【正文】 蛋白，輔基為色素，如血紅蛋白為鐵卟啉，若鐵被鎂取代為葉綠素；⑤磷蛋白，輔基為磷酸，如胃蛋白酶、酪蛋等。　　綜上所述，蛋白質(zhì)是由許多氨基酸分子通過(guò)肽鍵連接而成的高分子化合物。一般說(shuō)，亞基單獨(dú)存在時(shí)沒(méi)有生物活力，只有完整的四級(jí)結(jié)構(gòu)才有生物活力。　?、鄣鞍踪|(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)中有氫鍵參加，以維持其穩(wěn)定性(圖111)。如胰島素(51個(gè)氨基酸)，核糖核酸酶(124個(gè)氨基酸)，細(xì)胞色素C(104個(gè)氨基酸)，人血紅蛋白(574個(gè)氨基酸)等。由兩個(gè)氨基酸分子脫水連接成的物質(zhì)叫做二肽，三個(gè)氨基酸分子縮合成的物質(zhì)叫做三肽，余類推。它們是：蘇氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、色氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸(蛋氨酸)、亮氨酸和異亮氨酸。組成不同蛋白質(zhì)分子的氨基酸在數(shù)量上可以是幾十、幾百或更多，但其種類主要有20種?！　〉鞍踪|(zhì)是一種高分子化合物，分子量很大，約在5103～5106左右或更大些。在生命活動(dòng)過(guò)程中，蛋白質(zhì)有著極其重要的功能。膽固醇是人體必需的化合物，它不僅可以從食物中獲得，而且也可以在體內(nèi)合成，體內(nèi)合成的膽固醇比從食物中吸收的還多。人體中的磷脂有卵磷脂和腦磷脂，其結(jié)構(gòu)可用下圖解表示：　　磷脂中的磷酸氮堿部分易與水相吸，構(gòu)成磷脂分子的親水性頭部；而來(lái)自脂肪酸的碳?xì)滏湶糠郑慌c水相吸，構(gòu)成疏水性尾部?！　?．類脂　　類脂包括磷脂、糖脂等?！　≈镜闹饕δ苁枪┙o能量，；。　　1．脂肪　　脂肪分子是由一分子甘油和三分子脂肪酸組成的，又稱為甘油三酯?！　?四)脂類　　脂類包括脂肪、類脂和固醇類物質(zhì)。它的分子通式是：Cn(H2O)m(n和m通常大于2)?！　?三)糖類　　糖類廣泛分布于動(dòng)、植物體的各種組織細(xì)胞中。　　(二)無(wú)機(jī)鹽　　無(wú)機(jī)鹽一方面是生活物質(zhì)的周圍環(huán)境的一種成分，另方面又是生活物質(zhì)的基本組分之一。②自由水流動(dòng)性大，是物質(zhì)運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)?！　∷诩?xì)胞里的存在形式有兩種：自由水和結(jié)合水?！　?一)水　　水是生物體的主要組成成分之一，不同機(jī)體或同一機(jī)體的不同器官，含水量差別很大。聯(lián)系生命起源的化學(xué)進(jìn)化過(guò)程，可以看出生物與非生物具有一定的聯(lián)系性?！　‰S著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，細(xì)胞的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成已逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，因而原生質(zhì)作為一種物質(zhì)的概念就失去了意義。從結(jié)構(gòu)看(病毒除外)都是由細(xì)胞構(gòu)成，這是生命的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。生命有許多為無(wú)生命物質(zhì)所不具備的基本特征。即研究生物各個(gè)層次的種類、結(jié)構(gòu)、功能、行為、發(fā)育和起源進(jìn)化以及生物與周圍環(huán)境相互關(guān)系等的科學(xué)。它不僅是中學(xué)奧林匹克生物學(xué)校一本較為理想的教材，也是中學(xué)生物教師在日常教學(xué)中的重要參考書籍。我們聘請(qǐng)了在培養(yǎng)生物特長(zhǎng)生方面有著豐富經(jīng)驗(yàn)的部分著名教師編寫了《中學(xué)生奧林匹克競(jìng)賽生物學(xué)》一書。自1993年以來(lái)，我國(guó)中學(xué)生選手多次參加了歷屆中學(xué)生國(guó)際奧林匹克生物競(jìng)賽，并取得了優(yōu)異成績(jī)。其中有8名選手榮獲金牌，有10名選手獲銀牌，有1名選手獲銅牌。全書包括四編：第一編生命科學(xué)的基礎(chǔ)；第二編生物的基本類群；第三編動(dòng)物的行為；第四編生物實(shí)驗(yàn)及生物技術(shù)?！　”緯诰帉戇^(guò)程中，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院吳相鈺先生根據(jù)目前中學(xué)生國(guó)際奧林匹克生物競(jìng)賽的趨勢(shì)，給予了極其寶貴的指導(dǎo)，馮午、馬萊齡、汪勁武等先生對(duì)部分書稿又做了認(rèn)真、細(xì)致的審閱。自本世紀(jì)特別是40年代以來(lái)，生物學(xué)的研究吸取了數(shù)、理、化方面的成就，使它逐漸成為一門精確的、定量的、并已深入到分子層次的科學(xué)。例如，生命能在常溫、常壓下合成多種有機(jī)物，包括復(fù)雜的生物大分子；能夠利用環(huán)境中的物質(zhì)和能量來(lái)合成體內(nèi)的各種物質(zhì)；能以極高效率來(lái)儲(chǔ)存信息和傳遞信息；具有自我調(diào)節(jié)和自我復(fù)制的能力；能以一定的方式進(jìn)行個(gè)體發(fā)育和物種的演化。第一節(jié) 生命的物質(zhì)基礎(chǔ)一、細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)　　原生質(zhì)并不是一種化合物，而是由多種化合物所組成的復(fù)雜的膠體，它具有不斷自我更新的能力，成為一種生命物質(zhì)的體系?，F(xiàn)在使用原生質(zhì)這一名稱時(shí)，無(wú)非是泛指細(xì)胞內(nèi)的生活物質(zhì)，是生命的物質(zhì)體系?！　?gòu)成原生質(zhì)的化學(xué)元素，在無(wú)機(jī)物中除了少量的氧和氮外，均以化合態(tài)存在，主要是水和無(wú)機(jī)鹽；而有機(jī)物則以糖類、脂類、蛋白質(zhì)和核酸等化合物存在于體內(nèi)。例如，人體各部分含水量如下：骨骼22％，肌肉76％，腦70％～84％，肝臟70％，皮膚72％，心臟79％，血液83％。前者能自由流動(dòng)；后者不能自由流動(dòng)，其中有一部分與離子結(jié)合而成為離子化水，大部分則以膨潤(rùn)親水膠體而存在于膠粒的間隙中。③水直接參加體內(nèi)的生化反應(yīng)，如水解、氧化還原反應(yīng)以及在綠色植物體內(nèi)進(jìn)行光合作用光反應(yīng)時(shí)水的光解等。細(xì)胞中的鹽類大多數(shù)以離子狀態(tài)存在，如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl、SO42 ……等。動(dòng)物的血液里含有葡萄糖，乳汁里有乳糖，肝臟、骨骼肌里有糖原。符合此通式的并不一定都是糖，如乳酸C3H6O3即是一例；相反也有個(gè)別的糖不符合此通式，如脫氧核糖C5H10O4，鼠李糖C6H12O5。它們不溶于水，但溶于有機(jī)溶劑中。脂肪大量?jī)?chǔ)存在植物和動(dòng)物的脂肪細(xì)胞中，人和動(dòng)物的脂肪組織分布在皮下以及各內(nèi)臟器官間。因此，脂肪是細(xì)胞中最好的貯能物質(zhì)。其中最重要的是磷脂。在參與膜的結(jié)構(gòu)時(shí)，磷脂分子排列成雙分子層，親水性頭部朝外，疏水性尾部相對(duì)，朝向內(nèi)側(cè)?！　【S生素D原是形成維生素D的前身物，如皮膚里有一種7去氫膽固醇，在紫外線照射下可轉(zhuǎn)變?yōu)榫S生素D?！　?．蛋白質(zhì)的組成元素及結(jié)構(gòu)單位　　所有蛋白質(zhì)的元素組成都很近似，都含有C、H、O、N四種元素。例如人的血紅蛋白的分子量是64500；煙草花葉病病毒的分子量是40000000?！　?gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸在結(jié)構(gòu)上具有共同的特點(diǎn)，這就是每種氨基酸至少都有一個(gè)氨基(NH2)和一個(gè)羧基(COOH)，并且都連在同一個(gè)碳原子(叫做α碳原子)上，其結(jié)構(gòu)通式如下：　　20種氨基酸的不同，主要表現(xiàn)在R基(也叫側(cè)鏈基團(tuán))的不同。必需氨基酸對(duì)人體來(lái)說(shuō)，是重要的生活物質(zhì)。由許多氨基酸分子縮合成的物質(zhì)叫做多肽。　　(2)空間結(jié)構(gòu)　?、俚鞍踪|(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)?！　、诘鞍踪|(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。指含有兩條或多條肽鏈的蛋白質(zhì)中，各條肽鏈如何排列，它們彼此關(guān)聯(lián)聚合成大分子蛋白質(zhì)的方式。有的蛋白質(zhì)分子只有一、二、三級(jí)結(jié)構(gòu)，并無(wú)四級(jí)結(jié)構(gòu)，如肌紅蛋白、細(xì)胞色素C等。每個(gè)蛋白質(zhì)分子可以含有一條或幾條肽鏈，每條肽鏈按各自特殊的方式折迭、盤曲構(gòu)成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。　　4．蛋白質(zhì)的功能分類　　從功能上蛋白質(zhì)可分為結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，參與細(xì)胞的構(gòu)成；和酶，參與代謝。雖然組成蛋白質(zhì)的氨基酸只有20種，但是，正如26個(gè)英文字母可以組成許許多多英文詞匯一樣，20種氨基酸的不同排列順序和不同數(shù)目的組合，產(chǎn)生了生物界多種多樣的蛋白質(zhì)。有人估計(jì)所有生物的蛋白質(zhì)的種類約為1010～1012。　　(1)蛋白質(zhì)是生物機(jī)體的結(jié)構(gòu)物質(zhì)?！　?2)蛋白質(zhì)是生物的功能物質(zhì)。正是蛋白質(zhì)的多樣性使生物界形形色色、豐富多彩?！　?2)酶對(duì)化學(xué)反應(yīng)正、逆兩方向的催化作用相同，不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)，縮短達(dá)到平衡的時(shí)間?！　?．化學(xué)結(jié)構(gòu)　　酶是由蛋白質(zhì)形成的。輔酶與酶蛋白結(jié)合得松散，不調(diào)節(jié)生命活動(dòng)時(shí)與酶蛋白是分開(kāi)的。　　輔基有：鐵卟啉，能傳遞電子?；钚圆课皇潜匦杌鶊F(tuán)中的一個(gè)部位，必需基團(tuán)中的非活性部位起維持空間結(jié)構(gòu)的作用?！　〈藢W(xué)說(shuō)的優(yōu)點(diǎn)是，高效性能得到很好的解釋?！　?3)學(xué)說(shuō)：酶分子中的必需基團(tuán)或活性部位被破壞，酶就失去活性。它分兩大類，一是脫氧核糖核酸，簡(jiǎn)稱DNA，主要存在于細(xì)胞核里?！　?八)其它重要化合物　　(1)ADP和ATP　　(2)NAD+和NADH　　(3)NADP+和NADPH第二節(jié) 生命的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)　　構(gòu)成生物體的各種化合物都有其各自的生理功能，但是任何一種化合物都不能單獨(dú)地完成某一種生命活動(dòng)。在多細(xì)胞生物中，細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能雖然發(fā)生了分化，但是它們彼此之間是互相聯(lián)系和互相制約的，共同組成了統(tǒng)一的有機(jī)整體。其實(shí)，他所看到的僅是植物細(xì)胞死亡后殘留下來(lái)的細(xì)胞壁和空腔?！　?二)細(xì)胞學(xué)說(shuō)的建立　　自1665年虎克發(fā)現(xiàn)細(xì)胞之后，大約經(jīng)過(guò)170多年后，直至1839年才創(chuàng)立細(xì)胞學(xué)說(shuō)。這樣，就論證了整個(gè)生物界在結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一性，細(xì)胞把生物界的所有物種都聯(lián)系起來(lái)了，生物彼此之間存在著親緣關(guān)系的。　　1935年，杜雅丁觀察活的動(dòng)物細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中的生活物質(zhì)，稱之為“肉樣質(zhì)”。1841年雷馬克發(fā)現(xiàn)無(wú)絲分裂；1855年魏爾嘯提出“一切細(xì)胞來(lái)自細(xì)胞”的觀點(diǎn)；其后又有人發(fā)現(xiàn)了有絲分裂和減數(shù)分裂。1895年，T高爾基在光學(xué)顯微鏡下研究銀鹽浸染的貓頭鷹神經(jīng)細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)了高爾基體?！　?四)分子生物學(xué)的興起　　隨著生物化學(xué)、微生物學(xué)與遺傳學(xué)的密切配合，分子生物學(xué)開(kāi)始萌芽。特別是1953年沃森和克里克用X射線衍射法，提出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型后，奠定了分子生物學(xué)的基礎(chǔ)。它的研究領(lǐng)域包括蛋白質(zhì)體系、蛋白質(zhì)核酸體系(中心是分子遺傳學(xué))和蛋白質(zhì)脂質(zhì)體系(即生物膜)。有球形或近似球形的，如卵細(xì)胞、植物花粉母細(xì)胞；有呈筒狀，如水綿細(xì)胞；管狀的如植物篩管細(xì)胞；扁圓形的如人的紅細(xì)胞；梭形的如平滑肌肌細(xì)胞；也有無(wú)一定形狀的如單細(xì)胞的變形蟲，它的形態(tài)處于不斷變化之中。通常的計(jì)量單位，如厘米、毫米已不適于測(cè)量它。但也有少數(shù)細(xì)胞較大，如番茄、西瓜的果肉細(xì)胞直徑可達(dá)1毫米；棉花纖維細(xì)胞長(zhǎng)約1～5厘米，而某些植物纖維細(xì)胞亦可長(zhǎng)達(dá)1米；最大的細(xì)胞，是鳥(niǎo)類的卵(鳥(niǎo)類的蛋只有其中的蛋黃才是它的細(xì)胞，卵白是供發(fā)育用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，不屬于細(xì)胞部分)，如鴕鳥(niǎo)蛋卵黃直徑可達(dá)5厘米。生物體積的加大，主要是細(xì)胞數(shù)目的增多，而不是體積的增大?！　?一)原核細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)　　原核細(xì)胞體積較小，一般為1～10微米?！　?2)擬核(或稱核區(qū))原核細(xì)胞內(nèi)有一個(gè)含DNA的區(qū)域，稱為擬核，其外無(wú)核膜，只由一條裸露的雙鏈DNA所組成，這種DNA不與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白，無(wú)染色體(圖113)?！　?二)真核細(xì)胞　　真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)比原核細(xì)胞復(fù)雜，在同一個(gè)多細(xì)胞有機(jī)體內(nèi)，功能不同的細(xì)胞，其形　　態(tài)結(jié)構(gòu)亦有顯著區(qū)別。幼年的植物細(xì)胞中，有許多小而分散的液泡；在成年植物細(xì)胞中，液泡彼此融合，最后成為中央大液泡，內(nèi)含細(xì)胞液，成分有無(wú)機(jī)鹽、糖、氨基酸等，同時(shí)還含有色素，如花青素。　　關(guān)于動(dòng)、植物細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)見(jiàn)下面敘述?！　”臼兰o(jì)三十年代后，人們發(fā)明了電子顯微鏡，以后又不斷改進(jìn)。我們把電鏡下看到的結(jié)構(gòu)，一般稱為亞顯微結(jié)構(gòu)。此外，還有少量的多糖。　　膜中的脂類以磷脂為主，它既有親水的極性部分(一般稱為頭部)，又有疏水的非極性部分(一般稱為尾部)。在電鏡下觀察，可以看到膜分為三層(圖114)，內(nèi)外兩層電子密度高，顯示黑色(暗帶)，中間為薄的透明層，顯得亮(亮帶)，即電子密度低。這個(gè)模型表示生物細(xì)胞生活在含水的環(huán)境里，細(xì)胞內(nèi)部也飽含水分，因此細(xì)胞膜的內(nèi)外兩側(cè)都是含水的液體，組成膜的磷脂分子形成雙層，構(gòu)成膜的骨架，其親水性的頭部暴露在兩側(cè)的水中，疏水性尾部?jī)蓛上鄬?duì)，收藏在中間?！　?．質(zhì)膜的功能　　細(xì)胞膜是分隔細(xì)胞與外界環(huán)境之間的界膜，細(xì)胞與周圍環(huán)境所發(fā)生的一切聯(lián)系和反應(yīng)均需要借助膜才能完成。質(zhì)膜對(duì)物質(zhì)的通透具有高度的選擇性，根據(jù)物質(zhì)運(yùn)送過(guò)程是否需要消耗能量的供應(yīng)，可分為兩大類：被動(dòng)運(yùn)輸和主動(dòng)運(yùn)輸?！　?1)自由擴(kuò)散 自由擴(kuò)散的速度一般地說(shuō)依賴于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度差及溶質(zhì)分子的大小和電荷性質(zhì)。有報(bào)告指出，葡萄糖透過(guò)紅細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞的過(guò)程有時(shí)也是以這種方式進(jìn)行的。這種現(xiàn)象都不能用簡(jiǎn)單的擴(kuò)散來(lái)解釋?！　∫陨先N運(yùn)輸方式小結(jié)如表115所示?！　?．細(xì)胞的聯(lián)結(jié)　　在多細(xì)胞生物中，細(xì)胞與細(xì)胞之間的聯(lián)結(jié)，是靠各種不同連接裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。細(xì)胞壁并不是完全連續(xù)的。用電鏡觀察時(shí)，可以看到細(xì)胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，有各種細(xì)胞器和膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成的內(nèi)膜系統(tǒng)，以及由微管、微絲組成的微梁系統(tǒng)?；|(zhì)又是內(nèi)膜系統(tǒng)、微梁系統(tǒng)的亞顯微環(huán)境?！　、傩螒B(tài)、數(shù)量和分布。在正常細(xì)胞中，線粒體一般有幾百個(gè)到幾千個(gè)，如鼠肝細(xì)胞的線粒體有500～2500個(gè)；巨大的變形蟲細(xì)胞，線粒體多達(dá)1～50萬(wàn)個(gè)。有一種叫做單鞭金藻的植物，每個(gè)細(xì)胞只有一個(gè)線粒體。電鏡下看到的線粒體結(jié)構(gòu)大致分三部分：外膜和內(nèi)膜，內(nèi)膜向腔內(nèi)突起形成嵴；內(nèi)外膜之間的空腔為膜間腔；嵴與嵴之間的介質(zhì)為基質(zhì)?！　、酃δ?。此外，線粒體內(nèi)還含有多種酶能催化很多代謝反應(yīng)，并能進(jìn)行DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯等。色素中有胡蘿卜素、葉黃素，因而呈紅色或橙黃色。葉綠體一般呈橢球形，直徑約5～10微米，厚2～3微米?！　∪~綠體是由雙層膜包圍形成的，內(nèi)部有復(fù)雜的層膜結(jié)構(gòu)?；|(zhì)中有DNA和核糖體，各種可溶性蛋白(包括酶)以及其他代謝活躍物質(zhì)。葉綠體是光合作用的場(chǎng)所。它是細(xì)胞質(zhì)中由膜圍成的管狀或扁平囊狀的結(jié)構(gòu)，互相連通成網(wǎng)，構(gòu)成扁平囊狀系統(tǒng)，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的周邊常可以看到小泡，它是從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分離出來(lái)的結(jié)構(gòu)。凡蛋白質(zhì)合成旺盛的細(xì)胞，粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)達(dá)?！　?4)高爾基體 高基體是1898年意大利學(xué)者高爾基首先發(fā)現(xiàn)的。典型的高爾基體表現(xiàn)出一定的極性，形狀如圓盤，盤底向著核膜或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜一側(cè)凸出，而凹面向著質(zhì)膜一側(cè)，這種結(jié)構(gòu)多見(jiàn)于分泌細(xì)胞，例如胰腺外分泌細(xì)胞、小腸上皮粘液細(xì)胞，甲狀腺細(xì)胞等。在植物細(xì)胞中，高爾基體對(duì)細(xì)胞壁形成有重要作用。后來(lái)在電鏡和光鏡下都看到它。外面包著一層膜，內(nèi)部沒(méi)有特殊結(jié)構(gòu)，但含多種消化酶，特征的標(biāo)記酶是酸性磷酸酶，這些酶的適宜pH值是酸性，在3～6之間。初級(jí)溶酶體是原始的溶酶體，由高爾基囊的邊緣膨大而分離出來(lái)的泡狀結(jié)構(gòu)，尚未開(kāi)始消化作用；次級(jí)溶酶體個(gè)大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具消化作用；殘?jiān)◇w已失去了酶，僅留下未消化的殘?jiān)?。溶酶體的第三種作用是自溶，當(dāng)溶酶體破裂后，酶釋放出來(lái)，整個(gè)細(xì)胞溶解掉。下面介紹的是植物細(xì)胞液泡的結(jié)構(gòu)和功能。例如，甘蔗的莖和甜菜的塊根細(xì)胞中液泡含糖量很高，茶葉、柿子的果皮含有單寧。所謂內(nèi)膜是與包在細(xì)胞外面的質(zhì)膜相對(duì)而言的。　　核糖體呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，橢圓形，直徑為150～250埃，其基本成分是蛋白質(zhì)、酶和rRNA(核糖體RNA)，蛋白質(zhì)在外表，核酸在中心?！　?8)中心體 中心體是動(dòng)物細(xì)胞和某些藻類和菌類細(xì)胞中所特有的細(xì)胞器。兩個(gè)中心粒的取向是彼此互相垂直。3．與細(xì)胞運(yùn)動(dòng)有關(guān)的結(jié)構(gòu)　　細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)有種種形式，常見(jiàn)的如鞭毛和纖毛的運(yùn)動(dòng)；變形蟲運(yùn)動(dòng)；細(xì)胞質(zhì)流動(dòng)；肌肉運(yùn)動(dòng)等。這種蛋白既具運(yùn)動(dòng)