带你走进A-LEVEL生物学科的世界

2020-02-24 14:51

来源：深圳新东方留学考试

编辑：新东方小编

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　　为了给各位学习国际课程的同学们，带来更多的干货备考资料。深圳新东方国际学科的各位老师们在百忙的授课之余；整理出了一份原创的“新东方国际学科备考系列文章”。

　　以下是“深圳新东方国际学科备考系列”的

　　第九篇：

　　A-Level 生物

　　带你走进A-LEVEL生物学科的世界

　　本文作者：

　　林伟豪老师

　　英国华威大学化学博士;

　　英国诺丁汉大学医学分子微生物学硕士，

　　英国莱斯特大学生物化学学士;

　　主授A-Level/AP/SAT/IGCSE 生物和化学；IG数学

　　从事教授以上科目超过十年,在英国念博士加上当博士后研究在实验室里面的积累的多年实战经验,给予学生的不只是纸上谈兵的教导书本里的知识点,而是开阔学生的科学眼界,启发他们对科学的兴趣。

　　1、细胞的结构与功能

　　细胞是生物体的形态结构和生命活动的基本单位，细胞通过增殖、分化、运动、变异、衰老、死亡等基本生命活动，来组建成为高度有序和复杂的组织器官结构，进而形成能体现生、老、病、死的生物有机体。

　　虽然细胞是生物的最小单位，但却是最重要的结构，因为一个小小的细胞，就已经有能力进行所有的生命活动过程。远在1665年，虎克（Robert Hooke）是第一个观察软木细胞的科学家。之后Schleiden and Schwann在1839年提出了细胞理论 (Cell Theory)，他们提出所有的生物都是由细胞组成的，生物的最小工作单位就是细胞，而所有细胞都是由之前存在的细胞经过细胞分裂而产生的。

　　所有的生物都是由单细胞 (unicellular) 或者多细胞 (multicellular) 组成的。但是无论是哪一类，它们都能够完成：

　　1. 吸收与处理营养

　　2. 废物排泄

　　3. 对外面环境的刺激作出反应

　　4. 繁殖下一代的生物最基本功能。

　　细胞生物学（Cell biology）是研究细胞的学科，主要研究细胞的结构、功能及其与环境的相互作用。细胞生物学是生命科学的重要支柱和核心学科之一。21世纪的细胞生物学是生命科学前沿的一个十分活跃的、具有良好的发展前景和辐射力的学科。所以，现在我们一起探讨一下细胞结构吧！

　　2、细胞的基本特征

　　所有的细胞都是由浆膜 (plasma membrane) 包围的。细胞里面的液体称为胞液 (cytosol), 所有的细胞器都在其中。细胞核里面有染色体，是储存载有基因的DNA。细胞核外面有核糖体，这些微小的细胞器是负责执行基因的指令，制造细胞所需的蛋白。

　　细胞可以分为两大类：分别是原核细胞（prokaryotes) 和真核细胞 (eukaryotes)，它们最主要的分别在于真核细胞带有浆膜包围的细胞器 (membrane-bound organelles) 和明显有分隔的复杂细胞器 (compartmentalisation of specialised organelles)。

　　3、细胞器的特征与相关的功能概览

　　细胞中还有一些细胞器，它们具有不同的结构，执行着不同的功能，共同完成细胞的生命活动。这些细胞器的结构需用电子显微镜观察。在电镜下观察到的细胞结构称为亚显微结构。

　　I.细胞壁（Cell Wall）

　　分类在细菌、真菌、植物的生物，其组成的细胞都具有细胞壁，而原生生物则有一部分的生物体具有此构造，但是动物没有。

　　（1）植物细胞壁主要成分是纤维素(cellulose)，经过有系统的编织形成网状的外壁。可分为中胶层、初生细胞壁、次生细胞壁。中胶层是植物细胞刚分裂完成的子细胞之间，最先形成的间隔，主要成份是果胶质（一种多糖类），随后在中胶层两侧形成初生细胞壁，初生细胞壁主要由果胶质、木质素和少量的蛋白质构成。次生细胞壁主要由纤维素组成的纤维排列而成，如同一条一条的线以接近直角的方式排列，再以木质素等多糖类黏接。

　　（2）真菌细胞壁则是由几丁质（chitin)、纤维素等多糖类组成，其中几丁质是含有碳水化合物和氨，性柔软，有弹性，与钙盐混杂则硬化，形成节肢动物的外骨骼。几丁质不溶于水、酒精、弱酸和弱碱等液体，有保护功能。

　　（3）细菌细胞壁组成以肽聚糖 (peptidoglycan)为主。

　　II.细胞膜（Cell Membrane）

　　细胞壁的内侧紧贴着一层极薄的膜，叫做细胞膜。这层由蛋白质分子和磷脂双分子层 (phospholipid bilayer)组成的薄膜，水和氧气等小分子物质能够自由通过，而某些离子和大分子物质则不能自由通过。因此，它除了起着保护细胞内部的作用以外，还具有控制物质进出细胞的作用：既不让有用物质任意地渗出细胞，也不让有害物质轻易地进入细胞。此外，它能进行细胞间的信息交流。

　　细胞膜在光学显微镜下不易分辨。用电子显微镜观察，可以知道细胞膜主要由蛋白质分子和脂类分子构成。在细胞膜的中间，是磷脂双分子层，这是细胞膜的基本骨架。在磷脂双分子层的外侧和内侧，有许多球形的蛋白质分子，它们以不同深度镶嵌在磷脂分子层中，或者覆盖在磷脂分子层的表面。这些磷脂分子和蛋白质分子大都是可以流动的，可以说，细胞膜具有一定的流动性。细胞膜的这种结构特点，对于它完成各种生理功能是非常重要的。

　　物质跨膜运输的方式分为被动运输和主动运输 (passive and active transport)两种。

　　（1）被动运输，是顺着膜两侧浓度梯度扩散，即由高浓度向低浓度。分为自由扩散和协助扩散。

　　(i)自由扩散 (simple diffusion)：物质通过简单的扩散作用进入细胞。细胞膜两侧的浓度差以及扩散的物质的性质（如根据相似相溶原理，脂溶性物质更容易进出细胞）对自由扩散的速率有影响，常见的能进行自由扩散的物质有氧气、二氧化碳、甘油、乙醇、苯、尿素、胆固醇、水、氨等。

　　(ii)协助扩散 (facilitated diffusion)：进出细胞的物质借助载体蛋白扩散。细胞膜两侧的浓度差以及载体的种类和数目对协助扩散的速率有影响。红细胞吸收葡萄糖是依靠协助扩散。

　　（2）主动运输：物质从低浓度一侧运输到高浓度一侧，需要载体蛋白的协助，同时还需要消耗细胞内化学反应所释放的能量。主动运输保证了活细胞能够按照生命活动的需要，主动选择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。各种离子由低浓度到高浓度过膜都是依靠主动运输。

　　能进行跨膜运输的都是离子和小分子，当大分子进出细胞时，包裹大分子物质的囊泡从细胞膜上分离或者与细胞膜融合（胞吞(endocytosis)和胞吐(exocytosis)），大分子不需跨膜便可进出细胞。

　　III.细胞质(Cytoplasm）

　　细胞膜包着的黏稠透明的物质，叫做细胞质。在细胞质中还可看到一些带折光性的颗粒，这些颗粒多数具有一定的结构和功能，类似生物体的各种器官，因此叫做细胞器。例如，在绿色植物的叶肉细胞中，能看到许多绿色的颗粒，这就是一种细胞器，叫做叶绿体(chloroplast)。绿色植物的光合作用就是在叶绿体中进行的。在细胞质中，往往还能看到一个或几个液泡，其中充满着液体，叫做细胞液。在成熟的植物细胞中，液泡合并为一个中央大液泡，其体积占去整个细胞的大半。细胞质被挤压为一层。细胞膜以及液泡膜和两层膜之间的细胞质称为原生质层。

　　植物细胞的原生质层相当于一层半透膜。当细胞液浓度小于外界浓度时，细胞液中的水分就透过原生质层进入外界溶液中，使细胞壁和原生质层都出现一定程度的收缩。由于原生质层比细胞壁的伸缩性大，当细胞不断失水时，原生质层与细胞壁分离，也就是发生了质壁分离(plasmolysis)。当细胞液浓度大于外界溶液浓度时，外界溶液中的水分透过原生质层进入细胞液中使原生质层复原，逐渐发生质壁分离的复原。

　　细胞质不是凝固静止的，而是缓缓地运动着的。在只具有一个中央液泡的细胞内，细胞质往往围绕液泡循环流动，这样便促进了细胞内物质的转运，也加强了细胞器之间的相互联系。细胞质运动是一种消耗能量的生命现象。细胞的生命活动越旺盛，细胞质流动越快，反之，则越慢。细胞死亡后，其细胞质的流动也就停止了。

　　IV.线粒体(Mitochondria）

　　在电子显微镜下观察，线粒体表面是由双层膜构成的。内膜向内形成一些隔，称为线粒体嵴（Cristae）。在线粒体内有丰富的酶系统。线粒体是细胞呼吸的中心，它是生物有机体借氧化作用产生能量的一个主要机构，它能将营养物质（如葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等）氧化产生能量，储存在ATP（三磷酸腺苷）的高能磷酸键上，供给细胞其他生理活动的需要，因此有人说线粒体是细胞的“动力工厂”。

　　V.叶绿体(Chloroplasts）

　　叶绿体是绿色植物细胞中重要的细胞器，其主要功能是进行光合作用。它由双层膜、基粒（类囊体）和基质三部分构成。类囊体是一种扁平的小囊状结构，在类囊体薄膜上，有进行光合作用必需的色素和酶。许多类囊体叠合而成基粒。基粒之间充满着基质，其中含有与光合作用有关的酶。基质中还含有DNA。

　　VI.内质网(Endoplasmic Reticulum）

　　内质网是细胞质中由膜构成的网状管道系统广泛的分布在细胞质基质内。它与细胞膜及核膜相通连，对细胞内蛋白质及脂质等物质的合成和运输起着重要作用。内质网根据其表面有无附着核糖体可分为粗面内质网(RER)和滑面内质网(SER)。粗面内质网表面有附着核糖体，具有运输蛋白质的功能，滑面内质网内含许多酶，与糖脂类和固醇类激素的合成与分泌有关。

　　VII.高尔基复合体(Golgi Apparatus）

　　高尔基复合体位于细胞核附近的网状囊泡，是细胞内的运输和加工系统。能将粗面内质网运输的蛋白质进行加工、浓缩和包装成分泌泡和溶酶体。

　　VIII.核糖体(Ribosomes）

　　核糖体是椭球形的粒状小体，有些附着在内质网膜的外表面（供给膜上及膜外蛋白质），有些游离在细胞质基质中（供给膜内蛋白质，不经过高尔基体，直接在细胞质基质内的酶的作用下形成空间构形)，是合成蛋白质的重要基地。

　　IX.中心体(Centrosome）

　　中心体存在于动物细胞和某些低等植物细胞中，因为它的位置靠近细胞核，所以叫中心体。每个中心体由两个互相垂直排列的中心粒及其周围的物质组成，动物细胞的中心体与有丝分裂有密切关系。中心粒（Centriole）这种细胞器的位置是固定的，具有极性的结构。在间期细胞中，经固定、染色后所显示的中心粒仅仅是一或两个小颗粒。

　　X.液泡(Vacuole）

　　液泡是植物细胞中的泡状结构。成熟的植物细胞中的液泡很大，可占整个细胞体积的90%。液泡的表面有液泡膜。液泡内有细胞液，其中含有糖类、无机盐、色素和蛋白质等物质，可以达到很高的浓度。因此，它对细胞内的环境起着调节作用，可以使细胞保持一定的渗透压，保持膨胀的状态。动物细胞也同样有小液泡。

　　XI.溶酶体 (Lysosomes)

　　囊状小体或小泡，内含多种水解酶，具有自溶和异溶作用。自溶作用是指溶酶体消化分解细胞内损坏和衰老的细胞器的过程，异溶作用是指消化和分解被细胞吞噬的病原微生物及其细胞碎片的过程。溶酶体是细胞内具有单层膜囊状结构的细胞器。其内含有很多种水解酶类，能够分解很多物质。

　　XII.微丝(Microfilament）及微管(Microtubule）

　　在细胞质内除上述结构外，还有微丝和微管等结构，它们的主要机能不只是对细胞起骨架支持作用，以维持细胞的形状，如在红血细胞微管成束平行排列于盘形细胞的周缘，又如上皮细胞微绒毛中的微丝；它们也参加细胞的运动，如有丝分裂的纺锤丝(spindle fibres)，以及纤毛(cilia)、鞭毛(flagella)的微管。此外，细胞质内还有各种内含物，如糖原、脂类、结晶、色素等。

　　XIII.细胞核(Nucleus）

　　放在文章最后的，就是细胞最重要的细胞器，也被称为细胞的大脑- 细胞核。细胞质里含有一个近似球形的结构，是由更加黏稠的物质构成的。它通常位于细胞的中央，成熟的植物细胞的细胞核，往往被中央液泡推挤到细胞的边缘。细胞核中有一种物质，易被洋红、苏木精、甲基绿、龙胆紫溶液等碱性染料染成深色，叫做染色质（Chromatin）。生物体用于传种接代的物质即遗传物质，就在染色质上。当细胞进行有丝分裂时，染色质在分裂间期螺旋缠绕成染色体。

　　多数细胞只有一个细胞核，有些细胞含有两个或多个细胞核，如肌细胞、肝细胞等。细胞核可分为核膜、染色质、核液和核仁四部分。核膜与内质网相通连，染色质位于核膜与核仁之间。染色质主要由蛋白质和DNA组成。DNA（脱氧核糖核酸）是一种有机物大分子，是生物的遗传物质。在有丝分裂时，染色体复制，DNA也随之复制为两份，平均分配到两个子细胞中，使得后代细胞染色体数目恒定，从而保证了后代遗传特性的稳定。还有RNA，它是DNA在复制时形成的单链，它传递信息，控制合成蛋白质，其中有转移核糖核酸（tRNA）、信使核糖核酸（mRNA）和核糖体核糖核酸（rRNA）。　细胞核的机能是保存遗传物质，控制生化合成和细胞代谢，决定细胞的性状表现，把遗传物质从细胞（或个体）一代一代传下去。但细胞核不是孤立的起作用，而是和细胞质相互作用、相互依存而表现出细胞统一的生命过程。细胞核控制细胞质；细胞质对细胞的分化、发育和遗传也有重要的作用。这么奥妙而复杂的过程，将会日后为大家详细讲解。

　　细胞生物学是生命科学的基础学科，其主要是基于细胞的显微、亚显微及分子结构，来研究微观世界一切生命活动现象，从而阐述细胞增殖分化、生长发育、基因遗传、细胞识别、通讯、信号转导，生理、病理代谢，免疫、变异与进化等现象的本质，并由此揭示生物有机体生、老、病、死宏观生命活动规律的科学。

　　由于细胞生物学在有机体结构与功能基本单位的性质，与其它生物学科如动物学、植物学、分类学、解剖学、组织学、胚胎学、遗传学、生理学、神经生物学和生物化学与分子生物学等密切相关，因而也是这些学科的基础学科，更是与医学相关的病理学、免疫学、药理学、肿瘤学和生殖生物学等学科的基础。