第3章细胞的基本结构知识清单-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

高中生物学人教版《第3章细胞的基本结构》知识清单 第1节细胞膜的结构和功能 （一）细胞膜的功能 1. 将细胞与外界环境分隔开：细胞膜将细胞与外界环境分隔开，使细胞成为相对独立的系统，保障了细胞内部环境的相对稳定。对于原始生命，膜的出现是生命起源过程中至关重要的阶段，它为细胞的生命活动提供了一个稳定的内部环境。 2. 控制物质进出细胞：细胞需要的营养物质可以从外界进入细胞，细胞不需要的物质不容易进入细胞；细胞产生的抗体、激素等物质可以分泌到细胞外，细胞产生的废物也要排到细胞外。但细胞膜的控制作用是相对的，环境中一些对细胞有害的物质有可能进入细胞，有些病毒、病菌也能侵入细胞，使生物体患病。 3. 进行细胞间的信息交流： 通过化学物质传递信息：细胞分泌的化学物质（如激素），随血液到达全身各处，与靶细胞的细胞膜表面的受体结合，将信息传递给靶细胞。例如胰岛素由胰岛B细胞分泌，通过血液运输，与肝细胞、肌细胞等靶细胞表面的胰岛素受体结合，调节细胞对葡萄糖的摄取、利用和储存。 通过细胞膜直接接触传递信息：相邻两个细胞的细胞膜接触，信息从一个细胞传递给另一个细胞。例如精子和卵细胞之间的识别和结合，精子头部的细胞膜与卵细胞的细胞膜接触，完成受精作用。 通过细胞通道传递信息：相邻两个细胞之间形成通道，携带信息的物质通过通道进入另一个细胞。例如高等植物细胞之间通过胞间连丝相互连接，也有信息交流的作用，细胞间的小分子物质和离子等可以通过胞间连丝进行运输和信息交流。 （二）对细胞膜成分的探索 1. 欧文顿的实验：19世纪末，欧文顿用500多种化学物质对植物细胞的通透性进行了上万次实验，发现细胞膜对不同物质的通透性不一样：溶于脂质的物质，容易穿过细胞膜；不溶于脂质的物质，不容易穿过细胞膜。据此他提出：膜是由脂质组成的。 2. 其他科学家的后续研究：20世纪初，科学家第一次将膜从哺乳动物的红细胞中分离出来，化学分析表明，膜的主要成分是脂质和蛋白质。1925年，两位荷兰科学家用丙酮从人的红细胞中提取脂质，在空气水界面上铺展成单分子层，测得单分子层的面积恰为红细胞表面积的2倍。由此他们得出结论：细胞膜中的脂质分子必然排列为连续的两层。 3. 对细胞膜中蛋白质位置的探索：1959年，罗伯特森在电镜下看到了细胞膜清晰的暗—亮—暗的三层结构，并大胆地提出生物膜的模型：所有的细胞膜都由蛋白质—脂质—蛋白质三层结构构成，电镜下看到的中间的亮层是脂质分子，两边的暗层是蛋白质分子，他把生物膜描述为静态的统一结构。然而，随着新技术的运用，科学家发现细胞膜的结构并不是静态的，而是具有流动性。1970年，科学家用荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合的实验，以及相关的其他实验证据表明细胞膜具有流动性。1972年，桑格和尼克森提出了流动镶嵌模型。 （三）细胞膜的结构 1. 主要成分：细胞膜主要由脂质（约50%）和蛋白质（约40%）组成，此外，还有少量的糖类（约2%-10%）。在组成细胞膜的脂质中，磷脂最丰富，磷脂双分子层构成膜的基本支架。磷脂分子由亲水的头部和疏水的尾部组成，在水中，磷脂分子会自发形成双层结构，头部朝向水，尾部相对排列在内部。动物细胞膜中还含有胆固醇，胆固醇对于维持细胞膜的稳定性具有重要作用，它可以调节细胞膜的流动性，使细胞膜在不同温度下都能保持合适的生理功能。 2. 蛋白质的分布：蛋白质分子有的镶在磷脂双分子层表面，有的部分或全部嵌入磷脂双分子层中，有的贯穿于整个磷脂双分子层。蛋白质在细胞膜中的分布是不对称的，这与细胞膜的功能密切相关。功能越复杂的细胞膜，蛋白质的种类和数量越多。例如，小肠绒毛上皮细胞的细胞膜上存在多种载体蛋白，用于吸收葡萄糖、氨基酸等营养物质，其蛋白质种类和数量比一般细胞的细胞膜要多。 3. 细胞膜的结构特点：细胞膜具有流动性。构成膜的磷脂分子可以侧向自由移动，膜中的蛋白质大多也能运动。例如，变形虫的变形运动、白细胞吞噬病菌等都依赖于细胞膜的流动性。细胞膜的流动性对于细胞完成物质运输、生长、分裂、运动等功能具有重要意义。 4. 糖被：细胞膜表面的糖类可以和蛋白质结合形成糖蛋白，也可以和脂质结合形成糖脂。糖被与细胞表面的识别、细胞间的信息传递等功能有密切关系。例如，免疫细胞识别外来病原体靠的就是细胞表面糖蛋白的识别作用。糖蛋白和糖脂一般都位于细胞膜的外侧，因此可以根据糖蛋白的位置来判断细胞膜的内外侧。 （四）细胞膜的功能特点 细胞膜的功能特点是具有选择透过性。即水分子、被选择的离子和小分子可以通过，而大分子、不被选择的离子和小分子不能通过。细胞膜具有选择透过性的直接原因是载体蛋白的种类和数量不同，根本原因是遗传物质。例如，细胞根据自身生命活动的需要，通过载体蛋白主动运输吸收K⁺，排出Na⁺。细胞膜的选择透过性保证了细胞能够从外界环境中获取所需的物质，同时排出代谢废物，维持细胞内环境的相对稳定。 第2节细胞器之间的分工合作 （一）细胞质的组成 1. 细胞质基质：呈溶胶状，由水、无机盐、脂质、糖类、氨基酸、核苷酸和多种酶等组成。在细胞质基质中进行着多种化学反应，它是新陈代谢的主要场所。例如，细胞呼吸的第一阶段（糖酵解）就是在细胞质基质中进行的，葡萄糖在酶的作用下分解成丙酮酸，同时释放少量能量。 2. 细胞器：细胞中的细胞器种类多样，各自具有特定的结构和功能。细胞器的分离方法是差速离心法。将细胞膜破坏后，形成由各种细胞器和细胞中其他物质组成的匀浆；将匀浆放入离心管中，采取逐渐提高离心速率的方法分离不同大小的细胞器。在光学显微镜下可以观察到线粒体、叶绿体、液泡等细胞器（染色后还可以观察到染色体、核仁）；在电子显微镜下可以观察到叶绿体的具体结构、线粒体的具体结构、内质网、高尔基体、核糖体、细胞膜、核膜、细胞骨架等更细微的结构。 （二）细胞器的结构和功能 1. 线粒体： 分布：动植物细胞中都有，代谢旺盛的部位分布较多。例如心肌细胞中含有的线粒体数量比平滑肌细胞多，因为心肌细胞需要不断收缩，消耗更多能量。 形态：短棒状、圆球状、线形、哑铃形等。 结构：具有双层膜，内膜向内折叠形成嵴，增大了膜面积。线粒体基质中含有少量DNA、RNA和核糖体，以及与有氧呼吸有关的酶。 功能：细胞进行有氧呼吸的主要场所，细胞生命活动所需的能量，大约95%来自线粒体，被称为“动力车间”。有氧呼吸的第二、三阶段在线粒体内进行，丙酮酸在线粒体基质中分解产生二氧化碳，同时释放能量，生成的[H]在线粒体内膜上与氧气结合生成水，释放大量能量。 2. 叶绿体： 分布：主要存在于绿色植物的叶肉细胞、幼嫩的茎等能进行光合作用的细胞中。但能进行光合作用的细胞不一定都含有叶绿体，如蓝细菌，它没有叶绿体，但含有叶绿素和藻蓝素等光合色素，以及相关的酶，也能进行光合作用。 形态：扁平的椭球形或球形。 结构：具有双层膜，内部有许多基粒，基粒由多个类囊体堆叠而成，增大了膜面积。类囊体薄膜上含有光合色素，这些色素可以吸收、传递、转化光能。叶绿体基质中含有少量DNA、RNA和核糖体，以及与光合作用有关的酶。 功能：绿色植物进行光合作用的场所，被称为“养料制造车间”和“能量转换站”。光合作用的光反应阶段在类囊体薄膜上进行，水在光下分解产生氧气和[H]，同时合成ATP；暗反应阶段在叶绿体基质中进行，CO₂被固定并还原，生成糖类等有机物。 3. 内质网： 分布：广泛分布于真核细胞中。 结构：由膜围成的管状、泡状或扁平囊状结构，最终连接成一个连续的内腔相同的膜性管道系统。分为粗面内质网和光面内质网，粗面内质网附着有核糖体，光面内质网未附着核糖体。内质网内连核膜，外连细胞膜，甚至与细胞器膜也有联系。 功能：蛋白质等大分子物质的合成、加工场所和运输通道，以及脂质合成的场所。粗面内质网主要与分泌蛋白的运输、加工有关，如抗体、消化酶等分泌蛋白在粗面内质网上的核糖体合成后，进入内质网腔进行加工；光面内质网主要与脂质合成有关，如性激素等脂质类激素是在光面内质网中合成的。 4. 高尔基体： 分布：动植物细胞中都有。 形态：由单层膜围起的扁平囊状结构，有囊泡。 功能：对来自内质网的蛋白质进行加工、分类和包装的“车间”及“发送站”。在动物细胞中，与分泌蛋白的合成有关，分泌蛋白在高尔基体中进一步修饰加工后，通过囊泡运输到细胞膜，分泌到细胞外；在植物细胞中，与细胞壁的形成有关，在植物细胞有丝分裂末期，高尔基体产生的囊泡聚集在赤道板位置，融合形成细胞板，进而形成细胞壁。 5. 核糖体： 分布：有的附于粗面内质网上，有的游离在细胞质基质中，原核细胞和真核细胞中都有核糖体。 结构：无膜结构，由RNA和蛋白质组成。 功能：合成蛋白质的场所，被称为“生产蛋白质的机器”。无论是胞内蛋白（如呼吸酶）还是分泌蛋白（如胰岛素），都是在核糖体上以氨基酸为原料合成的。 6. 溶酶体： 分布：主要分布在动物细胞中。 结构：具有单层膜，内部含有多种水解酶。 功能：是细胞的“消化车间”，能分解衰老、损伤的细胞器，吞噬并杀死侵入细胞的病毒或细菌。例如，细胞内衰老的线粒体可以被溶酶体分解清除；当细胞被病菌感染时，溶酶体可以吞噬并杀死病菌。 7. 液泡： 分布：主要分布在植物细胞中。 结构：具有单层膜，内有细胞液，细胞液中含有糖类、无机盐、色素、蛋白质等物质。 功能：可以调节植物细胞内的环境，充盈的液泡还可以使植物细胞保持坚挺。例如，当植物细胞液浓度大于外界溶液浓度时，细胞吸水，液泡体积增大，植物细胞变得坚挺；当植物细胞液浓度小于外界溶液浓度时，细胞失水，液泡体积缩小，植物细胞出现萎蔫现象。液泡中的色素（如花青素）还与植物的颜色有关，使花、果实等呈现出不同的颜色。 8. 中心体： 分布：分布在动物与低等植物细胞中。 结构：无膜结构，由两个互相垂直排列的中心粒及周围物质组成。 功能：与细胞的有丝分裂有关。在细胞有丝分裂前期，中心体发出星射线，形成纺锤体，牵引染色体运动，对细胞的有丝分裂过程起着重要作用。 （三）细胞器的归纳总结 1. 按分布分： 动植物细胞共有：线粒体、内质网、核糖体、高尔基体。 植物细胞特有：叶绿体、液泡。 动物和低等植物细胞特有：中心体。 原核细胞和真核细胞共有：核糖体。 2. 按结构分： 单层膜：内质网、高尔基体、溶酶体、液泡。 双层膜：线粒体、叶绿体。 无膜：中心体、核糖体。 3. 按成分分： 含DNA的：线粒体、叶绿体。 含RNA的：线粒体、叶绿体、核糖体。 含色素的：叶绿体、液泡。 4. 按功能分： 与能量转换有关的：线粒体、叶绿体。线粒体将有机物中的化学能转化为ATP中的化学能，供细胞生命活动利用；叶绿体将光能转化为有机物中的化学能。 能产生ATP的：线粒体、叶绿体。线粒体通过有氧呼吸产生ATP，叶绿体通过光合作用的光反应产生ATP。 动物植物细胞都有，但功能不同的细胞器：高尔基体。在动物细胞中与分泌蛋白的加工和分泌有关，在植物细胞中与细胞壁的形成有关。 与分泌蛋白合成和分泌有关的：核糖体、内质网、高尔基体、线粒体。核糖体合成蛋白质，内质网进行加工和运输，高尔基体进一步加工、分类和包装，线粒体提供能量。 能产生水的：线粒体、叶绿体、核糖体、高尔基体。线粒体在有氧呼吸第三阶段产生水；叶绿体在光合作用暗反应中产生水；核糖体在氨基酸脱水缩合形成蛋白质时产生水；高尔基体在合成多糖等物质时产生水。 与有丝分裂有关的：核糖体、中心体、高尔基体、线粒体。核糖体合成与有丝分裂有关的蛋白质；中心体发出星射线形成纺锤体；高尔基体在植物细胞有丝分裂末期参与细胞壁的形成；线粒体提供能量。 与主动运输有关的细胞器：核糖体、线粒体。核糖体合成载体蛋白，线粒体提供能量。 （四）细胞骨架 1. 成分：由蛋白纤维组成的网架结构。 2. 功能：维持细胞的形态，锚定并支撑着细胞器，与细胞运动、分裂、分化以及物质运输、能量转化、信息传递等生命活动密切相关。例如，在细胞分裂过程中，细胞骨架参与纺锤体和收缩环的形成，协助染色体的分离和细胞的分裂；在物质运输中，细胞骨架为运输小泡等提供轨道，协助物质在细胞内的运输。 （五）用高倍镜观察叶绿体和细胞质的流动 1. 实验原理： 叶绿体：叶肉细胞中的叶绿体呈绿色扁平的椭球或球形。观察藓类叶临时装片，可发现叶绿体在细胞中的分布特点是散布在细胞质中，呈球形或椭球形。叶绿体在细胞内可随细胞质的流动而流动，同时受光照强度的影响。在弱光下，叶绿体以最大面积朝向光源，以充分吸收光能；强光下则以侧面或顶面朝向光源，避免被强光灼伤。 细胞质流动：活细胞中的细胞质处于不断流动的状态。细胞质的流动有利于细胞内物质的运输和细胞器的移动，从而为细胞的生命活动提供必要的条件。 2. 实验材料：藓类叶片（藓类叶片很薄，仅有一层叶肉细胞）、菠菜叶稍带些叶肉的下表皮（菠菜叶下表皮附近的叶肉细胞中叶绿体大且数目少，便于观察）、黑藻叶片（黑藻叶片薄，细胞质流动明显，易于观察）等。 3. 实验步骤： 制作临时装片：在载玻片中央滴一滴清水，用镊子取一片藓类的小叶，或者撕取菠菜叶稍带些叶肉的下表皮，放入水滴中，盖上盖玻片。制作黑藻叶片临时装片时，将黑藻事先放在光照、室温条件下培养，然后取一片幼嫩的小叶放在载玻片的水滴中，盖上盖玻片。 观察：先用低倍镜找到需要观察的细胞，再换用高倍镜仔细观察叶绿体的形态和分布情况，以及细胞质的流动情况。观察细胞质流动时，可选择细胞中某个细胞器（如叶绿体）作为标志物，观察它的位置变化来判断细胞质的流动方向和速度。 （六）分泌蛋白的合成和运输 1. 研究方法：同位素标记法。例如，用³H标记亮氨酸，追踪亮氨酸在细胞内参与合成和运输分泌蛋白的过程。 2. 合成和运输过程： 起始阶段：游离的核糖体中以氨基酸为原料，开始多肽链的合成。 转移阶段：这段肽链会与核糖体一起转移到粗面内质网上继续合成，并且边合成边转移到内质网腔内，再经过加工折叠，形成有一定空间结构的蛋白质。 运输阶段：内质网膜形成的囊泡，包裹着蛋白质，到达高尔基体，与高尔基体膜融合。高尔基体对蛋白质做进一步的修饰加工，然后形成包裹着蛋白质的囊泡。囊泡移动到细胞膜，与细胞膜融合，将蛋白质分泌到细胞外。 能量供应：在分泌蛋白的合成、加工和运输的过程中，需要消耗能量。这些能量的供给来自线粒体。 3. 分泌蛋白合成和运输过程中的膜面积变化：在分泌蛋白合成和运输过程中，内质网膜面积减小，高尔基体膜面积先增大后减小（总体基本不变），细胞膜面积增大。这是因为内质网形成囊泡与高尔基体融合，导致内质网面积减小；高尔基体先接受内质网的囊泡使膜面积增大，之后又形成囊泡与细胞膜融合，膜面积减小；细胞膜接受高尔基体的囊泡后面积增大。 第3节细胞核的结构和功能 （一）细胞核的功能 1. 细胞核功能的探究实验： 美西螈核移植实验：将黑色美西螈胚胎细胞的细胞核移植到白色美西螈的去核卵细胞中，移植后发育长大的美西螈，全部是黑色的。该实验说明美西螈皮肤颜色的遗传是由细胞核控制的，即细胞核控制着生物的性状。 蝾螈受精卵横缢实验：用头发将蝾螈的受精卵横缢为有核和无核的两半，中间只有很少的细胞质相连。结果，有核的一半能分裂，无核的一半则停止分裂。当有核的一半分裂到16-32个细胞时，如果这时将一个细胞核挤到无核的一半，这一半也会开始分裂。最后两半都能发育成正常的胚胎，只是原来无核的一半发育得慢一些。该实验说明细胞核与细胞的分裂、分化密切相关。 变形虫切割及核移植实验：将变形虫切成两半，一半有核，一半无核。无核的一半虽然仍能消化已吞食的食物，但不能摄取食物，对外界刺激不再发生反应，电镜下可以观察到退化的高尔基体、内质网等；有核的一半则生命活动正常。如果将有核一半的细胞核取出，这一半的生命活动也会停止。如果及时植入同种变形虫的另一个核，各种生命活动又会恢复。该实验说明细胞核是细胞生命活动的控制中心。 伞藻嫁接与核移植实验：伞藻由“帽”、柄和假根三部分构成，细胞核在基部。科学家用伞形帽和菊花形帽两种伞藻做嫁接和核移植实验。嫁接实验：将两种伞藻的柄和假根分开后，相互嫁接，结果新长出的“帽”的形状与假根部分所属的伞藻相同。核移植实验：将菊花形帽伞藻的细胞核移植到去核的伞形帽伞藻的假根中，新长出的“帽”是菊花形的。该实验说明生物体形态结构的建成，主要与细胞核有关。 2. 细胞核的功能总结：细胞核是遗传信息库，是细胞代谢和遗传的控制中心。细胞的遗传物质DNA主要分布在细胞核中，DNA上储存着遗传信息，这些遗传信息控制着细胞的代谢和遗传。 （二）细胞核的结构 1. 核膜： 结构：具有双层膜，把核内物质与细胞质分开。核膜上有许多核孔，核孔是蛋白质、RNA等大分子物质进出细胞核的通道。 功能：将细胞核与细胞质分隔开，为细胞核内的生命活动提供相对稳定的环境；核孔实现了核质之间频繁的物质交换和信息交流。但核孔对物质的进出具有选择性，如DNA不能通过核孔从细胞核进入细胞质。 2. 核仁：与某种RNA的合成以及核糖体的形成有关。在有丝分裂过程中，核仁会周期性地消失和重建。蛋白质合成旺盛的细胞中，核仁较大。这是因为蛋白质合成需要大量的核糖体，而核糖体的形成与核仁有关，所以蛋白质合成旺盛时，需要更多的核糖体，核仁就会相应增大。 3. 染色质： 成分：主要由DNA和蛋白质组成，DNA是遗传信息的载体。 形态：染色质是极细的丝状物，因容易被碱性染料（如甲紫溶液、醋酸洋红液等）染成深色而得名。细胞分裂时，染色质高度螺旋化，缩短变粗，成为光学显微镜下清晰可见的圆柱状或杆状的染色体。细胞分裂结束时，染色体解螺旋，重新成为细丝状的染色质。染色质和染色体是同样的物质在细胞不同时期的两种存在状态。 功能：储存遗传信息，染色质中的DNA上储存着遗传信息，这些遗传信息控制着细胞的生命活动。 （三）细胞的概述 1. 细胞作为基本的生命系统：细胞是生物体结构和功能的基本单位，各组成部分（细胞膜、细胞器、细胞核等）相互联系、分工合作、协调一致地共同完成各项生命活动。细胞既是生物体结构的基本单位，也是生物体代谢和遗传的基本单位。 2. 细胞的整体性：细胞只有保持完整性，才能正常地完成各项生命活动。例如，去掉细胞核的细胞，虽然还能存活一段时间，但不能进行正常的生长和分裂；没有细胞质的细胞核，也无法长时间生存。细胞膜、细胞质和细胞核之间相互依存，缺一不可。细胞膜为细胞提供了一个相对稳定的内部环境，同时控制物质进出和进行细胞间信息交流；细胞质为细胞的生命活动提供物质和能量，其中的细胞器执行着各自特定的功能；细胞核是细胞代谢和遗传的控制中心，指导着细胞内各种生命活动。 学科网（北京）股份有限公司 $$