第一節(jié)生命的物質(zhì)基礎(chǔ)

1、第一節(jié) 生命的物質(zhì)基礎(chǔ)一、細胞內(nèi)的物質(zhì)原生質(zhì)并不是一種化合物，而是由多種化合物所組成的復(fù)雜的膠體，它具有不斷自我更新的能力，成為一種生命物質(zhì)的體系?，F(xiàn)在人們泛指構(gòu)成細胞內(nèi)的生活物質(zhì)為原生質(zhì)。那么，構(gòu)成細胞內(nèi)的所有物質(zhì)都是原生質(zhì)嗎？不是的，通常把細胞內(nèi)含有的物質(zhì)大致分成四類：從上述情況可以看出，原生質(zhì)包括細胞膜、細胞質(zhì)和細胞核等部分；而植物細胞的細胞壁不屬于原生質(zhì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，細胞的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成已逐漸被人們所認識，因而原生質(zhì)作為一種物質(zhì)的概念就失去了意義。現(xiàn)在使用原生質(zhì)這一名稱時，無非是泛指細胞內(nèi)的生活物質(zhì)，是生命的物質(zhì)體系。二、構(gòu)成原生質(zhì)的化學(xué)元素在研究原生質(zhì)的化學(xué)成分時，人們發(fā)

2、現(xiàn)組成原生質(zhì)的化學(xué)元素有幾十種之多，其中有10多種在數(shù)量上較多。主要元素和微量元素如下：組成原生質(zhì)的各種元素，沒有一種是無機自然界所沒有的。聯(lián)系生命起源的化學(xué)進化過程，可以看出生物與非生物具有一定的聯(lián)系性。構(gòu)成原生質(zhì)的化學(xué)元素，在無機物中除了少量的氧和氮外，均以化合態(tài)存在，主要是水和無機鹽；而有機物則以糖類、脂類、蛋白質(zhì)和核酸等化合物存在于體 內(nèi)。例如：氫和氧兩元素結(jié)合成水；碳、氫、氧存于有機物中；氮主要是蛋白質(zhì)和核酸的組成元素；磷以磷酸鹽形式存在，少部分存于核酸、磷脂中；硫大部分存于 蛋白質(zhì)；鉀主要存于細胞內(nèi)液，而鈉、氯則主要存于細胞外液。三、構(gòu)成原生質(zhì)的化合物不同細胞或不同生物中，各種化合

3、物的含量有一定的差異，如表1-1-1所示(以占鮮重百分數(shù)來表示)如果以各種材料的平均值看，水是原生質(zhì)中含量最多的，約占鮮重的8090；但在細胞的干重中，蛋白質(zhì)含量最多。(一)水水是生物體的主要組成成分之一，不同機體或同一機體的不同器官，含水量差別很大。例如，人體各部分含水量如下：骨骼22，肌肉76，腦 7084，肝臟70，皮膚72，心臟79，血液83。一般說來，水生生物和生命活動旺盛的細胞，含水較多；陸生生物和生命活動不活躍的細 胞，含水分較少。如休眠的種子、孢子含水量低于10。水在細胞里的存在形式有兩種：自由水和結(jié)合水。前者能自由流動；后者不能自由流動，其中有一部分與離子結(jié)合而成為離子化水，

4、大部分則以膨潤親水膠體 而存在于膠粒的間隙中。在一定條件下自由水可以轉(zhuǎn)化為結(jié)合水，例如血液里所含的水多為結(jié)合水，但在體外凝固時，自由水變?yōu)楸荒z所包圍的結(jié)合水。水在生物體內(nèi)的作用是：自由水是良好的溶劑，利于細胞內(nèi)各種代謝反應(yīng)的進行，營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，代謝廢物的排出都離不開水。自由水流動性大，是物 質(zhì)運輸?shù)慕橘|(zhì)。水直接參加體內(nèi)的生化反應(yīng)，如水解、氧化還原反應(yīng)以及在綠色植物體內(nèi)進行光合作用光反應(yīng)時水的光解等。水的比熱大、蒸發(fā)熱大，所以具有 調(diào)節(jié)體溫的作用。此外，在植物細胞內(nèi)，液泡里含有大量的水，對維持細胞的緊張度，使枝葉挺立，保持植物固有姿態(tài)也起著重要作用。(二)無機鹽無機鹽一方面是生活物質(zhì)的周圍環(huán)

5、境的一種成分，另方面又是生活物質(zhì)的基本組分之一。細胞中的鹽類大多數(shù)以離子狀態(tài)存在，如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42- 等。無機鹽有的直接參與不同生物大分子的形成，如PO43- 是合成磷脂、核苷酸所必需的；Fe3+是細胞色素、血紅蛋白的成分；無機鹽對維持細胞的酸堿性、滲透壓，以及細胞形態(tài)和功能起著一定的作用。此外，有的無 機鹽還影響酶的活性，如Cl- 可以激活唾液淀粉酶的活性；Ca2+可以使血液中凝血酶元變?yōu)榛钚缘哪傅取?三)糖類糖類廣泛分布于動、植物體的各種組織細胞中。動物的血液里含有葡萄糖，乳汁里有乳糖，肝臟、骨骼肌里有糖原。植物光合作用的產(chǎn)物是葡萄糖，新鮮的果實里含

6、有果糖，甘蔗、甜菜里含有蔗糖，種子里有淀粉，植物細胞壁的成分是纖維素。糖類是由C、H、O三種元素所組成的多羥基的酮或醛的衍生物。它的分子通式是：Cn(H2O)m(n和m通常大于2)。符合此通式的并不一定都是糖，如乳酸C3H6O3即是一例；相反也有個別的糖不符合此通式，如脫氧核糖C5H10O4，鼠李糖C6H12O5。根據(jù)糖類水解的情況，可以分為單糖、雙糖和多糖三大類。在生物體內(nèi)重要的單糖、雙糖和多糖如下表所示：綜上所述，糖類是生命活動的主要能源，也是細胞的組成成分之一。(四)脂類脂類包括脂肪、類脂和固醇類物質(zhì)。它們不溶于水，但溶于有機溶劑中。脂類是構(gòu)成生物體的重要物質(zhì)，組成脂類的主要元素是C、H

7、、O三種，但氧元素含量低，碳和氫元素比例高，而糖類則與此相反(見表1-1-2)。因此，脂類徹底氧化后可以釋放出更多的能量。1脂肪脂肪分子是由一分子甘油和三分子脂肪酸組成的，又稱為甘油三酯。脂肪大量儲存在植物和動物的脂肪細胞中，人和動物的脂肪組織分布在皮下以及各內(nèi)臟器 官間。脂肪組織質(zhì)地柔軟，具有一定彈性，因此可以減少內(nèi)部器官的摩擦，緩沖外界對機體的作用力，減少損傷。脂肪不易傳熱，可以保持體溫。脂肪的主要功能是供給能量，1克脂肪在體內(nèi)完全氧化時釋放出的能量為38.87千焦；而1克葡萄糖在體內(nèi)完全氧化時釋放出的能量為17.15千焦。 因此，脂肪是細胞中最好的貯能物質(zhì)。此外，脂肪還可以協(xié)助脂溶性維生

8、素的吸收。如維生素A、D、E、K和胡蘿卜素等均可溶于食物的油脂中而與油脂一起被吸收。2類脂類脂包括磷脂、糖脂等。其中最重要的是磷脂。它是組成生物膜結(jié)構(gòu)的大分子。磷脂的組成成分為甘油、脂肪酸、含氮有機堿及磷酸。人體中的磷脂有卵磷脂和腦磷脂，其結(jié)構(gòu)可用下圖解表示：磷脂中的磷酸氮堿部分易與水相吸，構(gòu)成磷脂分子的親水性頭部；而來自脂肪酸的碳氫鏈部分，不與水相吸，構(gòu)成疏水性尾部。在參與膜的結(jié)構(gòu)時，磷脂分子排列成雙分子層，親水性頭部朝外，疏水性尾部相對，朝向內(nèi)側(cè)。3固醇類物質(zhì)固醇類物質(zhì)包括膽固醇、性激素、腎上腺皮質(zhì)激素、維生素D原等。膽固醇和磷脂一樣，也可以同蛋白質(zhì)結(jié)合成脂蛋白，作為細胞膜的一部分。膽固醇

9、是人體必需的化合物，它不僅可以從食物中獲得，而且也可以在體內(nèi)合成，體內(nèi)合成的膽固醇比從食物中吸收的還多。維生素D原是形成維生素D的前身物，如皮膚里有一種7-去氫膽固醇，在紫外線照射下可轉(zhuǎn)變?yōu)榫S生素D。性激素、腎上腺皮質(zhì)激素在調(diào)節(jié)正常的新陳代謝和生殖上都有重要的功能。(五)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是構(gòu)成生物體的基本物質(zhì)，從病毒到人類，一切生物體內(nèi)都有蛋白質(zhì)的存在。在生命活動過程中，蛋白質(zhì)有著極其重要的功能。1蛋白質(zhì)的組成元素及結(jié)構(gòu)單位所有蛋白質(zhì)的元素組成都很近似，都含有C、H、O、N四種元素。其中平均含氮量約占16，這是蛋白質(zhì)在元素組成上的一個特點。此外，有些蛋白質(zhì)還含P、S兩種元素，有的還含微量的Fe、C

10、u、Mn、I、Zn等元素。蛋白質(zhì)是一種高分子化合物，分子量很大，約在5×1035×106左右或更大些。例如人的血紅蛋白的分子量是64500；煙草花葉病病毒的分子量是40000000。蛋白質(zhì)水解后的最終產(chǎn)物是氨基酸。氨基酸是組成蛋白質(zhì)分子的基本結(jié)構(gòu)單位。組成不同蛋白質(zhì)分子的氨基酸在數(shù)量上可以是幾十、幾百或更多，但其種類主要有20種。構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸在結(jié)構(gòu)上具有共同的特點，這就是每種氨基酸至少都有一個氨基(-NH2)和一個羧基(-COOH)，并且都連在同一個碳原子(叫做碳原子)上，其結(jié)構(gòu)通式如下：20種氨基酸的不同，主要表現(xiàn)在R基(也叫側(cè)鏈基團)的不同。如表1-1-3所示氨基

11、酸的三個字母縮寫分別是：丙氨酸Ala，精氨酸Arg，天冬酰胺Asn，天冬氨酸Asp，半胱氨酸Cys，谷氨酰胺Cln，谷氨酸Gln，甘氨酸Gly，組氨酸His，異亮 氨酸Ile，亮氨酸Leu，賴氨酸Lys，甲硫氨酸(蛋氨酸)Met，苯丙氨酸Phe，脯氨酸Pro，絲氨酸Ser，蘇氨酸Thr，色氨酸Trp，酪氨酸 Tyr，纈氨酸Val。20種氨基酸中，有8種是人體不能制造的，只能從食物中獲得，故稱為必需氨基酸。它們是：蘇氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、色氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸(蛋氨酸)、亮氨酸和異亮氨酸。必需氨基酸對人體來說，是重要的生活物質(zhì)。2蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，大致可分為四個層次：

12、(1)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu) 主要指組成蛋白質(zhì)分子的多肽鏈中氨基酸的數(shù)目、種類和排列順序。在肽鏈中氨基酸間的連接是由一個氨基酸分子的氨基與另一個氨基在一級結(jié)構(gòu)中，肽腱(CONH)是主要的連接鍵。由兩個氨基酸分子脫水連接成的物質(zhì)叫做二肽，三個氨基酸分子縮合成的物質(zhì)叫做三肽，余類推。 由許多氨基酸分子縮合成的物質(zhì)叫做多肽。多肽具有的鏈狀結(jié)構(gòu)叫做肽鏈，它是一級結(jié)構(gòu)的主體?？茖W(xué)家已通過一定的方法，了解到近千種蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。如胰 島素(51個氨基酸)，核糖核酸酶(124個氨基酸)，細胞色素C(104個氨基酸)，人血紅蛋白(574個氨基酸)等。(2)空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)。指蛋白質(zhì)分子中多肽鏈本身的折迭方

13、式。據(jù)實驗證明，二級結(jié)構(gòu)中主要是-螺旋結(jié)構(gòu)和-折迭片層結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)中有氫鍵參加，以維持其穩(wěn)定性(圖1-1-1)。蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)。指在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再由氨基酸側(cè)鏈之間通過形成氫鍵、疏水鍵、二硫鍵等再度折迭、盤曲，形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)(圖1-1-2)。幾乎所有具有重要生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)都有嚴格的特定的三級結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。指含有兩條或多條肽鏈的蛋白質(zhì)中，各條肽鏈如何排列，它們彼此關(guān)聯(lián)聚合成大分子蛋白質(zhì)的方式。構(gòu)成功能單位的各條肽鏈，稱為亞 基。例如，人血紅蛋白是由四個亞基(2個亞基，2個亞基)所組成。一般說，亞基單獨存在時沒有生物活力，只有完整的四級結(jié)構(gòu)才有生物活力。有的蛋白質(zhì) 分子只有

14、一、二、三級結(jié)構(gòu)，并無四級結(jié)構(gòu)，如肌紅蛋白、細胞色素C等。另一些蛋白質(zhì)則四種結(jié)構(gòu)伺時存在，如血紅蛋白、過氧化氫酶等?？臻g結(jié)構(gòu)的諸種鍵統(tǒng)稱次級鍵，不穩(wěn)定斷裂可引起空間結(jié)構(gòu)改變，生物活性喪失，稱為蛋白質(zhì)的變性作用(一級結(jié)構(gòu)不變)，有的變性可逆，有的不可逆。綜上所述，蛋白質(zhì)是由許多氨基酸分子通過肽鍵連接而成的高分子化合物。每個蛋白質(zhì)分子可以含有一條或幾條肽鏈，每條肽鏈按各自特殊的方式折迭、盤曲構(gòu)成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。3蛋白質(zhì)的化學(xué)分類可分為簡單蛋白質(zhì)，即水解后只得到-氨基酸，如清蛋白、球蛋白、谷蛋白和角蛋白等；與結(jié)合蛋白質(zhì)兩種。結(jié)合蛋白質(zhì)是由簡單蛋白質(zhì)與輔基(非蛋白 質(zhì))組成。根據(jù)輔基不同，結(jié)

15、合蛋白質(zhì)又可分為：核蛋白，輔基為核酸；糖蛋白，輔基為糖，與細胞免疫和細胞識別有關(guān)；脂蛋白，輔基為脂類；色蛋白， 輔基為色素，如血紅蛋白為鐵卟啉，若鐵被鎂取代為葉綠素；磷蛋白，輔基為磷酸，如胃蛋白酶、酪蛋等。4蛋白質(zhì)的功能分類從功能上蛋白質(zhì)可分為結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，參與細胞的構(gòu)成；和酶，參與代謝。5蛋白質(zhì)功能的多樣性生活細胞中的蛋白質(zhì)是極其多樣的。據(jù)估計，在最簡單的細菌細胞中，在它的生活周期的任何時刻，都可以找到600800種不同的蛋白質(zhì)；在人體中至少有上千種蛋白質(zhì)行使著不同的功能。蛋白質(zhì)的多樣性，首先是由氨基酸的種類、數(shù)目和排列順序所決定的。雖然組成蛋白質(zhì)的氨基酸只有20種，但是，正如26個英文字母可

16、以組成許許多多英 文詞匯一樣，20種氨基酸的不同排列順序和不同數(shù)目的組合，產(chǎn)生了生物界多種多樣的蛋白質(zhì)。根據(jù)排列理論，不同事物可能的順序排列數(shù)的通式，一般是n！ (n階乘積)。20種氨基酸共有20！即20×19×18×17××1，這是一個驚人的數(shù)目，約為2×1018，這就是說，對于一條含有20種不同氨 基酸的多肽，其中每種氨基酸僅僅出現(xiàn)一次，其可能的順序組合數(shù)是2×1018種肽鏈。如果考慮到肽鏈可以少于20種氨基酸，以及每種氨基酸在同一肽鏈上可 以重復(fù)出現(xiàn)，那么實際數(shù)目遠比上述的數(shù)目大。有人估計所有生物的蛋白質(zhì)的種類約為10

17、101012。可見其多樣性。其次，即使是氨基酸的數(shù)目、種類、序列完全相同，但其肽鏈空間結(jié)構(gòu)的多樣和復(fù)雜，也使蛋白質(zhì)具有多樣性。正由于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和多樣性，才使蛋白質(zhì)具有多種多樣的生物學(xué)功能，成為生命活動的主要體現(xiàn)者。(1)蛋白質(zhì)是生物機體的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。例如人和動物的肌肉都是蛋白質(zhì)。骨骼肌的主要成分是球蛋白；平滑肌的主要成分是膠原蛋白；毛發(fā)、角、指甲的主要成分是角蛋白。所以蛋白質(zhì)是構(gòu)成細胞和生物體的重要的結(jié)構(gòu)物質(zhì)。(2)蛋白質(zhì)是生物的功能物質(zhì)。例如具有催化功能的酶是蛋白質(zhì)；肌肉收縮產(chǎn)生運動是通過蛋白質(zhì)來實現(xiàn)的；輸送氧氣的血紅蛋白；具機械支持和保護功能 的骨、結(jié)締組織等主要是由膠原、角蛋白等組

18、成；具免疫功能的抗體是蛋白質(zhì)；其調(diào)節(jié)功能的肽和蛋白質(zhì)類激素等。這充分體現(xiàn)出，蛋白質(zhì)又是一種功能蛋白?？傊?，蛋白質(zhì)既是結(jié)構(gòu)蛋白又是功能蛋白，在生物體內(nèi)行使復(fù)雜的多樣的生物學(xué)功能，生物的性狀是通過蛋白質(zhì)的特定的新陳代謝形式表現(xiàn)出來的，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。正是蛋白質(zhì)的多樣性使生物界形形色色、豐富多彩。(六)酶酶是細胞中促進化學(xué)反應(yīng)速度的催化劑?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的酶有2000多種，它們分別存在于各種細胞中，催化細胞生長代謝過程中各種不同的化學(xué)反應(yīng)，使之在正常溫度等條件下就可順利進行。1特點(1)酶本身在反應(yīng)過程中不被破壞，極少量即可大大加速化學(xué)反應(yīng)速度。(2)酶對化學(xué)反應(yīng)正、逆兩方向的催化作用相同，不改變反應(yīng)的平衡點，縮短達到平衡的時間。(3)特殊性質(zhì)：酶具有高效性、專一性(由此引起多樣性)，對環(huán)境條件極為敏感。(4)在活細胞中產(chǎn)生，某些酶可被分泌到細胞外發(fā)揮作用，如消化酶等。(5)存在于所有細胞組織中，可以自我更新。2化學(xué)結(jié)構(gòu)酶是由蛋白質(zhì)形成的。由簡單蛋白質(zhì)形成的酶，當空間結(jié)構(gòu)被破壞后即失去活性，如蛋白酶、淀粉酶等。結(jié)合蛋白質(zhì)形成酶，由酶蛋白和輔助因子組成。輔助因子有輔酶和輔基兩種。輔酶與酶蛋白結(jié)合得松散，不調(diào)節(jié)生命活動時與酶蛋白是分開的。輔基與酶蛋白結(jié)合緊密。輔酶有：輔酶(NAD)，輔酶(NADP)；黃素輔酶(