高中生物必修一《分子与细胞》核心思维导图

中心主题：分子与细胞

第一部分：走进细胞

• 1 从生物圈到细胞

  • 生命活动离不开细胞
    • 细胞是生物体结构和功能的基本单位
      • 单细胞生物：一个细胞就是一个完整的个体 (如：草履虫、酵母菌)。
      • 多细胞生物：依赖各种分化的细胞密切合作，共同完成复杂的生命活动 (如：人体)。
    • 病毒
      • 结构：简单,由蛋白质外壳和内部的遗传物质构成。
      • 特点：无细胞结构，不能独立生活,必须寄生在活细胞内才能增殖。
      • 病毒的生命活动也离不开细胞。
  • 生命系统的结构层次
    • 层次（由小到大）：细胞 → 组织 → 器官 → 系统 → 个体 → 种群 → 群落 → 生态系统 → 生物圈。
    • 注意：
      • 细胞是基本层次。
      • 植物没有“系统”层次。
      • 单细胞生物的细胞层次就是个体层次。
      • 种群：在特定区域内,同种生物个体的总和。
      • 群落：在特定区域内,所有种群的总和。

• 2 细胞的多样性和统一性

  • 细胞的统一性
    • 基本结构相似：所有细胞都拥有细胞膜、细胞质和遗传物质。
    • 遗传物质统一：绝大多数生物的遗传物质是DNA。
  • 细胞的多样性
    • 根据有无核膜：
      • 真核细胞：有以核膜为界限的细胞核。 (绝大多数动植物、真菌)
      • 原核细胞：没有核膜，遗传物质集中在拟核区。 (细菌、蓝藻)
    • 原核细胞 vs 真核细胞 | 特征 | 原核细胞 | 真核细胞 | | :--- | :--- | :--- | | 本质区别 | 无核膜 | 有核膜 | | 细胞核 | 拟核 (无核膜、核仁) | 细胞核 (有核膜、核仁) | | 遗传物质 | 环状DNA，位于拟核 | 线性DNA，与蛋白质结合成染色体 | | 细胞器 | 只有核糖体 | 有多种细胞器 (线粒体、叶绿体等) | | 代表生物 | 细菌、蓝藻 | 动物、植物、真菌 |
  • 细胞的发现与学说
    • 细胞学说的建立者：施莱登和施旺。
    • 细胞学说的内容：
      1. 细胞是一个有机体,一切动植物都由细胞发育而来。
      2. 细胞是一个相对独立的单位，既有它自己的生命,又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用。
      3. 新细胞可以从老细胞中产生。

第二部分：组成细胞的分子

• 1 细胞中的元素和化合物

  • 组成细胞的元素
    • 大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg (谐音：洋人探亲，丹留人盖美家)。
    • 微量元素：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo (谐音：猛铁碰新木桶)。
    • 最基本元素：C (构成有机物的基本骨架)。
    • 主要元素：C、H、O、N (占细胞鲜重的97%以上)。
  • 组成细胞的化合物
    • 无机物：水、无机盐。
    • 有机物：糖类、脂质、蛋白质、核酸。
    • 含量关系：鲜重下，水 > 蛋白质 > 脂质 > 糖类；干重下，蛋白质 > 脂质 > 糖类。

• 2 生命活动的主要承担者——蛋白质

  • 元素组成：C、H、O、N (有些含S)。
  • 基本单位——氨基酸
    • 结构通式：中心碳原子连接一个氨基(-NH₂)、一个羧基、一个氢原子和一个R基。
    • 特点：至少含有一个氨基和一个羧基,且连在同一个碳原子上。
    • 种类：约20种，分为必需氨基酸（人体不能合成）和非必需氨基酸。
  • 蛋白质的结构
    • 形成过程：氨基酸 → 脱水缩合 → 二肽 → 多肽 → 盘曲折叠 → 蛋白质。
    • 化学键：肽键 (-CO-NH-)。
    • 结构多样性原因：
      1. 氨基酸种类不同。
      2. 氨基酸数目成百上千。
      3. 氨基酸排列顺序千变万化。
      4. 肽链盘曲折叠方式及其形成的空间结构千差万别。
  • 蛋白质的功能
    • 结构蛋白：如肌肉、头发、羽毛中的胶原蛋白、角蛋白。
    • 催化功能：酶。
    • 运输功能：如血红蛋白运输氧气。
    • 免疫功能：如抗体。
    • 调节功能：如胰岛素、生长激素。

• 3 遗传信息的携带者——核酸

  • 种类与分布
    • 脱氧核糖核酸：主要存在于细胞核中,少量在线粒体和叶绿体中。
    • 核糖核酸：主要存在于细胞质中。
  • 基本单位——核苷酸
    • 结构：一分子磷酸 + 一分子五碳糖 + 一分子含氮碱基。
    • 种类：
      • 脱氧核苷酸 (含脱氧核糖)：A, T, C, G。
      • 核糖核苷酸 (含核糖)：A, U, C, G。
  • 核酸的功能
    • 携带遗传信息：DNA是主要的遗传物质。
    • 控制蛋白质合成：通过转录和翻译过程。

• 4 细胞中的糖类和脂质

  • 糖类
    • 功能：主要的能源物质,构成细胞结构。
    • 分类：
      • 单糖：不能水解，是基本单位，如葡萄糖 (重要能源)、果糖、核糖。
      • 二糖：两分子单糖脱水缩合，如蔗糖 (植物)、乳糖 (动物)、麦芽糖 (植物)。
      • 多糖：多个单糖脱水缩合，如淀粉 (植物储能物质)、纤维素 (植物细胞壁主要成分)、糖原 (动物储能物质)。
  • 脂质
    • 功能：储能、构成细胞膜、调节生命活动。
    • 分类：
      • 脂肪：主要储能物质，保温,缓冲减压。
      • 磷脂：构成细胞膜和细胞器膜的重要成分。
      • 固醇：包括胆固醇 (构成膜)、性激素 (调节)、维生素D (促进钙吸收)。

• 5 细胞中的无机物

  • 水
    • 含量：活细胞中含量最多的化合物。
    • 存在形式：
      • 自由水：良好溶剂，参与化学反应,运输营养物质。
      • 结合水：是细胞结构的重要组成部分。
    • 关系：自由水/结合水比值高，代谢旺盛，抗逆性差；反之，则代谢缓慢,抗逆性强。
  • 无机盐
    • 存在形式：离子态 (如Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻, HCO₃⁻)。
    • 功能：
      • 复杂化合物的成分：如Fe是血红蛋白的成分,Mg是叶绿素的成分。
      • 维持细胞和生物体的生命活动：如维持渗透压、酸碱平衡。
      • 维持细胞的形态和功能。

第三部分：细胞的基本结构

• 1 细胞膜——系统的边界

  • 成分：脂质 (约50%，主要是磷脂)、蛋白质 (约40%)、少量糖类 (约2%-10%)。
  • 结构模型：流动镶嵌模型
    • 磷脂双分子层：基本骨架,具有流动性。
    • 蛋白质：有的镶在表面，有的部分或全部嵌入，有的贯穿其中,大多数也是可以流动的。
  • 功能：
    1. 将细胞与外界环境分隔开。
    2. 控制物质进出 (选择透过性)。
    3. 进行细胞间的信息交流 (如：糖蛋白)。

• 2 细胞器——系统内的分工合作

  • 双层膜结构：
    • 线粒体：“动力车间”，进行有氧呼吸的主要场所,含少量DNA。
    • 叶绿体：“能量转换站”和“养料制造车间”，光合作用的场所，含少量DNA和色素。 (主要存在于植物细胞)
  • 单层膜结构：
    • 内质网：蛋白质合成和加工，以及脂质合成的“车间”。
    • 高尔基体：对来自内质网的蛋白质进行加工、分类和包装的“发送站”和“车间”,与植物细胞壁的形成有关。
    • 溶酶体：“消化车间”，含多种水解酶，分解衰老、损伤的细胞器,吞噬并杀死病毒或病菌。
    • 液泡：存在于成熟植物细胞中，调节细胞内的环境,使植物细胞保持坚挺。
  • 无膜结构：
    • 核糖体：“生产蛋白质的机器”,是所有细胞共有的细胞器。
    • 中心体：与细胞的有丝分裂有关。 (主要存在于动物细胞和低等植物细胞)
  • 细胞器之间的协调配合：分泌蛋白的合成与运输 (核糖体 → 内质网 → 高尔基体 → 细胞膜 → 胞外)。

• 3 细胞核——系统的控制中心

  • 结构：
    • 核膜：双层膜，上有核孔,实现核质之间频繁的物质交换和信息交流。
    • 染色质：由DNA和蛋白质组成，易被碱性染料染成深色,染色体是其高度螺旋化的形态。
    • 核仁：与某种RNA的合成以及核糖体的形成有关。
  • 功能：细胞核是遗传信息库，是细胞代谢和遗传的控制中心。

• 4 细胞的生物膜系统

  • 组成：细胞膜、核膜、细胞器膜等。
  • 功能：
    1. 细胞膜不仅使细胞具有一个相对稳定的内部环境，同时在细胞与外部环境进行物质运输、能量转换、信息传递的过程中也起着决定性作用。
    2. 许多重要的化学反应都在生物膜上进行,广阔的膜面积为酶提供了大量的附着位点。
    3. 细胞内的各种膜结构之间直接或间接相连，使细胞内能够区室化，保证生命活动高效、有序地进行。

第四部分：细胞的物质输入和输出

• 1 物质跨膜运输的方式

  • 被动运输：顺浓度梯度，不消耗能量。
    • 自由扩散：如O₂, CO₂, 水, 甘油, 乙醇, 苯。 (特点：从高到低,不需要载体)
    • 协助扩散：如葡萄糖进入红细胞，离子通过通道蛋白。 (特点：从高到低,需要载体蛋白)
  • 主动运输：逆浓度梯度，需要载体蛋白，消耗能量 (如ATP)。 (特点：从低到高，需要载体和能量)
    • 意义：保证活细胞按照生命活动的需要，主动吸收所需要的营养物质,排出代谢废物和对细胞有害的物质。
  • 胞吞与胞吐：运输大分子物质 (如蛋白质、多糖)，需要能量，依赖于膜的流动性。
    • 胞吞：物质附着在细胞膜 → 内陷形成小囊泡 → 进入细胞。
    • 胞吐：囊泡与细胞膜融合 → 内容物排出细胞。

• 2 生物膜的流动镶嵌模型

  • ：磷脂双分子层构成膜的基本支架，具有流动性，蛋白质分子有的镶在表面，有的部分或全部嵌入，有的贯穿其中，大多数蛋白质分子也是可以流动的，在细胞膜的外表，有一层糖蛋白,叫做糖被。

第五部分：细胞的能量供应和利用

• 1 降低化学反应活化能的酶

  • 本质：绝大多数是蛋白质，少数是RNA。
  • 特性：
    • 高效性：催化效率是无机催化剂的10⁷ - 10¹³倍。
    • 专一性：一种酶只能催化一种或一类化学反应。
    • 作用条件温和：在最适温度和pH下,活性最高。
  • 影响酶活性的因素：温度、pH、酶的浓度、底物浓度。

• 2 细胞的能量“通货”——ATP

  • 结构简式：A-P~P~P (腺苷-磷酸-磷酸-磷酸)。
  • 功能：直接给各项生命活动提供能量。
  • 与ADP的相互转化：
    • ATP → ADP + Pi + 能量 (水解酶，释放能量，供生命活动利用)。
    • ADP + Pi + 能量 → ATP (合成酶，储存能量，来自呼吸作用和光合作用)。

• 3 ATP的主要来源——细胞呼吸

  • 概念：有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放能量,并生成ATP的过程。
  • 场所：主要在线粒体中进行。
  • 过程：
    • 第一阶段 (糖酵解)：
      • 场所：细胞质基质。
      • 过程：1分子葡萄糖 → 2分子丙酮酸 + 少量[H] + 少量ATP。
    • 第二阶段 (柠檬酸循环)：
      • 场所：线粒体基质。
      • 过程：2分子丙酮酸 + 6分子O₂ → 6分子CO₂ + 大量[H] + 少量ATP。
    • 第三阶段 (电子传递链)：
      • 场所：线粒体内膜。
      • 过程：24分子[H] + 6分子O₂ → 12分子H₂O + 大量ATP。
  • 总反应式：C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 12H₂O + 能量 (ATP)。
  • 无氧呼吸：
    • 场所：细胞质基质。
    • 过程：1分子葡萄糖 → 2分子乳酸 (或2分子C₂H₅OH + 2CO₂) + 少量ATP。
    • 特点：有机物没有彻底分解，能量没有完全释放。
    • 实例：乳酸菌 (产乳酸)、酵母菌 (产酒精和CO₂)。

• 4 能量之源——光与光合作用

  • 捕获光能的色素
    • 种类：叶绿素a (蓝绿色)、叶绿素b (黄绿色)、叶黄素 (黄色)、胡萝卜素 (橙黄色)。
    • 功能：吸收、传递和转化光能。
    • 分布：类囊体薄膜上。
  • 光合作用的探究历程
    • 普里斯特利：植物可以更新空气。
    • 英格豪斯：植物需要光照才能更新空气。
    • 梅耶：光能转化为化学能。
    • 萨克斯：光合作用产物是淀粉。
    • 鲁宾和卡门：光合作用中释放的O₂来自水。
  • 光合作用的过程
    • 场所：叶绿体。
    • 阶段：
      • 光反应阶段
        • 场所：类囊体薄膜。
        • 物质变化：水的光解 (2H₂O → 4[H] + O₂),ATP的合成。
        • 能量变化：光能 → 活跃的化学能 (ATP和[H])。
      • 暗反应阶段 (卡尔文循环)
        • 场所：叶绿体基质。
        • 物质变化：CO₂的固定 (CO₂ + C₅ → 2C₃)，C₃的还原 (C₃ → (CH₂O))。
        • 能量变化：活跃的化学能 → 稳定的化学能 (储存在有机物中)。
    • 总反应式：6CO₂ + 12H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O (光能)。
  • 影响光合作用的环境因素：光照强度、CO₂浓度、温度、水等。

第六部分：细胞的生命历程

• 1 细胞的增殖

  • 意义：是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础。
  • 细胞周期：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。
    • 分裂间期：约占细胞周期的90%-95%，为分裂期进行活跃的物质准备 (DNA复制和有关蛋白质合成)。
    • 分裂期 (M期)：分为前期、中期、后期、末期。
  • 有丝分裂
    • 实质：亲代细胞的染色体经过复制 (实质为DNA的复制)之后,精确地平均分配到两个子细胞中。
    • 结果：两个子细胞含有相同数目和形态的染色体,遗传信息保持一致。
    • 动物细胞与植物细胞有丝分裂的区别： | 时期 | 动物细胞 | 植物细胞 | | :--- | :--- | :--- | | 前期 | 中心体发出星射线形成纺锤体 | 细胞两极发出纺锤丝形成纺锤体 | | 末期 | 细胞膜向内凹陷，缢裂成两个子细胞 | 细胞板扩展形成新的细胞壁，将细胞一分为二 |
  • 观察植物细胞的有丝分裂
    • 材料：洋葱根尖 (分生区细胞)。
    • 步骤：解离 (盐酸和酒精) → 漂洗 (清水) → 染色 (龙胆紫或醋酸洋红) → 制片 → 观察。
    • 结果：细胞主要处于间期,因为间期所占时间最长。

• 2 细胞的分化、衰老和凋亡

  • 细胞的分化
    • 概念：在个体发育中，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。
    • 实质：基因的选择性表达。
    • 意义：是生物体正常发育的基础。
    • 特性：持久性、稳定性、不可逆性、普遍性。
  • 细胞的衰老
    • 特征：水分减少，酶活性降低，呼吸速率减慢，色素积累，细胞核变大,膜通透性改变。
    • 原因：自由基学说、端粒学说等。
  • 细胞的凋亡
    • 概念：由基因所决定的细胞自动结束生命的过程。
    • 意义：完成正常发育，维持内部环境稳定,抵御外界干扰。
    • 与细胞坏死的区别：细胞坏死是外界不利因素引起的,细胞不自主的死亡过程。

• 3 细胞的癌变

  • 特征：
    1. 能够无限增殖。
    2. 形态结构发生显著变化。
    3. 细胞表面发生变化，糖蛋白减少，黏着性降低,容易在体内分散和转移。
  • 原因：
    • 外因：物理致癌因子、化学致癌因子、病毒致癌因子。
    • 内因：原癌基因和抑癌基因发生突变。
  • 预防：远离致癌因子,健康的生活方式。