细胞的分子基础

第二节　细胞的分子基础

细胞是一个精确调控的复合体，有复杂的结构，不仅能自我复制(这是生命的基本特征)，而且可以进行许多特殊的功能。由于细胞起源于非生命物质，细胞同样遵循那些适用于非生命环境的物理、化学原则，因此现代细胞生物学试图从物理、化学特性来理解细胞的作用。

从化学角度来看，细胞由小分子物质和生物大分子两类物质组成(表2-1)。这两类物质的差别在于它们的相对分子质量和分子结构不同，由此它们所承担的功能也不一样。小分子物质的相对分子质量一般＜50，且每一种分子都有其特定的结构。生物大分子也称多聚体(polymer)，由许多小分子单体(monomer)通过共价键连接而成，相对分子质量比较大。本节将分别介绍几种小分子和生物大分子物质。

表2-1　细菌和哺乳类动物细胞的化学组成

一、小分子物质

小分子物质主要包括水(H²O)、无机盐和离子、小分子有机物(碳化合物)等，它们是维持细胞生命活动所必需的。

(一)水

细胞中水的含量约占细胞总重量的80％，是细胞里最丰富的物质，也是细胞十分重要的组成物质。首先，水是无机离子和各种大分子物质的天然溶剂，也是原生质的分散介质;其次，细胞的各种生理过程发生在水中，故水分子参与了细胞的各种代谢活动，而细胞的代谢过程也能生成水分子;再者，水能吸收热量，从而防止细胞内温度的剧烈变化，对细胞有一定的保护作用;最后，水还能维持细胞内外的离子及酸碱平衡。

细胞中的水以游离水和结合水两种形式存在，其中95％是游离水。结合水是指以氢键结合于蛋白质分子中的水分。由于电荷分布的不对称性，水分子形成了一种强的偶极子。水分子的极性使其通过氢键形成水分子聚集体，从而具有独特的溶剂性质:比热大、熔点高、表面张力大，极性化合物易溶于水。

细胞中水的含量与生物体的年龄有一定关系，胚胎细胞的水含量最高，占细胞总重量的90％～95％。随着年龄的增长，含量逐渐降低。

(二)无机盐和离子

无机盐在体液内一般都以离子形式存在。细胞内含量较多的阳离子有K⁺、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等，阴离子有Cl^－和等。这些离子在细胞内外液的分布和含量有显著的差别。例如，K⁺和Mg²⁺在细胞内浓度较高，而Na⁺和Cl^－主要分布在细胞外液中和则是细胞内含量最高的阴离子。

细胞内无机盐和离子的含量虽然只占细胞总重量的1％左右，但对于细胞内渗透压与酸碱平衡的维持是十分重要的，如各类磷酸盐能起到缓冲作用，以稳定细胞内的pH。很多无机离子还是酶的辅助因子，如磷酸化酶和多种激酶常需要Mg²⁺的参与。Ca²⁺对细胞的多种生理功能有作用，如与肌细胞的收缩有关，并作为第二信使参与细胞跨膜信号传递等。

有些无机成分是以非解离的形式存在于细胞的，如血红蛋白中的铁、磷脂中的磷等。还有一些微量元素，如铜、锌、钴、钼、硒、碘等，在细胞中的含量很低，但对于细胞正常的生命活动都是必不可少的。

(三)有机小分子

细胞内有机小分子的相对分子质量为100～1000，含有多达30个碳原子。估计细胞内有近千种有机小分子，主要分4类:单糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸。它们通常游离在细胞质溶液中，既是细胞代谢过程中的中间产物，同时也构成了生物大分子的中间产物库，它们可以装配成生物大分子多聚体。

1．碳水化合物碳水化合物(carbohydrate)主要由碳、氢、氧3种元素组成。最简单类型的碳水化合物即单糖，它是构成寡糖和多糖的基本单位，通式为(CH²O)n，其中n是整数，为3～7。单糖中以戊糖(五碳糖，C⁵H¹⁰O⁵)和己糖(六碳糖，C⁶H¹²O⁶)最重要。戊糖中的核糖和脱氧核糖是核酸的组成成分，脱氧核糖与核糖相比，在2'碳位上少了一个氧。葡萄糖则是细胞的能源物质，在葡萄糖分解过程中，释放的能量用以合成ATP，供细胞生命活动的需要。

2．脂肪酸脂肪酸(fatty acid)是直链脂族烃有机酸，一般含一个羧基，通式为CH³(CH²)nCOOH。在天然产生的脂肪酸中n值为10～20，且总是偶数。脂肪酸的碳氢链是疏水性的，无化学活性;羧基则在溶液中电离，是亲水的，易形成酯和酰胺。脂肪酸是营养价值较高的营养物质，但其最重要的功能是构成细胞膜。

3．氨基酸氨基酸(amino acid)是蛋白质结构的基本单位，每个氨基酸都含有一个羧基(-COOH)和一个氨基(-NH²)，与羧基相邻的碳原子上还常结合有一条侧链(-R)。组成蛋白质的氨基酸有20种。不同的氨基酸，其侧链不同，它对氨基酸的理化性质和蛋白质的空间结构都有重要的影响。

4．核苷酸核苷酸(nucleotide)是组成核酸的基本单位，单核苷酸由一分子碱基、一分子戊糖和一分子磷酸组成(图2-2)。碱基与戊糖相连的部分称为核苷(nucleoside)，核苷再连接上1个磷酸分子就构成了单核苷酸，连接2个磷酸分子为二磷酸核苷，连接3个磷酸分子为三磷酸核苷。三磷酸核苷是核酸的合成原料，其中三磷酸腺苷(ATP)也是细胞能量转换的关键分子，被称为细胞内的能量“货币”。

核酸中的碱基有嘌呤和嘧啶两类。RNA中的碱基是腺嘌呤(adenine，A)、鸟嘌呤(guanine，G)、胞嘧啶(cytosine，C)和尿嘧啶(uracil，U)，DNA中的碱基有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶(thymine，T)(表2-2)。

图2-2　核苷酸的分子结构

表2-2　两类核酸的组成成分

二、生物大分子

生物大分子(biological macromolecules)包括蛋白质、核酸和多糖等，它们都是颇受研究人员重视的细胞内化学成分，并形成了研究这一领域的学科，即分子生物学。

(一)蛋白质

蛋白质(protein)是生命的基础物质，是构成生物体的基本成分，而且具有多种生物学功能。许多重要的生命现象都是通过蛋白质实现的。

1．蛋白质的结构　多肽链一般经过4个层次的组装、折叠形成成熟的有活性的蛋白质分子。

(1)一级结构:许多小分子单体氨基酸按照一定的顺序，通过肽键(peptide bond)相连形成的多肽链是蛋白质的一级结构。肽键是多肽链分子中基本的化学键，由相邻的氨基酸脱水缩合而成。由2个氨基酸缩合而成的称为二肽，3个氨基酸合成三肽，……多个氨基酸通过肽键组成的肽为多肽或称多肽链(polypeptide chain)(图2-3)。多肽链的长短不一，有的可长达数千个氨基酸，一般则为40～1 000个氨基酸。每条多肽链的一端是氨基端(N端)，另一端是羧基端(C端)。

虽然组成蛋白质的氨基酸只有20种，但由于组成蛋白质的氨基酸的种类、数量和排列顺序不同，可以构成无数种不同的多肽链。

(2)二级结构:蛋白质的二级结构主要有α-螺旋(α-helix)和β-片层(β-pleated sheet)两种形式，是由多肽链盘旋折叠而成的规则结构，氢键是维持二级结构稳定的主要次级键。α-螺旋为右手螺旋，每3．6个氨基酸旋转一圈，螺距为0．54 nm(图2-4)。血红蛋白中的蛋白分子有70％是α-螺旋。丝心蛋白(也称丝蛋白，fibroin)是由数个折叠成片层结构的肽链组成的，这种构象即是β-片层折叠。

(3)三级结构:蛋白质的三级结构是多肽链在二级结构的基础上，由于氨基酸残基侧链相互作用而使多肽链进一步盘旋折叠而形成不规则的特定构象。三级结构的稳定性主要依靠各氨基酸侧链(R)之间生成的各类次级键，如氢键、盐键、二硫键等。

图2-3　人胰岛素分子的一级结构

图2-4　蛋白质分子二级结构

注:A为α-螺旋;B、C为β-片层

(4)四级结构:由两个或两个以上的结构域或功能域(domain)相互作用聚合而成更复杂的空间构象，称为蛋白质的四级结构(图2-5)。功能域是具有三级空间结构的多肽链，其氨基酸残基之间相互作用形成疏水键，从而使之聚合成四级结构。简单的蛋白质分子仅有一个结构域，大多数蛋白质由两个至数个功能域组成。

不同的蛋白质如果有相同的功能域，则一般具有相同的功能。例如，酵母的细胞周期调节蛋白和哺乳类动物癌基因的编码蛋白都是蛋白激酶，研究发现两者有相同的功能域，所以了解结构域的同源性有助于探讨新发现蛋白的功能。

许多蛋白分子还含有小分子辅基(prosthetic group)，与蛋白质的功能有关，如血红蛋白中的血红素。

图2-5　蛋白质分子的各级空间结构

当某些物理和化学的环境因素改变时，会使蛋白质的空间构象发生变化，而导致其生物学功能的改变。这种变构现象一般指蛋白质的二、三、四级空间结构的改变，而不涉及一级结构即多肽链的改变，因此变构多为可逆的。

2．蛋白质的功能　蛋白质不仅是细胞、组织的结构成分，而且几乎参与了机体的一切生理活动，整个生命活动就是由各种各具功能的蛋白质相互配合完成的。按不同功能可分为结构蛋白和调节蛋白，前者主要是纤维蛋白，如肌动蛋白和肌球蛋白以及构成皮肤、毛发的角蛋白等。调节蛋白则参与调节各种生命活动，包括:①酶，催化各种代谢反应;②肽类激素，参与调节代谢，如胰岛素能维持血糖浓度的恒定;③抗体，一类特异的球蛋白，具有免疫保护作用，它能识别外源性物质，并与之结合而使其失活，以便机体抵抗病原体的侵袭;④与体内物质的转运和贮存有关的蛋白，如血红蛋白运输O²和CO²;⑤细胞膜上及细胞内的各类受体蛋白质，参与化学信号的传递;⑥核蛋白，染色质的主要成分，包括核酸与蛋白质，这些蛋白成分与细胞的生长、分化、遗传和变异的调控有一定关系。

3．细胞蛋白质组　人类基因组计划虽已完成，然而，基因组序列的获得只是解决问题的开端，关键在于进一步阐明人类基因组所拥有全部基因的功能和表达模式，以及它们之间如何协调一致来控制机体生命活动的整个过程。因此，越来越多的科学家理智地认识到，现在必须深入研究基因的最终产物蛋白质。与以往孤立地研究某一种蛋白质的功能和结构不同，提出了细胞蛋白质组(proteome)(图2-6)的概念，即将细胞内基因活动和表达后所产生的全部蛋白质作为一个整体，研究在个体发育的不同阶段，正常或异常情况下，某种细胞内所有蛋白质的种类、数量、结构和功能状态，从而阐明基因的功能。从这个意义上说，直接研究细胞蛋白质组可为基因组的研究提供最重要的印证和补充，真正实现人类基因组计划的预期目标。蛋白质组的研究也有助于了解分化的分子机制，揭示疾病(如肿瘤等)的分子病理。

从细胞的整体上来研究蛋白质组，首先必须抽提细胞中的蛋白质，把成百上千种蛋白质分离开来，最后还要测定每一种蛋白质的一级结构。这无疑是一项繁重的任务，但是近年来，随着双向凝胶电泳和质谱分析技术的应用，不仅大大简化了蛋白质组的分析过程，而且非常微量的样品也能用于研究。一些不同组织细胞来源的蛋白质计算机数据库资料正在迅速增加;同时，亚细胞结构(如线粒体)的蛋白质组、分子蛋白质组的研究也已列入日程。蛋白质组的研究已成为深入理解基因功能的一个重要领域，正孕育着21世纪生命科学中的一个新的生长点。

(二)核酸

核酸是细胞内贮存和传递遗传信息的大分子物质，可以分为RNA和DNA。DNA是遗传信息的主要贮存库。细胞内遗传信息的流动由DNA→RNA→蛋白质，即DNA转录成RNA，再由RNA指导蛋白质的合成，即所谓的“中心法则”。

图2-6　细胞蛋白质组双向电泳图谱

核酸是由许多核苷酸构成的多聚体(多核苷酸)，一个核苷酸戊糖的3'位羟基可与另一个核苷酸戊糖的5'位磷酸基团之间形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)，从而使核苷酸相互连接成核苷酸链。组成1个RNA分子的核苷酸数可达数十至数千，而DNA则由数百万个核苷酸组成。与多肽链一样，核苷酸链也有方向性，连有羟基的戊糖3'位C端称为3'端，另一端称为5'端，在戊糖5'的C原子上有羟基或磷酸连接。

1．DNA的结构　1953年，James Watson和Fr anc is Crick(图2-7)提出了DNA分子的双螺旋结构模型，即DNA由两条走向相反的互补核苷酸链构成，一条为3'→5'，另一条为5'→3'，两条链均按同一中心轴呈右手螺旋。这两条链依靠彼此的碱基在双螺旋内侧形成氢键而连接在一起，碱基之间的配对关系是一定的。依照碱基互补配对原则，A与T互补，形成2个氢键连接;G与C互补，形成3个氢键连接，所以G、C间的连接更为牢固些(图2-8)。根据X线衍射分析，双螺旋上每隔0．34nm有一个碱基对，每螺旋一圈有10个碱基对，故螺距为3．4nm。近年来研究发现，DNA分子还存在着左手螺旋的构象，称为Z-DNA，其生物学意义还不太清楚，可能在DNA的某些识别活动中起作用。

维持DNA双螺旋结构主要是靠碱基间的氢键，所以凡是破坏氢键的因素，如加热、pH改变等都能导致DNA双螺旋结构的破坏，使双链解旋，分开成单链，即DNA变性(denature)，或称溶解(melting)。加热引起的变性称为热变性，热变性发生的温度与DNA分子中G、C对的含量有关。由于G、C对比A、T对更为稳定，所以G、C含量高的DNA分子变性温度较高。当DNA分子发生变性后，适当调整温度或pH，分开的两条互补链又可通过碱基配对重新形成双螺旋，这一过程称为复性(renature)或称退火(annealing)(图2-9)。DNA变性和复性的特点是分子生物学重要技术核酸分子杂交的基础。

图2-7　James Watson和Francis Crick

图2-8　DNA双螺旋结构

2．RNA的结构　大多数RNA是单链，但其分子可通过自身回折而形成许多短的双股螺旋区，在这些区域内A与U，G与C分别配对形成氢键。根据结构与功能上的不同，RNA可分为信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA)3种，它们都与蛋白质合成密切相关。此外，还有一类特殊的小核RNA(snRNA)。

图2-9　DNA分子的变性与复性

(1)mRNA分子是以部分DNA为模板转录合成的，其核苷酸序列与基因DNA核苷酸序列互补。mRNA占细胞内RNA总量的1％～5％，是蛋白质合成的模板。

(2)tRNA是氨基酸的转运工具，占细胞RNA总量10％～15％。它根据mRNA上的遗传信息携带相应的氨基酸进入核糖体，合成肽链。tRNA的空间结构呈三叶草形，4个主干的大部分区域碱基配对形成双螺旋区，其中3个主干末端形成环状:TψCG环、D环和反密码环，另一主干末端为CCA臂。tRNA分子的另一个特点是含有多种稀有碱基，如二氢尿苷酸、次黄苷酸等。

(3)rRNA占细胞内RNA总量的75％～80％。它是蛋白质合成“工场”核糖体的组成部分。rRNA分子大小不一，真核细胞的rRNA分子有4种，沉降系数分别为28S、18S、5．8S和5S。

(4)snRNA是近年来发现的一类特殊的RNA，它们存在于真核细胞核中，含量不足细胞总RNA的1％，相对分子质量较小，多为70～300个核苷酸，被称为小核RNA(small nuclear RNA，snRNA)。大多数snRNA分子中富含尿苷酸U，这些富含U的snRNA又称为U-snRNA，它的主要功能是参与基因转录产物的加工。

另外还发现有些RNA具有酶活性，称为核酶(ribozyme)。1981年，Cech在研究四膜虫的rRNA剪接过程时发现，前体rRNA释放出的一个内含子短链L19RNA能够高度专一催化寡核苷酸底物的剪接反应，遵循酶促反应动力学方程。核酶的发现是对“酶的本质是蛋白质”传统概念的挑战。

(三)多糖

糖类是生物体的重要组成成分之一，从细菌到高等动物的机体都含有糖类物质。寡糖和多糖是由单糖通过糖苷键连接成的短链和长链结构。多糖是生物体内的能源贮存物质，如糖原是动物细胞的贮能物质，淀粉是植物细胞的能源物质。糖原是一条很长且有许多支链的葡萄糖多聚体，在肝脏、肌肉细胞中含量丰富。多糖也具有结构功能，纤维素是植物细胞壁的主要成分;黏多糖(如透明质酸、硫酸软骨素等)存在于细胞间质及动物结缔组织细胞的基质中。

寡糖链(主要是其中的中性糖、氨基糖和唾液酸3种)通常与蛋白质或脂质结合成糖蛋白(glycoprotein)和糖脂(glycolipid)。糖蛋白和糖脂是生物膜的重要组分，占生物膜总重量的2％～10％。糖蛋白中的糖链通过3种不同的糖苷键与肽链相结合，与丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸和羟脯氨酸连接的是O-β-糖苷键，称为O-连接(O-linked);与天冬酰胺连接的称为N-连接(N-linked)(图2-10);半胱氨酸与糖之间的连接键是S-糖苷键。

图2-10　O-连接和N-连接

细胞膜中的糖成分有着重要的生物活性。细胞膜及细胞内膜上的许多受体都是糖蛋白;细胞膜的抗原也多为糖蛋白和糖脂，如ABO血型抗原。细胞表面的糖成分不仅对细胞有一定的保护作用，还与细胞周围微环境的维持、细胞的识别与通讯、物质跨膜运输、细胞免疫与细胞癌变等密切相关。除了膜蛋白外，血清中的许多蛋白质也是糖蛋白。