「生物娘」:修訂間差異
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{{info|text=这个页面有大量内容{{ruby|替换|Copy}}自[http://old.pep.com.cn/gzsw/jshzhx/tbziy/kbshy/jsjb/ (中国)人民教育出版社的高中生物学生用书]。根据[[wikisource:zh:中华人民共和国著作权法|《中华人民共和国著作权法》]]第二章第四节第二十二条,为学校课堂教学或者科学研究,翻译或者少量复制已经发表的作品,供教学或者科研人员使用之行为,可以不经著作权人许可,不向其支付报酬,但应当指明作者姓名、作品名称,并且不得侵犯著作权人依照该法享有的其他权利,不得出版发行。}} | {{info|text=这个页面有大量内容{{ruby|替换|Copy}}自[http://old.pep.com.cn/gzsw/jshzhx/tbziy/kbshy/jsjb/ (中国)人民教育出版社的高中生物学生用书]。根据[[wikisource:zh:中华人民共和国著作权法|《中华人民共和国著作权法》]]第二章第四节第二十二条,为学校课堂教学或者科学研究,翻译或者少量复制已经发表的作品,供教学或者科研人员使用之行为,可以不经著作权人许可,不向其支付报酬,但应当指明作者姓名、作品名称,并且不得侵犯著作权人依照该法享有的其他权利,不得出版发行。 | ||
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H萌娘才不是什么'''严肃'''的'''学术'''参考资料,'''不'''保证其内容的正确性!参见:[[H萌娘:免责声明]]}}{{ 天朝特供}} | |||
{{人物信息 | {{人物信息 | ||
|image=生物娘.jpg | |image=生物娘.jpg | ||
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|相关人士= | |相关人士= | ||
}} | }} | ||
<big>{{Cquote|{{color|green|{{ruby|'''物竞天择,适者生存。'''|It is not the strongest of the species that survive, but the one most responsive to change.}}}}}}</big> | <big>{{Cquote|{{color|green|{{ruby|'''物竞天择,适者生存。'''|It is not the strongest of the species that survive, but the one most responsive to change.}}}}}}</big> | ||
'''生物娘'''是自然科学学科'''生物'''('''法:'''Biologie;'''英:'''Biology;'''拉丁:'''Biologia;'''日:'''{{ruby|生物学|せいぶつがく}})的拟人化萌娘。 | '''生物娘'''是自然科学学科'''生物'''('''法:'''Biologie;'''英:'''Biology;'''拉丁:'''Biologia;'''日:'''{{ruby|生物学|せいぶつがく}})的{{萌百| 拟人化}} 萌娘。 | ||
== 设定 == | == 设定 == | ||
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{{color|green|'''细胞'''}}('''英:'''{{color|green|Cell}};'''拉丁:'''{{color|green|Cella}}<ref>意为“小房间”,是英语{{color|green|cell}}的词源,参见[http://www.etymonline.com/index.php?term=cell Etymology Dictionary|accessdate=31 December 2012]。</ref>;'''日:'''{{color|green|{{ruby|細胞|さいぼう|ja|ja}}}}或{{color|green|{{lj|セル}}}}<!--;'''繁:'''{{color|green|細胞}}-->)是生物体结构和功能的基本单位。 | {{color|green|'''细胞'''}}('''英:'''{{color|green|Cell}};'''拉丁:'''{{color|green|Cella}}<ref>意为“小房间”,是英语{{color|green|cell}}的词源,参见[http://www.etymonline.com/index.php?term=cell Etymology Dictionary|accessdate=31 December 2012]。</ref>;'''日:'''{{color|green|{{ruby|細胞|さいぼう|ja|ja}}}}或{{color|green|{{lj|セル}}}}<!--;'''繁:'''{{color|green|細胞}}-->)是生物体结构和功能的基本单位。 | ||
* '''生命活动离不开细胞'''<br />单细胞生物具有生命的基本特征。 | * '''生命活动离不开细胞'''<br/>单细胞生物具有生命的基本特征。 | ||
* '''生命系统(Life system)的结构层次'''<br />{{color|green|细胞}}是地球上最基本的生命系统。 | * '''生命系统(Life system)的结构层次'''<br/>{{color|green|细胞}}是地球上最基本的生命系统。 | ||
===== 细胞的多样性和统一性 ===== | ===== 细胞的多样性和统一性 ===== | ||
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* '''观察细胞''' | * '''观察细胞''' | ||
** '''实验''':使用高倍显微镜观察几种细胞([http://old.pep.com.cn/gzsw/jshzhx/tbziy/kbshy/jccht_1/bxyi/201009/t20100913_890639.htm 人教版教师用书的相关页面])<br/>制作细胞装片一般有如下几种方法: | ** '''实验''':使用高倍显微镜观察几种细胞([http://old.pep.com.cn/gzsw/jshzhx/tbziy/kbshy/jccht_1/bxyi/201009/t20100913_890639.htm 人教版教师用书的相关页面])<br />制作细胞装片一般有如下几种方法: | ||
**# '''压片法''':将疏松的材料压散成云雾状,进行观察。 | **# '''压片法''':将疏松的材料压散成云雾状,进行观察。 | ||
**# '''装片法''':对于微小生物或大型生物的部分细胞<ref>如人的口腔上皮细胞。</ref>,可以直接装片观察。 | **# '''装片法''':对于微小生物或大型生物的部分细胞<ref>如人的口腔上皮细胞。</ref>,可以直接装片观察。 | ||
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**# '''涂片法''':一般用于对{{color|red|血细胞}}的观察。 | **# '''涂片法''':一般用于对{{color|red|血细胞}}的观察。 | ||
* '''原核细胞(Procaryotic cell)和真核细胞(Eucaryotic cell)'''<br />根据{{color|red|细胞内有无以核膜为界限的细胞核}},把细胞分为真核细胞和原核细胞两大类。<br />细菌中的绝大多数种类是营腐生或寄生生活的异养生物。 | * '''原核细胞(Procaryotic cell)和真核细胞(Eucaryotic cell)'''<br/>根据{{color|red|细胞内有无以核膜为界限的细胞核}},把细胞分为真核细胞和原核细胞两大类。<br/>细菌中的绝大多数种类是营腐生或寄生生活的异养生物。 | ||
* '''细胞学说建立的过程'''<br />细胞学说(Cell theory)是通过对动植物细胞研究而揭示{{color|red|细胞统一性和生物结构统一性}}的学说。 | * '''细胞学说建立的过程'''<br/>细胞学说(Cell theory)是通过对动植物细胞研究而揭示{{color|red|细胞统一性和生物结构统一性}}的学说。 | ||
<pre>1. 细胞是一个有机体,一切动植物都由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成。 | <pre>1. 细胞是一个有机体,一切动植物都由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成。 | ||
2. 细胞是一个相对独立的单位,既有它自己的生命,又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用。 | 2. 细胞是一个相对独立的单位,既有它自己的生命,又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用。 | ||
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*: 在细胞中,[[氢原子]]数量最多。 | *: 在细胞中,[[氢原子]]数量最多。 | ||
* '''组成细胞的化合物'''<br><!-- | * '''组成细胞的化合物'''<br/><!-- -->在细胞鲜重中,占比最大的化合物为[[水]];在干重中为[[蛋白质]]。 | ||
-->在细胞鲜重中,占比最大的化合物为[[水]];在干重中为[[蛋白质]]。 | |||
** '''实验:'''检验生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质<ref>若用大豆作为实验对象,则需提前浸泡;若用蛋清,则需先稀释。</ref> | ** '''实验:'''检验生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质<ref>若用大豆作为实验对象,则需提前浸泡;若用蛋清,则需先稀释。</ref> | ||
** '''实验原理:还原性糖'''<ref>这里的'''还原性糖'''指的是蔗糖除外的单糖和二糖。</ref>可与'''斐林试剂'''(Fehling's solution)<ref>0.1g/mL的NaOH溶液与0.05g/mL的CuSO<sub>4</sub>溶液'''等量混合'''的混合物,使用时要{{color|red|'''现配现用、水浴加热'''}}。</ref>先'''生成'''{{color|#4D1F00|棕色}}的混合物,再'''生成'''{{color|#B22222|砖红色}}沉淀<ref>Cu<sub>2</sub>O,即氧化亚铜,也称“赤铜”。</ref>;<br />苏丹III(或苏丹IV)可将脂肪染<ref>需用体积分数为50%的乙醇溶液洗去浮色。</ref>成{{color|#FF4500|橘黄色}}(苏丹IV染成{{color|red|'''红色'''}});<br />'''双缩脲试剂'''(Biuret Reagent)<ref>0.1g/mL的NaOH溶液与0.01g/mL的CuSO<sub>4</sub>溶液的混合物。</ref>可与蛋白质<ref>不可用于检验二肽。</ref>生成{{color|purple|紫色}}络合物。 | ** '''实验原理:还原性糖'''<ref>这里的'''还原性糖'''指的是蔗糖除外的单糖和二糖。</ref>可与'''斐林试剂'''(Fehling's solution)<ref>0.1g/mL的NaOH溶液与0.05g/mL的CuSO<sub>4</sub>溶液'''等量混合'''的混合物,使用时要{{color|red|'''现配现用、水浴加热'''}}。</ref>先'''生成'''{{color|#4D1F00|棕色}}的混合物,再'''生成'''{{color|#B22222|砖红色}}沉淀<ref>Cu<sub>2</sub>O,即氧化亚铜,也称“赤铜”。</ref>;<br/>苏丹III(或苏丹IV)可将脂肪染<ref>需用体积分数为50%的乙醇溶液洗去浮色。</ref>成{{color|#FF4500|橘黄色}}(苏丹IV染成{{color|red|'''红色'''}});<br/>'''双缩脲试剂'''(Biuret Reagent)<ref>0.1g/mL的NaOH溶液与0.01g/mL的CuSO<sub>4</sub>溶液的混合物。</ref>可与蛋白质<ref>不可用于检验二肽。</ref>生成{{color|purple|紫色}}络合物。 | ||
===== 生命活动的主要承担者——蛋白质(Protein) ===== | ===== 生命活动的主要承担者——蛋白质(Protein) ===== | ||
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[[File:14515694_p0.jpg|thumb|300px|常见的氨基酸一家,从左至右依次是色氨酸(Tryptophan),组氨酸(Histidine),精氨酸(Arginine)和蓖麻毒蛋白(Ricin)。 | [[File:14515694_p0.jpg|thumb|300px|常见的氨基酸一家,从左至右依次是色氨酸(Tryptophan),组氨酸(Histidine),精氨酸(Arginine)和蓖麻毒蛋白(Ricin)。 | ||
<br>P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=14515694 14515694] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=2254900 '''aion'''] ]] | <br/>P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=14515694 14515694] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=2254900 '''aion'''] ]] | ||
组成细胞的有机物含量最多的是蛋白质。 | 组成细胞的有机物含量最多的是蛋白质。 | ||
* '''氨基酸('''英:'''{{color|green|Amino acid}};'''日:'''{{color|green|{{lj|アミノ{{ruby|酸|さん}}}}}})及其种类'''<br />{{color|red|氨基酸是组成蛋白质的基本单位}}。<br />每种氨基酸分子至少都含有一个氨基(——NH<sub>2</sub><ref>也可写成“H<sub>2</sub>N——”。</ref>)和一个羧基(——COOH<ref>也可写成“HOOC——”。</ref>)。<br />在评价蛋白质食品的营养价值时,主要依据是其所含必需氨基酸的种类与数量。 | * '''氨基酸('''英:'''{{color|green|Amino acid}};'''日:'''{{color|green|{{lj|アミノ{{ruby|酸|さん}}}}}})及其种类'''<br/>{{color|red|氨基酸是组成蛋白质的基本单位}}。<br/>每种氨基酸分子至少都含有一个氨基(——NH<sub>2</sub><ref>也可写成“H<sub>2</sub>N——”。</ref>)和一个羧基(——COOH<ref>也可写成“HOOC——”。</ref>)。<br/>在评价蛋白质食品的营养价值时,主要依据是其所含必需氨基酸的种类与数量。 | ||
* '''蛋白质结构及其多样性'''<br />一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基相连接,脱去一分子水<ref>即“'''脱水缩合'''”。</ref>,形成肽键(——NH——CO——,peptide bond)。<br />多个由氨基酸缩合而成的链状的多肽可以盘曲、折叠,并可能由两个巯基(——SH)脱去两个氢原子形成二硫键(——S——S——)而相连,形成有一定空间结构的蛋白质。<br />{{color|red|氨基酸排列顺序和肽链的盘曲、折叠方式的差异造就了蛋白质结构的多样性。}}<br />组成肽链后的氨基酸单体也叫“氨基酸残基”。 | * '''蛋白质结构及其多样性'''<br/>一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基相连接,脱去一分子水<ref>即“'''脱水缩合'''”。</ref>,形成肽键(——NH——CO——,peptide bond)。<br/>多个由氨基酸缩合而成的链状的多肽可以盘曲、折叠,并可能由两个巯基(——SH)脱去两个氢原子形成二硫键(——S——S——)而相连,形成有一定空间结构的蛋白质。<br/>{{color|red|氨基酸排列顺序和肽链的盘曲、折叠方式的差异造就了蛋白质结构的多样性。}}<br/>组成肽链后的氨基酸单体也叫“氨基酸残基”。 | ||
* '''蛋白质的功能''' | * '''蛋白质的功能''' | ||
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*** 传递信息,调节生命活动 | *** 传递信息,调节生命活动 | ||
[[File:34004707_p0.jpg|thumb|200px|氨基酸娘。<br>“冷静、曼妙的少女,看上去有种飘渺的感觉,显得很不真实。”<!--<br>{{lj|「穏やかで品があって、一見するとつかみどころのない少女。」}}--><br>P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=34004707 34004707] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=2800731 ''' 優梨花'''] ]] | [[File:34004707_p0.jpg|thumb|200px|氨基酸娘。<br/>“冷静、曼妙的少女,看上去有种飘渺的感觉,显得很不真实。”<!--<br/>{{lj|「穏やかで品があって、一見するとつかみどころのない少女。」}}--><br/>P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=34004707 34004707] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=2800731 ''' 優梨花'''] ]] | ||
===== 遗传信息的携带者——核酸(Nucleic acid) ===== | ===== 遗传信息的携带者——核酸(Nucleic acid) ===== | ||
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'''核酸是{{color|green|细胞}}内{{color|red|携带遗传信息}}的物质,在{{color|green|生物体}}的{{color|red|遗传、变异}}和{{color|green|蛋白质}}的{{color|red|生物合成}}中具有极其重要的作用。''' | '''核酸是{{color|green|细胞}}内{{color|red|携带遗传信息}}的物质,在{{color|green|生物体}}的{{color|red|遗传、变异}}和{{color|green|蛋白质}}的{{color|red|生物合成}}中具有极其重要的作用。''' | ||
* '''核酸在细胞中的分布'''<br><!-- | * '''核酸在细胞中的分布'''<br/><!-- -->真核细胞的DNA主要分布在细胞核中。{{color|green|'''线粒体'''、'''叶绿体'''}}中也有少量DNA。RNA主要分布于细胞质中。 | ||
-->真核细胞的DNA主要分布在细胞核中。{{color|green|'''线粒体'''、'''叶绿体'''}}中也有少量DNA。RNA主要分布于细胞质中。 | |||
*: '''实验:'''观察DNA和RNA在细胞中的分布 | *: '''实验:'''观察DNA和RNA在细胞中的分布 | ||
*:: '''实验原理:'''甲基绿(Methyl Green,CI 42585)使DNA呈现{{color|green|'''绿色'''}},{{ruby|吡|bì}}罗红使RNA呈现{{color|red|'''红色'''}}<ref>'''实验准备注意:'''由于甲基绿和吡罗红均为{{color|green|竞争性染色剂}},所以一般不分开使用,且现配现用,放入{{color|brown|'''棕色瓶'''}}中保存。</ref>;<br>盐酸(即氢氯酸,HCl水溶液)能改变细胞膜的通透性,加速染色剂进入细胞,且使染色体中的DNA与蛋白质分离。 | *:: '''实验原理:'''甲基绿(Methyl Green,CI 42585)使DNA呈现{{color|green|'''绿色'''}},{{ruby|吡|bì}}罗红使RNA呈现{{color|red|'''红色'''}}<ref>'''实验准备注意:'''由于甲基绿和吡罗红均为{{color|green|竞争性染色剂}},所以一般不分开使用,且现配现用,放入{{color|brown|'''棕色瓶'''}}中保存。</ref>;<br/>盐酸(即氢氯酸,HCl水溶液)能改变细胞膜的通透性,加速染色剂进入细胞,且使染色体中的DNA与蛋白质分离。 | ||
* '''核酸是由核苷酸(Nucleotide)连接而成的长链'''<br/>一个核苷酸是由一分子的'''含氮碱基'''、一分子'''五碳糖'''和一分子'''磷酸'''组成的。<br/>根据五碳糖的不同,可以将核苷酸分为'''脱氧核糖核苷酸(脱氧核苷酸)'''和'''核糖核苷酸'''。<br/>DNA由两条脱氧核苷酸链构成,RNA由一条核糖核苷酸链构成。<br/>DNA与RNA各有4种碱基。<br />DNA碱基为{{color|red|'''腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(C)、胞嘧啶(G)'''}}。<br/>RNA碱基为{{color|red|'''腺嘌呤(A)、尿嘧啶(U)、鸟嘌呤(C)、胞嘧啶(G)'''}}。<br>其中共用的碱基为[[ACG]]。<br/>DNA具有特异性、多样性。 | * '''核酸是由核苷酸(Nucleotide)连接而成的长链'''<br />一个核苷酸是由一分子的'''含氮碱基'''、一分子'''五碳糖'''和一分子'''磷酸'''组成的。<br />根据五碳糖的不同,可以将核苷酸分为'''脱氧核糖核苷酸(脱氧核苷酸)'''和'''核糖核苷酸'''。<br />DNA由两条脱氧核苷酸链构成,RNA由一条核糖核苷酸链构成。<br />DNA与RNA各有4种碱基。<br/>DNA碱基为{{color|red|'''腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(C)、胞嘧啶(G)'''}}。<br />RNA碱基为{{color|red|'''腺嘌呤(A)、尿嘧啶(U)、鸟嘌呤(C)、胞嘧啶(G)'''}}。<br/>其中共用的碱基为[[ACG]]。<br />DNA具有特异性、多样性。 | ||
===== 细胞中的糖类(Carbohydrate)和脂质(Lipid) ===== | ===== 细胞中的糖类(Carbohydrate)和脂质(Lipid) ===== | ||
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{{color|red|'''糖类是主要的能源物质。'''}} | {{color|red|'''糖类是主要的能源物质。'''}} | ||
* '''细胞中的糖类'''<br />糖类分子都是由'''C、H、O'''三种元素构成的,又称“碳水化合物”。 | * '''细胞中的糖类'''<br/>糖类分子都是由'''C、H、O'''三种元素构成的,又称“碳水化合物”。 | ||
** '''单糖'''<br />单糖是不能水解的糖类,包括五碳糖<ref>即脱氧核糖与核糖。</ref>和六碳糖<ref>包括葡萄糖(Glucose)、果糖(Fructose)和半乳糖(Galactose)。</ref>两个大类。 | ** '''单糖'''<br/>单糖是不能水解的糖类,包括五碳糖<ref>即脱氧核糖与核糖。</ref>和六碳糖<ref>包括葡萄糖(Glucose)、果糖(Fructose)和半乳糖(Galactose)。</ref>两个大类。 | ||
** '''二糖'''<br />二糖是由两分子单糖脱水缩合而成的糖类,必须被水解才能被细胞吸收。<br />常见的二糖有蔗糖(Sucrose)<ref>由一分子果糖和一分子葡萄糖缩合而成。</ref>、麦芽糖(Maltose)<ref>由两分子葡萄糖缩合而成。</ref>和乳糖(Lactose)<ref>由一分子半乳糖和一分子葡萄糖缩合而成。</ref>。<br />{{color|red|蔗糖是生活中最常见的二糖。}} | ** '''二糖'''<br/>二糖是由两分子单糖脱水缩合而成的糖类,必须被水解才能被细胞吸收。<br/>常见的二糖有蔗糖(Sucrose)<ref>由一分子果糖和一分子葡萄糖缩合而成。</ref>、麦芽糖(Maltose)<ref>由两分子葡萄糖缩合而成。</ref>和乳糖(Lactose)<ref>由一分子半乳糖和一分子葡萄糖缩合而成。</ref>。<br/>{{color|red|蔗糖是生活中最常见的二糖。}} | ||
** '''寡糖'''<br />寡糖(Oligosaccharide)也称“低聚糖”或“寡聚糖”,是由2-10个单糖分子相连形成的糖分子,是处于二糖与多糖之间的糖类。 | ** '''寡糖'''<br/>寡糖(Oligosaccharide)也称“低聚糖”或“寡聚糖”,是由2-10个单糖分子相连形成的糖分子,是处于二糖与多糖之间的糖类。 | ||
** '''多糖'''<br />生物体内的糖类大多数以多糖的形式存在。<ref>[[化学娘]]提醒:{{color|red|同种多糖不互为同分异构体}}。</ref><br />多糖主要有淀粉(Starch)<ref>{{color|red|植物体内的储能物质}},不溶于水。</ref>、糖原(Glycogen)<ref>{{color|red|动物体内的储能物质,1g糖原氧化分解释放17kJ的能量。}}</ref>、纤维素(Cellulose)<ref>与果胶共同构成植物细胞壁,不溶于水,难以消化。</ref>几种。<br />{{color|red|淀粉是最常见的多糖。}} | ** '''多糖'''<br/>生物体内的糖类大多数以多糖的形式存在。<ref>[[化学娘]]提醒:{{color|red|同种多糖不互为同分异构体}}。</ref><br/>多糖主要有淀粉(Starch)<ref>{{color|red|植物体内的储能物质}},不溶于水。</ref>、糖原(Glycogen)<ref>{{color|red|动物体内的储能物质,1g糖原氧化分解释放17kJ的能量。}}</ref>、纤维素(Cellulose)<ref>与果胶共同构成植物细胞壁,不溶于水,难以消化。</ref>几种。<br/>{{color|red|淀粉是最常见的多糖。}} | ||
[[File:10934424_p0.jpg|300px|thumb|right|脂质与体重计。<br />P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=10934424 10934424] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=463964 '''黒コハン'''] ]] | [[File:10934424_p0.jpg|300px|thumb|right|脂质与体重计。<br/>P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=10934424 10934424] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=463964 '''黒コハン'''] ]] | ||
* '''细胞中的脂质'''<br />组成脂质的元素主要有C、H、O,有些还有P和N。<br />习惯上,可以将{{color|red|不是大分子}}的脂质当做大分子对待。 | * '''细胞中的脂质'''<br/>组成脂质的元素主要有C、H、O,有些还有P和N。<br/>习惯上,可以将{{color|red|不是大分子}}的脂质当做大分子对待。 | ||
** '''脂肪'''<br />脂肪是最常见的脂质。<br />1g脂肪氧化放出39kJ的能量,所以{{color|red|脂肪是细胞内良好的储能物质}}。<br />脂肪还有'''保温'''和'''缓冲减压'''的作用。 | ** '''脂肪'''<br/>脂肪是最常见的脂质。<br/>1g脂肪氧化放出39kJ的能量,所以{{color|red|脂肪是细胞内良好的储能物质}}。<br/>脂肪还有'''保温'''和'''缓冲减压'''的作用。 | ||
** '''磷脂'''<br />磷脂是构成生物膜系统的重要成分。 | ** '''磷脂'''<br/>磷脂是构成生物膜系统的重要成分。 | ||
** '''固醇'''<br />固醇类物质包括胆固醇、性激素和维生素D等。一般认为植物细胞中不含有胆固醇。 | ** '''固醇'''<br/>固醇类物质包括胆固醇、性激素和维生素D等。一般认为植物细胞中不含有胆固醇。 | ||
* '''生物大分子以碳链为骨架'''<br />{{color|red|每一个小分子单体都以若干个相连的碳原子构成的碳链为基本骨架,由许多单体连接成多聚体。}} | * '''生物大分子以碳链为骨架'''<br/>{{color|red|每一个小分子单体都以若干个相连的碳原子构成的碳链为基本骨架,由许多单体连接成多聚体。}} | ||
===== 细胞中的无机物 ===== | ===== 细胞中的无机物 ===== | ||
[http://old.pep.com.cn/gzsw/jshzhx/tbziy/kbshy/jsjb/bxyi/201009/t20100913_889933.htm 人教版教材链接] | [http://old.pep.com.cn/gzsw/jshzhx/tbziy/kbshy/jsjb/bxyi/201009/t20100913_889933.htm 人教版教材链接] | ||
* '''细胞中的水'''<br />水是构成细胞的重要化合物。在生物体中含量最多,一般在70%到90%左右。<br />水生生物含水量高于陆生生物;同一物种中,幼小个体含水量高于成年个体;同一个体中,幼嫩细胞含水量高于成熟细胞。<br />'''水在细胞中以两种形式存在:''' | * '''细胞中的水'''<br/>水是构成细胞的重要化合物。在生物体中含量最多,一般在70%到90%左右。<br/>水生生物含水量高于陆生生物;同一物种中,幼小个体含水量高于成年个体;同一个体中,幼嫩细胞含水量高于成熟细胞。<br/>'''水在细胞中以两种形式存在:''' | ||
** '''结合水'''<br />结合水是少数被纤维素、淀粉、蛋白质、葡萄糖、氨基酸等清水分子及其离子物质以氢键、静电引力吸附的水。大约占细胞内全部水分的4.5%。 | ** '''结合水'''<br/>结合水是少数被纤维素、淀粉、蛋白质、葡萄糖、氨基酸等清水分子及其离子物质以氢键、静电引力吸附的水。大约占细胞内全部水分的4.5%。 | ||
** '''自由水'''<br />自由水是以游离形式存在,可以自由流动的水。 | ** '''自由水'''<br/>自由水是以游离形式存在,可以自由流动的水。 | ||
*** 水的生物学功能 | *** 水的生物学功能 | ||
***# 有较强的内聚力和表面张力。例子:植物导管中连续而不断裂的水柱。 | ***# 有较强的内聚力和表面张力。例子:植物导管中连续而不断裂的水柱。 | ||
行 272: | 行 273: | ||
***# 某些生化反应的原料。 | ***# 某些生化反应的原料。 | ||
* '''细胞中的无机盐'''<br />'''细胞中大多数无机盐以离子的形式存在。'''<br />无机盐可以{{color|red|维持细胞渗透压平衡以及酸碱平衡}}。 | * '''细胞中的无机盐'''<br/>'''细胞中大多数无机盐以离子的形式存在。'''<br/>无机盐可以{{color|red|维持细胞渗透压平衡以及酸碱平衡}}。 | ||
细胞是多种元素和化合物构成的生命系统。C、H、O、N等化学元素在细胞内含量丰富,是构成细胞内主要化合物的基础;以碳链为骨架的糖类、脂质、蛋白质、核酸等有机化合物,构成了细胞大厦的基本框架;糖类和脂质提供了生命活动的重要能源;水和无机盐与其他物质一道,共同承担起构建细胞、参与细胞生命活动等重要功能。 | 细胞是多种元素和化合物构成的生命系统。C、H、O、N等化学元素在细胞内含量丰富,是构成细胞内主要化合物的基础;以碳链为骨架的糖类、脂质、蛋白质、核酸等有机化合物,构成了细胞大厦的基本框架;糖类和脂质提供了生命活动的重要能源;水和无机盐与其他物质一道,共同承担起构建细胞、参与细胞生命活动等重要功能。 | ||
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===== 细胞膜(Cell membrane)——系统的边界 ===== | ===== 细胞膜(Cell membrane)——系统的边界 ===== | ||
[[File:43875040_p0.jpg|400px|thumb|right|动物细胞结构简图(+[[JK]]),注释从上至下依次为:染色体,核 被 膜(Nuclear membrane),细胞核,细胞质(Cytoplasm),核糖体,中心粒,细胞膜,女高中生([[JK]]<ref>JK是日语中{{ruby|女子高生|Joshi Kōsei|ja}}或{{ruby|女子高校生|Joshi Kōkōsei}}的简称。</ref>),高尔基体,线粒体和内质网(ER)。但是,教材中展示的动物细胞为球形而非方形。<br/>P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=43875040 43875040] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=51812 櫻井エネルギー]] | |||
[[File:43875040_p0.jpg|400px|thumb|right|动物细胞结构简图(+[[JK]]),注释从上至下依次为:染色体,核膜(Nuclear membrane),细胞核,细胞质(Cytoplasm),核糖体,中心粒,细胞膜,女高中生([[JK]]<ref>JK是日语中{{ruby|女子高生|Joshi Kōsei|ja}}或{{ruby|女子高校生|Joshi Kōkōsei}}的简称。</ref>),高尔基体,线粒体和内质网(ER)。但是,教材中展示的动物细胞为球形而非方形。<br>P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=43875040 43875040] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=51812 櫻井エネルギー]] | |||
[[File:细胞膜.png|400px|细胞膜|right]] | [[File:细胞膜.png|400px|细胞膜|right]] | ||
* '''细胞膜<ref>又称质膜,光学显微镜下不可见。</ref>的成分'''<br />'''细胞膜主要由脂质、蛋白质组成。另外还有少量糖类,主要以糖脂和糖蛋白形式存在''' | * '''细胞膜<ref>又称质膜,光学显微镜下不可见。</ref>的成分'''<br/>'''细胞膜主要由脂质、蛋白质组成。另外还有少量糖类,主要以糖脂和糖蛋白形式存在''' | ||
*# '''膜脂''':生物膜的基本组成成分,主要有:磷脂,胆固醇,糖脂。 | *# '''膜脂''':生物膜的基本组成成分,主要有:磷脂,胆固醇,糖脂。 | ||
*## '''磷脂''':构成膜脂的主要成分,具有{{color|red|疏水的非极性}}的“尾部”与{{color|red|极性亲水的}}头部。在细胞膜上磷脂以磷脂双分子层的形式存在{{color|red|磷脂双分子层}}的形式存在。 | *## '''磷脂''':构成膜脂的主要成分,具有{{color|red|疏水的非极性}}的“尾部”与{{color|red|极性亲水的}}头部。在细胞膜上磷脂以磷脂双分子层的形式存在{{color|red|磷脂双分子层}}的形式存在。 | ||
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** 真核细胞中膜糖是通过共价键同膜脂或膜蛋白连接。糖与氨基酸连接的方式主要有两种,即{{color|red|N-连接,O-连接}}。N-连接是糖类与肽链中的天冬酰胺残基相连,此方法较为普遍。O-连接是糖与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连。O-连接的糖链较短。 | ** 真核细胞中膜糖是通过共价键同膜脂或膜蛋白连接。糖与氨基酸连接的方式主要有两种,即{{color|red|N-连接,O-连接}}。N-连接是糖类与肽链中的天冬酰胺残基相连,此方法较为普遍。O-连接是糖与肽链中的丝氨酸或苏氨酸残基相连。O-连接的糖链较短。 | ||
** 功能:提高生物膜的稳定性、增强对胞外蛋白酶的抗性、帮助膜蛋白折叠与维持空间结构、参与细胞的信息交流,粘连、帮助新合成蛋白的运输与定位等。 | ** 功能:提高生物膜的稳定性、增强对胞外蛋白酶的抗性、帮助膜蛋白折叠与维持空间结构、参与细胞的信息交流,粘连、帮助新合成蛋白的运输与定位等。 | ||
*# '''膜蛋白'''<br />根据与膜脂的关系分为整合蛋白、外周蛋白、脂锚定蛋白。 | *# '''膜蛋白'''<br/>根据与膜脂的关系分为整合蛋白、外周蛋白、脂锚定蛋白。 | ||
*## '''整合蛋白''':占大多数,又称内在蛋白或{{color|red|跨膜蛋白}},部分或全部镶嵌在细胞膜中或细胞膜内外。 | *## '''整合蛋白''':占大多数,又称内在蛋白或{{color|red|跨膜蛋白}},部分或全部镶嵌在细胞膜中或细胞膜内外。 | ||
*## '''外周蛋白''':又称附着蛋白,完全裸露于细胞膜脂双层内外两侧,通过非共价键附着在脂质的极性端或整合蛋白亲水区一侧。该蛋白间接与膜连接。 | *## '''外周蛋白''':又称附着蛋白,完全裸露于细胞膜脂双层内外两侧,通过非共价键附着在脂质的极性端或整合蛋白亲水区一侧。该蛋白间接与膜连接。 | ||
*## '''脂锚定蛋白''':又称脂连接蛋白,通过共价键与脂分子结合,位于脂双层外侧。 | *## '''脂锚定蛋白''':又称脂连接蛋白,通过共价键与脂分子结合,位于脂双层外侧。 | ||
* '''细胞膜的结构特化<br />'''细胞膜常带许多特化的附属结构,这对细胞执行特定功能方面有重要意义。 | * '''细胞膜的结构特化<br/>'''细胞膜常带许多特化的附属结构,这对细胞执行特定功能方面有重要意义。 | ||
*# 微绒毛:指细胞表面深处的细长突起,广泛存在于动物细胞表面。有利于促进细胞与外界的物质交换。不论微绒毛的长度与数量,都与细胞代谢强度有相应关系。 | *# 微绒毛:指细胞表面深处的细长突起,广泛存在于动物细胞表面。有利于促进细胞与外界的物质交换。不论微绒毛的长度与数量,都与细胞代谢强度有相应关系。 | ||
*# 纤毛与鞭毛<ref>指真核生物中的鞭毛,区别于原核生物的鞭毛。</ref>:二者在本质上并无差别,都是“{{color|red|9(2)+2}}”的结构。有的细胞靠此行动,有的细胞则用此摆动物质穿过细胞表面进行物质运输,如气管上皮细胞。 | *# 纤毛与鞭毛<ref>指真核生物中的鞭毛,区别于原核生物的鞭毛。</ref>:二者在本质上并无差别,都是“{{color|red|9(2)+2}}”的结构。有的细胞靠此行动,有的细胞则用此摆动物质穿过细胞表面进行物质运输,如气管上皮细胞。 | ||
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* '''细胞膜的功能''' | * '''细胞膜的功能''' | ||
*# '''将细胞与外界环境分隔开''',即{{color|red|区室化}} | *# '''将细胞与外界环境分隔开''',即{{color|red|区室化}} | ||
*# '''控制物质进出细胞''',即[[生物娘#物质跨膜运输的方式|调节运输]]。细胞膜的运输方式分为被动运输与主动运输。<br/>因此,{{color|red|细胞膜的功能特点为选择透过性}},但细胞膜的选择透过性具有相对性。 | *# '''控制物质进出细胞''',即[[生物娘#物质跨膜运输的方式|调节运输]]。细胞膜的运输方式分为被动运输与主动运输。<br />因此,{{color|red|细胞膜的功能特点为选择透过性}},但细胞膜的选择透过性具有相对性。 | ||
*# '''进行细胞间的信息交流''' | *# '''进行细胞间的信息交流''' | ||
*## 通过化学物质进行信息交流<ref>因为性激素的受体在细胞内,所以不是所有通过化学物质进行信息交流的方式都与细胞膜的该功能有关。</ref>。 | *## 通过化学物质进行信息交流<ref>因为性激素的受体在细胞内,所以不是所有通过化学物质进行信息交流的方式都与细胞膜的该功能有关。</ref>。 | ||
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===== 细胞器(Organelle)——系统内的分工合作 ===== | ===== 细胞器(Organelle)——系统内的分工合作 ===== | ||
[[File:18710725_p0.gif|right|thumb|200px|線粒體擬人<br />P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=18710725 18710725] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=3050808 猫又針子] ]] | [[File:18710725_p0.gif|right|thumb|200px|線粒體擬人<br/>P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=18710725 18710725] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=3050808 猫又針子] ]] | ||
[[File:Mitochondrion_mini.svg|thumb|right|290px|线粒体结构]] | [[File:Mitochondrion_mini.svg|thumb|right|290px|线粒体结构]] | ||
* '''细胞器之间的分工''' | * '''细胞器之间的分工''' | ||
*# '''线粒体(Mitochondrion)'''<br />线粒体是细胞进行{{color|red|'''有氧呼吸'''}}的主要场所,由外膜、内膜、嵴、基质和膜间隙等结构构成。可用光学显微镜观察,但若要观察结构需借助{{color|red|电子显微镜}}。<br />一个细胞中可能不止一个线粒体,其在代谢率高的细胞中数量较多。 | *# '''线粒体(Mitochondrion)'''<br/>线粒体是细胞进行{{color|red|'''有氧呼吸'''}}的主要场所,由外膜、内膜、嵴、基质和膜间隙等结构构成。可用光学显微镜观察,但若要观察结构需借助{{color|red|电子显微镜}}。<br/>一个细胞中可能不止一个线粒体,其在代谢率高的细胞中数量较多。 | ||
*#* 结构 | *#* 结构 | ||
*#*# 双层膜结构 | *#*# 双层膜结构 | ||
*#*# 外膜:平滑,只含有少量酶,含有空洞蛋白通道,通透性较大。外膜与内膜之间的膜间腔成分与细胞质的溶胶类似。含有14种蛋白质。 | *#*# 外膜:平滑,只含有少量酶,含有空洞蛋白通道,通透性较大。外膜与内膜之间的膜间腔成分与细胞质的溶胶类似。含有14种蛋白质。 | ||
*#*# 内膜:反复折叠形成嵴,膜上主要存在呼吸电子传递链载体、ADP-ATP转位酶、ATP合成酶等。通透性小。含有21种蛋白质。 | *#*# 内膜:反复折叠形成嵴,膜上主要存在呼吸电子传递链载体、ADP-ATP转位酶、ATP合成酶等。通透性小。含有21种蛋白质。 | ||
*# '''叶绿体(Chloroplast)'''由前质体(Proplastid)发育而来的球形或椭球形细胞器,是绿色植物进行{{color|red|'''[[生物娘#能量之源——光与光合作用(Photosynthesis)|光合作用]]'''}}的场所,由外膜、内膜、基粒、基质和类囊体等结构构成。<br/>叶绿体在弱光条件下以椭球形正面朝向光源以获得更多光能,在强光条件下以侧面朝向光源以防止被灼伤。<br/>叶绿体在光下合成。 | *# '''叶绿体(Chloroplast)'''由前质体(Proplastid)发育而来的球形或椭球形细胞器,是绿色植物进行{{color|red|'''[[生物娘#能量之源——光与光合作用(Photosynthesis)|光合作用]]'''}}的场所,由外膜、内膜、基粒、基质和类囊体等结构构成。<br />叶绿体在弱光条件下以椭球形正面朝向光源以获得更多光能,在强光条件下以侧面朝向光源以防止被灼伤。<br />叶绿体在光下合成。 | ||
*#* 实验:用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体。<br />实验原理:健那绿(Janus green B)染液可以是活细胞中的线粒体呈现{{color|#66FFE6|蓝绿色}};<br />叶绿体呈{{color|green|绿色}};<br/>叶肉细胞中有叶绿体;<br/>叶片下表皮为海绵组织,易撕且叶绿体大。<br/>同时,因叶绿体不断在活细胞的细胞质内逆时针流动,所以其为观察细胞流动的标志物。 | *#* 实验:用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体。<br/>实验原理:健那绿(Janus green B)染液可以是活细胞中的线粒体呈现{{color|#66FFE6|蓝绿色}};<br/>叶绿体呈{{color|green|绿色}};<br />叶肉细胞中有叶绿体;<br />叶片下表皮为海绵组织,易撕且叶绿体大。<br />同时,因叶绿体不断在活细胞的细胞质内逆时针流动,所以其为观察细胞流动的标志物。 | ||
*# '''内质网(Endoplasmic reticulum)'''是由单层膜连接而成的网状结构,根据表面有无核糖体附着可分为粗面内质网与光面内质网,分别负责{{color|red|蛋白质的合成加工<ref>主要为糖基化。</ref>与脂质的合成}}。 | *# '''内质网(Endoplasmic reticulum)'''是由单层膜连接而成的网状结构,根据表面有无核糖体附着可分为粗面内质网与光面内质网,分别负责{{color|red|蛋白质的合成加工<ref>主要为糖基化。</ref>与脂质的合成}}。 | ||
*# '''高尔基体(Golgi apparatus)'''由单层膜构成,负责对来自内质网的蛋白质进行{{color|red|加工、分类和包装}},且与{{color|red|植物细胞细胞壁的形成}}有关。 | *# '''高尔基体(Golgi apparatus)'''由单层膜构成,负责对来自内质网的蛋白质进行{{color|red|加工、分类和包装}},且与{{color|red|植物细胞细胞壁的形成}}有关。 | ||
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*# '''液泡(Vacuole)'''主要存在于植物细胞中,内有细胞液<ref>仅指液泡内的液体。</ref>,含糖类、无机盐、蛋白质等物质,可以调节植物细胞内的环境并使植物细胞保持坚挺。 | *# '''液泡(Vacuole)'''主要存在于植物细胞中,内有细胞液<ref>仅指液泡内的液体。</ref>,含糖类、无机盐、蛋白质等物质,可以调节植物细胞内的环境并使植物细胞保持坚挺。 | ||
*# '''中心体(Centrosome)'''存在于动物细胞和某些低等植物<ref>如藻类。</ref>细胞中,由'''两个互相垂直排列的中心粒(Centriole)及周围物质'''组成,与细胞的有丝分裂有关。 | *# '''中心体(Centrosome)'''存在于动物细胞和某些低等植物<ref>如藻类。</ref>细胞中,由'''两个互相垂直排列的中心粒(Centriole)及周围物质'''组成,与细胞的有丝分裂有关。 | ||
*# '''核糖体(Ribosome)'''附着在内质网上或者游离在细胞质中,由rRNA与蛋白质构成,是肽链合成的场所。<br/>分泌蛋白一般在附着于内质网的核糖体上形成,而胞内蛋白则一般在游离的核糖体上合成<ref>细胞膜上的载体蛋白是个例外。</ref>。 | *# '''核糖体(Ribosome)'''附着在内质网上或者游离在细胞质中,由rRNA与蛋白质构成,是肽链合成的场所。<br />分泌蛋白一般在附着于内质网的核糖体上形成,而胞内蛋白则一般在游离的核糖体上合成<ref>细胞膜上的载体蛋白是个例外。</ref>。 | ||
*# 线粒体、叶绿体具有{{color|red|双层膜结构,且同时拥有DNA<ref>线粒体和叶绿体中的DNA称为细胞质DNA。</ref>与RNA,可在光学显微镜下被观察到。}}<br />内质网、高尔基体、溶酶体、液泡具有单层膜结构。<br />中心体、核糖体{{color|red|不具有}}膜结构。<br />在细胞质中,还存在着由水、无机盐、脂质、糖类、氨基酸、核苷酸和多种酶组成的呈胶质状态的细胞质基质。<br />在真核细胞中,还存在着由蛋白质纤维组成的负责维持细胞形态、保持细胞内部结构有序性的细胞骨架(Cytoskeleton)。 | *# 线粒体、叶绿体具有{{color|red|双层膜结构,且同时拥有DNA<ref>线粒体和叶绿体中的DNA称为细胞质DNA。</ref>与RNA,可在光学显微镜下被观察到。}}<br/>内质网、高尔基体、溶酶体、液泡具有单层膜结构。<br/>中心体、核糖体{{color|red|不具有}}膜结构。<br/>在细胞质中,还存在着由水、无机盐、脂质、糖类、氨基酸、核苷酸和多种酶组成的呈胶质状态的细胞质基质。<br/>在真核细胞中,还存在着由蛋白质纤维组成的负责维持细胞形态、保持细胞内部结构有序性的细胞骨架(Cytoskeleton)。 | ||
[[File:18711065_p0.gif|right|thumb|200px|葉綠體擬人<br />P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=18711065 18711065] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=3050808 猫又針子] ]] | [[File:18711065_p0.gif|right|thumb|200px|葉綠體擬人<br/>P站id:[http://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=18711065 18711065] 作者:[http://www.pixiv.net/member.php?id=3050808 猫又針子] ]] | ||
* '''细胞器之间的协调配合'''<br />案例:分泌蛋白<ref>作用场所区别于胞内蛋白的蛋白质。</ref>的合成与运输 | * '''细胞器之间的协调配合'''<br/>案例:分泌蛋白<ref>作用场所区别于胞内蛋白的蛋白质。</ref>的合成与运输 | ||
** 由内质网上的核糖体将氨基酸脱水缩合成肽链之后进入内质网,形成有一定空间结构的蛋白质;内质网出芽形成囊泡包裹其离开内质网,进入高尔基体进行进一步的修饰加工,再形成囊泡将其分泌出细胞外。<ref>{{color|red|肽链(或蛋白质)从核糖体被合成到分泌出细胞只需穿过'''1'''层生物膜(或2层磷脂分子)!}}</ref>而这些活动所需的能量均来自线粒体。 | ** 由内质网上的核糖体将氨基酸脱水缩合成肽链之后进入内质网,形成有一定空间结构的蛋白质;内质网出芽形成囊泡包裹其离开内质网,进入高尔基体进行进一步的修饰加工,再形成囊泡将其分泌出细胞外。<ref>{{color|red|肽链(或蛋白质)从核糖体被合成到分泌出细胞只需穿过'''1'''层生物膜(或2层磷脂分子)!}}</ref>而这些活动所需的能量均来自线粒体。 | ||
* '''细胞的生物膜系统(Biological membrane system<ref>也作“Biomembrane system”。</ref>)'''<br />'''细胞器膜和细胞膜、核膜等结构,共同构成生物膜系统''',在结构上具有一定的连续性<ref>生物膜系统为真核细胞特有,由细胞构成的膜(如视网膜、膈膜等)不属于该系统。</ref>。 | * '''细胞的生物膜系统(Biological membrane system<ref>也作“Biomembrane system”。</ref>)'''<br/>'''细胞器膜和细胞膜、核 被 膜等结构,共同构成生物膜系统''',在结构上具有一定的连续性<ref>生物膜系统为真核细胞特有,由细胞构成的膜(如视网膜、膈膜等)不属于该系统。</ref>。 | ||
** 生物膜系统使细胞具有一个相对稳定的内部环境。 | ** 生物膜系统使细胞具有一个相对稳定的内部环境。 | ||
** 生物膜系统广阔的膜面积为多种酶提供了大量的附着位点,许多重要的化学反应都在生物膜上进行。 | ** 生物膜系统广阔的膜面积为多种酶提供了大量的附着位点,许多重要的化学反应都在生物膜上进行。 | ||
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[[File:Diagram_human_cell_nucleus.svg|缩略图|细胞核的结构]] | [[File:Diagram_human_cell_nucleus.svg|缩略图|细胞核的结构]] | ||
* '''细胞核的功能'''<br />'''细胞核控制着细胞的代谢和遗传。''' | * '''细胞核的功能'''<br/>'''细胞核控制着细胞的代谢和遗传。''' | ||
* '''细胞核的结构'''<br />'''核膜(Nuclear membrane<ref>也叫“Nuclear envelope”。</ref>)'''是双层膜,把核内物质与细胞质分开,具有选择透过性,为生化反应提供场所。<br />'''染色质(Chromatin)'''由DNA和蛋白质组成,分裂时螺旋化形成'''染色体(Chromosome)<ref>因容易被碱性染料染成深色得名。</ref>'''。<br />'''核仁(Nucleolus)'''与真核细胞中rRNA的合成与核糖体的形成有关,在光学显微镜下可见。<br />'''核孔(Nuclear pore)'''为细胞核与细胞质之间频繁的大分子物质交换提供了方便。 | * '''细胞核的结构'''<br/>'''核 被 膜(Nuclear membrane<ref>也叫“Nuclear envelope”。</ref>)'''是双层膜,把核内物质与细胞质分开,具有选择透过性,为生化反应提供场所 ,也可调节遗传物质表达 。<br/>'''染色质(Chromatin)'''由DNA和蛋白质组成,分裂时螺旋化形成'''染色体(Chromosome)<ref>因容易被碱性染料染成深色得名。</ref>'''。<br/>'''核仁(Nucleolus)'''与真核细胞中rRNA的合成与核糖体的形成有关,在光学显微镜下可见。<br/>'''核孔(Nuclear pore)'''为细胞核与细胞质之间频繁的大分子物质交换提供了方便。 | ||
'''细胞核是遗传信息库,是细胞代谢和遗传的控制中心。''' | '''细胞核是遗传信息库,是细胞代谢和遗传的控制中心。''' | ||
行 395: | 行 394: | ||
===== 物质跨膜运输的实例 ===== | ===== 物质跨膜运输的实例 ===== | ||
* '''细胞的吸水和失水'''<br/>植物细胞中细胞膜和液泡以及两层膜之间的细胞质称为{{color|red|原生质层(Protoplast layer)}}<ref>原生质指细胞内具有生命的物质。</ref>,其相当于一层半透膜。<br/>当外界溶液浓度<ref>此时的浓度指物质的量的浓度,单位一般为mol/L。</ref>比细胞质的浓度低时,细胞吸水膨胀,此时该溶液叫细胞质的低渗溶液;<br/>当外界溶液浓度比细胞质浓度高时,细胞失水皱缩,此时该溶液叫细胞质的高渗溶液;<br/>当外界溶液浓度与细胞质浓度相等时,水分子进出细胞处于{{color|red|动态平衡}},此时该溶液叫细胞质的等渗溶液。<br/>在植物细胞<ref>某些含有液泡的微生物也可以发生质壁分离现象,如酵母菌。</ref>中,由于细胞原生质层的伸缩性比细胞壁大,所以在细胞失水皱缩的时候会出现{{color|red|质壁分离}}现象,质壁分离后的细胞若在一定时间内被浸入稀溶液中则会发生{{color|red|质壁分离的复原}}<ref>若使用KNO<sub>3</sub>溶液或甘油,细胞会自动复原。</ref>。 | * '''细胞的吸水和失水'''<br />植物细胞中细胞膜和液泡以及两层膜之间的细胞质称为{{color|red|原生质层(Protoplast layer)}}<ref>原生质指细胞内具有生命的物质。</ref>,其相当于一层半透膜。<br />当外界溶液浓度<ref>此时的浓度指物质的量的浓度,单位一般为mol/L。</ref>比细胞质的浓度低时,细胞吸水膨胀,此时该溶液叫细胞质的低渗溶液;<br />当外界溶液浓度比细胞质浓度高时,细胞失水皱缩,此时该溶液叫细胞质的高渗溶液;<br />当外界溶液浓度与细胞质浓度相等时,水分子进出细胞处于{{color|red|动态平衡}},此时该溶液叫细胞质的等渗溶液。<br />在植物细胞<ref>某些含有液泡的微生物也可以发生质壁分离现象,如酵母菌。</ref>中,由于细胞原生质层的伸缩性比细胞壁大,所以在细胞失水皱缩的时候会出现{{color|red|质壁分离}}现象,质壁分离后的细胞若在一定时间内被浸入稀溶液中则会发生{{color|red|质壁分离的复原}}<ref>若使用KNO<sub>3</sub>溶液或甘油,细胞会自动复原。</ref>。 | ||
** 实验:植物细胞的吸水与失水<br/>实验原理:植物细胞的细胞膜与中央液泡<ref>俗称“大液泡”,不存在于植物分生区细胞中。</ref>膜间的原生质层相当于一层半透膜,不能使蔗糖分子透过而可以使水分子透过;<br/>洋葱外层鳞片叶的细胞液为{{color|purple|紫色}},易于观察。 | ** 实验:植物细胞的吸水与失水<br />实验原理:植物细胞的细胞膜与中央液泡<ref>俗称“大液泡”,不存在于植物分生区细胞中。</ref>膜间的原生质层相当于一层半透膜,不能使蔗糖分子透过而可以使水分子透过;<br />洋葱外层鳞片叶的细胞液为{{color|purple|紫色}},易于观察。 | ||
* '''物质跨膜运输的其他实例'''<br/>'''细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜。''' | * '''物质跨膜运输的其他实例'''<br />'''细胞膜和其他生物膜都是选择透过性膜。''' | ||
===== 生物膜的流动镶嵌模型(Fluid mosaic model) ===== | ===== 生物膜的流动镶嵌模型(Fluid mosaic model) ===== | ||
* '''对生物膜结构的探索历程'''<br />19世纪末,'''查尔斯·欧内斯托·欧文顿(Charles Ernest Overton,1865 - 1933)'''根据实验结果提出:膜是由脂质组成的。<br />1925年,'''艾弗特·戈特(Evert Gorter,1881.2.19 - 1954.2.17)'''和'''弗朗索瓦·格伦德尔(François Grendel)'''得出“细胞膜中的脂质分子排列为连续的两层”的结论。<br />1959年,'''J·大卫·罗伯特森(J. David Robertson)'''提出了生物膜由蛋白质-脂质-蛋白质三层结构组成的{{color|red|三明治模型}}<ref>即“静态统一结构”。</ref>。<br />1972年,'''塞莫·乔纳森·桑格(Seymour Jonathan Singer,1924 - )'''和'''加思·L·尼克森(Garth L. Nicolson,1943.10.1 - )'''提出的{{color|red|流动镶嵌模型}}最为人所接受。 | * '''对生物膜结构的探索历程'''<br/>19世纪末,'''查尔斯·欧内斯托·欧文顿(Charles Ernest Overton,1865 - 1933)'''根据实验结果提出:膜是由脂质组成的。<br/>1925年,'''艾弗特·戈特(Evert Gorter,1881.2.19 - 1954.2.17)'''和'''弗朗索瓦·格伦德尔(François Grendel)'''得出“细胞膜中的脂质分子排列为连续的两层”的结论。<br/>1959年,'''J·大卫·罗伯特森(J. David Robertson)'''提出了生物膜由蛋白质-脂质-蛋白质三层结构组成的{{color|red|三明治模型}}<ref>即“静态统一结构”。</ref>。<br/>1972年,'''塞莫·乔纳森·桑格(Seymour Jonathan Singer,1924 - )'''和'''加思·L·尼克森(Garth L. Nicolson,1943.10.1 - )'''提出的{{color|red|流动镶嵌模型}}最为人所接受。 | ||
* '''流动镶嵌模型的基本内容'''<br />由两层头外尾内的磷脂分子构成的{{color|red|磷脂双分子层}}构成了膜的基本支架,这个基本支架不是静止的,而具有一定的{{color|red|流动性}}。膜上非对称分布的蛋白质分子也是可以运动的。<br/>即{{color|red|细胞膜的结构特点为流动性}},其受到温度影响。 | * '''流动镶嵌模型的基本内容'''<br/>由两层头外尾内的磷脂分子构成的{{color|red|磷脂双分子层}}构成了膜的基本支架,这个基本支架不是静止的,而具有一定的{{color|red|流动性}}。膜上非对称分布的蛋白质分子也是可以运动的。<br />即{{color|red|细胞膜的结构特点为流动性}},其受到温度影响。 | ||
===== 物质跨膜运输的方式 ===== | ===== 物质跨膜运输的方式 ===== | ||
行 413: | 行 412: | ||
* '''被动运输''' | * '''被动运输''' | ||
*# '''自由扩散'''<br/>如、二氧化碳、氮气、一氧化碳、苯、甘油、乙醇、脂肪酸、尿素、胆固醇<ref>由于存在“水通道蛋白”,水的扩散方式是自由扩散与协助扩散并存。</ref>之类的非极性小分子和某些不带电的极性小分子物质可以'''通过简单的扩散作用进出细胞,叫做{{color|red|自由扩散(Free diffusion)<ref>又叫简单扩散。</ref>}}'''。扩散速度主要与物质的脂溶性、相对分子质量、带电性有关。 | *# '''自由扩散'''<br />如、二氧化碳、氮气、一氧化碳、苯、甘油、乙醇、脂肪酸、尿素、胆固醇<ref>由于存在“水通道蛋白”,水的扩散方式是自由扩散与协助扩散并存。</ref>之类的非极性小分子和某些不带电的极性小分子物质可以'''通过简单的扩散作用进出细胞,叫做{{color|red|自由扩散(Free diffusion)<ref>又叫简单扩散。</ref>}}'''。扩散速度主要与物质的脂溶性、相对分子质量、带电性有关。 | ||
*# '''协助扩散'''<br/>如葡萄糖之类的物质可以'''借助载体蛋白(Membrane transport protein)<ref>也称“通透酶”。</ref>进出细胞,叫做{{color|red|协助扩散}}(Facilitated diffusion)'''。协助扩散比自由扩散速率高,有最大转运速率,且有特异性。 | *# '''协助扩散'''<br />如葡萄糖之类的物质可以'''借助载体蛋白(Membrane transport protein)<ref>也称“通透酶”。</ref>进出细胞,叫做{{color|red|协助扩散}}(Facilitated diffusion)'''。协助扩散比自由扩散速率高,有最大转运速率,且有特异性。 | ||
* '''主动运输'''<br />像Na<sup>+</sup>、K<sup>+</sup>、Ca<sup>2+</sup>等离子逆浓度梯度运输'''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,这种方式叫{{color|red|主动运输}}'''。 | * '''主动运输'''<br/>像Na<sup>+</sup>、K<sup>+</sup>、Ca<sup>2+</sup>等离子逆浓度梯度运输'''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,这种方式叫{{color|red|主动运输}}'''。 | ||
细胞还可以通过消耗能量,以{{color|red|胞吞}}或者{{color|red|胞吐}}的方式来摄取或者外排大分子物质<ref>作为{{color|red|神经递质}}的小分子也以胞吐方式排出体外。</ref>。同时,对于颗粒性大物质也可以通过{{color|red|胞饮}}进行运输。 | 细胞还可以通过消耗能量,以{{color|red|胞吞}}或者{{color|red|胞吐}}的方式来摄取或者外排大分子物质<ref>作为{{color|red|神经递质}}的小分子也以胞吐方式排出体外。</ref>。同时,对于颗粒性大物质也可以通过{{color|red|胞饮}}进行运输。 | ||
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'''细胞中每时每刻都进行着许多化学反应,统称为细胞代谢(Cellular metabolism)。''' | '''细胞中每时每刻都进行着许多化学反应,统称为细胞代谢(Cellular metabolism)。''' | ||
* '''酶(Enzyme)在细胞代谢中的作用'''<br/>'''分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量被称为活化能(Activation energy)。'''<br/>'''同无机催化剂相比,酶降低活化能的作用一般更显著,因而催化效率更高。'''酶可以在细胞中、内环境中与体外发挥作用。 | * '''酶(Enzyme)在细胞代谢中的作用'''<br />'''分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量被称为活化能(Activation energy)。'''<br />'''同无机催化剂相比,酶降低活化能的作用一般更显著,因而催化效率更高。'''酶可以在细胞中、内环境中与体外发挥作用。 | ||
** 实验:比较过氧化氢在不同条件下的分解<br/>实验原理:常温下过氧化氢缓慢分解生成氧气和水;<br/>高浓度的氧气能使带火星的卫生香复燃;<br/>Fe<sup>3+</sup>和过氧化氢酶能催化该反应<br/>加热能够促进该反应的进行。 | ** 实验:比较过氧化氢在不同条件下的分解<br />实验原理:常温下过氧化氢缓慢分解生成氧气和水;<br />高浓度的氧气能使带火星的卫生香复燃;<br />Fe<sup>3+</sup>和过氧化氢酶能催化该反应<br />加热能够促进该反应的进行。 | ||
*** {{color|red|'''控制变量'''}}:实验过程中可以变化的因素称为变量(Variable),其中人为改变的变量称为自变量(Independent variable),随着自变量的变化而变化的量称作因变量(Dependent variable)。除自变量外,实验过程中存在的可能对因变量造成影响的因素叫做{{color|red|无关变量(Irrelevant variable)}}。<br />除了一个因素之外,其余因素都保持不变的的实验叫做{{color|red|对照实验(Scientific control)}}。常见的对照实验有空白对照、自身对照<ref>只有一组实验。</ref>、条件对照和相互对照<ref>没有对照组。</ref>等。 | *** {{color|red|'''控制变量'''}}:实验过程中可以变化的因素称为变量(Variable),其中人为改变的变量称为自变量(Independent variable),随着自变量的变化而变化的量称作因变量(Dependent variable)。除自变量外,实验过程中存在的可能对因变量造成影响的因素叫做{{color|red|无关变量(Irrelevant variable)}}。<br/>除了一个因素之外,其余因素都保持不变的的实验叫做{{color|red|对照实验(Scientific control)}}。常见的对照实验有空白对照、自身对照<ref>只有一组实验。</ref>、条件对照和相互对照<ref>没有对照组。</ref>等。 | ||
* '''酶的本质''' | * '''酶的本质''' | ||
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'''酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物,其中绝大多数是蛋白质。''' | '''酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物,其中绝大多数是蛋白质。''' | ||
* '''酶具有高效性'''<br/>酶的催化效率是无机催化剂的{{color|red|10<sup>7</sup>~10<sup>13</sup>倍}}。 | * '''酶具有高效性'''<br />酶的催化效率是无机催化剂的{{color|red|10<sup>7</sup>~10<sup>13</sup>倍}}。 | ||
* '''酶具有专一性'''<br/>酶的专一性保证了细胞代谢能够有条不紊地进行。<br/>在进行唾液淀粉酶的专一性实验时,{{color|red|不宜使用I<sub>2</sub>作为检测剂}}。 | * '''酶具有专一性'''<br />酶的专一性保证了细胞代谢能够有条不紊地进行。<br />在进行唾液淀粉酶的专一性实验时,{{color|red|不宜使用I<sub>2</sub>作为检测剂}}。 | ||
* '''酶的作用条件较温和'''<br/>'''酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的。'''{{color|red|由酶催化的反应叫做酶促反应(Enzyme catalysis),酶对化学反应的催化效率叫做酶活性。}}<br/>一般来说,动物体内的酶最适温度在35~40℃之间,植物体内的酶最适温度在40~50℃之间。<br/>动物体内的酶最适pH大多在6.5~8.0之间,植物体内的酶的最适pH大多在4.5~6.5之间。<br/>过酸、过碱或温度过高,会使酶的空间结构遭到破坏,使酶永久失活。<br/>0℃左右时,酶的活性很低,但酶的空间结构稳定。因此,酶制剂适宜在{{color|red|0-4℃}}的低温下保存。<br/>底物浓度与酶浓度通过影响酶与底物的接触面积而影响酶促反应速率,它们不影响酶的活性。<br/>因为高温可催化H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>分解,所以{{color|red|不用H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>酶检验温度对酶的活性的影响}};因为酸会催化淀粉水解,所以{{color|red|不用唾液淀粉酶检验pH值对酶活性的影响}}。 | * '''酶的作用条件较温和'''<br />'''酶所催化的化学反应一般是在比较温和的条件下进行的。'''{{color|red|由酶催化的反应叫做酶促反应(Enzyme catalysis),酶对化学反应的催化效率叫做酶活性。}}<br />一般来说,动物体内的酶最适温度在35~40℃之间,植物体内的酶最适温度在40~50℃之间。<br />动物体内的酶最适pH大多在6.5~8.0之间,植物体内的酶的最适pH大多在4.5~6.5之间。<br />过酸、过碱或温度过高,会使酶的空间结构遭到破坏,使酶永久失活。<br />0℃左右时,酶的活性很低,但酶的空间结构稳定。因此,酶制剂适宜在{{color|red|0-4℃}}的低温下保存。<br />底物浓度与酶浓度通过影响酶与底物的接触面积而影响酶促反应速率,它们不影响酶的活性。<br />因为高温可催化H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>分解,所以{{color|red|不用H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>酶检验温度对酶的活性的影响}};因为酸会催化淀粉水解,所以{{color|red|不用唾液淀粉酶检验pH值对酶活性的影响}}。 | ||
===== 细胞的能量“通货”——ATP ===== | ===== 细胞的能量“通货”——ATP ===== | ||
* '''ATP(Adenosine triphosphate)分子中具有高能磷酸键'''<br />{{color|red|ATP的结构简式可简写成“A-P~P~P”,其中的A代表腺苷,P代表磷酸基团。}}<br />高能磷酸键水解时释放的能量多达{{color|red|30.54kJ/mol}},所以说'''ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物'''。 | * '''ATP(Adenosine triphosphate)分子中具有高能磷酸键'''<br/>{{color|red|ATP的结构简式可简写成“A-P~P~P”,其中的A代表腺苷,P代表磷酸基团。}}<br/>高能磷酸键水解时释放的能量多达{{color|red|30.54kJ/mol}},所以说'''ATP是细胞内的一种高能磷酸化合物'''。 | ||
* '''ATP和ADP(Adenosine diphosphate)可以相互转化'''<br />ATP在有关水解酶的作用下很容易水解,形成游离的磷酸与ADP,同时放出大量能量。在有关酶的催化作用下,ADP可以与磷酸结合,吸收能量,形成ADP<ref>由于催化ADP水解和ADP与磷酸结合的{{color|red|反应条件和反应场所不同}},所以ATP与ADP的相互转化{{color|red|不为可逆反应}}。</ref><br />ATP与ADP的相互转化时刻不停地发生,处于{{color|red|动态平衡}}。<br />对于动物、真菌与绝大多数细菌而言,ADP转化为ATP的能量来自于呼吸作用所释放的化学能;对于绿色植物而言,该过程还利用了光合作用产生的光能。 | * '''ATP和ADP(Adenosine diphosphate)可以相互转化'''<br/>ATP在有关水解酶的作用下很容易水解,形成游离的磷酸与ADP,同时放出大量能量。在有关酶的催化作用下,ADP可以与磷酸结合,吸收能量,形成ADP<ref>由于催化ADP水解和ADP与磷酸结合的{{color|red|反应条件和反应场所不同}},所以ATP与ADP的相互转化{{color|red|不为可逆反应}}。</ref><br/>ATP与ADP的相互转化时刻不停地发生,处于{{color|red|动态平衡}}。<br/>对于动物、真菌与绝大多数细菌而言,ADP转化为ATP的能量来自于呼吸作用所释放的化学能;对于绿色植物而言,该过程还利用了光合作用产生的光能。 | ||
* '''ATP的利用'''<br />{{color|red|细胞内的吸能反应一般与ATP的水解反应相联系,由ATP的水解提供能量;放能反应一般与ATP的合成相联系,释放的能量储存在ATP中。}} | * '''ATP的利用'''<br/>{{color|red|细胞内的吸能反应一般与ATP的水解反应相联系,由ATP的水解提供能量;放能反应一般与ATP的合成相联系,释放的能量储存在ATP中。}} | ||
===== ATP的主要来源——细胞呼吸 ===== | ===== ATP的主要来源——细胞呼吸 ===== | ||
行 478: | 行 477: | ||
由于呼吸作用是在细胞内进行的,所以细胞呼吸就是呼吸作用。 | 由于呼吸作用是在细胞内进行的,所以细胞呼吸就是呼吸作用。 | ||
* '''细胞呼吸的方式'''<br/>细胞呼吸可分为{{color|red|有氧呼吸(Aerobic respiration)}}和{{color|red|无氧呼吸(Anaerobic respiration)}}两种类型。 | * '''细胞呼吸的方式'''<br />细胞呼吸可分为{{color|red|有氧呼吸(Aerobic respiration)}}和{{color|red|无氧呼吸(Anaerobic respiration)}}两种类型。 | ||
** 实验:探究酵母菌细胞呼吸方式<br/>实验原理:NaOH溶液可以吸收空气中的二氧化碳<br/>二氧化碳可以使澄清石灰水变浑浊,也可以使{{color|red|溴麝香草酚蓝水溶液}}由{{color|blue|蓝}}变{{color|green|绿}}再变{{color|yellow|黄}}。<br/>{{color|orange|橙色}}的酸性{{ruby|重|chóng}}铬酸钾溶液可与酒精发生化学反应变为{{color|teal|灰绿色}}。<br/>将酵母菌培养液煮沸可以实现灭菌并除去液体中的溶解氧,为酵母菌营造无氧环境。 | ** 实验:探究酵母菌细胞呼吸方式<br />实验原理:NaOH溶液可以吸收空气中的二氧化碳<br />二氧化碳可以使澄清石灰水变浑浊,也可以使{{color|red|溴麝香草酚蓝水溶液}}由{{color|blue|蓝}}变{{color|green|绿}}再变{{color|yellow|黄}}。<br />{{color|orange|橙色}}的酸性{{ruby|重|chóng}}铬酸钾溶液可与酒精发生化学反应变为{{color|teal|灰绿色}}。<br />将酵母菌培养液煮沸可以实现灭菌并除去液体中的溶解氧,为酵母菌营造无氧环境。 | ||
* '''有氧呼吸'''<br />对于绝大多数生物而言,有氧呼吸是细胞呼吸的主要形式,它的主要场所是线粒体。<br/>'''{{color|red|有氧呼吸是指细胞在氧的参与下,通过多种酶的催化作用,把葡萄糖<ref>花生和油菜的种子的呼吸底物含有较多脂肪,因此,它们有氧呼吸释放的二氧化碳量会少于吸收的氧气量。</ref>彻底氧化分解,产生二氧化碳和水,释放能量,生成大量ATP的过程。}}'''<ref>同有机物在体外燃烧相比,{{color|red|有氧呼吸是在温和条件下进行的,其能量是经过一系列的化学反应释放的,这些能量有相当一部分储存在ATP中}}。</ref><br />有氧呼吸的全过程十分复杂,可以概括地分为三个阶段: | * '''有氧呼吸'''<br/>对于绝大多数生物而言,有氧呼吸是细胞呼吸的主要形式,它的主要场所是线粒体。<br />'''{{color|red|有氧呼吸是指细胞在氧的参与下,通过多种酶的催化作用,把葡萄糖<ref>花生和油菜的种子的呼吸底物含有较多脂肪,因此,它们有氧呼吸释放的二氧化碳量会少于吸收的氧气量。</ref>彻底氧化分解,产生二氧化碳和水,释放能量,生成大量ATP的过程。}}'''<ref>同有机物在体外燃烧相比,{{color|red|有氧呼吸是在温和条件下进行的,其能量是经过一系列的化学反应释放的,这些能量有相当一部分储存在ATP中}}。</ref><br/>有氧呼吸的全过程十分复杂,可以概括地分为三个阶段: | ||
*# 1分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸,并产生少量的还原氢<ref>还原型辅酶I(NADH)。</ref>,并且释放出少量能量。这一阶段在细胞质基质中进行。 | *# 1分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸,并产生少量的还原氢<ref>还原型辅酶I(NADH)。</ref>,并且释放出少量能量。这一阶段在细胞质基质中进行。 | ||
*# 丙酮酸和水彻底分解成二氧化碳和还原氢,并释放出少量能量。这一阶段在线粒体基质中进行。 | *# 丙酮酸和水彻底分解成二氧化碳和还原氢,并释放出少量能量。这一阶段在线粒体基质中进行。 | ||
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<big>'''{{color|red|C<sub>6</sub>H<sub>12</sub>O<sub>6</sub>+6H<sub>2</sub>O+6O<sub>2</sub>{{ruby|→|酶}}6CO<sub>2</sub>+12H<sub>2</sub>O+能量}}'''</big> | <big>'''{{color|red|C<sub>6</sub>H<sub>12</sub>O<sub>6</sub>+6H<sub>2</sub>O+6O<sub>2</sub>{{ruby|→|酶}}6CO<sub>2</sub>+12H<sub>2</sub>O+能量}}'''</big> | ||
* '''无氧呼吸'''<br/>除酵母菌以外,还有许多种细菌和真菌能够进行无氧呼吸。此外,马铃薯块茎、苹果果实等植物器官的细胞以及动物骨骼肌的肌细胞等,在缺氧条件下也能进行有氧呼吸。<br/>无氧呼吸的全过程,可以概括地分为两个阶段,这两个阶段需要不同的酶催化,但都是在细胞质基质中进行的。 | * '''无氧呼吸'''<br />除酵母菌以外,还有许多种细菌和真菌能够进行无氧呼吸。此外,马铃薯块茎、苹果果实等植物器官的细胞以及动物骨骼肌的肌细胞等,在缺氧条件下也能进行有氧呼吸。<br />无氧呼吸的全过程,可以概括地分为两个阶段,这两个阶段需要不同的酶催化,但都是在细胞质基质中进行的。 | ||
*# 与有氧呼吸第一个阶段完全相同。 | *# 与有氧呼吸第一个阶段完全相同。 | ||
*# 丙酮酸在不同酶的催化作用下,分解成酒精和二氧化碳或转化成乳酸。此阶段不释放能量。 | *# 丙酮酸在不同酶的催化作用下,分解成酒精和二氧化碳或转化成乳酸。此阶段不释放能量。 | ||
行 508: | 行 507: | ||
{{color|red|将光能转换成细胞能够利用的化学能的是光合作用。}} | {{color|red|将光能转换成细胞能够利用的化学能的是光合作用。}} | ||
* '''捕获光能的色素'''<br/>绿叶中的色素有4中,它们可以归纳为两类: | * '''捕获光能的色素'''<br />绿叶中的色素有4中,它们可以归纳为两类: | ||
*# 叶绿素(含量占¾): | *# 叶绿素(含量占¾): | ||
*## {{color|#0DBF8C|叶绿素a(蓝绿色)}},含量最多,溶解度较低; | *## {{color|#0DBF8C|叶绿素a(蓝绿色)}},含量最多,溶解度较低; | ||
行 515: | 行 514: | ||
*## {{color|orange|胡萝卜素(橙黄色)}},含量最少,溶解度最高; | *## {{color|orange|胡萝卜素(橙黄色)}},含量最少,溶解度最高; | ||
*## {{color|yellow|叶黄素(黄色)}},含量较少,溶解度较高。 | *## {{color|yellow|叶黄素(黄色)}},含量较少,溶解度较高。 | ||
** 实验:绿叶中色素的提取和分离<br/>实验原理:色素<ref>应选用{{color|green|新鲜、颜色深}}的叶片以保证色素含量较高。</ref>易溶于无水乙醇、丙酮、汽油等有机溶剂;<br />二氧化硅有助于充分研磨,使色素流出;<br/>碳酸钙能中和细胞内的有机酸,防止色素被破坏。 | ** 实验:绿叶中色素的提取和分离<br />实验原理:色素<ref>应选用{{color|green|新鲜、颜色深}}的叶片以保证色素含量较高。</ref>易溶于无水乙醇、丙酮、汽油等有机溶剂;<br/>二氧化硅有助于充分研磨,使色素流出;<br />碳酸钙能中和细胞内的有机酸,防止色素被破坏。 | ||
'''叶绿素a和叶绿素b主要吸收{{color|#8A2BE2|蓝紫光}}和{{color|red|红光}},胡萝卜素和叶黄素主要吸收{{color|#8A2BE2|蓝紫光}}。'''因为光合作用主要利用可见光,故可用可见光的吸收光谱判断其种类。同时,只有叶绿素a能进行光能到化学能的能量转换。 | '''叶绿素a和叶绿素b主要吸收{{color|#8A2BE2|蓝紫光}}和{{color|red|红光}},胡萝卜素和叶黄素主要吸收{{color|#8A2BE2|蓝紫光}}。'''因为光合作用主要利用可见光,故可用可见光的吸收光谱判断其种类。同时,只有叶绿素a能进行光能到化学能的能量转换。 | ||
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[[File:Chloroplast.png|缩略图|叶绿体结构模式图]] | [[File:Chloroplast.png|缩略图|叶绿体结构模式图]] | ||
* '''叶绿体的结构'''<br/>在光学显微镜下<ref>直接观察,无需染色。</ref>,绝大多数植物的叶绿体呈{{color|red|扁平的椭圆形或球形}};在电子显微镜下,叶绿体的外表有双层膜,内部有许多基粒,基粒之间充满了基质。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成。<br/>'''这些囊状结构称为{{color|red|类囊体}},吸收光能的四种色素,就分布在{{color|red|类囊体的薄膜上}}。'''广阔的类囊体薄膜面积不仅大大扩展了受光面积,也为参与光合作用的酶提供了大量的附着位点。 | * '''叶绿体的结构'''<br />在光学显微镜下<ref>直接观察,无需染色。</ref>,绝大多数植物的叶绿体呈{{color|red|扁平的椭圆形或球形}};在电子显微镜下,叶绿体的外表有双层膜,内部有许多基粒,基粒之间充满了基质。每个基粒都由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成。<br />'''这些囊状结构称为{{color|red|类囊体}},吸收光能的四种色素,就分布在{{color|red|类囊体的薄膜上}}。'''广阔的类囊体薄膜面积不仅大大扩展了受光面积,也为参与光合作用的酶提供了大量的附着位点。 | ||
1880年,'''西奥多·威廉·恩格尔曼(Theodor Wilhelm Engelmann,1843.11.14 - 1909.5.20)'''把载有水绵<ref>螺旋状叶绿体,便于观察和同组对照。</ref>和好氧细菌的临时装片放在{{color|red|没有空气的黑暗环境中}},然后用{{color|red|极细的光束}}照射水绵,发现好氧细菌只向{{color|red|叶绿体被光束照到的部位集中}};如果临时装片暴露在光下,细菌则分布在{{color|red|叶绿体的所有受光部位}}。 | 1880年,'''西奥多·威廉·恩格尔曼(Theodor Wilhelm Engelmann,1843.11.14 - 1909.5.20)'''把载有水绵<ref>螺旋状叶绿体,便于观察和同组对照。</ref>和好氧细菌的临时装片放在{{color|red|没有空气的黑暗环境中}},然后用{{color|red|极细的光束}}照射水绵,发现好氧细菌只向{{color|red|叶绿体被光束照到的部位集中}};如果临时装片暴露在光下,细菌则分布在{{color|red|叶绿体的所有受光部位}}。 | ||
行 535: | 行 534: | ||
{{color|red|'''光合作用是指绿色植物通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出氧气的过程。'''}} | {{color|red|'''光合作用是指绿色植物通过叶绿体,利用光能,把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出氧气的过程。'''}} | ||
* '''光合作用的探究历程'''<br />1771年,'''约瑟夫·普利斯特利(Joseph Priestley,1733.3.24 - 1804.2.6)'''通过实验证实,植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而变得污浊的空气,但他{{color|red|没有发现光在植物更新空气中的作用}}。<br />1779年,'''简·英格豪斯(Jan Ingen-housz<ref>也称Jan Ingenhousz。</ref>,1730.12.8 - 1799.9.7)'''发现普利斯特利的实验{{color|red|只有在阳光照射下才能成功}},植物体{{color|red|只有绿叶才能更新空气}}。<br />1785年,'''安托万-劳伦·德·拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743.8.26 - 1794.5.8)'''发现了空气的组成后,人们才明确绿叶在光下放出氧气二吸收二氧化碳。<br />1845年,'''尤里乌斯·罗伯特·冯·梅耶(Julius Robert von Mayer,1814.11.25 - 1878.3.20)'''根据能量守恒定律指出,植物进行光合作用时,把光能转换成化学能储存起来。<br />1864年,'''尤里乌斯·冯·萨克斯'''将绿叶在暗处放置数小时,以{{color|red|消耗叶片中的营养物质}},而后将叶片一半曝光,一半遮光。一段时间后,用碘蒸气处理叶片,发现曝光的一半呈{{color|#00477D|深蓝色}},而另一半没有。该实验说明了光合作用的产物{{color|red|除了氧气外还有淀粉}}。<br />1941年,'''山姆·鲁宾(Sam Ruben,1913.11.5 - 1943.9.28)'''和'''马丁·大卫·卡门(1913.8.27 - 2002.8.31)'''利用{{color|red|同位素标记法}},将{{color|red|<sup>18</sup>O}}<ref><sup>18</sup>O无放射性。</ref>分标记H<sub>2</sub>O和CO<sub>2</sub>,证明了{{color|red|光合作用释放的氧气来自水}}。<br />20世纪40年代,'''梅尔文·埃利斯·卡尔文(Melvin Ellis Calvin,1911.4.8 - 1997.1.8)'''利用放射性同位素<sup>14</sup>C标记了CO<sub>2</sub>,探明了{{color|red|CO<sub>2</sub>中的碳转化为有机物中的碳的途径}},即{{color|red|卡尔文循环}}。 | * '''光合作用的探究历程'''<br/>1771年,'''约瑟夫·普利斯特利(Joseph Priestley,1733.3.24 - 1804.2.6)'''通过实验证实,植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而变得污浊的空气,但他{{color|red|没有发现光在植物更新空气中的作用}}。<br/>1779年,'''简·英格豪斯(Jan Ingen-housz<ref>也称Jan Ingenhousz。</ref>,1730.12.8 - 1799.9.7)'''发现普利斯特利的实验{{color|red|只有在阳光照射下才能成功}},植物体{{color|red|只有绿叶才能更新空气}}。<br/>1785年,'''安托万-劳伦·德·拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743.8.26 - 1794.5.8)'''发现了空气的组成后,人们才明确绿叶在光下放出氧气二吸收二氧化碳。<br/>1845年,'''尤里乌斯·罗伯特·冯·梅耶(Julius Robert von Mayer,1814.11.25 - 1878.3.20)'''根据能量守恒定律指出,植物进行光合作用时,把光能转换成化学能储存起来。<br/>1864年,'''尤里乌斯·冯·萨克斯'''将绿叶在暗处放置数小时,以{{color|red|消耗叶片中的营养物质}},而后将叶片一半曝光,一半遮光。一段时间后,用碘蒸气处理叶片,发现曝光的一半呈{{color|#00477D|深蓝色}},而另一半没有。该实验说明了光合作用的产物{{color|red|除了氧气外还有淀粉}}。<br/>1941年,'''山姆·鲁宾(Sam Ruben,1913.11.5 - 1943.9.28)'''和'''马丁·大卫·卡门(1913.8.27 - 2002.8.31)'''利用{{color|red|同位素标记法}},将{{color|red|<sup>18</sup>O}}<ref><sup>18</sup>O无放射性。</ref>分标记H<sub>2</sub>O和CO<sub>2</sub>,证明了{{color|red|光合作用释放的氧气来自水}}。<br/>20世纪40年代,'''梅尔文·埃利斯·卡尔文(Melvin Ellis Calvin,1911.4.8 - 1997.1.8)'''利用放射性同位素<sup>14</sup>C标记了CO<sub>2</sub>,探明了{{color|red|CO<sub>2</sub>中的碳转化为有机物中的碳的途径}},即{{color|red|卡尔文循环}}。 | ||
* '''光合作用的过程'''<br />光合作用的过程可以用如下反应式来概括:<br />{{color|red|<big>'''CO<sub>2</sub>+H<sub>2</sub>O{{ruby|→|光能、叶绿体}}(CH<sub>2</sub>O)<ref>指代糖类。</ref>+O<sub>2</sub>'''</big>}} | * '''光合作用的过程'''<br/>光合作用的过程可以用如下反应式来概括:<br/>{{color|red|<big>'''CO<sub>2</sub>+H<sub>2</sub>O{{ruby|→|光能、叶绿体}}(CH<sub>2</sub>O)<ref>指代糖类。</ref>+O<sub>2</sub>'''</big>}} | ||
** ''' | ** ''' 碳 反应阶段'''<br/>'''光合作用第一个阶段的化学反应,必须有光才能进行,这个阶段叫做 碳 反应阶段。'''<br/> 碳 反应阶段的化学反应是在{{color|red|类囊体的薄膜}}上进行的。<br/>叶绿素和类胡萝卜素吸收的光能,有以下两个用途: | ||
**# 将水分解成氧和还原氢<ref>还原型辅酶II(NADPH)。</ref>,氧直接以分子形式释放出去,还原氢则被作为活泼的还原剂传递到叶绿体基质中参加暗反应。 | **# 将水分解成氧和还原氢<ref>还原型辅酶II(NADPH)。</ref>,氧直接以分子形式释放出去,还原氢则被作为活泼的还原剂传递到叶绿体基质中参加暗反应。 | ||
**# 在酶的催化下,促使ADP和Pi反应生成ATP,为暗反应提供能量。 | **# 在酶的催化下,促使ADP和Pi反应生成ATP,为暗反应提供能量。 | ||
** '''暗反应阶段'''<br/>'''光合作用第二个阶段中的化学反应,有没有光都可以进行,这个阶段叫做暗反应阶段。'''<br/>暗反应阶段的化学反应是在{{color|red|叶绿体基质}}中进行的。<br/>在暗反应阶段中,每个植物从空气中吸收的CO<sub>2</sub>与植物体内的一个一种五碳化合物结合,形成两个三碳化合物分子,并在酶的催化下,接受ATP中的能量,被还原氢还原成糖类与一分子五碳化合物,促使暗反应继续进行下去。 | ** '''暗反应阶段'''<br />'''光合作用第二个阶段中的化学反应,有没有光都可以进行,这个阶段叫做暗反应阶段。'''<br />暗反应阶段的化学反应是在{{color|red|叶绿体基质}}中进行的。<br />在暗反应阶段中,每个植物从空气中吸收的CO<sub>2</sub>与植物体内的一个一种五碳化合物结合,形成两个三碳化合物分子,并在酶的催化下,接受ATP中的能量,被还原氢还原成糖类与一分子五碳化合物,促使暗反应继续进行下去。 | ||
* '''光合作用原理的应用'''<br/>在农业生产中,人们可以通过控制{{color|red|光照强度、温度、CO<sub>2</sub>浓度<ref>CO<sub>2</sub>过多会造成叶片气孔关闭。</ref>、水分、土壤pH值和矿物质含量}}等提高植物光合作用强度,从而提高产量。植物叶片表面积和叶龄(影响叶绿体与光合色素含量)也会影响植物光合作用强度。在冬天,光合作用的主要限制因素是湿度。 | * '''光合作用原理的应用'''<br />在农业生产中,人们可以通过控制{{color|red|光照强度、温度、CO<sub>2</sub>浓度<ref>CO<sub>2</sub>过多会造成叶片气孔关闭。</ref>、水分、土壤pH值和矿物质含量}}等提高植物光合作用强度,从而提高产量。植物叶片表面积和叶龄(影响叶绿体与光合色素含量)也会影响植物光合作用强度。在冬天,光合作用的主要限制因素是湿度。 | ||
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|} | |} | ||
* '''化能合成作用'''<br />在自养生物中,除了依靠光合作用获得有机物的生物,还有少数细菌能够通过{{color|red|将土地中的氨氧化成亚硝酸,继而氧化成硝酸获得能量}}以制造有机物。同样地,铁细菌能把{{color|green|亚铁离子}}氧化成{{color|orange|铁离子}}、氢细菌能把H<sub>2</sub>氧化成H<sub>2</sub>O以获得能量。这种通过氧化无机物而获得能量的化学反应过程叫做化能合成作用。 | * '''化能合成作用'''<br/>在自养生物中,除了依靠光合作用获得有机物的生物,还有少数细菌能够通过{{color|red|将土地中的氨氧化成亚硝酸,继而氧化成硝酸获得能量}}以制造有机物。同样地,铁细菌能把{{color|green|亚铁离子}}氧化成{{color|orange|铁离子}}、氢细菌能把H<sub>2</sub>氧化成H<sub>2</sub>O以获得能量。这种通过氧化无机物而获得能量的化学反应过程叫做化能合成作用。 | ||
==== 细胞的生命历程 ==== | ==== 细胞的生命历程 ==== | ||
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[[File:Normal Cell Life Cycle.png|缩略图|细胞的一生]] | [[File:Normal Cell Life Cycle.png|缩略图|细胞的一生]] | ||
* '''细胞不能无限长大'''<br />'''细胞表面积与体积的关系限制了细胞的长大。''' | * '''细胞不能无限长大'''<br/>'''细胞表面积与体积的关系限制了细胞的长大。''' | ||
** 实验:细胞大小与物质运输的关系<br />实验原理:酚酞和NaOH反应显{{color|#DE3163|红色}};<br />NaOH溶液可浸入琼脂块。 | ** 实验:细胞大小与物质运输的关系<br/>实验原理:酚酞和NaOH反应显{{color|#DE3163|红色}};<br/>NaOH溶液可浸入琼脂块。 | ||
* '''细胞通过分裂进行增殖'''<br />'''细胞增殖(Cell growth<ref>也称“Cell proliferation”。</ref>)包括{{color|red|物质准备}}和整个{{color|red|细胞分裂}}两个连续的过程。'''<br />{{color|red|真核细胞}}的分裂方式有三种:{{color|red|有丝分裂、无丝分裂和减数分裂}}<ref>虽然减数分裂是一种{{color|red|特殊的有丝分裂}},但在高中阶段,一般将减数分裂从有丝分裂中独立出来讨论。</ref>。 | * '''细胞通过分裂进行增殖'''<br/>'''细胞增殖(Cell growth<ref>也称“Cell proliferation”。</ref>)包括{{color|red|物质准备}}和整个{{color|red|细胞分裂}}两个连续的过程。'''<br/>{{color|red|真核细胞}}的分裂方式有三种:{{color|red|有丝分裂、无丝分裂和减数分裂}}<ref>虽然减数分裂是一种{{color|red|特殊的有丝分裂}},但在高中阶段,一般将减数分裂从有丝分裂中独立出来讨论。</ref>。 | ||
[[File:红细胞娘.jpg|缩略图|'''蛙的红细胞'''是采用'''无丝分裂'''的细胞中的典型,图为红细胞的拟人化萌娘:[[红细胞娘]]。]] | [[File:红细胞娘.jpg|缩略图|'''蛙的红细胞'''是采用'''无丝分裂'''的细胞中的典型,图为红细胞的{{萌百| 拟人化}} 萌娘:[[红细胞娘]]。]] | ||
* {{color|red|'''有丝分裂'''}}<br />有丝分裂(Mitosis)是真核细胞分裂的主要方式。<br />'''{{color|red|连续分裂}}的细胞,从{{color|red|一次分裂完开始}},到下一次分裂完成时为止,为一个细胞周期(Cell cycle<ref>也称“Cell-division cycle”。</ref>)'''<br />在细胞一次分裂之后到下一次分裂之前的时间叫做分裂间期(Interphase),占细胞周期的90%-95%。在分裂间期,细胞完成DNA分子的复制和有关蛋白质的合成,同时细胞有适度的生长。动物细胞的中心粒在此期间倍增。<br />分裂间期结束之后,就进入了分裂期(Mitotic Phase)。分裂期可分为前期、中期、后期和末期四个部分: | * {{color|red|'''有丝分裂'''}}<br/>有丝分裂(Mitosis)是真核细胞分裂的主要方式。<br/>'''{{color|red|连续分裂}}的细胞,从{{color|red|一次分裂完开始}},到下一次分裂完成时为止,为一个细胞周期(Cell cycle<ref>也称“Cell-division cycle”。</ref>)'''<br/>在细胞一次分裂之后到下一次分裂之前的时间叫做分裂间期(Interphase),占细胞周期的90%-95%。在分裂间期,细胞完成DNA分子的复制和有关蛋白质的合成,同时细胞有适度的生长。动物细胞的中心粒在此期间倍增。<br/>分裂间期结束之后,就进入了分裂期(Mitotic Phase)。分裂期可分为前期、中期、后期和末期四个部分: | ||
{{cquote|{{color|purple|<big>'''核膜消失现两体。'''</big>}}}} | {{cquote|{{color|purple|<big>'''核膜消失现两体。'''</big>}}}} | ||
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<center>{{color|red|在有丝分裂末期,纺锤体和染色体消失,细胞核和细胞板<ref>细胞板在分裂后发育成细胞壁的一部分,所以细胞板{{color|red|只在植物细胞中出现}}。</ref>出现,准备进入下一个细胞周期。}}</center> | <center>{{color|red|在有丝分裂末期,纺锤体和染色体消失,细胞核和细胞板<ref>细胞板在分裂后发育成细胞壁的一部分,所以细胞板{{color|red|只在植物细胞中出现}}。</ref>出现,准备进入下一个细胞周期。}}</center> | ||
* '''无丝分裂'''<br />像'''蛙的红细胞'''一样,细胞无丝分裂的过程一般是细胞核先延长,然后细胞从中间缢裂成两个部分。整个分裂过程没有出现纺锤丝和染色体。 | * '''无丝分裂'''<br/>像'''蛙的红细胞'''一样,细胞无丝分裂的过程一般是细胞核先延长,然后细胞从中间缢裂成两个部分。整个分裂过程没有出现纺锤丝和染色体。 | ||
===== 细胞的分化 ===== | ===== 细胞的分化 ===== | ||
* '''细胞的分化及其意义'''<br />在个体发育中,由一个或一种细胞增殖产生的后代,在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程,叫做细胞分化(Cellular differentiation<ref>也称“Cell differentiation”。</ref>)<br />细胞分化是一种持久性的变化,是生物界中普遍存在的生命现象,是生物个体发育的基础。<br />细胞分化使多细胞生物体中的细胞专门化,提高了生物体各种生理功能的效率。 | * '''细胞的分化及其意义'''<br/>在个体发育中,由一个或一种细胞增殖产生的后代,在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程,叫做细胞分化(Cellular differentiation<ref>也称“Cell differentiation”。</ref>)<br/>细胞分化是一种持久性的变化,是生物界中普遍存在的生命现象,是生物个体发育的基础。<br/>细胞分化使多细胞生物体中的细胞专门化,提高了生物体各种生理功能的效率。 | ||
* '''细胞的全能性'''<br />'''细胞的全能性是指{{color|red|已经分化了的细胞}},仍然具有发育成完整个体的潜能。'''<br />人类已经可以利用植物细胞的全能性,通过植物组织培养快速繁殖植物;但人类还没有成功地利用单个已分化的动物细胞培育成一个完整的动物个体。<br />动物中少数仍能增殖分化的正常细胞被称作{{color|red|干细胞}}(Stem cell)。 | * '''细胞的全能性'''<br/>'''细胞的全能性是指{{color|red|已经分化了的细胞}},仍然具有发育成完整个体的潜能。'''<br/>人类已经可以利用植物细胞的全能性,通过植物组织培养快速繁殖植物;但人类还没有成功地利用单个已分化的动物细胞培育成一个完整的动物个体。<br/>动物中少数仍能增殖分化的正常细胞被称作{{color|red|干细胞}}(Stem cell)。 | ||
'''{{color|orange|争议:当下学术界有两派观点,一派认为所有动物细胞具有全能性,只是人类尚不能对其加以利用;另一派认为只有未高度分化的动物细胞和所有的动物细胞核具有全能性。}}''' | '''{{color|orange|争议:当下学术界有两派观点,一派认为所有动物细胞具有全能性,只是人类尚不能对其加以利用;另一派认为只有未高度分化的动物细胞和所有的动物细胞核具有全能性。}}''' | ||
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===== 细胞的衰老和凋亡 ===== | ===== 细胞的衰老和凋亡 ===== | ||
* '''个体衰老和细胞衰老的关系'''<br />在多细胞生物体中,总有一部分细胞正在衰老或者走向死亡。<br />多细胞生物个体衰老的过程是个体细胞{{color|red|普遍衰老}}的过程。 | * '''个体衰老和细胞衰老的关系'''<br/>在多细胞生物体中,总有一部分细胞正在衰老或者走向死亡。<br/>多细胞生物个体衰老的过程是个体细胞{{color|red|普遍衰老}}的过程。 | ||
* '''细胞衰老的特征''' | * '''细胞衰老的特征''' | ||
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*# 细胞内呼吸速率减慢。为了更好地控制细胞生命活动,{{color|red|细胞核体积增大,核膜内折,染色质收缩,染色加深}}。 | *# 细胞内呼吸速率减慢。为了更好地控制细胞生命活动,{{color|red|细胞核体积增大,核膜内折,染色质收缩,染色加深}}。 | ||
*# 细胞膜通透性改变,运输效率降低。 | *# 细胞膜通透性改变,运输效率降低。 | ||
** 细胞衰老的原因<br />关于细胞衰老的原因,学术界主要有以下两派观点: | ** 细胞衰老的原因<br/>关于细胞衰老的原因,学术界主要有以下两派观点: | ||
**# {{color|red|自由基学说}}:自由基是异常活泼的带电分子或基团,可以从细胞内的各种化学反应中产生,或由电离辐射照射产生。自由基能够攻击细胞内执行正常功能的分子,能够损伤生物膜、使蛋白质活性下降且造成基因突变。 | **# {{color|red|自由基学说}}:自由基是异常活泼的带电分子或基团,可以从细胞内的各种化学反应中产生,或由电离辐射照射产生。自由基能够攻击细胞内执行正常功能的分子,能够损伤生物膜、使蛋白质活性下降且造成基因突变。 | ||
**# {{color|red|端粒学说}}:端粒是染色体两端特殊序列的DNA,每次分裂后截短一段。当端粒DNA序列被截完后,正常DNA会受到损伤,使细胞活动渐趋异常。 | **# {{color|red|端粒学说}}:端粒是染色体两端特殊序列的DNA,每次分裂后截短一段。当端粒DNA序列被截完后,正常DNA会受到损伤,使细胞活动渐趋异常。 | ||
* '''细胞的凋亡'''<br />'''由基因决定的细胞自动结束生命的过程,就叫细胞凋亡(Apoptosis),也称“细胞编程性死亡(Programmed cell death)”。'''<br />细胞凋亡对于多细胞生物体的正常发育、维持内环境稳态和抵御外界因素干扰有重要意义。<br />{{color|red|细胞坏死和细胞凋亡不同}},细胞坏死是在不利因素的作用下,细胞正常代谢活动受损或中断而导致的细胞损伤或死亡。 | * '''细胞的凋亡'''<br/>'''由基因决定的细胞自动结束生命的过程,就叫细胞凋亡(Apoptosis),也称“细胞编程性死亡(Programmed cell death)”。'''<br/>细胞凋亡对于多细胞生物体的正常发育、维持内环境稳态和抵御外界因素干扰有重要意义。<br/>{{color|red|细胞坏死和细胞凋亡不同}},细胞坏死是在不利因素的作用下,细胞正常代谢活动受损或中断而导致的细胞损伤或死亡。 | ||
===== 细胞的癌变 ===== | ===== 细胞的癌变 ===== | ||
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'''有些细胞受到致癌因子的作用,细胞中遗传物质发生变化,变成不受机体控制的、连续进行分裂的恶性增殖细胞,即癌细胞(Cancer cell)。''' | '''有些细胞受到致癌因子的作用,细胞中遗传物质发生变化,变成不受机体控制的、连续进行分裂的恶性增殖细胞,即癌细胞(Cancer cell)。''' | ||
* '''癌细胞的主要特征'''<br />癌细胞具有以下特征: | * '''癌细胞的主要特征'''<br/>癌细胞具有以下特征: | ||
*# 在适宜的条件下,癌细胞可以无限增殖。 | *# 在适宜的条件下,癌细胞可以无限增殖。 | ||
*# 癌细胞的形态结构发生变化,一般呈球形。 | *# 癌细胞的形态结构发生变化,一般呈球形。 | ||
*# 癌细胞的表面发生变化,细胞膜上的糖蛋白减少,黏着性降低。 | *# 癌细胞的表面发生变化,细胞膜上的糖蛋白减少,黏着性降低。 | ||
* '''致癌因子'''<br />致癌因子是通过诱发{{color|red|原癌基因和抑癌基因}}突变而导致癌症的因子,可以大致分为三类: | * '''致癌因子'''<br/>致癌因子是通过诱发{{color|red|原癌基因和抑癌基因}}突变而导致癌症的因子,可以大致分为三类: | ||
*# {{color|red|物理致癌因子}}:主要是电离辐射。 | *# {{color|red|物理致癌因子}}:主要是电离辐射。 | ||
*# {{color|red|化学致癌因子}}:如石棉、砷化物、铬化物等无机物以及联苯胺、烯环烃、亚硝胺等有机物,至少有数千种之多。 | *# {{color|red|化学致癌因子}}:如石棉、砷化物、铬化物等无机物以及联苯胺、烯环烃、亚硝胺等有机物,至少有数千种之多。 | ||
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同时,孟德尔运用[[数学娘|统计学]]知识研究后发现,在{{color|red|样本足够的情况下}},F<sub>2</sub>出现了{{color|red|3:1}}的性状分离比。 | 同时,孟德尔运用[[数学娘|统计学]]知识研究后发现,在{{color|red|样本足够的情况下}},F<sub>2</sub>出现了{{color|red|3:1}}的性状分离比。 | ||
* '''对分离现象的解释'''<br />孟德尔经过统计分析,果断摒弃了融合遗传的观点,提出了如下假说:<del>以下部分为背诵段落</del> | * '''对分离现象的解释'''<br/>孟德尔经过统计分析,果断摒弃了融合遗传的观点,提出了如下假说:<del>以下部分为背诵段落</del> | ||
*# 生物的性状是由{{color|red|遗传因子(Hereditary factor)}}决定的,其中决定显性性状的为{{color|red|显性遗传因子}},决定隐性性状的为{{color|red|隐性遗传因子}}。 | *# 生物的性状是由{{color|red|遗传因子(Hereditary factor)}}决定的,其中决定显性性状的为{{color|red|显性遗传因子}},决定隐性性状的为{{color|red|隐性遗传因子}}。 | ||
*# 体细胞中遗传因子是成对存在的。{{color|red|遗传因子组成相同的个体叫做纯合子,遗传因子组成不同的个体叫做杂合子。}}纯合子自交后代仍为纯合子,其性状能稳定遗传;杂合子自交后代出现性状分离。 | *# 体细胞中遗传因子是成对存在的。{{color|red|遗传因子组成相同的个体叫做纯合子,遗传因子组成不同的个体叫做杂合子。}}纯合子自交后代仍为纯合子,其性状能稳定遗传;杂合子自交后代出现性状分离。 | ||
*# 生物体在形成配子时,成对的遗传因子彼此分离,配子只含有其中的一个。 | *# 生物体在形成配子时,成对的遗传因子彼此分离,配子只含有其中的一个。 | ||
*# 受精时,雌雄配子的结合是随机的。 | *# 受精时,雌雄配子的结合是随机的。 | ||
** 实验:性状分离比的模拟<br />实验原理:两个小桶内的彩球可以分别代表雌雄配子;<br />不同颜色彩球的随机结合可以模拟雌雄配子的随机结合<ref>在本试验中,两小桶内的彩球数目可以不相同,但是不同颜色彩球的比例必须相等且充分混合。</ref>。 | ** 实验:性状分离比的模拟<br/>实验原理:两个小桶内的彩球可以分别代表雌雄配子;<br/>不同颜色彩球的随机结合可以模拟雌雄配子的随机结合<ref>在本试验中,两小桶内的彩球数目可以不相同,但是不同颜色彩球的比例必须相等且充分混合。</ref>。 | ||
* '''对分离现象解释的验证'''<br />孟德尔巧妙地设计了{{color|red|测交(Test cross)}}实验,{{color|red|让F<sub>1</sub>与隐性纯合子杂交}},出现了接近{{color|red|1:1}}的性状分离比,验证了他的假说。 | * '''对分离现象解释的验证'''<br/>孟德尔巧妙地设计了{{color|red|测交(Test cross)}}实验,{{color|red|让F<sub>1</sub>与隐性纯合子杂交}},出现了接近{{color|red|1:1}}的性状分离比,验证了他的假说。 | ||
** '''{{color|red|假说—演绎法}}'''<br />孟德尔开创性地使用了以果推因的假说—演绎法,获得了极大成功。该方法主要由以下几步构成: | ** '''{{color|red|假说—演绎法}}'''<br/>孟德尔开创性地使用了以果推因的假说—演绎法,获得了极大成功。该方法主要由以下几步构成: | ||
**# 提出问题:在孟德尔的遗传研究中表现为{{color|red|进行豌豆杂交试验,发现问题}}。 | **# 提出问题:在孟德尔的遗传研究中表现为{{color|red|进行豌豆杂交试验,发现问题}}。 | ||
**# 提出假说。 | **# 提出假说。 | ||
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孟德尔完成了豌豆一对性状的研究之后,开始以豌豆子叶颜色、种子形状为对象,对两种相对性状的遗传规律开始了研究。 | 孟德尔完成了豌豆一对性状的研究之后,开始以豌豆子叶颜色、种子形状为对象,对两种相对性状的遗传规律开始了研究。 | ||
* '''两对相对性状的杂交实验'''<br />孟德尔用纯种黄色圆粒豌豆和纯种绿色皱粒豌豆用作亲本进行杂交,发现无论正交还是反交,F<sub>1</sub>均为黄色圆粒。但在F<sub>1</sub>自交产生的F<sub>2</sub>中,出现了{{color|red|6/16的亲本没有的重组型'''性状'''组合}}——绿色圆粒和黄色皱粒。<br />孟德尔还发现,在F<sub>2</sub>黄色圆粒:绿色圆粒:黄色皱粒:绿色皱粒的比率为315:108:101:32,接近于{{color|red|9:3:3:1}}!<br />在对每一对性状单独进行分析之后,孟德尔发现,F<sub>2</sub>的性状分离比仍然接近3:1。这表明,每一对相对性状的遗传都遵循了分离定律。 | * '''两对相对性状的杂交实验'''<br/>孟德尔用纯种黄色圆粒豌豆和纯种绿色皱粒豌豆用作亲本进行杂交,发现无论正交还是反交,F<sub>1</sub>均为黄色圆粒。但在F<sub>1</sub>自交产生的F<sub>2</sub>中,出现了{{color|red|6/16的亲本没有的重组型'''性状'''组合}}——绿色圆粒和黄色皱粒。<br/>孟德尔还发现,在F<sub>2</sub>黄色圆粒:绿色圆粒:黄色皱粒:绿色皱粒的比率为315:108:101:32,接近于{{color|red|9:3:3:1}}!<br/>在对每一对性状单独进行分析之后,孟德尔发现,F<sub>2</sub>的性状分离比仍然接近3:1。这表明,每一对相对性状的遗传都遵循了分离定律。 | ||
* '''对自由组合现象的解释'''<br />孟德尔对自由组合现象作出了以下解释: | * '''对自由组合现象的解释'''<br/>孟德尔对自由组合现象作出了以下解释: | ||
*# 每对遗传因子彼此分离,不同对的遗传因子自由组合; | *# 每对遗传因子彼此分离,不同对的遗传因子自由组合; | ||
*# 遗传因子分离产生的配子数量比为1:1:1:1; | *# 遗传因子分离产生的配子数量比为1:1:1:1; | ||
*# 受精时,雌雄配子的结合是随机的。 | *# 受精时,雌雄配子的结合是随机的。 | ||
* '''对自由组合现象解释的验证'''<br />孟德尔为了验证上述假说,又设计了一组测交实验{{黑幕|把相同的路又走了一遍}},让杂种子一代与隐性纯合子杂交。子代出现了接近{{color|red|1:1:1:1}}的性状数量比,验证了孟德尔的猜想。 | * '''对自由组合现象解释的验证'''<br/>孟德尔为了验证上述假说,又设计了一组测交实验{{黑幕|把相同的路又走了一遍}},让杂种子一代与隐性纯合子杂交。子代出现了接近{{color|red|1:1:1:1}}的性状数量比,验证了孟德尔的猜想。 | ||
* '''自由组合定律'''<br />在孟德尔研究的7对豌豆形状中,任取两样进行上述实验均能得出相同结果。根据该实验,后人归纳出了'''孟德尔第二定律''',即{{color|red|'''自由组合定律}}(Law of indipendent assortment)''':'''{{color|red|控制不同性状的遗传因子}}的分离和组合是{{color|red|互不干扰的}};在形成配子时,{{color|red|决定同一性状的成对的遗传因子彼此分离,决定不同性状的遗传因子<ref>因此,自由组合定律只适用于多对不位于一对同源染色体上的基因所控制的性状。</ref>自由组合}}'''。''' | * '''自由组合定律'''<br/>在孟德尔研究的7对豌豆形状中,任取两样进行上述实验均能得出相同结果。根据该实验,后人归纳出了'''孟德尔第二定律''',即{{color|red|'''自由组合定律}}(Law of indipendent assortment)''':'''{{color|red|控制不同性状的遗传因子}}的分离和组合是{{color|red|互不干扰的}};在形成配子时,{{color|red|决定同一性状的成对的遗传因子彼此分离,决定不同性状的遗传因子<ref>因此,自由组合定律只适用于多对不位于一对同源染色体上的基因所控制的性状。</ref>自由组合}}'''。''' | ||
* '''孟德尔实验方法的启示'''<br />孟德尔能够从他的遗传杂交试验中总结出具有普适性的遗传规律,原因主要有以下几点: | * '''孟德尔实验方法的启示'''<br/>孟德尔能够从他的遗传杂交试验中总结出具有普适性的遗传规律,原因主要有以下几点: | ||
*# 正确地选用实验材料; | *# 正确地选用实验材料; | ||
*# 从单因子到多因子的研究方法(即遵守了{{color|red|单一变量原则}}); | *# 从单因子到多因子的研究方法(即遵守了{{color|red|单一变量原则}}); | ||
行 725: | 行 724: | ||
*# 科学地设计了实验程序。 | *# 科学地设计了实验程序。 | ||
* '''孟德尔遗传定律的再发现'''<br />1866年,孟德尔发表了他的研究结果,但却没引起人们的重视。<br />1900年,'''雨果·马里·德·弗里斯(Hugo Marie de Vries,1848.2.16 - 1935.5.21)'''、'''卡尔·埃里希·科伦斯(Carl Erich Correns,1864.9.10 - 1933.2.14)'''、'''埃里希·冯·切尔马克(Erich von Tschermak,1871.11.15 - 1962.10.11)<ref>因为没有理解孟德尔定律,切尔马克后来被排除在重发现孟德尔工作的科学家之外。</ref>'''分别重新发现了孟德尔的工作,认识到了孟德尔理论的重要意义。<br />1909年,'''威廉·卢德维格·约翰逊(Wilhelm Ludvig Johannsen,1857.2.3 - 1927.11.11)'''将孟德尔所述的“遗传因子”命名为“基因”(Gene),并提出了{{color|red|表现型(Phenotype)<ref>指生物个体表现出来的性状。</ref>和基因型(Genotype)<ref>指与表现型有关的基因组成。</ref>}}的概念。他将{{color|red|控制着'''相对性状'''的基因称作等位基因(Allele)}}。<br />孟德尔遗传定律的再发现使基因的本质和作用原理成为遗传学研究的中心问题,为基因工程等现代生物技术的兴起奠定了理论基础。 | * '''孟德尔遗传定律的再发现'''<br/>1866年,孟德尔发表了他的研究结果,但却没引起人们的重视。<br/>1900年,'''雨果·马里·德·弗里斯(Hugo Marie de Vries,1848.2.16 - 1935.5.21)'''、'''卡尔·埃里希·科伦斯(Carl Erich Correns,1864.9.10 - 1933.2.14)'''、'''埃里希·冯·切尔马克(Erich von Tschermak,1871.11.15 - 1962.10.11)<ref>因为没有理解孟德尔定律,切尔马克后来被排除在重发现孟德尔工作的科学家之外。</ref>'''分别重新发现了孟德尔的工作,认识到了孟德尔理论的重要意义。<br/>1909年,'''威廉·卢德维格·约翰逊(Wilhelm Ludvig Johannsen,1857.2.3 - 1927.11.11)'''将孟德尔所述的“遗传因子”命名为“基因”(Gene),并提出了{{color|red|表现型(Phenotype)<ref>指生物个体表现出来的性状。</ref>和基因型(Genotype)<ref>指与表现型有关的基因组成。</ref>}}的概念。他将{{color|red|控制着'''相对性状'''的基因称作等位基因(Allele)}}。<br/>孟德尔遗传定律的再发现使基因的本质和作用原理成为遗传学研究的中心问题,为基因工程等现代生物技术的兴起奠定了理论基础。 | ||
因此,{{color|#FFD700|<big>'''格里戈尔·约翰·孟德尔'''</big>}}成为了被后世公认的“{{color|red|遗传学之父}}”。 | 因此,{{color|#FFD700|<big>'''格里戈尔·约翰·孟德尔'''</big>}}成为了被后世公认的“{{color|red|遗传学之父}}”。 | ||
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减数分裂在1876年被'''奥斯卡·赫特维希(Oscar Hertwig,1849.4.21 - 1922.10.25)'''证实,并由'''爱德华·约瑟夫·马里·范·贝内登(Édouard Joseph Louis Marie Van Beneden,1846.3.5 - 1910.4.28)'''在1883年在染色体层面上进行了阐述。然而,减数分裂对繁殖和遗传的意义在1890年才由魏斯曼亲自描述。 | 减数分裂在1876年被'''奥斯卡·赫特维希(Oscar Hertwig,1849.4.21 - 1922.10.25)'''证实,并由'''爱德华·约瑟夫·马里·范·贝内登(Édouard Joseph Louis Marie Van Beneden,1846.3.5 - 1910.4.28)'''在1883年在染色体层面上进行了阐述。然而,减数分裂对繁殖和遗传的意义在1890年才由魏斯曼亲自描述。 | ||
* '''精子形成的过程'''<br/>高等动植物的减数分裂发生在{{color|red|有性生殖器官}}内。<br/>哺乳动物的精子是在{{color|red|睾丸内的曲细精管}}形成的。曲细精管内有大量的原始的雄性生殖细胞——{{color|red|精原细胞}},每个精原细胞中的染色体数目与体细胞的相同。<br/>当雄性动物性成熟时,{{color|red|一部分精原细胞开始进行减数分裂,而另一部分则进行有丝分裂}}以维持足够的精原细胞数目。<br/>精原细胞经过{{color|red|连续的两次分裂}}之后,在经过{{color|red|精细胞的变形}},就形成了精子。 | * '''精子形成的过程'''<br />高等动植物的减数分裂发生在{{color|red|有性生殖器官}}内。<br />哺乳动物的精子是在{{color|red|睾丸内的曲细精管}}形成的。曲细精管内有大量的原始的雄性生殖细胞——{{color|red|精原细胞}},每个精原细胞中的染色体数目与体细胞的相同。<br />当雄性动物性成熟时,{{color|red|一部分精原细胞开始进行减数分裂,而另一部分则进行有丝分裂}}以维持足够的精原细胞数目。<br />精原细胞经过{{color|red|连续的两次分裂}}之后,在经过{{color|red|精细胞的变形}},就形成了精子。 | ||
** '''减数第一次分裂(MI)''' | ** '''减数第一次分裂(MI)''' | ||
**# 在减数第一次分裂间期,{{color|red|精原细胞的体积增大,染色体复制}},成为{{color|red|初级精母细胞}}。 | **# 在减数第一次分裂间期,{{color|red|精原细胞的体积增大,染色体复制}},成为{{color|red|初级精母细胞}}。 | ||
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精细胞还要经过复杂的{{color|red|变形}}抛除冗余的细胞质与细胞器才能成为{{color|red|成熟的生殖细胞}}——精子。 | 精细胞还要经过复杂的{{color|red|变形}}抛除冗余的细胞质与细胞器才能成为{{color|red|成熟的生殖细胞}}——精子。 | ||
* '''卵细胞的形成过程'''<br/>哺乳动物的卵细胞是在{{color|red|卵巢}}中形成的。其位于腹腔内,内含许多发育程度不等的卵泡,而卵细胞位于卵泡中央。卵细胞被排出后,剩余的卵泡退化为黄体(Corpus luteum)。<br/>卵细胞的形成过程与精子{{color|red|基本相同}},不同处有以下几点: | * '''卵细胞的形成过程'''<br />哺乳动物的卵细胞是在{{color|red|卵巢}}中形成的。其位于腹腔内,内含许多发育程度不等的卵泡,而卵细胞位于卵泡中央。卵细胞被排出后,剩余的卵泡退化为黄体(Corpus luteum)。<br />卵细胞的形成过程与精子{{color|red|基本相同}},不同处有以下几点: | ||
*# 卵原细胞需要{{color|red|增大数倍}}后方可成为初级卵母细胞。 | *# 卵原细胞需要{{color|red|增大数倍}}后方可成为初级卵母细胞。 | ||
*# 形成次级卵母细胞的减数第一次分裂与形成卵细胞的减数第二次分裂均为{{color|red|不均等分裂}},分裂所形成的较小的细胞分别为{{color|red|第一极体}}和{{color|red|第二极体}};第一极体在次级卵母细胞进行减数第二次分裂的同时进行均等的有丝分裂,形成两个第二极体。三个极体均在卵子排出后{{color|red|退化消失}}。 | *# 形成次级卵母细胞的减数第一次分裂与形成卵细胞的减数第二次分裂均为{{color|red|不均等分裂}},分裂所形成的较小的细胞分别为{{color|red|第一极体}}和{{color|red|第二极体}};第一极体在次级卵母细胞进行减数第二次分裂的同时进行均等的有丝分裂,形成两个第二极体。三个极体均在卵子排出后{{color|red|退化消失}}。 | ||
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精子和卵细胞,必须经过受精作用(Fertilisation)才能形成受精卵,发育成新的个体。 | 精子和卵细胞,必须经过受精作用(Fertilisation)才能形成受精卵,发育成新的个体。 | ||
* '''配子中染色体组合的多样性'''<br/>减数分裂过程中非同源染色体的自由组合与同源染色体非姐妹染色单体的交叉互换造就了配子的多样性,对维持生物多样性具有重要意义。 | * '''配子中染色体组合的多样性'''<br />减数分裂过程中非同源染色体的自由组合与同源染色体非姐妹染色单体的交叉互换造就了配子的多样性,对维持生物多样性具有重要意义。 | ||
* '''受精作用'''<br/>受精作用是卵细胞和精子相互识别并融合为受精卵的过程。<br/>精子的头部进入卵细胞,尾部留在外面。同时,{{color|red|卵细胞会发生复杂的生理反应,阻止其他精子再进入}}。<br/>不久,{{color|red|精子和卵细胞的细胞核融合}},使彼此的染色体会合。这是{{color|red|受精完成的标志}}。<br/>这样,'''受精卵的染色体数目恢复到体细胞的数目。''' | * '''受精作用'''<br />受精作用是卵细胞和精子相互识别并融合为受精卵的过程。<br />精子的头部进入卵细胞,尾部留在外面。同时,{{color|red|卵细胞会发生复杂的生理反应,阻止其他精子再进入}}。<br />不久,{{color|red|精子和卵细胞的细胞核融合}},使彼此的染色体会合。这是{{color|red|受精完成的标志}}。<br />这样,'''受精卵的染色体数目恢复到体细胞的数目。''' | ||
减数分裂和受精作用对于{{color|red|维持生物前后代体细胞中染色体数目的恒定、生物的遗传与变异}},都有十分重要的意义。 | 减数分裂和受精作用对于{{color|red|维持生物前后代体细胞中染色体数目的恒定、生物的遗传与变异}},都有十分重要的意义。 | ||
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1903年,'''沃尔特·斯坦伯勒·萨顿(Walter Stanborough Sutton,1877.4.5 - 1916.11.10)'''用{{color|red|蝗虫}}细胞作为材料,研究精子与卵细胞形成的过程。他发现,{{color|#FFD700|格里戈尔·约翰·孟德尔}}假设的成对的遗传因子,即等位基因,的分离与减数分裂中同源染色体的分离非常相似。 | 1903年,'''沃尔特·斯坦伯勒·萨顿(Walter Stanborough Sutton,1877.4.5 - 1916.11.10)'''用{{color|red|蝗虫}}细胞作为材料,研究精子与卵细胞形成的过程。他发现,{{color|#FFD700|格里戈尔·约翰·孟德尔}}假设的成对的遗传因子,即等位基因,的分离与减数分裂中同源染色体的分离非常相似。 | ||
* '''萨顿的假说'''<br/>萨顿发现,蝗虫生殖细胞中染色体的数目是体细胞中的一半,而子代体细胞中染色体数目又恢复其亲本的数目,且两两成对。每对染色体中一条来自父方,另一条来自母方。<br/>萨顿由此推论:{{color|red|基因是由染色体携带者从亲本传递给下一代的}}。也就是说,{{color|red|基因在染色体上}},因为{{color| | * '''萨顿的假说'''<br />萨顿发现,蝗虫生殖细胞中染色体的数目是体细胞中的一半,而子代体细胞中染色体数目又恢复其亲本的数目,且两两成对。每对染色体中一条来自父方,另一条来自母方。<br />萨顿由此推论:{{color|red|基因是由染色体携带者从亲本传递给下一代的}}。也就是说,{{color|red|基因在染色体上}},因为{{color| | ||
red|'''基因和染色体行为存在明显的平行关系'''}}: | red|'''基因和染色体行为存在明显的平行关系'''}}: | ||
*# 基因在杂交过程中保持完整性和独立性;<br/>染色体在配子形成和受精过程中,也有相对稳定的形态结构。 | *# 基因在杂交过程中保持完整性和独立性;<br />染色体在配子形成和受精过程中,也有相对稳定的形态结构。 | ||
*# 体细胞中的基因成对存在,而在配子中只有其中一个;<br/>体细胞中的染色体成对存在,而在配子中也只有其中一个。 | *# 体细胞中的基因成对存在,而在配子中只有其中一个;<br />体细胞中的染色体成对存在,而在配子中也只有其中一个。 | ||
*# 体细胞中成对的基因分别来自父方与母方;<br/>体细胞中同源染色体分别来自父方与母方。 | *# 体细胞中成对的基因分别来自父方与母方;<br />体细胞中同源染色体分别来自父方与母方。 | ||
*# 非等位基因在形成配子时自由组合;<br/>非同源染色体在形成配子时自由组合。 | *# 非等位基因在形成配子时自由组合;<br />非同源染色体在形成配子时自由组合。 | ||
** 萨顿的推理属于{{color|red|'''类比推理''',他将基因与染色体的行为进行类比}},根据其惊人的一致性{{黑幕|肯定有鬼}},提出了基因在染色体上的假说。使用“类比推理”法只能得出假说,而若需要得出结论,则需要实验进行验证。 | ** 萨顿的推理属于{{color|red|'''类比推理''',他将基因与染色体的行为进行类比}},根据其惊人的一致性{{黑幕|肯定有鬼}},提出了基因在染色体上的假说。使用“类比推理”法只能得出假说,而若需要得出结论,则需要实验进行验证。 | ||
* '''基因位于染色体上的实验证据'''<br/><del>生于{{color|#FFD700|格里戈尔·约翰·孟德尔}}发表其研究成果那一年的[[德国骨科|骨科专家]]</del>'''托马斯·亨特·摩尔根(Thomas Hunt Morgan,1866.9.25 - 1945.12.4)'''怀疑萨顿的假说,希望通过实验否定它。从1909年开始,摩尔根就开始研究果蝇的性状遗传行为。约在次年5月,他发现了具有白眼性状的雄果蝇,{{黑幕|无意间贯彻了格里戈尔·约翰·孟德尔执果索因的“假说-演绎法”的思想}}并用其进行了两次实验。 | * '''基因位于染色体上的实验证据'''<br /><del>生于{{color|#FFD700|格里戈尔·约翰·孟德尔}}发表其研究成果那一年的[[德国骨科|骨科专家]]</del>'''托马斯·亨特·摩尔根(Thomas Hunt Morgan,1866.9.25 - 1945.12.4)'''怀疑萨顿的假说,希望通过实验否定它。从1909年开始,摩尔根就开始研究果蝇的性状遗传行为。约在次年5月,他发现了具有白眼性状的雄果蝇,{{黑幕|无意间贯彻了格里戈尔·约翰·孟德尔执果索因的“假说-演绎法”的思想}}并用其进行了两次实验。 | ||
*# '''果蝇的杂交实验''':<br/>摩尔根首先将白眼雄果蝇与红眼雌果蝇杂交得到子一代,再令子一代雌雄交配,发现约有3/4的子二代果蝇表现出了红眼性状;有1/4的子二代果蝇表现出了白眼性状,且皆为雄性。<br/>{{黑幕|严格意义上来讲,摩尔根的第一次实验因未证明基因与性别相联系而失败,但这并不意味着这次实验没有意义。摩尔根的果蝇的杂交实验使摩尔根提出了“果蝇眼色可能与性别相联系(即控制眼色的基因在X染色体上,而Y染色体不含有控制眼色的基因)”的假说,且使其得到了雌性杂合子果蝇,为接下来的果蝇测交实验提供了物质准备。}} | *# '''果蝇的杂交实验''':<br />摩尔根首先将白眼雄果蝇与红眼雌果蝇杂交得到子一代,再令子一代雌雄交配,发现约有3/4的子二代果蝇表现出了红眼性状;有1/4的子二代果蝇表现出了白眼性状,且皆为雄性。<br />{{黑幕|严格意义上来讲,摩尔根的第一次实验因未证明基因与性别相联系而失败,但这并不意味着这次实验没有意义。摩尔根的果蝇的杂交实验使摩尔根提出了“果蝇眼色可能与性别相联系(即控制眼色的基因在X染色体上,而Y染色体不含有控制眼色的基因)”的假说,且使其得到了雌性杂合子果蝇,为接下来的果蝇测交实验提供了物质准备。}} | ||
*# '''果蝇的测交试验'''<br/>为了进一步验证先前提出的假说,摩尔根将上一次实验子一代雌果蝇与白眼雄果蝇杂交,出现了白眼雄蝇、白眼雌蝇、红眼雄蝇、红眼雌蝇≈1:1:1:1的表现型比例。<br/>结合两次实验的现象,可以得出“基因在染色体上”的结论。 | *# '''果蝇的测交试验'''<br />为了进一步验证先前提出的假说,摩尔根将上一次实验子一代雌果蝇与白眼雄果蝇杂交,出现了白眼雄蝇、白眼雌蝇、红眼雄蝇、红眼雌蝇≈1:1:1:1的表现型比例。<br />结合两次实验的现象,可以得出“基因在染色体上”的结论。 | ||
从此,摩尔根成为了{{color|#FFD700|格里戈尔·约翰·孟德尔}}理论的坚定支持者。之后,他和他的学生们经过了十余年的努力,发明了测定基因在染色体上的相对位置的方法,并说明了{{color|red|基因在染色体上呈线性排列}}。 | 从此,摩尔根成为了{{color|#FFD700|格里戈尔·约翰·孟德尔}}理论的坚定支持者。之后,他和他的学生们经过了十余年的努力,发明了测定基因在染色体上的相对位置的方法,并说明了{{color|red|基因在染色体上呈线性排列}}。 | ||
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{{黑幕|好一个浪子回头金不换。}} | {{黑幕|好一个浪子回头金不换。}} | ||
* '''孟德尔遗传规律的现代解释'''<br/>细胞遗传学的研究结果表明,{{color|#FFD700|格里戈尔·约翰·孟德尔}}所说的一对遗传因子就是位于一对同源染色体上的等位基因<ref>由此开始,“基因”指“{{color|red|具有遗传效应的DNA片段}}”。</ref>,不同对的遗传因子就是位于非同源染色体上的非等位基因。<ref>因此,分离定律与自由组合定律只适用于真核细胞。</ref>{{黑幕|孟德尔同志还真是幸运,居然没有研究到具有连锁效应(位于一对同源染色体上)的非等位基因……}}<br/>因此: | * '''孟德尔遗传规律的现代解释'''<br />细胞遗传学的研究结果表明,{{color|#FFD700|格里戈尔·约翰·孟德尔}}所说的一对遗传因子就是位于一对同源染色体上的等位基因<ref>由此开始,“基因”指“{{color|red|具有遗传效应的DNA片段}}”。</ref>,不同对的遗传因子就是位于非同源染色体上的非等位基因。<ref>因此,分离定律与自由组合定律只适用于真核细胞。</ref>{{黑幕|孟德尔同志还真是幸运,居然没有研究到具有连锁效应(位于一对同源染色体上)的非等位基因……}}<br />因此: | ||
** '''基因的分离定律的实质是:在{{color|red|杂合子}}的细胞中,位于{{color|red|一对同源染色体上的等位基因}},具有一定的独立性;在减数分裂形成配子的过程中,等位基因会随同源染色体的分开而分离,分别进入两个配子中,独立地随配子遗传给后代。''' | ** '''基因的分离定律的实质是:在{{color|red|杂合子}}的细胞中,位于{{color|red|一对同源染色体上的等位基因}},具有一定的独立性;在减数分裂形成配子的过程中,等位基因会随同源染色体的分开而分离,分别进入两个配子中,独立地随配子遗传给后代。''' | ||
** '''基因的自由组合定律的实质是:位于{{color|red|非同源染色体上的非等位基因}}的分离或组合是{{color|red|互不干扰}}的;在减数分裂过程中,[[生物娘#减数分裂|同源染色体上的等位基因彼此分裂的同时]],非同源染色体上的非等位基因自由组合。''' | ** '''基因的自由组合定律的实质是:位于{{color|red|非同源染色体上的非等位基因}}的分离或组合是{{color|red|互不干扰}}的;在减数分裂过程中,[[生物娘#减数分裂|同源染色体上的等位基因彼此分裂的同时]],非同源染色体上的非等位基因自由组合。''' | ||
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[[File:X recessive carrier mother.png|thumb|250px|right|一种伴X染色体隐性遗传病的遗传方式]] | [[File:X recessive carrier mother.png|thumb|250px|right|一种伴X染色体隐性遗传病的遗传方式]] | ||
* '''人类红绿色盲症'''<br/>{{黑幕|强行跨界的}}'''约翰·道尔顿(John Dalton,1766.9.6 - 1844.7.27)'''因为一个偶然的事件发现他和他的弟弟的色觉与人不同,首先提出了色盲问题,并得出了该病症可遗传的结论。因此,色盲症又称为{{color|red|道尔顿症}}。<br/>人类的红绿色盲症的遗传方式属于{{color|red|伴X染色体隐性遗传}},其基因型有五种,分别为X<sup>B</sup>X<sup>B</sup>(正常女性)、X<sup>B</sup>X<sup>b</sup>(女性携带者,表现型为正常)、X<sup>b</sup>X<sup>b</sup>(患病女性)、X<sup>B</sup>Y(正常男性)、X<sup>b</sup>Y(患病男性)。<br/>因此,红绿色盲症的遗传方式有以下五种<ref>不考虑正常纯合女性与正常男性婚配的情况。</ref>: | * '''人类红绿色盲症'''<br />{{黑幕|强行跨界的}}'''约翰·道尔顿(John Dalton,1766.9.6 - 1844.7.27)'''因为一个偶然的事件发现他和他的弟弟的色觉与人不同,首先提出了色盲问题,并得出了该病症可遗传的结论。因此,色盲症又称为{{color|red|道尔顿症}}。<br />人类的红绿色盲症的遗传方式属于{{color|red|伴X染色体隐性遗传}},其基因型有五种,分别为X<sup>B</sup>X<sup>B</sup>(正常女性)、X<sup>B</sup>X<sup>b</sup>(女性携带者,表现型为正常)、X<sup>b</sup>X<sup>b</sup>(患病女性)、X<sup>B</sup>Y(正常男性)、X<sup>b</sup>Y(患病男性)。<br />因此,红绿色盲症的遗传方式有以下五种<ref>不考虑正常纯合女性与正常男性婚配的情况。</ref>: | ||
*# 正常纯合女性与男性患者婚配:后代中,儿子都色觉正常,女儿均为携带者。 | *# 正常纯合女性与男性患者婚配:后代中,儿子都色觉正常,女儿均为携带者。 | ||
*# 女性携带者与正常男性婚配:后代中,儿子有1/2正常,有1/2患病;女儿有1/2位显性纯合子,有1/2为携带者。 | *# 女性携带者与正常男性婚配:后代中,儿子有1/2正常,有1/2患病;女儿有1/2位显性纯合子,有1/2为携带者。 | ||
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*# 女性患者与正常男性婚配:后代中,儿子均为患者,女儿均为携带者。 | *# 女性患者与正常男性婚配:后代中,儿子均为患者,女儿均为携带者。 | ||
*# 女性患者与男性患者婚配:后代中均为患者。 | *# 女性患者与男性患者婚配:后代中均为患者。 | ||
** 分析人类遗传病时,{{color|red|不能进行遗传病实验,但可以从患者家系图的研究中获取资料}}。<br/>绘制家系图时,一般{{color|red|用罗马数字代表代数,用阿拉伯数字代表个体;用正方形代表男性,用圆形代表女性}}。在图形里填充不同的颜色、线条或点来表示患者患病种类。 | ** 分析人类遗传病时,{{color|red|不能进行遗传病实验,但可以从患者家系图的研究中获取资料}}。<br />绘制家系图时,一般{{color|red|用罗马数字代表代数,用阿拉伯数字代表个体;用正方形代表男性,用圆形代表女性}}。在图形里填充不同的颜色、线条或点来表示患者患病种类。 | ||
由此可以得出以红绿色盲症、{{color|red|血友病、进行性肌营养不良}}等为代表的伴X染色体隐性遗传病的遗传特性: | 由此可以得出以红绿色盲症、{{color|red|血友病、进行性肌营养不良}}等为代表的伴X染色体隐性遗传病的遗传特性: | ||
行 821: | 行 820: | ||
{{cquote|{{color|#708090|<big>'''女病男正非伴性。'''</big>}}}} | {{cquote|{{color|#708090|<big>'''女病男正非伴性。'''</big>}}}} | ||
* '''抗维生素D佝偻病'''<br/>以抗维生素D佝偻病为代表的伴X染色体显性遗传病由显性基因控制。因此,女性患者有X<sup>D</sup>X<sup>D</sup>、X<sup>D</sup>X<sup>d</sup>两种基因型,但一般后者病症较轻;而男性患者只有X<sup>D</sup>Y一种基因型。<br/>其遗传特性为: | * '''抗维生素D佝偻病'''<br />以抗维生素D佝偻病为代表的伴X染色体显性遗传病由显性基因控制。因此,女性患者有X<sup>D</sup>X<sup>D</sup>、X<sup>D</sup>X<sup>d</sup>两种基因型,但一般后者病症较轻;而男性患者只有X<sup>D</sup>Y一种基因型。<br />其遗传特性为: | ||
*# 女性患者多于男性。 | *# 女性患者多于男性。 | ||
*# 疾病世代相传。 | *# 疾病世代相传。 | ||
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同时,还有伴Y染色体遗传的遗传病,其遗传特性即为“传男不传女,世代相传。”也有在X、Y染色体同源区段的遗传病,其遗传特点与伴常染色体遗传病相仿,但与性别有连锁效应。 | 同时,还有伴Y染色体遗传的遗传病,其遗传特性即为“传男不传女,世代相传。”也有在X、Y染色体同源区段的遗传病,其遗传特点与伴常染色体遗传病相仿,但与性别有连锁效应。 | ||
* '''伴性遗传在实践中的应用'''<br/>伴性遗传在生物中普遍存在。<br/>决定性别的方式除了XY型,还有以鸟类、蛾蝶类为代表的ZW型。在ZW型生物中,性染色体组成为ZZ的个体为雄性,组成为ZW的个体为雌性。<br/>利用伴性遗传的性状与性别相联系的特性,在生产中可以根据生物幼体的性状不同,选择性地培养某一性别,以达到提高生产效率的目的。 | * '''伴性遗传在实践中的应用'''<br />伴性遗传在生物中普遍存在。<br />决定性别的方式除了XY型,还有以鸟类、蛾蝶类为代表的ZW型。在ZW型生物中,性染色体组成为ZZ的个体为雄性,组成为ZW的个体为雌性。<br />利用伴性遗传的性状与性别相联系的特性,在生产中可以根据生物幼体的性状不同,选择性地培养某一性别,以达到提高生产效率的目的。 | ||
==== 基因的本质 ==== | ==== 基因的本质 ==== | ||
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===== DNA是主要的遗传物质 ===== | ===== DNA是主要的遗传物质 ===== | ||
* '''对遗传物质的早期推测'''<br/>20世纪20年代,人们已经认识到了蛋白质是由不同氨基酸连接形成的有机大分子。人们很自然地联想到,在蛋白质这复杂的结构里,可能蕴含着遗传信息的秘密。因此,当时大多数科学家认为,蛋白质是生物体内的遗传物质。<br/>到了20世纪30年代,人们才认识到了DNA是由多种脱氧核糖核苷酸聚合而成的生物大分子,但这并未改变人们对遗传物质的认知。 | * '''对遗传物质的早期推测'''<br />20世纪20年代,人们已经认识到了蛋白质是由不同氨基酸连接形成的有机大分子。人们很自然地联想到,在蛋白质这复杂的结构里,可能蕴含着遗传信息的秘密。因此,当时大多数科学家认为,蛋白质是生物体内的遗传物质。<br />到了20世纪30年代,人们才认识到了DNA是由多种脱氧核糖核苷酸聚合而成的生物大分子,但这并未改变人们对遗传物质的认知。 | ||
[[File:Eukaryote DNA.png|缩略图|真核细胞的核DNA所在位置示意图]] | [[File:Eukaryote DNA.png|缩略图|真核细胞的核DNA所在位置示意图]] | ||
* '''肺炎双球菌的转化实验''' | * '''肺炎双球菌的转化实验''' | ||
*# 1928年,'''弗雷德里克·格里菲思(Frederick Griffith,1879 - 1941)'''以能{{color|red|使人患肺炎、使小鼠患败血症}}的肺炎双球菌作为实验材料,研究肺炎双球菌的致病原理。肺炎双球菌有两种,分别为{{color|red|有多糖类荚膜、有致病性、菌落光滑的S型菌}}和{{color|red|无荚膜、无致病性、菌落粗糙的R型菌}}。<br/>格里菲思遵循单一变量原则,设置了四组实验以相互对照。其中,他在第四组实验,即将R型活细菌与加热后杀死的S型细菌混合注射小鼠的实验中发现了端倪。被注射细菌的小鼠死亡,其尸体中被分离出了大量R型活细菌与少量S型活细菌。这表明,{{color|red|无毒性的R型活细菌在与被加热杀死的S型细菌混合后,能转化为有毒性的S型活细菌}},而且这种性状可遗传。<br/>于是,格里菲思推论,{{color|red|在第四组实验中,已经被加热杀死<ref>加热会使蛋白质发生不可逆的变性而失去生理活性。</ref>的S型细菌中,必然含有某种促成这一转化的活性物质}},其能使无毒性的R型活细菌转化为有毒性的S型活细菌。他十分谨慎地将这种物质称为“{{color|red|转化因子}}”。 | *# 1928年,'''弗雷德里克·格里菲思(Frederick Griffith,1879 - 1941)'''以能{{color|red|使人患肺炎、使小鼠患败血症}}的肺炎双球菌作为实验材料,研究肺炎双球菌的致病原理。肺炎双球菌有两种,分别为{{color|red|有多糖类荚膜、有致病性、菌落光滑的S型菌}}和{{color|red|无荚膜、无致病性、菌落粗糙的R型菌}}。<br />格里菲思遵循单一变量原则,设置了四组实验以相互对照。其中,他在第四组实验,即将R型活细菌与加热后杀死的S型细菌混合注射小鼠的实验中发现了端倪。被注射细菌的小鼠死亡,其尸体中被分离出了大量R型活细菌与少量S型活细菌。这表明,{{color|red|无毒性的R型活细菌在与被加热杀死的S型细菌混合后,能转化为有毒性的S型活细菌}},而且这种性状可遗传。<br />于是,格里菲思推论,{{color|red|在第四组实验中,已经被加热杀死<ref>加热会使蛋白质发生不可逆的变性而失去生理活性。</ref>的S型细菌中,必然含有某种促成这一转化的活性物质}},其能使无毒性的R型活细菌转化为有毒性的S型活细菌。他十分谨慎地将这种物质称为“{{color|red|转化因子}}”。 | ||
*# 1944年,'''奥斯瓦尔德·西奥多·艾弗里(Oswald Theodore Avery Jr.,1877.10.21 - 1955.2.20)'''为了弄清楚转化因子的本质,将{{color|red|提纯的DNA、蛋白质和多糖等物质分别加入到R型细菌的培养基中}},发现{{color|red|只有加入DNA,R型细菌才能转化为S型细菌}},且DNA纯度越高,转化越有效;若加入DNA酶分解DNA,则不能发生转化。<br/>因此,艾弗里开创性地提出了“{{color|red|DNA才是使R型细菌产生稳定性变化的物质}}”(几乎等效于“DNA才是遗传物质”)的结论。 | *# 1944年,'''奥斯瓦尔德·西奥多·艾弗里(Oswald Theodore Avery Jr.,1877.10.21 - 1955.2.20)'''为了弄清楚转化因子的本质,将{{color|red|提纯的DNA、蛋白质和多糖等物质分别加入到R型细菌的培养基中}},发现{{color|red|只有加入DNA,R型细菌才能转化为S型细菌}},且DNA纯度越高,转化越有效;若加入DNA酶分解DNA,则不能发生转化。<br />因此,艾弗里开创性地提出了“{{color|red|DNA才是使R型细菌产生稳定性变化的物质}}”(几乎等效于“DNA才是遗传物质”)的结论。 | ||
* '''噬菌体侵染细菌的实验'''<br/>艾弗里的实验结论违背了当时生物界的主流思想,因此引来了以'''阿尔弗雷德·埃兹拉·马斯基(Alfred Ezra Mirsky,1900.10.17 - 1974.6.19)'''为代表的一些人的质疑,认为其最低0.02%的蛋白质杂质影响了实验结果。<br/>1952年,'''阿尔弗雷德·戴·赫尔希(Alfred Day Hershey,1908.12.4 - 1997.5.22)'''和'''玛莎·考尔斯·蔡斯(Martha Cowles Chase,1927.11.30 - 2003.8.8)'''以{{color|red|寄生在大肠杆菌体内、利用大肠杆菌体内的物质组成成分进行增殖的T<sub>2</sub>噬菌体}}<ref>不能单独在培养基上培养。</ref>为实验材料,利用同位素标记技术进行了实验。<br/>两人的实验步骤如下: | * '''噬菌体侵染细菌的实验'''<br />艾弗里的实验结论违背了当时生物界的主流思想,因此引来了以'''阿尔弗雷德·埃兹拉·马斯基(Alfred Ezra Mirsky,1900.10.17 - 1974.6.19)'''为代表的一些人的质疑,认为其最低0.02%的蛋白质杂质影响了实验结果。<br />1952年,'''阿尔弗雷德·戴·赫尔希(Alfred Day Hershey,1908.12.4 - 1997.5.22)'''和'''玛莎·考尔斯·蔡斯(Martha Cowles Chase,1927.11.30 - 2003.8.8)'''以{{color|red|寄生在大肠杆菌体内、利用大肠杆菌体内的物质组成成分进行增殖的T<sub>2</sub>噬菌体}}<ref>不能单独在培养基上培养。</ref>为实验材料,利用同位素标记技术进行了实验。<br />两人的实验步骤如下: | ||
*# 在{{color|red|分别含有放射性同位素<sup>35</sup>S与<sup>32</sup>P}}中的培养基中培养大肠杆菌; | *# 在{{color|red|分别含有放射性同位素<sup>35</sup>S与<sup>32</sup>P}}中的培养基中培养大肠杆菌; | ||
*# {{color|red|用上述两种大肠杆菌分别培养T<sub>2</sub>噬菌体,得到DNA含有<sup>32</sup>P标记或蛋白质含有<sup>35</sup>S标记{{黑幕|嘛,你也可以试试标记C、H、O、N四种元素}}的两种噬菌体;}} | *# {{color|red|用上述两种大肠杆菌分别培养T<sub>2</sub>噬菌体,得到DNA含有<sup>32</sup>P标记或蛋白质含有<sup>35</sup>S标记{{黑幕|嘛,你也可以试试标记C、H、O、N四种元素}}的两种噬菌体;}} | ||
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* '''DNA双螺旋结构模型的构建''' | * '''DNA双螺旋结构模型的构建''' | ||
1869年,'''约翰尼斯·弗里德里希·米歇尔(Johannes Friedrich Miescher,1844.8.13 - 1895.8.26)'''在绷带上的脓上发现了一种物质,并将其命名为“核酸”。<br/>1878年,'''路德维希·卡尔·马丁·莱昂哈德·阿尔布雷希特·科塞尔(Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel,1853.9.16 - 1927.7.5)'''从核酸里分离出了五种主要的碱基。 | 1869年,'''约翰尼斯·弗里德里希·米歇尔(Johannes Friedrich Miescher,1844.8.13 - 1895.8.26)'''在绷带上的脓上发现了一种物质,并将其命名为“核酸”。<br />1878年,'''路德维希·卡尔·马丁·莱昂哈德·阿尔布雷希特·科塞尔(Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel,1853.9.16 - 1927.7.5)'''从核酸里分离出了五种主要的碱基。 | ||
科塞尔因此被授予1910年诺贝尔生理学或医学奖: | 科塞尔因此被授予1910年诺贝尔生理学或医学奖: | ||
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[[File:DNA chemical structure.png|right|200px|thumb|DNA化学构成]] | [[File:DNA chemical structure.png|right|200px|thumb|DNA化学构成]] | ||
1919年,'''菲比斯·阿龙·西奥多·列文(Phoebus Aaron Theodore Levene,1869.2.25 - 1940.9.6)'''确定了核酸的基本组成单元为碱基、糖和磷酸组成的核苷酸,并认为核酸是多个核苷酸通过磷酸酯键结合在一起形成的。<br/>1927年,'''尼古拉·康斯坦丁诺维奇·科尔佐夫(Никола́й Константи́нович Кольцо́в,1872.7.14 - 1940.12.2)'''提出遗传物质是由两条互补配对的长链构成。人们在认识到DNA是主要的遗传物质之后,这成为了构建DNA分子模型的指导思想。<br/>1937年,'''威廉·托马斯·阿斯特伯里(William Thomas Astbury,1898.2.25 - 1961.6.4)'''拍摄了第一张显示了DNA具有规则结构的X射线衍射图。 | 1919年,'''菲比斯·阿龙·西奥多·列文(Phoebus Aaron Theodore Levene,1869.2.25 - 1940.9.6)'''确定了核酸的基本组成单元为碱基、糖和磷酸组成的核苷酸,并认为核酸是多个核苷酸通过磷酸酯键结合在一起形成的。<br />1927年,'''尼古拉·康斯坦丁诺维奇·科尔佐夫(Никола́й Константи́нович Кольцо́в,1872.7.14 - 1940.12.2)'''提出遗传物质是由两条互补配对的长链构成。人们在认识到DNA是主要的遗传物质之后,这成为了构建DNA分子模型的指导思想。<br />1937年,'''威廉·托马斯·阿斯特伯里(William Thomas Astbury,1898.2.25 - 1961.6.4)'''拍摄了第一张显示了DNA具有规则结构的X射线衍射图。 | ||
1952年5月,素与'''莫里斯·休·弗雷德里克·威尔金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins,1916.12.15 - 2004.10.5)'''不和的{{黑幕|[[魔法少女oo|魔法少女]]}}'''罗莎琳德·埃尔西·富兰克林(Rosalind Elsie Franklin,1920.7.25 - 1958.4.16)'''从他们共同工作的剑桥大学卡文迪许实验室离职,留下了她的DNA衍射图谱。她的职位由'''雷蒙德·G·格斯林(Raymond G. Gosling,1926.7.15 - 2015.5.18)'''接任。威尔金斯于是在未经二人直接同意或拒绝的情况下,将这张DNA衍射图谱复印给了'''詹姆斯·杜威·沃森(James Dewey Watson,1928.4.6 - )'''和'''弗朗西斯·哈里·康普顿·克里克(Francis Harry Compton Crick,1916.6.8 - 2004.7.28)'''<ref>克里克在自传《{{ruby|狂热的追求|''What Mad Pursuit''}}》中否认了他曾经看过这张照片,但他的陈述被人广泛怀疑。</ref>。同年,沃森与克里克从'''埃温·查哥夫(Erwin Chargaff,1905.8.11 - 2002.6.20)'''处得知了{{color|red|腺嘌呤(A)的量等于胸腺嘧啶(T)的量;鸟嘌呤(G)的量等于胞嘧啶(C)的量}}的消息,并从克里克的导师'''马克思·费迪南德·佩鲁茨(Max Ferdinand Perutz,1914.5.19 - 2002.2.6)'''处得知了富兰克林的实验结果,作出了{{color|red|AT、CG互相配对,两条DNA单链反向平行的双螺旋模型}},并于次年在《自然》杂志上刊登了名为《{{ruby|核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型|Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid}}》的论文,开创了分子生物学这一学科。 | 1952年5月,素与'''莫里斯·休·弗雷德里克·威尔金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins,1916.12.15 - 2004.10.5)'''不和的{{黑幕|[[魔法少女oo|魔法少女]]}}'''罗莎琳德·埃尔西·富兰克林(Rosalind Elsie Franklin,1920.7.25 - 1958.4.16)'''从他们共同工作的剑桥大学卡文迪许实验室离职,留下了她的DNA衍射图谱。她的职位由'''雷蒙德·G·格斯林(Raymond G. Gosling,1926.7.15 - 2015.5.18)'''接任。威尔金斯于是在未经二人直接同意或拒绝的情况下,将这张DNA衍射图谱复印给了'''詹姆斯·杜威·沃森(James Dewey Watson,1928.4.6 - )'''和'''弗朗西斯·哈里·康普顿·克里克(Francis Harry Compton Crick,1916.6.8 - 2004.7.28)'''<ref>克里克在自传《{{ruby|狂热的追求|''What Mad Pursuit''}}》中否认了他曾经看过这张照片,但他的陈述被人广泛怀疑。</ref>。同年,沃森与克里克从'''埃温·查哥夫(Erwin Chargaff,1905.8.11 - 2002.6.20)'''处得知了{{color|red|腺嘌呤(A)的量等于胸腺嘧啶(T)的量;鸟嘌呤(G)的量等于胞嘧啶(C)的量}}的消息,并从克里克的导师'''马克思·费迪南德·佩鲁茨(Max Ferdinand Perutz,1914.5.19 - 2002.2.6)'''处得知了富兰克林的实验结果,作出了{{color|red|AT、CG互相配对,两条DNA单链反向平行的双螺旋模型}},并于次年在《自然》杂志上刊登了名为《{{ruby|核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型|Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid}}》的论文,开创了分子生物学这一学科。 | ||
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{{cquote|{{color|#996BEF|'''{{ruby|表彰他们的球状蛋白质结构研究。|For their studies of the structures of globular proteins.}}'''}}}} | {{cquote|{{color|#996BEF|'''{{ruby|表彰他们的球状蛋白质结构研究。|For their studies of the structures of globular proteins.}}'''}}}} | ||
* '''DNA分子的结构'''<br/>DNA分子为双螺旋结构,具有以下特点: | * '''DNA分子的结构'''<br />DNA分子为双螺旋结构,具有以下特点: | ||
*# 由{{color|red|反向平行的两条链}}组成,并相互盘旋成双螺旋结构; | *# 由{{color|red|反向平行的两条链}}组成,并相互盘旋成双螺旋结构; | ||
*# {{color|red|脱氧核糖和磷酸}}在外侧交替连接,构成{{color|red|基本骨架}},而碱基排列在内侧; | *# {{color|red|脱氧核糖和磷酸}}在外侧交替连接,构成{{color|red|基本骨架}},而碱基排列在内侧; | ||
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[[File:DNA replication Modes.png|right|thumb|177px|几种对DNA分子复制方式的推测]] | [[File:DNA replication Modes.png|right|thumb|177px|几种对DNA分子复制方式的推测]] | ||
* '''对DNA分子复制的推测'''<br/>沃森和克里克在提出DNA分子双螺旋结构之后,马上提出了关于DNA分子复制的假说。他们认为,DNA分子复制时,DNA的双螺旋解开,互补碱基之间的氢键断裂,解开两条单链作为复制的模板链,游离的脱氧核苷酸依据碱基互补配对原则与模板链通过氢键结合。这样,每个生成的DNA分子中,都保留了原来DNA分子的一条单链,因而这种复制方式被称为{{color|red|半保留复制}}。 | * '''对DNA分子复制的推测'''<br />沃森和克里克在提出DNA分子双螺旋结构之后,马上提出了关于DNA分子复制的假说。他们认为,DNA分子复制时,DNA的双螺旋解开,互补碱基之间的氢键断裂,解开两条单链作为复制的模板链,游离的脱氧核苷酸依据碱基互补配对原则与模板链通过氢键结合。这样,每个生成的DNA分子中,都保留了原来DNA分子的一条单链,因而这种复制方式被称为{{color|red|半保留复制}}。 | ||
* '''DNA半保留复制的实验证据'''<br/>1958年,'''马修·斯坦利·梅塞尔森(Matthew Stanley Meselson,1930.5.24 - )'''和'''富兰克林·威廉·斯塔尔(Franklin William Stahl,1929.10.8 - )'''以{{color|red|大肠杆菌}}为实验材料,运用{{color|red|同位素示踪技术}},进行了实验: | * '''DNA半保留复制的实验证据'''<br />1958年,'''马修·斯坦利·梅塞尔森(Matthew Stanley Meselson,1930.5.24 - )'''和'''富兰克林·威廉·斯塔尔(Franklin William Stahl,1929.10.8 - )'''以{{color|red|大肠杆菌}}为实验材料,运用{{color|red|同位素示踪技术}},进行了实验: | ||
*# 他们将含有<sup>15</sup>N的NH<sub>4</sub>Cl的培养液培养大肠杆菌,再将其转移到含<sup>14</sup>N的普通培养液中; | *# 他们将含有<sup>15</sup>N的NH<sub>4</sub>Cl的培养液培养大肠杆菌,再将其转移到含<sup>14</sup>N的普通培养液中; | ||
*# 在不同时刻收集大肠杆菌,提取DNA,对提取的DNA进行{{color|red|密度梯度离心}},记录离心后试管中DNA的位置; | *# 在不同时刻收集大肠杆菌,提取DNA,对提取的DNA进行{{color|red|密度梯度离心}},记录离心后试管中DNA的位置; | ||
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[[File:DNA replication split.png|right|thumb|180px|DNA的半保留复制]] | [[File:DNA replication split.png|right|thumb|180px|DNA的半保留复制]] | ||
* '''DNA分子复制的过程'''<br/>真核细胞中,DNA的复制发生在线粒体、叶绿体(如果存在)和细胞核中;核DNA的复制时间为有丝分裂间期的S期<ref>有丝分裂间期按照时间顺序可分为G1期、S期和G2期。</ref>以及减I分裂前的间期。<br/>原核细胞中,DNA的复制发生在细胞质。<br/>DNA复制过程如下: | * '''DNA分子复制的过程'''<br />真核细胞中,DNA的复制发生在线粒体、叶绿体(如果存在)和细胞核中;核DNA的复制时间为有丝分裂间期的S期<ref>有丝分裂间期按照时间顺序可分为G1期、S期和G2期。</ref>以及减I分裂前的间期。<br />原核细胞中,DNA的复制发生在细胞质。<br />DNA复制过程如下: | ||
*# DNA分子{{color|red|利用ATP水解提供的能量}},在{{color|red|解旋酶}}的作用下,解开双螺旋,即为“解旋”; | *# DNA分子{{color|red|利用ATP水解提供的能量}},在{{color|red|解旋酶}}的作用下,解开双螺旋,即为“解旋”; | ||
*# 以解开的每一段母链为{{color|red|模板}},在{{color|red|DNA聚合酶}}等酶的作用下,以细胞中游离的脱氧核苷酸为{{color|red|原料}},按照碱基互补配对原则,各自合成与母链互补的子链; | *# 以解开的每一段母链为{{color|red|模板}},在{{color|red|DNA聚合酶}}等酶的作用下,以细胞中游离的脱氧核苷酸为{{color|red|原料}},按照碱基互补配对原则,各自合成与母链互补的子链; | ||
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**# {{color|red|一段DNA不一定是基因;}} | **# {{color|red|一段DNA不一定是基因;}} | ||
**# {{color|red|基因控制生物性状。}} | **# {{color|red|基因控制生物性状。}} | ||
* '''DNA片段中的遗传信息'''<br/>研究表明,'''遗传信息蕴藏在{{color|red|4种碱基/脱氧核苷酸的排列顺序之中}};碱基排列顺序的千变万化,构成了DNA分子的多样性,而碱基的特定的排列顺序,又构成了每一个DNA分子的特异性''';DNA分子的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。'''基因是有遗传效应<ref>指具有复制、表达、重组、突变、调控功能。</ref>的DNA片段''',{{color|red|是生物体遗传的结构单位与功能单位}}。 | * '''DNA片段中的遗传信息'''<br />研究表明,'''遗传信息蕴藏在{{color|red|4种碱基/脱氧核苷酸的排列顺序之中}};碱基排列顺序的千变万化,构成了DNA分子的多样性,而碱基的特定的排列顺序,又构成了每一个DNA分子的特异性''';DNA分子的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。'''基因是有遗传效应<ref>指具有复制、表达、重组、突变、调控功能。</ref>的DNA片段''',{{color|red|是生物体遗传的结构单位与功能单位}}。 | ||
==== 基因的表达 ==== | ==== 基因的表达 ==== | ||
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[[File:RNA.png|left|thumb|160px|RNA结构示意图]] | [[File:RNA.png|left|thumb|160px|RNA结构示意图]] | ||
* '''遗传信息的转录'''<br/>生物体内,最适于作DNA的信使的是RNA。它具有以下优点: | * '''遗传信息的转录'''<br />生物体内,最适于作DNA的信使的是RNA。它具有以下优点: | ||
*# RNA以4中核糖核苷酸连接而成,可以{{color|red|储存遗产信息}}; | *# RNA以4中核糖核苷酸连接而成,可以{{color|red|储存遗产信息}}; | ||
*# RNA遵循碱基互补配对原则,组成A-U、C-G的碱基对; | *# RNA遵循碱基互补配对原则,组成A-U、C-G的碱基对; | ||
行 955: | 行 954: | ||
'''{{color|orange|争议:当下学术界有两派观点,一派认为转录过程需要DNA解旋酶的参与;另一派认为RNA聚合酶也有使DNA解旋的作用,所以该过程不需要DNA解旋酶。}}''' | '''{{color|orange|争议:当下学术界有两派观点,一派认为转录过程需要DNA解旋酶的参与;另一派认为RNA聚合酶也有使DNA解旋的作用,所以该过程不需要DNA解旋酶。}}''' | ||
* '''遗传信息的翻译'''<br/>游离在细胞质中的各种氨基酸,以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程,叫做翻译(Translation)。'''<br/>在沃森和克里克提出了双螺旋结构之后,'''格奥尔吉·安东诺维奇·伽莫夫(Гео́ргий Анто́нович Га́мов<ref>英语:George Gamow。</ref>,1904.3.4 - 1968.8.19)'''提出了三个碱基决定一个氨基酸的设想。这三个{{color|red|相邻}}的碱基被称作{{color|red|遗传密码子(Genetic code/Codon)}},共有4<sup>3</sup>,即{{color|red|64}}个。很快,密码子被确定位于mRNA上,它的表格(Codon table)也问世了:{{color|red|每一个密码子决定一种氨基酸,但一个氨基酸可由多个密码子决定,即密码子具有简并性;64个密码子中,有AUG、GUG两个同时也决定氨基酸的起始密码子,有UAA、UAG、UGA三种不决定氨基酸的终止密码子。}} | * '''遗传信息的翻译'''<br />游离在细胞质中的各种氨基酸,以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程,叫做翻译(Translation)。'''<br />在沃森和克里克提出了双螺旋结构之后,'''格奥尔吉·安东诺维奇·伽莫夫(Гео́ргий Анто́нович Га́мов<ref>英语:George Gamow。</ref>,1904.3.4 - 1968.8.19)'''提出了三个碱基决定一个氨基酸的设想。这三个{{color|red|相邻}}的碱基被称作{{color|red|遗传密码子(Genetic code/Codon)}},共有4<sup>3</sup>,即{{color|red|64}}个。很快,密码子被确定位于mRNA上,它的表格(Codon table)也问世了:{{color|red|每一个密码子决定一种氨基酸,但一个氨基酸可由多个密码子决定,即密码子具有简并性;64个密码子中,有AUG、GUG两个同时也决定氨基酸的起始密码子,有UAA、UAG、UGA三种不决定氨基酸的终止密码子。}}''' | ||
[[File:RNA-codon.png|缩略图|RNA密码子示意图]] | [[File:RNA-codon.png|缩略图|RNA密码子示意图]] | ||
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{| class="wikitable" | {| class="wikitable" | ||
|+ 氨基酸密码子表 | |+ 氨基酸密码子表 | ||
!rowspan=2| 第一位碱基 | ! rowspan="2" | 第一位碱基 | ||
!colspan=8| 第二位碱基 | ! colspan="8" | 第二位碱基 | ||
!rowspan=2| 第三位碱基 | ! rowspan="2" | 第三位碱基 | ||
|- | |- | ||
!colspan=2| U | ! colspan="2" | U | ||
!colspan=2| C | ! colspan="2" | C | ||
!colspan=2| A | ! colspan="2" | A | ||
!colspan=2| G | ! colspan="2" | G | ||
|- | |- | ||
!rowspan=4| U | ! rowspan="4" | U | ||
| {{{U|U}}}{{{U|U}}}{{{U|U}}} | | {{{U|U}}}{{{U|U}}}{{{U|U}}} | ||
|rowspan=2 style="background-color:#ffe75f" | 苯丙氨酸 | | rowspan="2" style="background-color:#ffe75f" | 苯丙氨酸 | ||
| {{{U|U}}}C{{{U|U}}} | | {{{U|U}}}C{{{U|U}}} | ||
|rowspan=4 style="background-color:#b3dec0" | 丝氨酸 | | rowspan="4" style="background-color:#b3dec0" | 丝氨酸 | ||
| {{{U|U}}}A{{{U|U}}} | | {{{U|U}}}A{{{U|U}}} | ||
|rowspan=2 style="background-color:#b3dec0" | 酪氨酸 | | rowspan="2" style="background-color:#b3dec0" | 酪氨酸 | ||
| {{{U|U}}}G{{{U|U}}} | | {{{U|U}}}G{{{U|U}}} | ||
|rowspan=2 style="background-color:#b3dec0" | 半胱氨酸 | | rowspan="2" style="background-color:#b3dec0" | 半胱氨酸 | ||
! {{{U|U}}} | ! {{{U|U}}} | ||
|- | |- | ||
行 997: | 行 996: | ||
|- | |- | ||
| {{{U|U}}}{{{U|U}}}A | | {{{U|U}}}{{{U|U}}}A | ||
|rowspan=6 style="background-color:#ffe75f" | 亮氨酸 | | rowspan="6" style="background-color:#ffe75f" | 亮氨酸 | ||
| {{{U|U}}}CA | | {{{U|U}}}CA | ||
| {{{U|U}}}AA | | {{{U|U}}}AA | ||
行 1,016: | 行 1,015: | ||
| C{{{U|U}}}{{{U|U}}} | | C{{{U|U}}}{{{U|U}}} | ||
| CC{{{U|U}}} | | CC{{{U|U}}} | ||
|rowspan=4 style="background-color:#ffe75f" | 脯氨酸 | | rowspan="4" style="background-color:#ffe75f" | 脯氨酸 | ||
| CA{{{U|U}}} | | CA{{{U|U}}} | ||
|rowspan=2 style="background-color:#bbbfe0" | 组氨酸 | | rowspan="2" style="background-color:#bbbfe0" | 组氨酸 | ||
|CG{{{U|U}}} | |CG{{{U|U}}} | ||
|rowspan=4 style="background-color:#bbbfe0" | 精氨酸 | | rowspan="4" style="background-color:#bbbfe0" | 精氨酸 | ||
! {{{U|U}}} | ! {{{U|U}}} | ||
|- | |- | ||
行 1,032: | 行 1,031: | ||
|CCA | |CCA | ||
|CAA | |CAA | ||
|rowspan=2 style="background-color:#b3dec0" | 谷氨酰胺 | | rowspan="2" style="background-color:#b3dec0" | 谷氨酰胺 | ||
|CGA | |CGA | ||
! A | ! A | ||
行 1,044: | 行 1,043: | ||
! rowspan="4" | A | ! rowspan="4" | A | ||
|A{{{U|U}}}{{{U|U}}} | |A{{{U|U}}}{{{U|U}}} | ||
|rowspan=3 style="background-color:#ffe75f" | 异亮氨酸 | | rowspan="3" style="background-color:#ffe75f" | 异亮氨酸 | ||
|AC{{{U|U}}} | |AC{{{U|U}}} | ||
|rowspan=4 style="background-color:#b3dec0" | 苏氨酸 | | rowspan="4" style="background-color:#b3dec0" | 苏氨酸 | ||
|AA{{{U|U}}} | |AA{{{U|U}}} | ||
|rowspan=2 style="background-color:#b3dec0" | 天冬酰胺 | | rowspan="2" style="background-color:#b3dec0" | 天冬酰胺 | ||
|AG{{{U|U}}} | |AG{{{U|U}}} | ||
|rowspan=2 style="background-color:#b3dec0" | 丝氨酸 | | rowspan="2" style="background-color:#b3dec0" | 丝氨酸 | ||
! {{{U|U}}} | ! {{{U|U}}} | ||
|- | |- | ||
行 1,062: | 行 1,061: | ||
|ACA | |ACA | ||
|AAA | |AAA | ||
|rowspan=2 style="background-color:#bbbfe0" | 赖氨酸 | | rowspan="2" style="background-color:#bbbfe0" | 赖氨酸 | ||
|AGA | |AGA | ||
|rowspan=2 style="background-color:#bbbfe0" | 精氨酸 | | rowspan="2" style="background-color:#bbbfe0" | 精氨酸 | ||
! A | ! A | ||
|- | |- | ||
行 1,076: | 行 1,075: | ||
! rowspan="4" | G | ! rowspan="4" | G | ||
|G{{{U|U}}}{{{U|U}}} | |G{{{U|U}}}{{{U|U}}} | ||
|rowspan=4 style="background-color:#ffe75f" | 缬氨酸 | | rowspan="4" style="background-color:#ffe75f" | 缬氨酸 | ||
|GC{{{U|U}}} | |GC{{{U|U}}} | ||
|rowspan=4 style="background-color:#ffe75f" | 丙氨酸 | | rowspan="4" style="background-color:#ffe75f" | 丙氨酸 | ||
|GA{{{U|U}}} | |GA{{{U|U}}} | ||
|rowspan=2 style="background-color:#f8b7d3" | 天冬氨酸 | | rowspan="2" style="background-color:#f8b7d3" | 天冬氨酸 | ||
|GG{{{U|U}}} | |GG{{{U|U}}} | ||
|rowspan=4 style="background-color:#ffe75f" | 甘氨酸 | | rowspan="4" style="background-color:#ffe75f" | 甘氨酸 | ||
! {{{U|U}}} | ! {{{U|U}}} | ||
|- | |- | ||
行 1,094: | 行 1,093: | ||
|GCA | |GCA | ||
|GAA | |GAA | ||
|rowspan=2 style="background-color:#f8b7d3" | 谷氨酸 | | rowspan="2" style="background-color:#f8b7d3" | 谷氨酸 | ||
|GGA | |GGA | ||
! A | ! A | ||
行 1,110: | 行 1,109: | ||
[[File:TRNA-Phe.png|left|thumb|180px|一种tRNA]] | [[File:TRNA-Phe.png|left|thumb|180px|一种tRNA]] | ||
mRNA进入细胞质之后,就与核糖体结合。由多种具有三叶草结构<ref>在三叶草结构中,存在碱基互补配对的现象。该结构中暴露出的三个用于和密码子互补配对的连续的碱基被称为“反密码子”。</ref>的tRNA将细胞质内游离的氨基酸转运至核糖体上,{{color|red|每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸}}。{{color|red|核糖体可以沿着mRNA移动}},所以一条mRNA可以同时结合多个核糖体,即“多聚核糖体”,同时多序列合成同一蛋白质。每个核糖体有2个tRNA的结合位点。<br/>翻译过程可分为互补、进位、转肽、移位4步。<br/>原核生物的DNA和真核生物的细胞质DNA上的基因可以实现{{color|red|边转录边翻译}}。<br/>三种DNA都参与了翻译过程。 | mRNA进入细胞质之后,就与核糖体结合。由多种具有三叶草结构<ref>在三叶草结构中,存在碱基互补配对的现象。该结构中暴露出的三个用于和密码子互补配对的连续的碱基被称为“反密码子”。</ref>的tRNA将细胞质内游离的氨基酸转运至核糖体上,{{color|red|每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸}}。{{color|red|核糖体可以沿着mRNA移动}},所以一条mRNA可以同时结合多个核糖体,即“多聚核糖体”,同时多序列合成同一蛋白质。每个核糖体有2个tRNA的结合位点。<br />翻译过程可分为互补、进位、转肽、移位4步。<br />原核生物的DNA和真核生物的细胞质DNA上的基因可以实现{{color|red|边转录边翻译}}。<br />三种DNA都参与了翻译过程。 | ||
肽链合成后,被运送到相应细胞器中{{color|red|盘曲折叠}}生成{{color|red|具有特定空间结构和功能的蛋白质分子}}。 | 肽链合成后,被运送到相应细胞器中{{color|red|盘曲折叠}}生成{{color|red|具有特定空间结构和功能的蛋白质分子}}。 | ||
行 1,116: | 行 1,115: | ||
===== 基因对性状的控制 ===== | ===== 基因对性状的控制 ===== | ||
* '''中心法则的提出和发展'''<br/>1957年,克里克提出了中心法则(Central dogma of molecular biology):遗传物质可以由DNA流向DNA,由DNA流向RNA进而流向蛋白质。在蛋白质合成过程被揭示之后,中心法则得到公认。<br/>20世纪60年代,RNA复制酶被发现,补充了中心法则中关于遗传信息由RNA流向RNA的途径;<br/>1970年,'''霍华德·马丁·特明(Howard Martin Temin,1934.12.10 - 1994.2.9)'''和'''大卫·巴尔的摩(David Baltimore,1938.3.7 - )'''发现了逆转录酶,补充了关于遗传信息由RNA流向DNA的途径。<br/><del>遗传信息由DNA直接流向蛋白质的途径也已经被证实,然而其具体过程、与DNA碱基顺序的关系仍然不清楚。</del> | * '''中心法则的提出和发展'''<br />1957年,克里克提出了中心法则(Central dogma of molecular biology):遗传物质可以由DNA流向DNA,由DNA流向RNA进而流向蛋白质。在蛋白质合成过程被揭示之后,中心法则得到公认。<br />20世纪60年代,RNA复制酶被发现,补充了中心法则中关于遗传信息由RNA流向RNA的途径;<br />1970年,'''霍华德·马丁·特明(Howard Martin Temin,1934.12.10 - 1994.2.9)'''和'''大卫·巴尔的摩(David Baltimore,1938.3.7 - )'''发现了逆转录酶,补充了关于遗传信息由RNA流向DNA的途径。<br /><del>遗传信息由DNA直接流向蛋白质的途径也已经被证实,然而其具体过程、与DNA碱基顺序的关系仍然不清楚。</del> | ||
[[File:Extended Central Dogma.jpg|right|200px|thumb|中心法则示意图]] | [[File:Extended Central Dogma.jpg|right|200px|thumb|中心法则示意图]] | ||
* '''基因、蛋白质与性状的关系'''<br/>从豌豆的圆粒、皱粒性状的形成可以看出,'''基因可以通过控制酶来控制代谢过程,进而{{color|red|间接}}地控制生物体的性状。'''<br/>从囊性纤维病的形成可以看出,'''基因可以通过控制蛋白质的结构,{{color|red|直接}}控制生物体的性状。'''<br/>同时,{{color|red|基因与性状的关系并不都是简单的线性关系}},一种性状可能由多个基因决定,一个基因也可能决定多个性状。 | * '''基因、蛋白质与性状的关系'''<br />从豌豆的圆粒、皱粒性状的形成可以看出,'''基因可以通过控制酶来控制代谢过程,进而{{color|red|间接}}地控制生物体的性状。'''<br />从囊性纤维病的形成可以看出,'''基因可以通过控制蛋白质的结构,{{color|red|直接}}控制生物体的性状。'''<br />同时,{{color|red|基因与性状的关系并不都是简单的线性关系}},一种性状可能由多个基因决定,一个基因也可能决定多个性状。 | ||
** 1962年,叶绿体DNA(cpDNA/plastome)被证实存在。几乎同时,线粒体DNA(mtDNA)被玛吉特·M·K·纳斯和西尔万·纳斯证明存在。两种DNA被统称为细胞质DNA,它们都可以进行{{color|red|半自主自我复制}}。和细胞质DNA有关的遗传病只能进行{{color|red|母系遗传}}。 | ** 1962年,叶绿体DNA(cpDNA/plastome)被证实存在。几乎同时,线粒体DNA(mtDNA)被玛吉特·M·K·纳斯和西尔万·纳斯证明存在。两种DNA被统称为细胞质DNA,它们都可以进行{{color|red|半自主自我复制}}。和细胞质DNA有关的遗传病只能进行{{color|red|母系遗传}}。 | ||
===== 遗传密码的破译 ===== | ===== 遗传密码的破译 ===== | ||
* '''遗传密码的阅读方式'''<br/>由于对密码子的不同阅读方式可造成解读出的内容相异,所以人们在DNA双螺旋结构提出之后,又将目光聚焦在了遗传密码的破译上。<br/>根据伽莫夫的设想,人们主要作出了两个假设: | * '''遗传密码的阅读方式'''<br />由于对密码子的不同阅读方式可造成解读出的内容相异,所以人们在DNA双螺旋结构提出之后,又将目光聚焦在了遗传密码的破译上。<br />根据伽莫夫的设想,人们主要作出了两个假设: | ||
*# 以3个碱基为一个单位,依次阅读; | *# 以3个碱基为一个单位,依次阅读; | ||
*# 以3个碱基为一个单位,重叠阅读。 | *# 以3个碱基为一个单位,重叠阅读。 | ||
* '''克里克的实验证据'''<br/>1961年,克里克以T<sub>4</sub>噬菌体为实验材料,进行实验。<br/>他将噬菌体的DNA序列中插入或删除1-2个碱基,DNA均不能指导合成具有正常功能的蛋白质;而当插入或删除3个碱基时,却可以产生功能正常的蛋白质。<br/>该实验不仅证明了遗传物质中3个碱基编码一个氨基酸的设想,也证明了遗传密码以非重叠的方式阅读。 | * '''克里克的实验证据'''<br />1961年,克里克以T<sub>4</sub>噬菌体为实验材料,进行实验。<br />他将噬菌体的DNA序列中插入或删除1-2个碱基,DNA均不能指导合成具有正常功能的蛋白质;而当插入或删除3个碱基时,却可以产生功能正常的蛋白质。<br />该实验不仅证明了遗传物质中3个碱基编码一个氨基酸的设想,也证明了遗传密码以非重叠的方式阅读。 | ||
* '''遗传密码对应规则的发现'''<br/>1961年,'''马歇尔·沃伦·尼伦伯格(Marshall Warren Nirenberg,1927.4.10 - 2010.1.15)'''和'''J·海因里希·马太(J. Heinrich Matthaei,1929.5.4 - )'''破译了第一个遗传密码,尼伦伯格因此与'''罗伯特·威廉·霍利(Robert William Holley,1922.1.28 - 1993.2.11)'''、'''哈尔·戈宾德·科拉纳(Har Gobind Khorana,1922.1.9 - 2011.11.9)'''分享了1968年诺贝尔生理学或医学奖: | * '''遗传密码对应规则的发现'''<br />1961年,'''马歇尔·沃伦·尼伦伯格(Marshall Warren Nirenberg,1927.4.10 - 2010.1.15)'''和'''J·海因里希·马太(J. Heinrich Matthaei,1929.5.4 - )'''破译了第一个遗传密码,尼伦伯格因此与'''罗伯特·威廉·霍利(Robert William Holley,1922.1.28 - 1993.2.11)'''、'''哈尔·戈宾德·科拉纳(Har Gobind Khorana,1922.1.9 - 2011.11.9)'''分享了1968年诺贝尔生理学或医学奖: | ||
{{cquote|{{color|#33E6CC|'''{{ruby|他们解释了遗传密码及其在蛋白质合成中的功能。|For their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis.}}'''}}}} | {{cquote|{{color|#33E6CC|'''{{ruby|他们解释了遗传密码及其在蛋白质合成中的功能。|For their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis.}}'''}}}} | ||
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===== 基因突变和基因重组 ===== | ===== 基因突变和基因重组 ===== | ||
* '''基因突变的实例'''<br/>血红蛋白肽链上氨基酸分子的某个替换(谷氨酸→缬氨酸)可以导致镰刀型细胞贫血症。研究发现,血红蛋白的异常是由于控制其合成的DNA的碱基序列发生了改变。<br/>碱基的替换可导致基因的改变,从而引起所编码的蛋白质或激素的改变。碱基的增添、缺失也会导致这种结果。<br/>'''DNA分子中发生碱基对的{{color|red|替换、增添和缺失}},而引起的基因{{color|red|结构的改变}},叫做基因突变(Mutation)。'''<br/>环境因素导致的性状改变属于不可遗传的变异,而可遗传变异有{{color|red|基因突变、基因重组和染色体变异}}三种。但发生在体细胞中的基因突变一般不能遗传,但在某些情况下,体细胞中的基因突变可以通过无性繁殖{{黑幕|记得考虑生物工程这个Buff}}传递。<br/>基因突变是癌细胞产生的必要条件。 | * '''基因突变的实例'''<br />血红蛋白肽链上氨基酸分子的某个替换(谷氨酸→缬氨酸)可以导致镰刀型细胞贫血症。研究发现,血红蛋白的异常是由于控制其合成的DNA的碱基序列发生了改变。<br />碱基的替换可导致基因的改变,从而引起所编码的蛋白质或激素的改变。碱基的增添、缺失也会导致这种结果。<br />'''DNA分子中发生碱基对的{{color|red|替换、增添和缺失}},而引起的基因{{color|red|结构的改变}},叫做基因突变(Mutation)。'''<br />环境因素导致的性状改变属于不可遗传的变异,而可遗传变异有{{color|red|基因突变、基因重组和染色体变异}}三种。但发生在体细胞中的基因突变一般不能遗传,但在某些情况下,体细胞中的基因突变可以通过无性繁殖{{黑幕|记得考虑生物工程这个Buff}}传递。<br />基因突变是癌细胞产生的必要条件。 | ||
* '''基因突变的原因和特点'''<br/>1927年,'''赫尔曼·约瑟夫·缪勒(Hermann Joseph Muller)'''用X射线照射果蝇,发现后代中突变个体数大幅增加。'''刘易斯·约翰·施泰德(Lewis John Stadler,1896.7.6 - 1954.5.12)'''在1928年用X光照射大麦、在1936年用紫外线照射玉米,得到了相似结果。20世纪40年代,芥子气被'''夏洛特·洛特·奥尔巴赫(Charlotte Lotte Auerbach,1899.5.14 - 1994.3.17)'''和'''约翰·迈克尔·拉布·拉比诺维奇(John Michael Rab Rabinovich,1900 - 1982)'''证实可以诱导基因突变。60年代,多环芳烃的细胞代谢产物也被定性可以诱导基因突变。<br/>由此,人们把诱发生物基因突变的因素归为三类: | * '''基因突变的原因和特点'''<br />1927年,'''赫尔曼·约瑟夫·缪勒(Hermann Joseph Muller)'''用X射线照射果蝇,发现后代中突变个体数大幅增加。'''刘易斯·约翰·施泰德(Lewis John Stadler,1896.7.6 - 1954.5.12)'''在1928年用X光照射大麦、在1936年用紫外线照射玉米,得到了相似结果。20世纪40年代,芥子气被'''夏洛特·洛特·奥尔巴赫(Charlotte Lotte Auerbach,1899.5.14 - 1994.3.17)'''和'''约翰·迈克尔·拉布·拉比诺维奇(John Michael Rab Rabinovich,1900 - 1982)'''证实可以诱导基因突变。60年代,多环芳烃的细胞代谢产物也被定性可以诱导基因突变。<br />由此,人们把诱发生物基因突变的因素归为三类: | ||
*# {{color|red|物理因素}}:紫外线、X射线等辐射; | *# {{color|red|物理因素}}:紫外线、X射线等辐射; | ||
*# {{color|red|化学因素}}:亚硝酸、黄曲霉毒素等物质; | *# {{color|red|化学因素}}:亚硝酸、黄曲霉毒素等物质; | ||
*# {{color|red|生物因素}}:{{ruby|Reus|{{黑幕|罗伊斯}}}}肉瘤病毒等。 | *# {{color|red|生物因素}}:{{ruby|Reus|{{黑幕|罗伊斯}}}}肉瘤病毒等。 | ||
'''自然界中诱发基因突变的因素很多,基因突变也可以自发产生,所以基因突变在生物界{{color|red|普遍}}存在。基因突变是{{color|red|随机的、不定向的}}''',即{{color|red|其可以发生在生物个体发育的任何时期、细胞内不同的DNA分子上、同一DNA分子的不同部位,其发生的方向和环境也没有明确的因果关系}}。<br/>'''在自然状态下,基因突变的频率很低。'''总而言之,基因突变具有{{color|red|普遍性、低频性、多害少利性、不定向性和随机性}}。同时,也存在{{color|red|中性突变}}。 | '''自然界中诱发基因突变的因素很多,基因突变也可以自发产生,所以基因突变在生物界{{color|red|普遍}}存在。基因突变是{{color|red|随机的、不定向的}}''',即{{color|red|其可以发生在生物个体发育的任何时期、细胞内不同的DNA分子上、同一DNA分子的不同部位,其发生的方向和环境也没有明确的因果关系}}。<br />'''在自然状态下,基因突变的频率很低。'''总而言之,基因突变具有{{color|red|普遍性、低频性、多害少利性、不定向性和随机性}}。同时,也存在{{color|red|中性突变}}。 | ||
基因突变是新基因产生的途径,是生物变异的根本来源。 | 基因突变是新基因产生的途径,是生物变异的根本来源。 | ||
* '''基因重组'''<br/>'''基因重组(Genetic recombination)是指生物在有性生殖的过程中,控制不同性状的基因的重新组合。'''<br/>基因重组主要发生在以下几种过程中: | * '''基因重组'''<br />'''基因重组(Genetic recombination)是指生物在有性生殖的过程中,控制不同性状的基因的重新组合。'''<br />基因重组主要发生在以下几种过程中: | ||
*# 非同源染色体的自由组合; | *# 非同源染色体的自由组合; | ||
*# 受精作用; | *# 受精作用; | ||
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和{{color|red|光镜下无法观察到的}}基因突变不同,{{color|red|染色体变异可以用显微镜直接观察到}}。 | 和{{color|red|光镜下无法观察到的}}基因突变不同,{{color|red|染色体变异可以用显微镜直接观察到}}。 | ||
* '''染色体结构的变异'''<br/>染色体的结构变异主要有以下几种: | * '''染色体结构的变异'''<br />染色体的结构变异主要有以下几种: | ||
*# 由染色体某一片断缺失引起的变异,如果蝇缺壳翅的形成; | *# 由染色体某一片断缺失引起的变异,如果蝇缺壳翅的形成; | ||
*# 由染色体增加某一重复的片段引起的变异,如果蝇棒状眼的形成{{黑幕|果蝇:Why Always Me?}}; | *# 由染色体增加某一重复的片段引起的变异,如果蝇棒状眼的形成{{黑幕|果蝇:Why Always Me?}}; | ||
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[[File:Haploid, diploid ,triploid et tetraploid.png|thumb|right|175px|染色体倍性示意图]] | [[File:Haploid, diploid ,triploid et tetraploid.png|thumb|right|175px|染色体倍性示意图]] | ||
* '''染色体数目的变异'''<br/>'''染色体数目变异可分为个别染色体的增减与染色体组的增减两种。'''<br/>{{color|red|细胞中的一个染色体组,在形态和功能上各不相同却互相协调,共同控制生物的生长、发育、遗传和变异。一个染色体组中不含同源染色体或相同、等位基因,却含有全套的遗传信息。}}由{{color|red|受精卵}}发育而来的个体,体细胞中含有两个染色体组的,叫做{{color|red|二倍体(Diploid)}};含有三个或以上的称为{{color|red|多倍体(Polyploidy)}},亦可据其染色体组数目称。{{color|red|几乎全部动物和过半数的高等植物为二倍体,香蕉为三倍体,马铃薯为四倍体,小麦为六倍体,小黑麦为八倍体{{黑幕|然而,[[道格拉斯·麦克阿瑟|坑爹麦]]是二倍体}}。}}与二倍体植株相比,多倍体植株常常{{color|red|茎秆粗壮,叶片、果实、种子比较大,抗逆性强,营养物质的含量有所增加<ref>营养物质的种类并没有改变。</ref>}},但亦有生长慢、结实率低等缺点。使用{{color|red|低温或秋水仙素}}处理{{color|red|萌发的种子或幼苗}}可以抑制有丝分裂前期内纺锤体的形成,引起细胞内染色体数目加倍。<br/>{{color|red|体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体,叫做单倍体(Haploid)<ref>因此,即使可能含有个染色体组,由配子发育而来的个体全称为单倍体。</ref>。}}单倍体植株{{color|red|比较弱小,且高度不育<ref>理论上仍存在生殖可能。</ref>,但利用其育种可以明显缩短育种年限}}。因此,常利用生殖细胞的全能性,通过{{color|red|花药/花粉离体培养}}的方法获得单倍体植株,经染色体加倍后得到纯合的品种。 | * '''染色体数目的变异'''<br />'''染色体数目变异可分为个别染色体的增减与染色体组的增减两种。'''<br />{{color|red|细胞中的一个染色体组,在形态和功能上各不相同却互相协调,共同控制生物的生长、发育、遗传和变异。一个染色体组中不含同源染色体或相同、等位基因,却含有全套的遗传信息。}}由{{color|red|受精卵}}发育而来的个体,体细胞中含有两个染色体组的,叫做{{color|red|二倍体(Diploid)}};含有三个或以上的称为{{color|red|多倍体(Polyploidy)}},亦可据其染色体组数目称。{{color|red|几乎全部动物和过半数的高等植物为二倍体,香蕉为三倍体,马铃薯为四倍体,小麦为六倍体,小黑麦为八倍体{{黑幕|然而,[[道格拉斯·麦克阿瑟|坑爹麦]]是二倍体}}。}}与二倍体植株相比,多倍体植株常常{{color|red|茎秆粗壮,叶片、果实、种子比较大,抗逆性强,营养物质的含量有所增加<ref>营养物质的种类并没有改变。</ref>}},但亦有生长慢、结实率低等缺点。使用{{color|red|低温或秋水仙素}}处理{{color|red|萌发的种子或幼苗}}可以抑制有丝分裂前期内纺锤体的形成,引起细胞内染色体数目加倍。<br />{{color|red|体细胞中含有本物种配子染色体数目的个体,叫做单倍体(Haploid)<ref>因此,即使可能含有个染色体组,由配子发育而来的个体全称为单倍体。</ref>。}}单倍体植株{{color|red|比较弱小,且高度不育<ref>理论上仍存在生殖可能。</ref>,但利用其育种可以明显缩短育种年限}}。因此,常利用生殖细胞的全能性,通过{{color|red|花药/花粉离体培养}}的方法获得单倍体植株,经染色体加倍后得到纯合的品种。 | ||
** 实验:低温诱导植物染色体数目的变化<br/>实验原理:在4℃低温下培养植物能抑制其分生细胞纺锤体的形成,使染色体数目发生变化;<br/>{{color|#F400A1|改良苯酚品红染液}}可以使染色体着色;<br/>洋葱根尖0.5-1cm为分生区,在卡诺氏液中浸泡0.5-1h能将其定形;<br/>用高倍镜可观察到数量远小于二倍体细胞的四倍体细胞。 | ** 实验:低温诱导植物染色体数目的变化<br />实验原理:在4℃低温下培养植物能抑制其分生细胞纺锤体的形成,使染色体数目发生变化;<br />{{color|#F400A1|改良苯酚品红染液}}可以使染色体着色;<br />洋葱根尖0.5-1cm为分生区,在卡诺氏液中浸泡0.5-1h能将其定形;<br />用高倍镜可观察到数量远小于二倍体细胞的四倍体细胞。 | ||
===== 人类遗传病 ===== | ===== 人类遗传病 ===== | ||
* '''人类常见遗传病的类型'''<br/>'''人类遗传病通常是指由于{{color|red|遗传物质改变}}而引起的人类疾病,主要可以分为单基因遗传病、多基因遗传病和染色体遗传异常三大类。''' | * '''人类常见遗传病的类型'''<br />'''人类遗传病通常是指由于{{color|red|遗传物质改变}}而引起的人类疾病,主要可以分为单基因遗传病、多基因遗传病和染色体遗传异常三大类。''' | ||
*# '''单基因遗传病''':单基因遗传病是由{{color|red|一对等位基因}}控制的遗传病,约有6500种。其中,{{color|red|多指、并指、软骨发育不全}}等是伴常染色体显性遗传病;{{color|red|抗维生素D佝偻病}}等是伴X染色体显性遗传病;{{color|red|镰刀型细胞贫血症、白化病、先天性聋哑、苯丙酮尿症}}等是伴常染色体隐性遗传病;{{color|red|红绿色盲症、进行性肌营养不良、血友病}}等是伴X染色体隐性遗传病。 | *# '''单基因遗传病''':单基因遗传病是由{{color|red|一对等位基因}}控制的遗传病,约有6500种。其中,{{color|red|多指、并指、软骨发育不全}}等是伴常染色体显性遗传病;{{color|red|抗维生素D佝偻病}}等是伴X染色体显性遗传病;{{color|red|镰刀型细胞贫血症、白化病、先天性聋哑、苯丙酮尿症}}等是伴常染色体隐性遗传病;{{color|red|红绿色盲症、进行性肌营养不良、血友病}}等是伴X染色体隐性遗传病。 | ||
*# '''多基因遗传病''':多基因遗传病是由两对以上的等位基因控制的遗传病,{{color|red|发病易受环境因素影响,常表现为家族聚集,在群体中发病率较高}},如{{color|red|原发性高血压、冠心病、哮喘病、青少年糖尿病、唇裂、无脑儿等}}。 | *# '''多基因遗传病''':多基因遗传病是由两对以上的等位基因控制的遗传病,{{color|red|发病易受环境因素影响,常表现为家族聚集,在群体中发病率较高}},如{{color|red|原发性高血压、冠心病、哮喘病、青少年糖尿病、唇裂、无脑儿等}}。 | ||
行 1,185: | 行 1,184: | ||
在调查人群中的遗传病的发病率时,应本着{{color|red|随机抽样}}的原则;在调查遗传方式时,应采用{{color|red|患者家系调查}}的方法,可以选取人群中发病率较高的{{color|red|单基因遗传病}}来调查以降低调查难度。 | 在调查人群中的遗传病的发病率时,应本着{{color|red|随机抽样}}的原则;在调查遗传方式时,应采用{{color|red|患者家系调查}}的方法,可以选取人群中发病率较高的{{color|red|单基因遗传病}}来调查以降低调查难度。 | ||
* '''遗传病的监测和预防'''<br/>中国大约有{{color|red|20%-25%}}的人患有各种遗传病,并且由于中国人口基数庞大,导致遗传病的监测、预防任务十分艰巨。如今,{{color|red|遗传咨询和产前诊断}}是主要的防控手段。<br/>医生通过进行遗传咨询,了解对象家族病史,并推算后代发病概率,给予相关建议。<br/>医生还可以通过{{color|red|羊水检查、B超检查、孕妇血细胞检查、基因诊断(DNA探针)}}等手段,在个体、细胞、分子水平上鉴定胎儿是否患病。 | * '''遗传病的监测和预防'''<br />中国大约有{{color|red|20%-25%}}的人患有各种遗传病,并且由于中国人口基数庞大,导致遗传病的监测、预防任务十分艰巨。如今,{{color|red|遗传咨询和产前诊断}}是主要的防控手段。<br />医生通过进行遗传咨询,了解对象家族病史,并推算后代发病概率,给予相关建议。<br />医生还可以通过{{color|red|羊水检查、B超检查、孕妇血细胞检查、基因诊断(DNA探针)}}等手段,在个体、细胞、分子水平上鉴定胎儿是否患病。 | ||
因此,要<del>禁止近亲结婚、提倡适龄生育</del>。 | 因此,要<del>禁止近亲结婚、提倡适龄生育</del>。 | ||
{{cquote|<big>好吧,如果有了就堕掉好了!</big>| | {{cquote|<big>好吧,如果有了就堕掉好了!</big>|{{萌百| 春日野穹|春日野穹}}}} | ||
* '''人类基因组计划与人类健康'''<br/>通过人类基因组计划(Human Genome Project, HGP),人们可以认识到人类基因的组成、结构、功能与其相互关系。人类基因组计划启动于{{color|red|1990年}},目的是测定人类基因组{{color|red|22条常染色体与2条性染色体(X/Y)的全部DNA序列}}。[[德国娘|德国]]、[[哥伦比亚|美国]]、[[日本娘|日本]]、[[英国娘|英国]]、[[法国娘|法国]]、[[中国娘|中国]]参与了该工作。2003年,测序任务完成。测序结果表明,人类基因组大约含有{{color|red|31.6亿}}个碱基对,约有{{color|red|20,000-25,000}}个基因。 | * '''人类基因组计划与人类健康'''<br />通过人类基因组计划(Human Genome Project, HGP),人们可以认识到人类基因的组成、结构、功能与其相互关系。人类基因组计划启动于{{color|red|1990年}},目的是测定人类基因组{{color|red|22条常染色体与2条性染色体(X/Y)的全部DNA序列}}。[[德国娘|德国]]、[[哥伦比亚|美国]]、[[日本娘|日本]]、[[英国娘|英国]]、[[法国娘|法国]]、[[中国娘|中国]]参与了该工作。2003年,测序任务完成。测序结果表明,人类基因组大约含有{{color|red|31.6亿}}个碱基对,约有{{color|red|20,000-25,000}}个基因。 | ||
目前,治疗遗传病最根本的方法是仍在试验中的{{color|red|基因治疗}}。 | 目前,治疗遗传病最根本的方法是仍在试验中的{{color|red|基因治疗}}。 | ||
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人们不满于{{color|red|选择育种}}周期长、选择范围小等缺点,在生产实践中摸索出了杂交育种的方法。 | 人们不满于{{color|red|选择育种}}周期长、选择范围小等缺点,在生产实践中摸索出了杂交育种的方法。 | ||
* '''杂交育种'''<br/>'''杂交育种是基于基因重组原理,将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起,在经过选择和培育,获得新品种的方法。'''它是改良农作物品质最常规的方法,亦可用于畜禽的育种,但具有不能创造新的基因、后代会出现性状分离、育种缓慢复杂的缺点。 | * '''杂交育种'''<br />'''杂交育种是基于基因重组原理,将两个或多个品种的优良性状通过交配集中在一起,在经过选择和培育,获得新品种的方法。'''它是改良农作物品质最常规的方法,亦可用于畜禽的育种,但具有不能创造新的基因、后代会出现性状分离、育种缓慢复杂的缺点。 | ||
* '''诱变育种'''<br/>诱变育种(Mutation breeding/Variation breeding)'''是通过物理<ref>包括X射线、γ射线、紫外线、激光等。</ref>、化学<ref>包括亚硝酸、硫酸二乙酯等。</ref>因素使生物发生突变''',以{{color|red|提高突变率、在短时间内获得更多优良变异类型}}的育种方法。其中,大量生产青霉素的菌株即为诱变育种而来。诱变育种也具有{{color|red|多方向性}}的缺点。 | * '''诱变育种'''<br />诱变育种(Mutation breeding/Variation breeding)'''是通过物理<ref>包括X射线、γ射线、紫外线、激光等。</ref>、化学<ref>包括亚硝酸、硫酸二乙酯等。</ref>因素使生物发生突变''',以{{color|red|提高突变率、在短时间内获得更多优良变异类型}}的育种方法。其中,大量生产青霉素的菌株即为诱变育种而来。诱变育种也具有{{color|red|多方向性}}的缺点。 | ||
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H萌娘才不是什麼嚴肅的學術參考資料,不保證其內容的正確性!參見:H萌娘:免責聲明
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生物娘是自然科學學科生物(法:Biologie;英:Biology;拉丁:Biologia;日:
設定[編輯 | 編輯原始碼]
表面上看是一個有著漂亮翠綠色短髮的美麗少女,實際上是一個就算聽到某些詞彙就會開始幻想的大叔般的人。
想像力豐富,書本經驗豐富,臨床經驗無,可以將H的事從細胞核內的活動到體內各個系統運動狀況都說明清楚。
看到可愛少女換衣,會情不自禁的抱住調戲,如果是美少年的話會直接抱走帶上床。
最喜歡的東西是美少女和美少年,討厭的東西是帶煙味的大叔。
有個靠著無論多小的細節,就能推測出對方之前是否H過的累贅技能,也會因為幻想這一幕一邊「呵呵」傻笑流下鼻血。
分支[編輯 | 編輯原始碼]
- 動物學領域:動物生理學、解剖學、胚胎學、神經生物學、發育生物學、昆蟲學、動物行為學、組織學。
- 植物學領域:簡單的學門分類可概分為:
- 應用植物學:農學(或農藝學)、園藝學、花卉學、植物育種學、林學、植物病理學等等。
- 純科學(或植物學):植物分類學、植物生理學、植物形態學、植物解剖學、植物地理學、遺傳學、生態學、藻類學等等。
- 微生物和免疫學領域:微生物學、免疫學、病毒學。
- 生物化學領域:生物化學、蛋白質力學、糖類生化學、脂質生化學、代謝生化學。
- 進化和生態學領域:古生物學、進化論、進化生物學、社會生物學、分類學、系統分類學、生態學、生物分布學 。
- 現代生物技術學領域:生物技術學、基因工程、酵素工程學、生物工程、代謝工程學、基因體學、合成生物學。
- 細胞和分子生物學領域:細胞學、分子生物學、遺傳學、表觀遺傳學、神經生物學。
- 生物和物理學領域:生物物理學、結構生物學、生醫光電學、醫學工程。
- 生物和醫學領域:感染性疾病、毒理學、放射生物學、癌生物學。
- 生物和信息領域:生物信息學、生物數學、仿生學、系統生物學。
- 環境和生物學領域:大氣生物學、生物地理學、海洋生物學、淡水生物學。
前方偵測到
不明級別的高能反應! 請非戰鬥人員迅速撤離! |
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現實中的生物娘[編輯 | 編輯原始碼]
分子與細胞[編輯 | 編輯原始碼]
走進細胞[編輯 | 編輯原始碼]
悠悠300餘年,關於細胞的研究碩果纍纍;近50年來更進入了分子水平,老樹又綻新花。許多研究成果已經或將要走進我們的生活:植物細胞在培養瓶中悄然長出幼苗;動物體細胞核移植生成了克隆動物;不同生物細胞間DNA轉移創造出了新的生物類型及其產品;病危的生命期盼著幹細胞移植的救助……
從生物圈到細胞[編輯 | 編輯原始碼]
細胞(英:Cell;拉丁:Cella[1];日:
- 生命活動離不開細胞
單細胞生物具有生命的基本特徵。
- 生命系統(Life system)的結構層次
細胞是地球上最基本的生命系統。
細胞的多樣性和統一性[編輯 | 編輯原始碼]
- 觀察細胞
- 實驗:使用高倍顯微鏡觀察幾種細胞(人教版教師用書的相關頁面)
製作細胞裝片一般有如下幾種方法:- 壓片法:將疏鬆的材料壓散成雲霧狀,進行觀察。
- 裝片法:對於微小生物或大型生物的部分細胞[2],可以直接裝片觀察。
- 切片法:將較大或較硬的材料切片後進行觀察。
- 塗片法:一般用於對血細胞的觀察。
- 實驗:使用高倍顯微鏡觀察幾種細胞(人教版教師用書的相關頁面)
- 原核細胞(Procaryotic cell)和真核細胞(Eucaryotic cell)
根據細胞內有無以核膜為界限的細胞核,把細胞分為真核細胞和原核細胞兩大類。
細菌中的絕大多數種類是營腐生或寄生生活的異養生物。
- 細胞學說建立的過程
細胞學說(Cell theory)是通過對動植物細胞研究而揭示細胞統一性和生物結構統一性的學說。
1. 细胞是一个有机体,一切动植物都由细胞发育而来,并由细胞和细胞产物所构成。 2. 细胞是一个相对独立的单位,既有它自己的生命,又对与其他细胞共同组成的整体的生命起作用。 3. 新细胞可以从老细胞中产生。
1543年,安德雷亞斯·維薩里(Andreas Vesalius[3],1514.12.31 - 1564.10.15)發表了《人體構造[4]》,揭露了人體在器官水平的構造。馬里·弗朗索瓦·沙維爾·比夏(Marie François Xavier Bichat,1771.11.14 - 1802.7.22)指出器官由低一層次的結構——組織(Tissue[5])組成。
1665年,羅伯特·虎克[6](Robert Hooke,1635.7.28 - 1703.3.3)命名了「細胞」,成為第一個觀察到細胞的人。不久,安東尼·菲利普·范·列文虎克(Antonie Philips van Leeuwenhoek,1632.10.24 - 1723.8.26)觀察到了不同形態的細菌、紅細胞、精子等,成為了第一個觀察到活細胞的人。馬爾塞洛·馬爾比基(Marcello Malpighi,1628.3.10 - 1694.11.29)廣泛觀察了動植物的微觀結構。
植物學家馬蒂亞斯·雅各布·施萊登(Matthias Jakob Schleiden,1804.4.5 - 1881.6.23)和動物學家特奧多爾·施旺(Theodor Schwann,1810.12.7 - 1882.1.11)分別於1838年和1839年提出了細胞學說。
卡爾·威廉·馮·耐格里(Carl Wilhelm von Nägeli,1817.3.26/27 - 1891.5.10)發現新細胞的產生是細胞分裂的結果。1858年,魯道夫·路德維希·卡爾·魏爾肖(Rudolf Ludwig Carl Virchow,1821.10.13 - 1902.9.5)總結出「細胞分裂產生新細胞」:
1995年,約翰·克萊格·文特爾(John Craig Venter,1946.10.14 - )領導團隊開始了組裝細胞的嘗試。
組成細胞的分子[編輯 | 編輯原始碼]
同自然界的許多物體一樣,細胞也是由分子組成的。細胞為什麼能表現出生命的特徵?是組成它的分子有什麼特殊之處嗎?這些分子在非生命物體中能不能找到?組成這些分子的元素,在非生命物體中能不能找到?這些分子又是怎樣構成細胞的呢?
鄒承魯(1923.5.17-2006.11.23):
細胞中的元素和化合物[編輯 | 編輯原始碼]
- 組成細胞的元素
生命活動的主要承擔者——蛋白質(Protein)[編輯 | 編輯原始碼]
組成細胞的有機物含量最多的是蛋白質。
- 胺基酸(英:Amino acid;日:アミノ
酸( ))及其種類
胺基酸是組成蛋白質的基本單位。
每種胺基酸分子至少都含有一個氨基(——NH2[14])和一個羧基(——COOH[15])。
在評價蛋白質食品的營養價值時,主要依據是其所含必需胺基酸的種類與數量。
- 蛋白質結構及其多樣性
一個胺基酸的氨基與另一個胺基酸的羧基相連接,脫去一分子水[16],形成肽鍵(——NH——CO——,peptide bond)。
多個由胺基酸縮合而成的鏈狀的多肽可以盤曲、摺疊,並可能由兩個巰基(——SH)脫去兩個氫原子形成二硫鍵(——S——S——)而相連,形成有一定空間結構的蛋白質。
胺基酸排列順序和肽鏈的盤曲、摺疊方式的差異造就了蛋白質結構的多樣性。
組成肽鏈後的胺基酸單體也叫「胺基酸殘基」。
- 蛋白質的功能
- 結構蛋白(Structural proteins)
- 組成細胞或生物體結構
- 功能蛋白
- 催化
- 運輸
- 免疫
- 傳遞信息,調節生命活動
- 結構蛋白(Structural proteins)
遺傳信息的攜帶者——核酸(Nucleic acid)[編輯 | 編輯原始碼]
核酸包括兩大類:脫氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)和核糖核酸(Ribonucleic acid,RNA)
核酸是細胞內攜帶遺傳信息的物質,在生物體的遺傳、變異和蛋白質的生物合成中具有極其重要的作用。
- 核酸在細胞中的分布
真核細胞的DNA主要分布在細胞核中。線粒體、葉綠體中也有少量DNA。RNA主要分布於細胞質中。- 實驗:觀察DNA和RNA在細胞中的分布
- 實驗原理:甲基綠(Methyl Green,CI 42585)使DNA呈現綠色,
吡( )羅紅使RNA呈現紅色[17];
鹽酸(即氫氯酸,HCl水溶液)能改變細胞膜的通透性,加速染色劑進入細胞,且使染色體中的DNA與蛋白質分離。
- 實驗原理:甲基綠(Methyl Green,CI 42585)使DNA呈現綠色,
- 實驗:觀察DNA和RNA在細胞中的分布
- 核酸是由核苷酸(Nucleotide)連接而成的長鏈
一個核苷酸是由一分子的含氮鹼基、一分子五碳糖和一分子磷酸組成的。
根據五碳糖的不同,可以將核苷酸分為脫氧核糖核苷酸(脫氧核苷酸)和核糖核苷酸。
DNA由兩條脫氧核苷酸鏈構成,RNA由一條核糖核苷酸鏈構成。
DNA與RNA各有4種鹼基。
DNA鹼基為腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鳥嘌呤(C)、胞嘧啶(G)。
RNA鹼基為腺嘌呤(A)、尿嘧啶(U)、鳥嘌呤(C)、胞嘧啶(G)。
其中共用的鹼基為ACG。
DNA具有特異性、多樣性。
細胞中的糖類(Carbohydrate)和脂質(Lipid)[編輯 | 編輯原始碼]
糖類是主要的能源物質。
- 細胞中的糖類
糖類分子都是由C、H、O三種元素構成的,又稱「碳水化合物」。- 單糖
單糖是不能水解的糖類,包括五碳糖[18]和六碳糖[19]兩個大類。 - 二糖
二糖是由兩分子單糖脫水縮合而成的糖類,必須被水解才能被細胞吸收。
常見的二糖有蔗糖(Sucrose)[20]、麥芽糖(Maltose)[21]和乳糖(Lactose)[22]。
蔗糖是生活中最常見的二糖。 - 寡糖
寡糖(Oligosaccharide)也稱「低聚糖」或「寡聚糖」,是由2-10個單糖分子相連形成的糖分子,是處於二糖與多糖之間的糖類。 - 多糖
生物體內的糖類大多數以多糖的形式存在。[23]
多糖主要有澱粉(Starch)[24]、糖原(Glycogen)[25]、纖維素(Cellulose)[26]幾種。
澱粉是最常見的多糖。
- 單糖
- 細胞中的脂質
組成脂質的元素主要有C、H、O,有些還有P和N。
習慣上,可以將不是大分子的脂質當做大分子對待。- 脂肪
脂肪是最常見的脂質。
1g脂肪氧化放出39kJ的能量,所以脂肪是細胞內良好的儲能物質。
脂肪還有保溫和緩衝減壓的作用。 - 磷脂
磷脂是構成生物膜系統的重要成分。 - 固醇
固醇類物質包括膽固醇、性激素和維生素D等。一般認為植物細胞中不含有膽固醇。
- 脂肪
- 生物大分子以碳鏈為骨架
每一個小分子單體都以若干個相連的碳原子構成的碳鏈為基本骨架,由許多單體連接成多聚體。
細胞中的無機物[編輯 | 編輯原始碼]
- 細胞中的水
水是構成細胞的重要化合物。在生物體中含量最多,一般在70%到90%左右。
水生生物含水量高於陸生生物;同一物種中,幼小個體含水量高於成年個體;同一個體中,幼嫩細胞含水量高於成熟細胞。
水在細胞中以兩種形式存在:- 結合水
結合水是少數被纖維素、澱粉、蛋白質、葡萄糖、胺基酸等清水分子及其離子物質以氫鍵、靜電引力吸附的水。大約占細胞內全部水分的4.5%。 - 自由水
自由水是以游離形式存在,可以自由流動的水。- 水的生物學功能
- 有較強的內聚力和表面張力。例子:植物導管中連續而不斷裂的水柱。
- 有較大的比熱與蒸發熱。
- 結合水的存在可保證多種親水大分子的結構穩定。例子:蛋白質失去結合水易發生凝聚沉澱而變性。
- 是細胞中良好的溶劑。
- 保證生物膜等細胞結構的穩定。
- 某些生化反應的原料。
- 水的生物學功能
- 結合水
- 細胞中的無機鹽
細胞中大多數無機鹽以離子的形式存在。
無機鹽可以維持細胞滲透壓平衡以及酸鹼平衡。
細胞是多種元素和化合物構成的生命系統。C、H、O、N等化學元素在細胞內含量豐富,是構成細胞內主要化合物的基礎;以碳鏈為骨架的糖類、脂質、蛋白質、核酸等有機化合物,構成了細胞大廈的基本框架;糖類和脂質提供了生命活動的重要能源;水和無機鹽與其他物質一道,共同承擔起構建細胞、參與細胞生命活動等重要功能。
細胞的基本結構[編輯 | 編輯原始碼]
雖然人類對細胞中的物質和結構已經有了深入的了解,但是至今也未實現人工組裝細胞。
不同的事實揭示同樣的道理:系統不是其組分的簡單堆砌,而是通過組分間結構和功能的密切聯繫,形成統一的整體。
《細胞生物學》:
細胞膜(Cell membrane)——系統的邊界[編輯 | 編輯原始碼]
- 細胞膜[28]的成分
細胞膜主要由脂質、蛋白質組成。另外還有少量糖類,主要以糖脂和糖蛋白形式存在- 膜脂:生物膜的基本組成成分,主要有:磷脂,膽固醇,糖脂。
- 磷脂:構成膜脂的主要成分,具有疏水的非極性的「尾部」與極性親水的頭部。在細胞膜上磷脂以磷脂雙分子層的形式存在磷脂雙分子層的形式存在。
- 膽固醇:烴類衍生物,不含脂肪酸,但理化性質與脂肪相接近。膽固醇存在於真核細胞膜中。動物細胞中膽固醇含量較高有的可以達到50%。大多植物細胞與細菌細胞質膜中沒有膽固醇。類似磷脂,膽固醇的極性端朝向細胞膜外側,疏水端埋在磷脂雙分子層中央。真核細胞中有大量膽固醇穿插在膜磷脂之間,加強膜脂雙層的穩定性,加強膜脂的有序性並降低流動性。膽固醇含量越高,細胞膜流動性越低。膽固醇也可參與形成細胞膜中的特殊成分——脂筏。
- 膜糖
- 真核細胞中膜糖是通過共價鍵同膜脂或膜蛋白連接。糖與胺基酸連接的方式主要有兩種,即N-連接,O-連接。N-連接是糖類與肽鏈中的天冬醯胺殘基相連,此方法較為普遍。O-連接是糖與肽鏈中的絲氨酸或蘇氨酸殘基相連。O-連接的糖鏈較短。
- 功能:提高生物膜的穩定性、增強對胞外蛋白酶的抗性、幫助膜蛋白摺疊與維持空間結構、參與細胞的信息交流,粘連、幫助新合成蛋白的運輸與定位等。
- 膜蛋白
根據與膜脂的關係分為整合蛋白、外周蛋白、脂錨定蛋白。- 整合蛋白:占大多數,又稱內在蛋白或跨膜蛋白,部分或全部鑲嵌在細胞膜中或細胞膜內外。
- 外周蛋白:又稱附著蛋白,完全裸露於細胞膜脂雙層內外兩側,通過非共價鍵附著在脂質的極性端或整合蛋白親水區一側。該蛋白間接與膜連接。
- 脂錨定蛋白:又稱脂連接蛋白,通過共價鍵與脂分子結合,位於脂雙層外側。
- 膜脂:生物膜的基本組成成分,主要有:磷脂,膽固醇,糖脂。
- 細胞膜的結構特化
細胞膜常帶許多特化的附屬結構,這對細胞執行特定功能方面有重要意義。- 微絨毛:指細胞表面深處的細長突起,廣泛存在於動物細胞表面。有利於促進細胞與外界的物質交換。不論微絨毛的長度與數量,都與細胞代謝強度有相應關係。
- 纖毛與鞭毛[29]:二者在本質上並無差別,都是「9(2)+2」的結構。有的細胞靠此行動,有的細胞則用此擺動物質穿過細胞表面進行物質運輸,如氣管上皮細胞。
- 細胞膜的功能
同時,細胞膜也有進行能量轉換的作用。
植物細胞細胞壁的成分主要是纖維素和果膠,有時也含有一些蛋白質,對植物細胞有支持和保護的作用。
一般認為只有在哺乳動物成熟的紅細胞中,才有細胞的表面積=0.5*空氣-水界面的磷脂膜面積。
細胞器(Organelle)——系統內的分工合作[編輯 | 編輯原始碼]
- 細胞器之間的分工
- 線粒體(Mitochondrion)
線粒體是細胞進行有氧呼吸的主要場所,由外膜、內膜、嵴、基質和膜間隙等結構構成。可用光學顯微鏡觀察,但若要觀察結構需藉助電子顯微鏡。
一個細胞中可能不止一個線粒體,其在代謝率高的細胞中數量較多。- 結構
- 雙層膜結構
- 外膜:平滑,只含有少量酶,含有空洞蛋白通道,通透性較大。外膜與內膜之間的膜間腔成分與細胞質的溶膠類似。含有14種蛋白質。
- 內膜:反覆摺疊形成嵴,膜上主要存在呼吸電子傳遞鏈載體、ADP-ATP轉位酶、ATP合成酶等。通透性小。含有21種蛋白質。
- 結構
- 葉綠體(Chloroplast)由前質體(Proplastid)發育而來的球形或橢球形細胞器,是綠色植物進行光合作用的場所,由外膜、內膜、基粒、基質和類囊體等結構構成。
葉綠體在弱光條件下以橢球形正面朝向光源以獲得更多光能,在強光條件下以側面朝向光源以防止被灼傷。
葉綠體在光下合成。- 實驗:用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體。
實驗原理:健那綠(Janus green B)染液可以是活細胞中的線粒體呈現藍綠色;
葉綠體呈綠色;
葉肉細胞中有葉綠體;
葉片下表皮為海綿組織,易撕且葉綠體大。
同時,因葉綠體不斷在活細胞的細胞質內逆時針流動,所以其為觀察細胞流動的標誌物。
- 實驗:用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體。
- 內質網(Endoplasmic reticulum)是由單層膜連接而成的網狀結構,根據表面有無核糖體附著可分為粗面內質網與光面內質網,分別負責蛋白質的合成加工[31]與脂質的合成。
- 高爾基體(Golgi apparatus)由單層膜構成,負責對來自內質網的蛋白質進行加工、分類和包裝,且與植物細胞細胞壁的形成有關。
- 溶酶體(Lysosome)含有多種水解酶,能分解衰老、損傷的細胞器,吞噬並殺死侵入細胞的病毒或細菌。
- 液泡(Vacuole)主要存在於植物細胞中,內有細胞液[32],含糖類、無機鹽、蛋白質等物質,可以調節植物細胞內的環境並使植物細胞保持堅挺。
- 中心體(Centrosome)存在於動物細胞和某些低等植物[33]細胞中,由兩個互相垂直排列的中心粒(Centriole)及周圍物質組成,與細胞的有絲分裂有關。
- 核糖體(Ribosome)附著在內質網上或者游離在細胞質中,由rRNA與蛋白質構成,是肽鏈合成的場所。
分泌蛋白一般在附著於內質網的核糖體上形成,而胞內蛋白則一般在游離的核糖體上合成[34]。 - 線粒體、葉綠體具有雙層膜結構,且同時擁有DNA[35]與RNA,可在光學顯微鏡下被觀察到。
內質網、高爾基體、溶酶體、液泡具有單層膜結構。
中心體、核糖體不具有膜結構。
在細胞質中,還存在著由水、無機鹽、脂質、糖類、胺基酸、核苷酸和多種酶組成的呈膠質狀態的細胞質基質。
在真核細胞中,還存在著由蛋白質纖維組成的負責維持細胞形態、保持細胞內部結構有序性的細胞骨架(Cytoskeleton)。
- 線粒體(Mitochondrion)
- 細胞器之間的協調配合
案例:分泌蛋白[36]的合成與運輸- 由內質網上的核糖體將胺基酸脫水縮合成肽鏈之後進入內質網,形成有一定空間結構的蛋白質;內質網出芽形成囊泡包裹其離開內質網,進入高爾基體進行進一步的修飾加工,再形成囊泡將其分泌出細胞外。[37]而這些活動所需的能量均來自線粒體。
- 細胞的生物膜系統(Biological membrane system[38])
細胞器膜和細胞膜、核被膜等結構,共同構成生物膜系統,在結構上具有一定的連續性[39]。- 生物膜系統使細胞具有一個相對穩定的內部環境。
- 生物膜系統廣闊的膜面積為多種酶提供了大量的附著位點,許多重要的化學反應都在生物膜上進行。
- 生物膜系統把各種細胞器分隔開,保證了細胞生命活動高效、有序地進行。
一般認為原核細胞具有生物膜結構,但不具有生物膜系統。
內質網膜最大!
阿爾伯特·克勞德(Albert Claude,1899.8.24 - 1983.5.22)發明了分離細胞各組分的差速離心法。
克里斯蒂安·雷內·馬里·約瑟夫·德迪夫(Christian René Marie Joseph de Duve,1917.10.2 - 2013.5.4)提出並證實了細胞器膜的存在。
喬治·埃米爾·帕拉德(George Emil Palade,1912.11.19 - 2008.10.8)發現了核糖體和線粒體的結構,推測並證實了分泌蛋白的分泌過程。
以上三人共同獲得1974年諾貝爾生理學或醫學獎:
細胞核(Nucleus)——系統的控制中心[編輯 | 編輯原始碼]
- 細胞核的功能
細胞核控制著細胞的代謝和遺傳。
- 細胞核的結構
核被膜(Nuclear membrane[40])是雙層膜,把核內物質與細胞質分開,具有選擇透過性,為生化反應提供場所,也可調節遺傳物質表達。
染色質(Chromatin)由DNA和蛋白質組成,分裂時螺旋化形成染色體(Chromosome)[41]。
核仁(Nucleolus)與真核細胞中rRNA的合成與核糖體的形成有關,在光學顯微鏡下可見。
核孔(Nuclear pore)為細胞核與細胞質之間頻繁的大分子物質交換提供了方便。
細胞核是遺傳信息庫,是細胞代謝和遺傳的控制中心。
細胞和核細胞質相互依存、分工合作成為一個整體,使生命活動能夠在變化的環境中自我調控並高度有序地進行。
細胞既是生物體結構的基本單位,也是生物體代謝和遺傳的基本單位。
細胞物質的輸入和輸出[編輯 | 編輯原始碼]
細胞是一個開放的系統,每時每刻都與環境進行著物質的交換。物質的進進出出都要經過細胞的邊界——細胞膜。細胞內外的許多物質並不能自由地出入細胞,細胞膜能夠對進出細胞的物質進行選擇。
《細胞生物學》:
物質跨膜運輸的實例[編輯 | 編輯原始碼]
- 細胞的吸水和失水
植物細胞中細胞膜和液泡以及兩層膜之間的細胞質稱為原生質層(Protoplast layer)[42],其相當於一層半透膜。
當外界溶液濃度[43]比細胞質的濃度低時,細胞吸水膨脹,此時該溶液叫細胞質的低滲溶液;
當外界溶液濃度比細胞質濃度高時,細胞失水皺縮,此時該溶液叫細胞質的高滲溶液;
當外界溶液濃度與細胞質濃度相等時,水分子進出細胞處於動態平衡,此時該溶液叫細胞質的等滲溶液。
在植物細胞[44]中,由於細胞原生質層的伸縮性比細胞壁大,所以在細胞失水皺縮的時候會出現質壁分離現象,質壁分離後的細胞若在一定時間內被浸入稀溶液中則會發生質壁分離的復原[45]。- 實驗:植物細胞的吸水與失水
實驗原理:植物細胞的細胞膜與中央液泡[46]膜間的原生質層相當於一層半透膜,不能使蔗糖分子透過而可以使水分子透過;
洋蔥外層鱗片葉的細胞液為紫色,易於觀察。
- 實驗:植物細胞的吸水與失水
- 物質跨膜運輸的其他實例
細胞膜和其他生物膜都是選擇透過性膜。
生物膜的流動鑲嵌模型(Fluid mosaic model)[編輯 | 編輯原始碼]
- 對生物膜結構的探索歷程
19世紀末,查爾斯·歐內斯托·歐文頓(Charles Ernest Overton,1865 - 1933)根據實驗結果提出:膜是由脂質組成的。
1925年,艾弗特·戈特(Evert Gorter,1881.2.19 - 1954.2.17)和弗朗索瓦·格倫德爾(François Grendel)得出「細胞膜中的脂質分子排列為連續的兩層」的結論。
1959年,J·大衛·羅伯特森(J. David Robertson)提出了生物膜由蛋白質-脂質-蛋白質三層結構組成的三明治模型[47]。
1972年,塞莫·喬納森·桑格(Seymour Jonathan Singer,1924 - )和加思·L·尼克森(Garth L. Nicolson,1943.10.1 - )提出的流動鑲嵌模型最為人所接受。
- 流動鑲嵌模型的基本內容
由兩層頭外尾內的磷脂分子構成的磷脂雙分子層構成了膜的基本支架,這個基本支架不是靜止的,而具有一定的流動性。膜上非對稱分布的蛋白質分子也是可以運動的。
即細胞膜的結構特點為流動性,其受到溫度影響。
物質跨膜運輸的方式[編輯 | 編輯原始碼]
物質順濃度梯度的擴散被稱為被動運輸(Passive transport),逆濃度梯度的擴散被稱為主動運輸(Active transport)。
- 被動運輸
- 主動運輸
像Na+、K+、Ca2+等離子逆濃度梯度運輸需要載體蛋白的協助。同時還需要消耗細胞內化學反應所釋放的能量,這種方式叫主動運輸。
細胞還可以通過消耗能量,以胞吞或者胞吐的方式來攝取或者外排大分子物質[51]。同時,對於顆粒性大物質也可以通過胞飲進行運輸。
爭議:當下學術界對於胞吞和胞吐是否屬於跨膜運輸存在爭議。
物質進出細胞的方式因細胞種類、物質種類而異。
植物細胞還可以通過吸脹作用(Imbibition)吸水。
細胞的能量供應和應用[編輯 | 編輯原始碼]
細胞作為一個基本的生命系統,只有不斷輸入能量,才能維持生命活動的有序性。
太陽能幾乎是所有生命系統能量的最終源頭。外界能量輸入細胞,並為細胞所利用,都要經過複雜的化學反應。
新葉伸向和煦的陽光,
蚱蜢覬覦綠葉的芬芳。
它們為生存而獲取能量,
能量在細胞里流轉激盪!
降低反應活化能的酶[編輯 | 編輯原始碼]
酶的作用和本質[編輯 | 編輯原始碼]
細胞中每時每刻都進行著許多化學反應,統稱為細胞代謝(Cellular metabolism)。
- 酶(Enzyme)在細胞代謝中的作用
分子從常態轉變為容易發生化學反應的活躍狀態所需要的能量被稱為活化能(Activation energy)。
同無機催化劑相比,酶降低活化能的作用一般更顯著,因而催化效率更高。酶可以在細胞中、內環境中與體外發揮作用。- 實驗:比較過氧化氫在不同條件下的分解
實驗原理:常溫下過氧化氫緩慢分解生成氧氣和水;
高濃度的氧氣能使帶火星的衛生香復燃;
Fe3+和過氧化氫酶能催化該反應
加熱能夠促進該反應的進行。
- 實驗:比較過氧化氫在不同條件下的分解
- 酶的本質
1773年,拉扎羅·斯帕蘭扎尼(Lazzaro Spallanzani,1729.1.10 - 1799.2.12)對鷹做了關於消化系統的實驗,敲開了酶的大門。
1857年,路易·巴斯德(Louis Pasteur,1822.12.27 - 1895.9.28)通過顯微鏡的觀察,提出酒的發酵是由於酵母菌的存在。而尤斯圖斯·弗賴赫爾·馮·李比希(Justus Freiherr von Liebig,1803.5.12 - 1873.4.18)則認為該過程是酵母菌細胞內的某些物質在細胞死亡並裂解之後作用的結果。愛德華·畢希納(Eduard Buchner,1860.5.20 - 1917.8.13)首次獲得了不含細胞而含有酶的提取液。詹姆斯·巴徹勒·薩姆納(James Batcheller Sumner,1887.11.9 - 1955.8.12)在1926年從丙酮提取液中獲得了脲酶結晶,並證明了酶是一種蛋白質。
20世紀80年代,托馬斯·羅伯特·切赫(Thomas Robert Cech,1947.12.8 - )和西德尼·奧特曼(Sidney Altman,1939.5.7 - )發現了少數RNA也具有催化作用,共同分享了1989年的諾貝爾化學獎:
酶的特性[編輯 | 編輯原始碼]
酶是活細胞產生的具有催化作用的有機物,其中絕大多數是蛋白質。
- 酶具有高效性
酶的催化效率是無機催化劑的107~1013倍。 - 酶具有專一性
酶的專一性保證了細胞代謝能夠有條不紊地進行。
在進行唾液澱粉酶的專一性實驗時,不宜使用I2作為檢測劑。 - 酶的作用條件較溫和
酶所催化的化學反應一般是在比較溫和的條件下進行的。由酶催化的反應叫做酶促反應(Enzyme catalysis),酶對化學反應的催化效率叫做酶活性。
一般來說,動物體內的酶最適溫度在35~40℃之間,植物體內的酶最適溫度在40~50℃之間。
動物體內的酶最適pH大多在6.5~8.0之間,植物體內的酶的最適pH大多在4.5~6.5之間。
過酸、過鹼或溫度過高,會使酶的空間結構遭到破壞,使酶永久失活。
0℃左右時,酶的活性很低,但酶的空間結構穩定。因此,酶製劑適宜在0-4℃的低溫下保存。
底物濃度與酶濃度通過影響酶與底物的接觸面積而影響酶促反應速率,它們不影響酶的活性。
因為高溫可催化H2O2分解,所以不用H2O2酶檢驗溫度對酶的活性的影響;因為酸會催化澱粉水解,所以不用唾液澱粉酶檢驗pH值對酶活性的影響。
細胞的能量「通貨」——ATP[編輯 | 編輯原始碼]
- ATP(Adenosine triphosphate)分子中具有高能磷酸鍵
ATP的結構簡式可簡寫成「A-P~P~P」,其中的A代表腺苷,P代表磷酸基團。
高能磷酸鍵水解時釋放的能量多達30.54kJ/mol,所以說ATP是細胞內的一種高能磷酸化合物。
- ATP和ADP(Adenosine diphosphate)可以相互轉化
ATP在有關水解酶的作用下很容易水解,形成游離的磷酸與ADP,同時放出大量能量。在有關酶的催化作用下,ADP可以與磷酸結合,吸收能量,形成ADP[54]
ATP與ADP的相互轉化時刻不停地發生,處於動態平衡。
對於動物、真菌與絕大多數細菌而言,ADP轉化為ATP的能量來自於呼吸作用所釋放的化學能;對於綠色植物而言,該過程還利用了光合作用產生的光能。
- ATP的利用
細胞內的吸能反應一般與ATP的水解反應相聯繫,由ATP的水解提供能量;放能反應一般與ATP的合成相聯繫,釋放的能量儲存在ATP中。
ATP的主要來源——細胞呼吸[編輯 | 編輯原始碼]
細胞呼吸(Cellular respiration)是指有機物在細胞內經過一系列的氧化分解,生成二氧化碳或其他產物,釋放出能量並生成ATP的過程。
由於呼吸作用是在細胞內進行的,所以細胞呼吸就是呼吸作用。
- 細胞呼吸的方式
細胞呼吸可分為有氧呼吸(Aerobic respiration)和無氧呼吸(Anaerobic respiration)兩種類型。- 實驗:探究酵母菌細胞呼吸方式
實驗原理:NaOH溶液可以吸收空氣中的二氧化碳
二氧化碳可以使澄清石灰水變渾濁,也可以使溴麝香草酚藍水溶液由藍變綠再變黃。
橙色的酸性重( )鉻酸鉀溶液可與酒精發生化學反應變為灰綠色。
將酵母菌培養液煮沸可以實現滅菌並除去液體中的溶解氧,為酵母菌營造無氧環境。
- 實驗:探究酵母菌細胞呼吸方式
- 有氧呼吸
對於絕大多數生物而言,有氧呼吸是細胞呼吸的主要形式,它的主要場所是線粒體。
有氧呼吸是指細胞在氧的參與下,通過多種酶的催化作用,把葡萄糖[55]徹底氧化分解,產生二氧化碳和水,釋放能量,生成大量ATP的過程。[56]
有氧呼吸的全過程十分複雜,可以概括地分為三個階段:- 1分子的葡萄糖分解成2分子的丙酮酸,並產生少量的還原氫[57],並且釋放出少量能量。這一階段在細胞質基質中進行。
- 丙酮酸和水徹底分解成二氧化碳和還原氫,並釋放出少量能量。這一階段在線粒體基質中進行。
- 上述兩個階段產生的還原氫,經過一系列的化學反應,與氧結合生成水,同時釋放出大量的能量。這一階段在線粒體內膜上進行。
其化學反應式可以簡寫成:
C6H12O6+6H2O+6O2
- 無氧呼吸
除酵母菌以外,還有許多種細菌和真菌能夠進行無氧呼吸。此外,馬鈴薯塊莖、蘋果果實等植物器官的細胞以及動物骨骼肌的肌細胞等,在缺氧條件下也能進行有氧呼吸。
無氧呼吸的全過程,可以概括地分為兩個階段,這兩個階段需要不同的酶催化,但都是在細胞質基質中進行的。- 與有氧呼吸第一個階段完全相同。
- 丙酮酸在不同酶的催化作用下,分解成酒精和二氧化碳或轉化成乳酸。此階段不釋放能量。
酵母菌、乳酸菌等的微生物的無氧呼吸也叫做發酵,根據生成物的不同,可以分為酒精發酵和乳酸發酵。
- 細胞呼吸原理的應用
- 包紮傷口時,選用透氣材料以抑制厭氧細菌繁殖。
- 在控制通氣的情況下,利用酵母菌和其他原料生產酒;利用醋酸桿菌生產食醋;利用穀氨酸棒狀桿菌生產味精。
能量之源——光與光合作用(Photosynthesis)[編輯 | 編輯原始碼]
捕獲光能的色素結構[編輯 | 編輯原始碼]
將光能轉換成細胞能夠利用的化學能的是光合作用。
- 捕獲光能的色素
綠葉中的色素有4中,它們可以歸納為兩類:- 葉綠素(含量占¾):
- 葉綠素a(藍綠色),含量最多,溶解度較低;
- 葉綠素b(黃綠色),含量較多,溶解度最低。
- 類胡蘿蔔素(含量占¼):
- 胡蘿蔔素(橙黃色),含量最少,溶解度最高;
- 葉黃素(黃色),含量較少,溶解度較高。
- 實驗:綠葉中色素的提取和分離
實驗原理:色素[58]易溶於無水乙醇、丙酮、汽油等有機溶劑;
二氧化矽有助於充分研磨,使色素流出;
碳酸鈣能中和細胞內的有機酸,防止色素被破壞。
- 葉綠素(含量占¾):
葉綠素a和葉綠素b主要吸收藍紫光和紅光,胡蘿蔔素和葉黃素主要吸收藍紫光。因為光合作用主要利用可見光,故可用可見光的吸收光譜判斷其種類。同時,只有葉綠素a能進行光能到化學能的能量轉換。
陰生植物對光能的利用率普遍高於陽生植物。在水體中,藻類由淺至深綠藻—褐藻—紅藻的垂直分層現象與其光合色素對不同光色的吸收與對光能的利用率不同有關。
1865年,尤里烏斯·馮·薩克斯(Julius von Sachs,1832.10.2 - 1897.5.29)發現葉綠素並非普遍分布於植物的細胞中,而是集中在一個被後人稱之為「葉綠體」的結構中。
- 葉綠體的結構
在光學顯微鏡下[59],絕大多數植物的葉綠體呈扁平的橢圓形或球形;在電子顯微鏡下,葉綠體的外表有雙層膜,內部有許多基粒,基粒之間充滿了基質。每個基粒都由一個個圓餅狀的囊狀結構堆疊而成。
這些囊狀結構稱為類囊體,吸收光能的四種色素,就分布在類囊體的薄膜上。廣闊的類囊體薄膜面積不僅大大擴展了受光面積,也為參與光合作用的酶提供了大量的附著位點。
1880年,西奧多·威廉·恩格爾曼(Theodor Wilhelm Engelmann,1843.11.14 - 1909.5.20)把載有水綿[60]和好氧細菌的臨時裝片放在沒有空氣的黑暗環境中,然後用極細的光束照射水綿,發現好氧細菌只向葉綠體被光束照到的部位集中;如果臨時裝片暴露在光下,細菌則分布在葉綠體的所有受光部位。
葉綠體是進行光合作用的場所。它內部巨大的膜表面上,不僅分布著許多吸收光能的色素分子,還有許多進行光合作用所必需的酶。
光合作用的原理和應用[編輯 | 編輯原始碼]
光合作用是指綠色植物通過葉綠體,利用光能,把二氧化碳和水轉化成儲存著能量的有機物,並且釋放出氧氣的過程。
- 光合作用的探究歷程
1771年,約瑟夫·普利斯特利(Joseph Priestley,1733.3.24 - 1804.2.6)通過實驗證實,植物可以更新因蠟燭燃燒或小白鼠呼吸而變得污濁的空氣,但他沒有發現光在植物更新空氣中的作用。
1779年,簡·英格豪斯(Jan Ingen-housz[61],1730.12.8 - 1799.9.7)發現普利斯特利的實驗只有在陽光照射下才能成功,植物體只有綠葉才能更新空氣。
1785年,安托萬-勞倫·德·拉瓦錫(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743.8.26 - 1794.5.8)發現了空氣的組成後,人們才明確綠葉在光下放出氧氣二吸收二氧化碳。
1845年,尤里烏斯·羅伯特·馮·梅耶(Julius Robert von Mayer,1814.11.25 - 1878.3.20)根據能量守恆定律指出,植物進行光合作用時,把光能轉換成化學能儲存起來。
1864年,尤里烏斯·馮·薩克斯將綠葉在暗處放置數小時,以消耗葉片中的營養物質,而後將葉片一半曝光,一半遮光。一段時間後,用碘蒸氣處理葉片,發現曝光的一半呈深藍色,而另一半沒有。該實驗說明了光合作用的產物除了氧氣外還有澱粉。
1941年,山姆·魯賓(Sam Ruben,1913.11.5 - 1943.9.28)和馬丁·大衛·卡門(1913.8.27 - 2002.8.31)利用同位素標記法,將18O[62]分標記H2O和CO2,證明了光合作用釋放的氧氣來自水。
20世紀40年代,梅爾文·埃利斯·卡爾文(Melvin Ellis Calvin,1911.4.8 - 1997.1.8)利用放射性同位素14C標記了CO2,探明了CO2中的碳轉化為有機物中的碳的途徑,即卡爾文循環。
- 光合作用的過程
光合作用的過程可以用如下反應式來概括:
CO2+H2O→( )(CH2O)[63]+O2- 碳反應階段
光合作用第一個階段的化學反應,必須有光才能進行,這個階段叫做碳反應階段。
碳反應階段的化學反應是在類囊體的薄膜上進行的。
葉綠素和類胡蘿蔔素吸收的光能,有以下兩個用途:- 將水分解成氧和還原氫[64],氧直接以分子形式釋放出去,還原氫則被作為活潑的還原劑傳遞到葉綠體基質中參加暗反應。
- 在酶的催化下,促使ADP和Pi反應生成ATP,為暗反應提供能量。
- 暗反應階段
光合作用第二個階段中的化學反應,有沒有光都可以進行,這個階段叫做暗反應階段。
暗反應階段的化學反應是在葉綠體基質中進行的。
在暗反應階段中,每個植物從空氣中吸收的CO2與植物體內的一個一種五碳化合物結合,形成兩個三碳化合物分子,並在酶的催化下,接受ATP中的能量,被還原氫還原成糖類與一分子五碳化合物,促使暗反應繼續進行下去。
- 碳反應階段
- 光合作用原理的應用
在農業生產中,人們可以通過控制光照強度、溫度、CO2濃度[65]、水分、土壤pH值和礦物質含量等提高植物光合作用強度,從而提高產量。植物葉片表面積和葉齡(影響葉綠體與光合色素含量)也會影響植物光合作用強度。在冬天,光合作用的主要限制因素是濕度。
表示方法 | 真光合量[66] | 淨光合量[67] | 呼吸量 |
---|---|---|---|
CO2 | CO2固定量 | CO2吸收量 | 黑暗條件下的CO2釋放量 |
O2 | O2生成量 | O2釋放量 | 黑暗條件下的O2消耗量 |
有機物 | 有機物合成量 | 有機物積累量 | 黑暗條件下的有機物消耗量 |
- 化能合成作用
在自養生物中,除了依靠光合作用獲得有機物的生物,還有少數細菌能夠通過將土地中的氨氧化成亞硝酸,繼而氧化成硝酸獲得能量以製造有機物。同樣地,鐵細菌能把亞鐵離子氧化成鐵離子、氫細菌能把H2氧化成H2O以獲得能量。這種通過氧化無機物而獲得能量的化學反應過程叫做化能合成作用。
細胞的生命歷程[編輯 | 編輯原始碼]
和生物個體一樣,細胞也會經過從出生到死亡的生命歷程。它們的生命大多短暫,但對個體的生命有不可忽視的影響。
鮮花吐蕊,綠葉蔥蘢,
抑或花瓣凋落,枯葉飄零,
展示著個體的生命現象,
折射出細胞的生命歷程。
細胞的增殖[編輯 | 編輯原始碼]
多細胞生物體積的增大,即生物體的生長,即靠細胞生長增大細胞體積,也靠細胞分裂增加細胞的數量。
- 細胞不能無限長大
細胞表面積與體積的關係限制了細胞的長大。- 實驗:細胞大小與物質運輸的關係
實驗原理:酚酞和NaOH反應顯紅色;
NaOH溶液可浸入瓊脂塊。
- 實驗:細胞大小與物質運輸的關係
- 有絲分裂
有絲分裂(Mitosis)是真核細胞分裂的主要方式。
連續分裂的細胞,從一次分裂完開始,到下一次分裂完成時為止,為一個細胞周期(Cell cycle[70])
在細胞一次分裂之後到下一次分裂之前的時間叫做分裂間期(Interphase),占細胞周期的90%-95%。在分裂間期,細胞完成DNA分子的複製和有關蛋白質的合成,同時細胞有適度的生長。動物細胞的中心粒在此期間倍增。
分裂間期結束之後,就進入了分裂期(Mitotic Phase)。分裂期可分為前期、中期、後期和末期四個部分:
- 無絲分裂
像蛙的紅細胞一樣,細胞無絲分裂的過程一般是細胞核先延長,然後細胞從中間縊裂成兩個部分。整個分裂過程沒有出現紡錘絲和染色體。
細胞的分化[編輯 | 編輯原始碼]
- 細胞的分化及其意義
在個體發育中,由一個或一種細胞增殖產生的後代,在形態、結構和生理功能上發生穩定性差異的過程,叫做細胞分化(Cellular differentiation[76])
細胞分化是一種持久性的變化,是生物界中普遍存在的生命現象,是生物個體發育的基礎。
細胞分化使多細胞生物體中的細胞專門化,提高了生物體各種生理功能的效率。
- 細胞的全能性
細胞的全能性是指已經分化了的細胞,仍然具有發育成完整個體的潛能。
人類已經可以利用植物細胞的全能性,通過植物組織培養快速繁殖植物;但人類還沒有成功地利用單個已分化的動物細胞培育成一個完整的動物個體。
動物中少數仍能增殖分化的正常細胞被稱作幹細胞(Stem cell)。
爭議:當下學術界有兩派觀點,一派認為所有動物細胞具有全能性,只是人類尚不能對其加以利用;另一派認為只有未高度分化的動物細胞和所有的動物細胞核具有全能性。
細胞的衰老和凋亡[編輯 | 編輯原始碼]
- 個體衰老和細胞衰老的關係
在多細胞生物體中,總有一部分細胞正在衰老或者走向死亡。
多細胞生物個體衰老的過程是個體細胞普遍衰老的過程。
- 細胞衰老的特徵
- 細胞內水分減少,使細胞萎縮變小,新陳代謝速率減慢。
- 細胞內酶的活性降低。酪氨酸酶的活性降低使黑色素合成減少,體現為頭髮變白。
- 細胞內色素沉積,形成老年斑。
- 細胞內呼吸速率減慢。為了更好地控制細胞生命活動,細胞核體積增大,核膜內折,染色質收縮,染色加深。
- 細胞膜通透性改變,運輸效率降低。
- 細胞衰老的原因
關於細胞衰老的原因,學術界主要有以下兩派觀點:- 自由基學說:自由基是異常活潑的帶電分子或基團,可以從細胞內的各種化學反應中產生,或由電離輻射照射產生。自由基能夠攻擊細胞內執行正常功能的分子,能夠損傷生物膜、使蛋白質活性下降且造成基因突變。
- 端粒學說:端粒是染色體兩端特殊序列的DNA,每次分裂後截短一段。當端粒DNA序列被截完後,正常DNA會受到損傷,使細胞活動漸趨異常。
- 細胞的凋亡
由基因決定的細胞自動結束生命的過程,就叫細胞凋亡(Apoptosis),也稱「細胞編程性死亡(Programmed cell death)」。
細胞凋亡對於多細胞生物體的正常發育、維持內環境穩態和抵禦外界因素干擾有重要意義。
細胞壞死和細胞凋亡不同,細胞壞死是在不利因素的作用下,細胞正常代謝活動受損或中斷而導致的細胞損傷或死亡。
細胞的癌變[編輯 | 編輯原始碼]
有些細胞受到致癌因子的作用,細胞中遺傳物質發生變化,變成不受機體控制的、連續進行分裂的惡性增殖細胞,即癌細胞(Cancer cell)。
- 癌細胞的主要特徵
癌細胞具有以下特徵:- 在適宜的條件下,癌細胞可以無限增殖。
- 癌細胞的形態結構發生變化,一般呈球形。
- 癌細胞的表面發生變化,細胞膜上的糖蛋白減少,黏著性降低。
- 致癌因子
致癌因子是通過誘發原癌基因和抑癌基因突變而導致癌症的因子,可以大致分為三類:- 物理致癌因子:主要是電離輻射。
- 化學致癌因子:如石棉、砷化物、鉻化物等無機物以及聯苯胺、烯環烴、亞硝胺等有機物,至少有數千種之多。
- 病毒致癌因子:通過將自身DNA整合進入寄主細胞核染色體DNA序列中,破壞相關基因,誘發細胞癌變的病毒,如Rous肉瘤病毒等。
你好,我是達契奇娘,來實習的看板娘☆~!我才不胖的說☆~!
學習該知識點需要注意以下幾點:
- 日常生活遠離致癌因子,不抽菸、不酗酒,不吃發霉、燒焦的食品,少吃高脂肪和熏制食品。
- 癌症(Cancer)是威脅人類健康最嚴重的疾病之一,癌症導致的死亡數僅次於心血管疾病。
- 人類已經可以通過切片觀察、CT、核磁共振等先進手段診斷癌症,也可以通過手術、化療和放療等手段縮小對癌症的包圍圈。
- 目前,科學家們正在試圖從細胞和基因水平上尋找治癒癌症的方法。
- 人類必將勝利!
- Ураааааааа!
遺傳與進化[編輯 | 編輯原始碼]
遺傳因子的發現[編輯 | 編輯原始碼]
八年耕耘源於對生命的痴迷,
一畦畦豌豆蘊藏遺傳的秘密。
實驗設計開闢了研究的新路,
數學統計揭示出遺傳的規律。
孟德爾的豌豆雜交實驗(一)[編輯 | 編輯原始碼]
在漫長的時間裡,人們都持融合遺傳的觀點,直到一位偉人的誕生……
19世紀中期,一位奧地利神父——格里戈爾·約翰·孟德爾(Gregor Johann Mendel,1822.7.20 - 1884.1.6)在自己的修道院用8年時間,對豌豆、山柳菊、玉米等多種作物進行了遺傳研究,其中關於豌豆的實驗非常成功。孟德爾通過分析豌豆雜交實驗的結果,發現了生物遺傳的規律。
孟德爾的豌豆實驗成功的客觀原因主要有以下幾點:
- 豌豆是兩性花,且只進行有性生殖[77]。
- 豌豆自花傳粉,且閉花受粉,所以在自然狀態下一般是純種。
- 豌豆植株有易於區分的性狀(Phenotypic trait[78])。
- 豌豆花較大,易於進行人工操作。
像豌豆的圓粒和皺粒、黃子葉和綠子葉一樣,一種生物同一種性狀的不同表現,叫做相對性狀。性狀由相應的核酸控制,由蛋白質體現。
孟德爾選中了7對相對性狀,遵循單一變量原則,分別對它們進行了研究。人工傳粉時,需要在母本成熟前,將母本的雄蕊全部剪除,即去雄。然後,套上紙袋以防止外來花粉干擾。等雌蕊成熟後,將父本花粉撒在母本雌蕊柱頭上,再次套袋。
- 一對相對性狀的雜交實驗
孟德爾用純種高莖豌豆和純種矮莖豌豆用作親本(Parent)進行雜交(Cross),發現無論是正交還是反交(Reciprocal cross),子一代(F1 hybrid[79])總是高莖的。而在子二代中則同時出現了兩種性狀。
孟德爾定義F1中顯現出來的性狀為顯性性狀(Dominance[80]),未顯現出來的形狀為隱性性狀(Recessive character)。在雜種後代中,同時出現顯性性狀和隱性性狀的現象叫做性狀分離[81]。
同時,孟德爾運用統計學知識研究後發現,在樣本足夠的情況下,F2出現了3:1的性狀分離比。
- 對分離現象的解釋
孟德爾經過統計分析,果斷摒棄了融合遺傳的觀點,提出了如下假說:以下部分為背誦段落- 生物的性狀是由遺傳因子(Hereditary factor)決定的,其中決定顯性性狀的為顯性遺傳因子,決定隱性性狀的為隱性遺傳因子。
- 體細胞中遺傳因子是成對存在的。遺傳因子組成相同的個體叫做純合子,遺傳因子組成不同的個體叫做雜合子。純合子自交後代仍為純合子,其性狀能穩定遺傳;雜合子自交後代出現性狀分離。
- 生物體在形成配子時,成對的遺傳因子彼此分離,配子只含有其中的一個。
- 受精時,雌雄配子的結合是隨機的。
- 實驗:性狀分離比的模擬
實驗原理:兩個小桶內的彩球可以分別代表雌雄配子;
不同顏色彩球的隨機結合可以模擬雌雄配子的隨機結合[82]。
- 對分離現象解釋的驗證
孟德爾巧妙地設計了測交(Test cross)實驗,讓F1與隱性純合子雜交,出現了接近1:1的性狀分離比,驗證了他的假說。- 假說—演繹法
孟德爾開創性地使用了以果推因的假說—演繹法,獲得了極大成功。該方法主要由以下幾步構成:- 提出問題:在孟德爾的遺傳研究中表現為進行豌豆雜交試驗,發現問題。
- 提出假說。
- 演繹推理。
- 實驗驗證:在孟德爾的遺傳研究中表現為進行豌豆測交試驗,印證假說。
- 得出結論[83]。
- 鑑定雜合子與純合子
- 測交:可以比較直觀地得出結論。如果被檢驗的生物個體為進行有性生殖的動物,那麼必須將該個體與多個異性個體雜交。
- 自交:只用於只進行有性生殖的植物。
- 花粉鑑定:通過光學顯微鏡檢驗花粉遇碘的顏色變化,可以最直接地得出結論。
- 假說—演繹法
- 分離定律
孟德爾對一對相對性狀遺傳的解釋,被後人概括為孟德爾第一定律,即分離定律(Law of Segregation):在生物的體細胞中,控制同一性狀的遺傳因子成對存在,不相融合;在形成配子時,成對的遺傳因子發生分離(實質),分離後的遺傳因子分別進入不同的配子中,隨配子遺傳給後代。
孟德爾的豌豆雜交實驗(二)[編輯 | 編輯原始碼]
孟德爾完成了豌豆一對性狀的研究之後,開始以豌豆子葉顏色、種子形狀為對象,對兩種相對性狀的遺傳規律開始了研究。
- 兩對相對性狀的雜交實驗
孟德爾用純種黃色圓粒豌豆和純種綠色皺粒豌豆用作親本進行雜交,發現無論正交還是反交,F1均為黃色圓粒。但在F1自交產生的F2中,出現了6/16的親本沒有的重組型性狀組合——綠色圓粒和黃色皺粒。
孟德爾還發現,在F2黃色圓粒:綠色圓粒:黃色皺粒:綠色皺粒的比率為315:108:101:32,接近於9:3:3:1!
在對每一對性狀單獨進行分析之後,孟德爾發現,F2的性狀分離比仍然接近3:1。這表明,每一對相對性狀的遺傳都遵循了分離定律。
- 對自由組合現象的解釋
孟德爾對自由組合現象作出了以下解釋:- 每對遺傳因子彼此分離,不同對的遺傳因子自由組合;
- 遺傳因子分離產生的配子數量比為1:1:1:1;
- 受精時,雌雄配子的結合是隨機的。
- 對自由組合現象解釋的驗證
孟德爾為了驗證上述假說,又設計了一組測交實驗把相同的路又走了一遍,讓雜種子一代與隱性純合子雜交。子代出現了接近1:1:1:1的性狀數量比,驗證了孟德爾的猜想。
- 自由組合定律
在孟德爾研究的7對豌豆形狀中,任取兩樣進行上述實驗均能得出相同結果。根據該實驗,後人歸納出了孟德爾第二定律,即自由組合定律(Law of indipendent assortment):控制不同性狀的遺傳因子的分離和組合是互不干擾的;在形成配子時,決定同一性狀的成對的遺傳因子彼此分離,決定不同性狀的遺傳因子[84]自由組合。
- 孟德爾實驗方法的啟示
孟德爾能夠從他的遺傳雜交試驗中總結出具有普適性的遺傳規律,原因主要有以下幾點:- 正確地選用實驗材料;
- 從單因子到多因子的研究方法(即遵守了單一變量原則);
- 運用統計學方法對實驗結果進行分析;
- 科學地設計了實驗程序。
- 孟德爾遺傳定律的再發現
1866年,孟德爾發表了他的研究結果,但卻沒引起人們的重視。
1900年,雨果·馬里·德·弗里斯(Hugo Marie de Vries,1848.2.16 - 1935.5.21)、卡爾·埃里希·科倫斯(Carl Erich Correns,1864.9.10 - 1933.2.14)、埃里希·馮·切爾馬克(Erich von Tschermak,1871.11.15 - 1962.10.11)[85]分別重新發現了孟德爾的工作,認識到了孟德爾理論的重要意義。
1909年,威廉·盧德維格·詹森(Wilhelm Ludvig Johannsen,1857.2.3 - 1927.11.11)將孟德爾所述的「遺傳因子」命名為「基因」(Gene),並提出了表現型(Phenotype)[86]和基因型(Genotype)[87]的概念。他將控制著相對性狀的基因稱作等位基因(Allele)。
孟德爾遺傳定律的再發現使基因的本質和作用原理成為遺傳學研究的中心問題,為基因工程等現代生物技術的興起奠定了理論基礎。
因此,格里戈爾·約翰·孟德爾成為了被後世公認的「遺傳學之父」。
基因和染色體的關係[編輯 | 編輯原始碼]
當孟德爾遺傳定律被重新發現之後,一個問題隨之而來:基因在細胞中究竟有沒有物質基礎?其假設的遺傳因子,是不是物質實體?如果是,又位於細胞的什麼位置?
基因在哪裡?
悠悠百年,尋尋覓覓。
懷疑、爭論、推理……
最終是觀察和實驗,
探明了它神秘的蹤跡!
減數分裂和受精作用[編輯 | 編輯原始碼]
減數分裂[編輯 | 編輯原始碼]
在孟德爾揭示遺傳規律的同時,奧古斯特·弗里德里希·利奧波德·魏斯曼(August Friedrich Leopold Weismann,1834.1.17 - 1914.11.5)從理論上預測了精卵細胞成熟時,必將有一個將染色體減少一半的過程以保證精子與卵細胞融合後產生的細胞染色體數目不變。
事實上,魏斯曼預言的正是一種特殊方式的有絲分裂——減數分裂(Meiosis),即進行有性生殖的的生物,在產生成熟生殖細胞時,進行的染色體數目減半的細胞分裂。在減數分裂時,染色體只複製一次,而細胞分裂兩次。減數分裂的結果是,成熟生殖細胞中的染色體數比原始生殖細胞的減少一半。
減數分裂在1876年被奧斯卡·赫特維希(Oscar Hertwig,1849.4.21 - 1922.10.25)證實,並由愛德華·約瑟夫·馬里·范·貝內登(Édouard Joseph Louis Marie Van Beneden,1846.3.5 - 1910.4.28)在1883年在染色體層面上進行了闡述。然而,減數分裂對繁殖和遺傳的意義在1890年才由魏斯曼親自描述。
- 精子形成的過程
高等動植物的減數分裂發生在有性生殖器官內。
哺乳動物的精子是在睪丸內的曲細精管形成的。曲細精管內有大量的原始的雄性生殖細胞——精原細胞,每個精原細胞中的染色體數目與體細胞的相同。
當雄性動物性成熟時,一部分精原細胞開始進行減數分裂,而另一部分則進行有絲分裂以維持足夠的精原細胞數目。
精原細胞經過連續的兩次分裂之後,在經過精細胞的變形,就形成了精子。- 減數第一次分裂(MI)
- 減數第二次分裂(MII)
- 減數第一次分裂和減數第二次分裂間通常沒有間期或者間期很短。
- 在減數第二次分裂過程中,每條染色體的著絲點分裂,姐妹染色單體分離,進入不同的子細胞。一個次級精母細胞隨之分裂成兩個精細胞,這樣,在減數第一次分裂中形成的兩個次級精母細胞,就形成了四個精細胞。
精細胞還要經過複雜的變形拋除冗餘的細胞質與細胞器才能成為成熟的生殖細胞——精子。
- 卵細胞的形成過程
哺乳動物的卵細胞是在卵巢中形成的。其位於腹腔內,內含許多發育程度不等的卵泡,而卵細胞位於卵泡中央。卵細胞被排出後,剩餘的卵泡退化為黃體(Corpus luteum)。
卵細胞的形成過程與精子基本相同,不同處有以下幾點:- 卵原細胞需要增大數倍後方可成為初級卵母細胞。
- 形成次級卵母細胞的減數第一次分裂與形成卵細胞的減數第二次分裂均為不均等分裂,分裂所形成的較小的細胞分別為第一極體和第二極體;第一極體在次級卵母細胞進行減數第二次分裂的同時進行均等的有絲分裂,形成兩個第二極體。三個極體均在卵子排出後退化消失。
- 減數第二次分裂結束後,卵細胞即時形成,不需經過變形。
- 一個卵原細胞經過減數分裂只形成一個卵細胞。
受精作用[編輯 | 編輯原始碼]
精子和卵細胞,必須經過受精作用(Fertilisation)才能形成受精卵,發育成新的個體。
- 配子中染色體組合的多樣性
減數分裂過程中非同源染色體的自由組合與同源染色體非姐妹染色單體的交叉互換造就了配子的多樣性,對維持生物多樣性具有重要意義。
- 受精作用
受精作用是卵細胞和精子相互識別並融合為受精卵的過程。
精子的頭部進入卵細胞,尾部留在外面。同時,卵細胞會發生複雜的生理反應,阻止其他精子再進入。
不久,精子和卵細胞的細胞核融合,使彼此的染色體會合。這是受精完成的標誌。
這樣,受精卵的染色體數目恢復到體細胞的數目。
減數分裂和受精作用對於維持生物前後代體細胞中染色體數目的恆定、生物的遺傳與變異,都有十分重要的意義。
基因在染色體上[編輯 | 編輯原始碼]
1903年,沃爾特·斯坦伯勒·薩頓(Walter Stanborough Sutton,1877.4.5 - 1916.11.10)用蝗蟲細胞作為材料,研究精子與卵細胞形成的過程。他發現,格里戈爾·約翰·孟德爾假設的成對的遺傳因子,即等位基因,的分離與減數分裂中同源染色體的分離非常相似。
- 薩頓的假說
薩頓發現,蝗蟲生殖細胞中染色體的數目是體細胞中的一半,而子代體細胞中染色體數目又恢復其親本的數目,且兩兩成對。每對染色體中一條來自父方,另一條來自母方。
薩頓由此推論:基因是由染色體攜帶者從親本傳遞給下一代的。也就是說,基因在染色體上,因為基因和染色體行為存在明顯的平行關係:- 基因在雜交過程中保持完整性和獨立性;
染色體在配子形成和受精過程中,也有相對穩定的形態結構。 - 體細胞中的基因成對存在,而在配子中只有其中一個;
體細胞中的染色體成對存在,而在配子中也只有其中一個。 - 體細胞中成對的基因分別來自父方與母方;
體細胞中同源染色體分別來自父方與母方。 - 非等位基因在形成配子時自由組合;
非同源染色體在形成配子時自由組合。
- 薩頓的推理屬於類比推理,他將基因與染色體的行為進行類比,根據其驚人的一致性肯定有鬼,提出了基因在染色體上的假說。使用「類比推理」法只能得出假說,而若需要得出結論,則需要實驗進行驗證。
- 基因在雜交過程中保持完整性和獨立性;
- 基因位於染色體上的實驗證據
生於格里戈爾·約翰·孟德爾發表其研究成果那一年的骨科專家托馬斯·亨特·摩爾根(Thomas Hunt Morgan,1866.9.25 - 1945.12.4)懷疑薩頓的假說,希望通過實驗否定它。從1909年開始,摩爾根就開始研究果蠅的性狀遺傳行為。約在次年5月,他發現了具有白眼性狀的雄果蠅,無意間貫徹了格里戈爾·約翰·孟德爾執果索因的「假說-演繹法」的思想並用其進行了兩次實驗。- 果蠅的雜交實驗:
摩爾根首先將白眼雄果蠅與紅眼雌果蠅雜交得到子一代,再令子一代雌雄交配,發現約有3/4的子二代果蠅表現出了紅眼性狀;有1/4的子二代果蠅表現出了白眼性狀,且皆為雄性。
嚴格意義上來講,摩爾根的第一次實驗因未證明基因與性別相聯繫而失敗,但這並不意味著這次實驗沒有意義。摩爾根的果蠅的雜交實驗使摩爾根提出了「果蠅眼色可能與性別相聯繫(即控制眼色的基因在X染色體上,而Y染色體不含有控制眼色的基因)」的假說,且使其得到了雌性雜合子果蠅,為接下來的果蠅測交實驗提供了物質準備。 - 果蠅的測交試驗
為了進一步驗證先前提出的假說,摩爾根將上一次實驗子一代雌果蠅與白眼雄果蠅雜交,出現了白眼雄蠅、白眼雌蠅、紅眼雄蠅、紅眼雌蠅≈1:1:1:1的表現型比例。
結合兩次實驗的現象,可以得出「基因在染色體上」的結論。
- 果蠅的雜交實驗:
從此,摩爾根成為了格里戈爾·約翰·孟德爾理論的堅定支持者。之後,他和他的學生們經過了十餘年的努力,發明了測定基因在染色體上的相對位置的方法,並說明了基因在染色體上呈線性排列。
好一個浪子回頭金不換。
- 孟德爾遺傳規律的現代解釋
細胞遺傳學的研究結果表明,格里戈爾·約翰·孟德爾所說的一對遺傳因子就是位於一對同源染色體上的等位基因[91],不同對的遺傳因子就是位於非同源染色體上的非等位基因。[92]孟德爾同志還真是幸運,居然沒有研究到具有連鎖效應(位於一對同源染色體上)的非等位基因……
因此:- 基因的分離定律的實質是:在雜合子的細胞中,位於一對同源染色體上的等位基因,具有一定的獨立性;在減數分裂形成配子的過程中,等位基因會隨同源染色體的分開而分離,分別進入兩個配子中,獨立地隨配子遺傳給後代。
- 基因的自由組合定律的實質是:位於非同源染色體上的非等位基因的分離或組合是互不干擾的;在減數分裂過程中,同源染色體上的等位基因彼此分裂的同時,非同源染色體上的非等位基因自由組合。
伴性遺傳[編輯 | 編輯原始碼]
生物有一些性狀的基因在性染色體上,所以遺傳上總是和性別相關聯,這種現象叫做伴性遺傳(Sex linkage)。
- 人類紅綠色盲症
強行跨界的約翰·道爾頓(John Dalton,1766.9.6 - 1844.7.27)因為一個偶然的事件發現他和他的弟弟的色覺與人不同,首先提出了色盲問題,並得出了該病症可遺傳的結論。因此,色盲症又稱為道爾頓症。
人類的紅綠色盲症的遺傳方式屬於伴X染色體隱性遺傳,其基因型有五種,分別為XBXB(正常女性)、XBXb(女性攜帶者,表現型為正常)、XbXb(患病女性)、XBY(正常男性)、XbY(患病男性)。
因此,紅綠色盲症的遺傳方式有以下五種[93]:- 正常純合女性與男性患者婚配:後代中,兒子都色覺正常,女兒均為攜帶者。
- 女性攜帶者與正常男性婚配:後代中,兒子有1/2正常,有1/2患病;女兒有1/2位顯性純合子,有1/2為攜帶者。
- 女性攜帶者與男性患者婚配:後代中,兒子均為患者,女兒有1/2為患者,1/2位攜帶者;
- 女性患者與正常男性婚配:後代中,兒子均為患者,女兒均為攜帶者。
- 女性患者與男性患者婚配:後代中均為患者。
- 分析人類遺傳病時,不能進行遺傳病實驗,但可以從患者家系圖的研究中獲取資料。
繪製家系圖時,一般用羅馬數字代表代數,用阿拉伯數字代表個體;用正方形代表男性,用圓形代表女性。在圖形里填充不同的顏色、線條或點來表示患者患病種類。
由此可以得出以紅綠色盲症、血友病、進行性肌營養不良等為代表的伴X染色體隱性遺傳病的遺傳特性:
- 男性多於女性。
- 男性患者的致病基因只能由母親處得來,且一定只傳予女兒;女性患者的父親與兒子一定均為患者,即具有交叉遺傳的特點。在某些情況下,還可能出現隔代遺傳的特點。
- 抗維生素D佝僂病
以抗維生素D佝僂病為代表的伴X染色體顯性遺傳病由顯性基因控制。因此,女性患者有XDXD、XDXd兩種基因型,但一般後者病症較輕;而男性患者只有XDY一種基因型。
其遺傳特性為:- 女性患者多於男性。
- 疾病世代相傳。
- 男性患者的母女皆為患者。
同時,還有伴Y染色體遺傳的遺傳病,其遺傳特性即為「傳男不傳女,世代相傳。」也有在X、Y染色體同源區段的遺傳病,其遺傳特點與伴常染色體遺傳病相仿,但與性別有連鎖效應。
- 伴性遺傳在實踐中的應用
伴性遺傳在生物中普遍存在。
決定性別的方式除了XY型,還有以鳥類、蛾蝶類為代表的ZW型。在ZW型生物中,性染色體組成為ZZ的個體為雄性,組成為ZW的個體為雌性。
利用伴性遺傳的性狀與性別相聯繫的特性,在生產中可以根據生物幼體的性狀不同,選擇性地培養某一性別,以達到提高生產效率的目的。
基因的本質[編輯 | 編輯原始碼]
基因是什麼?
DNA或蛋白質?
幾多試驗,幾多論爭。
是誰將謎底揭破?
DNA是主要的遺傳物質[編輯 | 編輯原始碼]
- 對遺傳物質的早期推測
20世紀20年代,人們已經認識到了蛋白質是由不同胺基酸連接形成的有機大分子。人們很自然地聯想到,在蛋白質這複雜的結構里,可能蘊含著遺傳信息的秘密。因此,當時大多數科學家認為,蛋白質是生物體內的遺傳物質。
到了20世紀30年代,人們才認識到了DNA是由多種脫氧核糖核苷酸聚合而成的生物大分子,但這並未改變人們對遺傳物質的認知。
- 肺炎雙球菌的轉化實驗
- 1928年,弗雷德里克·格里菲思(Frederick Griffith,1879 - 1941)以能使人患肺炎、使小鼠患敗血症的肺炎雙球菌作為實驗材料,研究肺炎雙球菌的致病原理。肺炎雙球菌有兩種,分別為有多糖類莢膜、有致病性、菌落光滑的S型菌和無莢膜、無致病性、菌落粗糙的R型菌。
格里菲思遵循單一變量原則,設置了四組實驗以相互對照。其中,他在第四組實驗,即將R型活細菌與加熱後殺死的S型細菌混合注射小鼠的實驗中發現了端倪。被注射細菌的小鼠死亡,其屍體中被分離出了大量R型活細菌與少量S型活細菌。這表明,無毒性的R型活細菌在與被加熱殺死的S型細菌混合後,能轉化為有毒性的S型活細菌,而且這種性狀可遺傳。
於是,格里菲思推論,在第四組實驗中,已經被加熱殺死[94]的S型細菌中,必然含有某種促成這一轉化的活性物質,其能使無毒性的R型活細菌轉化為有毒性的S型活細菌。他十分謹慎地將這種物質稱為「轉化因子」。 - 1944年,奧斯瓦爾德·西奧多·艾弗里(Oswald Theodore Avery Jr.,1877.10.21 - 1955.2.20)為了弄清楚轉化因子的本質,將提純的DNA、蛋白質和多糖等物質分別加入到R型細菌的培養基中,發現只有加入DNA,R型細菌才能轉化為S型細菌,且DNA純度越高,轉化越有效;若加入DNA酶分解DNA,則不能發生轉化。
因此,艾弗里開創性地提出了「DNA才是使R型細菌產生穩定性變化的物質」(幾乎等效於「DNA才是遺傳物質」)的結論。
- 1928年,弗雷德里克·格里菲思(Frederick Griffith,1879 - 1941)以能使人患肺炎、使小鼠患敗血症的肺炎雙球菌作為實驗材料,研究肺炎雙球菌的致病原理。肺炎雙球菌有兩種,分別為有多糖類莢膜、有致病性、菌落光滑的S型菌和無莢膜、無致病性、菌落粗糙的R型菌。
- 噬菌體侵染細菌的實驗
艾弗里的實驗結論違背了當時生物界的主流思想,因此引來了以阿爾弗雷德·埃茲拉·馬斯基(Alfred Ezra Mirsky,1900.10.17 - 1974.6.19)為代表的一些人的質疑,認為其最低0.02%的蛋白質雜質影響了實驗結果。
1952年,阿爾弗雷德·戴·赫爾希(Alfred Day Hershey,1908.12.4 - 1997.5.22)和瑪莎·考爾斯·蔡斯(Martha Cowles Chase,1927.11.30 - 2003.8.8)以寄生在大腸桿菌體內、利用大腸桿菌體內的物質組成成分進行增殖的T2噬菌體[95]為實驗材料,利用同位素標記技術進行了實驗。
兩人的實驗步驟如下:
赫爾希與蔡斯的實驗表明:噬菌體侵染細菌時,DNA進入到細菌的細胞中,而蛋白質仍留在外面。因此,該實驗證明了DNA是遺傳物質,而不能證明蛋白質不是遺傳物質。總的說來,能證明DNA才是遺傳物質的最具有
歸納眾多相關實驗,可以得出絕大多數生物的遺傳物質是DNA,所以說DNA是主要的遺傳物質的結論。這是任何一個單一實驗都無法證明的。
DNA分子的結構[編輯 | 編輯原始碼]
- DNA雙螺旋結構模型的構建
1869年,約翰尼斯·弗里德里希·米歇爾(Johannes Friedrich Miescher,1844.8.13 - 1895.8.26)在繃帶上的膿上發現了一種物質,並將其命名為「核酸」。
1878年,路德維希·卡爾·馬丁·萊昂哈德·阿爾布雷希特·科塞爾(Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel,1853.9.16 - 1927.7.5)從核酸里分離出了五種主要的鹼基。
科塞爾因此被授予1910年諾貝爾生理學或醫學獎:
1919年,菲比斯·阿龍·西奧多·列文(Phoebus Aaron Theodore Levene,1869.2.25 - 1940.9.6)確定了核酸的基本組成單元為鹼基、糖和磷酸組成的核苷酸,並認為核酸是多個核苷酸通過磷酸酯鍵結合在一起形成的。
1927年,尼古拉·康斯坦丁諾維奇·科爾佐夫(Никола́й Константи́нович Кольцо́в,1872.7.14 - 1940.12.2)提出遺傳物質是由兩條互補配對的長鏈構成。人們在認識到DNA是主要的遺傳物質之後,這成為了構建DNA分子模型的指導思想。
1937年,威廉·托馬斯·阿斯特伯里(William Thomas Astbury,1898.2.25 - 1961.6.4)拍攝了第一張顯示了DNA具有規則結構的X射線衍射圖。
1952年5月,素與莫里斯·休·弗雷德里克·威爾金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins,1916.12.15 - 2004.10.5)不和的魔法少女羅莎琳德·埃爾西·富蘭克林(Rosalind Elsie Franklin,1920.7.25 - 1958.4.16)從他們共同工作的劍橋大學卡文迪許實驗室離職,留下了她的DNA衍射圖譜。她的職位由雷蒙德·G·格斯林(Raymond G. Gosling,1926.7.15 - 2015.5.18)接任。威爾金斯於是在未經二人直接同意或拒絕的情況下,將這張DNA衍射圖譜複印給了詹姆斯·杜威·沃森(James Dewey Watson,1928.4.6 - )和弗朗西斯·哈里·康普頓·克里克(Francis Harry Compton Crick,1916.6.8 - 2004.7.28)[98]。同年,沃森與克里克從埃溫·查哥夫(Erwin Chargaff,1905.8.11 - 2002.6.20)處得知了腺嘌呤(A)的量等於胸腺嘧啶(T)的量;鳥嘌呤(G)的量等於胞嘧啶(C)的量的消息,並從克里克的導師馬克思·費迪南德·佩魯茨(Max Ferdinand Perutz,1914.5.19 - 2002.2.6)處得知了富蘭克林的實驗結果,作出了AT、CG互相配對,兩條DNA單鏈反向平行的雙螺旋模型,並於次年在《自然》雜誌上刊登了名為《
1962年,
同年,
- DNA分子的結構
DNA分子為雙螺旋結構,具有以下特點:- 由反向平行的兩條鏈組成,並相互盤旋成雙螺旋結構;
- 脫氧核糖和磷酸在外側交替連接,構成基本骨架,而鹼基排列在內側;
- 兩條鏈上的鹼基通過氫鍵連接成鹼基對,並且腺嘌呤一定與胸腺嘧啶通過2個氫鍵[99]配對、鳥嘌呤一定與胞嘧啶通過3個氫鍵配對,鹼基之間的這種一一對應的關係叫做鹼基互補配對原則;
- 兩個脫氧核苷酸之間通過3'-5'磷酸二酯鍵連接。
DNA的複製[編輯 | 編輯原始碼]
- 對DNA分子複製的推測
沃森和克里克在提出DNA分子雙螺旋結構之後,馬上提出了關於DNA分子複製的假說。他們認為,DNA分子複製時,DNA的雙螺旋解開,互補鹼基之間的氫鍵斷裂,解開兩條單鏈作為複製的模板鏈,游離的脫氧核苷酸依據鹼基互補配對原則與模板鏈通過氫鍵結合。這樣,每個生成的DNA分子中,都保留了原來DNA分子的一條單鏈,因而這種複製方式被稱為半保留複製。 - DNA半保留複製的實驗證據
1958年,馬修·斯坦利·梅塞爾森(Matthew Stanley Meselson,1930.5.24 - )和富蘭克林·威廉·斯塔爾(Franklin William Stahl,1929.10.8 - )以大腸桿菌為實驗材料,運用同位素示蹤技術,進行了實驗:- 他們將含有15N的NH4Cl的培養液培養大腸桿菌,再將其轉移到含14N的普通培養液中;
- 在不同時刻收集大腸桿菌,提取DNA,對提取的DNA進行密度梯度離心,記錄離心後試管中DNA的位置;
- 觀察實驗結果,發現試管中出現了離試管底部距離不等的三條DNA帶,證明試管內同時存在15N/15N-DNA、15N/14N-DNA、14N14N-DNA,即證明了DNA的複製是以半保留方式進行的。
- DNA分子複製的過程
真核細胞中,DNA的複製發生在線粒體、葉綠體(如果存在)和細胞核中;核DNA的複製時間為有絲分裂間期的S期[100]以及減I分裂前的間期。
原核細胞中,DNA的複製發生在細胞質。
DNA複製過程如下:- DNA分子利用ATP水解提供的能量,在解旋酶的作用下,解開雙螺旋,即為「解旋」;
- 以解開的每一段母鏈為模板,在DNA聚合酶等酶的作用下,以細胞中游離的脫氧核苷酸為原料,按照鹼基互補配對原則,各自合成與母鏈互補的子鏈;
- 新合成的DNA鏈與其模板鏈盤繞成雙螺旋結構。
DNA分子的複製是一個邊解旋邊複製的過程,複製需要模板、原料、能量和酶等基本條件。DNA分子獨特的雙螺旋結構,為複製提供了精確的模板,通過鹼基互補配對保證了複製能夠準確地進行。DNA分子的複製,能將遺傳信息從親代傳給子代,有利於保持遺傳信息的連續性。
DNA分子的複製具有方向性,其複製方向為由子鏈的5'端向3'端。
基因是有遺傳效應的DNA片段[編輯 | 編輯原始碼]
- 說明基因與DNA關係的實例
- 大腸桿菌的擬核只有一個長度約為4.7M個鹼基對的DNA分子,卻分布著約4.4K個基因;
- 將一種能發出綠色螢光的海蜇的某個DNA片段轉入小鼠的受精卵製成轉基因小鼠,出生的小鼠在紫外線照射下可以發出螢光;
- 一般情況下,人類的一條染色體含有一個DNA分子,其中22條常染色體、X染色體、Y染色體上共有約3.16B個鹼基對,參與構成基因的不超過2%;
- 向具有與肥胖相關基因(HMGIC)缺陷的小鼠與正常小鼠餵食等量的高脂食物,正常小鼠變胖而缺陷小鼠體重正常;
- 以上實驗說明了:
- 基因具有遺傳效應,可獨立起作用;
- 一段DNA不一定是基因;
- 基因控制生物性狀。
- DNA片段中的遺傳信息
研究表明,遺傳信息蘊藏在4種鹼基/脫氧核苷酸的排列順序之中;鹼基排列順序的千變萬化,構成了DNA分子的多樣性,而鹼基的特定的排列順序,又構成了每一個DNA分子的特異性;DNA分子的多樣性和特異性是生物體多樣性和特異性的物質基礎。基因是有遺傳效應[101]的DNA片段,是生物體遺傳的結構單位與功能單位。
基因的表達[編輯 | 編輯原始碼]
在「基因是什麼」得到回答之後,另一個問題——「基因是如何起作用的」成為了研究熱點。人們認識到了蛋白質對性狀形成的重要作用之後,開始推測基因通過指導蛋白質的合成來控制形狀,並稱之為性狀的表達。
生命的圖案,撲朔迷離:
從信息到物質,從藍圖到現實,
繁複、簡約,粗放、精細,
是誰創造出,如此的和諧與統一?
基因指導蛋白質的合成[編輯 | 編輯原始碼]
- 遺傳信息的轉錄
生物體內,最適於作DNA的信使的是RNA。它具有以下優點:- RNA以4中核糖核苷酸連接而成,可以儲存遺產信息;
- RNA遵循鹼基互補配對原則,組成A-U、C-G的鹼基對;
- RNA一般為單鏈,且比DNA短,能夠通過核孔,從細胞和轉移至細胞質;
RNA主要有三種,分別為信使RNA(mRNA,messager RNA)、轉運RNA(tRNA,transfer RNA/sRNA,soluble RNA)、核糖體RNA(rRNA,ribosomal RNA)。其中,真核細胞中rRNA的合成與核仁有關。
RNA在細胞核中,以DNA的一條鏈為模板合成,這一過程稱為轉錄(Transcription)。它以基因為單位,主要有以下幾步:
- 在酶的作用下,DNA雙鏈解開需要轉錄的部分,該部分DNA雙鏈的鹼基得以暴露,即為「解旋」;
- 作為原料的游離的核糖核苷酸隨機地與DNA鏈上的鹼基碰撞,當核糖核苷酸與DNA的鹼基互補時,兩者以氫鍵結合,即為「配對」;
- 在RNA聚合酶的作用下,新結合的核糖核苷酸連接到正在合成的mRNA分子上,即為「連接」;
- mRNA從DNA鏈上釋放,而後DNA雙鏈恢復。
爭議:當下學術界有兩派觀點,一派認為轉錄過程需要DNA解旋酶的參與;另一派認為RNA聚合酶也有使DNA解旋的作用,所以該過程不需要DNA解旋酶。
- 遺傳信息的翻譯
游離在細胞質中的各種胺基酸,以mRNA為模板合成具有一定胺基酸順序的蛋白質的過程,叫做翻譯(Translation)。
在沃森和克里克提出了雙螺旋結構之後,格奧爾吉·安東諾維奇·伽莫夫(Гео́ргий Анто́нович Га́мов[102],1904.3.4 - 1968.8.19)提出了三個鹼基決定一個胺基酸的設想。這三個相鄰的鹼基被稱作遺傳密碼子(Genetic code/Codon),共有43,即64個。很快,密碼子被確定位於mRNA上,它的表格(Codon table)也問世了:每一個密碼子決定一種胺基酸,但一個胺基酸可由多個密碼子決定,即密碼子具有簡併性;64個密碼子中,有AUG、GUG兩個同時也決定胺基酸的起始密碼子,有UAA、UAG、UGA三種不決定胺基酸的終止密碼子。
胺基酸生化特性 | 非極性 | 極性 | 基本 | 酸性 | 終止密碼子 |
第一位鹼基 | 第二位鹼基 | 第三位鹼基 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
U | C | A | G | ||||||
U | UUU | 苯丙氨酸 | UCU | 絲氨酸 | UAU | 酪氨酸 | UGU | 半胱氨酸 | U |
UUC | UCC | UAC | UGC | C | |||||
UUA | 亮氨酸 | UCA | UAA | 終止密碼子 | UGA | 終止密碼子 | A | ||
UUG | UCG | UAG | 終止密碼子 | UGG | 色氨酸 | G | |||
C | CUU | CCU | 脯氨酸 | CAU | 組氨酸 | CGU | 精氨酸 | U | |
CUC | CCC | CAC | CGC | C | |||||
CUA | CCA | CAA | 穀氨醯胺 | CGA | A | ||||
CUG | CCG | CAG | CGG | G | |||||
A | AUU | 異亮氨酸 | ACU | 蘇氨酸 | AAU | 天冬醯胺 | AGU | 絲氨酸 | U |
AUC | ACC | AAC | AGC | C | |||||
AUA | ACA | AAA | 賴氨酸 | AGA | 精氨酸 | A | |||
AUG | 甲硫氨酸 | ACG | AAG | AGG | G | ||||
G | GUU | 纈氨酸 | GCU | 丙氨酸 | GAU | 天冬氨酸 | GGU | 甘氨酸 | U |
GUC | GCC | GAC | GGC | C | |||||
GUA | GCA | GAA | 穀氨酸 | GGA | A | ||||
GUG | GCG | GAG | GGG | G |
mRNA進入細胞質之後,就與核糖體結合。由多種具有三葉草結構[103]的tRNA將細胞質內游離的胺基酸轉運至核糖體上,每種tRNA只能識別並轉運一種胺基酸。核糖體可以沿著mRNA移動,所以一條mRNA可以同時結合多個核糖體,即「多聚核糖體」,同時多序列合成同一蛋白質。每個核糖體有2個tRNA的結合位點。
翻譯過程可分為互補、進位、轉肽、移位4步。
原核生物的DNA和真核生物的細胞質DNA上的基因可以實現邊轉錄邊翻譯。
三種DNA都參與了翻譯過程。
肽鏈合成後,被運送到相應細胞器中盤曲摺疊生成具有特定空間結構和功能的蛋白質分子。
基因對性狀的控制[編輯 | 編輯原始碼]
- 中心法則的提出和發展
1957年,克里克提出了中心法則(Central dogma of molecular biology):遺傳物質可以由DNA流向DNA,由DNA流向RNA進而流向蛋白質。在蛋白質合成過程被揭示之後,中心法則得到公認。
20世紀60年代,RNA複製酶被發現,補充了中心法則中關於遺傳信息由RNA流向RNA的途徑;
1970年,霍華德·馬丁·特明(Howard Martin Temin,1934.12.10 - 1994.2.9)和大衛·巴爾的摩(David Baltimore,1938.3.7 - )發現了逆轉錄酶,補充了關於遺傳信息由RNA流向DNA的途徑。遺傳信息由DNA直接流向蛋白質的途徑也已經被證實,然而其具體過程、與DNA鹼基順序的關係仍然不清楚。
- 基因、蛋白質與性狀的關係
從豌豆的圓粒、皺粒性狀的形成可以看出,基因可以通過控制酶來控制代謝過程,進而間接地控制生物體的性狀。
從囊性纖維病的形成可以看出,基因可以通過控制蛋白質的結構,直接控制生物體的性狀。
同時,基因與性狀的關係並不都是簡單的線性關係,一種性狀可能由多個基因決定,一個基因也可能決定多個性狀。- 1962年,葉綠體DNA(cpDNA/plastome)被證實存在。幾乎同時,線粒體DNA(mtDNA)被瑪吉特·M·K·納斯和西爾萬·納斯證明存在。兩種DNA被統稱為細胞質DNA,它們都可以進行半自主自我複製。和細胞質DNA有關的遺傳病只能進行母系遺傳。
遺傳密碼的破譯[編輯 | 編輯原始碼]
- 遺傳密碼的閱讀方式
由於對密碼子的不同閱讀方式可造成解讀出的內容相異,所以人們在DNA雙螺旋結構提出之後,又將目光聚焦在了遺傳密碼的破譯上。
根據伽莫夫的設想,人們主要作出了兩個假設:- 以3個鹼基為一個單位,依次閱讀;
- 以3個鹼基為一個單位,重疊閱讀。
- 克里克的實驗證據
1961年,克里克以T4噬菌體為實驗材料,進行實驗。
他將噬菌體的DNA序列中插入或刪除1-2個鹼基,DNA均不能指導合成具有正常功能的蛋白質;而當插入或刪除3個鹼基時,卻可以產生功能正常的蛋白質。
該實驗不僅證明了遺傳物質中3個鹼基編碼一個胺基酸的設想,也證明了遺傳密碼以非重疊的方式閱讀。 - 遺傳密碼對應規則的發現
1961年,馬歇爾·沃倫·尼倫伯格(Marshall Warren Nirenberg,1927.4.10 - 2010.1.15)和J·海因里希·馬太(J. Heinrich Matthaei,1929.5.4 - )破譯了第一個遺傳密碼,尼倫伯格因此與羅伯特·威廉·霍利(Robert William Holley,1922.1.28 - 1993.2.11)、哈爾·戈賓德·科拉納(Har Gobind Khorana,1922.1.9 - 2011.11.9)分享了1968年諾貝爾生理學或醫學獎:
尼倫伯格與馬太採取了蛋白質體外合成技術,向不同的試管中加入不同的胺基酸,再加入除去了DNA與mRNA的細胞提取液以及人工合成的多聚尿嘧啶核苷酸,發現加入了苯丙氨酸的試管中出現了肽鏈。因此,兩人推斷,編碼為「UUU」的密碼子決定的胺基酸為苯丙氨酸。
此後,人們通過同樣的技術,破譯出了全部密碼子,繪製出了密碼子表。
基因突變及其他變異[編輯 | 編輯原始碼]
遺傳伴隨著變異,
泛起進化的層層漣漪。
遺傳變異規律的妙用,
贏來戰勝病魔的驚喜。
基因突變和基因重組[編輯 | 編輯原始碼]
- 基因突變的實例
血紅蛋白肽鏈上胺基酸分子的某個替換(穀氨酸→纈氨酸)可以導致鐮刀型細胞貧血症。研究發現,血紅蛋白的異常是由於控制其合成的DNA的鹼基序列發生了改變。
鹼基的替換可導致基因的改變,從而引起所編碼的蛋白質或激素的改變。鹼基的增添、缺失也會導致這種結果。
DNA分子中發生鹼基對的替換、增添和缺失,而引起的基因結構的改變,叫做基因突變(Mutation)。
環境因素導致的性狀改變屬於不可遺傳的變異,而可遺傳變異有基因突變、基因重組和染色體變異三種。但發生在體細胞中的基因突變一般不能遺傳,但在某些情況下,體細胞中的基因突變可以通過無性繁殖記得考慮生物工程這個Buff傳遞。
基因突變是癌細胞產生的必要條件。 - 基因突變的原因和特點
1927年,赫爾曼·約瑟夫·繆勒(Hermann Joseph Muller)用X射線照射果蠅,發現後代中突變個體數大幅增加。劉易斯·約翰·施泰德(Lewis John Stadler,1896.7.6 - 1954.5.12)在1928年用X光照射大麥、在1936年用紫外線照射玉米,得到了相似結果。20世紀40年代,芥子氣被夏洛特·洛特·奧爾巴赫(Charlotte Lotte Auerbach,1899.5.14 - 1994.3.17)和約翰·麥可·拉布·拉比諾維奇(John Michael Rab Rabinovich,1900 - 1982)證實可以誘導基因突變。60年代,多環芳烴的細胞代謝產物也被定性可以誘導基因突變。
由此,人們把誘發生物基因突變的因素歸為三類:- 物理因素:紫外線、X射線等輻射;
- 化學因素:亞硝酸、黃麴黴毒素等物質;
- 生物因素:
Reus( )肉瘤病毒等。
自然界中誘發基因突變的因素很多,基因突變也可以自發產生,所以基因突變在生物界普遍存在。基因突變是隨機的、不定向的,即其可以發生在生物個體發育的任何時期、細胞內不同的DNA分子上、同一DNA分子的不同部位,其發生的方向和環境也沒有明確的因果關係。
在自然狀態下,基因突變的頻率很低。總而言之,基因突變具有普遍性、低頻性、多害少利性、不定向性和隨機性。同時,也存在中性突變。
基因突變是新基因產生的途徑,是生物變異的根本來源。
- 基因重組
基因重組(Genetic recombination)是指生物在有性生殖的過程中,控制不同性狀的基因的重新組合。
基因重組主要發生在以下幾種過程中:- 非同源染色體的自由組合;
- 受精作用;
- 同源染色體上非姐妹染色單體的交叉互換;
- 基因工程。
染色體變異[編輯 | 編輯原始碼]
和光鏡下無法觀察到的基因突變不同,染色體變異可以用顯微鏡直接觀察到。
- 染色體結構的變異
染色體的結構變異主要有以下幾種:- 由染色體某一片斷缺失引起的變異,如果蠅缺殼翅的形成;
- 由染色體增加某一重複的片段引起的變異,如果蠅棒狀眼的形成果蠅:Why Always Me?;
- 由染色體的某一片段移接到另一非同源染色體上引起的變異,即「易位」;
- 由染色體中某一片段位置顛倒引起的變異,即「倒位」。
染色體結構的改變,會使排列在染色體上的基因的數目或排列順序發生改變,導致性狀的變異。同基因突變一樣,染色體結構變異也具有多害少利性。
- 染色體數目的變異
染色體數目變異可分為個別染色體的增減與染色體組的增減兩種。
細胞中的一個染色體組,在形態和功能上各不相同卻互相協調,共同控制生物的生長、發育、遺傳和變異。一個染色體組中不含同源染色體或相同、等位基因,卻含有全套的遺傳信息。由受精卵發育而來的個體,體細胞中含有兩個染色體組的,叫做二倍體(Diploid);含有三個或以上的稱為多倍體(Polyploidy),亦可據其染色體組數目稱。幾乎全部動物和過半數的高等植物為二倍體,香蕉為三倍體,馬鈴薯為四倍體,小麥為六倍體,小黑麥為八倍體然而,坑爹麥是二倍體。與二倍體植株相比,多倍體植株常常莖稈粗壯,葉片、果實、種子比較大,抗逆性強,營養物質的含量有所增加[104],但亦有生長慢、結實率低等缺點。使用低溫或秋水仙素處理萌發的種子或幼苗可以抑制有絲分裂前期內紡錘體的形成,引起細胞內染色體數目加倍。
體細胞中含有本物種配子染色體數目的個體,叫做單倍體(Haploid)[105]。單倍體植株比較弱小,且高度不育[106],但利用其育種可以明顯縮短育種年限。因此,常利用生殖細胞的全能性,通過花葯/花粉離體培養的方法獲得單倍體植株,經染色體加倍後得到純合的品種。- 實驗:低溫誘導植物染色體數目的變化
實驗原理:在4℃低溫下培養植物能抑制其分生細胞紡錘體的形成,使染色體數目發生變化;
改良苯酚品紅染液可以使染色體著色;
洋蔥根尖0.5-1cm為分生區,在卡諾氏液中浸泡0.5-1h能將其定形;
用高倍鏡可觀察到數量遠小於二倍體細胞的四倍體細胞。
- 實驗:低溫誘導植物染色體數目的變化
人類遺傳病[編輯 | 編輯原始碼]
- 人類常見遺傳病的類型
人類遺傳病通常是指由於遺傳物質改變而引起的人類疾病,主要可以分為單基因遺傳病、多基因遺傳病和染色體遺傳異常三大類。- 單基因遺傳病:單基因遺傳病是由一對等位基因控制的遺傳病,約有6500種。其中,多指、並指、軟骨發育不全等是伴常染色體顯性遺傳病;抗維生素D佝僂病等是伴X染色體顯性遺傳病;鐮刀型細胞貧血症、白化病、先天性聾啞、苯丙酮尿症等是伴常染色體隱性遺傳病;紅綠色盲症、進行性肌營養不良、血友病等是伴X染色體隱性遺傳病。
- 多基因遺傳病:多基因遺傳病是由兩對以上的等位基因控制的遺傳病,發病易受環境因素影響,常表現為家族聚集,在群體中發病率較高,如原發性高血壓、冠心病、哮喘病、青少年糖尿病、唇裂、無腦兒等。
- 染色體異常遺傳病:染色體異常遺傳病是由染色體異常引起的遺傳病,簡稱染色體病,約有100多種,具有致死率高、患者平均年齡低等特點。染色體異常遺傳病患者可能不攜帶遺傳病致病基因。其中,貓叫症候群是由染色體結構異常引起,而21三體症候群、13/18三體症候群、特納氏症候群、克氏症候群等是由染色體數目異常引起。克氏症候群還是藥娘們的黃金藉口呢……
在調查人群中的遺傳病的發病率時,應本著隨機抽樣的原則;在調查遺傳方式時,應採用患者家系調查的方法,可以選取人群中發病率較高的單基因遺傳病來調查以降低調查難度。
- 遺傳病的監測和預防
中國大約有20%-25%的人患有各種遺傳病,並且由於中國人口基數龐大,導致遺傳病的監測、預防任務十分艱巨。如今,遺傳諮詢和產前診斷是主要的防控手段。
醫生通過進行遺傳諮詢,了解對象家族病史,並推算後代發病概率,給予相關建議。
醫生還可以通過羊水檢查、B超檢查、孕婦血細胞檢查、基因診斷(DNA探針)等手段,在個體、細胞、分子水平上鑑定胎兒是否患病。
因此,要禁止近親結婚、提倡適齡生育。
- 人類基因組計劃與人類健康
通過人類基因組計劃(Human Genome Project, HGP),人們可以認識到人類基因的組成、結構、功能與其相互關係。人類基因組計劃啟動於1990年,目的是測定人類基因組22條常染色體與2條性染色體(X/Y)的全部DNA序列。德國、美國、日本、英國、法國、中國參與了該工作。2003年,測序任務完成。測序結果表明,人類基因組大約含有31.6億個鹼基對,約有20,000-25,000個基因。
目前,治療遺傳病最根本的方法是仍在試驗中的基因治療。
從雜交育種到基因工程[編輯 | 編輯原始碼]
自古以來,人類就用選擇育種對生物進行品種改良。格里戈爾·約翰·孟德爾發現了遺傳規律之後,雜交育種被廣泛應用。人工誘變技術大幅改進了育種方法,而基因工程則消除了物種間的鴻溝,能定向改變生物特性。
選育、雜交、誘變,
實踐—理論—實踐,
幾多輝煌,幾多遺憾。
基因工程異軍突起,
朝陽產業,光明無限!
雜交育種與誘變育種[編輯 | 編輯原始碼]
人們不滿於選擇育種周期長、選擇範圍小等缺點,在生產實踐中摸索出了雜交育種的方法。
- 雜交育種
雜交育種是基於基因重組原理,將兩個或多個品種的優良性狀通過交配集中在一起,在經過選擇和培育,獲得新品種的方法。它是改良農作物品質最常規的方法,亦可用於畜禽的育種,但具有不能創造新的基因、後代會出現性狀分離、育種緩慢複雜的缺點。
- 誘變育種
誘變育種(Mutation breeding/Variation breeding)是通過物理[107]、化學[108]因素使生物發生突變,以提高突變率、在短時間內獲得更多優良變異類型的育種方法。其中,大量生產青黴素的菌株即為誘變育種而來。誘變育種也具有多方向性的缺點。
基因工程及其應用[編輯 | 編輯原始碼]
注釋[編輯 | 編輯原始碼]
- ↑ 意為「小房間」,是英語cell的詞源,參見Etymology Dictionary|accessdate=31 December 2012。
- ↑ 如人的口腔上皮細胞。
- ↑ 也稱André Vésale。
- ↑ De humani corporis fabrica
- ↑ 法文:Tissu。
- ↑ 物理娘稱其為「胡克」。
- ↑ 若用大豆作為實驗對象,則需提前浸泡;若用蛋清,則需先稀釋。
- ↑ 這裡的還原性糖指的是蔗糖除外的單糖和二糖。
- ↑ 0.1g/mL的NaOH溶液與0.05g/mL的CuSO4溶液等量混合的混合物,使用時要現配現用、水浴加熱。
- ↑ Cu2O,即氧化亞銅,也稱「赤銅」。
- ↑ 需用體積分數為50%的乙醇溶液洗去浮色。
- ↑ 0.1g/mL的NaOH溶液與0.01g/mL的CuSO4溶液的混合物。
- ↑ 不可用於檢驗二肽。
- ↑ 也可寫成「H2N——」。
- ↑ 也可寫成「HOOC——」。
- ↑ 即「脫水縮合」。
- ↑ 實驗準備注意:由於甲基綠和吡羅紅均為競爭性染色劑,所以一般不分開使用,且現配現用,放入棕色瓶中保存。
- ↑ 即脫氧核糖與核糖。
- ↑ 包括葡萄糖(Glucose)、果糖(Fructose)和半乳糖(Galactose)。
- ↑ 由一分子果糖和一分子葡萄糖縮合而成。
- ↑ 由兩分子葡萄糖縮合而成。
- ↑ 由一分子半乳糖和一分子葡萄糖縮合而成。
- ↑ 化學娘提醒:同種多糖不互為同分異構體。
- ↑ 植物體內的儲能物質,不溶於水。
- ↑ 動物體內的儲能物質,1g糖原氧化分解釋放17kJ的能量。
- ↑ 與果膠共同構成植物細胞壁,不溶於水,難以消化。
- ↑ JK是日語中
女子高生( )或女子高校生( )的簡稱。 - ↑ 又稱質膜,光學顯微鏡下不可見。
- ↑ 指真核生物中的鞭毛,區別於原核生物的鞭毛。
- ↑ 因為性激素的受體在細胞內,所以不是所有通過化學物質進行信息交流的方式都與細胞膜的該功能有關。
- ↑ 主要為糖基化。
- ↑ 僅指液泡內的液體。
- ↑ 如藻類。
- ↑ 細胞膜上的載體蛋白是個例外。
- ↑ 線粒體和葉綠體中的DNA稱為細胞質DNA。
- ↑ 作用場所區別於胞內蛋白的蛋白質。
- ↑ 肽鏈(或蛋白質)從核糖體被合成到分泌出細胞只需穿過1層生物膜(或2層磷脂分子)!
- ↑ 也作「Biomembrane system」。
- ↑ 生物膜系統為真核細胞特有,由細胞構成的膜(如視網膜、膈膜等)不屬於該系統。
- ↑ 也叫「Nuclear envelope」。
- ↑ 因容易被鹼性染料染成深色得名。
- ↑ 原生質指細胞內具有生命的物質。
- ↑ 此時的濃度指物質的量的濃度,單位一般為mol/L。
- ↑ 某些含有液泡的微生物也可以發生質壁分離現象,如酵母菌。
- ↑ 若使用KNO3溶液或甘油,細胞會自動復原。
- ↑ 俗稱「大液泡」,不存在於植物分生區細胞中。
- ↑ 即「靜態統一結構」。
- ↑ 由於存在「水通道蛋白」,水的擴散方式是自由擴散與協助擴散並存。
- ↑ 又叫簡單擴散。
- ↑ 也稱「通透酶」。
- ↑ 作為神經遞質的小分子也以胞吐方式排出體外。
- ↑ 只有一組實驗。
- ↑ 沒有對照組。
- ↑ 由於催化ADP水解和ADP與磷酸結合的反應條件和反應場所不同,所以ATP與ADP的相互轉化不為可逆反應。
- ↑ 花生和油菜的種子的呼吸底物含有較多脂肪,因此,它們有氧呼吸釋放的二氧化碳量會少於吸收的氧氣量。
- ↑ 同有機物在體外燃燒相比,有氧呼吸是在溫和條件下進行的,其能量是經過一系列的化學反應釋放的,這些能量有相當一部分儲存在ATP中。
- ↑ 還原型輔酶I(NADH)。
- ↑ 應選用新鮮、顏色深的葉片以保證色素含量較高。
- ↑ 直接觀察,無需染色。
- ↑ 螺旋狀葉綠體,便於觀察和同組對照。
- ↑ 也稱Jan Ingenhousz。
- ↑ 18O無放射性。
- ↑ 指代糖類。
- ↑ 還原型輔酶II(NADPH)。
- ↑ CO2過多會造成葉片氣孔關閉。
- ↑ 即「真正的光合作用量」,亦稱「總光合量」。
- ↑ 亦稱「表觀光合量」。
- ↑ 也稱「Cell proliferation」。
- ↑ 雖然減數分裂是一種特殊的有絲分裂,但在高中階段,一般將減數分裂從有絲分裂中獨立出來討論。
- ↑ 也稱「Cell-division cycle」。
- ↑ 由染色質螺旋化而來。
- ↑ 並不真實存在。
- ↑ 染色體數目根據著絲點數目確定,而不是根據DNA分子數目。
- ↑ 在動物細胞中稱「星射線」,
但其實成分幾乎完全相同。 - ↑ 細胞板在分裂後發育成細胞壁的一部分,所以細胞板只在植物細胞中出現。
- ↑ 也稱「Cell differentiation」。
- ↑ 相對於是單性花且是同株異花的玉米和既進行有性生殖也進行無性生殖的山柳菊有了不少優勢。
- ↑ 也稱「Character」。
- ↑ 也稱「Filial 1 hybrid」和「F1 crossbreed」。
- ↑ 也稱「Dominant character」。
- ↑ 原核生物的繁殖、與細胞質DNA有關性狀的遺傳不存在一定的性狀分離比。
- ↑ 在本試驗中,兩小桶內的彩球數目可以不相同,但是不同顏色彩球的比例必須相等且充分混合。
- ↑ 這步有時和「實驗驗證」合為一步。
- ↑ 因此,自由組合定律只適用於多對不位於一對同源染色體上的基因所控制的性狀。
- ↑ 因為沒有理解孟德爾定律,切爾馬克後來被排除在重發現孟德爾工作的科學家之外。
- ↑ 指生物個體表現出來的性狀。
- ↑ 指與表現型有關的基因組成。
- ↑ 指大小一般相同(二倍體生物的性染色體大小可能不同,但其兩條性染色體也互稱「同源染色體」),一條來自父方,一條來自母方的染色體。
- ↑ 指同源染色體兩兩配對的現象。
- ↑ 在孤雌生殖(Parthenogenesis)中,生物前後代的體細胞所含染色體數目不同。
- ↑ 由此開始,「基因」指「具有遺傳效應的DNA片段」。
- ↑ 因此,分離定律與自由組合定律只適用於真核細胞。
- ↑ 不考慮正常純合女性與正常男性婚配的情況。
- ↑ 加熱會使蛋白質發生不可逆的變性而失去生理活性。
- ↑ 不能單獨在培養基上培養。
- ↑ 攪拌不充分可能導致部分蛋白質扔吸附在大腸桿菌上。
- ↑ 保溫時間過短可能導致部分親代噬菌體DNA未被完全注射進入大腸桿菌菌體;保溫時間過長可能導致部分子代噬菌體釋放。
- ↑ 克里克在自傳《
狂熱的追求( )》中否認了他曾經看過這張照片,但他的陳述被人廣泛懷疑。 - ↑ 在高溫或存在解旋酶的情況下,鹼基對之間的氫鍵會斷開,形成DNA單鏈。
- ↑ 有絲分裂間期按照時間順序可分為G1期、S期和G2期。
- ↑ 指具有複製、表達、重組、突變、調控功能。
- ↑ 英語:George Gamow。
- ↑ 在三葉草結構中,存在鹼基互補配對的現象。該結構中暴露出的三個用於和密碼子互補配對的連續的鹼基被稱為「反密碼子」。
- ↑ 營養物質的種類並沒有改變。
- ↑ 因此,即使可能含有個染色體組,由配子發育而來的個體全稱為單倍體。
- ↑ 理論上仍存在生殖可能。
- ↑ 包括X射線、γ射線、紫外線、雷射等。
- ↑ 包括亞硝酸、硫酸二乙酯等。