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生命科学与技术学院袁明雄ymingx@mail.hust.edu.cn生命科学导论第四章生物体的结构和机能第一节细胞的基本概念第二节组织和器官系统的基本概念第三节能量和代谢第四节物质的跨膜运输第五节细胞的分裂、分化、衰老与死亡第六节细胞成分或结构的分离生命科学与技术学院袁明雄1.细胞学说的主要内容概括细胞学说可以归纳为以下3点：①所有生物都由细胞和细胞的产物组成；第一节细胞的基本概念②新的细胞必须经过已存在细胞的分裂而产生。从生命的层次上看，细胞是具有完整生命力的最简单的物质集合形式。2.细胞是构成生物体的基本组成单位生物体结构层次可大体剖析为系统→器官→组织→细胞→分子。具有细胞分化的多细胞生物，根据其细胞形态、结构和功能等不同，可划分为不同的细胞类群。例如一个成年人体，约1014个细胞，可分为300种左右。③相对独立的细胞的协同作用共同完成各项生命活动。生命科学与技术学院袁明雄3.细胞是生物体代谢生理活动的基本功能单位生命的基本特征是什么？有生命的生物与无生命的物质之间的根本区别是什么？——新陈代谢。第一节细胞的基本概念新陈代谢包括有物质代谢、能量新陈代谢等诸多的代谢生理活动，而各种器官组织中的功能细胞是其具体的实施单位。5.细胞是生物体遗传的基本遗传单位生物体中每个细胞的细胞核中都有代表该个体的全套遗传物质和遗传信息，正是在这一整套基因组的控制下，生物体的世代遗传可以保持相对的稳定。同时，也是这一整套基因组循序渐进地控制着生物体一生发育的全过程。4.细胞是生物体生长发育的基本发育单位生物体的生长可不是像海绵吸水式膨胀起来的，而是依靠大量增补和更新许多细胞和分化出各种不同功能的细胞群来实现的，这也是细胞对生物体生长发育的具体贡献。生命科学与技术学院袁明雄6.细胞的内部结构细胞内部结构十分齐全而精致。每个细胞都具有各自相对独立的严格程序化的、自动控制的代谢系统，哪怕是最简单的一个细胞，其细胞内生化代谢的有序性和自控性，都远远超过目前任何一家最现代化的工厂。第一节细胞的基本概念生命科学与技术学院袁明雄1.组织组织是由一些形态相同或类似、机能相同的细胞群构成的合作单元。每种组织各完成一定的机能。动物体（或人体）组织根据其起源、形态结构和功能上的不同，分为上皮组织、结缔组织、肌肉组织和神经组织4大类。几种上皮组织（1）上皮组织上皮组织由扁平、立方或柱状的细胞组成，细胞间排列紧密。上皮组织通常覆盖在身体的表面或体内各种管、腔和囊状器官的内层，具有保护、分泌、排泄和吸收等功能。由于所处部位的特殊性和功能的繁重性，它们常会受到机械或病理损伤，因此，许多上皮细胞具有增殖产生新细胞的能力，以不断补充新细胞。第二节组织和器官系统的基本概念生命科学与技术学院袁明雄（2）结缔组织结缔组织由基质及分散其中的细胞构成。细胞间基质通常由氨基多糖和蛋白多糖及嵌在其中的网状纤维组成。6种结缔组织结缔组织是动物体中分布最为广泛、种类最多的一类组织，具有连接、支持、保护、防御、修复和运输等功能。脂肪组织是一种疏松结缔组织，其中含有脂肪，能贮存能量、充实身体并使其隔热。血液是一种流体结缔组织，其基质——血浆为液态，血浆由水、盐和可溶性蛋白质组成，红细胞和白细胞悬浮在血浆中。血液在身体各部位之间起着传输物质和免疫的作用。第二节组织和器官系统的基本概念生命科学与技术学院袁明雄（3）肌肉组织肌肉组织由成束的具收缩能力的长形肌纤维构成，是脊椎动物体内最丰富的组织。肌纤维的收缩是由其胞质中的纵向排列的肌原纤维实现的，肌肉组织的功能是维持机体和器官的运动。3种肌肉组织①骨骼肌长的肌纤维组成，附着于骨骼上，能直接受意志的支配进行收缩运动。②平滑肌长梭形，分布于内脏器官的内壁，活动不受意志控制，不能随意运动。③心肌肌纤维短而分支互相连接成网状，为心脏特有的肌肉组织，正常情况下，心肌自动有节律地收缩，不受意志控制。第二节组织和器官系统的基本概念生命科学与技术学院袁明雄（4）神经组织神经组织是动物体内分化程度最高的一种组织。神经组织的结构和功能单位是神经细胞，即神经元。每个神经元都含有细胞体（含细胞核）和数条长短不等的突起。神经元的基本结构突起即神经纤维，可分为树突、轴突两种。树突常分支成树枝状，可以接收冲动传给细胞体。轴突较长，一般只有一个，作用是将冲动从细胞体向外传出，通常把信号由细胞体向另一个神经元传递。神经信号在身体不同部位之间传递通常要经过多个神经元。神经纤维的末端很细，并终止于器官组织内，成为神经末梢。感觉神经末梢和运动神经末梢是两种不同生理功能的神经末梢，分别具有感受器和效应器的作用。第二节组织和器官系统的基本概念生命科学与技术学院袁明雄神经节成团的神经细胞胞体构成神经节，从胞体发出相互平行的神经纤维。●神经结构大多数神经由神经纤维束构成，称为神经束。神经分布到身体特定的部位，包含两类纤维：感觉（传入）纤维将来自皮肤、感觉器官和内脏感受器的冲动传至脑和脊髓；运动（传出）纤维将脑和脊髓的信号传至肌肉或者腺体。第二节组织和器官系统的基本概念生命科学与技术学院袁明雄●神经冲动的传递①神经纤维上顺序发生电位变化当神经细胞受到适当刺激产生兴奋及动作电位后，在局部位置的兴奋和动作电位会以波的形式沿着神经纤维向前传导，即神经冲动的传导，有点象电流和多米诺骨牌效应。②突触之间的传导当一个反射进行时，神经冲动的传导要经过不止一个神经元，因此，动作电位通过神经元与神经元之间的连接处即突触进行传播。绝大多数的神经冲动不能以动作电位的方式直接通过，而要借助于特殊的化学物质即神经递质的参与。乙酰胆碱是最普遍的一种神经递质。第二节组织和器官系统的基本概念生命科学与技术学院袁明雄●反射与神经冲动的传导人体通过神经系统对各种刺激所发生的反应叫做反射。膝跳反射之所以最简单，还因为它不涉及任何脊髓和脑部的中间神经元。神经反射中的膝跳反射反射通路的结构基础称为反射弧，包括感受器、传入神经元、神经中枢（中间神经元及突触连接）、传出神经元、效应器5个环节。一个最简单的反射例子是膝跳反射。第二节组织和器官系统的基本概念生命科学与技术学院袁明雄2.器官与系统与组织相比，器官代表了一个更高层次的结构，它执行了组织不能单独完成的功能。器官是由多种组织构成的特定形态结构，每一种器官行使与其形态特征相适应的生理功能。例如：心脏主要由心肌（肌肉组织）构成，但同时含有上皮组织、结缔组织和神经组织。心脏通过心肌细胞有节律地收缩，具有维持血液在血管中运行和循环的功能。器官水平的功能源于组织的相互协调作用，相互协调作用是动物界各体系所有层次水平中的基本特征。在功能上相关联的一些器官联合在一起，分工合作完成某种生命必需的功能，这种比器官更高层次上的结构单元称为系统或器官系统。一般而言，脊椎动物主要器官系统包括皮肤系统、骨骼系统、肌肉系统、消化系统、呼吸系统、循环系统、神经系统、内分泌系统、泌尿系统和生殖系统等。第二节组织和器官系统的基本概念生命科学与技术学院袁明雄各种系统在神经系统和内分泌系统的调节控制下，彼此相互联系、相互制约地执行其不同的生理机能，完成整个的生命活动。第二节组织和器官系统的基本概念例：人体消化系统为机体消化食物和吸收营养素的结构的总称。消化系统分为消化管和消化腺两大部分。生命科学与技术学院袁明雄1.生物体的能量（1）生命活动需要能量生命的存在要靠能量，生物本身不能创造新的能量，它只能依赖于外部能量的输入。第三节能量和代谢几乎所有地球生命所需要的能量都来自太阳。例如植物通过光合作用捕获能量，食草动物通过摄取植物获得能量，食肉动物就要依靠捕猎食草动物来生存。植物在生态系统中是生产者，而人类和其他动物直接或间接以植物为生，获得能量，它们通常被称为消费者，是异养生物。（2）代谢是化学物质和能量的转化过程正常情况下，生物体内每时每刻都在进行着能量的转换。每一个活细胞或生物的生命活动都需要能量来维持。生物的生长、运动、自我修复、繁殖、对外界的应激反应等生命活动都有赖于生物的代谢活动，代谢也可定义为发生在生物体内全部的化学物质和能量的转化过程。生命科学与技术学院袁明雄（3）细胞的能量通货——ATP在活细胞中，能量通常贮存在腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）中，ATP还可以读作腺苷三磷酸或三磷酸腺苷。我们可以将ATP当作细胞中能量的通货。ATP是一种不稳定的化合物，其磷酸键相当脆弱、易于断裂。当ATP水解时，一个高能磷酸键断裂，同时释放出能量并形成较ATP更为稳定的腺嘌呤核苷二磷酸（ADP）。在标准状态下，每摩尔ATP水解形成ADP，可产生30.5kJ的能量。第三节能量和代谢生命科学与技术学院袁明雄2.细胞呼吸的化学过程细胞呼吸是由一系列化学反应组成的一个连续完整的代谢过程，每一步反应都需要特定的酶参与才能完成。而且某一步化学反应得到的产物同时又是下一步反应的底物。细胞呼吸消耗各类有机大分子，通常用典型的葡萄糖分子（C6H12O6）来阐明细胞呼吸的代谢反应过程：6C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量（ATP+热）为了便于学习和理解，根据产物的性质和反应在细胞中发生的部位，将细胞呼吸的化学过程分为3个阶段。第三节能量和代谢生命科学与技术学院袁明雄（1）糖酵解糖酵解为细胞呼吸的第一阶段，发生在线粒体外的细胞质中。它启动了细胞呼吸代谢，将1个六碳的葡萄糖分解成2个三碳的丙酮酸，这一阶段净产生2个ATP，还生成2分子NADH。糖酵解包括发生在细胞质中的9步化学反应，最终产物是丙酮酸。在缺氧环境中生活的一些生物如酵母菌，通过糖酵解产生的ATP便能满足其代谢活动的需要；但对于大多数生物来说，还需要丙酮酸的进一步分解和呼吸链获得更多的能量才能满足代谢的需要。第三节能量和代谢生命科学与技术学院袁明雄（2）Krebs循环Krebs（又称柠檬酸循环或三羧酸循环），循环是以生物化学家HansKrebs的名字来命名的，以纪念他为细胞呼吸中以柠檬酸为起点的循环反应所作出的贡献。Krebs循环是细胞呼吸的第二阶段，在线粒体基质中进行，它进一步分解丙酮酸。每一轮循环放出2分子CO2和8个H，产生3分子NADH和1分子FADH，还直接产生1分子ATP。第三节能量和代谢生命科学与技术学院袁明雄（3）电子传递链和氧化磷酸化葡萄糖经过糖酵解和Krebs循环被氧化分解成CO2，产生的能量一部分直接形成了ATP，一部分保留在NAD+和FAD+接受的高能电子后形成的NADH和FADH2中。在细胞呼吸的第三阶段，电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能的电子从NADH和FADH2最终传递给分子氧，同时随着电子能量水平的逐步下降，高能电子所释放的化学能就通过磷酸化途径贮存到ATP分子中。第三节能量和代谢生命科学与技术学院袁明雄（4）化学渗透学说①底物水平的磷酸化底物水平的磷酸化机理较为简单，在磷酸化过程中，相关的酶将底物分子上的磷酸基团直接转移到ADP分子上。这些底物是葡萄糖分解为CO2的细胞呼吸反应中所形成的有关中间产物。这种转移过程的发生是由于这些带有磷酸基团的底物相当不稳定，磷酸基团与底物相连的化学键非常脆弱，在酶的作用下发生磷酸基团的转移形成了比原反应物更为稳定的新产物和ATP分子。例如，糖酵解中ATP的形成都是这种底物水平的磷酸化反应。第三节能量和代谢生命科学与技术学院袁明雄②生物化学渗透学说与底物水平的磷酸化机理相比，电子传递链偶联的磷酸化及其机理要复杂得多，它涉及到质子的跨膜运输等。1961年，英国科学家Mitchell提出了化学渗透学说，解释了线粒体内膜上电子传递过程中氧化磷酸化及ATP形成的机理，Mitchell由此荣获了1978年的诺贝尔奖。化学渗透学说可简单表述如下：当线粒体内膜上的呼吸链进行电子传递时，电子能量逐步降低，从NADH脱下的H+便穿过内膜从线粒体的基质进入到内膜外的腔中，造成跨膜的质子梯度，导致化学渗透发生，即质子顺梯度从外腔经内膜通道（ATP合成酶）返回到线粒体的基质中，在ATP酶的作用下，所释放的能量使ADP与磷酸结合生成了ATP。第三节能量和代谢生命科学与技术学院袁明雄3.酶促反应（1）酶是具有催化作