生命科学导论 刘真 主编,该课程目标是认识生命世界的现象、本质、发展规律以及生命科学研究的新进展，领悟生命科学对学生价值观形成的影响，树立人与生态环境及生物圈的正确关系。,绪论,一、生物的基本特征 生命科学是研究生命现象及其规律的科学。 （一）化学成分的统一性 （二）严整有序的结构和功能 （三）新陈代谢 （四）应激性和适应性 （五）调节和稳态 （六）生长、发育和生殖 （七）遗传、变异和进化,绪论,二、研究生命科学的基本方法 （一）观察；（二）实验假说；（三）模型实验 三、生命科学的形成、发展与展望 （一）准备与奠基时期；（二）形成与发展； （三）现代生命科学的建立与发展； （四）生命科学的展望 四、生命科学与现代社会生活 （一）与农业的可持续发展 （二）与人类的保健 （三）与生物工程产业,绪论,（四）与能源紧缺 （五）与维持生物圈的稳态 （六）与伦理道德 （七）生命科学素养的培养,第一篇 生物体的结构层次,第一章 生物体的结构基础 第一节 生物体内的元素 一、组成生物体的元素 二、碳元素对生命的意义 第二节 生物体内的化合物 一、生物体内的无机物 二、生物体内的有机物,第一章 第一节 生物体内的元素,一、组成生物体的元素：25种生物体所必需 大量元素、微量元素 二、碳元素对生命的意义 从某种意义上讲，地球上碳元素的存在为生命的出现提供了可能。,第二节 生物体内的化合物,包括无机物和有机物 一、生物体内的无机物 （一）水 1.生物体内含量最多的物质是水。2.以自由水和结合水两种形态存在。3.水是有极性的，水分子的一端略带负电，而另一端略带正电。4.极性可以使水分子间相互作用，形成一种较弱的键氢键。5.氢键的存在还能减缓水温的变化。 （二）无机盐 1.无机盐主要存在于细胞中，但含量很少，大多数以离子形式存在。2.具有十分重要的生理功能。（1）维持细胞膜两侧的渗透压。（2）维持生物体内的酸碱平衡。（3）维持神经细胞的兴奋性。,二、生物体内的有机物,（一）糖类生命活动的主要能源物质 糖类在生物体内广泛存在，尤其是植物体。 糖类由C、H、O3种元素组成。 糖类是生物体的主要供能物质。葡萄糖氧化分解时所释放的能量，是生物体进行生命活动所需能量的重要来源。 糖类还是生物体合成蛋白质、脂肪等的基本原料。 生物体内的糖类可以分为单糖、双糖和多糖。 1.单糖：是不能水解成更小糖类分子的物质。 （1）单糖可分为丙糖、丁糖、戊糖和己糖。（2）核糖、脱氧核糖和木糖等是重要的戊糖，即五碳糖。核糖和脱氧核糖是核酸的组成成分，木糖是树胶、半纤维素等的组成成分。（3）己糖即六碳糖。葡萄糖是生物界中最重要的六碳糖。血糖就是指人体血液中的葡萄糖。果糖主要存在于果实和蜂蜜中，是甜度最高的一种糖。半乳糖是乳糖的分解产物，吸收后在人体内可转化为葡萄糖。,二、生物体内的有机物,2.双糖：是由两分子单糖脱去一分子水后缩合而成的。 （1）白糖就是一种双糖蔗糖。蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合而成。 （2）麦芽糖和乳糖也是常见的双糖。麦芽糖由两分子葡萄糖缩合而成。乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成。 3.多糖：由数百至数千个单糖分子脱水缩合而成。 （1）常见的有淀粉、糖原和纤维素等。 （2）淀粉由许多个葡萄糖分子脱水缩合而成，可分为直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉溶于热水，遇碘变为深蓝色；支链淀粉不溶于水，遇碘变为紫红色。在有关酶的催化作用下，淀粉最终可以水解成葡萄糖。 （3）糖原是动物细胞中贮存的一种多糖，又称为动物淀粉。当动物体内的血糖水平下降时，糖原可以迅速水解成葡萄糖并进入血液中。糖原在水中的溶解度大于淀粉，遇碘变为红褐色。 （4）纤维素是由许多个葡萄糖分子脱水缩合而成的不分支长链。消化分解纤维素需要纤维素酶的参与。草食动物的肠道中存在能够分泌纤维素酶的微生物，所以草食动物可以消化、利用纤维素。人的消化道中不存在这类微生物，所以人不能消化、利用纤维素。,（二）蛋白质生命活动的体现者,蛋白质是细胞的重要组成成分，占细胞干重的50%左右。生物体的每一项生命活动都有蛋白质的参与。蛋白质的种类很多，可分为结构蛋白、收缩蛋白、贮藏蛋白、防御蛋白、转运蛋白和信号蛋白等。 1.蛋白质的组成和结构特点：组成元素C、H、O、N、S、P等，属于生物大分子。 （1）氨基酸：是组成蛋白质的结构单位。组成蛋白质的氨基酸有20种。每一个氨基酸分子至少有一个羧基和一个氨基，并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上。 氨基酸分为必需氨基酸和非必需氨基酸两类。8种人体必需氨基酸：苯丙氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、亮氨酸、异亮氨酸，苏氨酸、缬氨酸、色氨酸、赖氨酸。 氨基酸进一步分解成尿素、二氧化碳和水。,（2）肽和肽链：细胞内的氨基酸也是通过脱水缩合而连接起来的。一个氨基酸分子中的羧基与另一个氨基酸分子中的氨基脱水缩合，形成的共价键称为肽键，形成的化合物称为二肽。不同数目的氨基酸以肽键顺序相连，就形成了多肽。 （3）蛋白质的空间结构：一级结构（指多肽链中的氨基酸序列）、二级结构（一级结构中的肽链经过卷曲和折叠）、三级结构（在二级结构的基础上进一步折叠、盘绕，形成了三维的空间形态）、四级结构（含有两条或两条以上的多肽链，这些多肽链相互作用便形成了蛋白质的四级结构） （4）蛋白质工程：是以蛋白质的结构与生理功能的关系为基础，利用基因工程的手段，定向改造天然蛋白质，甚至制造出新的蛋白质，以满足人类生产与生活需要的一门现代生物技术。 2.酶一类具有生物催化作用的蛋白质 酶是由活细胞产生的一类具有催化能力的特殊的蛋白质。酶具有高效性、专一性以及所需要的催化条件比较温和，只需常温、常压和接近中性的PH。,（三）核酸生命活动的指导者,核酸是遗传信息的携带者。它包括脱氧核糖核酸（DHA）和核糖核酸（RNA）两大类。结构单位是核苷酸。 1.核苷酸：一分子戊糖、一分子磷酸和一分子碱基组成。碱基分为两类：一类是嘌呤，为双环分子，通常包括腺嘌呤 （A）和鸟嘌呤（G）;另一类是嘧啶，为单环分子，通常包括胞嘧啶（C），尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T）。 组成核苷酸的戊糖有两种：核糖和脱氧核糖。 核糖或脱氧核糖通过糖苷键与碱基结合，形成核苷；核苷通过磷酸酯键与磷酸结合，就形成核苷酸。 2.具有特殊生物学功能的核苷酸 细胞中能量货币三磷酸腺苷（ATP） ATP的结构简式为A-PPP。其中A代表腺苷，P代表磷酸基团，代表高能磷酸键。 ATP的大量化学能就贮存在高能磷酸键中。 ATP的化学性质不稳定，在一定条件下很容易水解，也很容易重新形成。,3.核酸的结构和功能 核酸是由许多个核苷酸脱水缩合而成的。遗传信息就包含在这些核苷酸的序列中。 （1）DNA的双螺旋结构和功能： DNA分子含有两条脱氧核苷酸长链，通过碱基互补配对原则形成双螺旋结构，即AT，CG。 （2） RNA的结构和功能：通常只有一条多核苷酸链。细胞内的RNA分子主要有3种类型：rRNA（核糖体RNA）、mRNA（信使RNA）和tRNA（转运RNA）。这三类RNA相互配合，将DNA中上的遗传信息表达到蛋白质分子中。,（四）脂质 脂质主要由C、H、O3种元素组成。脂质分子多种多样，结构差异大，但它们有一个共同特征：不溶于水，易溶于乙醚、丙酮和苯等有机溶剂。脂质不是生物大分子。 1.油和脂：如花生油，常温下呈液体状，称为油；猪油、牛油等在常温下呈固体状，称为脂。油和脂的分子结构相似，称为甘油三酯或脂肪。由于油和脂肪=不呈酸性，故又称中性脂肪。 油脂中所含的脂肪酸可以分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸两类。一般来说，脂类分子中的饱和脂肪酸含量多，如牛油含6070%的饱和脂肪酸，而油类分子大多数是不饱和脂肪酸。含饱和脂肪酸多的食品容易引起动脉粥样硬化，进而引发心脑血管疾病，因此应少食动物脂肪。,2.蜡: 蜡的疏水性很强，动物表皮、羽、毛以及植物叶片和果实表面覆盖有蜡，它可以防止微生物入侵以及水分的国度散失。 3.磷脂：磷脂又称磷酸甘油酯。在磷脂分子中，磷酸基团是极性的，即水溶性的；两个脂肪酸长链是非极性的，即脂溶性的。因此，磷酸分子的特征可以概括为：有一个“极性的头”，两个“非极性的尾”。在细胞膜中，磷脂分子也是亲水的头部位于外表，而疏水的尾部藏在里面，形成磷脂双分子层。 4.类固醇和萜类 类固醇又称甾醇，它们以游离的形式或与脂肪酸结合成酯的形式存在于生物体内，最常见的是胆固醇。 许多动物性食品（如肝脏、蛋黄等）的胆固醇含量较高。当人体血液中的类固醇含量较高时，容易引发动脉粥样硬化。,性激素、维生素D肾上腺皮质激素等都属于类固醇。抗炎剂、促蛋白合成类固醇、口服避孕药等是人工合成的类固醇。 萜类的结构与类固醇相似，但不含脂肪酸。生物体内有不少具有生物活性的萜类，如叶绿醇、胡萝卜素等。萜类大多数存在于植物精油和树脂中，如柠檬香素、薄荷油和樟脑等，具有特殊的气味。天然橡胶也属于萜类化合物。 （五）维生素 维生素是一类天然的有机化合物，人体不能合成或合成的量不能满足需要，所以必须从食物中获取。 现在已知的维生素有20余种。可分为脂溶性维生素和水溶性维生素两种。前者包括维生素A、D、E和K等，后者包括维生素B1、B2、B6、B12和维生素C等。其主要功能是对物质代谢起重要的调节作用。,预防维生素缺乏，除了要保持膳食平衡、食物的加工和烹调合理外，还要根据人体的生理、病理情况及时调整维生素的摄入量，并及时治疗影响维生素吸收和排出的疾病等。 综上所述，组成细胞的化学元素，构成了不同的化合物水、无机盐、糖类、蛋白质、核酸、脂质和维生素等。这些化合物具有重要的生理功能。但是，每一种化合物都不能单独完成某一项生命活动，即便是多糖、核酸和蛋白质等生物大分子。生物体内的这些大分子物质独立存在时都是没有生命的，它们只有按照一定的方式有序地组织起来，才能表现出各种生命现象。细胞就是生物体的最基本的结构形式。,第二章 生命活动的基本单位,细胞,第二章 生命活动的基本单位细胞,第一节 细胞的基本结构 一、细胞的类别 （一）原核细胞：原始、核区 （二）真核细胞：由原核细胞进化而来 都由细胞膜、细胞质和细胞核三部分组成 二、细胞膜和细胞壁 （一）人类对细胞膜结构的探索 流动镶嵌模型：1972年由桑格和尼克森提出 1.细胞膜主要由磷脂和蛋白质组成； 2.磷脂双分子层组成了膜的“骨架”，具有流动性； 3.蛋白质分子以不同的形式与磷脂双分子层结合； 4.糖类附着在细胞膜的外侧，与磷脂或蛋白质分别构成糖脂或糖蛋白。,（二）细胞膜的主要功能 1.物质的跨膜运输 （1）被动运输 自由扩散：从高浓度一侧到低浓度一侧，不需要载体和能量 协助扩散:从高浓度一侧到低浓度一侧，需要载体,不需要能量 （2）主动运输 逆浓度梯度，需要载体和能量 （3）胞吞作用和胞吐作用,（三）细胞壁：主要成分是纤维素，还有果胶质、半纤维素和蛋白质等 三、细胞质 （一）细胞质基质 （二）细胞器 1.线粒体：结构和功能 2.质体：无色体和有色体 叶绿体：结构和功能 3.内质网：结构、功能 4.核糖体 5.高尔基体 6.溶酶体 7.液泡 ； 8.中心体,四、细胞核 核被膜 染色质和染色体 核仁 核基质（核液） 生物膜系统及其重要作用：生物膜一某种形式相互联系，构成了生物膜系统。 生物膜系统的重要作用是：1.细胞膜使细胞拥有一个相对稳定的内部环境，以利于细胞与外界环境进行有序的物质交换、能量交换和信息传递等。2.生物膜将细胞分割成一个个小的“区室”，如细胞核就是一个区室，各种细胞器也都是区室，各区室都有自己的特性，分别执行特定的功能且互不干扰。因此，生物膜为细胞生理功能的区域化和生化反应的高效性、有序性提供了物质基础。3.生物膜增大了细胞内膜的面积，为酶提供了大量的附着位点，从而大大生化反应的表面积。,第二节 细胞的生命历程,一、细胞的分裂和分化 （一）细胞的分裂 1.无丝分裂 2.有丝分裂（真核生物细胞分裂的主要方式、增加体细胞的数量