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竞赛辅导一


阜阳一中生物竞赛辅导材料(一)
竞赛考试内容及分值比例
1.细胞生物学、生物化学、微生物学 2.植物和动物的解剖、生理、组织和器官的结构与功能 3.动物行为学、生态学 4.遗传学与进化生物学、生物系统学 (25%) (30%) (20%) (25%)

第一章
一、元素组成

细胞生物学、生物化学、微生物学 第一节 细胞的化学成分

细胞的元素主要由 C、H、N、O、P、S、Ca 组成,其含量约占细胞总重的 99.35%,而在这 99.35%中, C、H、N、O 4 种元素就占了 96%,它们是构成各种有机化合物的主要成分。上述 7 种元素以外的其他元素含 量很少,但仍然是细胞中必不可少的元素。例如,F, 、Mn、Cu、Zn、Mo、Mg 等是酶的辅助因子,在生命活 动中有重要作用。 二、分子组成 不同生物的细胞,其分子组成大体是相同的,即都含有核酸、蛋白质、脂类、糖、无机盐离子和水,但是 这些物质在不同类型细胞中的相对含量可能相差很大。 (一)水和无机盐 1、水 地球上最早的生命是在原始海洋中孕育的,所以生命从一开始就离不开水。水是生命的介质,没有水就没 有生命。如干燥种子的有了足够的水才能萌发生长;陆生生物,甚至干旱沙漠地带的生物,已经适应了在空气 中生活,它们体内的一切组织依然都是浴于水中的。 水的特性 ①水是极性分子 水分子中,氧质子有很强的吸引电子的力量,它和氢所形成的共价键就成了有极性的共价键,电子为氧所 吸引,水分子中氧的一端带有负电,氢的一端带有正电。因而每个水分子带负电的氧都和它周围的另一些水分 子的带正电的氢相吸引而形成氢键。这种氢键很脆弱,故破开得快,形成得也快,总的结果是水分子总是以不 稳定的氢键连成一片,水的这一特性使水有了较强的内聚力和表面能力。由于内聚力,水可以在根、茎、叶的 导管中形成连续的水柱,从而可从根部一直上升到参天大树的树梢。由于较高的表面能力,所以水蝇等昆虫能 在水面上行走。 ②水的比热为 1 1g 水上升 1℃需 4.184J 热,而 1g 空气上升 1℃只需 1.046J 就行了。由于水能在温度升高时吸收较多热 量,这就使细胞的温度和代谢速率得以保持稳定。水的蒸发热也较高,在 100C 时,1g 液态水变为气态(蒸汽) 需要 2 259.36J。如我们夏天出汗,汗水蒸发吸热多,有利于维持体温;植物在高温的夏季仍能保持低体温, 就是由于水分大量蒸发之故。 ③、固态水(冰)比液态水的密度低 水温降低时,分子运动变慢,分子间距离缩小,水密度增大。在水温降至 4℃时,分子间距离最小,分子运 动最慢,各水分子几乎都能和另外 4 个水分子形成氢键。水温如再下降,各水分子彼此又稍稍离开以保持最大 数量的氢键存在。水温降至 0℃时,水分子互以氢键相连而结冰,但体积却略大于同量的液态水,密度也低于液 态水而漂于水的表层。这一特点对水生生物至为重要。如果冰的密度大,沉入水底,上面的水又层层结冰而下 沉,水生生物将无存身之处。冰浮在表面,正好成为一绝缘层,使下面的水保持在冰点以上,水生生物可生活 于其中。此外,结冰时散热,冰融时吸热,这一过程有缓冲水温变化的作用,也有利于生物的生存。 ④、ph=7

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此外,水是最好的溶剂,这也与水分子的极性有关。生命系统中很多分子都是电解质或是极性分子,如糖 类分子,它们都能溶于水,而没有极性的分子,如脂类分子不溶于水,它们是生物膜的主要成分,由于它们的 疏水性,膜才能存在而不被水溶解。 2、无机盐 细胞中的无机盐一般都是以离子状态存在的,如 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、C1-、HPO42-、HCO3-等。 作用: ①、它们对细胞的渗透压和 pH 起着重要的调节作用。 ②、有些离子是酶的活化因子和调节因子,如 Mg2+、Ca2+等。 ③、有些离子是合成有机物的原料,如 P043-是合成磷脂、核苷酸等的原料,Fe2+是合成血红蛋白的原料等。 (二)、糖类 糖类是多羟基醛、多羟基酮的总称,一般可用 Cm(H2O)n 化学通式表示。由于一些糖分子中氢和氧原子数 之比往往是 2:1,与水结构相似,故又把糖类称为碳水化合物。糖是生命活动的主要能源,又是重要的中间代 谢物,还有些糖是构成生物大分子,如核酸和糖蛋白的成分,因而具有重要意义。糖类化合物按其组成可分为 单糖、寡糖、多糖。如果糖类化合物中尚含有非糖物质部分,则称为糖复合物,例如糖蛋白、蛋白多糖、糖脂 和脂多糖等。 1、单糖 单糖是最简单的糖,不能被水解为更小的单位。单糖通常含有 3—7 个碳原子,分别称为丙糖、丁糖、戊糖、 己糖和庚糖。天然存在的单糖一般都是 D-构型。单糖分子既可以开链形式存在,也可以环式结构形式存在。在 环式结构中如果第一位碳原子上的羟基与第二位碳原子的羟基在环的同一面,称为α -型;如果羟基是在环的两 面,称β -型。

重要的单糖有以下几种: (1)丙糖 如甘油醛(醛糖)和二羟丙酮(酮糖)。它们的磷酸酯是细胞呼吸和光合作用中重要的中间代谢物。 (2)戊糖 戊糖中最重要的有核糖(醛糖)、脱氧核糖(醛糖)和核酮糖(酮糖)。核糖和脱氧核糖是核酸的重要成分, 核酮糖是重要的中间代谢物。 (3)己糖 又称六碳糖,是最常见的单糖。葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等都是六碳糖。所有己糖的分子式 为 C6H1206,但结构式不同,互为同分异构体。葡萄糖是植物光合作用的产物,也是细胞的重要能源物质之一。 葡萄糖和果糖可以以游离状态存在,亦可以以结合状态存在,游离态的葡萄糖存在于动、植物细胞中,游离态 的果糖存在于果实和蜂蜜中。半乳糖以结合状态存在于乳糖和琼胶中。 2、寡糖 由少数几个(2—6 个)单糖缩合而成的糖称为寡糖。最多的寡糖是双糖,如麦芽糖、蔗糖、纤维二糖、乳糖。 1. 麦芽糖 麦芽糖是由一个α —D-葡萄糖半缩醛羟基与另一分子α -D-葡萄糖 C4 上的醇羟基缩合脱去一分 子水,通过α -1,4-糖苷键结合而成。麦芽糖是淀粉的基本单位,淀粉水解即产生麦芽糖,所以麦芽糖通常只存 在于淀粉水解的组织,如麦芽中。

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2.蔗糖 3.乳糖

一分子α -D—葡萄糖和一分子β -D-果糖缩合脱水即成蔗糖。甘蔗、甜菜、胡萝卜以及香蕉、菠 乳糖由一分子β -D-半乳糖和一分子α -D-葡萄糖通过β -1,4-糖苷键结合而成。乳糖主要存在于哺

萝等水果中都富含蔗糖。 乳动物乳汁中。 4.纤维二糖 纤维二糖是纤维素的基本结构单位,由 2 分子的 p-D-葡萄糖通过β -1,4-糖苷键结合而成。 小分子糖中,除双糖外,还有由 3~6 个单糖结合而成三糖、四糖等。例如,棉子、甜菜和桉树中的棉子糖 (raffinose)是由 3 个单糖分子,即半乳糖、葡萄糖、果糖组成。 3、多糖 自然界数量最大的糖类是多糖。多糖是由很多单糖分子缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子。常见的 多糖有:淀粉、纤维素、糖原、几丁质和黏多糖等。 (1)淀粉 根据链的分支与否,可将淀粉分为直链淀粉(amylose)和支链淀粉(amylopectin)2 种。直链淀粉不分 支,通常卷曲成螺旋形,相对分子质量从几千到 500 000 不等。支链淀粉分子较大,相对分子质量在 200 000 以 上, 、可达 100 万。支链淀粉的各链中的葡萄糖都是 a-1C 与 a-4C 相连成糖苷键的,但在分支处,二葡萄糖则是 以 a-lC 和 a-6C 相连的。支链淀粉一般每隔 24~30 个葡萄糖就有一个分支。一般的淀粉中都含有直链和支链 2 种分子,如马铃薯淀粉中 22%是直链的,78%是支链的。但也有只含一种分子的,如豆类种子所含淀粉全为直 链淀粉,糯米淀粉全为支链淀粉。淀粉与碘有呈色反应,直链淀粉为蓝色,支链淀粉为紫红色。在稀酸或酶的 作用下,淀粉水解:淀粉→糊精→麦芽糖→α -D—葡萄糖。糊精是淀粉水解的最初产物,随着水解,糖分子逐 渐变小,它与碘作用分别呈红色、黄色、无色。这个反应可用于淀粉水解过程的检验。

(2)糖原

糖原(glycogen)是动物细胞中贮存的多糖,又称动物淀粉。糖原也是α -D-葡萄糖基以α -1,4-糖苷

键连接而成的,但糖原的分支比支链淀粉多,主链每隔 8—12 个葡萄糖就有一个分支,每个分支约有 12~18 个 葡萄糖分子(图 1—4)。糖原在水中的溶解度大于淀粉,遇碘变为红褐色。肝细胞中糖原的相对分子质量平均可 达几百万。 (3)纤维素,地球上数量最大的有机化合物是糖类,而糖类中又以纤维素(cellulose)所占比例最大,约占植物界 碳素总量的 50%以上。如高等植物细胞壁的主要成分是纤维素。木材中 50%是纤维素,而棉花纤维中 90%都是 纤维素。纤维素分子呈不分支长链,由 10 000~15 000 个 β-D—葡萄糖在 1,4 碳原子之间键接而成。这是纤维 素和直链淀粉、支链淀粉、糖原的一个主要不同之处,后 3 者都是由 a—D—葡萄糖缩合而成的。纤维素水解时 产生纤维二糖,再进一步水解而成葡萄糖。纤维素水解需要纤维素酶(cellulase)。人没有纤维素酶,不能消化纤 维素。但食物中纤维素成分能刺激肠道蠕动,减少癌的发生。 (4)几丁质(甲壳素) 昆虫和甲壳类外骨骼的主要成分为几丁质,是 N-乙酰—D-氨基葡萄糖以β -1,4-糖苷键缩 合成的同多糖。 (三) 、脂类 脂类是生物体内一类重要的有机化合物。它们有一个共同的物理性质,就是不溶于水,但能溶于非极性有 机溶剂(如氯仿、乙醚、丙酮等)。脂类的组成元素主要有 C、H、O,但 O 元素含量低,C、H 元素含量高,彻 底氧化后可以放出更多能量。此外,有的脂类还含有 P 和 N。生物体内常见的具有重要生理功能的脂类主要有 三酰甘油、磷脂、类固醇、萜类、蜡等。

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1、脂类的生物学功能 ①、是生物膜的重要成分; ②、是贮存能的分子。脂肪氧化时产生的能约 2 倍于糖氧化时产生的能,所以细胞贮存脂肪比贮存糖经济得多; ③、构成生物表面的保护层,如皮肤和羽毛以及果实外表的蜡质; ④、是很好的绝缘体,动物皮下脂肪有保持正常体温的作用; ⑤、有些脂类是重要的生物学活性物质,如维生素 A、维生素 D、睾酮、肾上腺皮质激素、前列腺素等。 2、脂类分类。 (1)三酰甘油 三酰甘油也称脂肪,是由 1 分子甘油和 3 分子脂肪酸结合而成的酯。 右边结构式中 Rl、R2、凡是脂肪酸的烃基链,构成三酰甘油的脂肪酸 可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。饱和脂肪酸碳氢链上没有双键,如软 脂酸、硬脂酸,其熔点高。不饱和脂肪酸的碳氢链上含有不饱和双键,如 油酸含 1 个双键,亚油酸含 2 个双键,亚麻酸含 3 个双键,因此熔点较低。 动物脂肪大多富含饱和脂肪酸,在室温下为固态,植物油含大量油酸和亚 油酸,在室温下为液态。对于哺乳动物和人,亚油酸和亚麻酸不能自己合 成,只能从外界摄取,称为必需脂肪酸。 (2)磷脂 磷脂又称甘油磷脂,磷脂(phospholipids)几乎全部存在于细胞的膜系统中,在脑、肺、肾、心、骨髓、卵及 大豆细胞中含量最高。和脂肪不同之处在于;甘油的一个 α—羟基不是和脂肪酸而是和磷酸结合成酯(磷脂酸) 。 磷脂酸是最简单的磷脂,在细胞中含量甚少,但它是其他磷脂合成的中间产物。细胞中的磷脂,大多比磷脂酸 复杂,即磷脂酸分子式中的 HI 为含氨基的醇,如胆碱、胆胺、丝氨酸等所取代,则分别成为卵磷脂、脑磷脂、 丝氨酸磷脂等。卵磷脂为白色蜡状物质,易溶于乙醚、乙醇等有机溶剂,是生物膜的主要成分,主要存在于脑、 卵黄、红细胞、肾上腺和精液中。脑磷脂与血液凝集有关,也是动物膜结构的主要成分。丝氨酸磷脂存在于脑 中。通常磷脂分子中的 2 个脂肪酸总有一个是不饱和的,因此 2 个脂肪酸链不是平行并列的,其中一个(不饱和 脂肪酸)总是有折弯的。磷脂分子由于有磷酸和与之相连接的含氨基的化合物,因而是有极性的分子,它的磷酸 一端为极性的头,是亲水的,它的 2 个脂肪酸链是非极性的尾,是疏水的。如将磷脂放在水面上,磷脂分子都 将以亲水的头和水面相接,而倒立在水面上,成一单分子层。如将磷脂放入水中,磷脂分子则会形成单分子微 团,各分子的极性头位于微团的表面而与水接触,非极性的疏水端则藏在微团的中心。如在水中置一隔膜,磷 脂分子能在隔膜小孔处形成双分子层:亲水的极性头位于双分子层的外表,疏水的尾藏在内面。细胞各种膜的 形成、结构和特性,都与磷脂分子的极性特征有关。 (3)类固醇 这是一类具有特殊芳香族结构的物质,它们不含脂肪酸,但它们的理化性质与脂肪相近。它们不溶于水, 而易溶于非极性的有机溶剂,所以习惯上将它们和脂类放在一起。类固醇(steroids)分子的基本结构是一个由 4 个碳环构成的环戊烷多氢菲。最熟知的类固醇是在环戊烷多氢菲上连有一条碳氢链的胆固醇(cholester01)。胆固 醇是动物细胞膜和神经髓鞘的重要成分,与膜的透性有关。动物细胞线粒体和内质网膜中也有少量胆固醇。植 物细胞不含胆固醇, 但含有其他类固醇物质, 称为植物固醇(phytoster01)。 一些重要的生物活性物质, 如性激素、 维生素 D 和肾上腺皮质激素等都属于类固醇。 (4)萜类 萜类是由不同数目的异戊二烯连接而成的分子。维生素 A(视黄醇)、维生素 E、维生素 K、类胡萝卜素都是 萜类。β -类胡萝卜素裂解就成 2 个维生素 A,维生素 A 可氧化成视黄醛,对动物感光活动有重要作用。 (5)蜡 蜡是由脂肪酸和醇化合而成的酯。但蜡的脂肪酸都是长链的,醇也都是长链的,并且只有一个—OH 基。皮 肤表面、毛,羽植物叶及果实表面以及昆虫体表都有蜡覆盖,使细胞与外界严密隔离,防止细胞失水,起保护 作用。

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