细胞中的化学成分

细胞中的化学成分是极为复杂的，有无机物，也有有机物，种类很多。这就需要利用生物化学知识和技术来分析。

生物化学以研究生命的物质基础和阐明生命过程中的基本化学变化规律为主要目的，直接涉及生命的本质问题。

生物体内物质的新陈代谢是维持生命的重要保证。生物化学的成就揭示了细胞内新陈代谢是数以千计的互相联系的化学变化交织而成的，其中每一个具体的化学反应几乎都由具有专一性的生物催化剂——酶所催化。整个新陈代谢能够有条不紊地进行，是由于受着酶体系引起的化学反应本身的反馈调节、神经以及各种激素的调节和基因的控制。

蛋白质

蛋白质是细胞中的一种极其重要的物质，“生命是蛋白质的存在方式”。

19世纪，化学家和生物学家分析研究了像鸡蛋蛋白、血液、奶、骨髓和神经等的成分，认识到含氮的蛋白质类化合物的重要性。他们很早就注意到了这种特别的物质，即对这些物质加热时，它们会从液态变为固态，而不发生逆变化。于是，1836年瑞典化学家柏尔采留斯将这种物质命名为蛋白质。

蛋白质是含碳、氢、氧、氮和硫的化合物，大多数生物体中的蛋白质占总干重的一半以上。蛋白质种类繁多，据估计，在人体中蛋白质的种类不下10万。例如，血红蛋白、纤维蛋白、组蛋白、各种色素、各种酶等。蛋白质的种类和数量不仅因生物种属不同而有差异，就是在不同个体间，甚至在同一个个体的不同发育时期都有变化。一个小小的细胞可以含有几千种蛋白质和多肽。这些蛋白质又可根据它们在生物体内所起作用的不同，分成五大类：

1．酶蛋白。生物体内进行着成千上万种化学反应，这些反应是在一类叫做酶的特殊蛋白质生物催化剂的作用下进行的，反应速度很快，往往是体外速度的几百倍甚至上千倍。

2．运载蛋白。动物中氧气的运输是靠血液中的血红色素，对于高等哺乳动物来说就是血红蛋白。生物的细胞膜上含有各种各样的运载蛋白质，它们在生物的物质代谢中起着重要的作用。

3．结构蛋白。生物体的细胞结构，包括细胞膜、细胞核、质体、线粒体、核糖体、内膜系统，以至真核类的染色体等在结构上都含有大量由蛋白质组成的亚基，形成了细胞的框架结构。

蛋白质结构图

4．抗体。生物体内的免疫防御系统。外界的病原体入侵生物体时，生物体便产生一种特异蛋白质能与它们对抗，使其解体，这就是抗体。

5．激素。生物体内某一部分可以产生一类特种的蛋白质，通过循环，释放到血液中，调节其他部分的生命活动。

蛋白质是由氨基酸组成的大分子物质，是许多种不同的氨基酸组成的。蛋白质的种类虽多，但它们水解产物都是氨基酸。20世纪30年代，人类已经搞清楚，生物的氨基酸仅20种，它们是甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、丝氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、色氨酸、脯氨酸、胱氨酸、蛋氨酸。

许多氨基酸并不直接形成蛋白质，它们先组成蛋白质的次级结构多肽，再由多肽组成蛋白质。多肽没有明显的蛋白质特性，多肽呈螺旋状结构。一种特定的蛋白质的特性，除决定于构成它的多肽链的氨基酸的数目、种类和比例之外，还和它们的排列次序及四级空间结构有关。小的蛋白质分子量只有几千，所含的氨基酸也不超过50个，有的蛋白质的分子量达几十万至几百万，含有几千、几万个氨基酸。每一种蛋白质的性质，取决于所有各种氨基酸在分子链上按什么次序排列。即便每一种氨基酸只出现一次，19个氨基酸在一个链上可能有的排列方式就接近12亿种，而由500多个氨基酸组成的血蛋白那么大的蛋白质，可能有的排列方式就是10⁶⁶种，这个数目比整个已知的宇宙中的亚原子粒子的数目还多得多。所以，这种多样性，能反映几百万种物种、不计其数的生物品种，以及大量品种内个体间的性状的千差万别，构成各式各样的生命现象。从这种意义来看，可以认为“生命是蛋白质的存在方式”。

从1959年开始，美国生物化学家梅里菲尔德所领导的一个小组开创了一个新的合成蛋白质的方法，即把想要制造的那个链上的头一个氨基酸连到聚苯乙烯树胶小颗粒上，然后再加上第二个氨基酸的溶液，这个氨基酸就会接到第一个的上面，此后再加上下一个。这种往上面添加的步骤既简单又迅速，并且能自动化，还几乎没有什么损耗。1965年，我国科学工作者就用这种方法合成了具有活性的人工胰岛素，为人类开创了人工合成蛋白质的前景。到1969年，合成的链更长，为124个氨基酸的核糖核酸酶。

酶是蛋白质分子的一种，它能在没有高温、高压、强化物质的条件下，在严格而又灵活的控制下，进行体内多种复杂的化学反应，维持生命的各个方面。生物体内的几乎每一种化学反应步骤都有一种专一的酶在起催化作用，其催化效率比一般催化剂高约10⁶～10¹⁰倍。

酶就是“蛋白质催化剂”。目前已知酶有2800多种，酶是有机体的催化剂。和无机物的催化剂不同，它有着高度的专一性。每一种酶都有特定结构的表面，以便和一种特殊的化合物结合。起催化剂作用的不是整个酶分子，而只是酶分子的一部分。后来，人们进一步发现一个有趣的现象：可以把酶分子大大地砍掉一段，而不影响它的活性。例如有一种同胃蛋白酶差不多的“木瓜蛋白酶”，从N端去掉胃蛋白酶分子180个氨基酸中的80个，它的活性看不出降低多少。这样，至少可以把酶简化到便于人工合成的程度，变成相当简单的有机化合的合成酶，从而可以大量生产，用于各个方面。这将是一种“化学上的小型化”，能把整个化学工业推向一个新的发展阶段。

单糖和多糖

在细胞中的糖类可分为两种，单糖和多糖，其中多糖是由单糖聚合而成的。

单糖分子式

单糖在细胞中是用作能源来利用的。最重要的单糖有2种——五碳糖和六碳糖。在五碳糖分子中，含有5个碳原子，而在六碳糖分子中，含有6个碳原子。

葡萄糖是细胞中最重要的单糖之一，也是供给生物能量的重要物质之一。葡萄糖在体内代谢途径的阐明，在整个新陈代谢问题的研究中占有极为重要的地位。现在已经清楚地了解，糖在生物体内的氧化，包括不需氧的氧化和需氧的氧化2个过程。

多糖在细胞中的用途更广泛一些，主要可以分为2种，一是作为食物储存，二是参加细胞的结构组成。多糖在植物细胞中表现为淀粉，而在动物细胞中表现为糖原。

淀粉和纤维素都是多糖类化合物，是生物细胞的重要组成部分，人类自古以来就熟悉它们。但是这些物质的组成成分和结构也是到19世纪以后才逐渐被认识的。19世纪中叶发现，不论是淀粉还是纤维素，水解后的产物都是葡萄糖。它们的化学成分都是由碳、氢、氧组成，其中氢氧之比同水分子一样，所以长期以来称这类化合物为碳水化合物。

淀粉在生物体内有2类分子，均由葡萄糖分子聚合而成，一类淀粉是不分枝的分子，所以人们将其称为直链分子；另一类淀粉分子为有分枝的多糖，称为支链淀粉。支链淀粉的分子要比直链淀粉的分子大，在直链淀粉分子中，每一分子含有250～300个葡萄糖单元，而在支链淀粉分子中，每一分子含有1000个以上的葡萄糖单元。

脂　类

细胞内脂类化合物的种类很多，包括有脂肪、脂肪酸、蜡、甾质、磷酸甘油脂、糖脂和鞘脂等。

脂肪酸在细胞和组织中的含量极微，它的重要性在于它是若干种脂类的基本成分。脂肪酸类是由碳氢链组成的，一头溶于水，另一头不溶于水，所以，当脂肪酸在水中，是一头扎在水里的模样，可溶性的一头扎入水中，而另一头则露在水表面。

脂肪酸甘油脂是动、植物体内脂肪的主要贮存形式。当生物体内碳水化合物、蛋白质或脂类过剩时，即可形成甘油脂贮存。脂肪酸甘油脂为能源物质，氧化时可比蛋白质多释放出2倍的能量。

此外，磷脂是构成细胞膜系统的主要成分。动物细胞膜的主要磷脂成分为脑磷脂和卵磷脂。在细菌细胞膜和叶绿体、线粒体膜中还有一种心磷脂。

核酸是另一种重要的生命物质，它的发现比蛋白质约晚30年。在下一节里会有介绍。