生命的物質和結構基礎
地球上的生物包括細菌、真菌、植物、動物和人類，雖然它們種類繁多、大小形態各異，但從物質組成來看，卻都是由原生質組成的，這是生命的物質基礎。從結構看(病毒除外)都是由細胞構成，這是生命的結構基礎。
生命的物質基礎
一、細胞內的物質
原生質並不是一種化合物，而是由多種化合物所組成的複雜的膠體，它具有不斷自我更新的能力，成為一種生命物質的體係。現在人們泛指構成細胞內的生活物質為原生質。那麼，構成細胞內的所有物質都是原生質嗎？不是的，通常把細胞內含有的物質大致分成四類：
從上述情況可以看出，原生質包括細胞膜、細胞質和細胞核等部分；而植物細胞的細胞壁不屬於原生質。
隨著科學技術的發展，細胞的複雜結構和化學組成已逐漸被人們所認識，因而原生質作為一種物質的概念就失去了意義。現在使用原生質這一名稱時，無非是泛指細胞內的生活物質，是生命的物質體係。
二、構成原生質的化學元素
在研究原生質的化學成分時，人們發現組成原生質的化學元素有幾十種之多，其中有10多種在數量上較多。
主要元素和微量元素如下：
組成原生質的各種元素，沒有一種是無機自然界所沒有的。聯係生命起源的化學進化過程，可以看出生物與非生物具有一定的聯係性。
構成原生質的化學元素，在無機物中除了少量的氧和氮外，均以化合態存在，主要是水和無機鹽；而有機物則以糖類、脂類、蛋白質和核酸等化合物存在於體內。例如：氫和氧兩元素結合成水；碳、氫、氧存於有機物中；氮主要是蛋白質和核酸的組成元素；磷以磷酸鹽形式存在，少部分存於核酸、磷脂中；硫大部分存於蛋白質；鉀主要存於細胞內液，而鈉、氯則主要存於細胞外液。
三、構成原生質的化合物
不同細胞或不同生物中，各種化合物的含量有一定的差異，如表1-1-1所示(以占鮮重百分數來表示)如果以各種材料的平均值看，水是原生質中含量最多的，約占鮮重的80％～90％；但在細胞的幹重中，蛋白質含量最多。
(一)水
水是生物體的主要組成成分之一，不同機體或同一機體的不同器官，含水量差別很大。例如，人體各部分含水量如下：骨骼22％，肌肉76％，腦70％～84％，肝髒70％，皮膚72％，心髒79％，血液83％。一般說來，水生生物和生命活動旺盛的細胞，含水較多；陸生生物和生命活動不活躍的細胞，含水分較少。如休眠的種子、孢子含水量低於10％。
水在細胞裏的存在形式有兩種：自由水和結合水。前者能自由流動；後者不能自由流動，其中有一部分與離子結合而成為離子化水，大部分則以膨潤親水膠體而存在於膠粒的間隙中。在一定條件下自由水可以轉化為結合水，例如血液裏所含的水多為結合水，但在體外凝固時，自由水變為被凝膠所包圍的結合水。
水在生物體內的作用是：①自由水是良好的溶劑，利於細胞內各種代謝反應的進行，營養物質的吸收，代謝廢物的排出都離不開水。②自由水流動性大，是物質運輸的介質。③水直接參加體內的生化反應，如水解、氧化還原反應以及在綠色植物體內進行光合作用光反應時水的光解等。④水的比熱大、蒸發熱大，所以具有調節體溫的作用。此外，在植物細胞內，液泡裏含有大量的水，對維持細胞的緊張度，使枝葉挺立，保持植物固有姿態也起著重要作用。
(二)無機鹽
無機鹽一方麵是生活物質的周圍環境的一種成分，另方麵又是生活物質的基本組分之一。細胞中的鹽類大多數以離子狀態存在，如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42- ……等。
無機鹽有的直接參與不同生物大分子的形成，如PO43- 是合成磷脂、核苷酸所必需的；Fe3+是細胞色素、血紅蛋白的成分；無機鹽對維持細胞的酸堿性、滲透壓，以及細胞形態和功能起著一定的作用。此外，有的無機鹽還影響酶的活性，如Cl- 可以激活唾液澱粉酶的活性；Ca2+可以使血液中凝血酶元變為活性的凝血酶等。
(三)糖類
糖類廣泛分布於動、植物體的各種組織細胞中。動物的血液裏含有葡萄糖，乳汁裏有乳糖，肝髒、骨骼肌裏有糖原。植物光合作用的產物是葡萄糖，新鮮的果實裏含有果糖，甘蔗、甜菜裏含有蔗糖，種子裏有澱粉，植物細胞壁的成分是纖維素。
糖類是由C、H、O三種元素所組成的多羥基的酮或醛的衍生物。它的分子通式是：Cn(H2O)m(n和m通常大於2)。符合此通式的並不一定都是糖，如乳酸C3H6O3即是一例；相反也有個別的糖不符合此通式，如脫氧核糖C5H10O4，鼠李糖C6H12O5。
根據糖類水解的情況，可以分為單糖、雙糖和多糖三大類。在生物體內重要的單糖、雙糖和多糖如下表所示：
綜上所述，糖類是生命活動的主要能源，也是細胞的組成成分之一。
(四)脂類
脂類包括脂肪、類脂和固醇類物質。它們不溶於水，但溶於有機溶劑中。脂類是構成生物體的重要物質，組成脂類的主要元素是C、H、O三種，但氧元素含量低，碳和氫元素比例高，而糖類則與此相反(見表1-1-2)。
因此，脂類徹底氧化後可以釋放出更多的能量。
1．脂肪
脂肪分子是由一分子甘油和三分子脂肪酸組成的，又稱為甘油三酯。脂肪大量儲存在植物和動物的脂肪細胞中，人和動物的脂肪組織分布在皮下以及各內髒器官間。脂肪組織質地柔軟，具有一定彈性，因此可以減少內部器官的摩擦，緩衝外界對機體的作用力，減少損傷。脂肪不易傳熱，可以保持體溫。
脂肪的主要功能是供給能量，1克脂肪在體內完全氧化時釋放出的能量為38.87千焦；而1克葡萄糖在體內完全氧化時釋放出的能量為17.15千焦。因此，脂肪是細胞中最好的貯能物質。此外，脂肪還可以協助脂溶性維生素的吸收。如維生素A、D、E、K和胡蘿卜素等均可溶於食物的油脂中而與油脂一起被吸收。
2．類脂
類脂包括磷脂、糖脂等。其中最重要的是磷脂。它是組成生物膜結構的大分子。磷脂的組成成分為甘油、脂肪酸、含氮有機堿及磷酸。人體中的磷脂有卵磷脂和腦磷脂，其結構可用下圖解表示：
磷脂中的磷酸氮堿部分易與水相吸，構成磷脂分子的親水性頭部；而來自脂肪酸的碳氫鏈部分，不與水相吸，構成疏水性尾部。在參與膜的結構時，磷脂分子排列成雙分子層，親水性頭部朝外，疏水性尾部相對，朝向內側。
3．固醇類物質
固醇類物質包括膽固醇、性激素、腎上腺皮質激素、維生素D原等。膽固醇和磷脂一樣，也可以同蛋白質結合成脂蛋白，作為細胞膜的一部分。膽固醇是人體必需的化合物，它不僅可以從食物中獲得，而且也可以在體內合成，體內合成的膽固醇比從食物中吸收的還多。
維生素D原是形成維生素D的前身物，如皮膚裏有一種7-去氫膽固醇，在紫外線照射下可轉變為維生素D。
性激素、腎上腺皮質激素在調節正常的新陳代謝和生殖上都有重要的功能。
(五)蛋白質
蛋白質是構成生物體的基本物質，從病毒到人類，一切生物體內都有蛋白質的存在。在生命活動過程中，蛋白質有著極其重要的功能。
1．蛋白質的組成元素及結構單位
所有蛋白質的元素組成都很近似，都含有C、H、O、N四種元素。其中平均含氮量約占16％，這是蛋白質在元素組成上的一個特點。此外，有些蛋白質還含P、S兩種元素，有的還含微量的Fe、Cu、Mn、I、Zn等元素。
蛋白質是一種高分子化合物，分子量很大，約在5×103～5×106左右或更大些。例如人的血紅蛋白的分子量是64500；煙草花葉病病毒的分子量是40000000。
蛋白質水解後的最終產物是氨基酸。氨基酸是組成蛋白質分子的基本結構單位。組成不同蛋白質分子的氨基酸在數量上可以是幾十、幾百或更多，但其種類主要有20種。
構成蛋白質的氨基酸在結構上具有共同的特點，這就是每種氨基酸至少都有一個氨基(-NH2)和一個羧基(-COOH)，並且都連在同一個碳原子(叫做α碳原子)上，其結構通式如下：
20種氨基酸的不同，主要表現在R基(也叫側鏈基團)的不同。如表1-1-3所示
氨基酸的三個字母縮寫分別是：
丙氨酸Ala，精氨酸Arg，天冬酰胺Asn，天冬氨酸Asp，半胱氨酸Cys，穀氨酰胺Cln，穀氨酸Gln，甘氨酸Gly，組氨酸His，異亮氨酸Ile，亮氨酸Leu，賴氨酸Lys，甲硫氨酸(蛋氨酸)Met，苯丙氨酸Phe，脯氨酸Pro，絲氨酸Ser，蘇氨酸Thr，色氨酸Trp，酪氨酸Tyr，纈氨酸Val。
20種氨基酸中，有8種是人體不能製造的，隻能從食物中獲得，故稱為必需氨基酸。它們是：蘇氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、色氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸(蛋氨酸)、亮氨酸和異亮氨酸。必需氨基酸對人體來說，是重要的生活物質。
2．蛋白質的分子結構
蛋白質的分子結構十分複雜，大致可分為四個層次：
(1)蛋白質的一級結構 主要指組成蛋白質分子的多肽鏈中氨基酸的數目、種類和排列順序。
在肽鏈中氨基酸間的連接是由一個氨基酸分子的氨基與另一個氨基
在一級結構中，肽腱(—CO—NH—)是主要的連接鍵。由兩個氨基酸分子脫水連接成的物質叫做二肽，三個氨基酸分子縮合成的物質叫做三肽，餘類推。由許多氨基酸分子縮合成的物質叫做多肽。多肽具有的鏈狀結構叫做肽鏈，它是一級結構的主體。科學家已通過一定的方法，了解到近千種蛋白質的一級結構。如胰島素(51個氨基酸)，核糖核酸酶(124個氨基酸)，細胞色素C(104個氨基酸)，人血紅蛋白(574個氨基酸)等。
(2)空間結構
①蛋白質的二級結構。指蛋白質分子中多肽鏈本身的折迭方式。據實驗證明，二級結構中主要是α-螺旋結構和β-折迭片層結構。此結構中有氫鍵參加，以維持其穩定性(圖1-1-1)。
②蛋白質的三級結構。指在二級結構的基礎上，再由氨基酸側鏈之間通過形成氫鍵、疏水鍵、二硫鍵等再度折迭、盤曲，形成複雜的空間結構(圖1-1-2)。幾乎所有具有重要生物學功能的蛋白質都有嚴格的特定的三級結構。
③蛋白質的四級結構。指含有兩條或多條肽鏈的蛋白質中，各條肽鏈如何排列，它們彼此關聯聚合成大分子蛋白質的方式。構成功能單位的各條肽鏈，稱為亞基。例如，人血紅蛋白是由四個亞基(2個α亞基，2個β亞基)所組成。一般說，亞基單獨存在時沒有生物活力，隻有完整的四級結構才有生物活力。有的蛋白質分子隻有一、二、三級結構，並無四級結構，如肌紅蛋白、細胞色素C等。另一些蛋白質則四種結構伺時存在，如血紅蛋白、過氧化氫酶等。
④空間結構的諸種鍵統稱次級鍵，不穩定斷裂可引起空間結構改變，生物活性喪失，稱為蛋白質的變性作用(一級結構不變)，有的變性可逆，有的不可逆。
綜上所述，蛋白質是由許多氨基酸分子通過肽鍵連接而成的高分子化合物。每個蛋白質分子可以含有一條或幾條肽鏈，每條肽鏈按各自特殊的方式折迭、盤曲構成具有一定空間結構的蛋白質。
3．蛋白質的化學分類
可分為簡單蛋白質，即水解後隻得到α-氨基酸，如清蛋白、球蛋白、穀蛋白和角蛋白等；與結合蛋白質兩種。結合蛋白質是由簡單蛋白質與輔基(非蛋白質)組成。根據輔基不同，結合蛋白質又可分為：①核蛋白，輔基為核酸；②糖蛋白，輔基為糖，與細胞免疫和細胞識別有關；③脂蛋白，輔基為脂類；④色蛋白，輔基為色素，如血紅蛋白為鐵卟啉，若鐵被鎂取代為葉綠素；⑤磷蛋白，輔基為磷酸，如胃蛋白酶、酪蛋等。
4．蛋白質的功能分類
從功能上蛋白質可分為結構蛋白質，參與細胞的構成；和酶，參與代謝。
5．蛋白質功能的多樣性
生活細胞中的蛋白質是極其多樣的。據估計，在最簡單的細菌細胞中，在它的生活周期的任何時刻，都可以找到600～800種不同的蛋白質；在人體中至少有上千種蛋白質行使著不同的功能。
蛋白質的多樣性，首先是由氨基酸的種類、數目和排列順序所決定的。雖然組成蛋白質的氨基酸隻有20種，但是，正如26個英文字母可以組成許許多多英文詞彙一樣，20種氨基酸的不同排列順序和不同數目的組合，產生了生物界多種多樣的蛋白質。根據排列理論，不同事物可能的順序排列數的通式，一般是n！(n階乘積)。20種氨基酸共有20！即20×19×18×17×……×1，這是一個驚人的數目，約為2×1018，這就是說，對於一條含有20種不同氨基酸的多肽，其中每種氨基酸僅僅出現一次，其可能的順序組合數是2×1018種肽鏈。如果考慮到肽鏈可以少於20種氨基酸，以及每種氨基酸在同一肽鏈上可以重複出現，那麼實際數目遠比上述的數目大。有人估計所有生物的蛋白質的種類約為1010～1012。可見其多樣性。
其次，即使是氨基酸的數目、種類、序列完全相同，但其肽鏈空間結構的多樣和複雜，也使蛋白質具有多樣性。