细胞的化学组成，复习笔记

概览

细胞由五类主要化学构件组成：水、碳水化合物、蛋白质、脂质与核酸，各自的比例因细胞类型与功能而异。本章讲授每一种生物分子在分子层面由什么组成、在维持细胞与生物体生存中的作用，以及学生在实验室中用来检测未知样本中是否存在该分子的食物测试。

精确掌握单体、每种多聚体的大致形态与测试结果，对试卷三至关重要，因为该卷常要求逐步分析成分未知的样本。失分往往不是因为知识不足，而是把不同测试的颜色变化弄混，因此准确记住试剂与结果的对应关系，与理解背后的化学原理同样重要。

本章中的每一种生物分子都由同样的两种反应构建或分解。缩合反应把单体连接成多聚体，每形成一个新键就释放一个水分子，因此葡萄糖单位连接成淀粉，氨基酸连接成蛋白质链，甘油与脂肪酸连接成脂肪。

水解则相反：加入一个水分子把多聚体分解回单体，这正是消化在肠道内对食物所做的事，让身体能够吸收并利用更小的单位。能在图示或文字方程式中辨认出正在发生的是哪一种反应，并正确说出水是被释放还是被加入，是本章与后面消化及酶章节共有的技能。

本章的试卷三题目通常给出一个成分未知的食物样本，要求辨认其中含有哪些营养素，因此必须准确掌握四种食物测试：试剂、具体步骤，以及还原糖、淀粉、蛋白质与脂质各自的阳性颜色变化。把四种测试并列比较的表格，连同每种测试检测的生物分子及该生物分子的结构单位，是考前复习本章最快的方法之一。

在这里失分的学生通常已理解相关生物学原理，只是把细节写错，例如把颜色写成「蓝黑色」却对应错测试，或忘记只有本尼迪特溶液需要加热。

水（4.1）

水占活细胞质量的大部分，是几乎所有生化反应发生的介质。其极性分子结构，氧原子带轻微负电、两个氢原子带轻微正电，使它能与其他水分子形成氢键，并容易溶解离子性与极性物质，因此常被称为细胞的万能溶剂。

由于溶解的物质能在水中自由移动，水便成为在生物体内运输养分、呼吸气体、激素与废物的介质，无论是在单个细胞的细胞质内，还是通过较大生物体的血浆与木质部液。水也是水解反应中的反应物，在消化过程中，一个水分子被加入以把淀粉或蛋白质等多聚体分解成其组成单体。

水有助于维持生物体温度稳定，因为它具有很高的比热容，意味着它能吸收或释放大量热能而自身温度只发生很小变化，从而缓冲细胞免受温度骤变的影响；水的蒸发，例如出汗或蒸腾作用，也能有效带走热量，因为打断水分子间氢键使液体转化为水蒸气会吸收大量能量。

碳水化合物（4.2）

碳水化合物是碳、氢、氧的化合物，通常比例为(CH₂O)ₙ，大小从单一糖单位到数千个单位组成的长支链不等。单糖是最简单的碳水化合物，是葡萄糖、果糖与半乳糖等单一糖单位，作为呼吸作用的即时能量来源。

麦芽糖、蔗糖与乳糖等双糖由两个单糖经缩合反应连接而成，在新键处释放一个水分子。

多糖是由多个单糖单位经缩合反应连接而成的长多聚体：淀粉与糖原分别是植物与动物体内紧密盘绕的储能多糖，在需要能量时经水解重新释放葡萄糖，而纤维素则形成长而直的交联链，为植物细胞壁提供抗张强度，而非作为能量储存。

蛋白质（4.3）

蛋白质是由氨基酸单体经缩合反应形成的肽键首尾相连构成的多聚体，每形成一个键就释放一个水分子。每个氨基酸都具有相同的基本结构，一个氨基、一个羧基以及连接在中心碳原子上的可变侧链，正是链上侧链的顺序与种类，赋予每种蛋白质独特的三维形状。

这种形状决定了蛋白质的功能：酶折叠成能让精确的活性位点结合特定底物并催化反应的形状，抗体折叠以识别并结合特定抗原，胶原蛋白与角蛋白等结构蛋白则形成赋予组织强度的长纤维。高温与极端 pH 会破坏维持这一形状的氢键及其他相互作用，使蛋白质变性，永久丧失功能，即使连接氨基酸的肽键仍保持完整。

脂质（4.4）

当一分子甘油与三分子脂肪酸经缩合反应结合时，会释放三个水分子并形成三个酯键，这就是脂肪与油有时被称为三酰甘油（甘油三酯）的原因。脂质每克储存的能量约为碳水化合物的两倍，因为其分子含有更高比例的碳氢键，使其成为身体最有效的长期能量储存形式；脂质还构成每个细胞膜的磷脂双分子层，并为器官提供隔热与机械保护。

若脂肪酸链中碳原子之间的每个键都是单键，该脂肪酸称为饱和脂肪酸，这使分子能紧密排列，在室温下呈固态，如黄油、猪油等大多数动物脂肪；不饱和脂肪酸的链中含有一个或多个碳碳双键，使链发生弯折并阻止紧密排列，因此在室温下仍为液态油，如玉米油、橄榄油等植物来源的脂肪。

核酸（4.5）

核酸是由称为核苷酸的重复单体构成的多聚体，每个核苷酸由三部分组成：一个五碳糖、一个磷酸基与一个含氮碱基。DNA（脱氧核糖核酸）由两条相互缠绕成双螺旋的核苷酸链构成，通过两条链上互补碱基之间的氢键相连，并以沿其长度排列的特定碱基序列储存生物体完整的遗传指令。

RNA（核糖核酸）通常为单链，携带来自细胞核中DNA的部分遗传密码的工作副本，运送到蛋白质合成的场所，在那里碱基序列被读取以决定连接在一起构建特定蛋白质的氨基酸顺序。因此，DNA或RNA链上碱基的排列顺序，正是生物体遗传信息与执行细胞功能的蛋白质之间的根本联系。

生物分子的食物测试

本章的试卷三题目通常给出成分未知的食物样本，要求辨认其中含有哪些营养素，因此必须准确掌握四种标准食物测试各自的试剂、步骤与阳性结果。本尼迪特测还原糖的测试需要把样本与本尼迪特溶液一起在水浴中加热，阳性结果表现为颜色从蓝色经绿色、黄色逐渐变为砖红色沉淀。

碘液测淀粉的测试不需要加热：把一滴碘液加入样本中，若含淀粉则颜色会从橙棕色变为蓝黑色。

双缩脲测蛋白质的测试在常温下进行，把双缩脲溶液（或先加氢氧化钠再加稀硫酸铜）加入样本中，若含蛋白质则呈紫色，若不含则保持蓝色。乳化测脂质的测试则把样本与乙醇一起摇晃，再把混合物倒入水中；若在水面上方形成浑浊的乳白色乳化层，即表示含有脂质，而苏丹三号测试则改用红色染料，把混合物表面的脂肪或油层染成红色。

各生物分子间的缩合与水解

同样一对相反的反应构建并分解碳水化合物、蛋白质与脂质。缩合反应把两个较小的单体分子连接成一个较大的多聚体分子，并在每形成一个新键时释放一个水分子，例如，两分子葡萄糖缩合形成麦芽糖，两个氨基酸缩合形成二肽，甘油与脂肪酸缩合在脂质中形成酯键。

水解是相反的过程：在键的两端加入一个水分子，把多聚体分解回其单体，这正是消化酶在肠道中对大型食物分子所做的事，把淀粉分解为葡萄糖、把蛋白质分解为氨基酸、把脂肪分解为甘油与脂肪酸，使这些较小的单位能够被吸收进入血液。能辨认图示或文字方程式显示的是水分子被释放（缩合）还是被加入（水解），是本章与后面消化及酶章节直接共有的技能。

须掌握的关键概念

• 水, 水占活细胞质量的大部分，是几乎所有反应发生的介质。它能溶解离子性与极性物质，使养分与废物得以运输，在水解反应中充当反应物，并因能吸收大量热量而自身温度不会大幅上升，从而帮助维持细胞温度稳定。
• 碳水化合物, 碳水化合物包括单一糖单位（单糖，如葡萄糖与果糖）、两个单位连接（双糖，如麦芽糖与蔗糖），以及数百至数千单位连成的长链（多糖，如淀粉、糖原与纤维素）。其主要作用是供应与储存能量，而纤维素则为植物细胞壁提供结构强度。
• 蛋白质, 蛋白质是由氨基酸经肽键连接而成的多聚体，并折叠成决定其功能的特定三维形状。它构成催化反应的酶、对抗感染的抗体，以及角蛋白与胶原蛋白等结构物质。高温与极端 pH 会破坏维持形状的键，使蛋白质变性并丧失功能。
• 脂质, 脂质是脂肪与油，由一分子甘油与三分子脂肪酸经缩合反应结合而成。它每克储存的能量约为碳水化合物的两倍，构成细胞膜的磷脂双分子层，并为器官提供隔热与保护；饱和脂肪酸只含单键，不饱和脂肪酸则含一个或多个双键。
• 核酸, 核酸是核苷酸的多聚体，每个核苷酸由糖、磷酸基与含氮碱基组成。DNA 以沿双螺旋排列的碱基序列储存生物体的遗传指令，而 RNA 携带这段密码的部分副本，用于在细胞内合成蛋白质。
• 食物测试, 四种食物测试用于鉴定样本中的主要生物分子：本尼迪特溶液与还原糖一起加热呈砖红色，碘液与淀粉呈蓝黑色，双缩脲溶液在不加热的情况下遇蛋白质呈紫色，乳化测试或苏丹三号测试则使脂质呈现乳白色层或红色。
• 缩合与水解, 单体通过缩合反应连接成多聚体，每形成一个新键就释放一个水分子；消化则通过水解反应逆转这个过程，即加入一个水分子断开键，把多聚体分解回单体。碳水化合物、蛋白质与脂质都由这同样的两种反应构建与分解。
• DNA 结构, DNA 是双螺旋结构，由两条互相缠绕的核苷酸链构成，两条链之间靠碱基配对连接。其中一条链上的碱基序列即遗传密码，决定细胞合成某种蛋白质时氨基酸连接的顺序。
• 饱和与不饱和脂肪, 饱和脂肪酸的碳原子之间只有单键，排列紧密，在室温下通常呈固态，例如大多数动物脂肪。不饱和脂肪酸含有一个或多个碳碳双键，排列不那么紧密，通常是来自植物的液态油，例如玉米油或橄榄油。
• 具结构作用的生物分子, 除了储存能量，三类生物分子还构成实际结构：纤维素增强植物细胞壁，胶原蛋白与角蛋白等结构蛋白构成结缔组织、毛发与指甲，磷脂则排列成每个细胞膜的双分子层。把这种结构作用与淀粉、糖原和脂肪的储能作用相比较，是考题常用来检验对全章理解的方式。

快速回想清单

1. 你能定义并解释水吗？
2. 你能定义并解释碳水化合物吗？
3. 你能定义并解释蛋白质吗？
4. 你能定义并解释脂质吗？
5. 你能定义并解释核酸吗？
6. 你能定义并解释食物测试吗？
7. 你能定义并解释缩合与水解吗？
8. 你能定义并解释DNA 结构吗？
9. 你能定义并解释饱和与不饱和脂肪吗？
10. 你能定义并解释具结构作用的生物分子吗？

常见问题

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