
常见的阴离子有Cl－、SO42－、PO43－、HPO42－、H2PO4－、HCO3－等。
各种无机盐离子在体液中的浓度是相对稳定的，其主要作用有：
维持渗透压，维持酸碱平衡，特异作用等。
【解题指导】
例l
一个蛋白质分子有5条肽链，由1998个氨基酸组成，那么形成该蛋白质分子过程中生成的水分子个数和含有的肽键数分别是多少？
析
氨基酸通过脱水缩合形成多肽，在一条由n个氨基酸组成的多肽链中，形成的肽键个数＝生成的水分子个数＝n－l。
同理，在由多条肽链组成的蛋白质中，形成肽键数目＝组成该蛋白质分子的氨基酸数目－该蛋白质分子中肽链条数。
所以，此题中生成水分子数和含有的肽键数都应是1998－5＝1993。
例2
肾上腺皮质细胞产生的激素其结构与以下哪一种物质结构相似？
A
血红蛋白
B
胆固醇
C
酪氨酸
D
肾上腺素
激素依化学成分分成两类，一类是由肾上腺皮质分泌的激素统称肾上腺皮质激素，属于类固醇激素；
另一类属于含氮物质激素，包括蛋白质、多肽（胰岛素、甲状分腺素）和胺类（肾上腺素、甲状腺激素）。
上题中胆固醇是一种固醇类化合物，所以肾上腺皮质分泌的激素与胆固醇的结构相似。
答案选B。
【巩固练习】
1．关于病毒遗传物质的叙述，正确的一项是
都是脱氧核糖核酸B
都是核糖核酸
C
同时存在脱氧核糖核酸和核糖核酸D
有的是脱氧核糖核酸，有的是核糖核酸
2．构成细胞内生命物质的主要有机成分是
蛋白质和核酸
水和蛋白质C
蛋白质和无机盐
水和核酸
3．组成核酸和核糖核酸的核酸的种类分别有
8种和2种
4种和4种
5种和4种
8种和4种
4．一个含有6个肽键的多肽，组成它的氨基酸以及至少应有的氨基和羧基的数目分别是
6、1、1
7、1、1
6、6、6
7、6、6
5．当动物体内直接能源物质过剩时，一般情况下，首先转化为
葡萄糖
B
麦芽糖
脂肪
糖元
（六）细胞内能合流通的物质——ATP
1．ATP的结构
ATP（三磷酸腺苷）是各种活细胞内普遍存在的一种高磷酸化合物（水解时释放的能量在20～92kJ／mol的磷酸化合物）。
ATP的分子简写成A－P～P～P，A代表由腺嘌呤和核糖组成的腺苷，P代表磷酸基团，～代表高能磷酸键。
ATP中大量化学能就贮存在高能磷酸键中。
ATP结构中的3个磷酸（Pi）可依次移去而生成二磷酸腺苷（ADP）和一磷酸腺苷（AMP），如下图：
2．ATP的作用
ATP水解时释放出的能量，是生物体维持细胞分裂、根吸收矿质元素离子和肌肉收缩等生命活动所需能量的直接来源，是细胞内能量代谢的“流通货币”。
在动物肌肉或其他兴奋性组织中，还有一种高能磷酸化合物即磷酸肌酸，它也是高能磷酸基的贮存者，其中的能量要兑换成“流通货币”才能发挥作用。
如图下图所示磷酸肌酸与ATP关系。
（七）NAD＋和NADP＋
NAD＋又叫辅酶Ⅰ，全称烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；
NADP＋又叫辅酶Ⅱ，全称烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。
它们都是递氢体，能从底物里取得电子和氢。
NAD＋和NADP＋都是以分子中的烟酰胺部分来接受电子的，所以烟酰胺是它们的作用中心。
接受电子的过程如下图所示：
这里虽然从底物脱下来的两个电子都被接受了，但脱下来的两个氢原子却只有一个被接受，剩下的一个质子H暂时被细胞的缓冲能力接纳下来，留待参与其他反应。
因此，NAD＋和NADP＋的还原形式被写作NADH和NADPH。
例
如果说光合作用中光反应的产物只有ATP、氧气和氢，是否正确？
为什么？
不正确。
因为在光反应中水分子被分解，产生的氧原子结合成氧气被释放，而氢则与NADP＋结合生成NADPH，NADP＋和ATP共同为暗反应所必需的还原剂。
6．在ATP转变成ADP的过程中，
能量；
在ADP转变成ATP的过程中，ADP
物质代谢释放的能量，贮藏备用。
这些转变都必须有
参加。
7．关于人体细胞内ATP的描述，正确的是
ATP主要在线粒体中生成B
它含有三个高能磷酸键
ATP转变为ADP的反应是不可逆的D
细胞内贮有大量ATP，以满足生理活动需要
8．光合作用光反应的产物是
CO2、ATP、NADH＋H＋B
淀粉、CO2、NADPH＋H＋
蔗糖、O2、CO2D
ATP、O2、NADPH＋H＋
9．下列三组物质中，光合碳循环所必需的一组是
叶绿素、类胡萝卜素、CO2B
CO2、NADPH、ATP
CO2、H2O、ATPD
叶绿素、NAD＋、ATP
【习题精选】
10．生物和非生物最根本的区别在于生物体
具有严谨的结构B
通过一定的调节机制对刺激发生反应
通过新陈代谢进行自我更新D
具有生长发育和产生后代的特性
11．若组成蛋白质的氨基酸分子的平均相对分子质量为130，则一条由160个氨基酸形成的多肽，其相对分子质量为
17938
19423
24501
28018
12．某一多肽链内共有肽健109个，则此分子中含有的－NH2和COOH的数目至少为
110、110
109、109
9、9
1、1
13．生物界在基本组成上的高度一致性表现在
①组成生物体的化学元素基本一致②各种生物体的核酸都相同③构成核酸的碱基都相同
④各种生物体的蛋白质都相同⑤构成蛋白质的氨基酸都相同
①②④
①③⑤
③④⑤
①②③
14．
以上的核着酸链是
DNA
rnRNA
tRNA
dZNrx
15．下列物质中，不是氨基酸的是
16．如果将上题中的三种氨基酸缩合成化合物，那么该化合物含有的氨基、羧基、肽键的数目依次是
2、2、2
2、3、2
3、4、3
4、3、3
17．血红蛋白分子中含有四条多肽链，共由574个氨基酸构成，那么该分子中含有的肽键数应是
570
573
574
578
18．下列各项不属于脂类物质的是
生长激素
维生素D
性激素
肾上腺皮质激素
19．活细胞内进行生命活动所需要的能量直接来自
ATP的水解
B
葡萄糖的水解
淀粉的水解
脂肪的水解
20．在下列化合物中，构成蛋白质的碱性氨基酸是
21．当生物体新陈代谢旺盛，生长迅速时，生物体内
结合水／自由水的比值与此无关B
结合水／自由水的比值会升高
结合水／自由水的比值会降低D
结合水／自由水的比值会不变
22．下列物质中，对维持人体体液平衡，物质运输，出血时血液凝固等生理功能都有重要作用的是
蛋白质
维生素
脂肪
23．人和动物乳汁中特有的二糖水解后的产物是
一分子葡萄糖和一分子果糖
一分子果糖和一分子半乳糖
一分子半乳糖和一分子葡萄糖
D
二分子葡萄糖
【参考答案】
1．D
2．A
3．D
4．B
5．D
6．释放、储存、酶
7．A
8．D
9．B
10．C
11．A
12．D
13．B
14．A
15．D
16．A
17．A
18．A
19．A
20．A
21．C
22．A
23．C
第二章
细胞生物学
细胞生物学是现代生物学的重要组成部分，这部分知识在国际IBO竞赛纲要中占据了比较大的比例。
（一）细胞生物学的发展
1．细胞的发现
1665年英国物理学家罗伯特·
虎克用他自制的显微镜观察栓皮栎的软木切片时，看到了一个个蜂窝状的小室。
他把这样的“小室”称为细胞。
其实，他所看到的是植物细胞死亡后留下来的细胞空腔，是一个死细胞。
尽管如此，虎克的工作还是使生物学的研究进入了微观领域。
此后，许多人在动、植物中都看到和记载了细胞构造的轮廓。
2．细胞学说的建立
自虎克发现细胞之后约170年，到1839年创立了细胞学说。
在这期间内，人们对动物、植物细胞及其内含物进行了较为广泛的研究，积累了大量的资料。
直到19世纪30年代已有人注意到植物和动物在结构上存在某种一致性，它们都是由细胞所组成的。
在这一背景下，德国植物学家施莱登于1838年提出了细胞学说的主要论点，次年又经德国动物学家施旺加以充实，最终创立了细胞学说。
细胞学说的主要内容是：
细胞是动、植物有机体的基本结构单位，也是生命活动的基本单位。
这样，就论证了整个生物界在结构上的统一性，细胞把生物界的所有物种都联系起来了，生物彼此之间存在着亲缘关系。
这是对生物进化论的一个巨大的支持。
细胞学说的建立有力地推动了生物学的发展，为辩证唯物论提供了重要的自然科学依据，恩格斯对此评价很高，把细胞学说誉为19世纪自然科学的三大发现之一。
3．细胞学的发展
进入本世纪以来，染色方法的改进，高速离心机的应用，特别是电镜的问世和放射性同位素的应用等，已使细胞生物学发展进入了较高的层次。
从1953年开始，逐渐兴起在分子水平上探讨生命奥秘的分子生物学。
分子生物学取得的卓越成就对细胞学的发展是一个巨大的推动。
细胞学逐渐发展成从显微水平、亚显微水平和分子水平三个层次上深入探讨细胞生命活动的学科。
（二）细胞的形态与大小
1．细胞的形状
一个细胞与其他细胞分离而单独存在时，称游离细胞。
游离细胞常呈球形或近于球形。
但实际上由于细胞表面张力或原生质粘度的不均一性等原因，很多单独存在的游离细胞并不呈球状。
例如，动物的卵细胞、植物的花粉母细胞是球状或近于球状的细胞，人的红细胞呈扁圆状，某些细菌呈螺旋状，精子和许多原生动物具有鞭毛或纤毛，变形虫和白血球等为不定形细胞。
许多细胞构成组织，这样的细胞称组织细胞。
组织细胞的形状受相邻细胞的制约，并和细胞的生理功能有关。
例如肌肉细胞适于伸缩，神经细胞适于接受刺激、产生兴奋、传导兴奋。
2．细胞的大小
细胞的体积很小，肉眼一般是看不见的，需要借助显微镜才能看到。
在显微技术和电镜技术中常用的单位有：
微米（μm或μ）、纳米（又叫毫微米nm）和埃三种。
1m＝102cm＝106μm＝109Å
细胞的直径多在10μm～100μm之间。
有的很小，如枝原体，其直径为0.1μm～0.2μm，是最小的细胞。
细菌的直径一般只有1μm～2μm。
有的细胞较大，如番茄、西瓜的果肉细胞直径可达1mm；
棉花纤维细胞长约1cm～5cm；
最大的细胞是鸟类的卵（鸟类的蛋只有其中的蛋黄才是它的细胞，卵白是供发育用的营养物质，不屑于细胞部分），如鸵鸟蛋卵黄的直径可达5cm。
细胞的大小与生物体的大小没有相关性。
参天的大树与新生的小苗；
大象与昆虫，它们的细胞大小相差无几。
鲸是最大的动物，但是它的细胞并不大，生物体积的加大，主要是细胞数目的增多造成的。
（三）原核细胞和真核细胞
构成生物体的细胞可以分成两类：
原核细胞和真核细胞。
原核细胞代表原始形式的细胞，结构简单，只有一些低等的生物，如细菌、蓝藻、放线菌、枝原体等是由原核细胞构成的。
真核细胞结构复杂，大多数生物都是由真核细胞所构成。
1．原核细胞
原核细胞外部由质膜包围，质膜的结构与化学组成和其核细胞相似。
在质膜之外还有一层坚固的细胞壁保护。
原核细胞壁的化学组成与真核细胞不同，是由一种叫胞壁质的蛋白多糖所组成，少数原核细胞的壁还含有其他多糖和类脂，有的原核细胞壁外还有胶质层。
原核细胞内有一个含DNA的区域，称类核或拟核。
类核外面没有核膜，只由一条DNA构成。
这种DNA不与蛋白质结合形成核蛋白。
原核细胞中没有内质网、高尔基体、线粒体和质体等，但有核糖体和中间体。
核糖体分散在原生质中，是蛋白质合成的场所。
中间体是质膜内陷形成的复杂的褶叠构造，其中有小泡和细管样结构。
有些原核细胞含有类囊体等结构。
类囊体具有光合作用功能。
在原核细胞中还有糖原颗粒、脂肪滴和蛋白颗粒等内含物（见右图）。
1．DNA
2．核糖体
3．细胞壁4．细胞膜
2．真核细胞
真核细胞结构比原核细胞复杂，在同一个多细胞体内，功能不同的细胞，其形态结构也有不同。
在真核细胞中，动物细胞和植物细胞也有重要区别。
动物细胞质膜外无细胞壁，无明显的液泡。
此外，在细胞核的附近有中心粒，在细胞有丝分裂时，发出星状细丝，称为星体。
植物细胞和动物细胞的主要区别是：
植物细胞具有质体；
其次，植物细胞的质膜外被细胞壁，相邻细胞间有一层胶状物粘合作用，称中层或胞间层。
在两个相邻细胞间的壁上，有原生质丝相连，称胞间连丝，使细胞间互相沟通。
最后在植物的分化细胞中往往有大液泡。
原核细胞和真核细胞的主要区别比较如下：
原核细胞与真核细胞结构的主要区别
原核细胞
真核细胞
细胞大小
很小（1～10微米）
较大（10～100微米）
细胞核
无膜（称“类核”）
有膜
遗传系统
DNA不与蛋白质结合
一个细胞只有一条DNA
核内的DNA与蛋白质结合，形成染色质（染色体）
一个细胞有两条以上染色体
细胞质
无内质网
无高尔基体
无溶酶体
无线粒体
仅有功能上相近的中间体
无叶绿体，但有的原核细胞有类囊体
一般无微管、无微丝
无中心粒
有内质网
有高尔基体
有溶酸体
有线粒体
有叶绿体（植物细胞）
有微管、微丝
在中心粒（动物细胞）
细胞壁
主要由胞壁质组成
主要由纤维素组成
（四）真核细胞的亚显微结构
我们通常把光镜下看到的结构称为细胞的显微结构。
光镜可以把物体放大几百倍到一千多倍，分辨的最小极限达到0.2微米，是肉眼分辨率的1000倍。
电子显微镜下看到的结构，一般称为亚显微结构。
亚显微结构水平能将分辨率提高到甚至几个埃，放大倍数可达到几十万倍，能使人们对于细胞结构的研究取得更多进展。
1．细胞膜
细胞膜即细胞质膜，它不仅是细胞与外界环境的分界层，而重要的是它控制着细胞内外的物质交换。
此外，在真核细胞内还有丰富的膜系统。
它们组成具有各种特定功能的细胞器和亚显微结构。
例如，线粒体、叶绿体、高尔基体、溶酶体、细胞核、内质网等都是由膜围成的，有的并由膜构成内部的复杂结构。
细胞膜和内膜系统以及线粒体膜、叶绿体膜等统称为“生物膜”。
生物膜对细胞的一系列催化过程的有序反应和整个细胞的区域化提供了一个必需的结构基础。
（1）质膜的化学组成
细胞膜主要由脂类和蛋白质组成，蛋白质约占膜干重的20%～70%，脂类约占30%～80%，此外还有少量的糖类。
不同细胞的细胞膜中各成分的含量出膜的功能而有所不同。
构成质膜的脂类中有磷脂、糖脂和类固醇等，其中以磷脂为主要组分。
磷脂主要由脂肪酸、磷酸和甘油组成。
（见下图）它是兼性分子，既有亲水的极性部分，又有流水的非极性部分，磷脂分子的构形是一个头部和两条尾巴。
这种一头亲水，一头疏水的分子称为兼性分子。
糖脂和胆固醇也都属于兼性分子。
一般地说，功能多而复杂的生物膜蛋白质比例大。
相反，膜功能越简单，所含蛋白质的种类越少。
例如，神经髓鞘主要起绝缘作用，蛋白质的只有三种，与类脂的重量比仅为0.23。
线粒体内膜则功能复杂，因此含有蛋白质的种类约30种～40种，蛋白质与类脂的比值达3.2之多。
构成质膜的蛋白质（包括酶）的种类很多，这和不同种类细胞的质膜功能有关，少者几种，多者可能有数十种。
由于分离提纯困难，迄今提纯的膜蛋白还为数不多。
从分布位置看，质膜的蛋白质可分为两大类。
一类只是与膜的内外表面相连，称为外在性蛋白或周缘蛋白。
另一类嵌入双脂质内部，有的甚至还穿透膜的内外表面，称为内在性蛋白。
分高外在性蛋白比较容易，但内在性不易分一般外在性蛋白占全部胰蛋白的比例较小，而内在性蛋白所占的比例较大。
质膜中的多糖主要以糖蛋白和糖脂的形式存在。
一般认为，多糖在接受外界刺激的信息方面有重要作用。
（2）质膜的分子结构模型
关于质膜的分子结构，有许多不同的模型，其中受到广泛支持的是“流动镶嵌模型”。
其主要特点有两个：
一是强调了膜的流动性。
认为脂类的双分子层或者膜的蛋
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