一、水與無(wú)機(jī)鹽

(一)水是原生質(zhì)zui基本的物質(zhì)

水在轉(zhuǎn)化細(xì)胞中不僅含量zui大，而且由于它具有一些*的物理化學(xué)屬性，使其在生命起源和形成細(xì)胞有序結(jié)構(gòu)方面起著關(guān)鍵的作用?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有水，就不會(huì)有生命。水在細(xì)胞中以兩種形式存在：一種是游離水，約占95%;另一種是結(jié)合水，通過(guò)氫鍵或其他鍵同蛋白質(zhì)結(jié)合，約占4%~5%。隨著細(xì)胞的生長(zhǎng)和衰老，細(xì)胞的含水量逐漸下降，但是活細(xì)胞的含水量不會(huì)低于75%。

水在細(xì)胞中的主要作用是，溶解無(wú)機(jī)物、調(diào)節(jié)溫度、參加酶反應(yīng)、參與物質(zhì)代謝和形成細(xì)胞有序結(jié)構(gòu)。水之所以具有這么多的重要功能是和水的*屬性分不開(kāi)的。

1.水分子是偶極子

從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，水分子似乎很簡(jiǎn)單，僅是由2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子構(gòu)成(H2O)。然而水分子中的電荷分布是不對(duì)稱的，一側(cè)顯正電性，另一側(cè)顯負(fù)電性，從而表現(xiàn)出電極性，是一個(gè)典型的偶極子(圖3-31)。正由于水分子具有這一特性，它既可以同蛋白質(zhì)中的正電荷結(jié)合，也可以同負(fù)電荷結(jié)合。蛋白質(zhì)中每一個(gè)氨基酸平均可結(jié)合2.6個(gè)水分子。

由于水分子具有極性，產(chǎn)生靜電作用，因而它是一些離子物質(zhì)(如無(wú)機(jī)鹽)的良好溶劑。

2.水分子間可形成氫鍵

由于水分子是偶極子，因而在水分子之間和水分子與其他極性分子間可建立弱作用力的氫鍵。在水中每一氧原子可與另兩個(gè)水分子的氫原子形成兩個(gè)氫鍵。氫鍵作用力很弱，因此分子間的氫鍵經(jīng)常處于斷開(kāi)和重建的過(guò)程中。

3.水分子可解離為離子

水分子可解離為氫氧離子(OH-)和氫離子(H+)。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下總有少量水分子解離為離子，大約有107mol/L水分子解離，相當(dāng)于每109個(gè)水分子中就有2個(gè)解離。但是水分子的電解并不穩(wěn)定，總是處于分子與離子相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)平衡之中。

(二)無(wú)機(jī)鹽

細(xì)胞中無(wú)機(jī)鹽的含量很少，約占細(xì)胞總重的1%。鹽在細(xì)胞中解離為離子，離子的濃度除了具有調(diào)節(jié)滲透壓和維持酸堿平衡的作用外，還有許多重要的作用。

主要的陰離子有Cl—、PO4—和HCO3—，其中磷酸根離子在細(xì)胞代謝活動(dòng)中zui為重要：①在各類細(xì)胞的能量代謝中起著關(guān)鍵作用;②是核苷酸、磷脂、磷蛋白和磷酸化糖的組成成分;③調(diào)節(jié)酸堿平衡，對(duì)血液和組織液pH起緩沖作用。

二、細(xì)胞的有機(jī)分子

細(xì)胞中有機(jī)物達(dá)幾千種之多，約占轉(zhuǎn)化細(xì)胞干重的90%以上，它們主要由碳、氫、氧、氮等元素組成。有機(jī)物中主要由四大類分子所組成，即蛋白質(zhì)、核酸、脂類和糖，這些分子約占細(xì)胞干重的90%以上。

(一)蛋白質(zhì)

在生命活動(dòng)中，蛋白質(zhì)是一類極為重要的大分子，幾乎各種生命活動(dòng)無(wú)不與蛋白質(zhì)的存在有關(guān)。蛋白質(zhì)不僅是細(xì)胞的主要結(jié)構(gòu)成分，而且更重要的是，生物專有的催化劑——酶是蛋白質(zhì)，因此細(xì)胞的代謝活動(dòng)離不開(kāi)蛋白質(zhì)。一個(gè)細(xì)胞中約含有104種蛋白質(zhì)，分子的數(shù)量達(dá)1011個(gè)。

(二)核酸

核酸是生物遺傳信息的載體分子，所有生物均含有核酸。核酸是由核苷酸單體聚合而成的大分子。核酸可分為核糖核酸RNA和脫氧核糖核酸兩大類DNA。當(dāng)溫度上升到一定高度時(shí)，DNA雙鏈即解離為單鏈，稱為變性(denaturation)或熔解(melting)，這一溫度稱為熔解溫度(melting temperature，Tm)。堿基組成不同的DNA，熔解溫度不一樣，含G—C對(duì)(3條氫鍵)多的DNA，Tm高;含A—T對(duì)(2條氫鍵)多的，Tm低。當(dāng)溫度下降到一定溫度以下，變性DNA的互補(bǔ)單鏈又可通過(guò)在配對(duì)堿基間形成氫鍵，恢復(fù)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程稱為復(fù)性(renaturation)或退火(annealing)。

DNA有三種主要構(gòu)象(圖3-35)：

B-DNA：為Watson&Click提出的右手螺旋模型，每圈螺旋10個(gè)堿基，螺旋扭角為36度，螺距34A，每個(gè)堿基對(duì)的螺旋上升值為3.4A，堿基傾角為-2度。

A-DNA：為右手螺旋，每圈螺旋10.9個(gè)堿基，螺旋扭角為33度，螺距32A，每個(gè)堿基對(duì)的螺旋上升值為2.9A，堿基傾角為13度。

Z-DNA：為左手螺旋，每圈螺旋12個(gè)堿基，螺旋扭角為-51度(G—C)和-9度(C—G)，螺距46A，每個(gè)堿基對(duì)的螺旋上升值為3.(G—C)和4.1A(C—G)，堿基傾角為9度。

(三)糖類

細(xì)胞中的糖類既有單糖，也有多糖。細(xì)胞中的單糖是作為能源以及與糖有關(guān)的化合物的原料存在。重要的單糖為五碳糖(戊糖)和六碳糖(己糖)，其中zui主要的五碳糖為核糖，zui重要的六碳糖為葡萄糖。葡萄糖不僅是能量代謝的關(guān)鍵單糖，而且是構(gòu)成多糖的主要單體。

多糖在細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分中占有主要的地位。細(xì)胞中的多糖基本上可分為兩類：一類是營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)備多糖;另一類是結(jié)構(gòu)多糖。作為食物儲(chǔ)備的多糖主要有兩種，在植物細(xì)胞中為淀粉(starch)，在動(dòng)物細(xì)胞中為糖原(glycogen)。在真核細(xì)胞中結(jié)構(gòu)多糖主要有纖維素(cellulose)和幾丁質(zhì)(chitin)。

(四)脂類

脂類包括：脂肪酸、中性脂肪、類固醇、蠟、磷酸甘油酯、鞘脂、糖脂、類胡蘿卜素等。脂類化合物難溶于水，而易溶于非極性有機(jī)溶劑。

1、中性脂肪(neutral fat)

①甘油酯：它是脂肪酸的羧基同甘油的羥基結(jié)合形成的甘油三酯(triglyceride)。甘油酯是動(dòng)物和植物體內(nèi)脂肪的主要貯存形式。當(dāng)體內(nèi)碳水化合物、蛋白質(zhì)或脂類過(guò)剩時(shí)，即可轉(zhuǎn)變成甘油酯貯存起來(lái)。甘油酯為能源物質(zhì)，氧化時(shí)可比糖或蛋白質(zhì)釋放出高兩倍的能量。營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)，就要?jiǎng)佑酶视王ヌ峁┠芰俊?/p>

②蠟：脂肪酸同乙醇酯化形成蠟(如蜂蠟)。蠟的碳?xì)滏満荛L(zhǎng)，熔點(diǎn)要高于甘油酯。細(xì)胞中不含蠟質(zhì)，但有的細(xì)胞可分泌蠟質(zhì)。如：植物表皮細(xì)胞分泌的蠟?zāi)?同翅目昆蟲(chóng)的蠟腺、如高等動(dòng)物外耳道的耵聹腺。

2、磷脂

磷脂對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和代謝至關(guān)重要，它是構(gòu)成生物膜的基本成分，也是許多代謝途徑的參與者。分為甘油磷脂和鞘磷脂兩大類。

3、糖脂

糖脂也是構(gòu)成細(xì)胞膜的成分，與細(xì)胞的識(shí)別和表面抗原性有關(guān)。

4、萜類和類固醇類

這兩類化合物都是異戊二烯(isoptene)的衍生物，都不含脂肪酸。

生物中主要的萜類化合物有胡蘿卜素和維生素A、E、K等。還有一種多萜醇磷酸酯，它是轉(zhuǎn)化細(xì)胞質(zhì)中糖基轉(zhuǎn)移酶的載體。

類固醇類(steroids)化合物又稱甾類化合物，其中膽固醇是構(gòu)成膜的成分。另一些甾類化合物是激素類，如雌性激素、雄性激素、腎上腺激素等。