生命（三）生命的物質(zhì)基礎(chǔ)

索引：1.生物體的元素組成；2.生物體的分子組成；（1）水和無機(jī)鹽；（2）糖類；（3）脂類；（4）蛋白質(zhì)；（5）核酸

1.生物體的元素組成

不同生物或同一生物的不同細(xì)胞中各種元素含量是不同的，但碳、氫、氮、氧這4種元素是必須且大量存在的。碳原子構(gòu)成了各種生物大分子的碳鏈骨架，作用尤為重要；氫和氧幾乎存在于一切生物大分子中；元素則是構(gòu)成蛋白質(zhì)和核酸所必需的成分。

生物體內(nèi)的元素按含量可分為常量元素和微量元素，按在細(xì)胞中的作用可分為必需元素和非必需元素。除上述4種元素外，硫、磷、氯、鈣、鉀、鈉、鎂等也是生物體內(nèi)必需的常量元素。

2.生物體的分子組成

（1）水和無機(jī)鹽

生命是在原始海洋中孕育的，生命自一開始就離不開水。水是生命的介質(zhì)，它存在于細(xì)胞內(nèi)，也存在于細(xì)胞與細(xì)胞之間。它在生物體內(nèi)有著多方面的作用：

首先，水是最好的溶劑，細(xì)胞內(nèi)的絕大多數(shù)生化反應(yīng)都是以水為介質(zhì)進(jìn)行的；但水卻不能溶解脂類，因此以磷脂分子為基礎(chǔ)的生物膜又得以穩(wěn)定地存在。

其次，水具有較大的熱容量，能起到穩(wěn)定體溫的作用；水具有較高的蒸發(fā)熱，通過水分的蒸發(fā)也可以帶走熱量以保證生物體不至于因體溫過高而死亡。

第三，水分子本身也可以參與代謝過程，例如在光合作用中就必須有水的參與，光合作用所釋放的氧氣也正是來自水分子中氧原子。

細(xì)胞中無機(jī)鹽一般是以離子狀態(tài)存在，如K⁺，Na⁺，Mg²⁺等陽離子，以及Cl^-，HPO₄^2-等陰離子。它們的作用包括：

第一，對細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓起調(diào)節(jié)作用，從而影響水分及無機(jī)質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞。

第二，調(diào)節(jié)pH值并對pH值變化具有一定的緩沖能力。

第三，作為酶的活化因子和調(diào)節(jié)因子，這類離子主要有Mg²⁺，Ca²⁺等；

第四，作為合成有機(jī)物的原料，例如，Fe²⁺是合成血紅蛋白的原料、PO₄^2-是合成磷脂、核苷酸等的原料。

（2）糖類

糖類常被稱為碳水化合物，是由碳、氫、氧三種元素構(gòu)成的一類有機(jī)化合物，這三種元素的比例一般為1:2:1。在生物體內(nèi)，糖既是能源，又是代謝過程的中間產(chǎn)物，某些糖還是構(gòu)成其他重要生物大分子（如糖蛋白、糖脂）的成分。生物體內(nèi)的糖主要有單糖（如葡萄糖、核糖、脫氧核糖）、寡糖（如蔗糖、麥芽糖等）和多糖（如淀粉、糖原和纖維素）。

（3）脂類

組成脂類的主要元素也是碳、氫、氧（有時含有磷、氮），但與糖類不同的是，脂類分子中氫與氧之比例遠(yuǎn)大于2。脂類是非極性物質(zhì)，它們不溶于水，能溶于非極性溶劑。脂類在生物體內(nèi)具有一系列重要功能：

第一，磷脂是構(gòu)成生物膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；

第二，脂肪含有較高能量，因而是重要的儲能物質(zhì)；

第三，蠟質(zhì)等可以作為保護(hù)層，具有保水、保溫和絕緣等作用；

第四，維生素、激素等重要的生物活性物質(zhì)按其理化性質(zhì)也可歸為脂類。生物體所含的脂類主要有：脂肪和油、蠟、磷脂類，類固醇和萜類。

（4）蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是由氨基酸所構(gòu)成的生物大分子。生物體內(nèi)的蛋白是基因表達(dá)的結(jié)果，在生命活動中起十分重要的功能：

第一，蛋白質(zhì)作為結(jié)構(gòu)物質(zhì)在形成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和細(xì)胞骨架等方面起重要作用；

第二，蛋白質(zhì)作為核糖核蛋白體的組成部分在基因表達(dá)過程中發(fā)揮作用；

第三，細(xì)胞中各種生化反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行的，而酶本身就是一類有特定功能的蛋白質(zhì)；

第四，某些蛋白質(zhì)可以作為激素參與并調(diào)節(jié)生命活動；

第五，蛋白質(zhì)也可以作為儲能物質(zhì)供生物生長和發(fā)育之用。

圖3 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

氨基酸作為蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位，是一種有機(jī)酸，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是羧基相連的碳原子上又連有一個氨基。存在于天然蛋白質(zhì)中的氨基酸有20種，它們在親水性、帶電性和酸堿性等方面各有不同。一個氨基酸分子的氨基與另一個氨基酸分子的羧基通過脫水縮合形成肽鍵，并構(gòu)成了一個二肽分子。肽和氨基酸、肽和肽還可再以肽鍵相連形成相對分子量較大的多肽鏈。多肽就是蛋白質(zhì)分子的亞單位，蛋白質(zhì)分子是由1條至多條多肽鏈組成的，由于組成肽鏈的一部分氨基酸是含硫的氨基酸，因此多肽鏈之間通常是通過二硫鍵相互連接的。

蛋白質(zhì)是由數(shù)十個至數(shù)十萬個氨基酸組成的，其相對分子量在6000-6000000之間，每一種蛋白質(zhì)都會形成其特定的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)所含多肽鏈的數(shù)量與多肽鏈之間的連接、多肽鏈中氨基酸的序列構(gòu)成蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)；多肽鏈向單一方向卷曲，從而形成周期性重復(fù)的構(gòu)象，如α-螺旋和β-折疊片等，是蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)；蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上還可以形成比纖維蛋白更復(fù)雜一些的構(gòu)象，如球蛋白等，其形成蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)；有些球蛋白有2條以上多肽鏈，其在形成a-螺旋的基礎(chǔ)上，又互相擠靠在一起，并以弱鍵相連，就形成了蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。

蛋白質(zhì)是重要的生命物質(zhì)，但它易與其他物質(zhì)發(fā)生作用而導(dǎo)致其本身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并影響其活性。含2個以上亞單位的蛋白質(zhì)分子中的一亞單位與小分子物質(zhì)結(jié)合后，該亞單位使其他亞單位的構(gòu)象都會因此而發(fā)生改變，從而影響整個蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象和活性，這就是蛋白質(zhì)的變構(gòu)。蛋白質(zhì)分子在重金屬鹽、酸、堿、尿素及紫外線等的作用下，空間結(jié)構(gòu)會發(fā)生嚴(yán)重的改變和破壞而導(dǎo)致失活，這便是蛋白質(zhì)的變性。

（5）核酸

核酸是由多個核苷酸相連而成的多核苷酸分子，分為脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），它們是遺傳信息的攜帶者或傳遞者。

核苷酸是組成核酸的結(jié)構(gòu)單位，它由戊糖（核糖或脫氧核糖）分子、磷酸分子和含氮的堿基構(gòu)成。核糖或脫氧核糖與堿基結(jié)合成為核苷，核苷再與磷酸結(jié)合即形成了核苷酸。構(gòu)成核苷酸的堿基有兩類：一類為嘌呤，包括腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G）；一類為嘧啶，包括胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）。三磷酸腺苷（ATP）也是一種特殊的核苷酸，它雖然不是核酸的組成單位，卻是細(xì)胞內(nèi)能量的攜帶者，其水解時會釋放大量自由能并轉(zhuǎn)化為二磷酸腺苷（ADP）和一磷酸腺苷（AMP）。

核糖核酸與脫氧核糖核酸雖然都是由核苷酸組成的長鏈分子，但它們所含的核糖和堿基各有不同。核糖核酸（RNA），其所含戊糖為核糖，堿基為腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、尿嘧啶（U）和胞嘧啶（C），一般為單鏈分子。脫氧核糖核酸（DNA），其所含戊糖是脫氧核糖，堿基則為腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。DNA通常是由兩條長鏈互以堿基配對（A-T，G-C）相連而形成的雙鏈分子，呈螺旋狀，這就是DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）（1953）對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)生物學(xué)領(lǐng)域最重大的發(fā)現(xiàn)之一。

圖4 DNA的分子結(jié)構(gòu)