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第二章 細胞

原生質內的化學成份

一、 引言

?        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

物質

原生質內的百分比

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

?        生物體內佔最大比例是水。每個細胞約有80%是水。

?        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

?        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。

?        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。

?        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

?        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。

?        水擁有液體中最高的表面張力。

?        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)。

?        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。

?        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

?        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。

?        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

?        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。

?        於液體狀態,水分子之間有氫鍵。

?        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。

?        在冰點(0oC)時,水分子有系統地排列在一起,形成結晶。

?        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)。

?        重要性:

?        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。

?        水的對流亦減慢了水的凝固。

?        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

?        基於水分子之間的氫鍵,水的氣化需要較大能量。

?        蒸發需要消耗大量比潛熱。

?        有助陸上動物避免過熱。

 

2.6  透光性

?        光線能穿透水。

?        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

?        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。

?        有助動植物吸取和運輸不同物質。

?        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

?        分子直徑介乎10-510-3 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。

?        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。

?        這類與水產生反應的物質稱為親水的膠體液。

?        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

?        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。

?        若擺放一段時間,懸濁液內的物質會與液體分開。

?        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

?       在生物體內,礦物鹽會溶解於水中形成離子。

?       鹽會離子化形成陰離子(anion,如Cl-, PO42-, CO32-, NO3-SO42-)陽離子(cation,如Na+, K+, Ca2+Mg2+)。它們有助於維持細胞內的滲透潛能和酸鹼的平衡。

?       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)、ATPP)、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

Na

2 mg

維持體液的滲透平衡

 

K

2 mg

進行神經脈衝的傳遞

 

Cl-

2 mg

維持體液的滲透平衡

 

P

1.5 mg

骨骼和牙齒的主要成份;

合成重要的分子如ATPNAD

佝僂病

Mg

0.3 mg

肌肉的收縮

 

Fe

12 mg

紅血球內血紅蛋白的成份

貧血

I

0.2 mg

甲狀腺素的成份

甲狀腺腫

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