细胞中的舞者

对于一个最小的生命系统细胞而言，如果他要作为一个生命体独立存在，那么它一定需要的几大基础分别是构成生命的材料，能量，自我复制以及生命体中各部分的分工。

那对于一个生命体而言，这些功能又是分别由什么物质承担的呢？

这世界的一切物质都是由化合物或单质构成的，在我们的身体中肯定也是由化合物以及单质构成的。

那我们应该怎样研究呢？其实无论是化合物还是单质，他们在本质上都是不同的元素。所以我们可以研究我们的体内有哪些的元素，我们就可以有方向的去推断，验证我们体内有哪些化合物及单质。

经过研究发现，构成我们身体的元素和构成地壳以及构成其他生物的元素种类大体相同，而含量却有很大差异。这些含量有差异的元素，意味着这些元素形成了不同于其他生物及非生物的化合物，而这些化合物才能行使与生命相关的独特功能。

那在我们的体内都有哪些元素呢？我们根据我们体内的元素的不同含量，将其分为大量元素和微量元素。大量元素有碳，氢，氧，氮，磷，硫等。微量元素有铁，锰，锌，铜，硼，钼等。

根据我们体内大量元素的种类，我们可以猜测出我们细胞内的化合物。将我们体内化合物的种类分成无机物和有机物，无机物有水和无机盐；有机物有蛋白质，还原性糖，脂质和核酸。那我们应该如何验证这些化合物的存在呢？我们可以利用这些特定的化合物与特定试剂所发生的颜色反应，来检验我们体内是否有这些化合物。实验证明我们的猜想是正确的。

那我们细胞内的这些化合物是如何存在的？又有怎样的功能呢？

如果我们将一颗种子放在阳光下照射，7天这个种子就会变成干种子，而且它的质量也会变轻，这代表它体内的水分散失了。当我们把这个干种子净泡在水中后一段时间后，这颗种子就会重新萌发。由此可见，我们细胞中的含水量是极高的，而且对细胞的生命活动来讲又是极为重要的。那如此之高的含水量究竟有何功能与作用呢？这些水又是如何存在于我们的细胞之中的呢？

首先水可以作为良好的溶剂，这样也可以使我们身体中的很多元素可以以离子的形式存在，同时也可以维持我们体内的酸碱平衡。其次水也可以参加体内的生化反应，然后水对于我们的新陈代谢也很重要，水可以很好的运输我们体内的营养物质和帮助我们代谢废物。最后我们体内的水也可以为我们的细胞提供一个液体环境。水这样的功能和作用，都取决于水的溶解性和流动性。

那水又是如何在我们的细胞内存在的呢？我们将在阳光下照射鸡蛋的干种子用酒精灯加热，直至管壁上出现水珠。按理来说，如果我们用水浸泡这颗种子，这个种子又会重新吸收水分，然后萌芽，然而当我们在用水去浸泡这个种子时，我们就会发现这个种子不能像之前那样萌发了，这就代表着这个种子，它失去了它原有的活性。那为什么当这种不易散失的水分失去了之后，这颗种子就会失去活性的呢？这部分不易散失的水和之前那部分容易散失的水到底有怎样的区别呢？

这些水和之前那些容易散失的水分不同的就是这些水它是细胞或生命体的构成部分。这些水分子可以稳定如蛋白质这样的大分子结构，塔可以维持生命基底的正常运行。如果丧失了这部分的水，也就是说生命机体无法正常运行的话，那么这个生命体就会失去活性，也就是死亡。而结合水的存在就是为了提高生命体的抗逆性，使得生命体在极度恶劣的环境中也能存活下来。

我们将这部分不易散失的水命名为结合水，实际上它在我们体内所占的比重是很低的，仅仅占我们体内所有水的4.5%，而那部分易散失的水分，我们将它称之为自由水，它在体内占95.5%。

那水为什么可以在细胞中实现这样复杂多样的功能呢？也就是说水究竟是如何既具有流动性的同时又有吸附性的？

我们知道结构决定功能。水具有这样复杂多样的功能，一定是因为水分子独特的结构。水分子的结构就像一个米奇一样。两个耳朵是氢原子，而中间那个脑袋是氧原子。这样的结构使得水分子并不是辐射对称的，也就会使得氢原子带弱正电，而氧原子带弱负电。我们将这样的分子称为极性分子。

正是因为水分子的两端带有不同的电荷，所以水分子之间可以通过静电作用形成氢键，而氢键的形成和断裂也就使得水分子具有流动性和吸附性。

我们前面提到了细胞中的水分为自由水和结合水，那自由水和结合水之间永远都是相互割裂的吗？他们之间有没有什么关系或者他们可不可以相互转化那自由水和结合水能否相互转化呢？如果可以的话，这样转化有没有什么规律呢？

在一定条件下自由水和结合水是可以相互转化的。我们知道结合水其实就是要维持生命基底的正常运行，也就是最基本的生命活动。当环境极度恶劣时，我们只能维持生命最基本的活动，减缓生命体的新陈代谢，以提高抗逆性。

这时自由水就会变成结合水，自由水和结合水的比例就会变小。当环境适宜时则相反，自由水和结合水的比例会变大。

我们每天吃饭时都要撒上一些食盐，这些盐不仅是我们的调味剂，它在我们身体中也有极大的作用。

我们细胞中有大量的水，而这些无机盐在水中因为水合的作用，大多数都是以离子的形式存在的，如钾离子，钠离子，氯离子等等，还有少数无法在水中水合的。如构成我们牙釉质的碳酸钙，就是以化合物的形式存在的。这些无机盐对于我们来讲是很重要的，它们是构成细胞某些复杂化合物的重要组成部分，就比如血红蛋白与三价铁离子这些无机盐还可以调节渗透压。当细胞外的离子浓度大于0.9%的时候，细胞就会收缩，而当其浓度低于0.9的时候，细胞就会扩大。无论是收缩还是扩大，都会影响细胞的正常的结构和功能。离子还有很重要的功能，就是可以传输神经电信号，就比如钠离子。

这样的无机物在很多非生命体中也广泛存在，但是在我们的生命体中，这些无机物也可以仿佛有生命一样的行驶它独特的功能。当然我们生命体和那些非生命最本质的区别并不在无机物上，而是在一些有机物上，正是那些有机物提供了生命最基础的保障，并行使着独特的生命活动。

根据前面的实验，我们了解到在细胞内的有机物有糖类，脂质，蛋白质，核酸。那这些有机物又是如何存在于我们的体内？行使着怎样的功能呢？

我们先以糖为例。首先糖类肯定是由碳、氢、氧这三种元素通过共价键（共用电子对）结合在一起的。通过观察一些有机小分子的结构式，我们观察到许多有机物都是以碳为骨架的，在这些碳骨架上又有一些特殊的原子团，这些原子团就是发生化学反应的承担者，因为这些原子团的特殊功能，我们将这些原子团称为“官能团”。官能团有很多，我们身体中的有机物中主要由羟基-OH，羧基-COOH，氨基-NH2。

我们在医院输液时，经常会见到葡萄糖，为什么输液时输的是葡萄糖，而不是其他的糖呢？这是因为葡萄糖是单糖可以直接吸收。同样为单糖的还有果糖，核糖，脱氧核糖和半乳糖。其中葡萄糖和果糖为六碳糖，核糖和脱氧核糖是五碳糖。这是由于他们空间构型不同，就比如六碳糖的空间构型就是一个六边形，这样既可以节省空间，又可以节省材料。而将一个氧替换掉一个角上的碳，空间构型的样式，使结构更加多样，结构决定功能，功能也就更加复杂。

当然我们体内不能仅仅只有供能物质，还要有储能物质来确保我们可以应对外界的突发情况。但是如果只把一个个单糖储存起来那样未免太浪费空间了，而且能储存的量也并不多。那应该如何储存才能既省空间又可以储存大量的能量呢？

可以通过将一个个有机小分子结合变成有机大分子的方式来将一个个单糖储存起来。说起来容易，但是一个个有机小分子到底如何变成一整个有机大分子呢？

我们前面提到的官能团在此刻发挥他的功能。两个有机小分子相邻的羟基可以结合，生成一个水分子，一个氧原子。将生成的水分子脱去，原来的两个羟基就变成了一个氧原子。这样连接就可以把很多个有机小分子变成一个有机大分子了。这样的过程叫做脱水缩合。两个单糖可以脱水缩合形成二糖，就比如麦芽糖，蔗糖，乳糖。多个单糖可以脱水缩合形成多糖，多糖有纤维素，淀粉，糖原和几丁质。而当我们需要利用这些储存的能量时，也就是需要释放出这些能量时，就可以通过水解反应，将它们再变回可供细胞直接吸收，进行氧化反应的有机小分子。

我们体内的有机物还有脂质。那脂质又是以怎样的方式存在，并行使着怎样的功能呢？

脂肪是脂质的一种，通过观察脂肪的结构是我们发现脂肪是由碳原子构成的长链，而且脂肪分子上的氢原子非常多。正是因为脂肪分子上氢原子的数量如此之多，所以脂肪才是良好的储能物质。脂肪不仅可以储能还可以保护内脏和保温，这些都和脂肪独特的结构有关。可以分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸饱和脂肪酸中的有一些碳原子是以双键的形式结合的，不饱和脂肪酸中的所有碳原子都是以单键的形式结合的。

脂质中除了有脂肪，还有磷脂和固醇。磷脂是构成细胞膜的主要物质。细胞膜的基本结构是磷脂双分子层，在这些磷脂分子中间镶嵌着一些蛋白质分子，细胞膜的表面还有一层糖被，糖被分为糖蛋白和糖脂，就这样形成了一个流动双分子镶嵌结构。而固醇又可以分为胆固醇，维生素d和性激素。胆固醇也是构成细胞膜的物质，而维生素d可以促进钙的吸收，性激素可以促进生殖器官和生殖细胞的发育。

当糖类剩余很多时，多糖会大量进一步脱水缩合形成脂质。但是脂质却只能少部分水解变成多糖，因为脂质除了供能之外，还有其他很重要的功能。

我们体内能量的问题已经解决了，但我们还需要生命的材料，去行使生命活动。担任这一项重要功能的就是蛋白质。蛋白质可以起到调节，催化，运输，构成，免疫的作用。

那蛋白质是如何行使众多功能的呢？这就和蛋白质的基本单位有关了。蛋白质的基本单位是氨基酸。氨基酸是一个碳原子至少同时连接一个氨基和一个羧基。氨基酸上还有一个R基，也就是侧链基团和一个氢原子。氨基酸之所以有不同的种类，就是由于氨基酸的侧链基团是不同的。

在我们人体内总共有21种氨基酸，其中有13种氨基酸是不必需氨基酸，我们可以自身合成。而另8种则是必需氨基酸，人体无法自我合成，只能从外界获得。

但是蛋白质是生命活动的主要承担者，要行使很多不同的功能。仅仅21种氨基酸是如何构成可以行使如此多功能的蛋白质的呢？

我们猜想氨基酸可能也是通过脱水缩合形成蛋白质的。但蛋白质远远没有我们想的如此简单。氨基酸要变成蛋白质的第一，步当然是脱水缩合，但是这样脱水缩合，仅能依靠肽键形成一条肽链，肽链有二肽，三肽……多肽。这就是蛋白质的一级结构。一个肽链，如果想形成蛋白质，还得继续努力。一个氨基酸上有一个氨基，同时还有一个羧基，氢离子和羟基的结合使两条肽链也可以通过氢键的方式形成阿尔法螺旋和贝塔折叠这两种结构。然而这也仅仅是蛋白质的二级结构。前面我们提到不同种类的氨基酸上会有一个不同的R基，而这个R基就可以通过多种化学键，使肽链进一步盘曲折叠，形成蛋白质的三级结构。最后多条肽链聚集在一起，形成更为复杂结构，这才是蛋白质的四级结构。

蛋白质的多样性主要来源于两个层面，第一个层面是氨基酸的层面，由于氨基酸有21种不同的种类，而且构成蛋白质的氨基酸的数量非常多，以及氨基酸不同的排列顺序。第2个层面也就是肽链，肽链的空间构型实在是太复杂，也太多样了，最后形成的蛋白质的空间构型也是非常的丰富。还是那句话，结构决定功能正是因为如此之多的结构，蛋白质也就有如此之多的功能，才能在我们体内担当好生命活动的主要承担者。

现在我们的身体已经有了能量，有了生命材料，那我们应该如何把我们这样一幅生命的蓝图延续下去呢？我们应该如何实现生命的自我复制呢？这时就需要一个物质将遗传信息保存下来传给下一代。而这个遗传信息的携带者就是核酸，核酸是指DNA和RNA的统称。核酸可以储存遗传信息，还可以控制一切生命活动。但是一个核酸是如何存储如此庞大而复杂的遗传信息的呢？同样这也和核酸的基本单位有关。

核酸的基本单位是核苷酸分子，一个核苷酸分子由一个磷酸基团和一个五碳糖，还有一个含氮碱基构成。我们先来讨论DNA的核苷酸。在 DNA中，核苷酸的五碳糖是脱氧核糖。而含氮碱基有4种，分别是腺嘌呤，鸟嘌呤胞嘧啶和胸腺嘧啶。这样4种不同的含氮碱基也就形成了4种不同的核苷酸分子，分别是腺嘌呤脱氧核糖核苷酸,鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸,胞嘧啶脱氧核糖核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸。为了方便表示，我们用A G C T 4个大写字母来代替这4种核苷酸。

那这4种核苷酸又是如何形成DNA的呢？和前面一样，核苷酸的第1步仍然是脱水缩合。不同的核苷酸上的磷酸基团会脱水缩合形成磷酸，而这个化学键叫磷酸二酯键，这个磷酸二酯键具有很强的稳定性和方向性，通常这个磷酸二酯键只会由3'C上的羟基和磷酸基团结合而成。这样形成的只是一条单链，但是我们观察到的DNA却是一条双链，那这样一条单链是如何变成双链的呢？这是因为不同的含氮碱基会相互配对，也就是碱基配对。但碱基配对并不是毫无秩序的，腺嘌呤脱氧核糖核苷酸只会和胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸以双键的形式配对。而鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸只会用三键的形式和胞嘧啶脱氧核糖核苷酸配对。而DNA的特异性就来源于不同次序且数量如此之多的碱基对。

那RNA和DNA又有怎样的区别呢？首先RNA和DNA的区别就在于核苷酸不同。 DNA的核苷酸是脱氧核糖核苷酸，但是RNA的核苷酸则是核糖核苷酸.RNA的核苷酸的含氮碱基也和DNA有一点点不同，RNA的含氮碱基中没有胸腺嘧啶，而是尿嘧啶。尿嘧啶核糖核苷酸用大写字母U表示。其次 RNA不同于DNA的双链，RNA是单链。这样也导致了RNA不稳定并且容易变异。

其实我们人体中并不仅仅有DNA，我们人体中含有RNA。但RNA这样不稳定还容易变异，它存在在我们体内的价值和意义又是什么呢？ RNA究竟有怎样的功能呢？其实ra大有用处，在生命诞生之初，核酸就是以RNA的形式存在的，因为RNA既可以承担蛋白质的功能，又可以承担DNA的功能。也就是说RNA既可以帮助DNA自我复制，同时也可以指挥蛋白质工作。当DNA需要自我复制时，RNA就从细胞质中到细胞核里，帮助DNA自我复制，再以自身为样本指挥蛋白质工作。

到此为止，我们就通过我们的观察，猜想，推理演绎以及实验种种方法构建了细胞生命体的物质基础。正是由于这些物质的存在，才使得我们身体中的细胞可以行使不同于非生命体的独特功能。也许这些物质我们在日常生活中都很常见，但是当他们一起构成我们这具身体时，他们都可以展现出他们作为一个生命的一部分的非凡意义。