第二节 细胞的化学组成

知识内容

细胞内生命物质总称原生质 (protoplasm)。根据元素在原生质中的含量不同，可以将其分为两大类。宏量元素 (macronutrients)，在含量占生物体总质量0.01 %的化学元素包括碳、氢、氧、氮、磷、硫６种元素，是组成原生质的主要元素。微量元素 (micronutrients)，占生物体总质量0.01%以下的元素，包括钙、钠、钾等。这些元素在原生质中以无机物或有机物的形式存在。无机物主要包括水和无机盐；有机物则主要包括糖类、脂类、蛋白质和核酸等。这些为细胞的生命活动提供了物质基础。 

一、 无机小分子

       (一) 水 

水是在细胞内的含量最多的无机化合物，占细胞总质量的70%~80%。水在细胞 内可以有不同的形式，包括自由水和以氢键与蛋白质等结合的结合水。自由水能维持细胞的形态和渗透压，是各种极性有机分子和离子的最好溶剂，能输送养分输出废物， 水还参与了生命活动的一些重要反应，在大分子的合成过程中水是产物，而在分解反 应中水是反应剂。结合水是细胞结构的重要组成成分，约占细胞组分的4.5%

    (二) 无机盐

 无机盐在细胞内以离子状态存在，包括阳离子 (Na^＋ 、K^＋ 、Ca^2＋ 、Mg^2＋ 、Fe^2＋ ) 和阴离子 (Cl^- 、PO₃^3- 、SO₃^2- 、HCO₃^- )。无机盐对于细胞的基本生理功能具有不可或缺的作用，维持细胞内外液的渗透压和pH 值，维持神经、肌肉的应激性以及维持 酶的活性，同时还参与细胞代谢的多个方面。

二、 有机小分子

 有机小分子是指细胞内分子质量在100~1000kD 的有机物，绝大部分是碳水化合 物，所含碳原子一般在30个左右，在细胞质中以游离形式存在。细胞内的小分子化合物种类很多，是细胞代谢的中间产物，也包括生物大分子的前体。最主要的有４种， 包括单糖 (monosaccharide)、脂肪 酸 (fattyacid)、氨基酸 (aminoacid)、核苷酸 (nucleotide)。

 (一) 单糖 

糖类 (saccharide)又称为碳水化合物 (carbohydrates)。单糖具有 (CH₂O)n 的分子 结构，是构成二糖、寡糖和多糖的基本单位。寡糖是由少数几个 (一般3~10个)单糖分子形成的聚合物。多糖则是由大量 (成百上千个)单糖分子形成的聚合物大分子。单糖 中最重要的是戊糖和葡萄糖 (glucose)(图１)。戊糖是核苷酸的前体，分为核糖 (ribose)和脱氧核糖 (deoxyribose)。葡萄糖则是细胞主要的能源物质，分解时释放能量， 可用于合成三磷酸腺苷 (ATP)，后者是细胞生命活动必需的直接能量来源。

                                 图1   葡萄糖、核糖和２′－脱氧核糖

(二) 脂肪酸 

        脂肪酸 (fattyacid)，是指一端含有一个羧基的长的脂肪族碳氢链。脂肪酸在有充足氧供给的情况下，可氧化分解为 CO₂和 H₂O，释放大量能量，因此脂肪酸也是机体 主要能量来源之一。脂肪酸还是脂肪、磷脂和糖脂的主要成分，如三个长链脂肪酸与 甘油形成三酰甘油酯 (Triacylglycerols)，也称为甘油三酯，即脂肪，是脂肪酸在细胞 内主要的贮存形式。 脂肪酸根据碳氢链饱和与不饱和的不同可分为3 类，即饱和脂肪酸 (saturated fatty acids)，碳氢上没有不饱和键；单不饱和脂肪酸 (monounsaturated fatty acids)， 其碳氢链有一个不饱和键；多不饱和脂肪酸 (polyunsaturated fatty acids)，其碳氢链 有两个或两个以上不饱和键。

(三) 核苷酸

     核苷酸 (nucleotide)是构成核酸的基本单位。每个核苷酸含有一个碱基、一个核糖和一个磷酸 (图２)。

                                              图2 核苷酸

    核苷酸的碱基有５种，可分为嘌呤和嘧啶两大类：嘌呤类碱基有腺嘌呤 (adenine，A)和鸟嘌呤 (guanine，G)，嘧啶类碱基有胞嘧啶 (cytosine，C)、胸腺嘧啶 (thymine，T)和尿嘧啶 (uracil，U)(图3)。核苷酸中的戊糖有两种，包括2-脱氧核 糖和核糖。

                                               图3 嘌呤和嘧啶结构式

       碱基与戊糖通过糖苷键脱水形成核苷 (nucleoside)。核苷与单个磷酸结合形成核苷酸，与两个磷酸结合形成二磷酸核苷，与三个磷酸结合则形成三磷酸核苷。三磷酸核苷是形成核酸必需的前体，三磷酸腺苷 (ATP)是细胞生命活动最直接的能量来源 (图4)。

                                       图4 三磷酸腺苷 (ATP)

(四) 氨基酸 

       氨基酸是蛋白质的基本组成单位.组成蛋白质的氨基酸有20种，都含有一个羧基 (—COOH)、一个氨基 (—NH₂)和一个特异的侧链基团 (—R)，三者连接于α碳原 子上 (图5)。不同氨基酸的 R 基团各不相同，决定了其特有的理化属性，进而决定了氨基酸所组成的蛋白质的特性，成为蛋白质实现各种复杂生物学功能的基础.

                                                          图5 氨基酸分子结构通式

      按照 R基团的理化属性，可以将氨基酸分为非极性疏水性氨基酸，包括缬氨酸、丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸和脯氨酸；极性中性氨基酸,包括甲 硫氨酸、半胱氨酸、丝氨酸、苏氨酸、色氨酸、酪氨酸、谷氨酰胺和天门冬酰胺；酸 性氨基酸,包括谷氨酸和天门冬氨酸；碱性氨基酸，包括赖氨酸、组氨酸和精氨酸。

三、 生物大分子 

      生物大分子是指作为生物体内主要活性成分且分子量达到10000kD以上的有机分子，是生命活动重要的分子基础。细胞内的生物大分子主要包括蛋白质、核酸和多糖等。

 (一) 核酸 

     核酸是重要的遗传物质，是储存、复制和传递遗传信息的物质基础.核酸是由多 个核苷酸聚合产生的多聚核苷酸.两分子核苷酸的３′－羟基和５′－磷酸间脱５′－磷酸二酯键 (phosophodiesterbond).多个核苷酸可以按此方式形成具有方向性的 核酸单链,在戊糖的３′位碳原子连有游离羟基的一端为３′端,另一端称为５′端。核酸 单链上,核苷向３′端的一边称为下游，向５′端的一边称为上游. 根据核苷酸 所 含 戊 糖 的 不 同，核 酸 分 为 脱 氧 核 糖 核 酸 (deoxyribonucleicacid，DNA)和核糖核酸 (ribonucleicacid，RNA)两种。

１DNA

      (１)DNA 的结构：DNA 以脱氧核糖核苷酸为基本组成单位.DNA 中的戊糖是２－脱氧核糖.DNA 中的碱基包括 A、T、C和 G 四种，通过３′,５′－磷酸二酯键脱氧 核苷酸聚合形成 DNA 单链，为 DNA 的一级结构 (图6)。

                                      图6 DNA 的一级结构

         DNA 的二级结构——双螺旋结构，是 Waston和 Crick于1953年提出的.该结构 由两条互补、反向、平行的 DNA 单链组成,外侧为脱氧核糖和磷酸通过３′,５′－磷酸 二酯键连接形成 DNA 分子的骨架；内侧为来自两条链的碱基，位于双螺旋结构的中央 (图７)。碱基均按照互补配对的原则,与对应链上的碱基处于同一平面而以氢键结合；碱基互补原则：A－T 两个氢键；C－G 三个氢键.Waston和 Crick提出的双螺旋结构称为 B-DNA，为右手螺旋，螺旋结构的直径为２nm，螺距为３.４nm，螺旋每旋 转一周包含10对碱基，存在大沟和小沟.天然条件下的 DNA 多数为 B-DNA 结构。

                                                  图７ DNA的二级结构

        DNA 双螺旋结构具有多样性，包括 A－DNA、B－DNA、Z－DNA 等２０多种。 在 DNA 二级结构的基础上，在组蛋白等蛋白质的参与下，双螺旋盘曲折叠，形 成核小体后进一 步 形 成 高 度 压 缩、紧 密 的 DNA 高级结构———超 螺 旋 结 构 和 染 色 体 (图8)。 (２)DNA 的自我复制：细胞分裂前必须进行 DNA 复制，使子代细胞保留与亲代 细胞序列和数量均一致的遗传信息.DNA 复制必须以亲代 DNA 为模板，在 DNA 聚 合酶作用下,以三磷酸脱氧核苷 (dNTP)为原料，由５′→３′方向进行自我复制。这 个过程称为半保留复制,得到的两个完全一致的子代 DNA 含有一整 条 来 自 亲 代 的 DNA 单链 (模板)。DNA 复制具有半不连续性和不对称性，前导链上 DNA 的合成 是连续的,后随链上是不连续的.DNA 的自我复制具有重要意义，它使得子代 DNA 精确地保留了亲代 DNA 的遗传信息。 (３)DNA 的功能：DNA 的主要功能是储存、复制和传递遗传信息.DNA 通过转 录和翻译，指导 RNA、蛋白质的合 成，将遗传信息进行传递，并控制遗传信息的 表达。

                          图8 DNA的核小体、超螺旋结构和染色体

２.RNA 

RNA 以核糖核苷酸为基本组成单位。RNA 中的戊糖是核糖，碱基包括 A、U、C和 G 四种。RNA 通常为线性单链结构的多核苷酸。RNA 的合成过程称为转 录，以单链 DNA 为模板，游离核糖核苷酸 (rNTP)，在 DNA 依赖的 RNA 聚合酶作 用下合成 RNA。转录方向由５′→３′方向进行，遵循碱基互补配对原则。遗传信息由 DNA 传向 RNA。当信使 RNA 进一步翻译为蛋白质，遗传信息又从 RNA 传递给蛋 白质。根据 RNA 链的长度，可以将 RNA 分为长链 RNA 和小 RNA。前者一般长度大于 200个核苷酸，后者一般不超过200个核苷酸。长链 RNA 主要包括长链非编码 RNA (longnonＧcodingRNA，lncRNA)和信使 RNA (messengerRNA，mRNA)。小 RNA (smallRNA)包括转运 RNA (transfer，tRNA)，微小 RNA (microRNA，miRNA)， 核仁小 RNA (smallnucleolarRNA，snoRNAs)，与PIWI蛋白相互作用的 RNA (PIＧ WIＧinteractingRNA，piRNA)等多种分子质量较小的 RNA。 根据合成蛋白质的功能，可以将RNA分为参与蛋白质合成的RNA和不参与蛋白质合成的 RNA，前者包括 mRNA、tRNA 和核糖体 RNA (ribosomalRNA，rRNA)。     

(１)mRNA：mRNA 含量占细胞内 RNA 总量的1％~5％。mRNA 由 DNA 转录 而来，分子量较大，代谢活跃，极不稳定。mRNA 包含非编码区和编码区两部分。mRNA５′端和３′端都有一段由30个到数百个核苷酸组成的非翻译区，不编码蛋白质，但参与蛋白质的合成过程。编码区位于 两个非翻译区之间，以起始密码子开始，以终止密码子结束。mRNA 携带遗传信息具 有方向性 (由５′→３′)。mRNA 的功能是在将细胞核内 DNA 分子上的基因的遗传信息转录，并携带转移 到细胞质中，作为模板用于合成蛋白质。

 (２)tRNA：tRNA 占细胞 RNA 总量的5％~10％，是分子量较小的一类核酸，通 常由70~90个核苷酸构成。 tRNA 的单链分子在局部形成双链，使tRNA呈三叶草形 (cloverpattern)的二级结构 (图9)。tRNA 的５′端通常呈磷酸化；而３′端的碱基顺序一般为 CCA，是氨 基酸的结合部位。环状端有反密码子环 (anticodonloop)，其上的反密码子能够与 mRＧ NA 上的 密 码 子 特 异 结 合。反 密 码 子 由 反 密 码 子 环 中 间 的 三 个 碱 基 构 成，能 识 别 mRNA 上相应的密码子并与之互补配对。tRNA 的三级结构呈现 L 形 (图10)。 tRNA 的主要功能是：按照 mRNA 上的遗传密码子顺序将特定的氨基酸运到核糖体进 行蛋白质的合成。

                                             图9 tRNA的二级结构

                                              图10 tRNA的三级结构

(３) rRNA：rRNA是细胞内分子量最大、含量最多的RNA，占RNA总量的78％~80％。rRNA的功能是与蛋白质共同构成核糖体或称为核蛋白体，核糖体是细胞内蛋白质合成的场所。真核生物的核糖体沉降系数为80S，有40S小亚基(含18SrRNA)和60S大亚基(含5S、5.8S和28S三种rRNA)。原核生物沉降系数为70S，有30S小亚基(含16SrRNA)和50S大亚基(含5S和28SrRNA)。这里的S称为沉降系数(sedimentationcoefficient)，代表大分子物质的离心沉降行为，以单位重力的沉降时间表示，1S＝10^-13秒，S值越大沉降速度越快。原核细胞的核糖体均为游离态核糖体，真核细胞有游离态核糖体和位于粗面内质网上的膜结合态核糖体。

(４) lncRNA：长链非编码RNA(lncRNAs)占细胞中RNA的绝大部分，约为90％。lncRNA是一种大而多样化的RNA分子，其长度超过200个核苷酸，不编码蛋白质。广义上来说，rRNA也属于lncRNA。近期研究发现人细胞中存在近3万条非编码转录本。lncRNA可以根据转录相对于其他基因的位置和方向将其分为不同的亚型(反义、基因间、重叠、内含子、双向和加工)。一些lncRNA起源于假基因(pseudogene)。lncRNA的表达受发育调控，并且可能有组织和细胞特异性，可以在空间上、时间上或对刺激的反应上发生变化。与mRNA相比，许多lncRNA表达的组织特异性更强。一般来说，lncRNA的表达水平至少比mRNA低一个数量级。许多lncRNA只存在于细胞核中，但有些存在于细胞质或同时位于两者中。目前对rRNA以外的lncRNA的了解仍然较为有限。比较明确的是lncRNA是基因表达的重要调控因子，在细胞和发育过程中具有广泛的功能。lncRNAs可能通过一系列不同的机制进行基因抑制和基因激活，增加了基因组调控复杂性。如lncRNAXist在X染色体的失活过程中就起到非常重要的调控作用。

(５) 小RNA：小RNA是细胞中一类分子质量较小(长度小于200个核苷酸)的RNA，通常是非编码RNA。其中包括miRNA、snoRNA、piRNA等。这些小RNA通常通过RNA－RNA相互作用参与调控目标RNA的表达。miRNA是其中比较重要的一类单链非编码小RNA，在真核生物中广泛存在，长21~23个核苷酸。主要通过与目标RNA分子中的互补序列进行碱基配对，在RNA沉默和转录后调控基因表达中起作用。作用的机理可以是导致靶RNA链的切断，缩短靶RNA的polyA尾而使其失稳，或是与mRNA配对后抑制其翻译。近年来研究发现miRNA与mRNA和lncRNA皆可相互作用，形成lncRNAＧmiRNAＧmRNA调控网络，这反映了真核生物基因组中基因表达调控的复杂性。

(６) 环状RNA：环状RNA(circularRNA，circRNA)是区别于线性RNA的一类新型RNA，具有闭合环状结构，大量存在于真核细胞的RNA中。大部分的环状RNA在不同的物种中具有保守性，存在组织及不同发育阶段的表达特异性。由于环状RNA对核酸酶不敏感，所以比线性RNA更为稳定。此外，近期研究显示，环状RNA能起到miRNA海绵的作用，称为竞争性内源RNA(ceRNA)，能竞争性结合miRNA，从而调控靶基因的表达。绝大部分已知circRNA并不编码蛋白质，属于非编码序列，但近年来研究显示，部分circRNA也可能具有编码蛋白质的潜力。

(７)核酶：核酶是一类具有催化活性的RNA。1981年，美国科学家Cech和Altman在研究rRNA的剪接时，发现rRNA基因转录产物的I型内含子的剪切和外显子拼接过程，可在无任何蛋白质存在的情况下完成，从而证明了RNA可以具有催化功能。在此之前，蛋白质一直被认为是唯一具有催化功能的生物分子。核酶的发现为生命进化过程中“RNA世界”的假说提供了支持，它提示RNA可能作为遗传物质，在早期生命自我复制系统中可起着重要的作用。

(二) 蛋白质 蛋白质是构成细胞的主要成分，占细胞干重的50％以上。蛋白质不仅决定细胞的形态和结构，而且也参与细胞的增殖、物质运输、信号转导等生命活动的每一个进程，是生命活动的主要体现者。蛋白质的基本组成单位是氨基酸。由氨基酸合成蛋白质的过程是在核糖体进行的，称为翻译。其本质是根据遗传密码，对mRNA分子携带的来自DNA的遗传信息进行解码，并生成对应的特定氨基酸序列。 蛋白质结构 蛋白质结构是其特性及功能的基础。蛋白质要发挥在细胞中正常的生物学功能，需要有一个特定构型或结构。

(１)蛋白质的一级结构：蛋白质的一级结构即是多肽链上氨基酸的排列顺序。一个氨基酸分子中的羧基与另一个氨基酸分子中的氨基之间脱去一分子水，形成的酰氨键称为肽键(图11)。形成肽键的氨基酸又称为残基(residue)。两个氨基酸通过肽键形成的化合物称为二肽，三个氨基酸通过肽键形成三肽。多个氨基酸通过肽键相连可形成多肽链。每一条肽链都一个氨基端和一个羧基端。

                                                图11肽键的形成

一级结构是蛋白质的基本结构，是其空间结构和特异生物学功能的基础。肽链上的氨基酸按照一定顺序排列，不同的肽链以不同的氨基酸顺序形成不同性质。不同数量、种类及理化特性和顺序的氨基酸组合在一起，可以产生多种不同的一级结构，使得蛋白质具有多样性，为细胞对各种不同功能蛋白的需要，以及物种的进化和多样性提供了物质基础。

(２)蛋白质的二级结构：蛋白质的二级结构是在一级结构的基础上，多肽链局部区域的氨基酸规则排列。α螺旋和β折叠是最常见的蛋白质二级结构(图12)。α螺旋(alphahelix)呈棒状结构，紧密卷曲的多肽主链构成棒的内部，而侧链以螺旋的形式向外伸展。同一肽链上的每个残基的酰胺氢原子和位于它后面的第4个残基上的羰基氧原子之间形成氢键，趋于稳定。每个螺旋周期含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm，相邻两个氨基酸残基的轴向距离为0.15nm。在天然蛋白质中α螺旋广泛存在。β折叠(βＧsheet)，又称为β片层结构(β-pleated sheet)，为片状结构，β折叠中几乎所有的多肽都是完全伸展的。不同的β折叠中的羰基氧原子和酰胺氢原子形成氢键。相邻两个氨基酸残基的轴向距离为0.35nm。相邻的两条β折叠按相同或相反的方向相互平行。

在二级结构的基础上，形成超二级结构(supersecondary structure)。它是指一种紧致的三维蛋白质结构，由多个相邻的二级结构元素构成，比蛋白质域或亚基小。结构模体(structure motif)，也称为结构基序，是在多个不同蛋白质中存在的超二级结构，由几个(多为2~3个)具有二级结构的肽段相互靠近，形成具有特定功能的三维空间构象;或者为单一具有特定功能的肽段。结构模体有以下几种类型:螺旋－转角－螺旋(helix-turn-helix)是存在于许多DNA结合蛋白中的典型结构模体。其结构为两个α螺旋之间以β转角相连，功能是负责在DNA的复制中起调节作用。

                                             图13 锌指

锌指(zincfinger)则是存在于一类称为锌指蛋白的DNA结合蛋白中的结构模体，由１个α螺旋和２个反向平台的β折叠组成(图13)，其功能是使蛋白能够结合于DNA调节部位的深沟中，发挥其调节作用。

(３)蛋白质的三级结构：蛋白质的三级结构(tertiarystructure)是指肽链在二级结构的基础上，不同区域的氨基酸侧链间相互作用，肽链进一步折叠形成的空间结构(图14)。维系三级结构依赖的化学键包括氢键、二硫键、离子键、疏水作用和范德华力。大多数蛋白质的三级结构中，α螺旋和β折叠由一个多肽链的环形区域连接并折叠成紧密的球状结构。一个肽链可以有一个或多个结构域，可以α螺旋为主，也可以β折叠为主。

                                                      图14 蛋白质的三级结构

(４)蛋白质的四级结构：许多蛋白质含有两条或者两条以上具有独立三级结构的多肽链，这些多肽链通过非共价键相互连接形成的多聚体结构，即四级结构 (图15)。四级结构的组成单位称为亚基 (subunit)，是指四级蛋白质中，每条具有独立三 级结构的多肽链。四级结构中各亚基之间大多以次级链相互联系，其中氢键和离子键 存在于极性基团之间，疏水键和范德华力丰承于非极性基团之间。

                                                       图15 蛋白质的结构层次

(三) 多糖

        多糖在细胞内不但是重要的贮存能量的方式，也是构成细胞结构的重要成分。淀粉(包括直链淀粉和支链淀粉)和糖原(动物淀粉)都是葡萄糖的大分子聚合物，但糖原分子中支链更多.在植物中用淀粉来储存能量.动物将能量储存在糖原中。动物更活跃，所以利用的是代谢更快的糖原。纤维素和甲壳素是组成细胞结构的两种多糖.纤维素是葡萄糖聚合形成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂.纤维素是构成植物细胞壁的主要成分.甲壳素又名“几丁质”，结构与纤维素相类似，但支链中含有氮，所以强度更高，其存在于节肢动物的外骨骼和真菌的细胞壁中。