| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 4 — Systems Interactions | 2.1.A |
|
细胞结构与功能
AP 生物 · 第 2 主题
2.1
细胞结构与功能
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个真核细胞在细胞器(organelles)之间分工。内膜系统(endomembrane system)是一套相连的组成部分,制造、修饰和运送分子:细胞核(nucleus)(容纳 DNA)、粗面和滑面内质网(endoplasmic reticulum)(蛋白质和脂质合成)、高尔基体(Golgi)(修饰和包装)、溶酶体(lysosomes)(消化),和在它们之间携带物质的囊泡。线粒体(mitochondria)(呼吸)和叶绿体(chloroplasts)(光合作用)有它们自己的膜。


| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| organelles | 细胞器 | xì bāo qì |
| endomembrane system | 内膜系统 | nèi mó xì tǒng |
| nucleus | 细胞核 | xì bāo hé |
| endoplasmic reticulum | 内质网 | nèi zhì wǎng |
| Golgi | 高尔基体 | gāo ěr jī tǐ |
| lysosomes | 溶酶体 | róng méi tǐ |
| Mitochondria | 线粒体 | xiàn lì tǐ |
| chloroplasts | 叶绿体 | yè lǜ tǐ |
2.2
细胞大小
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 2 — Energetics | 2.2.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
细胞保持小,因为表面积与体积比(surface-area-to-volume ratio)。随着一个细胞生长,它的体积比它的表面积上升得更快,所以它的膜不能为内部足够快地交换物质。保持小(或扁平或折叠)保持足够的表面来服务体积。

Worked example. 一个边长 $2\ \mu\text{m}$ 的立方体形状的细胞有表面积 $6\times2^2=24\ \mu\text{m}^2$ 和体积 $2^3=8\ \mu\text{m}^3$,所以它的表面积与体积比是 $\tfrac{24}{8}=3$。把边长加倍到 $4\ \mu\text{m}$:表面积 $=6\times4^2=96$,体积 $=4^3=64$,比 $=\tfrac{96}{64}=1.5$。把大小加倍使比减半——较大的细胞每单位内部有远少的膜,这就是为什么细胞保持小。
See surface area vs volume as a cube grows
As a cell grows, volume rises faster than surface area, so the surface-area-to-volume ratio falls. A small cell keeps enough membrane to exchange materials fast enough.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| surface-area-to-volume ratio | 表面积与体积比 | biǎo miàn jī yǔ tǐ jī bǐ |
2.3
质膜
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 2 — Energetics | 2.3.A |
|
2.3.B |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
细胞膜是一个磷脂双分子层(phospholipid bilayer)——极性头朝向水、非极性尾在里面——镶嵌着蛋白质。流动镶嵌模型(fluid mosaic model)把它描绘成一张流动的片,其中脂质和蛋白质漂移。胆固醇(cholesterol)和不饱和程度调节它的流动性。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| phospholipid bilayer | 磷脂双分子层 | lín zhī shuāng fèn zǐ céng |
| fluid mosaic model | 流动镶嵌模型 | liú dòng xiāng qiàn mó xíng |
2.4
膜的通透性
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 2 — Energetics | 2.4.A |
|
2.4.B |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
膜是选择透过性(selectively permeable)的。小的非极性分子($\text{O}_2$、$\text{CO}_2$)和水容易穿过;大的或带电/极性的颗粒(离子、葡萄糖)没有帮助不能通过非极性核心。这种选择性让细胞控制它的内部环境。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| selectively permeable | 选择透过性 | xuǎn zé tòu guò xìng |
2.5
膜运输
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 2 — Energetics | 2.5.A |
|
2.5.B |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
- 被动运输(passive transport)顺着它们的浓度梯度(高 → 低)移动物质,没有能量——扩散(diffusion)。
- 主动运输(active transport)逆着梯度(低 → 高)移动物质,需要能量(ATP),通过像钠钾泵这样的蛋白质泵。

Pump a solute against its gradient
Passive transport moves solutes down their gradient for free; active transport uses ATP to pump them the other way, from low to high concentration.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Passive transport | 被动运输 | bèi dòng yùn shū |
| diffusion | 扩散 | kuò sàn |
| Active transport | 主动运输 | zhǔ dòng yùn shū |
2.6
易化扩散
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 2 — Energetics | 2.6.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
易化扩散(facilitated diffusion)是通过一个膜蛋白——一个通道(channel)或载体(carrier)——的被动运输,用于不能单独穿过脂质的颗粒。它仍然顺着梯度并不需要能量,但当所有蛋白质都忙时它的速率能饱和。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Facilitated diffusion | 易化扩散 | yì huà kuò sàn |
| carrier | 载体 | zài tǐ |
2.7
渗透压与渗透调节
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 2 — Energetics | 2.7.A |
|
2.7.B |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
渗透(osmosis)是水穿过一个膜的扩散。张力(tonicity)比较溶质浓度:在一个低渗(hypotonic)溶液里一个细胞获得水(可能胀破);在一个高渗(hypertonic)溶液里它失去水(收缩);在一个等渗(isotonic)溶液里没有净变化。水势(water potential)预测水移动的方向(水移向较低的水势),而且是一个压力项和一个溶质项之和:$\Psi=\Psi_p+\Psi_s$,其中溶质势 $\Psi_s=-iCRT$。渗透调节(osmoregulation)是生物如何控制这个平衡。

Worked example. 对于一个在一个开放烧杯里(所以压力势 $\Psi_p=0$)、$25\,°\text{C}$($T=298\,\text{K}$,$R=0.0831\ \text{L}\cdot\text{bar/mol}\cdot\text{K}$)的 $0.1\,\text{M}$ 蔗糖溶液($i=1$):$\Psi_s=-iCRT=-(1)(0.1)(0.0831)(298)\approx-2.48\ \text{bar}$,所以 $\Psi\approx-2.48\ \text{bar}$。一个内部为 $\Psi=-1.0\ \text{bar}$ 的植物细胞坐在这个溶液里:因为溶液更负,水移出细胞进入溶液,而细胞失去膨压。
Watch water move by osmosis
Water moves across the membrane from high water potential to low, toward the more concentrated (hypertonic) side. Set the concentrations and watch which way the cell swells or shrinks.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Osmosis | 渗透 | shèn tòu |
| Tonicity | 张力 | zhāng lì |
| hypotonic | 低渗 | dī shèn |
| hypertonic | 高渗 | gāo shèn |
| isotonic | 等渗 | děng shèn |
| Water potential | 水势 | shuǐ shì |
| Osmoregulation | 渗透调节 | shèn tòu tiáo jié |
2.8
运输机制
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 2 — Energetics | 2.8.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
大的物质通过囊泡(vesicles)大批量移动:内吞(endocytosis)把物质带进(膜吞没它),而外排(exocytosis)把物质送出(一个囊泡与膜融合)。两者都需要能量并让细胞输入和分泌大分子。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| endocytosis | 内吞 | nèi tūn |
| exocytosis | 外排 | wài pái |
2.9
细胞区室化
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 2 — Energetics | 2.9.A |
|
2.9.B |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
膜创造分开的区室(compartments),以便不相容的反应能同时进行而条件(pH、离子水平)能被局部调节。这种组织提升效率——内部的膜也为反应增加表面积。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| compartments | 区室 | qū shì |
2.10
细胞区室化的起源
大纲
| Big Idea | Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|---|
Big Idea 1 — Evolution | 2.10.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
内共生学说(endosymbiotic theory)解释线粒体和叶绿体:它们产生于一个较大的细胞吞没了后来住在它里面的自由生活的原核生物时。证据——它们自己的环状 DNA、它们自己的核糖体和双膜——支持这个共同的进化起源。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| endosymbiotic theory | 内共生学说 | nèi gòng shēng xué shuō |
2.10
考试技巧
- 使用两个 AP 公式技能:表面积与体积比(为什么细胞保持小)和水势 $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$($\Psi_s=-iCRT$)。
- 水移向较低(更负)的水势;从张力(低渗/高渗/等渗)预测膨胀或收缩。
- 被动运输和渗透不需要能量(顺着梯度);主动运输需要 ATP(逆着梯度)。
- 区分扩散、易化扩散(一个通道/载体蛋白)和主动运输。
- 从磷脂双分子层解释膜的选择性——小的非极性分子穿过,大的/带电的需要帮助。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。