高中生物必修一作为生物学的基础章节,涵盖了细胞的基本结构、功能、代谢以及遗传变异的初步知识，构建了生命科学的核心框架，通过思维导图的形式梳理这些知识点，能够帮助学习者建立系统化的认知体系，将零散的知识点串联成网络，从而更深入地理解生命活动的本质，以下从细胞的分子组成、细胞的基本结构、细胞的物质输入和输出、细胞的能量供应和利用、细胞的生命历程五个核心模块展开详细阐述。
细胞的分子组成
细胞是生物体结构和功能的基本单位,其由多种化学元素和化合物构成，从元素层面看，组成细胞的元素分为大量元素（如C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等）和微量元素（如Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等），其中C元素是生命的核心元素，以碳链为骨架形成生物大分子，化合物包括无机物（水和无机盐）和有机物（糖类、脂质、蛋白质、核酸），水是细胞中含量最多的化合物，具有溶剂、参与反应、维持温度等功能；无机盐多以离子形式存在，维持渗透压、酸碱平衡及作为某些化合物的成分，糖类是主要能源物质（如葡萄糖）、结构物质（如纤维素）和储能物质（如淀粉）；脂质包括脂肪（储能）、磷脂（膜结构成分）和固醇（如胆固醇、性激素）；蛋白质是生命活动的承担者，其结构具有多样性（由氨基酸通过脱水缩合形成多肽链，盘曲折叠形成空间结构），功能包括催化（酶）、运输（血红蛋白）、免疫（抗体）、调节（胰岛素）等；核酸是遗传信息的携带者，包括DNA（脱氧核糖核酸，主要存在于细胞核）和RNA（核糖核酸，主要存在于细胞质），基本单位是核苷酸。
细胞的基本结构
细胞由细胞膜、细胞质和细胞核三部分组成，细胞膜是系统的边界，具有选择透过性，其结构模型为流动镶嵌模型（由磷脂双分子层构成基本骨架，蛋白质镶嵌或贯穿其中，多糖位于外侧形成糖被），功能包括将细胞与外界环境分隔、控制物质进出、进行细胞间信息交流，细胞质包括细胞质基质（是新陈代谢的主要场所）和细胞器（线粒体有氧呼吸的主要场所，双层膜；叶绿体光合作用的场所，双层膜；内质网分为粗面内质网（与蛋白质加工运输有关）和光面内质网（与脂质合成有关）；核糖体是蛋白质合成的场所，无膜结构；高尔基体与蛋白质的加工、分类和运输有关，与植物细胞壁形成有关；溶酶体含多种水解酶，能分解衰老、损伤的细胞器，吞噬并杀死病毒和病菌；液泡调节植物细胞环境，含细胞液）；细胞质中还包含细胞骨架（维持细胞形态，参与物质运输），细胞核是遗传信息库，是细胞代谢和遗传的控制中心，由核膜（双层膜，上有核孔）、核仁（与某种RNA的合成及核糖体形成有关）、染色质（由DNA和蛋白质组成，是遗传物质的主要载体）构成。
细胞的物质输入和输出
细胞膜的功能特性是选择透过性,物质跨膜运输方式包括自由扩散、协助扩散和主动运输，自由扩散顺浓度梯度运输，不需要载体蛋白和能量，如O₂、CO₂、甘油、乙醇、苯等协助扩散顺浓度梯度运输，需要载体蛋白但不消耗能量，如葡萄糖进入红细胞、离子通过通道蛋白等主动运输逆浓度梯度运输，需要载体蛋白和能量（如ATP），如小肠绒毛上皮细胞吸收氨基酸、无机盐离子等此外，还有胞吞（如大分子物质、病原体进入细胞）和胞吐（如分泌蛋白排出细胞）两种方式，需要消耗能量，依赖于细胞膜的流动性。
细胞的能量供应和利用
细胞代谢是生命活动的基础,涉及酶和ATP的作用，酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，绝大多数是蛋白质（少数是RNA），特性包括高效性、专一性（作用条件温和），其活性受温度、pH等因素影响，ATP是直接能源物质，结构是腺苷三磷酸，中文名腺苷三磷酸，简称为ATP，结构式简写成A-P~P~P，水解时远离腺苷的高能磷酸键断裂，释放能量供生命活动利用，细胞呼吸是细胞内有机物分解释放能量并生成ATP的过程，分为有氧呼吸和无氧呼吸，有氧呼吸的主要场所是线粒体，分为三个阶段：第一阶段（细胞质基质，葡萄糖分解成丙酮酸，少量[H]和ATP）；第二阶段（线粒体基质，丙酮酸和水反应生成CO₂，大量[H]和少量ATP）；第三阶段（线粒体内膜，[H]与O₂反应生成水，大量ATP），无氧呼吸在无氧条件下进行，分为两个阶段，场所是细胞质基质，产物是酒精和CO₂（如酵母菌）或乳酸（如乳酸菌），释放少量能量，光合作用是绿色植物利用光能，将CO₂和H₂O合成有机物，并释放O₂的过程，场所是叶绿体，分为光反应（在类囊体薄膜上进行，将光能转化为活跃的化学能，储存在ATP和[H]中，并释放O₂）和暗反应（在叶绿体基质中进行，利用光反应提供的ATP和[H]将CO₂固定成有机物，如C₃植物和C₄植物的区别）。
细胞的生命历程
细胞的生命历程包括增殖、分化、衰老、凋亡和癌变，细胞增殖的主要方式是有丝分裂，分为间期（DNA复制和蛋白质合成，细胞数目不变）、前期（核膜消失、核仁解体、染色体出现、纺锤体形成）、中期（染色体形态稳定、数目清晰，便于观察）、后期（着丝点分裂，姐妹染色单体分开成为子染色体）、末期（核膜核仁重建、染色体解旋、纺锤体消失），意义是保持亲子代细胞遗传性状的稳定性，细胞分化是指在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程，实质是基因的选择性表达，结果是产生不同的组织器官，细胞衰老是细胞生命活动趋向自然结束的过程，特征包括水分减少、酶活性降低、色素积累、膜通透性改变等，细胞凋亡是基因决定的细胞编程性死亡，对个体发育和组织稳态维持有重要作用，细胞癌变是细胞不受机体控制的、连续进行分裂的恶性增殖过程，特征包括无限增殖、形态结构改变、黏着性降低、易扩散和转移，原因是原癌基因和抑癌基因发生突变。
相关问答FAQs
问1：为什么说蛋白质是生命活动的主要承担者？
答：蛋白质在生物体内具有多种重要功能，几乎参与所有生命活动，作为酶，蛋白质能催化生物体内的各种化学反应，如DNA聚合酶催化DNA复制，淀粉酶催化淀粉水解；作为运输蛋白，如血红蛋白运输氧气，载体蛋白协助物质跨膜运输；蛋白质还具有免疫功能（如抗体）、调节功能（如胰岛素调节血糖）、结构功能（如胶原蛋白构成细胞外基质，肌动蛋白构成细胞骨架）等，蛋白质结构的多样性（由氨基酸种类、数目、排列顺序及空间结构决定）决定了其功能的多样性，因此说蛋白质是生命活动的主要承担者。
问2：有氧呼吸和无氧呼吸的本质区别是什么？
答：有氧呼吸和无氧呼吸的本质区别在于是否需要氧气参与以及最终产物和能量释放量不同，有氧呼吸需要氧气作为最终电子受体，将葡萄糖等有机物彻底分解为CO₂和H₂O，释放大量能量（1mol葡萄糖彻底分解释放约2870kJ能量，其中1161kJ储存在ATP中，生成38或40个ATP）；无氧呼吸不需要氧气，有机物分解不彻底，产物是酒精和CO₂或乳酸，释放少量能量（1mol葡萄糖分解生成2mol乳酸释放196kJ能量，生成2个ATP），有氧呼吸的主要场所是线粒体，而无氧呼吸的全过程都在细胞质基质中进行，从进化角度看，有氧呼吸更高效，是生物体长期适应有氧环境的结果。
