细胞的物质基础

1、细胞的物质基础 龚玉莲（广东第二师范学院生物系副教授，博士） 一、细胞的物质组成 包括 3 部分内容：组成细胞的元素、组成细胞的化合物以及检测生物组织中糖类、脂肪和蛋白质等有机物的实验。 1组成细胞的元素 在高中生物必修 1 关于细胞的元素组成的教学过程中，存在以下问题：我们每天都摄入了大量的氯化钠，但大量元素中为什么没有 Na+和 Cl-呢？我们每天都摄入大量的氯化钠。钠和氯对人体的最主要作用在于控制细胞、组织液和血液内的电解质平衡，以保持体液的正常流通和控制体内的酸碱平衡。 生物机体内的元素按照其含量可分成 2 类。含量大于 0.01% 为大量元素。C、H、O、N、P、S 这 6 种是蛋白

2、质、核酸、糖类和脂质的主要组成元素，约占机体的 97.3% 。Ca、 K、Na、Cl、Mg在机体内也占有较大比例。一般把含量小于 0.01% 的称为微量元素。例如 V、Ni、B、Sn、Si 等。1995 年 FAO/WHO （联合国粮农组织 / 世界卫生组织）将 Fe、I、Zn、Mn、Co、Mo、Cu、Se、Cr、F 等 10 种元素列为人体不可缺少的必需微量元素（张丽萍等，2009 ）。 不同生物细胞的元素组成存在差异。判断某种元素是大量还是微量的依据是其含量。 标准人体各元素的百分含量：氧 65，碳 18，氢 10，氮 3，钾 0.2，钠 0.15，硫 0.25，磷 1.0，钙 1.5，氯

3、 0.15，镁 0.05 （李金华，2000）。可见，对人体而言钠、氯均为大量元素。陆生高等植物氯含量为 0.01%，钠为 0.001%，因此对陆生高等植物总体而言，钠、氯均为微量元素（潘瑞炽，2008）。此外，不同植物体内、同一植物体内不同部位的钠元素含量不同（樊文华等，1998）；不同植物体内氯元素含量也不同（杨得坡等，1992 ）。动物组织中钠含量与植物存在差异，且不同动物组织钠含量亦存在差异（严宇清等，2008）。 2组成细胞的化合物 组成细胞的大分子有机化合物有蛋白质、核酸、糖类和脂类等。高中生物必修 1 相关内容的教学中存在以下问题：细胞内最多的有机化合物一定是蛋白质？ 蛋白质在细

4、胞内的相对含量为 7-10% （人教版必修 1 第 17 页）。这是一个总体上的数据。可以认为，总体而言，蛋白质是细胞内最多的有机化合物。 但具体来看，是不是所有细胞中都是蛋白质含量最多？不同细胞的有机物含量存在差异。例如，马铃薯块茎淀粉含量可高达 14% （周长艳等，2010 ），花生种子的脂肪含量可高达 49% （曹玉华等，2011 ），苜蓿干草中蛋白质含量可达 16% （王秀领等，2008 ），海鱼鱼白中核酸含量可达 2% （王建，2003 ）。 因此，不同生物、不同组织细胞的各种有机化合物含量不同。总体而言，蛋白质是细胞内最多的有机化合物。但不是在所有细胞中，蛋白质均为含量最多的有机物

5、。 3实验：检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质等有机物 高中生物必修 1 涉及检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质等有机物的实验。在相关实验教学中存在以下问题：这些显色反应的原理是什么？ （ 1 ）双缩脲反应 双缩脲是由两分子尿素缩合而成的化合物。将尿素加热到 180 ，则两分子尿素缩合成一分子双缩脲，并放出一分子氨。双缩脲在碱性溶液中能与硫酸铜反应产生紫红色络合物，此反应称为双缩脲反应。 蛋白质分子中含有许多和双缩脲结构相似的肽键，因此也能起双缩脲反应，形成紫红色络合物。通常可用此反应来定性鉴定蛋白质。也可根据反应产生的颜色在 540nm 处比色，定量测定蛋白质（张丽萍等， 2009 ）。 （

6、 2 ）还原糖与斐林试剂的作用 中学生物教学中提出了以下问题：常见的糖类中哪些属于还原糖？半乳糖是吗？判断还原糖的依据是什么？斐林试剂与班氏试剂的区别是什么？ 糖从化学角度看，是多羟基的醛或多羟基的酮，或其衍生物，或水解时能产生这些化合物的物质。能使氧化剂还原的糖称为还原糖。 所有的醛糖都是还原糖。醛糖含游离醛基，具有很好的还原性。碱性溶液中重金属离子（ Cu2+、Ag+、Hg2+或 Bi3+等），如斐林试剂或者班氏试剂中 Cu2+的是一种弱氧化剂，能使醛糖（还原剂）的醛基氧化成羧基，产物为醛糖酸，金属离子自身被还原。许多酮糖也是还原糖。例如果糖，它能在碱性溶液中异构化为醛糖。 常见的还原糖有

7、葡萄糖、半乳糖、核糖、果糖、麦芽糖、乳糖等。蔗糖不是还原糖。多糖也不是还原糖（王镜岩等，2002 ）。 斐林试剂（ Fehling 试剂：酒石酸钾钠，氢氧化钠和硫酸铜），或者班氏试剂（ Benedict 试剂、本尼迪克特试剂：柠檬酸，碳酸钠和硫酸铜）。斐林试剂或班氏试剂常用于检测还原糖。试剂中的酒石酸钾钠或柠檬酸用作螯合剂，与 Cu2+络合以防止形成 Cu(OH)2而使 Cu2+ 沉淀。碱的作用是使糖烯醇化变为强还原剂，碱也能使糖分子分解成活性碎片，这些碎片也能使金属离子还原。同时碱能使硫酸铜变成 Cu(OH)2。 反应生成 Cu2O 沉淀的颜色有时不同，原因在于在不同条件下产生的沉淀颗粒大小

8、不同引起的，颗粒越小呈黄色，越大则呈红色。如有保护性胶体存在时，常生成黄色沉淀（王秀奇等，1999 ）。 斐林试剂要现配现用，班氏试剂可存放一段时间。班氏试剂是改良的斐林试剂，其优点是试剂稳定、灵敏度高，不易受其他物质如肌酸和尿酸等的干扰，即使葡萄糖含量很少（ 0.1% ）也能生成大量沉淀。临床上常被用作尿糖（葡萄糖）的定性与半定量测试。药房出售的某些家庭用糖尿病自测试剂盒就是应用 Benedict 反应。尿中含有不少于 0.1% 葡萄糖，测试能给出阳性反应（黄红色）。未经治疗的糖尿病患者尿中的葡萄糖可达百分之几。 （ 3 ） 淀粉遇碘的显色反应 天然淀粉一般含有两种组分：直链淀粉和支链淀粉。

9、直链淀粉的二级结构是一个左手螺旋，每个圈螺旋含有 6 个残基。淀粉的螺旋结构并不稳定。当不与其它分子如碘相互作用时，直链淀粉很可能是以无规卷曲形式存在。碘分子正好能嵌入螺旋中心空道，每圈可容纳一个碘分子（I2），通过朝向圈内的羟基氧和碘之间的相互作用形成稳定的深蓝色淀粉 - 碘络合物。产生特征性的蓝色需要约 36 个即 6 圈的葡萄糖残基。支链淀粉螺旋（约 25-30 个残基）中的短串碘分子比直链淀粉螺旋中的长串碘分子吸收更短波长的光，因此支链淀粉遇碘呈紫色到紫红色。 淀粉在酸或淀粉酶作用下被逐步降解，生成分子大小不一的中间物，统称为糊精。糊精依分子质量的递减，与碘作用呈现由蓝紫色、紫色、红色

10、到无色，例如淀粉糊精呈蓝紫色，红糊精呈红褐色，消色糊精无色（张丽萍等，2009 ）。 （ 4 ）脂肪的显色反应 脂肪和苏丹染液有比较强的亲和力。苏丹 染液遇脂肪的颜色反应为橘黄色，苏丹 染液遇脂肪的颜色反应为红色。适合用于生物脂肪材料的鉴定，可在光学显微镜下看到被染成橘黄色的小粒。 反应原理为萃取原理。苏丹 在脂肪中的溶解度比在酒精中的溶解度大，当用苏丹 的酒精溶液处理含有脂肪的生物组织时，酒精中的苏丹 进入脂肪中，将脂肪染成橘黄色。 因苏丹 染液与脂肪的亲和力比较强，所以，染色的时间应比较短，一般为 1 min 左右。 二、有机物的分解与细胞呼吸 包括蛋白酶的作用与蛋白质的变性、细胞呼吸两部

11、分内容。 1蛋白酶的作用与蛋白质的变性 中学生物教学中存在以下问题：蛋白酶主要是破坏什么化学键？蛋白质变性是怎样的过程？二者有什么不同？ 蛋白质的结构可简要概括为：各种氨基酸通过肽键连接成多肽链，再由一条或一条以上的多肽链按各自特殊的方式组合成具有完整生物活性的分子。包括一级结构、二级结构、超二级结构和结构域、三级结构、四级结构。一级结构是指多肽链中的氨基酸序列。二级结构、超二级结构和结构域、三级结构、四级结构统称为蛋白质的高级结构或空间结构，是指蛋白质分子中所有原子在三维空间的分布和肽链的走向。维持蛋白质一级结构的作用力为共价键：肽键、二硫键。维持蛋白质高级结构的作用力主要是次级键，即氢键和

12、盐键等非共价键，以及疏水作用（疏水键）和范德华力等。 蛋白质的降解或水解破坏了蛋白质一级结构。蛋白酶对蛋白质的降解在于破坏维持蛋白质一级结构的共价键。 天然蛋白质因受物理或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规律性结构发生变化，致使蛋白质的理化性质和生物学性质都有所改变，但蛋白质的一级结构不被破坏，这种现象称为变性。变性后的蛋白质称变性蛋白质。能使蛋白质变性的因素很多，化学因素有强酸、强碱、尿素、胍、去污剂、重金属盐、三氯醋酸、磷钨酸、苦味酸、浓乙醇等。物理因素有加热（ 70 -100 ）、剧烈振荡或搅拌、紫外线及 X 射线照射、超声波等。不同蛋白质对各种因素的敏感程度是不同的。 蛋白质变性后

13、首先失去其生物活性。如酶失去其催化能力，血红蛋白失去其运输氧的功能，胰岛素失去其调节血糖的生理功能等。蛋白质生物学性质的改变是变性作用的最主要特征。变性后的蛋白质还变现出各种理化性质的改变，如溶解度降低，易形成沉淀析出，结晶能力丧失，球状蛋白变性后分子形状也发生改变。蛋白质变性后，肽链松散，使反应基团（如 -SH、 -S-S- 键、酚羟基等）暴露，从而易被蛋白酶水解消化，一般认为天然蛋白质在体内消化的第一步就是蛋白质的变性。 目前认为，蛋白质的变性作用，主要是分子内部的氢键等次级键被破坏，蛋白质分子从原来有秩序的卷曲紧密结构变为无秩序的松散伸展状结构，但一级结构没有破坏，其组成成分和相对分子质

14、量不变。变性后的蛋白质溶解度降低，也是由于高级结构受到破坏，使分子表面结构发生变化，原来藏在分子内部的疏水基团大量暴露在分子表面，亲水基团相对减少，是蛋白质颗粒失去水膜，很容易相互碰撞发生聚集沉淀，此外，肽链由紧密状态变成松散状态，比较容易相互缠绕，聚集沉淀，也是变性后溶解度下降的一个原因（张丽萍等，2009 ）。 可见，蛋白酶的作用和蛋白质的变性作用本质均为蛋白质结构的破坏。但二者破坏的化学键不同，因而破坏的蛋白质结构层次也不同。蛋白酶破坏一级结构，变性则是高级结构的破坏。 2细胞呼吸 中学生物教学需要有关无氧呼吸和有氧呼吸过程更为全面的、详细的知识。 细胞呼吸是指有机物在细胞内经过一系列的

15、氧化分解，生成二氧化碳或其他产物，释放出能量并生成 ATP 的过程。以糖的分解代谢为例，为了尽量地利用糖分子中蕴藏的能量和有特殊生理意义的代谢产物，生物体在不同的组织细胞，不同的环境条件下，采用了复杂微妙的多种糖分解代谢方式。 糖酵解 1mol 葡萄糖变成 2mol 丙酮酸并伴随着 ATP 生成的过程为糖酵解。有时也称 1mol 葡萄糖到 2mol 乳酸的整个反应过程为糖酵解。糖酵解是动物、植物、微生物共同存在的糖代谢途径。 糖酵解过程的阐明最早源于对发酵作用的研究。人类很早就利用发酵酿酒、制面包。早在 1875 年，法国著名科学家 L. Pasteur （路易·巴斯德）就发现，酵母

16、菌可使葡萄糖转化成乙醇和 CO2 。之后的几十年对发酵机理的研究逐步深入，直至 20 世纪中期， Otto Warburg、Gustav Embden、Otto Meyerhof 等才比较清楚地阐明糖酵解的反应历程及代谢机制。 葡萄糖经糖酵解转变为丙酮酸，丙酮酸有三条代谢去路：在组织缺氧条件下，丙酮酸还原为乳酸；酵母菌可使丙酮酸还原为乙醇；在有氧条件下，丙酮酸转化为乙酰辅酶 A 进入柠檬酸循环或称为三羧酸循环，彻底氧化为 H2O 和 CO2 。 糖酵解在细胞液中进行，分为 4 个阶段。 己糖磷酸酯的生成 丙糖磷酸的生成 甘油醛 -3- 磷酸生成丙酮酸 丙酮酸的继续氧化 从葡萄糖到丙酮酸的糖酵解

17、阶段是几乎所有生物体都存在的普遍代谢途径。只是在氧存在与否的条件下，或在不同的生物体内，丙酮酸的代谢去路又有所不同。关于糖酵解过程各个反应就不在此赘述。 丙酮酸还原为乳酸 由葡萄糖到乳酸的总反应是： 丙酮酸还原为乙醇 乙醇发酵总反应式为： 糖酵解的能量计算：酵解作用是一放能过程。酵解如果从葡萄糖开始，产生的能量净生成 2molATP 。如果从糖原开始，可净得 3molATP 。 葡萄糖酵解获能效率为 31%，糖原酵解获能效率为 49.7% 。 糖酵解的生理意义：从单细胞生物到高等动植物都存在糖酵解过程。其生理意义主要是释放能量，使机体在缺氧情况 下仍能进行生命活动，酵解过程的中间产物可为机体提

18、供碳骨架（张丽萍等， 2009 ）。 糖的有氧分解 无氧条件下，糖酵解途径仅释放有限的能量。大部分生物的糖代谢是在有氧条件下进行的。葡萄糖的有氧分解代谢是一条完整的代谢途径。经过糖酵解、柠檬酸循环和氧化磷酸化的过程，葡萄糖最终转化成 CO2 和 H2 O 。为叙述方便，将糖的有氧氧化分为 3 个阶段。第一阶段为葡萄糖至丙酮酸（糖酵解过程），反应在细胞液中进行；第二阶段是丙酮酸进入线粒体被氧化脱羧成乙酰辅酶 A ；第三阶段是乙酰辅酶 A 进入柠檬酸循环生成 CO2 和 H2 O 。有氧条件下的糖酵解过程与无氧条件基本相同，只是甘油醛 -3- 磷酸氧化脱氢产生的 NADH，其代谢去路不同，因而产生

19、 ATP 的数量也不相同。糖酵解过程只完成了糖有氧氧化第一阶段的任务，因此糖的有氧氧化实质上丙酮酸进入糖有氧氧化第二、三阶段如何被氧化的问题。 乙酰 CoA 的乙酰基部分是在有氧条件下通过一种循环被彻底氧化为 CO2 和 H2 O 。这种循环因开始于乙酰 CoA 与草酰乙酸缩合生成的含有 3 个羧基的柠檬酸，因此称为三羧酸循环，或柠檬酸循环。它不仅是糖的有氧分解代谢的途径，也是机体内一切有机物的碳链骨架氧化成 CO2 和 H2 O 的必经途径。 三羧酸循环在线粒体中进行，共包括 8 步反应，各个具体反应就不在此赘述。三羧酸循环一周，消耗 1 分子乙酰辅酶 A （二碳化合物）。循环中的三羧酸、二

20、羧酸并不因参加循环而有所增减。因此，在理论上，这些羧酸只需微量，就可不息地循环，促使乙酰 CoA 氧化。 葡萄糖无氧分解生成乳酸时，仅放出 196kJ/mol 自由能，而葡萄糖的有氧分解则可产生 2867.48 kJ/mol 自由能。 每摩尔葡萄糖在机体内彻底氧化时，净产生 32molATP 。若自糖原开始氧化时，因只消耗 1 molATP，故每个葡萄糖单位净获得 33 molATP，显然，和葡萄糖无氧酵解时只生成 2 molATP 相比较，糖的有氧代谢为机体提供了更多的可利用能。葡萄糖进行有氧分解时，能量利用率为：34% 。 葡萄糖有氧分解的总反应可表示如下： 三羧酸循环的生物学意义： 三羧酸循环首先是在鸽的横纹肌和鸽肝中证实的。现在知道生物界中均存在着三羧酸循环途径，因此它具