傅胖中的小窩
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生命的特性 教學目標
觀念迷思
1-1 生命現象
1-2 細胞的化學組成
1-3 細胞的結構
1-4 細胞的生理
1-5 細胞的能量
探討活動1-1 生物細胞的觀察
補充資料
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細胞的發現與細胞學說
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細胞膜的運輸
被動運輸
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光合作用與光合色素
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碳反應
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發酵作用
原核細胞與真核細胞
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細胞的生理
細胞需維持適當的內部環境,提供能量轉變及各種化學反應的進行,才能表現生命現象。而維持適當的內部環境需仰賴細胞膜,細胞膜可選擇性地允許營養物或代謝物經由特定方式通過細胞膜,調節細胞的化學組成,以維持細胞的正常生理作用。
物質通過細胞膜的方式
物質由濃度較高的一側經由細胞膜輸送至濃度較低的一側,過程中不需消耗能量,稱為被動運輸。然而正常生理狀況下,許多物質進出細胞是由低濃度處往高濃度處輸送,過程中需消耗能量,稱為主動運輸。
被動運輸
擴散是指物質由高濃度處往低濃度處移動的現象,不需消耗能量,當兩處的物質濃度差異愈大,擴散的速率也愈快。例如:將水彩顏料滴入水中,顏料分子會向四周濃度較低處擴散;或在房間內打開一瓶香水,香水分子也會由高濃度處往低濃度處擴散,而使整個房間充滿香氣。
滲 透
水分子通過細胞膜的擴散稱為滲透,例如:在U形管的中央置入只允許水分子通透的膜,並在膜的兩側加入等量但不同濃度的蔗糖溶液。經過一段時間後,水分子由溶質濃度低(水含量多)的一側,通過此選擇性通透膜向溶質濃度(水含量少)的一側移動,造成蔗糖濃度較高的一側水平面上升(圖1-20)。由於水分子是由含量多處往含量少處移動,因此不需要消耗能量。大部分的細胞膜允許水分子自由進出細胞,但會限制其他物質的進出,因此細胞內、外的溶質濃度差異會決定水的移動方向,例如:將人類紅血球置於生理食鹽水(如0.9% NaCl 溶液)中,細胞可維持原來的形狀,此生理食鹽水是紅血球的等張溶液;
將紅血球置於高濃度的食鹽水(如2% NaCl 溶液)中,離開細胞的水多於進入細胞的水,造成細胞萎縮,此高濃度食鹽水為紅血球的高張溶液;若
將紅血球置於低濃度的食鹽水(如0.2% NaC1 溶液)中,進入細胞的水多於離開細胞的水,造成細胞膨脹,而最後可能破裂,此低濃度的食鹽水
為紅血球的低張溶液。同樣地,將植物細胞置於等張溶液中,細胞會維持原來的形狀;若置於高張溶液中,細胞質喪失水分造成細胞膜與細胞壁分離
;但若置於低張溶液中,因有細胞壁保護,細胞會膨脹但不會破裂
簡單擴散與促進性擴散
擴散是物質通過細胞膜或在細胞質中移動的重要方式,細胞膜的主要成分為磷脂,一般可允許O2、CO2 等氣體與其他脂溶性(疏水性)小分子(如脂肪酸)快速擴散通過,此方式稱為簡單擴散。例如:動物吸氣時,空氣中的O2 經由呼吸道進入肺泡, 此時肺泡內的O2 濃度高於微血管內的O2 濃度,因此O2 會通過肺泡細胞的細胞膜擴散進入血液中。而正在進行光合作用的葉片細胞,因細胞內的O2 濃度高於大氣中的O2 濃度,故O2 會通過細胞膜擴散至大氣中。然而,許多水溶性(親水性)分子(如葡萄糖、胺基酸)或離子(如鈉、鉀與鈣離子)無法以簡單擴散方式通過細胞膜,必須經由細胞膜上的運輸蛋白才能擴散進出細胞,此種需運輸蛋白協助才能通過細胞膜的擴散,稱為促進性擴散。
主動運輸
細胞消耗能量,利用運輸蛋白將物質由低濃度處運送通過細胞膜至高濃度處的過程稱為主動運輸(圖1-22c)。主動運輸所需的能量通常來自腺三磷酸(ATP;參考1-5 細胞與能量),例如:細胞膜上的鈣離子幫浦利用ATP 所含的能量,將鈣離子送出細胞,以維持細胞內的鈣離子濃度遠低於細胞外。
細胞中的化學反應細胞利用環境中的能量與物質,不斷進行新陳代謝。在同化代謝中,細胞內的小分子連接成大分子的反應通常需消耗能量,如胺基酸彼此連接形成蛋白質。在異化代謝中,細胞內的大分子分解成小分子的過程通常會釋出能量,如葡萄糖的氧化分解。
化學反應進行時,反應物需先獲得一些能量才可引發反
應,例如:在實驗室中常藉由加熱增加反應物間的碰撞,使反
應物得到足夠能量而達到「活化」狀態後,反應才能進行。使
反應物達到「活化」狀態所需提供的能量稱為活化能,活化能
有如一個能量屏障,反應物必須克服此能量屏障後,才能進行
需先獲得能量,克服氧化反應所需的活化能後,才能開始進行
反應。
酵素
細胞內的化學反應一般都由特定的酵素催化,酵素可降低反應所需的活化能,使新陳代謝可快速進行,例如:細胞的呼吸作用經過一連串酵素的催化,可迅速將葡萄糖氧化成CO2 與H2O。
酵素的特性
酵素在結構上具有與受質(反應物)接合的部位,酵素與受質的接合提供一個活化能較低的反應路徑,使反應物更容易克服能量屏障,因此加快反應的速率。受質與酵素的接合類似鎖與鑰匙的關係,只有能與酵素受質在酵素催化下轉變成產物,反應結束時,產物脫離酵素,酵素可再與新的受質接合進行另一次反應,例如:合成蔗糖的反應中,蔗糖合成分別與葡萄糖和果糖接合後,將兩者催化生成蔗糖和水,接著蔗糖與水離開蔗糖合成,蔗糖合成即可再與葡萄糖和果糖接合,進行蔗糖的合成。由於酵素在催化過程中不會被消耗,且可重複作用,因此極少量的酵素即具有很大的催化效果。許多酵素在催化反應時,常需其他非蛋白質成分的輔如維生素C 與維生素B 群等協助。
影響酵素活性的因子
酵素的成分多為蛋白質,因此會影響蛋白質特性的因子也會影響酵素的催化活性,例如:溫度、pH 值與金屬離子等。在適當的溫度範圍內,酵素催化反應的速率會隨著溫度上升而增加,因溫度上升會加速分子間的碰撞,因此受質與酵素接合的機率增加,而使反應加速。當溫度高於適當的範圍時,高溫會改變酵素的結構,使受質無法與酵素接合,酵素因而失去催化反應的能力。酵素需在適合的pH 值範圍內,才具有催化能力。一般而言,大部分酵素適合在接近中性的環境下作用,但人類胃蛋白在酸性環境下才有活性,而胰蛋白則適合在弱鹼性環境下作用。許多金屬離子可協助酵素催化反應, 如鋅、銅或錳離子等。然而有些重金屬離子,如汞(Hg2+)、鉛(Pb2+)及鎘(Cd2+)等,會與酵
素結合,使酵素失去活性。