第一節(jié)細(xì)胞的生活需要物質(zhì)和能量

1、、線粒體 細(xì)胞的呼吸作用主要是在線粒體內(nèi)進(jìn)行的。線粒體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在光學(xué)顯微鏡下不能分 辨，只有在電子顯微鏡下才能看清楚。線粒體由內(nèi)外兩層膜組成。外膜即界限膜，使線粒體 與周圍的細(xì)胞質(zhì)分開， 是各種分子和離子進(jìn)入線粒體內(nèi)部的障壁。內(nèi)膜的不同部位向線粒體 的中心腔折疊，形成嵴。這樣就大大增加了酶分子附著的表面，并且把酶分子密集地包在線 粒體里。內(nèi)膜和外膜在化學(xué)成分和物理特性上都有顯著的差異。例如，它們在蛋白質(zhì)的含量， 特別是在類脂的分布上是很不相同的。外膜比內(nèi)膜的磷脂含量要高23倍；外膜的通透性 也比內(nèi)膜高得多。外膜的通透性高，為線粒體與周圍細(xì)胞質(zhì)之間進(jìn)行充分的物質(zhì)交換提供了 條件。內(nèi)膜的通透性

2、差，可以使催化三羰酸循環(huán)的復(fù)雜酶系統(tǒng)保留在內(nèi)膜的間隔中，保證呼 吸作用的進(jìn)行。線粒體膜上還具有小孔，這樣，呼吸作用所產(chǎn)生的 ATP可以更容易地向線粒 體外面擴(kuò)散。 線粒體既然是細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用的主要場所，那么有關(guān)催化三羧酸循環(huán)、氨基酸代謝、 脂肪酸分解、電子傳遞、能量轉(zhuǎn)換、DNA復(fù)制和RNA合成等過程所需要的一百多種酶和輔酸， 都分布在線粒體的外膜、膜內(nèi)空間、內(nèi)膜和基質(zhì)中。這些酶和輔酶的主要功能是參加三羧酸 循環(huán)中的氧化反應(yīng)、電子傳遞和能量轉(zhuǎn)換。 線粒體普遍存在于植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞中，它是活細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場所。現(xiàn)在 知道，細(xì)胞生命活動(dòng)所必需的能量，大約95%來自線粒體。因此，有人把線粒

3、體叫做細(xì)胞內(nèi) 供應(yīng)能量的“動(dòng)力工廠”。 線粒體的站構(gòu)禾鷲圖電犍下線粒體的亞顯激緒構(gòu) 在光學(xué)顯微鏡下觀察， 線粒體大多數(shù)呈橢球形。 在電子顯微鏡下觀察， 線粒體是由內(nèi)外 兩層膜構(gòu)成的。外膜使線粒體與周圍的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)分開。內(nèi)膜的某些部位向線粒體的內(nèi)腔折 疊形成嵴，峭使內(nèi)膜的表面積大大增加。峭的周圍充滿了液態(tài)的基質(zhì)。 在線粒體內(nèi)，有許多 種與有氧呼吸有關(guān)的酶。在線粒體內(nèi)，還含有少量的DNA 線粒體一般是均勻地分布在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中，但是它在活細(xì)胞中能自由地移動(dòng)，往往在細(xì) 胞內(nèi)新陳代謝旺盛的部位比較集中。例中，線粒體在小鼠受精卵的分裂面附近比較集中。 葉綠體 葉綠體是綠色植物葉肉細(xì)胞中，進(jìn)行光合作用的細(xì)胞

4、器。 因此，有人把它比喻 為“養(yǎng)料制造工廠”和“能量轉(zhuǎn)換站”。 在光學(xué)顯微鏡下觀察高等植物的葉綠體，可以看到它一般呈扁平的橢球形或球形。在電 子顯微鏡下，可以看到葉綠體的外面有雙層膜，使葉綠體內(nèi)部與外界隔開。 葉綠體的內(nèi)部含 有幾個(gè)到幾十個(gè)基粒。 基粒與基粒之間充滿著基質(zhì)。葉綠體的每個(gè)基粒都是由一個(gè)個(gè)囊狀的 結(jié)構(gòu)垛疊而成的，在囊狀結(jié)構(gòu)的薄膜上，有進(jìn)行光合作用的色素， 這些色素可以吸收、 傳遞 和轉(zhuǎn)化光能。在葉綠體的基粒上和基質(zhì)上含有許多進(jìn)行光合作用所必需的酶。基質(zhì)中還含有 少量的DNA 葉綠體立體結(jié)構(gòu)模式圖 、水在生物體內(nèi)的作用 水對于維持 水是生命存在的環(huán)境條件， 同時(shí)也是生活物質(zhì)本身化學(xué)反

5、應(yīng)所必需的成分， 生物體的正常生理活動(dòng)有著重要的意義，因此水是生物體不能缺少的物質(zhì)。 1水是細(xì)胞內(nèi)的良好溶劑生物體內(nèi)的大部分無機(jī)物質(zhì)及一些有機(jī)物， 都能溶解于水。 水是物質(zhì)擴(kuò)散的介質(zhì)，也是酶活動(dòng)的介質(zhì)。細(xì)胞內(nèi)的各種代謝過程，如營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，代 謝廢物的排出，以及一切生物化學(xué)反應(yīng)等，都必須在水溶液中才能進(jìn)行。 2水的其他作用 由于水分子的極性強(qiáng)， 能使溶解于其中的許多種物質(zhì)解離成離子， 這樣也就有利于體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。 由于水溶液的流動(dòng)性大， 水在生物體內(nèi)還起到運(yùn)輸 物質(zhì)的作用， 將吸收來的營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)組織中去， 并將組織中產(chǎn)生的廢物運(yùn)輸?shù)脚判?器官，排出體外。水的比熱大，1 g水從1

6、5C上升到16C時(shí)需要4. 18 J熱量，比同量 其他液體所需要的熱量多， 因而水能吸收較多的熱而本身溫度的升高并不多。 水的蒸發(fā)熱較 大，1g水在37C時(shí)完全蒸發(fā)需要吸熱 2. 40 kJ，所以蒸發(fā)少量的汗就能散發(fā)大量的熱。再 加上水的流動(dòng)性大， 能隨血液循環(huán)迅速分布全身， 因此水對于維持生物體溫度的穩(wěn)定起很大 作用。水還有潤滑作用。對植物來說，水能保持植物的固有姿態(tài)。由于植物的液泡里含 有大量的水分， 因而可以維持細(xì)胞的形態(tài)而使植物枝葉挺立， 便于接受陽光和交換氣體， 保 持正常的生長發(fā)育。 對生物體的生命活動(dòng)起重要的調(diào)控作用。 生物體內(nèi)水的含量的多少以 及水的存在狀態(tài)的改變， 都影響著新

7、陳代謝的進(jìn)行。一般情況下， 代謝活躍時(shí)，生物體內(nèi)的 含水量 70%以上；含水量降低，則生命活動(dòng)不活躍或進(jìn)入休眠。當(dāng)自由水比例增加時(shí)，生物 體的代謝活躍，生長迅速；而當(dāng)自由水向結(jié)合水轉(zhuǎn)化較多時(shí)，代謝強(qiáng)度就會(huì)下降，抗寒、抗 熱、抗旱的性能提高。 三、無機(jī)鹽 無機(jī)鹽在細(xì)胞中的含量雖然不多， 但是是生命活動(dòng)所必需的。 如果將一塊組織放在蒸餾 水中，從原生質(zhì)中去掉鹽類， 該組織就會(huì)死亡。 許多無機(jī)鹽在細(xì)胞中呈游離與離子狀態(tài)存在。 無機(jī)鹽在生物體和細(xì)胞中的作用主要有以下幾點(diǎn)。 1是構(gòu)成原生質(zhì)或構(gòu)成生物體某些結(jié)構(gòu)的重要成分。 2參與并調(diào)節(jié)生物體的代謝活動(dòng)。有些無機(jī)離子是酶、激素或維生素的重要成分。例 如，含

8、鋅的酶最多，已知有七十多種酶的活性與鋅有關(guān)；鈷（CO）是維生素B12的必要成分, 參與核酸的合成過程；鐵（Fe）參與組成血紅蛋白、細(xì)胞色素等，參與氧的運(yùn)輸和呼吸作用 中的電子傳遞過程等。 3維持生物體內(nèi)的平衡。體內(nèi)平衡是使細(xì)胞能有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和功能，生物能維持正常 的代謝和生理活動(dòng)的必要條件。 有關(guān)體內(nèi)平衡的內(nèi)容很復(fù)雜， 情況多變。 其中的三個(gè)主要方 面與無機(jī)鹽含量的穩(wěn)定密切相關(guān)。 （ 1）滲透壓平衡：細(xì)胞內(nèi)外的無機(jī)鹽的含量是維持原生質(zhì)滲透壓的重要因素。 （2）酸度平衡（即pH平衡）：pH調(diào)節(jié)著細(xì)胞的一切生命活動(dòng)，它的改變影響著原生 質(zhì)組成物的所有特性以及在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的一切反應(yīng)。例如，各種蛋白質(zhì)

9、對于pH的改變異常 敏 感，人體血漿pH降低0.5個(gè)單位，立即發(fā)生酸中毒。無機(jī)離子如 HPO /H2PO和HbCO/HCO 等組成重要的緩沖體系來調(diào)節(jié)并維持pH平衡。 （3） 離子平衡：動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)外的Na+/K+/Ca2+的比例是相對穩(wěn)定的。細(xì)胞膜外 Na+高、K 低，細(xì)胞膜內(nèi)K+高、N才低。K+、Na+這兩種離子在細(xì)胞膜內(nèi)外分布的濃度差，是使細(xì)胞可以 保持反應(yīng)性能的重要條件。因此，在細(xì)胞膜外Na+多。+少時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞會(huì)失去穩(wěn)定性，對 于外來刺激會(huì)過于敏感。 四、糖類的分布和功能 糖類是生物體的基本營養(yǎng)物質(zhì)和重要的組成成分， 在自然界中分布極廣， 幾乎所有的動(dòng) 物、植物、微生物的體內(nèi)都有它，尤

10、以存在于植物體內(nèi)的為最多，約占植物干重的80%。在 植物體內(nèi)， 構(gòu)成根、 莖、葉骨架的主要成分是纖維素多糖。 在植物種子或果實(shí)里的主要儲(chǔ)存 物質(zhì)，如淀粉、蔗糖、葡萄糖、果糖等都是糖類。在動(dòng)物血液中的血細(xì)胞內(nèi)，也有葡萄糖或 由葡萄糖等單糖縮合成的多糖存在，在肝臟、 肌肉里的多糖是糖元。 人和動(dòng)物的組織器官中 所含的糖類，不超身體干重的2%微生物體內(nèi)的含糖量約占身體干重的10%- 13%其中有 的糖呈游離狀態(tài)，有的是與蛋白質(zhì)、脂肪結(jié)合成復(fù)雜的多糖， 這些糖一般存在于細(xì)胞壁、黏 液或莢膜中，也有的形成糖元或類似淀粉的多糖存在于細(xì)胞質(zhì)中。 糖類的功能有以下幾點(diǎn)：（ 1）糖類是生物體的主要能源和碳源物質(zhì)

11、：糖類物質(zhì)可以通 過分解而放出能量， 這是生命活動(dòng)所必需的。 糖類還可以為生物體合成其他化合物 （如某些 氨基酸、核苷酸、脂肪酸等）提供碳原子和碳鏈骨架，構(gòu)成組織和細(xì)胞的成分。（2）糖類 與生物體的結(jié)構(gòu)有關(guān)： 纖維素和殼多糖都不溶于水， 有平坦伸展的帶狀構(gòu)象， 堆砌得很緊密， 所以它們彼此之間的作用力很強(qiáng)， 適于作強(qiáng)韌的結(jié)構(gòu)材料。 纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分。 殼多糖是昆蟲等生物體外殼的主要成分。 細(xì)菌的細(xì)胞壁由剛性的肽聚糖組成， 它們保持著質(zhì) 膜免受機(jī)械力和滲透作用的損傷。細(xì)菌的細(xì)胞壁還使細(xì)菌具有特定的形狀。（3）糖類是儲(chǔ) 藏的養(yǎng)料：糖類以顆粒狀態(tài)儲(chǔ)存于細(xì)胞質(zhì)中，如植物的淀粉、動(dòng)物的肝臟和

12、肌肉中的糖元。 （4）糖類是細(xì)胞通訊識(shí)別作用的基礎(chǔ)：細(xì)胞表面可以識(shí)別其他細(xì)胞或分子，并接受它們攜 帶的信息， 同時(shí)細(xì)胞表面也通過表面上的一些大分子來表示其本身的活性。 細(xì)胞與細(xì)胞之間 的相互作用，是通過一些細(xì)胞表面復(fù)合糖類中的糖和與其互補(bǔ)的大分子來完成的。（5）糖 類具有潤滑保護(hù)作用： 黏膜分泌的黏液中有黏稠的黏多糖， 可以保護(hù)潤滑的表面。 關(guān)節(jié)腔的 滑液就是透明質(zhì)酸經(jīng)過大量水化而形成的黏液。 五、蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)分子內(nèi)各個(gè)原子之間相互的立體關(guān)系就是蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)。 通常將蛋白質(zhì)的結(jié) 構(gòu)分為一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。 1蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)：又稱為初級結(jié)構(gòu)或化學(xué)結(jié)構(gòu)，是指蛋

13、白質(zhì)分子中，由肽健連接 起來的各種氨基酸的排列順序。目前可以運(yùn)用氨基酸自動(dòng)分析儀和氨基酸順序自動(dòng)分析儀， 對蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定。 2蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)和二級結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子中多肽鏈本身的折疊方式。 近年來， 通過研究知道， 蛋白質(zhì)分子的多肽鏈本身一般都不是全部以松散的線形分子的狀態(tài) 存在于生物體內(nèi)，而是部分卷曲盤旋成螺旋狀（一般呈所謂a螺旋），或折疊成片層狀（又 稱3折疊），或呈3回折（發(fā)夾回折、U形轉(zhuǎn)折），或呈無規(guī)則卷曲。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu) 主要依靠氫健來維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 3蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)：具有二級結(jié)構(gòu)的肽鏈，按照一定方式再進(jìn)一步卷曲、盤繞、折 疊成一種看來很不規(guī)則， 而實(shí)際

14、上有一定規(guī)律性的三維空間結(jié)構(gòu)， 叫做三級結(jié)構(gòu)。 這些肽鏈 所以會(huì)卷曲、盤繞、折疊，主要是因?yàn)殡逆湹陌被醾?cè)鏈之間的相互作用。 4蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)：具有三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子，通過一些非共價(jià)鍵結(jié)合起來，而 成為具有生物功能的蛋白質(zhì)大分子， 就是蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。 構(gòu)成功能單位的每條肽鏈， 稱 為亞基。亞基雖然具有二、三級結(jié)構(gòu)，但是在單獨(dú)存在時(shí)并沒有生物活力， 只有完整的四級 結(jié)構(gòu)才具有生物活力。 例如， 磷酸化酶是由兩個(gè)亞基構(gòu)成的， 如血紅蛋白是由四個(gè)不同的亞 基（2個(gè)a肽鏈，2個(gè)3肽鏈）構(gòu)成的，谷氨酸脫氧酶是由六個(gè)相同的亞基構(gòu)成的。 有些蛋白質(zhì)分子只有一、二、三級結(jié)構(gòu)，并無四級結(jié)構(gòu)，如肌紅蛋白、

15、細(xì)胞色素C、核 糖核酸酶、溶菌酶等。另一些蛋白質(zhì)，則一、二、三、四級結(jié)構(gòu)同時(shí)存在，如血紅蛋白、谷 氨酸脫氫酶等。 六、脂類 脂類主要由C H 03種化學(xué)元素組成，很多種脂類物質(zhì)還含有N和P等元素。脂類包 括脂肪、類脂和固醇等，這些物質(zhì)普遍存在于生物體內(nèi)。 脂肪大量儲(chǔ)存在某些植物的種子、 果實(shí)細(xì)胞和動(dòng)物的脂肪細(xì)胞中， 它主要是生物體內(nèi)儲(chǔ) 存能量的物質(zhì)。此外，高等動(dòng)物和人體內(nèi)的脂肪，還有減少身體熱量散失，維持體溫恒定， 減少內(nèi)部器官之間摩擦和緩沖外界壓力的作用。 類脂中的磷脂是構(gòu)成細(xì)胞膜的重要成分，也是構(gòu)成多種細(xì)胞器膜結(jié)構(gòu)的重要組成成分。 在動(dòng)物的腦和卵中，大豆的種子中，磷脂的含量較多。 固醇類物

16、質(zhì)主要包括膽固醇、性激素和維生素 D等，這些物質(zhì)對于生物體維持正常的新 陳代謝和生殖過程，起著重要的調(diào)節(jié)作用。 七、核酸 核酸是遺傳信息的載體， 存在于每個(gè)細(xì)胞中。 核酸是一切生物的遺傳物質(zhì)， 對于生物體 的遺傳變異和蛋白質(zhì)的生物合成有極重要的作用。 核酸是由 C、H、O、N、P 等化學(xué)元素組成的，也是一種高分子化合物。核酸的相對分子 質(zhì)量很大，大約是幾十萬至幾百萬。 核酸的基本組成單位是核苷酸。 一個(gè)核苷酸是由一分子含氮的堿基、 一分子五碳糖和一 分子磷酸組成的。每個(gè)核酸分子是由幾百個(gè)乃至上億個(gè)核苷酸互相連接而成的長鏈。 根據(jù)核酸中所含五碳糖的種類不同， 可以將核酸分為脫氧核糖核酸和核糖核酸。 這兩類 核酸廣泛存