刘贵忠 2 第一章 1．生物同非生物相比，具有哪些独有的特征? 由于不可能对生命进行确切定义，但是我们可以将生命的基本特征总结如下： (1)生命的基本组成单位是细胞。 (2)新陈代谢：生命体无时无刻都在进行着物质和能量的代谢，新陈代谢是生命的最基本特征。 (3)繁殖：生物体有繁殖的能力。 (4)生长：生物体具有通过同化环境中的物质来增加自身物质重量的能力。 (5)应激性：生物体有对刺激物——内部或外部环境的改变做出应答的能力。 (6)适应性：生物体可以通过其结构、功能或行为的变化来适应特定环境以生存下去。 (7)运动：包括生物体内的运动(生命运动或新陈代谢)或生物体从一处移至别处。 (8)进化：生物具有个体发育和系统进化的历史。 2．有些同学在高中阶段对生物学课程并不十分感兴趣，请分析原因。对如何学好大学基础生命科学课程提出你的建议。生命是一个未知的谜，学好生命科学最重要的是要合兴趣，对生命奥秘的探索需要付出艰辛的劳动，但一旦有所理解或有所启示，兴趣便会油然而生。学习生命科学不但要继承前人总结的宝贵经验和理论．更需要创新。问题的提出必须基于观察和实验，面答案必须能被进一步的观察和实验所证实。努力思考这些有意义的问题将会使学习逐渐深入。生命科学是实验科学，实验是一个非常重要的方面，实验使我们很好的理解这些基本概念与原理。科学实验和观察是假设成为理论的桥梁。生命科学的学习离不开实验．生物学实验可以提高我们的动手能力、分析问题和解决问题的能力。 3．一位正准备参加高考的学生家长问：生命科学类专业将来的就业前景如何?请您对这一问题作比分析和回答。 21世纪生命科学的发展前景比任何其他的学科都要广阔。生物已经进入了分子生物学时代，可以从基因的角度进行研究开发。学习课程包括一般生物学、动物学、植物学、微生物学、生态学、胚胎学和基因学。而化学、物理、数学方面的课程是其不可缺少的基础科学，为理解生物学提供必需的适当背景和方法理论。生物科学专业为学生提供广阔的知识背景，其中包括许多其他专业的知识，进而为学生提供丰富的就业机会。根据调查显示，除了科研院所的专业人员外，生物以及相关专业就业机会还有以下相关产业：农业科学、植物保护、生物摄影、生物统计学、消费品研究、动物营养、兽医、环境教育、水产业、基因顾问、工业卫生学、海洋生物、医药产业、医学插图、核能医药、公众健康、科学图书管理员、科普作家、科技插图画家、科技信息专家、科技代表、销售、科技写作、保险索赔、教育节目制作、职业杂志编辑等等。随着国内生物产业的发展，需要更多的专业或交叉学科的人才。由于生物学正在高速发展，还有很多未知领域等待人们去探索。只要有决心，就有可能在学术上取得成绩。 4．什么是双盲设计，科学研究中的假象和误差是如何产生的？双盲设计是指被试者和研究实施者(主试)都不清楚研究的某些重要方面。双盲的实验设计有助于预防偏见．消除观察者偏差和期望偏差，加强了实验的标准化。科学研究中的误差包括：随机误差(因不确定因素引起误差)和系统误差(由方法、仪器和入为因素而引起误差)两类。 5．科学研究一般遵循哪些最基本的思维方式和步骤？请用本书第六章图6—8的实验研究实 3 例，总结出科学研究的一般步骤。科学研究中最基本的思维方式包括： (1)归纳和演绎； (2)分析和综合； (3)抽象和具体； (4)逻辑的和历史的：每一个人都应该学会科学的思维，这就需要遵循逻辑思维的要求，把握创新思维的能力，提升自己的思维品质。科学研究遵循的一般步骤： (1)发现问题； (2)收集与此问题相关的资料(通过观察、测量等)； (3)筛选相关资料，寻找理想的联系和规律； (4)提出假设(一个总结)，此假设应能够解释已有的资料，并对进一步需要研究问题提出建设； (5)严格验证假设； (6)根据新发现对假设进行证实、修订或否定。 6．众所周知，北京的中关村是中国计算机及信息技术的大本营，为什么在它的广场上没有计算机模型或电子模型，却树立了一个DNA双螺旋模型(见教材图5—2)? 在原始的海洋孕育第一个生命之前，裸露的DNA就存在于这个世界上了，而当今世界引领科技潮流浪尖的信息技术相比于DNA来说却是年轻了不知道多少倍。信息技术是当代人类用聪睿智慧的大脑发展出来的；而人类本身，无论是远古还是现今，直至将来，都无法脱离开DNA的影响。自然孕育了DNA，它一步步把无机物神奇的组成这个生命的载体，奇妙的双螺旋梦幻般的谱写出人类的密码．这其中所深藏的机理和极高的复杂程度是任何一块集成电路板都无法比拟的。DNA对人类进化的影响和贡献是不言而喻的，只有越来越高等，越来越睿智的人类才能让科技浪潮不断奔涌向前：之所以在中关村一街的十字路口要高耸起这样一个DNA模型，在我看来，它的用意莫过于暗示大家：DNA的奥秘尚未解开，高新技术产业的未来发展空间也正像DNA的奥秘一样深不可测。DNA正以它显妙的双螺旋舞姿默默的引领着我们和我们的信息技术在科技的浪尖上飞扬。 7.以本章每一节的标题为议题，进行分组讨论。讨论：（1）什么是生命? （2）为什么要学习生命科学? （3）生命科学涵盖的主要内容有哪些? （4）如何学习生命科学? （5）阐述创新性在推动生命科学发展中的重要性。第二章 1.组成细胞及其生物体的主要原子有那些，它们在细胞中主要有哪些作用？组成细胞的主要元素有碳（C，18.0%），氢（H，10.0%），氧（O，65.0%），氮（N，3.0%），磷（P，1.1%），硫（S，0.25%），钙（Ca，2.0%），钾（K，0.35%），钠（Na，0.15%）。其中 C，H，O，N 占了细胞质量的96%，它们是构成各种有机化合物的主要成分。 C有4个外层电子，能与别的原子形成4个强共价键。C原子之间及其它原子间以共价键等形式结合，可以形成大量化学性质与相对分子质量不同的生物分子。 4 O、H、N在构成有机化合物的羟基、羰基、羧基、氨基上都是不可缺少的元素。 N是蛋白质、核酸的重要元素。另外生物体内还有具有重要生物活性的含氮化合物，如多胺等。 S是组成蛋白质的半胱氨酸和甲硫氨酸的组成元素。 P是核酸、磷脂等分子的组成成分。另外磷酸根离子在细胞代谢活动中很重要：①在各类细胞的能量代谢中起到关键作用；②是核苷酸、磷脂、磷蛋白和磷酸化糖的组成成分；③调节酸碱平衡，对血液和组织液pH起缓冲作用。 Ca 2+ 对钙调素、肌动球蛋白、ATP酶极为重要；钙还是骨骼的重要成分。 Fe 2+ 或Fe 3+ 是血红蛋白、细胞色素、过氧化物酶和铁氧蛋白的组成成分。 K +、Na + 维持膜电位。可见，各种元素在细胞中都起到很重要的作用。 2.请描述碳元素的核外电子轨道形状和电子分布情况。为什么说在生命元素中，碳元素具有特别重要的作用？ C原子的最外层电子有4个，其基态分别处在2s(两个)和2P(两个)轨道上，当C原子发生反应时，首先一个2S电子被激发到2P轨道上，然后由一个2S电子轨道和3个2P轨道发生杂化，形成 4个完全一样的 SP 3 轨道．其立体形状就像一个正四面体，4个轨道伸向 4 面，各轨道间的夹角都是 109°28′’。C原子采用SP 3 杂化方式来反应有助于生成更稳定的键。在生命元素中，碳元素具有特别重要的作用，碳原子相互连接成链或环，形成各种生物大分子的基本结构。除了水以外，含碳化合物是生物体中最普遍的物质。由细胞合成的含碳化合物是有机化合物或生物分子。碳原子之间即与其他原子间以共价键等形式相结合，可以形成大量化学性状与相对分子质量不同的生物分子。碳原子是生物大分子的基本骨架：碳原子的不同排列方式和长短是生物大分子多样性的基础。所有生物大分子都是以碳原子相互连接成链或成环作为基本结构，并以共价键的形式与氢、氧、氮及磷相结合，形成了具有不同性质的生物大分子。 3.请举例讨论细胞中的原子具有可以做功的能量这一问题。在细胞内的生物化学反应过程中，高能电子可以从一个原子或化合物向另一个电子或化合物转移，即氧化还原反应，例如糖酵解中3-磷酸甘油醛被氧化生成1，3-磷酸甘油酸时，一对高能电子从 3-磷酸甘油醛转移到 NAD + ．NAD + 得到电子对被还原并结合一个质子形成 NADH，再经电子传递链 NADH上的高能电子最终交给氧原子形成水的同时生成 ATP．用于生物做功。 4．如何理解重斯学习或深化有关原子的结构与性质、化学键、有机化合物的碳骨架与功能团等基本概念，对于理解生命运动的本质是非常必要的。以化学的理论研究生命运动的规律，即是生物化学。生物化学学习的3种境界为：第一种境界是记忆境界。对于绝大多数学习生物化学的学习者，记忆典型的生命化学过程是他们的终极目标。他们可以对重要的生命化学运动的任何细节倒背如流，最典型的是诸如光合作用中的Calvin-Benson循环、呼吸作用中的糖酵解-三羧酸循环以及二者中的电子传递链．虽然这些工作常常使他们筋疲力尽，尤其当遇到容易混淆的过程时。凭借这些条文，他们可以解决诸如反应物生成物的种类及数量的简单问题。第二种境界是机制境界。对化学的基本观点(有机和无机)及题干中述及的基本概念有所了解的学习者，除了知道生命化学运动所包含的主要过程，能够以化学反应方程式的形式对其加以描述外，还能从化学的观点(如碳链和功能团或官能团)解释这些过程为什么会发生，即理解了生命运动的化学本质。这种境界有点拿来主义的意思，比上一种境界是很大的进步，因为它毕竟能把化学的观点用于生命运动的研究之中。 5 第三种境界即所谓进化境界。需要在学习化学概念的过程中，把化学的观点包容于进化的观点之中。可以说，进化能够解释一切生命现象，下面是它对生命化学现象的解释：自然选择了那些最出色完成各种生命必需功能的化学机制，变异与选择是这些机制的设计师，这些机制因此呈现出意义及目的性。可见，生命的持续对其化学机制提出功能要求。简单地说，进化设计出符合这些要求的物质基础和具体过程，这些过程的发生依赖于具有生物功能的功能团。因此．达到第三种境界的学习者能够深入理解所有生命化学过程为什么要发生。 5．整个水分子是电中性的，为什么又是极性化合物分子?在液体状态，水分子间的氢键是如何形成的？由于水分子中的氧原子与氢原子之间的键角不是180 °，而是以共价键形成“V”结构．致使整个水分子的正电荷中心与负电荷中心不重合，所以水分子虽然在整体上是电中性的，但又是极性化合物分子。由于氧原于的电负性很强，在水分子中氢原子的电子距离氢核很远，使得氢核外有很强的正电场，而与此同时氧原子有一对孤对电子，容易受到氢核正电场的作用，一个水分子的氧原子的孤对电子与另一个水分子的氢核之间的相互作用就形成了水分子中的氢键。 6.细胞内4种主要生物大分子单体的碳骨架与功能团各有哪些特征?哪些生物学功能? 糖类化合物糖分子含C、H、O 3种元素，通常3者的比例为1：2：1，一般化学通式为(CH20)n。糖类包括小分子的单糖、寡糖和多糖。从化学本质上来说，糖类是多羟醛、多羟酮或其衍生物。天然的单糖一般都是D型，重要的单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等。重要的二糖包括蔗糖、麦芽糖、乳糖等。麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成；蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成；乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成。重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素、氨基葡聚糖等，由葡萄糖单体聚合而成。糖类生物学功能： (1)作为生物体的结构成分：植物、真菌以及细菌的细胞壁，昆虫和甲壳类的外骨骼等； (2)作为生物体内的主要能源物质：生物氧化的燃料，葡萄糖和能量的贮存物质——淀粉和糖原等； (3)生物体内的重要中间代谢物质：糖类通过这些中间物质为其他生物分子如氨基酸、核苷酸以及脂肪酸等提供碳骨架； (4)作为细胞识别的信息分子：许多膜蛋白、分泌蛋白和受体蛋白都是糖蛋白，即在特定部位结合一定量的寡糖，这些糖链可能起信号识别的作用。脂类生物体内的脂类是指不溶于水的物质，包括三酰甘油、磷脂、类固醇等几类。脂类可溶于乙醚、氯仿等非极性溶剂。中性脂肪和油都是脂肪酸与甘油经过脱水缩合形成的脂类，由 3个脂肪酸上的羧基与一分子甘油上的3个羟基分别脱水缩合形成的脂类又叫三酰甘油。三酰甘油分子中甘油的 1个羟基与磷酸及其衍生物结合便构成为磷脂，如卵磷脂(磷脂酰胆碱)、脑磷脂等；磷脂是生物膜的主要成分。类固醇也称甾类，以环戊烷多氢菲为基础，不合脂肪酸，但具有脂类性质，也是细胞膜的重要成分。常见其他类型的脂类包括糖脂、多异戊二烯类、某些脂溶性维生素等。脂类生物学功能： (1)是生物体的能量提供者，脂肪氧化时产生的能量大约是糖的二倍； (2)磷脂是生物膜的主要成分； (3)参与细胞的识别，作为细胞的表面物质，与细胞识别，种特异性和组织免疫等有密切关系； 6 (4)某些萜类及类固醇类物质如维生素A、D、E、K、胆酸及固醇类激素具有营养、代谢及调节功能； (5)生物表面的保护层：保持体温、水分、抗逆等。蛋白质蛋白质是重要的生物大分子，其组成单位是氨基酸。组成蛋白质的氨基酸有20种，均为α—氨基酸。每个氨基酸的α—碳上连接一个羧基，一个氨基，一个氢原子和一个侧链R 基团。20种氨基酸结构的差别就在于它们的 R基团结构的不同。根据 R基团的极性，可将其分为4大类：非极性氨基酸(8种)；极性不带电荷氨基酸(7种)；带负电荷氨基酸(酸性氨基酸)(2种)；带正电荷氨基酸(碱性氨基酸)(3种)。一个氨基酸的α—氨基与另一个氨基酸的α—羧基脱水缩合形成了肽键，通过肽键相互连接而成的化合物称为肽。蛋白质是由多个氨基酸单体组成的生物大分子多聚体。蛋白质结构分为4个结构水平，包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序和二硫键的位置。在多肽链的含有游离氨基的一端称为肽链的氨基端或N端，而含有游离羧基的一端称为肽链的羧基端或C端。蛋白质的二级结构是指多肽链骨架盘绕折叠所形成的有规律性的结构单元。最基本的二级结构单元类型有α—螺旋、β—折叠、β—转角和自由回转。蛋白质的三级结构是整个多肽链的三维构象，它是在二级结构的基础上，多肽链进一步折叠卷曲形成复杂的球状分子结构。蛋白质的四级结构指具有独立的三级结构的数条多肽链相互聚集而成的复合体。在具有四级结构的蛋白质中，每一条具有三级结构的肤链称为亚基。四级结构涉及亚基在整个分子中的空间排布以及亚基之间的相互关系。亚基本身不具有生物活性。按照功能，蛋白质可分为： (1)结构蛋白：生物结构成分，如胶原蛋白、角蛋白等； (2)伸缩蛋白：收缩与运动，如肌纤维中的肌球蛋白等； (3)防御蛋白：如免疫球蛋白、金属硫蛋白等； (4)贮存蛋白：贮存氨基酸和离子等，如酪蛋白、卵清蛋白、载铁蛋白等； (5)运输蛋白：运输功能，如血液中运送 O2与 CO2的血红蛋白和运送脂质的脂蛋白；控制离子进出的离子泵等； (6)激素蛋白：调节物质代谢、生长分化等，如生长激素； (7)信号蛋白：接受与传递信号，如受体蛋白等； (8)酶：催化功能，包括参与生命活动的大多数酶。核酸核酸可分为DNA和RNA两大类。除病毒外，所有生物细胞都含有这两类核酸。核酸是由核苷酸单体连接形成的大分子多聚体。每一个核昔酸单体由3部分组成：戊糖、磷酸和含氮碱基。碱基包括腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和尿嘧啶5种。组成DNA的碱基中有胸腺嘧啶、RNA中有尿嘧啶，两者均有腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶；一个核苷酸单体戊糖第5位碳的磷酸根与另一个核苷酸单体戊糖第3位碳相连，形成3’，5’—磷酸二酯键，如此重复连接形成核酸链的磷酸戊糖基本骨架，构成 DNA分子的为 D—2—脱氧核糖，构成 RNA的为核糖。碱基则与骨架上戊糖的第1位碳相连。 DNA分子是由两条脱氧核糖核酸长链以碱基相互配对连接而成的螺旋状双链分子。 RNA 分子多是单链分子，有局部的碱基配对所形成的双链，这样双链和单链相间形成“发夹结构”。根据功能的不同RNA分为信使RNA(mRNA)、转移RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA)。核酸生物学功能主要有：贮存遗传信息，控制蛋白质的合成，从而控制细胞和生物体的生命过程。 7 7．举例说明蛋白质的空间结构对于其功能具有决定性的作用。各种生物大分子主要有蛋白质结构与其功能有着密切的关系。蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。蛋白质变性(构象发生变化) 使得其特定的功能立即发生变化。例如疯牛病(牛海绵状脑病，即BSE)和新型克雅氏病的发病与朊蛋白(抗蛋白酶传染性因子)的变异有关。其实，人体内都存在朊蛋白，但由于感染了变异的朊蛋白等原因．使得正常的朊蛋白的结构由螺旋型变形为片状。结构发生了变化的朊蛋白聚合起来，逐渐在脑中沉积为蛋白质分解酶不能分解的斑块。 8.戊糖、碱基、磷酸、核苷、核苷酸、核酸、DNA和基因之间有什么样的关系和结构上的顺序? 基因是可编码一条肽链的DNA片段。其相互关系为： 9．DNA的结构特征对于遗传信息的传递具有什么特殊的作用? DNA双螺旋结构可以很好地保护内部的脱氧核苷酸，使其免受外界因素的影响，使DNA 的内部脱氧核苷酸排列顺序基本稳定，就保持了生物体性状的稳定性，给生物体的稳定遗传提供了先决条件。在DNA复制(边解旋边复制)的时候，双螺旋结构又成为了精确的模板，加上碱基互补配对的高度精确性(即只能A与T配对．C与G配对)，使遗传信息得以稳定的复制传递，再经转录将遗传信息准确地传递给mRNA。 10．Watson与Crick发现DNA双螺旋结构的故事可以给我们哪些启示? ①知识创新常常来源于知识的交流、共享和融合。②科学创新是一个知识不断积累，认识不断深化的过程。要善于总结和借鉴别人的经验和成果，站在巨人肩膀上获取成功。③正确选择发展的方向和研究的课题。④创新需要想象力和主动性，需要强烈的兴趣和自由思考的空间，要有内在的紧迫感和自主的动力。⑤失败是成功之母。⑥敢于竞争，善于合作。第三章 1.试分别比较原核生物与真核生物、植物细胞和动物细胞、叶绿体与线粒体，它们各有什么共同点，有哪些不同点？ (1)真核与原核比较原核细胞真核细胞代表生物细菌、蓝细菌原生生物、植物、动物和真菌细胞大小 1-10μ m 3-100μ m 细胞核没有真正的细胞核与核膜、核仁和核质组成的细胞核细胞膜有有细胞器没有线粒体、叶绿体、内质网、有线粒体、叶绿体、内质网、8 (2)植物细胞和动物细胞比较：相同点：都有细胞质膜、DNA和RNA、核糖体等等，各种细胞都可以通过细胞，使生命得以延续。不同点：①植物细胞有而动物细胞所没有细胞壁，细胞壁主要由纤维素和果胶组成，对植物细胞起到支持和保护的作用。⑦植物细胞中动物细胞中所没有的质体．其中以绿色植物的叶绿体最为重要，它能通过对太阳能的吸收和转化，为自身及其他生物提供赖以生存的有机物和氧气。③大多数植物细胞中含有一个中央大液泡或几个小液泡，它作为植物细胞贮藏和转运的重要场所也是动物细胞所没有的。④植物细胞中含有动物细胞所没有的乙醛酸循环体、胞间连丝、细胞分裂时的细胞板等动物细胞中含有植物细胞中所没有的溶酶体、中心体、细胞分裂时的收缩环等。 (3)叶绿体与线粒体比较：相同点：都是由双层腔包被而成．具有很大的膜面积，内部含有DNA可完成一定量的自主复制，都是能量的转化场所，都具有核糖体和许多反应所需的酶蛋白，都具有电子传递体系。都是细胞即整个生物体得以生存的重要基础。不同点：除两者所包含的酶系及电子传递系统不同外，还有以下区别。叶绿素线粒体色素有叶绿素，叶黄素，胡萝素等没有增大膜面积的方式类囊体堆叠而成的基粒内膜折叠成嵴意义进行光合作用，合成能量进行呼吸作用，分解能量大小不同 1—10μm 2—5μm 2．有些植物种子的细胞里有贮存油脂的脂肪颗粒．这些颗粒被一层磷脂膜包被，而不像细溶酶体等细胞器溶酶体等细胞器细胞壁多数有细胞壁植物细胞和真菌有细胞壁，动物细胞无细胞壁核糖体 70s（由50s 和30s 两个亚基组成） 80s（由60s 和40s 两个亚基组成）染色体仅有一条裸露双链DNA 有两个以上的染色体，DNA 与蛋白质结合 DNA 环状，存在于细胞质中线状，存在细胞核中核外DNA 有的细胞有质粒有线粒体DNA 和叶绿体DNA RNA 与蛋白质的合成 RNA 没有内含子，DNA 转录为 RNA 与蛋白质的合成（翻译）都在细胞质中进行 RNA 有内含子和外显子，DNA 转录为RNA 在核中进行，蛋白质的合成（翻译）都在细胞质中细胞质无细胞骨架有细胞骨架细胞分裂二分裂，无有丝分裂有丝分裂和减数分裂细胞组织主要是单细胞生物体，不形成细胞组织大多数是多细胞生物体并形成细胞组织 9 胞器那样具有双分子层膜。试描述这种单分子层膜的形态，解释它比双层膜稳定的原因。磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸所组成的具有双重极性的分子。一端是极性的(亲水性的)“头”部，一端是非极性(疏水的)“尾”部。在双层膜组成的细胞器中，细胞器内外均为极性溶液，两层膜的亲水的“头”部分别向着细胞质和细胞器内的极性溶液，疏水的“尾”端则背离水相而相对排列，从而形成相对稳定的状态。而在植物种子细胞里的脂肪颗粒中的油脂为非极性溶液，单层磷脂膜的磷脂分子疏水的“尾”端向着内侧脂肪分子排列，而磷脂分子亲水的“头”向着外侧排列，暴露于细胞质的极性溶液中，从而形成了比较稳定的结构。 3．构成膜的蛋白质与磷脂双分子层的相互关系怎样?镶嵌在磷脂分子个的蛋白质有哪些结构特点和功能? 细胞膜主要由脂类和蛋内质组成，此外还含有少量糖类。脂类构成了细胞膜的基本结构——脂质双层，蛋白分子以不同的方式镶嵌在脂双分子层中或结合在其表面，完成膜的主要功能。膜蛋白分布呈不对称性，有的镶在膜表面，称为外在膜蛋内；有的嵌入或横跨脂双分子层，称内在膜蛋白；蛋白质分子在膜内外两层分布位置和数量有很大差异，膜内、外侧面伸出的氨基酸残基的种类和数目也有很大差异。另外，糖脂与糖蛋白上的糖基一般只分布于膜的非细胞质侧，多糖链往往具有分叉，它们对于接受和识别外来受体或信号起重要作用。膜蛋白的主要作用有：①为运转蛋白，起物质运输作用，输送无机或有机分子跨膜进入膜的另一侧；②作为酶，催化发生在膜表面的重要代谢反应；③作为细胞表面受体或天线蛋白，敏感地接收膜表面的化学信息；④作为细胞表面的标志，被其他细胞所识别；⑤作为细胞表面的附着连接蛋白．与其他细胞相互结合；⑥作为锚蛋白，起固定细胞骨架的作用。 4．试从生命特征的不同方面说明细胞是生命的基本单位。从生命的层次上看，细胞是具有完整生命力的最简单的物质集合形式；细胞是生物体进行新陈代谢的功能体系，作为一个外放系统，细胞不断与环境交换着物质与能量；细胞是生物体生长发育的基础，尽管数目众多的各种细脑形态和功能各个相同，它们都是由同一个受精卵分裂和分化而来的；细胞还是生物繁殖和遗传的基础，因为生物的繁殖与遗传离不开细胞分裂；不同组织细胞在信息传递过程中表现出分工合作的相互关系，各种精细的分工和巧妙的配合使复杂多细胞生物的各种代谢活动有序地进行。 5．举例说明细胞中膜的重要性和各项功能。为什么说生物膜系统是最重要的物质和能量代谢场所？生物膜的重要性表现在以下几个方面： (1)界膜和区室化：胞膜最重要的作用就是勾划了细胞的边界，并且在细胞质中划分了许多以膜包被的区室。 (2)信息处理：常用质膜中的受体蛋白从环境中接收化学和电信号。细胞质膜中具有各种不同的受体，能够识别并结合特异的配体，产生一种新的信号激活或抑制细胞内的某些反应。如细胞通过质膜受体接收的信号决定对糖原的合成或分解。膜受体接收的某些信号则与细胞分裂有关。 (3)能量转化：细胞膜的另一个重要功能是参与细胞的能量转换。例如叶绿体利用类囊体膜上的结合蛋白进行光能的捕获和转换．最后将光能转换成化学能贮存在糖类中。同样，膜也能够将化学能转换成可以直接利用的高能化合物ATP，这是线粒体的主要功能。 (4)调节运输：膜为两侧的分子交换提供了一个屏障，—方面可以让某些物质“自由通透”．另一方面又作为某些物质出入细胞的障碍。 (5)功能区室化：细胞膜的另一个重要的功能就是通过形成膜结合细胞器，使细胞内的功能区室化。例如细胞质中的内质网、高尔基体等膜结合细胞器的基本功能是参与蛋白质的合成、加工和运输；而溶酶体的功能是起消化作用，与分解相关的酶主要集中在溶酶体。又如线粒体的内膜主要功能是进行氧化磷酸化，与该功能有关的两种蛋白复合体集中排列在线粒体内 10 膜上。另一个细胞器叶绿体的类囊体是光合作用的光反应场所．所以其类囊体膜中聚集着与光能捕获、电子传递和光合磷酸化相关的功能蛋白和酶。 (6)参与细胞间的相互作用：在多细胞的生物中，细胞通过质膜进行多种细胞间的相互作用，包括细胞识别、细胞粘着、细胞连接等。如动物细胞可以通过间隙连接，植物细胞则可以通过胞生物膜的这些基本功能也是生命活动的基本特征，没有膜的这些功能，细胞不能形成，细胞的生命活动就会停止。 6.请用草图表示，由构成染色质的长链DNA分子经过紧密缠绕、折叠、凝缩、并与蛋白质结合形成了染色体，同时表示出染色体上的特征结构名称。 7.有丝分裂和减数分裂的共同点和差别是什么？共同点是两者都进行一次染色体复制。不同点是：有丝分裂发生在所有正在生长的组织中，从合子阶段开始，继续到个体的整个生活周期，无联会，无交叉和互换；每个周期产生两个子细胞，产物的遗传成分相同，子细胞的染色体数与母细胞相同。减数分裂只发生在有性繁殖组织中，高等生物限于成熟个体；许多藻类和真菌发生在合子阶段；由联会，可以在有基因交叉和互换；后期Ⅰ是同源染色体分离的减数分裂；后期Ⅱ是姐妹染色单体分离的均等分裂；产生4个细胞产物（配子或孢子），产物的遗传成分不同，是父本和母本染色体的不同组合，为母细胞的一半。 8.列举出你所知道的细胞器和它们各自的功能。核糖体（ribosme)：由rRNA和蛋白质组成的粒状小体细胞器，常散在于细胞质中(游离核糖体)或附着于内质网上，由大小两个亚基构成，是蛋白质合成的场所，大小亚基结合成完整的核糖体行使翻译功能。线粒体（mitochondria）：细胞中重要而独特的细胞器，是呼吸作用进行的主要场所；在线粒体中，通过Krebs循环和氧化磷酸化作用将营养物质氧化分解，并进一步将分解获得的能量转化为化学能贮存在ATP中，供给生物生命活动之用，因此线粒体被称为生物体的“动力工厂”。溶酶体（lysosome)：溶酶体是由单层膜包围成的小球体细胞器，内含多种水解酶；具有吞噬外来异物并将其分解的异溶作用和对细胞内衰老、死亡细胞器进行消化处理的自溶作用。高尔基体（Golgi apparatus)：高尔基体是内质网合成产物和细胞分泌物的加工和包装的场所。最后形成分泌泡将分泌物排出。新合成的蛋白质在被运送到高尔基体后，由于糠类或其他辅基的加入而使其发生了变化。随后这些产物在高尔基体盘的边缘被包装于小泡，这 11 些小泡又以出芽的方式脱离高尔基体盘的边缘，释放入细胞质。高尔基体是由细胞内其他膜系转变而来的。质体（plastid）：是植物细胞的细胞器，包括白色体和有色体。植物根或茎细胞中的白色体含有淀粉、油类或蛋白质。植物色彩丰富的花或果实的细胞具有有色体，有色体内含有各种色素。叶绿体是一类最重要的有色体。微管（microtubule)：是细胞骨架的主要成分之一，其主要化学成分为微管蛋白，许多微管蛋白分子排列成原丝，13条原丝围成的中空管即为微管；其主要功能包括保持细胞形状、纤毛和鞭毛的运动、原生质与染色体运动、胞内运输等。微丝（microfilament）：指细胞内直径5-9nm，长短不
一、散布、成束或交织成网的蛋白质纤维。是细胞骨架的主要成分之一，其主链蛋白由肌动蛋白组成。中心粒（centriole）：为圆筒状小体，通常成对存在，由9组三联微管排列而成，与细胞分裂时纺锤体的形成密切相关，一般由两个相互垂直的中心粒构成中心体。 9.为什么在膜的双分子层中，脂肪酸碳原子间的双键越多，膜的流动性就越大？膜的流动性是指脂分子的侧向运动，主要是由脂分子中脂肪酸碳链的长短和不饱和程度决定的。碳链越短，不饱和键越多，膜脂的流动性越大。相同碳链长度的脂肪酸，不饱和键越多熔点越低，因此膜的流动性越大。 10．物质的跨膜运输分为被动运输和主动运输，其主要差别是什么? 主动运输是指由细胞供给能量，将某种物质分子从膜的低浓度一侧移向高浓度一侧的过程。自由扩散和协助扩散都属于被动运输，其特点是物质分子进行顺浓度梯度的移动，所需要的能量自高浓度溶液本身所包含的位能，不需要另外供给能量。 11．请以酵母细胞为例，简单介绍细胞周期控制的机制。在酵母菌细胞进入 G1期到达 G1期检验点时，该检验点通过比较细胞质体积与基因组的大小，决定是否让新合成的G1周期蛋白与Cdk结合，激活称为启动点激酶（start kinase）的二聚体引擎分子。即在 G1期，随着细胞的生长，细胞的体积增大到一定程度而其 DNA总量仍保持稳定，G1周期蛋白便与Cdk结合，激活启动点激酶，使周期性细胞通过G1检验点进入S期，DNA的复制便开始启动，G1周期蛋白接着便解离和自我降解。但是，如果G1检验点检查该周期性细胞不具备进入S期的条件，这时这些细胞便进入G0期。完成了 DNA复制后进入 G2期的细胞首先开始逐渐积累 M周期蛋白，该周期蛋白与 Cdk 结合形成称之为有丝分裂促进因子（mitosis-protomoting factory，MPF）的二聚体。最初， MPF在其磷酸化之前并没有活性。当非常少量的MPF被磷酸化以后，它们具有正向反馈调节作用，即少量磷酸化的MPF反过来可以增强催化MPF磷酸化的酶活性，促进细胞内被激活的 MPF浓度急剧增加，最终导致细胞通过G2检验点的检查，进入M期，有丝分裂过程开始启动。细胞进入M期以后，MPF可进一步催化核小体组蛋白H1磷酸化，再使核纤层蛋白和微管结合蛋白磷酸化，促使核纤层结构解体，从而促进纺锤体组装及染色单体的分离，保证一系列有丝分裂的正常进行。 M期的时间长短取决于活性MPF浓度变化，因为MPF本身会使二聚体上的周期蛋白自我降解。虽然Cdk的浓度始终不变，但新合成的M周期蛋白降解后，活性MPF浓度减少到一定程度，M期结束，有丝分裂过程完成，细胞有开始下一次以G1期为起点的周期循环。第四章 1 生物代谢的本质是什么? 生物代谢就是发生在生物体内的由酶控制的全部化学反应和能量的转化过程。 2．请从热力学原理出发，讨论为什么生命活动需要不断地输入能量。热力学第一定律告诉我们能量是守恒的，生命体自身不能产生能量，所有的能量来源与 12 外部的输入。而根据热力学第二定律的描述宇宙或系统的各种过程总是向着熵增大的方向进行。事实上，生命一直与热力学第二定律．即与自发过程作着斗争。对于细胞和生命体而言，需要不断的输入能量，否则系统的有序化的程度就要下降。熵不断增加的结果就是细胞或者生命体的死亡。 3．放能反应与吸能反应有什么区别?哪一种反应能够自发进行?为什么? 在一个反应中，如果产物比反应物含有更少的自由能，这个反应便趋于自发进行。自发反应可释放自由能，称为放能反应。相反，另一些反应需要从外界输人自由能才能进行，称为吸能反应。热力学第二定律指出，系统的各种过程总是向着熵值增大的方向进行。放能反应能够使细胞内熵增大，所以会自发的进行。 4．什么叫活化能?为什么酶具有高的催化效率? 酶是一种生物催化剂。它与普通催化剂一样，是通过降低反应所需的活化能促进细胞代谢的生化反应的，但是酶比普通催化剂有更高的催化效率，这是由酶分子的特殊结构所决定的。影响酶高催化效率的有关因素有：邻近定向效应、底物的变形与诱导契合、共价催化、酸碱催化金属离子催化和活性部位微环境。 5．根据酶的特性和催化原理说明蛋白质空间结构对于功能的重要性。酶的高效性、专一性等特点均与酶的空间结构有关。在一定的构象下，酶才能形成底物结合部位和催化反应的活性中心，使酶与底物专一性结合，并在反应活性中心降低反应活化能，使反应更易进行。如果失去空间结构，酶将失去催化活性，因此一定的空间结构是蛋白质执行其生理功能所必需的。 6．为什么说细胞呼吸与汽油的燃烧在本质上是—样的? 细胞呼吸和汽油燃烧都是一种氧化反应，在能量本质上是相同的，只是底物的种类不同。可以用一个通式来表达这两种反应：有机化合物+O2→CO2+能量 7．简述细胞呼吸各阶段化学反应反其发生的部位。有氧细胞呼吸的化学过程大致可以分成以下几个阶段：第一阶段为糖酵解。将一分子葡萄糖分解成两分子丙酮酸。反应发生在线粒体外的细胞质中。第二阶段为丙酮酸氧化。丙酮酸氧化为乙酰辅酶 A，并释放一分子 C02。反应在线粒体中进行。第三阶段为三羧酸(Krebs)循环。将乙酰辅酶A氧化为CO2并产生NADH、FADH2和GTP。反应发生在线粒体的基质中。第四阶段是电于链传递的氧化磷酸化。将 NADH、FADH 2的还原型电子传递给氧，并产生ATP。反应在线粒体内膜上进行。 8．将叶绿体置于pH为4的酸性溶液里，直到基质的 pH也达到4．然后将叶绿体取出，再置于pH为8的溶液里，这时发现叶绿体开始合成ATP。请解释上述实验现象。由于叶绿体的基质pH值为4而外界溶液的pH值为8，造成叫绿体内外的质子浓度差．即跨膜的氢离子梯度，而这一浓度梯度导致质子顺浓度梯度从叫绿体内经ATP合成酶出到外界溶液中，这个过程中所释放的能量使ADP与磷酸结合生成ATP。 9．请设计一个实验来证明，光合作用中产生的O2来源于H20，而非来源于CO2。用 O 18 同位素示踪实验。(参见教材①用 O 18 同位素标记水中的 O元素，检测到光合作用产物O2中含有O 18 ，②用O 18 同位素标记CO2中的O元素，检测光合作用产物中的O 2，未发现 O 18 。则可证明光合作用中的O2来源于H2O。 13 第五章 1.为什么孟德尔和摩尔根等科学家提出了遗传因子的概念，却不可能认识遗传因子是由什么物质组成的？答：孟德尔和摩尔根使用的实验材料是豌豆和果蝇，它们都是一些非常复杂的多细胞生物，当时人们不知道遗传物质是由什么组成的，而且其研究技术不可能直接从豌豆和果蝇等复杂的生物中获得线索，因此没有人能够想到遗传因子是由DNA组成的。 2 .举例说明伴性遗传现象和基因的连锁和交换现象，并用经典的遗传学作出解释。性别是由染色体决定的，人类属于XY型，即雌雄染色体异型，性染色体上的基因所控制的性状遗传，必然和性别有一定的关系，即伴件遗传。比如说，如果基因在Y染色体上，则该性状只能遗传给男性；如果在x染色体上且为隐性基因控制的，则一般男性患者比女性患者多。人类最常见的两种伴X隐性遗传病是血友病和色盲。基因的连锁反应可用果蝇的杂交实验说明．果蝇灰身 G对黑身 g是显性，长翅 L对残翅l是显性，两对性状是处在向一对同源染色体的两对等位基因控制的。如果让灰身长翅果蝇GL／GL和黑身残翅果蝇gl／gl杂交，第一代都是灰身长翅果蝇GL／gl。若让灰身长翅果蝇GL／gl和双隐性亲本黑身残翅果蝇gl／gl果蝇回交，则出现4种类型的果蝇：两种亲本性灰身长翅 GL／gl和黑身残翅 gl／gl两种重组的新类型，灰身残翅 Gl／gl和黑身长翅 gL／gl。出于两对等位基因处在一对同源染色体上，G和 L在一条染色体上，g，l在另一条染色体上，染色体到哪里他们就到那里，但由于第一代雌果蝇GL／gl 有互换，就是在一部分染色体上的基因之间发生了相互交换，形成了两种新配子，杂交后就产生了两种新类型，由于这两个基因互换比率不大，所以这的种重组的新类型比两个亲本类型少得多。即两个或两个以上的基因位于同一个染色体上，在遗传时，染色体上的基因常连在一起不相分离，即基因的连锁遗传，若出现互换就是不完全连锁。 3．从结构和功能两方面说明DNA与RNA的差别。两者组成上的差别：DNA中合有胸腺嘧啶，RNA含有尿嘧啶，个别情况下有胸腺嘧啶。 DNA的核糖体2位无羟基，RNA的核糖上2位有羟基。核糖的2位羟基对RNA来说，不仅是折叠成固有三维结构的关键因素，也是RNA具有催化作用的重要组成部分。核糖2位羟基是 DNA和RNA在遗传学上的本质差别。空间结构上与功能的差别：DNA分子是双螺旋结构，进行半保留复制，保证遗传信息的稳定遗传。RNA二级结构为发夹结构或茎环结构，RNA单链局部回折形成2条反向平行的片段，2片段中碱基互补的地方就形成右手双股螺旋，符合 A—DNA模型，不互补的地方就形成环状结构。不同种类的 RNA具有各自不同的功能。mRNA是从基因上转录下来去指导蛋白质合成的 RNA；tRNA在蛋白质合成过程中运输氨基酸：rRNA是核糖体的组成部分。 4．试解释下述现象：—位生物学家把从人的肝细胞中提取的基因植入一种细菌的染色体中，该基因通过转录和翻译合成蛋白质。然而这种在细菌体内合成的蛋白质其氨基酸序列上发生了很大的变化，与肝细胞合成的蛋白质完全不同。真核生物基因中包含有不编码肽链的内含子，转录为hnRNA后需要进一步加工去掉内含子，拼接外显子，形成mRNA；而原核生物没有转录后加工的过程，因此转录形成的mRNA里面包含有内含子的序列，同时这些序列也被翻译而合成肽链。简单说就是肝细胞基因中的内含子也被表达为蛋白质了。
