细胞的化学组成与生物大分子化合物
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发布时间：2022-04-23 23:02
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时间：2023-10-13 00:50
作为地球物质能量系统之一的生物圈系统,最突出和令人惊奇的地球化学作用是其中的生命活动。地球上生物的诞生和演化是地球物质运动的重大事件。
(一)生物细胞的物质成分
细胞 (cell)是生物体形态结构和生命活动的基本单位,构成细胞的化学物质可划分为以下三类化合物。
1.无机小分子化合物
包括 H2O、CO2、无机盐及各种离子。
水是细胞中最丰富的物质,占细胞总质量的 70%。像在无机物质体系中一样,水是生物细胞各种生物化学活动必需的介质,水构成生物各种体液的主体成分,可以携带物质和能量进行体内循环,其主要生化作用是:①水是无机离子和多种生物大、小分子的良好溶剂和携带剂,也是原生质的分散介质;②细胞的各种生理过程只能发生在水中,水分子参与细胞的各种代谢活动,代谢过程中也产生水分子;③水能吸收和储存热量,从而可以调节细胞内的温度变化,对生物体有保护作用;④水能调节和维持细胞内外的离子及酸碱平衡。
无机盐在体液内主要以离子的形式存在。细胞内含量较多的阳离子为 K+、Na+、Mg2+、Ca2+等,阴离子有Cl-、
、
等。这些离子在细胞内外和细胞的各种结构中的分布和含量有显著差别,如K+和Mg2+在细胞内浓度较高,Na+、Cl-主要分布在细胞外液中。无机盐和各种元素离子的含量虽然只占细胞总质量的 1%左右,但对于细胞内维持各种生理作用,如细胞内渗透压及酸碱平衡是十分重要的,如各类磷酸盐为稳定细胞内pH 值起缓冲作用。此外,许多无机离子包括微量元素离子是酶的辅助因子,如磷酸化酶和多种激酶需要Mg2+的参与。有些无机成分是以非解离的形式存在于细胞之中,如血红蛋白中的铁。各种微量元素如锰、锌、碘等,都具有一定的生理作用,在细胞中含量很低,但对细胞的正常生命活动都是必需的。
2.有机小分子化合物
有机小分子化合物是指相对分子质量为 100～1000 的有机化合物。
据估计细胞内有近千种有机小分子化合物,主要分为以下几大类。
1)单糖:通式为(CH2O)n;n=3～7;
2)脂肪酸:通式为CH3(CH2)nCOOH,天然脂肪酸中n=10～20的偶数;
3)氨基酸:自然产出的氨基酸都属α—氨基酸,如:
地球化学
自然产出的氨基酸超过200 多种,在生物体内作为合成蛋白质的构件分子 12 种。
4)核苷酸:是构成核酸DNA和RNA的基本单位,核苷酸是在核苷中的核糖或脱氧核糖的三位或五位的羟基和磷酸形成酯,构成核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸。
有机小分子化合物溶解游离在细胞质溶液中,他们是构成生物大分子的中间结构体,通过合成作用组合成生物大分子多聚体,因此也称为“构件分子”,如氨基酸是蛋白质结构的基本单位,核苷酸是组成生物大分子核酸的基本单位。如戊糖 (五碳糖,C5H10O5)中的核糖和脱氧核糖也是核酸的组成成分。
同时有机小分子也是细胞各种代谢过程的产物。有机小分子在维持细胞生存、发育和完成各种生理功能中有独特的作用,它们经常是生物机体中物质和能量的携带者,通过体液循环供应到生物体的各个器官,以保持其生理功能的运行;如葡萄糖分解过程中,释放出来的能量供给合成三磷酸腺苷 (ATP)供细胞生命活动的需要。
3.生物大分子化合物
生物大分子指分子量巨大、分子结构复杂的有机化合物,主要是蛋白质、脂类和核酸等。这类分子中载有生命活动的信息,是在生命机体中担负各种生理功能的化学物质,如吸收和储备能量、接受和保存生物信息,生物体的生长、繁殖,以及生命信息的传递等。最重要的生物大分子简介如下。
(1)蛋白质
蛋白质是生物体一切组织的最基本物质,动物的肌肉、皮肤、毛发、角蹄等的主要成分是各种蛋白质。食物蛋白质为机体提供氨基酸、氮源和 13%的热量;血液输送氧需靠血红蛋白,人体中起免疫作用的抗体是一种特异性的蛋白质,可以识别外来毒素和细菌,并与之结合,使毒素和细菌失去活性。此外,蛋白质在生物生长、发育、繁殖,以及传递遗传信息等生命活动中都起重要作用。
蛋白质在化学成分上除 C、H、O外,平均含N16%、S0.3%～2.5%,以及 P、Fe、Zn、Cu、Mn、Co、Mo等微量元素。蛋白质分子是由20种α-氨基酸通过肽键或酰胺键等结合形成的大分子化合物,也称聚合物,一般分子量大于6000。蛋白质的一级结构是分子中氨基酸通过肽键连接形成的多肽链,化学式如下:
地球化学
如我国20世纪50年代人工合成的牛胰岛素蛋白质由两条多肽链,共51个氨基酸单元构成。一条链由21个氨基酸单元组成,称为A链,另一条由30个氨基酸单元组成,称为B链。A、B链通过两个二硫键 (—S—S—)互相联结。
大分子蛋白质的分子颗粒直径为 0.1～0.001μm,相当于胶粒大小,由于其颗粒表面带有很多极性基团如
、—COO-、—OH、—SH等,与水有高度亲和性,水分子易被蛋白质分子吸聚在其表面,形成一层水膜。因此蛋白质可溶于水,在水中形成亲水胶体,以使蛋白质及其构件分子氨基酸等在生物体液和血液中被携带输运。
含有更多氨基酸单元的蛋白质通过肽键的链接和氨基酸侧链之间的作用可以形成有 2、3、4 条多肽链并行连接的更复杂的蛋白质分子,其分子形态可以是肽链的螺旋卷曲结构,如α-螺旋结构 (图2-28),在每一层螺环之间形成一个氢键上下连接,以保持结构的稳定性。还可以形成折叠结构,在其中两条肽链平行排列形成片层结构。随着蛋白质分子加大还可以形成*、四级更复杂的分子结构。
图2-28 蛋白质聚合分子的α-螺旋结构
(2)核酸
核酸是构成生物体细胞核的主要成分,为具有重要生物学和生理功能的活性大分子化合物,相对分子质量高达106～109。核酸是生物遗传变异的物质基础,核酸可分为两大类化合物:①核糖核酸—RNA,主要参与生物体内蛋白质的合成;②脱氧核糖核酸——DNA,决定生物的遗传变异。和蛋白质一样核酸也是链状高分子化合物,构成核酸的基本单位是核苷酸。核酸是由成百上千个核苷酸通过 3',5'—磷酸二酯键联结而成的多核苷酸链。X射线研究证明,DNA的二级结构为两条反向平行的聚脱氧核苷酸沿着同一轴向延伸的双螺线结构,在其中磷酸基连在糖环外侧,碱基连在糖环内侧,两条链通过成对碱基间的氢键相连,碱基共有4种类型,两两按一定规则配对。DNA的双链螺旋直径约2nm,螺旋每上升一圈有10个核苷酸,每一旋高度为3.4nm。在DNA“绳梯”的一条链上3个相邻的碱基组成一个密码子,就是基因。它们控制天然蛋白质20种氨基酸的形成。
20世纪30年代,遗传学家摩根在细胞核内发现的遗传基因染色体,实际上就是DNA被压缩近万倍的螺旋状盘旋链的筒状结构体,其中含有大量的遗传信息。如人的一个染色体中的DNA,最多可拥有3亿对碱基,由它们构成的基因可达1万个。生命的形态与活动的不同,归根到底是因为各自拥有的DNA不一样。核糖核酸RNA的二级结构是由一条弯曲的多核苷酸链构成,生物细胞核中的DNA把遗传密码传递给RNA,在二者统一的控制下排布氨基酸并合成蛋白质,经这样的程序合成的蛋白质包含着母本细胞的全部遗传信息,据此生命和遗传因子得到延续和发展。详见:左伋《医学生物学》2002。
(3)脂类
也称类脂,在碳氢化合物分子中,碳原子与碳原子连接成链状,两端张开不成环的化合物称为开链化合物,又称脂肪族或脂肪烃,脂类是油脂和类脂的总称。脂类是生物体的基础物质,是重要的储存能量的化合物形式,由于含有较少的O,脂肪储存的能量大约是碳水化合物的两倍。如每克脂肪在完全氧化时产生 9.3 千卡热量,而氧化每克碳水化合物只产生4.1 千卡热量。地质条件下脂类分解成脂肪酸 (R-COOH),在土壤和沉积物中广泛分布。
在自然界具有多种碳键骨架结构和功能团的生物大分子化合物,它们的成分与结构的增长和功能的进化,是在地球系统复杂环境下经过几十亿年的生物有机化合物衍生和进阶的结果。因此生物大分子化合物的衍生和变异作用是地球上生物演化和物种交替兴亡的物质基础。
形成储存能量的复杂大分子,并进一步演化成具有生长、代谢和繁殖功能和包含遗传因子DNA的细胞,从而进入了化学物质有生命的存在状态。因此,生物地球化学和有机地球化学经过大量的观察、研究和多年积累认为:地球上的生物源自于原始无机环境中C、H、O等元素的简单化合物,经过聚合和衍生作用形成能够储存能量和传递信息的生物高分子,并进一步演化为有生长、代谢和繁殖功能的细胞。由多种性质不同的细胞构成的数百万生物种属,因自然环境条件的变迁而发生演化和物种更替。
(二)生物大分子化合物与生命活动
细胞是生物体形态结构和生命活动的基本单位,细胞是由半透膜与外界分开的原生质团,主要由细胞核与细胞质构成。在细胞中无机分子、生物有机小分子,以及生物大分子按一定的组织结构互相连接、互相作用,进行生物化学反应,以实现生物体的生理活动。由千百万个细胞组成一个器官,各种器官之间通过神经网络和体液沟通,使各器官得到物质和能量的补给,生成的产物和废物输送到需要的部位或被吸收或排出体外,以保持一个生命个体整体的机能运行。因此,生物体的一切生理活动及各种生命现象都是以发生在细胞内部和细胞以外的生物化学反应为基础,各种功能的细胞有序的组织和配合运行,以实现生物整体生命活动的完成。
以动物的消化、吸收、养分的运输,以及合成大分子过程为例:动物的胃像个反应器,动物摄入的食物如碳水化合物 (淀粉、糖)、蛋白质、脂肪等大多属复杂的大分子化合物。为吸收这些物质和热量以补充、供应生物个体的生存和生长,必须分解和消化食物变成生物机体可吸收的形态。消化作用的化学反应主要是水解、酸解等。胃液具酸性(pH=2),相当于柠檬汁的酸度。同时含有大量的酶,酶也是生物体合成的一种蛋白质,是一种高效能的生物化学反应催化剂,如淀粉酶、蛋白酶等,加速碳水化合物和蛋白质等的水解,变为葡萄糖、氨基酸等有机小分子化合物。
例如:一个直链淀粉的分子是由200～980个α—D—葡萄糖分子以1,4—糖苷键连接而成的,平均相对分子质量为32000～165000的多糖。经过胃液水解后变为只有6个碳原子的具环状碳架结构的α—或β—D— (+)—葡萄糖单糖分子。
蛋白质是由各种α—氨基酸通过肽键连接而成的多肽链。在胃中蛋白质通过4个步骤分解成氨基酸:
蛋白质→多肽→小肽→二肽→氨基酸
因此,动物胃的化学功能是分解复杂的食物大分子化合物,变成单糖、氨基酸等有机小分子,即生物构件分子,通过胃、肠吸收,并将它们由血液和体液循环输送给各个器官,由各器官细胞再合成需要的大分子化合物。
生物的器官、组织、肌肉以及细胞,随时从循环体液和血液中吸收氨基酸、肽及单糖等构件分子,合成新的蛋白质,以实现细胞和组织的新陈代谢,保持生物机体的生理活动。因此生物体必须不断从环境中摄入足够必需的营养物质,以维持生命的延续,如果生物体液及环境中缺乏某种必需营养物,就将影响生理活动的进行以致发生疾病。如 Co 是参与人体和动物体内合成维生素B12的必需微量元素,人体缺乏 Co,合成 B12不足可导致恶性贫血和神经系统疾病。
总之,生物体是一个由一定的化学物质,按严格的结构组织连接成的机体,生物机体能够持续进行与环境的物质-能量交换、转化和机体内部各种生命生理活动,其中每一个环节都是通过细胞内、外部的生物化学反应完成的。从地球生命物质系统角度来看,生物的形成和生物体内的各种生理活动都属于元素自然化学反应的过程与结果。现代生物化学从生物细胞构成的分子水平上研究细胞的化学组成、化学反应,深化了对化学元素在生命物质体系中习性的认识。
