第一節　細胞

地球上種類繁多的生物，不論是單細胞或多細胞生物，都是由細胞所構成的

細胞的細胞膜是區隔細胞內、外的重要界線 能控制物質進出，使得細胞內的環境恆定，以進行各種代謝作用維持生命

組成多細胞生物的細胞已分化；分化後的細胞進而形成組織、器官以及器官系統（organ system），分別有其特殊的功能。

複雜的多細胞生物，如樹木和人類 由數種器官或器官系統組成的生命個體

第一節 細　胞

細胞 生物體構造及功能的基本單位 構造： 細胞核 細胞質 細胞膜

細胞核：細胞生理活動的控制中樞 細胞質：具有胞器

細胞膜 細胞與環境間的分界 選擇性的通透膜 可控制物質進出細胞，以交換氣體、吸收養分及排除廢物等

1-1.1 通過細胞膜的運輸

細胞膜上有兩類主要的運輸蛋白 通道蛋白（channel protein） 載體蛋白（carrier protein）

通道蛋白 具有中空的孔道，物質可經由這個孔道進出細胞

載體蛋白 又稱載體（carrier） 載體先結合所運輸的物質，再將之運輸通過細胞膜

兩種運輸蛋白對所運輸的物質均具有專一性

物質通過細胞膜的方法 被動運輸（passive transport） 主動運輸（active transport）

被動運輸 過程：物質是由高濃度往低濃度的方向移動，不需耗費能量 種類： 擴散作用 滲透作用

擴散作用 簡單擴散（simple diffusion） 便利擴散（facilitated diffusion）

簡單擴散（simple diffusion） O2、CO2、NO及脂溶性小分子等 這些分子可直接通過細胞膜的脂雙層

便利擴散（facilitated diffusion） 如葡萄糖、胺基酸和部分離子 必須藉細胞膜上的通道蛋白或載體蛋白進行擴散作用

就一個細胞而言 細胞內溶解的分子及離子等物質，會使得胞液具有一定的濃度

生物細胞膜對物質的進出細胞是具有選擇性的，細胞膜的選擇性通透，限制了溶質離開細胞

若將細胞置於與其胞液不同濃度的溶液中，則水分子便會進行擴散

滲透（osmosis） 水分子通過一層選擇性膜的擴散

圖1-2　滲透作用：長頸漏斗以蔗糖分子無法通過的選擇性通透膜封口，漏斗內置入蔗糖溶液，將此裝置放入水中一段時間後，長頸漏斗中的液體體積會增加，使水柱上升，此為水滲透至蔗糖溶液中所致。若一直放置於水中，則水柱並不會無限上升，在升到一定的高度時，就不會再升高，表示這個高度可阻止水分子再度滲透，這就是動態平衡，此時水分子進出選擇性通透膜的速率相等。

等張溶液（isotonic solution） 以人類而言，例如：醫院的生理食鹽水就是人體細胞的等張溶液

高張溶液 若細胞外的液體濃度高於細胞內的溶液濃度，則該液體為高張溶液 例如：濃鹽水之對於人體細胞液

低張溶液 若細胞外的液體濃度低於細胞內的溶液濃度，則此液體為低張溶液 例如：蒸餾水對人體細胞液而言

等張溶液：細胞外的溶液濃度若等於細胞的生理濃度 高張溶液：高於細胞之生理濃度的溶液 低張溶液：低於細胞之生理濃度的溶液

以紅血球細胞為例

若將生物的細胞置於等張溶液中，則細胞可維持正常的形狀 等張溶液中的紅血球，進出細胞的水量相等，細胞的體積不改變

如將人的紅血球置於高張溶液中，水會滲透至細胞外，使紅血球萎縮 高張溶液中的紅血球，滲出細胞的水分比進入的量多，細胞的體積萎縮變小

將紅血球置於低張溶液中，水將滲透進入細胞內，使紅血球膨脹，若溶液的濃度過低，則細胞可能會因水持續滲入而膨脹至破裂 低張溶液中的紅血球，進入細胞的水分比滲出的量多，細胞的體積膨脹增大

臺灣海邊的菜園，經常面臨海水倒灌的情形，而造成植物蔫ㄋㄧㄢ死

主動運輸 主動運輸是細胞藉著膜上的載體蛋白，以消耗能量的方式，將物質由低濃度往高濃度的方向運送

植物的根能利用主動運輸從土壤中吸收無機鹽類 人類的甲狀腺藉此作用吸收碘 動物的腎臟亦藉此作用回收鈉離子

1-1.2 膨壓 將植物細胞置於低張溶液中，水分會滲透進入細胞，使植物細胞膨脹，由於植物細胞有細胞壁保護，故不會因膨脹而破裂

膨壓 定義：植物細胞吸水導致細胞質產生壓迫細胞壁的壓力 功能：膨壓能使植物細胞維持特定的形狀，並且提供草本植物的支持力

膨壓 與原生質離現象 A、置於蒸餾水中的植物細胞產生膨壓

原生質分離 ( plasmolysis ) 將植物細胞置於高張溶液中，細胞內的水分會滲透離開細胞，導致細胞失水，使得細胞膜與細胞壁分離

膨壓 與原生質離現象 B、置於濃鹽水中的植物細胞產生原生質離的現象

想一想 乾旱會使植物脫水枯萎，而土壤中有過多的鹽類離子亦會使植物枯萎，你可以動手做一做下列的實驗

首先將綠豆播種於舖棉花的容器中，當幼苗長至5～7公分長時，以鹽水澆於容器中，你將觀察到這些豆苗倒伏，為什麼？

1-1.3 酵素的性質和活性、影響酵素作用的因素

酵素的性質和活性 細胞內化學物質的合成與分解作用，通常需特殊的蛋白質催化以加速其反應的進行，這類蛋白質稱為酵素（enzyme）

活化能（activation energy） 使反應物產生反應所需的最低能量，酵素能降低活化能以達到加速反應的目的

酵素降低反應所需的活化能：A.放熱反應；B.吸熱反應

酵素在構造上有一定的形狀、大小、電荷分布和活性部位（active site） 唯有能與酵素之活性部位結合的物質才能被催化，被酵素催化的物質稱為受質（substrate）

酵素的催化反應：A.合成作用；B.分解作用

酵素催化受質後，本身不受破壞，其活性部位仍可再重新結合受質進行催化，因此酵素可以重覆作用 有些酵素需要輔的協助，才能進行催化反應

酵素與受質之間具有高度的專一性 酵素的名稱通常以受質來命名，如澱粉的受質為澱粉

有些酵素需要輔酶的協助，才能進行催化反應 輔酶為非蛋白質的有機物，哺乳類的輔酶多由維生素代謝而來，如維生素B群等

影響酵素作用的因素 酵素的主要成分為蛋白質 凡是能影響蛋白質的因素，都會影響酵素的活性 溫度 酸鹼值（pH值） 受質濃度 重金屬

溫度 每一種酵素的作用都有其最適合的溫度範圍 酵素反應速率和溫度的關係

人體的酵素 其最適合的溫度約為37℃左右 溫度降低，酵素活性隨之降低，但不致被破壞 溫度過高，會使酵素的活性破壞 酵素可以利用低溫加以保存

想一想 喜馬拉雅兔在耳朵、鼻子、尾巴及腿的前端的毛色通常為黑色 黑色毛的產生與黑色素的合成有關，黑色素的合成與某一種酵素有關 若將一冰袋置放於喜馬拉雅兔的背上一段時間，其新長出的毛為黑色毛

想一想 想一想，這種酵素在低溫時或高溫時才有活性？又喜馬拉雅兔在身體末梢器官長出黑色毛有何生理上的意義？

酸鹼值（pH值） 酵素的活性亦受酸鹼值影響 例如： 中性：人體中大多數的酵素在接近中性時活性最好 酸性：胃內的酵素則在強酸時活性最佳 鹼性：而小腸內的酵素卻在弱鹼時活性最好

酵素濃度定量時，反應速率和受質濃度的關係

酵素濃度 當受質充足時，且在溫度與酸鹼值適宜的情況下，酵素濃度愈高，則反應速率愈快

受質充足時的酵素濃度與反應速率的關係，當酵素濃度加倍，反應速率也加倍

受質濃度 當酵素濃度一定時，且在溫度與酸鹼值適宜的情況下，酵素的反應速率會隨著受質濃度的增加而增大，當所有的酵素都和受質結合時，就達到最大反應速率，此時，即使增加受質濃度也無法增加其反應速率

酵素濃度定量時，反應速率和受質濃度的關係

重金屬 有些酵素單獨存在即可作用，然而有些酵素則需要某些金屬離子的存在，才具催化功能 例如鎂（Mg 2＋）及鋅（Zn 2＋）等。

有些重金屬離子，如鉛（Pb 2＋）、汞（Hg 2＋）及鎘（Cd 2＋）等會破壞酵素，使其失去活性 因此這些重金屬都是酵素作用的抑制物質

小常識 民國 70年左右，桃園縣 大潭村受到工廠排放含重金屬鎘廢水的汙染，導致稻等農作物受到鎘汙染，村民長期食用含鎘的米及水，身體內累積了許多鎘，引起全身劇痛，甚至死亡。

小常識 痛痛病： 鎘會降低骨骼細胞中鹼性磷酸酉每的活性，使骨骼之強度變差，而且關節會疼痛，特別稱為痛痛病 患者走路會像鴨子般蹣跚，病情惡化時，即使輕微的外傷也會造成骨折

想一想 自己做雞精 取等量新鮮的雞胸肉及青木瓜，將其切成小塊，在大碗中攪拌均勻後，置室溫下存放約3～4小時（冬天），夏季為了防止腐敗可置於冰箱冷藏約10小時，此時，不宜添加任何調味料，以免阻礙蛋白質分解。然後於電鍋內加水一杯，置於其中蒸煮，待電鍋跳起，濾出湯水，即得營養而容易消化的雞精。

想一想：加青木瓜的目的為何？上述作法中，為什麼冬季時與夏季時的處理不同？