高一生物必修一细胞的分子组成知识点梳理

社会的发展、人类文明的进步以及个人生活质量的提高，都离不开生物学的发展和应用。生物学作为一门基础学科，不仅揭示了生命现象的本质，还为医学、农业、环境保护等众多领域提供了理论支持和技术手段。

本文将围绕高一生物必修一中关于细胞的分子组成这一核心内容进行详细梳理，帮助读者深入理解细胞内各类物质的功能及其相互关系。

1. 细胞鲜重中含量最多的化合物是什么？

在细胞的鲜重中，水是含量最多的化合物，约占细胞总重量的70%-90%。水不仅是细胞的重要组成部分，还在细胞的生命活动中发挥着不可替代的作用。它参与了细胞内的各种化学反应，如光合作用、呼吸作用等，并且能够调节细胞的温度和渗透压。

此外，水还具有良好的溶解性，使得许多重要的生物分子如离子、糖类、氨基酸等能够在细胞内自由流动，从而保证了细胞代谢活动的顺利进行。

2. 细胞干重中含量最多的化合物是什么？

当细胞失去水分后，蛋白质成为干重中含量最多的化合物。蛋白质是由氨基酸通过肽键连接而成的大分子有机物，在细胞中扮演着至关重要的角色。它们不仅构成了细胞结构的一部分（如肌肉纤维），还参与了几乎所有的生命过程，包括催化生化反应（酶）、传递信号（激素）、免疫防御（抗体）等。

因此，蛋白质的多样性和功能复杂性是细胞生命活动的基础。

3. 结合水和自由水的功能是什么？

细胞中的水可以分为结合水和自由水两种形式。结合水是指与细胞内的大分子紧密结合而不能自由流动的水分，主要存在于细胞壁、细胞膜等结构中，起到维持细胞形态和支持细胞结构的作用。自由水则是指能够自由移动并参与细胞代谢活动的水分，例如参与物质运输、营养吸收、废物排泄等。

两者虽然状态不同，但共同维持了细胞正常的生理功能。

4. 结合水/自由水的比值变化与代谢之间的关系？

结合水与自由水的比例会随着细胞内外环境的变化而改变，进而影响细胞的代谢活动。通常情况下，活跃代谢的细胞中自由水比例较高，因为更多的自由水有助于加速化学反应；相反，在休眠或衰老的细胞中，结合水的比例相对增加，导致代谢速率减缓。这种动态平衡对于细胞适应不同的生存条件至关重要。

联想拓展：

- 种子成熟、萌发过程中结合水/自由水的比值变化？种子成熟时，为了减少水分流失并进入休眠状态，其内部的自由水逐渐转化为结合水，从而使种子能够长期保存。而在种子萌发初期，由于吸水膨胀，自由水比例迅速上升，激活了多种酶促反应，促进胚芽发育。

- 结合水/自由水的比值与新陈代谢强弱、生物抗性的关系？新陈代谢旺盛的组织器官中自由水含量较多，有利于物质交换和能量转换；而对于需要抵御干旱、寒冷等恶劣环境的植物来说，适当提高结合水比例可以增强其抗逆性。

5. 无机盐的功能是什么？

无机盐是指不含碳元素的矿物质，尽管在细胞中的含量较低，但它们对细胞的生命活动有着重要影响。无机盐参与了细胞内外液体的渗透压调节、pH值稳定、神经传导等多种生理过程。同时，某些特定的无机盐还是合成核酸、蛋白质等生物大分子所必需的原料之一，例如磷酸盐就是DNA和RNA合成过程中不可或缺的成分。

联想拓展：

- 哪些化合物的合成需要磷酸？磷酸除了参与核酸合成外，还是ATP（三磷酸腺苷）的主要成分之一。ATP作为细胞内的直接能源物质，通过高能磷酸键储存大量能量，为细胞的各种耗能活动提供动力。

6. 组成糖类的化学元素有哪些？

糖类是由碳（C）、氢（H）、氧（O）三种元素组成的多羟基醛或多羟基酮类化合物。根据其聚合程度，糖类可分为单糖、二糖和多糖。单糖是最简单的糖类单位，不能再被水解成更小的糖分子，常见的有葡萄糖、果糖等；二糖由两个单糖分子缩合而成，如蔗糖、麦芽糖；

多糖则由多个单糖分子通过脱水缩合形成的长链状结构，如淀粉、纤维素等。

7. 葡萄糖、核糖、脱氧核糖有什么作用？

- 葡萄糖 是细胞中最主要的能量来源之一，经由氧化分解生成二氧化碳和水的同时释放出大量的能量供细胞利用。此外，葡萄糖还可以通过糖原的形式储存在肝脏和肌肉中以备不时之需。

- 核糖 和 脱氧核糖 分别是构成RNA和DNA的基本骨架部分，这两种五碳糖与碱基及磷酸基团共同组成了遗传信息载体——核酸的核心结构。

8. 植物细胞壁、肝脏、肌肉细胞中含有最多的多糖分别是什么？

- 植物细胞壁 主要由纤维素构成，这是一种线性β-1,4-葡聚糖，赋予了植物细胞坚固的支持力和保护作用。

- 肝脏 中储存的多糖主要是糖原，它是一种分支α-1,4-葡聚糖，用于暂时储存过剩的葡萄糖并在血糖水平下降时迅速释放出来补充能量。

- 肌肉细胞 内也含有一定量的糖原，用于满足剧烈运动时快速供能的需求。

9. 糖类的主要作用是什么？

糖类在细胞中有以下几个主要作用：

- 能量供应：作为细胞呼吸作用的底物，通过一系列复杂的化学反应最终转化为ATP，为细胞的各项活动提供必要的能量。

- 结构支撑：如前所述，纤维素构建了植物细胞壁，增强了植物体的整体强度。

- 信息传递：一些糖蛋白或糖脂位于细胞表面，充当识别标志，介导细胞间的通讯交流。

- 储备物质：糖原作为一种高效的储能形式存在于动物体内，既便于储存又易于动员。

联想拓展：

- 高中教材中涉及到的还原性糖有哪些？还原性糖是指具有还原性的单糖或二糖，如葡萄糖、果糖、乳糖等。这类糖能在温和条件下将斐林试剂还原为砖红色沉淀，常用于实验检测。

10. 组成脂质的元素有哪些？

脂质是一类疏水性较强的有机化合物，主要由碳（C）、氢（H）、氧（O）三种元素组成，少数种类还可能含有氮（N）或磷（P）。根据其化学性质和功能差异，脂质可进一步细分为脂肪、磷脂、固醇等不同类型。

11. 固醇类包括哪些物质？

固醇类是一类环戊烷多氢菲衍生物，主要包括胆固醇、性激素（如雌激素、睾酮）、维生素D等。胆固醇是动物细胞膜的重要组成部分，调节膜流动性并参与胆汁酸和类固醇激素的合成；性激素则调控生殖系统发育及第二性征表现；维生素D有助于钙磷吸收，维持骨骼健康。

12. 蛋白质的元素组成有哪些？

蛋白质由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）四种基本元素构成，部分蛋白质还含有硫（S）或磷（P）。氮元素的存在使得蛋白质区别于其他有机化合物，并赋予其独特的理化性质。蛋白质的基本单位是氨基酸，后者通过肽键相连形成多肽链，再经过折叠盘绕最终构建成具有特定空间结构和功能的蛋白质分子。

13. 氨基酸的结构通式怎么表示？结构特点是什么？

氨基酸是蛋白质的基本构成单元，其结构通式为：

\[ \text{R}-\text{CH}(\text{NH}_2)-\text{COOH} \]

其中，“R”代表侧链基团，决定了氨基酸的不同类型；“-\text{NH}_2”是氨基，带有正电荷；“-\text{COOH”是羧基，带有负电荷。氨基酸分子两端分别带有亲水性和疏水性官能团，这使得它们可以在水溶液中自发形成两性离子，即兼性分子。”

氨基酸的结构特点包括：

- 两性电离：每个氨基酸分子既有一个带正电的氨基，也有一个带负电的羧基，在不同pH环境中表现出不同的电荷特性。

- 手性中心：除甘氨酸外，所有天然存在的α-氨基酸都具有手性碳原子（C*），这意味着它们存在一对对映异构体（L型和D型），自然界中绝大多数蛋白质均由L型氨基酸组成。

- 多样性：已知有20种标准氨基酸参与蛋白质合成，每种氨基酸因其独特的侧链基团而具备不同的物理化学性质，如极性、非极性、酸性、碱性等，这些差异赋予了蛋白质丰富的结构和功能多样性。

14. 什么叫肽键？用化学式怎样表示？

肽键是指两个氨基酸分子之间通过脱水缩合形成的酰胺键（-CONH-），它是蛋白质一级结构中的关键连接方式。具体而言，一个氨基酸的羧基（-\text{COOH}）与另一个氨基酸的氨基（-\text{NH}_2）发生脱水反应，生成水分子的同时形成肽键，如下所示：

\[ \text{R}_1-\text{COOH} + \text{R}_2-\text{NH}_2 \rightarrow \text{R}_1-\text{CO}-\text{NH}-\text{R}_2 + H_2O \]

肽键具有一定的刚性和方向性，使得多肽链呈现出特定的空间排列，进而影响蛋白质的整体构象。

联想拓展：

- 氨基酸数、肽链数、失去水分子数、肽键数之间的关系：假设一条由n个氨基酸组成的肽链，则该肽链中共有（n-1）个肽键，同时也失去了（n-1）个水分子。如果存在m条肽链，则总共需要失去的水分子数为（n-m）。

- 氨基酸的平均相对分子质量与蛋白质相对分子质量的关系：设氨基酸的平均相对分子质量为A，肽链数目为m，氨基酸总数为n，则蛋白质的相对分子质量M可近似表示为：\[ M = nA - (n-m) \times 18 \]

- 具体情境中羧基数目、氨基数目、肽键数目的判断：在实际问题中，可以通过计算氨基酸的数量和肽链数量来确定上述各项数值。例如，若某蛋白质由两条肽链组成，共有100个氨基酸，则其肽键数为98，羧基数和氨基数均为2（每条肽链两端各有一个游离的羧基和氨基）。

15. 蛋白质结构多样性的原因是什么？蛋白质多样性的根本原因是什么？

蛋白质结构的多样性源于以下几个方面：

- 氨基酸序列的不同：蛋白质的一级结构指的是氨基酸的线性排列顺序，这是决定蛋白质特性的最根本因素。即使是微小的氨基酸替换也可能导致蛋白质功能的重大改变。

- 肽链的折叠方式：蛋白质二级结构描述了局部区域内肽链的空间构象，如α螺旋和β折叠。三级结构则涉及整个肽链的三维折叠模式，而四级结构是指多亚基蛋白质中各个亚基之间的相对位置。

- 辅因子的存在：某些蛋白质还需要结合金属离子或其他小分子才能发挥正常功能，这些辅助成分被称为辅因子或辅基。

蛋白质多样性的根本原因是基因的多样性。DNA序列编码了特定的氨基酸序列，进而决定了蛋白质的一级结构。随着进化过程中基因突变的发生，新的蛋白质得以产生，赋予了生物体更加广泛的适应性和生存能力。

16. 举例说明蛋白质的功能。

蛋白质在细胞内执行着广泛而多样的功能，以下列举几个典型例子：

- 酶：催化生化反应，降低活化能，提高反应速率。例如，胰岛素促进葡萄糖进入细胞，胃蛋白酶分解食物中的蛋白质。

- 抗体：识别并结合外来病原体，启动免疫应答，保护机体免受感染。例如，针对新冠病毒的中和抗体能够阻止病毒入侵宿主细胞。

- 结构蛋白：提供机械支持，维持细胞形状。例如，角蛋白构成头发和指甲，胶原蛋白加固皮肤和结缔组织。

- 运输蛋白：携带氧气和其他重要物质穿过细胞膜。例如，血红蛋白负责将氧气从肺部输送到全身各处。

- 信号分子：传递信息，协调细胞间通信。例如，胰岛素调节血糖水平，生长因子刺激细胞增殖。

17. 核酸的元素组成和功能是什么？

核酸是由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）五种元素组成的大型生物分子，分为DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）两大类。核酸的主要功能包括：

- 遗传信息的存储：DNA双螺旋结构承载着遗传密码，指导蛋白质合成，控制生物个体的生长发育和繁殖。

- 遗传信息的传递：通过转录过程，DNA上的遗传信息被复制到RNA上，随后通过翻译过程将RNA的信息转化为蛋白质。

- 调控基因表达：RNA不仅作为中间载体，还能通过多种机制调控基因表达，如miRNA（微小RNA）抑制靶基因的翻译。

18. 核酸的基本单位及其组成成分是什么？

核酸的基本单位是核苷酸，由一个五碳糖（脱氧核糖或核糖）、一个含氮碱基（腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧啶T或尿嘧啶U）和一个磷酸基团组成。核苷酸之间通过磷酸二酯键相连，形成多核苷酸链。DNA和RNA的主要区别在于五碳糖的不同（前者为脱氧核糖，后者为核糖）以及碱基组成（DNA含T，RNA含U）。

19. DNA 和 RNA 的区别有哪些？

DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）在结构和功能上有显著差异：

| 特征 | DNA | RNA |

|-----------|-----------------------------|-----------------------------|

| 五碳糖 | 脱氧核糖 | 核糖 |

| 碱基 | A、T、G、C | A、U、G、C |

| 链数 | 双链，呈双螺旋结构 | 单链，呈不规则折叠 |

| 存在部位 | 主要在细胞核，少量在线粒体 | 主要在细胞质 |

| 功能 | 遗传信息的存储和传递 | 信使RNA、转运RNA、核糖体RNA |

20. 生物的遗传物质是什么？

对于绝大多数生物而言，DNA是遗传信息的主要载体。DNA分子通过自我复制确保遗传信息的代际传递，并通过转录和翻译过程将遗传信息转化为蛋白质，实现基因表达调控。

然而，某些病毒（如艾滋病病毒HIV）则以RNA作为遗传物质，它们依赖宿主细胞内的逆转录酶将RNA反转录为DNA，再整合进宿主基因组中完成复制。

联想拓展：

- 为什么说 DNA 是主要的遗传物质？实验研究表明，DNA具有稳定的双螺旋结构，能够精确复制并保持遗传信息的连续性；相比之下，RNA较为不稳定，容易受到外界因素干扰而降解，因此不适合作为主要遗传物质。

- 真核生物、原核生物的遗传物质是什么？无论是真核生物还是原核生物，其遗传物质都是DNA。不过，真核生物的DNA通常分布在细胞核内，而原核生物的DNA则裸露于细胞质中。

- 病毒的遗传物质是什么？病毒的遗传物质可以是DNA或RNA，取决于病毒种类。例如，噬菌体T4属于DNA病毒，而流感病毒则属于RNA病毒。

- 真核生物的细胞中含有 RNA，这些 RNA 是遗传物质吗？尽管真核生物细胞中含有大量RNA，但它们并非遗传物质。RNA主要承担着转录和翻译过程中遗传信息的传递任务，而非直接存储遗传信息。

- 细胞质内的遗传物质是什么？在真核生物中，细胞质内的线粒体和叶绿体也含有少量DNA，称为细胞器DNA。这些DNA独立于细胞核DNA，负责编码部分细胞器特有的蛋白质。

细胞的分子组成是一个复杂而有序的体系，其中水、无机盐、糖类、脂质、蛋白质和核酸等各类物质协同作用，共同维持着细胞的生命活动。通过对这些基础知识的学习和理解，我们不仅能更好地认识生命的奥秘，也为未来深入探索生物学前沿打下了坚实的基础。