【课程体系】
【课前思考】
1.细胞的各种组成成分及含量。
2.细胞的基本结构，动植物细胞的结构差异。
【本章重点】
1.细胞中的有机成分及作用。
2.细胞膜的结构特点与生物识别。
3.细胞器的特点及功能。
【教学要求】
1.掌握细胞中的主要化学物质。
2.掌握细胞的结构及功能。
第一节 细胞的化学成分
组成细胞的基本元素是：O、C、H、N、Si、K、Ca、P、Mg，其中O、C、H、N四种元素占90%以上。细胞的化学物质可分为两大类：无机物和有机物。在无机物中水是最主要的成分，约占细胞物质总含量的75%—80%。
一、水与无机盐
（一）水是原生质最基本的物质
水在细胞中不仅含量最大，而且由于它具有一些特有的物理化学属性，在维持细胞结构与功能方面起着关键的作用。可以说，没有水，就不会有生命。水在细胞中以两种形式存在：一种是游离水，约占95%；另一种是结合水，通过氢键或其他键同蛋白质结合，约占4%—5%。随着细胞的生长和衰老，细胞的含水量逐渐下降，但是活细胞的含水量不会低于75%。
水在细胞中的主要作用是，溶解无机物、调节温度、参加酶反应、参与物质代谢和构成细胞有序结构。水之所以具有这么多的重要功能是和水的特有属性分不开的。
1.水分子是偶极子
从化学结构上看，水分子似乎很简单，仅是由2个氢原子和1个氧原子构成（H2O）。然而水分子中的电荷分布是不对称的，一侧显正电性，另一侧显负电性，从而表现出电极性，是一个典型的偶极子。正由于水分子具有这一特性，它既可以同蛋白质中的正电荷结合，也可以同负电荷结合。蛋白质中每一个氨基酸平均可结合2.6个水分子。
由于水分子具有极性，产生静电作用，因而它是一些离子物质（如无机盐）的良好溶剂。
2.水分子间可形成氢键
由于水分子是偶极子，因而在水分子之间和水分子与其他极性分子间可建立弱作用力的氢键。在水中每一氧原子可与另两个水分子的氢原子形成两个氢键。氢键作用力很弱，因此分子间的氢键经常处于断开和重建的过程中。
3.水分子可解离为离子
水分子可解离为氢氧离子和氢离子。在标准状况下总有少量水分子解离为离子，大约有10mol/L水分子解离，相当于每10个水分子中就有2个解离。但是水分子的电解并不稳定，总是处于分子与离子相互转化的动态平衡之中。
（二）无机盐
细胞中无机盐的含量很少，约占细胞总重的1%。盐在细胞中解离为离子，离子的浓度除了具有调节渗透压和维持酸碱平衡的作用外，还有许多重要的作用。
主要的阴离子，其中磷酸根离子在细胞代谢活动中最为重要：①在各类细胞的能量代谢中起着关键作用；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。
主要的阳离子。
二、有机分子
细胞中有机物达几千种之多，约占细胞干重的90%以上，它们主要由碳、氢、氧、氮等元素组成。有机物中主要由四大类分子所组成，即蛋白质、核酸、脂类和糖，这些分子约占细胞干重的90%以上。
（一）蛋白质
在生命活动中，蛋白质是一类极为重要的大分子，几乎各种生命活动无不与蛋白质的存在有关。蛋白质不仅是细胞的主要结构成分，而且更重要的是，生物专有的催化剂——酶是蛋白质，因此细胞的代谢活动离不开蛋白质。一个细胞中约含有10种蛋白质，分子的数量达1011个。
（二）核酸
核酸是生物遗传信息的载体分子，所有生物均含有核酸。核酸是由核苷酸单体聚合而成的大分子。核酸可分为核糖核酸RNA和脱氧核糖核酸两大类DNA。当温度上升到一定高度时，DNA双链即解离为单链，称为变性（denaturation）或熔解（melting），这一温度称为熔解温度（melting tmperature，Tm）。碱基组成不同的DNA，熔解温度不一样，含G—C对（3条氢键）多的DNA，Tm高；含A—T对（2条氢键）多的，Tm低。当温度下降到一定温度以下，变性DNA的互补单链又可通过在配对碱基间形成氢键，恢复DNA的双螺旋结构，这一过程称为复性（renaturation）或退火（annealing）。
DNA有三种主要构象：
B—DNA：为Watson&；Crick提出的右手螺旋模型，每圈螺旋10个碱基，螺旋扭角为36°，螺距34樻，每个碱基对的螺旋上升值为3.4樻，碱基倾角为—2°。
A—DNA：为右手螺旋，每圈螺旋10.9个碱基，螺旋扭角为33°，螺距32樻，每个碱基对的螺旋上升值为2.9樻，碱基倾角为13°。
Z—DNA：为左手螺旋，每圈螺旋12个碱基，螺旋扭角为—51°（G—C）和—9°（C—G），螺距46樻，每个碱基对的螺旋上升值为3.5樻（G—C）和4.1樻（C—G），碱基倾角为9°。
（三）糖类
细胞中的糖类既有单糖，也有多糖。细胞中的单糖是作为能源以及与糖有关的化合物的原料存在的。重要的单糖为五碳糖（戊糖）和六碳糖（己糖），其中最主要的五碳糖为核糖，最重要的六碳糖为葡萄糖。葡萄糖不仅是能量代谢的关键单糖，而且是构成多糖的主要单体。
多糖在细胞结构成分中占有主要的地位。细胞中的多糖基本上可分为两类：一类是营养储备多糖；另一类是结构多糖。作为食物储备的多糖主要有两种，在植物细胞中为淀粉（starch），在动物细胞中为糖元（glycogen）。在真核细胞中结构多糖主要有纤维素（cellu‐lose）和几丁质（chitin）。
（四）脂类
脂类包括：脂肪酸、中性脂肪、类固醇、蜡、磷酸甘油酯、鞘脂、糖脂、类胡萝卜素等。脂类化合物难溶于水，而易溶于非极性有机溶剂。
1.中性脂肪（neutralfat）
①甘油酯：它是脂肪酸的羧基同甘油的羟基结合形成的甘油三酯（triglyceride）。甘油酯是动物和植物体内脂肪的主要贮存形式。当体内碳水化合物、蛋白质或脂类过剩时，即可转变成甘油酯贮存起来。甘油酯为能源物质，氧化时可比糖或蛋白质释放出高两倍的能量。
营养缺乏时，就要动用甘油酯提供能量。
②蜡：脂肪酸同长链脂肪族一元醇或固醇酯化形成蜡（如蜂蜡）。蜡的碳氢链很长，熔点要高于甘油酯。细胞中不含蜡质，但有的细胞可分泌蜡质。如：植物表皮细胞分泌的蜡膜；同翅目昆虫的蜡腺，如高等动物外耳道的耵聍腺。
2.磷脂
磷脂对细胞的结构和代谢至关重要，它是构成生物膜的基本成分，也是许多代谢途径的参与者。分为甘油磷脂和鞘磷脂两大类。
3.糖脂
糖脂也是构成细胞膜的成分，与细胞的识别和表面抗原性有关。
4.萜类和类固醇类
这两类化合物都是异戊二烯（isoptene）的衍生物，都不含脂肪酸。
生物中主要的萜类化合物有胡萝卜素和维生素A、E、K等。还有一种多萜醇磷酸酯，它是细胞质中糖基转移酶的载体。
类固醇类（steroids）化合物又称甾类化合物，其中胆固醇是构成膜的成分。另一些甾类化合物是激素类，如雌性激素、雄性激素、肾上腺激素等。
三、酶与生物催化剂
（一）酶
酶是蛋白质性的催化剂，主要作用是降低化学反应的活化能，增加了反应物分子越过活化能屏障和完成反应的概率。酶的作用机制是，在反应中酶与底物暂时结合，形成了酶—底物活化复合物。这种复合物对活化能的需求量低，因而在单位时间内复合物分子越过活化能屏障的数量就比单纯分子要多。反应完成后，酶分子迅即从酶—底物复合物中解脱出来。
酶的主要特点是：具有高效催化能力、高度特异性和可调性；要求适宜的pH和温度；只催化热力学允许的反应，对正负反应均具有催化能力，实质上是能加速反应达到平衡的速度。
某些酶需要有一种非蛋白质性的辅因子（cofactor）结合才能具有活性。辅因子可以是一种复杂的有机分子，也可以是一种金属离子，或者二者兼有。完全的蛋白质—辅因子复合物称为全酶（holoenzyme）。全酶去掉辅因子，剩下的蛋白质部分称为脱辅基酶蛋白（apoen‐zyme）。
（二）RNA催化剂
1982年，T.Cech发现四膜虫（Tetrahymena）rRNA的前体物能在没有任何蛋白质参与下进行自我加工，产生成熟的rRNA产物。这种加工方式称为自我剪接（selfsplicing）。后来又发现，这种剪下来的RNA内含子序列像酶一样，也具有催化活性。此RNA序列长约400个核苷酸，可褶叠成表面复杂的结构。它也能与另一RNA分子结合，将其在一定位点切割开，因而将这种具有催化活性的RNA序列称为核酶Ribozyme。后来陆续发现，具有催化活性的RNA不只存在于四膜虫，而是普遍存在于原核和真核生物中。一个典型的例子是核糖体的肽基转移酶，过去一直认为催化肽链合成的是核糖体中蛋白质的作用，但事实上具有肽基转移酶活性和催化形成肽键的成分是RNA，而不是蛋白质，核糖体中的蛋白质只起支架作用。
第二节 细胞的基本结构
在光学显微镜下观察植物的细胞，可以看到它的结构分为下列四个部分：
（一）细胞壁
位于植物细胞的最外层，是一层透明的薄壁。它主要是由纤维素和果胶组成的，孔隙较大，物质分子可以自由透过。细胞壁对细胞起着支持和保护的作用。
（二）细胞膜
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层分子组成的薄膜，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。
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。
细胞膜的基本结构：
1.脂双层：磷脂、胆固醇、糖脂，每个动物细胞质膜上约有10个脂分子，即每平方微米的质膜上约有5×10个脂分子。
2.膜蛋白，分内在蛋白和外在蛋白两种。内在蛋白以疏水的部分直接与磷脂的疏水部分共价结合，两端带有极性，贯穿膜的内外；外在蛋白以非共价键结合在固有蛋白的外端上，或结合在磷脂分子的亲水头上。如载体、特异受体、酶、表面抗原。
3.膜糖和糖衣：糖蛋白、糖脂。
（三）细胞质
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。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液泡，其体积占去整个细胞的大半。
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。
除叶绿体外，植物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。
1.线粒体
呈线状、粒状，故名。在线粒体上，有很多种与呼吸作用有关的颗粒，即多种呼吸酶。它是细胞进行呼吸作用的场所，通过呼吸作用，将有机物氧化分解，并释放能量，供细胞的生命活动所需，所以有人称线粒体为细胞的“发电站”或“动力工厂”。
2.叶绿体
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。叶绿体由双层膜、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。
3.内质网
内质网是细胞质中由膜构成的网状管道系统，广泛地分布在细胞质基质内。它与细胞膜相通连，对细胞内蛋白质等物质的合成和运输起着重要作用。
内质网有两种：一种是表面光滑的；另一种是上面附着许多小颗粒状的。内质网增大了细胞内的膜面积，膜上附着这许多酶，为细胞内各种化学反应的正常进行提供了有利条件。
4.高尔基体
高尔基体普遍存在于植物细胞和动物细胞中。一般认为，细胞中的高尔基体与细胞分泌物的形成有关，高尔基体本身没有合成蛋白质的功能，但可以对蛋白质进行加工和转运。
植物细胞分裂时，高尔基体与细胞壁的形成有关。
5.核糖体
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，有些游离在细胞质基质中，是合成蛋白质的重要基地。
6.中心体
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丝分裂有密切关系。
7.液泡
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。
8.溶酶体
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。
9.细胞骨架
是由蛋白质纤维组成的三维网架结构，包括：微管、微丝、中间纤维。
微管：直径24nm的中空长管状的纤维。除红细胞外，真核细胞都有微管，纺锤体、鞭毛、纤毛都由微管构成。
微丝（肌动蛋白丝）：是实心纤维，直径4~7nm。肌动蛋白由哑铃形单体相连成串，两串以右手螺旋形式扭缠成束。肌动蛋白丝有运动的功能，与细胞质流动有关。
中间纤维：介于微管与微丝之间的纤维，直径8~10nm。构成中间纤维的蛋白质有5种之多，常见的是角蛋白、波形蛋白、层粘连蛋白。
功能：维持细胞形态结构，与细胞运动、物质运输、能量转换、信息传递、细胞分化和细胞转化等有关，在细胞中起到“骨骼和肌肉”作用。
（四）细胞核
细胞核是细胞的控制中心，遗传物质DNA几乎全部存在于核内。由核膜、核仁和核质等三部分构成。
核膜（核被膜）：是由内、外两层单位膜组成的。双层膜在一定间隔愈合形成小孔——核孔，容许某些物质进出，如输入RNA、DNA核苷酸前体、组蛋白和核蛋白体的蛋白质，输出mRNA、tRNA和核蛋白体的亚单位等。在核被膜的外膜和细胞质接触面上，有核蛋白体；在一些部位，外膜向外延伸到细胞质中去，可以和内质网膜相连。因此，内、外膜间的间隙和内质网的基质是连续的，似可经过内质网和相邻的细胞相通。
核仁：一个或几个核仁，是细胞核内形成核蛋白体亚单位的部位。
核质：以碱性染料染色后，可分为着色物质——染色质和不着色物质——核液。
染色质：是由核酸和蛋白质的复合物组成的复杂物质结构，含有大量的DNA和组蛋白、较少量的RNA和非组蛋白蛋白质。间期核内染色质常伸展成为宽度约10~15nm的细长的纤丝。这些染色质的细丝，到有丝分裂时高度地螺旋缠绕——螺旋化，成为染色体。当分裂结束，进入间期时，染色体的螺旋又松散开来，扩散成为染色质。染色质就是间期的染色体。
染色质细丝：是由许多核小体连接而成的，组成串珠状。每个核小体的中心有8个组蛋白分子，DNA双螺旋盘在它表面，核小体之间有一段DNA双螺旋，并与另一个组蛋白分子相连。这就是染色质的基本结构，由此再进一步螺旋缠绕形成2级、3级、4级结构，成为染色单体，从而构成染色体。
基因：是遗传物质的基本单位，存在于染色质（体）的DNA分子链上。
（五）动物细胞与植物细胞比较
动物细胞与植物细胞相比较，具有很多相似的地方，如动物细胞也具有细胞膜、细胞质、细胞核等结构。但是动物细胞与植物细胞又有一些重要的区别，如动物细胞的最外面是细胞膜，没有细胞壁；动物细胞的细胞质中不含叶绿体，也不形成中央液泡。
总之，不论是植物还是动物，都是由细胞构成的。细胞是生物体结构和功能的基本单位。
【课外拓展】
1.试比较原核细胞与真核细胞、植物细胞与动物细胞、叶绿体与线粒体，它们的共同点与不同点。
2.构成膜的蛋白质与磷脂双分子层的相互关系怎样？镶嵌在磷脂分子中的蛋白质有哪些结构特点？
【课程研讨】
死亡的细胞与正常的细胞在形态结构上有何不同？
【课后思考】
1.简述动物细胞的基本结构。
2.为何说细胞是生物的最基本的结构与功能单位？不同的细胞有哪些相似性与多样性？
3.简述不同动物组织的结构和特点。
4.细胞的基本构造分几部分？比较它们的结构和功能。
【小资料】
人体探秘
构成人体的最基本的结构与功能单位为细胞，细胞构成组织，组织构成系统，而系统之间互相协调构成人体的各种功能。基本来说，人体的几种主要的营养物质如下：
1.水：占人体比重的70%，每天保证8杯水，是最便宜的排毒养颜剂。
2.蛋白质：约占人体比重的20%，用来制造肌肉、血液、皮肤和许多其他的身体器官。
在食物中的来源是鱼、肉、豆、蛋、奶。女性每天需要65克的蛋白质，男性需要75克，儿童在40克左右。
3.糖：是自然界中一个大家族，科学家把其中与人类生活关系密切的九种碳水化合物列出来，分为单糖、双糖、多糖。来源是纯糖，如麦芽糖、蜂蜜、红糖、白糖和谷物等。
4.脂肪：是人体必需的重要营养素之一，与蛋白质、碳水化合物一起称为产能的三大营养素。一般来说，人体的能量的70%来源于碳水化合物，20%左右来源于脂肪，但在空腹时，50%以上的能量通过脂肪氧化获得。来源是纯油脂如牛油、羊油、猪油等，和各种肉类、蛋类及硬果类。
5.矿物质：是以最简单的无机形式存在的元素。人体已发现有20余种必需的无机盐。
约占人体比重的4%—5%，像钙、镁、磷、钠、钾、氯、硫等7种，每日需要量100毫克以上，成为常量元素，而铁、锌、硒、铜、铬等都是微量元素。
6.维生素：是在食物中发现的一组有机复合物，对于细胞的新陈代谢、身体成长和维持健康是必不可少的，有助于其他营养素的吸收和利用，帮助形成血液、细胞、激素、遗传物质及神经系统的化学物质。分脂溶性维生素A、D、E、K和水溶性维生素B、C。
7.膳食纤维：是一种人体不能消化的碳水化合物，不能提供能量，是负责调节肠胃的消化吸收功能的，有助于预防大肠癌、降低胆固醇、防止便秘，且有助于控制体重。存在于水果、蔬菜和全麦类、种子类食物中。每天一公斤的水果、蔬菜才能提供人体所需的维生素和纤维素。
如果按原料估计的话，人还真卖不了几个钱，但是人是无价的，因为都有生命气息，人利用大自然简单的化学原理进行庞大而复杂的生命运动。简单的几个无生命的分子竟然能够进行生命活动，这为生命的研究提供了很好的条件，这是上天的恩赐。
你与钙的10种关系
——钙是人体所需的重要物质
钙vs情绪
钙是脑神经元代谢不可缺少的重要物质。充足的钙能抑制脑神经的异常兴奋，使人保持镇静。缺钙则使人烦躁、情绪不稳。
钙vs血压
人体缺钙会刺激产生导致高血压的多肽物质，日摄入量少于300mg者与达到正常摄入量者相比，高血压的发病率要高2—3倍。
钙vs视力
钙参与视神经的生理活动，还使眼球充满弹性。钙摄入不足则眼肌收缩功能受到影响，眼睛容易紧张、疲劳、视力下降。
钙vs免疫力
钙能激活淋巴液中的免疫细胞，改善其吞噬能力，同时促进血液中的免疫球蛋白合成，增强人体免疫力，抑制有害细菌繁殖。
钙vs消化能力
钙激活人体内的脂肪酶、淀粉酶等多种消化酶，改善其消化蛋白质、脂肪、碳水化合物的能力。钙摄入不足容易导致消化不良、食欲降低。
钙vs排毒能力
肝脏是重要的解毒器官，各种毒素都在肝细胞的作用下变成无毒或低毒物质。钙是参与肝细胞修复的重要元素，对保护肝脏的排毒功能十分重要。若摄入不足，不仅排毒不充分，肝脏健康也会受到影响。
钙vs激素分泌
内分泌腺分泌激素要靠钙来传递信息，钙不足则内分泌失衡，不仅影响肤色肤质、诱发失眠多梦，还可能导致性功能低下。
钙vs皮肤弹性
钙对维持皮肤细胞膜的完整非常重要。当体液中钙离子浓度下降时，细胞膜通透性增加，使皮肤和黏膜对水的渗透性增加，导致皮肤弹性降低，甚至引起皮肤瘙痒、水肿。
钙vs肌肉力量
钙参与肌纤维运动，缺钙则肌肉力量不足，不仅运动时容易拉伤，运动后也常常感到酸痛。同时，钙浓度不足时肌肉的兴奋性会增高，进而出现自发性收缩，甚至严重到抽筋。
钙vs脂肪代谢
钙与脂肪代谢有潜在关系，具有抑制“储存脂肪激素”的作用。因此钙的多少决定了能量是燃烧释放，还是以脂肪形式储存。实验也证明，高钙饮食能将减肥速度提高2倍。
