生物细胞分子的成分

水是生物体内最大的化合物，含量超过50%，甚至高达99%。人体的含水量随着年龄的增长而减少，从新生儿的80%到老年人的55%。

地球表面的70%被水覆盖，水是地球表面最丰富的物质。水同时以三种状态存在。液态水是很好的极性溶剂，很多物质都可以溶于水，很多化学反应都可以在水中很好的进行。生命现象主要是生物体内一系列生化反应的外在表现。所以水是生命存在的介质环境，没有水就没有生命。

水分子的形状为等腰三角形，分子中O-H之间的键长约为0.0965nm，H-O-H之间的键角为104.5。氢原子的电子由于氧核的强烈吸引而偏向氧，导致氢被氧化带正电，氧带负电。因为氧原子只有两对电子与质子(氢核)共用，所以在8电子壳层中有两对电子暴露在O-H之外，这两对电子吸引相邻水分子上的正电荷，从而形成氢键。因此，水分子通过氢键相互连接。水与其他分子带负电荷的原子形成氢键，例如羧基中的-OH基团中的氧或蛋白质-NH基团中的氮可以与水分子的氢形成氢键。含有-OH和-NH等极性基团的分子与电负性强的原子之间也能形成氢键。蛋白质分子中有大量的氢键，加强了蛋白质的结构。氢键在加强核酸的特殊结构方面也起着重要的作用。此外，水还能与一些小的有机化合物形成氢键。氢键的键能只有价键的十分之一左右，很小的温度变化就能使氢键断裂。这使得含有氢键的结构具有显著的柔性，从而可以随着内外环境的变化而变化。

生物体内物质的运输依赖于水良好的流动性，水还具有恒温、润滑等多种功能。

无机盐:参与和调节新陈代谢。

无机盐在细胞中的含量很少，在人体中约占5%，种类很多。无机盐中含量最多的是钙和磷，约占无机盐含量的一半，主要沉积在骨骼和牙齿中，另一半无机盐多以水合离子的状态存在于体液中。由于无机盐的种类繁多，其作用也各不相同。一般来说，无机盐有以下作用:

1.构成骨骼和牙齿的无机成分支撑着身体。无机物约占1/3，有机物占2/3。骨骼中存在的无机盐主要是钙和磷，有机物主要是蛋白质。有机物使骨骼坚韧，无机盐使骨骼坚硬。骨骼中的钙磷盐是体液中钙磷盐的储存场所(钙磷库)。

2.维持生命活动的正常生理环境。Na+、Cl-、K+和HPO42-在维持细胞内和细胞外液的体积中起重要作用。体内各种酶的作用需要一个相对恒定的pH值，体液的缓冲系统就是由这些盐组成的，起到稳定氢离子浓度的作用。同样，无机盐在维持肌肉和心肌的压力方面也起着重要作用。

3.参与或调节新陈代谢。体内很多酶需要离子结合才能有活性，有些离子可以增强或抑制酶的活性。一些离子参与物质运输、代谢反应和信息传递等多种功能。

无机盐是机体新陈代谢的重要调节和参与因素。

蛋白质:生命活动的主要体现者

蛋白质是生物体内第二大化合物，其中约一半是蛋白质，在活细胞中的含量超过15%。蛋白质是分子量为6000到100万道尔顿的大分子物质。蛋白质的英文名是Protein，来源于希腊语π ρ ο ο，意为“最原始的”、“第一重要的”。“朊病毒”这个词是根据蛋白质的原意翻译过来的，但是因为蛋白质这个词已经用了很久了，“朊病毒”并没有被广泛使用。蛋白质在生物中占有特殊的地位。蛋白质和核酸是原生质中的主要成分，是生命现象的物质基础。

蛋白质是生命的结构和功能基础。蛋白质广泛存在于细胞膜、液体基质、细胞器、核膜、染色体等结构中。蛋白质中约有一半是酶-生物催化剂，细胞中的许多化学反应都是由酶分子催化的。蛋白质种类繁多，功能各异。一般来说，蛋白质有以下功能:

1.催化与调节:体内物质代谢的一系列化学反应几乎都是由酶催化的。体内各种组织和细胞的各种代谢的进展和协调与蛋白质的调节功能密切相关。

2.在协调运动中的作用:肌肉收缩是一种协调运动，肌肉的主要成分是蛋白质。肌肉收缩是由肌肉中的粗丝和各种蛋白质组装成的细丝来完成的。从微观上看，是细胞内微丝和微管的活动，精子和纤毛的运动与蛋白质的功能有关。

3.在运输和储存中的作用:蛋白质在体内物质的运输和储存中起着重要的作用。比如，全身所有组织和细胞不可或缺的氧分子，都是由血红蛋白来运输的；肌肉中氧气的储存依赖于肌红蛋白。铁需要在细胞中与铁蛋白结合才能储存。

4.在识别、防御和神经传导中的作用:体内各种信使需要与特定的受体相互识别，这些受体大部分是蛋白质。可见蛋白质在信息传递过程中起着重要的作用。此外，抗体与抗原的结合以及神经冲动的传递也是由蛋白质来完成的。

所以，蛋白质是生命过程中的主要分子，是生命现象的主要“演员”，是蛋白质——生命的化身。

糖:生命活动的主要能量物质

糖是动物体内四种生物分子中最小的，但糖是食草动物和人体消化吸收最多的食物成分(不包括水)，因为吸收的糖消耗快(能量物质)，可以大量转化为脂肪，少量储存在糖原中。

糖是多羟基醛或多羟基酮化合物。糖的基本单位是单糖，如葡萄糖和果糖。大多数单糖具有链状和环状结构，环状结构中有α和β两种异构体，可以相互转化。单糖可以聚合成二糖、寡糖和多糖。二糖如蔗糖(葡萄糖-果糖二聚体)、麦芽糖(葡萄糖二聚体)和乳糖(半乳糖二聚体)，多糖的典型例子是植物中的淀粉和动物中的糖原。

糖在植物中储存得多，在动物中储存得少。动物不能从无机物合成糖。动物体内的糖最初是由植物提供的，植物可以通过光合作用将二氧化碳和水水合为糖。

糖在体内有以下两种功能:

1.细胞的重要能量物质:动物摄入糖后，大量的糖被用作能量物质。糖在体内氧化，释放能量，释放的能量通过热量辐射维持体温，储存在ATP和磷酸肌酸中供生命活动。如果动物摄入的糖分有剩余，可以合成肝糖原和肌糖原来储存糖分，但量比较少。一个中等身高的人只能储存500g左右的糖原。糖在体内很容易转化为高度还原的储能形式脂肪，储存在脂肪组织中，在缺糖时为身体提供能量。

2.糖在细胞内与蛋白质形成复合物，形成糖蛋白和蛋白聚糖，广泛存在于细胞间液、生物膜和细胞内液中。其中一些表现为结构组件，一些表现为功能组件。因此，糖蛋白和蛋白聚糖也是生命现象的“演员”。

核酸:生命活动的主宰

体内的核酸很少，可分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)两大类。DNA主要存在于细胞核中，RNA主要存在于细胞质中。RNA有三种:信使核糖核酸(mRNA)、转运核糖核酸(tRNA)和核糖体核糖核酸(rRNA)。

核酸是一种重要的生物大分子，是生物化学和分子生物学研究的重要对象和领域。生物特性由生物大分子决定。生物大分子有四种类型:核酸、蛋白质、多糖和脂质复合物。糖和脂类的合成是由酶(蛋白质)催化的。与蛋白质一起，它们增加了蛋白质的结构和功能多样性。蛋白质的合成依赖于核酸；而生物功能是由蛋白质实现的，包括核酸的合成，也需要蛋白质的作用。所以生物体内最重要的大分子物质是DNA、RNA和蛋白质。生物大分子和相关生物分子与无机分子或离子一起构成生物有机体的不同层次的结构；生物大分子和其他分子之间的相互作用决定了所有的生命活动。一般来说，核酸(主要是DNA)是生命的操纵者，蛋白质是生命的表现形式，糖和脂肪是生命的能量物质，磷脂是生物膜的结构基础，水是生命的介质环境，无机盐参与和调节代谢。

G.孟德尔在1865年发现了豌豆杂交后代的性状分离和自由组合的遗传规律。F. Miescher在1868年发现了核酸(当时称为核素)。细胞学家和遗传学家推测核素可能与遗传有关。从19世纪就知道有两种核酸，直到20世纪40年代才知道DNA和RNA都是细胞的重要组成部分。前者可以引起遗传性状的变化，而后者可能参与蛋白质的生物合成。20世纪50年代初，生物学家开始接受DNA是遗传物质的观点。1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，从分子结构上阐明了其遗传功能。半个世纪以来，核酸研究已经成为生物化学和分子生物学研究的核心和前沿。其研究成果改变了生命科学的面貌，促进了生物技术产业的快速发展，充分说明此类物质具有重要的生物学功能。

核酸的功能主要有以下三点:

1.DNA是主要的遗传物质:DNA分布在细胞核中，是染色体的主要成分，染色体是基因的载体。细胞中DNA的含量非常稳定，与染色体的数量平行。基因是在染色体上占据一定位置的遗传单位。基因有三个基本属性:一是可以通过复制将遗传信息从父母传递给后代；二是通过转录和表达产生表型效应；第三，可以突变形成各种等位基因。但有些病毒的基因组是RNA，基因是RNA的片段。一些能作用于DNA的物理和化学因素会引起DNA突变，从而引起遗传性状的变化。DNA的突变是生物进化的基础，即突变的积累导致生物进化。

2.RNA参与蛋白质的生物合成:实验表明，三种类型的RNA*** * *控制着蛋白质的生物合成。核糖体是合成蛋白质的地方。过去认为蛋白质肽键的形成是由核糖体的蛋白质催化的，称为转肽酶。1992 H. F. Noller等人证明23S rRNA具有核酶活性，能催化肽键的形成。RRNA约占细胞总RNA的80%，它是一个装配体，起催化作用。TRNA占细胞总RNA的15%。它是一个传感器，携带氨基酸，并在解释中发挥作用。MRNA占细胞总RNA的3~5%。它是一个信使，携带DNA的遗传信息，充当蛋白质合成的模板。

3.RNA功能的多样性:20世纪80年代对RNA的研究揭示了RNA功能的多样性，它不仅是遗传信息从DNA到蛋白质的中间载体，虽然这是其核心功能。总结起来，RNA有五个作用:①控制蛋白质合成；②作用于RNA的转录后加工和修饰；③基因表达和细胞功能的调节；④其他细胞的生物催化和看家功能；⑤遗传信息的加工和进化。病毒RNA是上述功能性RNA的游离成分。

通过DNA复制，生物将遗传信息从父母传递给后代；遗传信息通过RNA转录和翻译在后代中表达。RNA有很多功能，都与生物体的生长发育有关。其核心功能是信息处理和基因表达的调节。

脂质:生命的后备能量和生物膜的结构基础

脂类是动物体内的第三大类物质。脂类多为非极性物质，难溶于水。脂类可分为脂肪和类脂两大类。脂肪是由甘油和脂肪酸凝结而成，脂类以磷脂、胆固醇和胆固醇酯的形式存在。脂肪的含量不稳定，是储存在体内的能量物质，变化很大。它被称为可变脂肪或脂肪储存。一般成年男性脂肪占体重的10~20%。磷脂是细胞的结构成分，所以含量稳定，称为固定脂质或膜脂质，约占体重的5%。

1.甘油三酯(脂肪)的甘油头是亲水的，而三个脂肪酸尾是疏水的。

2.x基团是极性的，如胆碱、乙醇胺、丝氨酸。

3.磷脂和糖脂只有两个疏水尾或1尾，其余都是亲水的，所以磷脂和糖脂很容易形成油水边界膜。

脂类的主要功能如下:

1.脂肪是一种储存能量的物质:脂肪是一种高度还原的能量物质，并且几乎不含氧气。所以和糖相比，同样质量的脂肪通过氧化释放出大量的能量，可以是糖的两倍以上，而且由于其疏水性，可以大量储存。但脂肪作为能量物质的劣势也很明显，因为是疏水性的，脂肪的动员速度比亲水性的糖慢。脂肪的主要储存部位为皮下、网膜、肠系膜及器官周围，储存量可达15~20kg，足以维持一个人一个月的能量需求。

2.磷脂是生物膜的结构基础:磷脂是脂肪的脂肪酸链被含有磷酸基团的短链取代的产物。由于这种磷酸基团链的存在，磷脂比脂肪亲水，能自发形成磷脂双层膜。生物膜的骨架是磷脂双分子层，一系列蛋白质和多糖组成生物膜。生物膜广泛存在于细胞中，所以一个细胞的膜表面积非常大。膜分隔细胞的空间使不同种类的化学反应在不同的间隔内完成而互不干扰，许多化学反应都是在膜的表面进行的。由于树突状轴突的存在，神经元的细胞膜面积非常大，所以神经组织是体内含磷脂最丰富的组织。

3.胆固醇的衍生物是重要的生物活性物质:胆固醇在肝脏中可转化为胆汁酸排入小肠，胆汁酸可乳化脂肪类食物，加速脂肪类食物的消化；7-去氢胆固醇在皮肤中(阳光照射下)可转化为维生素D3，然后在肝肾的作用下形成1，25-(OH) 2-D3，可促进肠、肾对钙、磷的吸收，使骨骼、牙齿生长发育。胆固醇在肾上腺皮质可转化为肾上腺皮质激素和性激素；胆固醇可以在性腺中转化为性激素。此外，不饱和脂肪酸也是体内其他激素或活性物质的代谢前体，胆固醇也作为生物膜的结构成分出现。

脂类物质是储存能量的物质，是生物膜的结构成分，也是体内某些生理活性物质的代谢前体。

脱氧核糖核酸

DNA是脱氧核糖核酸(脱氧核糖核酸的缩写)，又称脱氧核糖核酸，是染色体的主要化学成分，也是基因的物质。它有时被称为“遗传粒子”，因为在繁殖过程中，父亲将自己的一部分DNA复制并转移给后代，从而完成性状的传播。原核细胞的染色体是一个长DNA分子。真核细胞细胞核中有一条以上的染色体，每条染色体只含有一个DNA分子。然而，它们通常比原核细胞中的DNA分子大，并与蛋白质结合。DNA分子的功能是储存几乎所有决定物种性状的蛋白质和RNA分子的全部遗传信息；编码设计生物有机体在一定时间和空间内有序转录基因和表达蛋白质的全部程序，完成定向发育；生物体独特的性格和个性以及与环境相互作用时的所有应激反应都是初步确定的。除染色体DNA外，真核细胞的线粒体和叶绿体中存在极少量结构不同的DNA。DNA病毒的遗传物质也是DNA，少数是RNA。

DNA分子就是具有上述特征结构的分子。DNA结构的发现是一部科学史。

DNA结构的发现是科学史上最传奇的篇章之一。DNA结构的发现是划时代的成就，但发现它的方法是模型构建，就像儿童拼图的“拼凑”法。沃森和克里克是这个组合中表现最好的。

1928沃森出生于美国芝加哥。16岁，毕业于芝加哥大学，获动物学学士学位，开始在生物学方面大显身手。22岁时，沃森获得了博士学位，随后来到英国剑桥大学卡文迪许实验室，结识了更早在此工作的克里克，开始了他们传奇的合作生涯。克里克于1916年6月8日出生于英国北安普顿，21岁毕业于伦敦大学。二战后，他来到剑桥的卡文迪许实验室。克里克和沃森一样，对DNA有着浓厚的兴趣，并从物理学转向生物学。

当时人们已经知道DNA是一种细长的高分子化合物，由一系列脱氧核苷酸链组成，由脱氧核糖、磷酸和含氮碱基组成，共有四个碱基。1951年，许多科学家发起了一场研究DNA结构的竞赛。当时有两个著名的DNA分子研究小组。一个是以著名物理学家威尔金斯和化学家富兰克林为首的皇家学院研究小组。他们主要使用X射线衍射来研究DNA结构。一个是加州理工学院的研究小组，由著名化学家鲍林领导。他们主要通过模型构建的方法来研究DNA结构，并通过这种方法发现了蛋白质A螺旋。

1951年2月，威尔金斯在意大利举行的生物大分子结构会议上展示了一张富兰克林拍摄的非常漂亮的DNA射线衍射照片。一直对DNA感兴趣的沃森看到这张图激动得说不出话来，心怦怦直跳。根据这张照片，他得出结论，DNA的结构是螺旋。他决心做一个DNA模型。他把这个想法告诉了他的合作者克里克，后者同意了。

沃森和克里克建立DNA分子结构模型的工作始于1951年秋。他们采用模型构建法，仿照著名化学家鲍林构建蛋白质的α螺旋模型的方法，根据结晶学的数据，用纸和铁丝匹配脱氧核苷酸。

他们造了一个又一个模型，都被拒绝了。但沃森坚持认为，DNA分子可能是双链结构。因为自然界很多东西都是成对的，细胞中的染色体也是成对的。之后，他们完成了以脱氧核糖和磷酸交替排列为基本骨架，碱基排列在外面(图1)，脱氧核糖和磷酸交替排列的双螺旋结构。

它是一种双螺旋结构，具有基本骨架、排列在内部的碱基和同型碱基配对(图2)。

在1952期间，生物化学家查加夫访问了剑桥大学，并报告了他对人、猪、牛、羊、细菌和酵母等不同生物体的DNA分析结果。查加夫的结果表明，虽然不同生物的DNA中，四种脱氧核苷酸的数量和相对比例有很大差异，但任何物质的DNA中都存在A=T和G=C，这被称为查加夫的DNA化学组成定律。1952年7月，查加夫参观卡文迪许实验室时，向克里克详细解释了A:T=G:C=1:1的定律。后来克里克的朋友，理论化学家格里菲斯计算出，在DNA的四个脱氧核苷酸中，A必须与T结合，G必须与c结合，这与查加夫定律的完成是一致的。后来，鲍林的前同事多诺万告诉沃森，A-T和G-C配对是由氢键维持的。上述工作成为Watson和Crick的DNA分子模型中A-T配对和G-C配对结构的基础。

至此，DNA模型出现了。2月28日，沃森用纸板制作了一个四个底座的模型，并将纸板粘在骨架上，并将其向中心配对。克里克立即指出，只有两个方向相反的单链才能使碱基完美匹配，这与X射线衍射数据刚好一致。完整的DNA分子结构模型完成于1953年3月7日。根据这个模型，DNA分子是双螺旋结构，每个螺旋单元含有10对碱基，长度为34埃(1埃=10-10米)。螺旋直径是20埃。4月15日，沃森和克里克在《自然》杂志上发表了他们关于这个模型的第一篇论文。

DNA分子双螺旋结构模型的发现是生物学史上的里程碑，它为DNA复制提供了结构上的解释，使人们不再怀疑DNA是基因的物质基础，奠定了分子遗传学的基础。DNA双螺旋模型在科学上的影响是深远的。