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第2章组成细胞的分子第1节细胞中的元素和化合物

细胞是生命活动的基本单位，而构成细胞的分子则是研究生命现象的基础。细胞中的化学成分包括各种元素和化合物，分布在细胞质、细胞核、细胞膜等各个部分，对维持生命活动至关重要。

一、细胞中的元素

1.元素的基本概念

元素是由同一类原子组成的纯净物质。生物体的细胞是由化学元素构成的，这些元素参与构成细胞的各种分子，直接影响细胞的结构和功能。

2.细胞中的主要元素

在自然界存在的100多种元素中，只有少数几种元素广泛存在于细胞中。根据含量多少，可将细胞中的元素分为常量元素和微量元素。

（1）常量元素

常量元素是指细胞中含量较多的元素。它们占细胞鲜重的99%以上，主要包括：

碳（C）：构成有机分子的基本骨架，形成碳链或碳环，与其他元素结合，形成生命物质。

氢（H）：与氧结合形成水分子，并参与有机物的构成。

氧（O）：作为水和许多有机物中的成分，在氧化反应中参与能量的释放。

氮（N）：构成蛋白质、核酸等生物大分子的重要元素。

磷（P）：在构成核酸、磷脂以及参与能量转移（如ATP）的过程中发挥重要作用。

硫（S）：参与某些氨基酸和蛋白质的构成。

（2）微量元素

微量元素是指细胞中含量极少但对生物生命活动必不可少的元素，尽管它们在细胞中的含量不到总量的1%，却具有重要的生物学功能。主要微量元素包括：

铁（Fe）：是血红蛋白、细胞色素等分子的核心元素，参与氧的运输和呼吸链的电子传递。

锌（Zn）：作为多种酶的辅因子，参与基因表达调控和免疫反应。

铜（Cu）：是多种酶的辅因子，参与铁的代谢和呼吸作用。

锰（Mn）：在光合作用、呼吸作用等过程中作为酶的辅因子发挥作用。

硼（B）：主要参与植物细胞的分裂、伸长和木质化过程。

钼（Mo）：是固氮酶的重要组成部分，参与氮的代谢。

3.元素的分布特点

特异性：每种元素在细胞中的含量和分布是有选择性的，不同生物体中相同元素的含量也可能有所不同。

相对稳定性：虽然不同细胞中各种元素的含量有所差异，但细胞中常量元素与微量元素的相对比例基本稳定。

动态平衡：元素在细胞内通过代谢活动不断地进出细胞，保持动态平衡，以维持细胞正常的生理功能。

二、细胞中的化合物

1.水——最重要的无机物

水是细胞中含量最多的化合物，约占细胞鲜重的70%-90%。水作为生命之源，在细胞中具有许多重要的功能。

（1）水的存在形式

自由水：细胞内大部分水是以自由水的形式存在的，参与物质的运输、代谢产物的排泄等。自由水占细胞内水总量的95%以上。

结合水：少部分水与细胞内的蛋白质、磷脂等分子结合存在，参与维持细胞结构的稳定性和酶的活性。

（2）水的功能

溶剂功能：水是细胞内物质溶解的介质，许多无机盐、有机物质和气体都能溶解在水中，形成溶液。

反应介质：水参与细胞内的多种生化反应，例如在水解反应和光合作用中，水直接参与反应过程。

运输功能：水在细胞中可以运输营养物质、代谢产物、废物等。

温度调节：水的比热大，能够有效缓冲外界温度变化，维持细胞内的稳定环境。

2.无机盐

无机盐在细胞内主要以离子形式存在，如钙离子（Ca2?）、钾离子（K?）、钠离子（Na?）、镁离子（Mg2?）等。这些无机盐虽然含量较少，但对维持细胞的正常功能至关重要。

（1）无机盐的存在形式

离子形式：无机盐以离子的形式广泛存在于细胞质、细胞器等部位，参与多种生理功能。

化合物形式：部分无机盐还以化合物形式存在，如骨骼中的钙盐、牙齿中的磷酸钙。

（2）无机盐的功能

调节细胞渗透压：无机盐的离子能够调节细胞内外的渗透压，维持细胞的正常生理状态。例如，钠离子和钾离子对细胞的渗透压有重要影响。

维持酸碱平衡：无机盐在细胞中具有缓冲作用，调节细胞内的酸碱平衡，如磷酸盐缓冲系统。

参与生理活动：无机盐离子参与多种细胞功能，如钙离子在神经传导、肌肉收缩等过程中发挥重要作用，铁离子则是血红蛋白的重要组成部分，参与氧的运输。

3.有机物

细胞中的有机物包括糖类、脂类、蛋白质和核酸等，它们是生命活动的物质基础。

（1）糖类糖类是细胞中最基本的有机物之一，主要由碳、氢、氧三种元素组成。

单糖：最简单的糖类，如葡萄糖、果糖，是细胞内重要的能源物质。

二糖：由两个单糖分子组成，如蔗糖、麦芽糖。

多糖：由多个单糖分子通过脱水缩合反应形成，如淀粉、纤维素、糖原。多糖是细胞储能和结构的重要物质。

（2）脂类脂类是细胞膜的重要成分，也参与能量储存和物质运输。

中性脂肪：由甘油和脂肪酸组成，是细胞内储存能量的主要形式。

磷脂：构成细胞膜的主要成分，具有亲水头和疏水尾的结构特征，形成双层膜结构。

固醇类：如胆固醇，是细胞膜的重要组成部分，影响细胞膜的流动性和稳定性。

（3）蛋白质蛋白质是细胞结构的主要成分，也是执行多种生命活动的功能分子。

结构蛋白：