第二章 細胞
原生質內的化學成份
一、 引言
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原生質內的物質分類兩類：
1.
有機：碳水化合物、蛋白質、脂類、核酸
2.
無機：酸、鹼、鹽、水
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物質 |
原生質內的百分比 |
|
水 |
85 |
|
蛋白質 |
10 |
|
DNA |
0.4 |
|
RNA |
0.7 |
|
脂類 |
2 |
|
其他有機物質 |
0.4 |
|
無機物質 |
1.5 |
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生物體內佔最大比例是水。每個細胞約有80%是水。
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水為細胞提供介質進行所有生化反應。
二、 水的特性及其對生物的意義
2.1 水作為溶劑
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水是極性的分子（電荷分佈不均，分子內正負電荷相隔一段短距離）。氧原子帶微負電荷，氫原子帶微正電荷。
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水可以作為無機物質的溶劑：晶體內的負離子和正離子會被水分子的氫原子和氧原子吸引。物質的正負離子被水分子分開，形成溶液。
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水可以作為有機物質的溶劑：即使一些有機物不會離子化，它們能與水分子形成氫鍵；例如糖分子的羥基（-OH），氨基酸的氨基（-NH）。這些分子被水分子包圍，形成溶液。
2.2 表面張力
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在水溶液的表面，表層水分子被來自下一層水分子的氫鍵向下和向內拉。這拉力稱為表面張力。
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水擁有液體中最高的表面張力。
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兩個獨立水分子之間的氫鍵不算強，但大量水分子彼此之間的氫鍵則出現一個強大的內聚力（cohesive
force）。
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基於水有極高表面張力，再加上其內聚力，有助植物透過木質導管運輸水分。
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水的表面張力使水面有彈性，一些較輕的昆蟲能藉此表面支持於水面移動，蚊的幼蟲亦是透過此彈性表層懸浮於水面下。
2.3 水的溫度特性
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相比其他液體，水有很高的比熱容量（把1
g液體提升1oC所需的能量）。所以水溫的改變不大。環境溫度的變化對水影響不大。
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重要性：
1.
生物的生化反應能在較窄的溫度變化下進行。
2.
生物更容易適應此環境生長，尤其海洋生物和淡水生物。
3.
水能作為一個溫度的緩衝溶液，陸上生物能避免巨大的體溫變化。
2.4 水於冰點的特性
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當水溫下降至某一溫度，其體積增加，密度下降，導致冰浮於水面。
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於液體狀態，水分子之間有氫鍵。
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每個水分子內的氧原子會吸引兩個水分子，而每個氫原子會各吸引一個水分子；所以每個水分子能與四個其他水分子互相吸引。
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在冰點（0oC）時，水分子有系統地排列在一起，形成結晶。
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當溫度稍為提高過於冰點（0oC-4
oC），部分限制水分子之間的鍵減弱，水分子能自由活動；但其氫鍵把水分子吸引，使分子之間的距離縮短（比固體時更短）。
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重要性：
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湖泊的水溫受水面空氣影響。低溫的空氣使水面溫度下跌。當水面溫度下降至4oC，其較高的密度使較暖和的水下沉至湖底。
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水的對流亦減慢了水的凝固。
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當水溫繼續受冷空氣影響，水面完全結冰。冰層隔開了冷空氣和湖底的溫水，避免整個湖泊結冰。
2.5 比潛熱
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基於水分子之間的氫鍵，水的氣化需要較大能量。
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蒸發需要消耗大量比潛熱。
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有助陸上動物避免過熱。
2.6 透光性
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光線能穿透水。
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淡水的生境仍然容許植物進行光合作用。
|
Some
biologically important functions of water |
||
|
All
organisms |
Plants |
Animals |
|
?
Structure:
high water content of protoplasm ?
Solvent and medium for diffusion ?
Reagent
in hydrolysis ?
Support
for aquatic organisms ?
Fertilizaton:
in swimming gametes ?
Dispersal
of seeds, gametes and larval stages of aquatic organisms, and seeds of
some terrestrial species |
? Osmosis and turgidity (e.g. growth (cell enlargement), support and guard cell mechanism) ?
Reagent
in photosynthesis ?
Transpiration
and translocation ?
Germination
of seeds – swelling and breaking open of the testa |
?
Transport ?
Osmoregulation ?
Cooling
by evaporation ?
Lubrication,
e.g. in joints ?
Support
(hydroskeleton) ?
Protection,
e.g. mucus ?
Migration
in oceanic current |
三、 生物體內水與其他分子的關係
3.1 溶液（solution）
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很多直徑少於10-5
cm的無機和有機分子能快速溶解於水，形成溶液。
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有助動植物吸取和運輸不同物質。
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由酶催化的所有生化反應亦需要於溶液中進行。
3.2 膠體液（colloid）
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分子直徑介乎10-5至10-3 cm的物質往往有較大的相對分子質量，不能完全溶解於水中。這些物質包括多糖和蛋白質。
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這些物質具有羧基、羥基或氨基，能與水分子形成氫鍵而互相吸引。所以分子能長時間懸浮於液體內而不改變位置，形成膠體液。
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這類與水產生反應的物質稱為親水的膠體液。
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細胞質是一種膠體液。蛋白質分子長期懸浮於細胞的同一位置，其固定的位置容許生化反應的路徑在細胞內形成。
3.3 懸濁液（suspension）
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分子直徑大於10-3
cm的物質不溶於水，只能短暫地懸浮於水，形成懸濁液。
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若擺放一段時間，懸濁液內的物質會與液體分開。
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當脂肪和油在哺乳動物的小腸內乳化時會形成懸濁液。這能增加其表面積讓脂肪酶進行反應。
四、 見於細胞的離子
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在生物體內，礦物鹽會溶解於水中形成離子。
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鹽會離子化形成陰離子（anion，如Cl-,
PO42-, CO32-, NO3-和SO42-）陽離子（cation，如Na+, K+, Ca2+和Mg2+）。它們有助於維持細胞內的滲透潛能和酸鹼的平衡。
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有些鹽以非離子形態存在於細胞內，而是與其他有機分子化合，如鐵（Fe）存在於血紅蛋白（haemoglobin）、鐵蛋白（ferritin）和細胞色素（cytochromes）等。
?
在生物中礦物質所擔當的角色包括：
i.
作為重要化合物的成份，如蛋白質（N,
S, P）、ATP（P）、甲狀腺素（I）
ii.
作為構造的成份，如結締組織（N,
S）、染色體（N, P）、細胞膜（P）、骨（Ca, P）
iii.
作為酶（蛋白質含N）和輔酶（非蛋白質）的成份，如過氧化氫酶有Fe
iv.
活化代謝反應內的酶，如Mg能活化磷代謝過程中的酶
v.
作為色素的成份，如血紅素（Fe）、葉綠素（Mg）、細胞色素（Fe）
vi.
維持陰離子和陽離子間的平衡，尤其於神經脈衝的傳遞上特別重要（Na+,
K+, Cl-）
vii.
維繫細胞和體液的滲透潛能，以進行滲透調節
?
下表概括一些見於細胞的鹽和離子的特性：
|
礦物鹽 |
每日所需攝取量 |
功能 |
缺乏症 |
|
|
鈉 |
Na |
2
mg |
維持體液的滲透平衡 |
|
|
鉀 |
K |
2
mg |
進行神經脈衝的傳遞 |
|
|
氯 |
Cl- |
2
mg |
維持體液的滲透平衡 |
|
|
磷 |
P |
1.5
mg |
骨骼和牙齒的主要成份； 合成重要的分子如ATP、NAD等 |
佝僂病 |
|
鎂 |
Mg |
0.3
mg |
肌肉的收縮 |
|
|
鐵 |
Fe |
12
mg |
紅血球內血紅蛋白的成份 |
貧血 |
|
碘 |
I |
0.2
mg |
甲狀腺素的成份 |
甲狀腺腫 |
|
鈣 |
Ca |
500
mg |
骨骼和牙齒的主要成份；有助凝血作用 |
佝僂病 |
資料來源：以撒之家