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细胞结构与功能

AP 生物 · 知识点 2

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细胞结构与功能

在显微镜下看一片叶子。你会看到一排排绿色的盒子,每个盒子里都装满了微小的绿色圆盘。再看一片薄切的洋葱片。整齐的砖块……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

2.1

细胞结构与功能

教学大纲

核心概念4 — 系统相互作用 (SYI): 生物系统之间存在相互作用,这些系统及其相互作用表现出复杂的特性。

学习目标 2.1.A: 解释亚细胞组分和细胞器的结构与功能如何贡献于细胞的功能。

  • 2.1.A.1 核糖体由核糖体RNA (rRNA) 和蛋白质组成。这些无膜结构的亚细胞结构存在于所有生命形式的细胞中,反映了已知所有生命的共同祖先。核糖体根据信使RNA (mRNA) 序列合成蛋白质。
  • 2.1.A.2 内膜系统由一组膜结合细胞器和亚细胞组件(内质网 (ER)、高尔基复合体、溶酶体、液泡和运输囊泡、核膜以及细胞膜)组成,它们协同工作以在细胞间修饰、包装和运输多糖、脂质和蛋白质。
  • 2.1.A.3 内质网通过帮助细胞维持形状提供机械支持,并参与细胞内运输。
    • i. 粗面内质网与膜结合核糖体相关联,允许细胞的区室化,并有助于执行蛋白质合成。
    • ii. 光面内质网的功能包括细胞的解毒和脂质合成。
    • 排除声明: 关于光面内质网在特化细胞中具体功能的知识超出了AP考试的范围。
  • 2.1.A.4 高尔基复合体是一种膜结合结构,由一系列扁平的膜囊组成。高尔基复合体的功能包括:
    • i. 正确折叠和化学修饰新合成的细胞产物
    • ii. 为运输而包装蛋白质
    • 排除声明: 关于高尔基复合体在特定磷脂合成中的作用,以及将特定酶包装至溶酶体、过氧化物酶体和分泌囊泡的知识超出了AP考试的范围。
    • 2.1.A.4 示例:
      • 在高尔基复合体内发生的蛋白质的糖基化及其他化学修饰,这些过程决定了蛋白质的功能或靶向性
  • 2.1.A.5 线粒体具有双层膜,为涉及有氧细胞呼吸的不同代谢反应提供了区室。外膜光滑,而内膜高度卷曲,形成褶皱,从而使ATP的合成更加高效。
  • 2.1.A.6 溶酶体是包含水解酶的膜包裹囊泡,用于消化物质。溶酶体还参与程序性细胞死亡(细胞凋亡)。
  • 2.1.A.7 液泡是膜结合的囊泡,发挥多种不同的作用。
    • i. 在植物细胞中,一个特化的大型液泡通过储存营养和水分来维持膨压。
    • ii. 在动物细胞中,液泡体积较小,比植物细胞中的更丰富,并储存细胞物质。
  • 2.1.A.8 叶绿体是特化的细胞器,存在于植物和光合藻类中。叶绿体含有双层膜,作为光合作用的场所。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Elodea leaf cells packed with green chloroplasts (light micrograph)
Elodea leaf cells packed with green chloroplasts (light micrograph)
Onion epidermis cells under a light microscope — cell walls and nuclei clearly visible
Onion epidermis cells under a light microscope — cell walls and nuclei clearly visible

A eukaryotic cell divides its work among organelles 细胞器. The endomembrane system 内膜系统 is a connected set that makes, modifies, and ships molecules: the nucleus 细胞核 (holds DNA), rough and smooth endoplasmic reticulum 内质网 (protein and lipid synthesis), the Golgi 高尔基体 (modifies and packages), lysosomes 溶酶体 (digestion), and vesicles that carry material between them. Mitochondria 线粒体 (respiration) and chloroplasts 叶绿体 (photosynthesis) have their own membranes.

A plant cell also has a cell wall, a large vacuole, and chloroplasts
A plant cell also has a cell wall, a large vacuole, and chloroplasts
A generalised animal cell and its organelles
A generalised animal cell and its organelles

What each organelle actually does

The exam asks you to name a structure and say what it does, so learn them as pairs.

Ribosomes 核糖体 are made of ribosomal RNA 核糖体核糖核酸 (rRNA) and protein. They have no membrane, and they are found in every form of life — bacteria, archaea and eukaryotes alike. That shared presence is evidence of common ancestry: a structure this central was already present in the last common ancestor of all living things. A ribosome reads messenger RNA 信使核糖核酸 (mRNA) and builds the protein it codes for. Free ribosomes make proteins for use inside the cell; ribosomes bound to the rough endoplasmic reticulum make proteins for export or for the membrane.

The Golgi complex 高尔基复合体 is a series of flattened, membrane-bound sacs. A protein arriving from the endoplasmic reticulum is passed through them, and three things happen to it:

  • it is folded correctly and chemically modified — most often by glycosylation 糖基化, the attachment of short sugar chains;
  • it is sorted and targeted, so the modified sugar or phosphate tag decides which compartment the protein is sent to;
  • it is packaged into a vesicle for transport.

So the Golgi is not storage: it is the cell's finishing and dispatch department, and its modifications determine what a protein does and where it ends up.

Lysosomes are membrane-enclosed sacs of hydrolytic enzymes 水解酶 that digest material — worn-out organelles, engulfed bacteria, and food particles taken in by the cell. Their enzymes work best at a low pH, which the lysosome maintains inside itself; keeping them enclosed protects the rest of the cell. Lysosomes also take part in apoptosis 细胞凋亡, programmed cell death, in which a cell is dismantled deliberately, for example to sculpt fingers from a webbed embryonic hand.

Vacuoles 液泡 are membrane-bound sacs with many different roles: storing water, ions, nutrients or waste, and in a plant cell the large central vacuole also presses outwards on the cell wall to keep the cell firm.

Mitochondria and chloroplasts each have a double membrane and their own circular DNA and ribosomes — the evidence behind endosymbiotic theory below.

词汇 训练
English 中文 拼音
organelles/ˌɔːɡəˈnelz/ 细胞器 xì bāo qì
endomembrane system/ˈendəʊmembreɪn ˈsɪstəm/ 内膜系统 nèi mó xì tǒng
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 细胞核 xì bāo hé
endoplasmic reticulum/ˌendəʊˈplæzmɪk reˈtɪkjʊləm/ 内质网 nèi zhì wǎng
Golgi/ˈɡɒlɡɪ/ 高尔基体 gāo ěr jī tǐ
lysosomes/ˈlaɪsəsəʊmz/ 溶酶体 róng méi tǐ
Mitochondria/ˌmaɪtəˈkɒndrɪə/ 线粒体 xiàn lì tǐ
chloroplasts/ˈklɔːrəʊplæsts/ 叶绿体 yè lǜ tǐ
Ribosomes/ˈrɪbəsəʊmz/ 核糖体 hé táng tǐ
ribosomal RNA/ˈrɪbəsɒml ˌɑː en ˈeɪ/ 核糖体核糖核酸 hé táng tǐ hé táng hé suān
messenger RNA/ˈmesɪndʒə ˌɑː en ˈeɪ/ 信使核糖核酸 xìn shǐ hé táng hé suān
The Golgi complex/ðə ˈɡɒlɡɪ ˈkɒmpleks/ 高尔基复合体 gāo ěr jī fù hé tǐ
glycosylation/ˌɡlaɪkəsɪˈleɪʃn/ 糖基化 táng jī huà
hydrolytic enzymes/ˌhaɪdrəˈlɪtɪk ˈenzaɪmz/ 水解酶 shuǐ jiě méi
apoptosis/əpəpˈtəʊsɪs/ 细胞凋亡 xì bāo diāo wáng
Vacuoles/ˈvækjuːəʊlz/ 液泡 yè pào
ribosomal RNA (rRNA)/ˈrɪbəsɒml ˌɑː en ˈeɪ/ 核糖体核糖核酸 hé táng tǐ hé táng hé suān
2.2

细胞大小

教学大纲

核心概念 2 — 能量代谢(ENE): 生物系统利用能量和分子构建单元进行生长、繁殖并维持动态稳态。

学习目标 2.2.A: 解释表面积与体积比对细胞或生物体与环境之间物质交换的影响。

  • 2.2.A.1 表面积与体积比影响生物系统获取必需营养物质、排除代谢废物、获取或散发热能,以及与环境进行其他化学物质和能量交换的能力。
    • 相关公式:
      • 球体体积:$V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
      • 立方体体积:$V = s^3$
      • 长方体体积:$V = lwh$
      • 圆柱体体积:$V = \pi r^2 h$
      • 球体表面积:$SA = 4\pi r^2$
      • 立方体表面积:$SA = 6s^2$
      • 长方体表面积:$SA = 2lh + 2lw + 2wh$
      • 圆柱体表面积:$SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
      • $r$ = 半径
      • $l$ = 长度
      • $h$ = 高度
      • $w$ = 宽度
      • $s$ = 立方体边长
    • 2.2.A.1 示例:
      • SA/V 比值与物质交换
        • 根毛
        • 保卫细胞
        • 肠道上皮细胞
      • 纤毛
      • 气孔
  • 2.2.A.2 质膜的表面积必须足够大,以充分交换物质。
    • i. 表面积与体积比可限制细胞的大小和形状。与较大的细胞相比,较小的细胞通常具有更高的表面积与体积比,以及与环境进行物质交换的效率也更高。
    • ii. 随着细胞体积的增加,表面积与体积比减小,对内部资源的需求也随之增加。
    • iii. 需要更复杂的细胞结构(例如膜折叠)才能充分与环境交换物质。
    • iv. 随着生物体体积增大,其表面积与体积比减小,从而影响与环境热交换等特性。与较大的质量相比,较小的质量与环境交换的热量比例更多。随着质量增加,表面积与体积比以及热交换速率均下降。
    • v. 单位体质量的代谢率与多细胞生物体的大小之间存在关系;通常情况下,生物体越小,单位体质量的代谢率越高。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Scanning electron micrograph of red blood cells — no nucleus, high surface area for gas exchange
Scanning electron micrograph of red blood cells — no nucleus, high surface area for gas exchange

Cells stay small because of the surface-area-to-volume ratio 表面积与体积比. As a cell grows, its volume rises faster than its surface area, so its membrane cannot exchange materials fast enough for the interior. Staying small (or being flat or folded) keeps enough surface to serve the volume.

The surface-area-to-volume ratio falls as a cell gets bigger
The surface-area-to-volume ratio falls as a cell gets bigger

Worked example. A cube-shaped cell $2\ \mu\text{m}$ on a side has surface area $6\times2^2=24\ \mu\text{m}^2$ and volume $2^3=8\ \mu\text{m}^3$, so its surface-area-to-volume ratio is $\tfrac{24}{8}=3$. Double the side to $4\ \mu\text{m}$: surface area $=6\times4^2=96$, volume $=4^3=64$, ratio $=\tfrac{96}{64}=1.5$. Doubling the size halved the ratio – the larger cell has far less membrane per unit of interior, which is why cells stay small.

探索

观察立方体生长时的表面积与体积比

随着细胞生长,体积的增长速度快于表面积,因此表面积与体积之比下降。小细胞保持足够的膜以快速交换物质。

词汇 训练
English 中文 拼音
surface-area-to-volume ratio/ˈsɜːfɪs ˈeərɪə tə ˈvɒljuːm ˈreɪʃɪəʊ/ 表面积与体积比 biǎo miàn jī yǔ tǐ jī bǐ
2.3

质膜

教学大纲

核心概念 2 — 能量学 (ENE): 生物系统利用能量和分子构建单元来生长、繁殖并维持动态的稳态。

学习目标 2.3.A: 描述细胞膜的各个组分在维持细胞内部环境中的作用。

  • 2.3.A.1 磷脂具有亲水和疏水区域。磷脂的极性亲水磷酸区域朝向水性的外部环境或内部环境,而非极性疏水脂肪酸区域则在膜内部相互相对。
  • 2.3.A.2 嵌入蛋白质可以是亲水的(带有带电和极性侧基)、疏水的(带有非极性侧基)或兼具两者特性。
    • i. 蛋白质的亲水区域位于蛋白质内部或暴露于细胞质(胞浆)中。
    • ii. 蛋白质的疏水区域构成了与膜内部脂肪酸相互作用的蛋白质表面。

学习目标 2.3.B: 描述细胞膜的流动镶嵌模型。

  • 2.3.B.1 细胞膜由磷脂分子构成的结构框架组成,其中嵌有蛋白质、类固醇(如脊椎动物中的胆固醇)、糖蛋白和糖脂。正如流动镶嵌模型所示,所有这些成分都能在膜内围绕细胞表面移动。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The cell membrane is a phospholipid bilayer 磷脂双分子层 – polar heads facing the water, nonpolar tails inside – studded with proteins. The fluid mosaic model 流动镶嵌模型 pictures it as a fluid sheet in which lipids and proteins drift. Cholesterol and the degree of unsaturation tune its fluidity.

The fluid mosaic model of the cell membrane
The fluid mosaic model of the cell membrane
词汇 训练
English 中文 拼音
phospholipid bilayer/ˈfɒsfəlɪpɪd ˈbɪleɪə/ 磷脂双分子层 lín zhī shuāng fēn zǐ céng
fluid mosaic model/ˈfluːɪd məˈseɪɪk ˈmɒdl/ 流动镶嵌模型 liú dòng xiāng qiàn mó xíng
2.4

膜的通透性

教学大纲

核心概念 2 — 能量学 (ENE): 生物系统利用能量和分子构建单元来生长、繁殖并维持动态稳态。

学习目标 2.4.A: 解释生物膜的结构如何影响选择透过性。

  • 2.4.A.1 质膜将细胞的内部环境与外部环境分隔开。选择透过性是质膜具有疏水内部的直接结果。
  • 2.4.A.2 小分子非极性分子(包括 $\mathrm{N_2}$、$\mathrm{O_2}$ 和 $\mathrm{CO_2}$)可自由穿过膜。亲水性物质(如大极性分子和离子)则通过嵌入的通道和转运蛋白跨膜运输。
  • 2.4.A.3 磷脂的非极性碳氢尾部阻止了离子和极性分子的跨膜移动。小的极性不带电分子(如 $\mathrm{H_2O}$ 或 $\mathrm{NH_3}$(氨))仅有少量穿过膜。

学习目标 2.4.B: 描述细胞壁在维持细胞结构和功能中的作用。

  • 2.4.B.1 细菌、古菌、真菌和植物的细胞壁提供了结构边界,对某些物质构成了向内部或外部细胞环境的通透屏障,并能防止渗透裂解。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The membrane is selectively permeable 选择透过性. Small nonpolar molecules ($\text{O}_2$, $\text{CO}_2$) cross freely. Water, small but polar, crosses the bilayer only in small amounts and moves mostly through channel proteins called aquaporins 水通道蛋白. Large or charged/polar particles (ions, glucose) cannot pass the nonpolar core without help. This selectivity lets the cell control its internal environment.

Three ways substances cross the membrane
Three ways substances cross the membrane
词汇 训练
English 中文 拼音
selectively permeable/sɪˈlektɪvli ˈpɜːməbl/ 选择透过性 xuǎn zé tòu guò xìng
aquaporins 水通道蛋白 shuǐ tōng dào dàn bái
2.5

膜运输

教学大纲

核心理念 2 — 能量学 (ENE): 生物系统利用能量和分子构建模块来生长、繁殖并维持动态稳态。

学习目标 2.5.A: 描述生物体用于维持溶质和水平衡的机制。

  • 2.5.A.1 膜的选择透过性使得溶质跨膜浓度梯度的形成成为可能。
  • 2.5.A.2 被动运输是指分子从高浓度区域向低浓度区域的净移动,该过程不需要直接输入代谢能量。
  • 2.5.A.3 主动运输需要直接输入能量才能移动分子。在某些情况下,主动运输被用来将分子从低浓度区域移动到高浓度区域。

学习目标 2.5.B: 描述生物体用于跨细胞膜运输大分子的机制。

  • 2.5.B.1 胞吞作用和胞吐作用需要消耗能量,才能将大分子物质或大量物质运入和运出细胞。
    • i. 在胞吞作用中,细胞通过使质膜向内折叠并形成新的(小)囊泡,从而摄入大分子和颗粒物质,这些囊泡会包裹来自外部环境中的物质。
    • ii. 在胞吐作用中,内部囊泡通过与质膜融合,将大分子物质分泌到细胞外,从而释放细胞内的物质。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
  • Passive transport 被动运输 moves substances down their concentration gradient (high → low) with no energy – diffusion 扩散.
  • Active transport 主动运输 moves substances against the gradient (low → high), requiring energy (ATP), via protein pumps like the sodium–potassium pump.
Active transport moves particles against the gradient, using ATP and a carrier protein
Active transport moves particles against the gradient, using ATP and a carrier protein
探索

逆梯度泵送溶质

被动运输顺梯度自由移动溶质;主动运输使用 ATP 将它们泵向相反方向,从低浓度到高浓度。

词汇 训练
English 中文 拼音
Passive transport/ˈpæsɪv ˈtrænspɔːt/ 被动运输 bèi dòng yùn shū
diffusion/dɪˈfjuːʒn/ 扩散 kuò sàn
Active transport/ˈæktɪv ˈtrænspɔːt/ 主动运输 zhǔ dòng yùn shū
2.6

易化扩散

教学大纲

核心概念 2 — 能量学 (ENE): 生物系统利用能量和分子构建单元来生长、繁殖并维持动态的稳态。

学习目标 2.6.A: 解释分子结构如何影响其穿过细胞膜的能力。

  • 2.6.A.1 协助扩散需要载体蛋白或通道蛋白,以使带电离子能够跨膜移动。
    • i. 离子的跨膜移动可能导致膜发生极化。
    • ii. 带电离子(包括 $\mathrm{Na^+}$ (钠) 和 $\mathrm{K^+}$ (钾))需要通道蛋白才能穿过细胞膜。
  • 2.6.A.2 协助扩散使大极性分子能够在不消耗能量的情况下跨膜移动。在这种类型的扩散中,物质顺浓度梯度移动。
  • 2.6.A.3 水通道蛋白负责运输大量水分跨膜。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Facilitated diffusion 易化扩散 is passive transport through a membrane protein – a channel or carrier 载体 – for particles that cannot cross the lipid alone. It still goes down the gradient and needs no energy, but its rate can saturate when all the proteins are busy.

Diffusion: particles spread from higher to lower concentration, down the gradient
Diffusion: particles spread from higher to lower concentration, down the gradient
探索

通过蛋白质扩散

粒子仍然沿它们的梯度移动——但这里一个膜蛋白给带电或大的分子一条通路。

词汇 训练
English 中文 拼音
Facilitated diffusion/fəˈsɪlɪteɪtɪd dɪˈfjuːʒn/ 易化扩散 yì huà kuò sàn
carrier/ˈkærɪə/ 载体 zài tǐ
2.7

渗透压与渗透调节

教学大纲

核心概念 2 — 能量代谢 (ENE): 生物体利用能量和分子构建单元来生长、繁殖并维持动态的稳态。

学习成果 2.7.A: 解释浓度梯度如何影响分子跨膜运输。

  • 2.7.A.1 外部环境相对于细胞内部环境可以是低渗、高渗或等渗的。水的移动也可以描述为从低渗区域向高渗区域的移动。水通过渗透作用从水势高的区域流向水势低的区域。
    • 公式(水势): $\psi = \psi_p + \psi_s$
      • 其中:
      • $\psi_p$ = 压力势
      • $\psi_s$ = 溶质势
    • 2.7.A.1 的示例:
      • 原生动物中的伸缩泡
      • 植物细胞中的中央液泡

学习成果 2.7.B: 解释渗透调节机制如何促进生物体的健康与生存。

  • 2.7.B.1 分子的持续跨膜运输维持了生长和稳态。
  • 2.7.B.2 渗透调节维持水分平衡,并使生物体能够控制其内部溶质组成和水势。水从低渗透压或低溶质浓度的区域流向高渗透压或高溶质浓度的区域。
    • 公式(溶液的溶质势): $\psi_s = -iCRT$
      • 其中:
      • $i$ = 电离常数
      • $C$ = 摩尔浓度
      • $R$ = 压力常数 $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
      • $T$ = 开尔文温度 (°C + 273)

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Red onion cells in hypertonic solution: the membrane pulls away from the wall (plasmolysis)
Red onion cells in hypertonic solution: the membrane pulls away from the wall (plasmolysis)

Osmosis 渗透 is the diffusion of water across a membrane. Tonicity 张力 compares solute concentrations: in a hypotonic 低渗 solution a cell gains water (may burst); in a hypertonic 高渗 one it loses water (shrinks); in an isotonic 等渗 one there is no net change. Water potential 水势 predicts the direction of water movement (water moves to lower water potential), and is the sum of a pressure term and a solute term: $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$, where the solute potential $\Psi_s=-iCRT$. Osmoregulation 渗透调节 is how organisms control this balance.

How plant and animal cells respond to solutions of different water potential
How plant and animal cells respond to solutions of different water potential

Worked example. For a $0.1\,\text{M}$ sucrose solution ($i=1$) in an open beaker (so pressure potential $\Psi_p=0$) at $25\,°\text{C}$ ($T=298\,\text{K}$, $R=0.0831\ \text{L}\cdot\text{bar/mol}\cdot\text{K}$): $\Psi_s=-iCRT=-(1)(0.1)(0.0831)(298)\approx-2.48\ \text{bar}$, so $\Psi\approx-2.48\ \text{bar}$. A plant cell whose interior is $\Psi=-1.0\ \text{bar}$ sits in this solution: since the solution is more negative, water moves out of the cell into the solution, and the cell loses turgor.

探索

观察水通过渗透作用移动

水穿过膜从高水势流向低水势,朝向更浓(高渗)的一侧。设置浓度并观察细胞膨胀还是收缩的方向。

词汇 训练
English 中文 拼音
Osmosis/ɒzˈməʊsɪs/ 渗透 shèn tòu
Tonicity/təˈnɪsɪti/ 张力 zhāng lì
hypotonic/ˌhaɪpəʊˈtɒnɪk/ 低渗 dī shèn
hypertonic/ˌhaɪpəˈtɒnɪk/ 高渗 gāo shèn
isotonic/ˌaɪsəˈtɒnɪk/ 等渗 děng shèn
Water potential/ˈwɔːtə pəˈtenʃl/ 水势 shuǐ shì
Osmoregulation/ˌɒzmɔːɡjʊˈleɪʃn/ 渗透调节 shèn tòu tiáo jié
2.8

运输机制

教学大纲

核心概念 2 — 能量学 (ENE): 生物系统利用能量和分子构建单元来生长、繁殖并维持动态的稳态。

学习目标 2.8.A: 描述使离子和其他分子能够跨膜移动的过程。

  • 2.8.A.1 跨膜运输分子的主动运输以及电化学梯度的建立和维持需要代谢能量(如 ATP 提供的能量)。
    • i. 膜蛋白是主动运输所必需的。
    • ii. $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ 泵和 ATP 酶有助于维持膜电位。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Large materials move in bulk by vesicles: endocytosis 内吞 brings material in (the membrane engulfs it), and exocytosis 外排 sends material out (a vesicle fuses with the membrane). Both require energy and let cells import and secrete large molecules.

Endocytosis brings material in; exocytosis releases it out
Endocytosis brings material in; exocytosis releases it out
词汇 训练
English 中文 拼音
endocytosis/ˌendəʊsɪˈtəʊsɪs/ 内吞 nèi tūn
exocytosis/eɡˌzɒsɪˈtəʊsɪs/ 外排 wài pái
2.9

细胞区室化

教学大纲

核心概念 2 — 能量学(ENE): 生物系统利用能量和分子构建模块来生长、繁殖并维持动态稳态。

学习目标 2.9.A: 描述真核细胞的膜结合结构。

  • 2.9.A.1 真核细胞中的膜和膜结合细胞器将细胞内代谢过程和特定的酶促反应分隔在不同的区域中。

学习目标 2.9.B: 解释内部膜和膜结合细胞器如何有助于真核细胞功能的区室化。

  • 2.9.B.1 内部膜通过减少相互竞争的反应干扰,以及增加反应发生的表面积,从而促进细胞过程的进行。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Membranes create separate compartments 区室 so incompatible reactions can run at once and conditions (pH, ion levels) can be tuned locally. This organization boosts efficiency – the internal membranes also add surface area for reactions.

词汇 训练
English 中文 拼音
compartments/kəmˈpɑːtmənts/ 区室 qū shì
2.10

细胞区室化的起源

教学大纲

核心概念 1 — 进化 (EVO): 进化的过程驱动了生命的多样性和统一性。

学习目标 2.10.A: 描述原核细胞与真核细胞在区室化方面的相似点和/或不同点。

  • 2.10.A.1 线粒体和叶绿体等膜包被的细胞器是通过内共生作用,由曾经自由生活的原核细胞演化而来。
  • 2.10.A.2 原核生物通常缺乏内部膜包被的细胞器,但具有具有特定结构和功能的内部区域。
  • 2.10.A.3 真核细胞维持着内部膜系统,将细胞分隔成不同的功能区域。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The endosymbiotic theory 内共生学说 explains mitochondria and chloroplasts: they arose when a larger cell engulfed free-living prokaryotes that then lived inside it. The evidence – their own circular DNA, their own ribosomes, and double membranes – supports this shared evolutionary origin.

Common mistakes.

  • Using "hypertonic" without saying compared with what. Tonicity always compares two solutions: the solution outside is hypertonic to the cell when it has more solute than the cell's cytoplasm.
  • Moving water the wrong way. Water moves towards the hypertonic side, which is the side with the lower (more negative) water potential.
  • Dropping the minus sign in $\Psi_s = -iCRT$. Adding solute always makes the solute potential more negative.
  • Forgetting $i$ for an ionic solute. NaCl gives two particles, so $i = 2$ and $\Psi_s$ is about twice that of sucrose at the same molarity.
  • Saying water crosses the membrane only through aquaporins. A little crosses the bilayer directly; aquaporins make it much faster.
  • Calling facilitated diffusion active because it uses a protein. Any movement down the gradient is passive, with or without a channel or carrier.
词汇 训练
English 中文 拼音
endosymbiotic theory/ˌendəʊˌsɪmbaɪˈɒtɪk ˈθɪəri/ 内共生学说 nèi gòng shēng xué shuō
2.10

考试技巧

English
  • Use the two AP-formula skills: surface-area-to-volume ratio (why cells stay small) and water potential $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$ ($\Psi_s=-iCRT$).
  • Water moves toward the lower (more negative) water potential; predict swelling or shrinking from tonicity (hypo/hyper/isotonic).
  • Passive transport and osmosis need no energy (down the gradient); active transport needs ATP (against the gradient).
  • Distinguish diffusion, facilitated diffusion (a channel/carrier protein), and active transport.
  • Explain membrane selectivity from the phospholipid bilayer — small non-polar molecules cross, large/charged ones need help.

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逐步完成,配合即时检查练习。

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