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分子与细胞

第二章 组成细胞的分子

第一节

细胞中的元素和化合物

细胞中元素的分类

（1）

细胞中常见的元素有20多种，根据含量多少可以分为大量元素和微量元素。

大量元素（含量占生物体总质量万分之一以上的元素）主要有：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等。

微量元素（生物所必需，但需要量却很少的元素）主要有：Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等。

（2）

根据元素对生物体的作用划分为最基本元素、基本元素和主要元素等。

最基本的元素：C。因为碳原子本身的化学性质使它能够通过化学键连接成链或环，从而形成各种生物大分子。可以说，地球上的生命是在碳元素的基础上建立起来的。

基本元素：C、H、O、N 主要元素：C、H、O、N、P、S，这6种元素在细胞中约占细胞总量的97%。

细胞中元素含量的特点

（1）

占细胞干重最多的元素是C，占细胞鲜重最多的元素是O；无论干重还是鲜重，C、H、O、N四种元素的含量最多。在干重中的顺序为C>O>N>H，在鲜重中的顺序为O>C>H>N。

（2）

不同生物体内所含的化学元素的种类基本相同，但在不同生物体内同种元素的含量差别较大；同一生物体内的不同细胞元素的含量也不相同。

细胞中主要的化合物及其含量

占细胞鲜重含量最多的化合物是水。

占细胞干重含量最多的化合物是蛋白质。蛋白质是生命活动的主要体现者，是细胞的主要结构成分。

无论是鲜重还是干重，含量最多的有机物都是蛋白质。

细胞中的化合物鲜重含量大小顺序：水>蛋白质>脂质>无机盐>核酸/糖类

不论哪种环境中的生物，只要是活细胞，含量最多的化合物都是水。

检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质

【实验原理】

某些化学试剂能够使生物组织中的有关有机化合物发生特定的颜色反应

还原糖的鉴定步骤：选材制备组织样液加斐林试剂水浴加热显色（砖红色沉淀）

脂肪的鉴定步骤：选材制片加苏丹III（或苏丹IV）染液染色漂洗镜检（橘黄色或红色）

蛋白质的鉴定步骤：选材制备组织样液加双缩脲试剂A摇匀加双缩脲试剂B观察颜色（紫色）

斐林试剂与双缩脲试剂的比较

比较项目

不

同

点

使用方法

实质

呈色反应条件

反应原理

斐林试剂

甲液和乙液混合均匀后即可使用，且现配现用

新配制的Cu(OH)2反应

需水浴加热

还原糖中的醛基被Cu(OH)2氧化，Cu(OH)2被还原为Cu2O 颜色

浓度

相同点

砖红色

乙液CuSO4浓度为0.05g/mL 双缩脲试剂

使用时先加A液再加B液

碱性条件下的Cu2+

不需加热即可反应

具有两个以上肽键的化合物在碱性条件下与Cu2+反应生成络合物

紫色

B液CuSO4浓度为0.01g/mL 都含有NaOH、CuSO4两种成分，且所用NaOH浓度都是0.1g/mL

第二节

生命活动的主要承担者——蛋白质

氨基酸的结构通式与特点

结构特点：（1）氨基酸分子中至少有一个氨基和一个羧基，但也可以是几个（当R基上含有氨基或羧基是）。（2）不同氨基酸之间的区别在于R基的不同（根据R基的不同将氨基酸分为不同的种类），R基的种类影响氨基酸的特殊性质。（3）结构上的共同点：至

少有一个氨基和一个羧基，并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上，这两点是判断是否是组成生物体蛋白质的氨基酸的依据。

（4）有氨基酸的结构通式可知，氨基酸的组成元素中都有C、H、O、N。另外，大多数蛋白质含有少量的S元素，有些蛋白质含有P、Fe、Cu、I、Mo等。

氨基酸的种类

（1）

自然界中的氨基酸种类很多，但在生物体中组成蛋白质的氨基酸约为20种。

（2）

人体内氨基酸的分类

从营养学角度分

必需氨基酸：必须从外界获取，自身不能合成。人体内共有8种（婴儿体内有9种，比成人多一种组氨酸）。

非必需氨基酸：可以通过其他化合物转化而成，共12种。

根据氨基和羧基的数目分

中性氨基酸：氨基数目=羧基数目

碱性氨基酸：氨基数目>羧基数目

酸性氨基酸：氨基数目<羧基数目

肽键的形成——脱水缩合

一个氨基酸分子的羧基（—COOH）和另一个氨基酸分子的氨基（—NH2）相连接，同时脱去一分子的水，这种结合方式叫脱水缩合。脱水缩合过程中形成的化学键叫肽键。具体过程如下：

（1）

脱下的水中的氧来自—COOH，水中的氢一个来自—COOH，另一个来自—NH2。

（2）

参与脱水缩合的分别是两个氨基酸中与各自的中心碳原子相连接的氨基和羧基，不是R基上的氨基和羧基。

（3）

连接氨基酸的肽键的结构式表示为：

或—CO—NH—，或—NH—CO—（书写时不能漏掉游离键“—“）

多肽及蛋白质的形成

由两个氨基酸分子缩合而成的化合物，叫做二肽。由三个或三个以上氨基酸分子缩合而成的化合物叫做多肽。多肽通常呈链状结构，叫做肽链。一条或多条肽链经盘曲、折叠、糖基化等就形成了具有特定空间结构的、能行使一定功能的蛋白质。

蛋白质分子的结构多样性

（1）

蛋白质的结构层次：C、H、O、N等元素组成氨基酸脱水缩合肽链形成特定空间结构盘曲、折叠的蛋白质

（2）

蛋白质分子结构多样性的原因：构成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序以及蛋白质的空间结构不同。

蛋白质的相关计算

（1）

氨基和羧基的数目

蛋白质是由氨基酸脱水缩合而形成的肽链构成的，每两个相邻的氨基酸中的氨基和羧基缩合形成一个肽键，结果肽链的两端，一端剩余一个—COOH，另一端剩余一个—NH2，但R基上可能含有若干个—COOH或—NH2，因此，每条肽链（非环状肽）中至少有一个—COOH和一个—NH2。

（2）

肽键数与氨基酸数、脱去的水分子数的关系

氨基酸脱水缩合时每形成一个肽键，同时脱去一分子水。因此氨基酸数=肽键数+肽链数，肽键数=失去的水分子数。

（3）

蛋白质相对分子质量的计算

蛋白质相对分子质量等于氨基酸相对分子质量的总和减去失去的水分子的相对分子质量的总和。

若n个氨基酸形成m条肽链，则形成n-m个肽键，脱去n-m个水分子。每个氨基酸的平均相对分子质量为a，那么由此形成的蛋白质的相对分子质量为na-(n-m)18。

蛋白质的功能

结构蛋白

调节作用

催化作用

运输作用

免疫作用

功能

许多蛋白质是构成细胞和生物体的成分

对细胞和生物体的生命活动有重要的调节作用

催化细胞内的各种化学反应

有些蛋白质具有运输载体的功能

对侵入人或高等动物体内的抗原物质有破坏作用

胰岛素、生长激素等蛋白质类激素

大多数酶都是蛋白质

血红蛋白

抗体

举例

肌动蛋白、肌球蛋白

第三节

核酸的种类

遗传信息的携带者——核酸

（1）

脱氧核糖核酸（DNA）

（2）

核糖核酸（RNA）

核酸的功能

(1)

(2)

核酸是细胞内携带遗传信息的物质。

在生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有极其重要的作用。

不同生物的遗传物质

生物类别

原核生物和真核生物

病毒

核酸

含有DNA和RNA两种核酸

只含DNA 只含RNA 4 4 4 4 DNA RNA 噬菌体

烟草花叶病毒

核苷酸

8 碱基

5 遗传物质

DNA 举例

细菌、人等

观察DNA和RNA在细胞中的分布实验

【实验原理】

（1）

DNA主要分布在细胞核内，RNA大部分存在于细胞质中。

（2）

两种染色剂对DNA和RNA的亲和力不同：甲基绿+DNA绿色；吡罗红+RNA红色。

（3）

甲基绿和吡罗红两种试剂在本实验中不能单独使用，而是混合使用，并且现配现用。

【方法步骤】

程序

制片

操作

（1）

在洁净的载玻片上，滴一滴质量分数为0.9%的NaCl溶液

（2）

用消毒牙签在漱净的口腔内侧壁上刮取口腔碎屑，在载玻片液滴中涂几下

（3）

将上述装片烘干

注意事项及原因

用质量分数为0.9%的NaCl溶液而不用蒸馏水：保持口腔上皮细胞形态，在蒸馏水中吸水涨破

水解

（1）

在小烧杯中加入30mL质量分数为8%的盐酸，将烘干的载玻片放入小烧杯中

（2）

在大烧杯中加入30℃温水

（3）

小烧杯放在大烧杯中水浴保温5分钟

盐酸能改变细胞膜的通透性，加速染色剂进入细胞，同时使染色体中的DNA与蛋白质分离（盐酸使蛋白质变性），有利于DNA与染色剂结合

冲洗

染色

用蒸馏水的缓水流冲洗载玻片10 s （1）

用吸水纸吸取载玻片上多余的水分

（2）

用吡罗红甲基绿染色剂2滴染色5分钟

（3）

吸去多余的染色剂

（4）

盖上盖玻片

蒸馏水：冲洗载玻片上的盐酸

吡罗红甲基绿染色剂的配制也要用蒸馏水，吡罗红甲基绿染色剂与斐林试剂相似，使用时现配

观察

（1）

先用低倍镜找到染色均匀、色泽浅的区域，移至视野中央，将物像调节清晰

（2）

换用高倍镜观察

【对选材的要求】

若选用动物细胞，不能用哺乳动物成熟的红细胞，因为其没有细胞核。

若选用植物细胞，应选用无色的，不宜用叶肉细胞。

【实验结果】

细胞核区域呈现绿色，细胞质区域呈现红色。

【实验结论】

（1）

DNA主要分布在细胞核中（线粒体和叶绿体中也含有少量的DNA）

（2）

RNA主要分布在细胞质中。

核酸在细胞内的分布

（1）

DNA主要分布在细胞核中，细胞质中的线粒体（动物、植物）和叶绿体（植物）中也有有少量的DNA。

（2）

RNA主要分布在细胞质中，RNA主要是在细胞核中形成，而后进入细胞质中，所以细胞核中也有一部分。

（3）

原核生物的核酸分布，DNA主要在拟核，RNA分布在细胞质中。

（4）

病毒的核酸分布，只有一种核酸DNA或RNA，在蛋白质衣壳内。

核酸的结构层次

核苷酸的连接方式：磷酸二酯键

核酸的组成

（1）

RNA分子的组成

核糖核苷酸（4种）：鸟嘌呤核糖核苷酸、腺嘌呤核糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸、尿嘧啶核糖核苷酸

碱基：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）

五碳糖：核糖

磷酸

（2）

DNA分子的组成

脱氧核糖核苷酸（4种）：鸟嘌呤脱氧核苷酸、腺嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸、胸腺嘧啶脱氧核苷酸

碱基：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（U）

五碳糖：脱氧核糖

磷酸

（3）碱基种类与核苷酸种类的关系

在只有DNA或RNA的生物中包含：4种碱基+1种磷酸+1种五碳糖。4种核苷酸

同时含有DNA和RNA的生物中包含：5种碱基+1种磷酸+2种五碳糖。8种核苷酸=4种脱氧核苷酸+4种核糖核苷酸

（4）核酸的初步水解产物是核苷酸，彻底水解产物时磷酸、五碳糖和含氮碱基。

（5）一个核酸分子中，核苷酸数=磷酸数=碱基数=五碳糖数。

核酸分子的多样性和特异性

（1）

核酸分子的多样性

核酸长链携带者大量的遗传信息。组成DNA的脱氧核苷酸虽然只有4种，若脱氧核苷酸的数量很多，连成长链时，排列顺序就极其多样。若脱氧核苷酸对数为n，则4种脱氧核苷酸的排列顺序就有4n种。

（2）

核酸分子的特异性

每个DNA分子的4种脱氧核苷酸的比率和排列顺序都是特定的，其特定的脱氧核苷酸顺序代表了特定的遗传信息。

第四节

细胞中的糖类和脂质

糖类的组成元素

糖类分子都是由C、H、O三种元素组成的。多数糖类分子中氢原子和氧原子之比是2:1，类似于水分子，所以糖类又称为“碳水化合物”。

糖类的种类和功能

种类

单糖：不能水解的糖

核糖

脱氧核糖

葡萄糖

分子式

C5H10O5

C5H10O4

C6H12O6

光合作用产物，细分布

动、植物细胞

主要功能

组成核酸的物质

胞的主要能源物质

二糖：水解后能够生成两分子单糖的糖

多糖：水解后能够生成许多单糖的糖

纤维素

糖原

动物细胞

蔗糖

麦芽糖

乳糖

淀粉

(C6H10O5)n

动物细胞

植物细胞

植物细胞中重要的储能物质

植物细胞壁的主要成分

动物细胞中重要的储能物质

C12H22O11

植物细胞

能水解成葡萄糖而供能

糖类的分类依据

（1）

依据能否被水解及水解产物可将糖类分为单糖、二糖和多糖。

麦芽糖水解为2分子葡萄糖，蔗糖水解为1分子果糖+1分子葡萄糖，乳糖水解为1分子半乳糖+1分子葡萄糖，多糖的完全水解产物是葡萄糖。

（2）

依据糖类的来源和归属可将糖类分为：

动、植物细胞共有的糖，如脱氧核糖、核糖、葡萄糖等。

动物细胞特有的糖，如糖原、乳糖等。

植物细胞特有的糖，如蔗糖、麦芽糖、淀粉、纤维素等。

（3）

依据糖类的功能，可以将糖类分为：

细胞的重要能源物质，如葡萄糖等。

细胞的重要储能物质，如淀粉、糖原等。

构成细胞的重要结构物质，如脱氧核糖、核糖、纤维素等。

（4）

依据糖类是否具有还原性，可将糖类分为：

还原糖，可以与斐林试剂反应，在50-65℃水浴条件下出现砖红色沉淀。如葡萄糖、果糖、麦芽糖、乳糖等

非还原糖，如淀粉、蔗糖、纤维素、糖原等。

脂质的组成元素

脂质主要由C、H、O三种元素组成，有的脂质还有P和N等元素。

脂质的特点

（1）

氧的含量远远小于糖类，而氢的含量多于糖类。因此在氧化分解时耗氧量要比糖类多，释放出来的能量也多。

（2）

不同的脂质分子结构差异很大，通常不溶于水，而易溶于许多有机溶剂中，如丙酮、乙醚、氯仿等。

脂质的种类和功能

种类

脂肪

元素组成

C、H、O 功能

主要的储能物质

保温，减少器官之间的摩擦，缓冲外界压力，保护内脏器官

磷脂

C、H、O、N、P 构成细胞膜及各种细胞器膜的重要成分

固醇

胆固醇

C、H、O有的含有N、P 构成细胞膜的重要成分

在人体内还参与血液中脂质的运输

性激素

能促进人和动物生殖器官的发育以及生殖细胞的形成

维生素D 能有效促进人和动物肠道对钙和磷的吸收

由动物的性腺分泌，进入血液、组织液

在动物的卵黄中含量较多

人表皮细胞中有胆固醇，经日光照射转变成维生素D 人和动物的脑、卵细胞、肝脏和大豆的种子中含量较多

在许多动物性食物中含量丰富

分布

某些植物的种子、果实

动物体的脂肪组织中

第五节

水的含量

细胞中的无机物

（1）

生物体内水分的含量一般为60%-95%，是组成细胞的化合物中含量最多的。

（2）

影响水含量的因素

不同的生物体内水的含量差别很大，例如，生物体的含水量一般为60%-95%，而生活在海洋中的水母的身体里水的含量约为97%。

同一生物体不同的生长发育阶段水的含量不同，幼儿时期>成年时期，幼嫩部分>成熟部分。

同一生物体不同器官水的含量也不同，如心肌含水79%，血液含水82%。

水的存在形式和生理功能

形式

定义

含量

特点

功能

自由水

细胞中绝大部分的水以游离的形式存在，可以自由流动

约占细胞内全部水分的95.5% 流动性强，可参与物质代谢

细胞内良好的溶剂

参与生化反应

为细胞提供液体环境

运送营养物质和代谢废物

联系

自由水和结合水在一定条件下可相互转化

结合水

与细胞内的羧基、羟基、酮基、氨基等亲水基团相结合的水

约占细胞内全部水分的4.5% 不流动，与其他物质结合

是细胞结构的重要组成成分

水的含量与代谢强度和抗逆性的关系

（1）

一般情况下，代谢活跃时，生物体含水量在70%以上，含水量降低，生命活动不活跃或进入休眠。

（2）

当自由水比例增加时，生物体代谢活跃，生长迅速，如干种子内所含的主要是结合水，干种子只有吸足水分——获得大量自由水，才能进行旺盛的生命活动。

（3）

当自由水向结合水转化较多时，代谢强度就会下降，抗寒、抗热、抗旱的性能提高。旱生植物比水生植物具有较强的抗旱能力，其生理原因之一就是结合水含量较高。

自由水与结合水的相互转化

（1）

转化实例

血液凝固时，部分自由书转化为结合水；

烘干种子时，部分结合水转化为自由水散失掉；

水果放入冰箱时，部分自由水转化为结合水；

水果从冰箱中取出，放在温室环境中，部分结合水转变成自由水。

（2）

转化条件

一般情况下，二者发生转化时与温度和代谢程度有关：

降温

自由水 结合水

升温

代谢缓慢

自由水 结合水

代谢旺盛

无机盐的含量

无机盐在细胞中含量很少，仅占细胞鲜重的1%-1.5% 无机盐的存在形式

存在形式

多数以离子形式存在

举例

含量较多的阳离子有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+等，阴离子有Cl-、SO42-、PO43-、HCO3-等

少数与其他化合物结合

Ca2+是动物骨骼和牙齿的成分，Fe2+、Fe3+是血红蛋白、细胞色素的成分，Mg2+是叶绿素的成分等

无机盐的生理功能

（1）

有些无机盐是细胞和生物体中某些化合物的重要组成成分。

C：构成生物体内有机物的基本骨架，碳链（或碳环）是组成细胞的最基本元素

Fe在人体内的作用：血红蛋白的重要组成成分，缺乏时易患缺铁性贫血症

Mg在植物体内的作用：叶绿素的重要组成成分，缺乏时会使植物叶绿素合成受阻，影响光合作用

Zn在生物体内的作用：很多酶的结构中心，缺乏时易患生长发育不良（侏儒症），生殖腺功能受阻

Ca在人体内的作用：骨骼、牙齿的重要组成成分，缺乏时儿童易患佝偻病，中老年人易患骨质疏松、肌肉抽搐

I在人体内的作用：甲状腺激素的重要组成成分，缺乏时易患甲状腺肿大，儿童的智力和体格发育出现障碍

B元素在植物体内的作用：促进花粉萌发和花粉管伸长

（2）

维持细胞和生物体的生命活动

维持细胞正常的形态和功能——红细胞在大于质量分数为0.9%的NaCl溶液中会失水皱缩，失去输氧的功能。

维持细胞的渗透压平衡——大量出汗排出过多的无机盐，导致水盐平衡失调。

维持细胞的酸碱平衡——血浆中的HCO3-含量减少时，会造成酸中毒。