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Element and Compounds

“Biology is just applied chemistry.” —— xkcd-435

Element Composition of Life

Water

在众多物质当中, 水所占比例是最高的, 这很容易理解, 人们普遍认为生命是建立在水的基础上的. 具体而言, 细胞中的水分为结合水和自由水两类, 结合水是和其他细胞结构建立了化学键联系的水分, 因此不能随意流动, 大约占到所有水分的4.5%, 这部分水是细胞结构的重要组成成分; 而自由水则可以自由流动, 大约占到所有水分的95.5%, 这部分水有以下重要的生理功能

  1. 作为良好的溶剂, 提供反应所需要的液体环境.
  2. 同时, 许多生物化学反应也都需要水作为反应物来参与 (最典型的例如呼吸作用和光合作用, 以及作为脱水反应逆反应的水解反应).
  3. 体内的绝大多数细胞都必须浸润在以水为基础的液体环境中才能够生存, 这个理由看起来有一点无厘头, 大概是可以从进化角度来理解: 最早的细胞是在海洋里诞生的, 自那以后所有细胞的直接生存环境都必须是液体的.
  4. 最后, 水可以运输营养物质和代谢废物.

从某种意义上说, 只有自由水才是真正的液体环境, 而结合水的地位实际上和糖类、蛋白质等等有机物一样, 已经成为了细胞的骨架成分了. 因此, 结合水/自由水的比例大小实际上反映了细胞代谢的旺盛程度, 当结合水的比例上升, 自由水的比例下降时, 细胞代谢减弱; 反之则增强. 不过另一方面, 自由水的比例下降虽然会导致代谢减弱, 但同时也可以增强细胞的抗逆性, 例如晒干的种子、细菌的芽孢, 都是通过降低自由水的含量来对抗恶劣环境的实例.

Inorganic Salt

我们知道到细胞是浸润在水环境中的, 因此无机盐主要以离子形式存在. 无机盐虽然含量较少, 但是对生命活动起到非常重要的作用.

  1. 作为结构成分. 比较常见的例子是\(\ce{Fe^2+}\)和\(\ce{Mg^2+}\), 前者作为血红蛋白中血红素的中心原子, 在稳定血红蛋白结构中起到重要作用, 如果人体缺少铁元素就会造成缺铁性贫血, 而后者则是叶绿素的中心原子, 因此绿色植物如果缺镁就会影响光合作用的正常进行.

  2. 维持正常的生理功能. 例如哺乳动物的血钙必须维持在一个平衡浓度上, 血钙过低会引起抽搐, 而血钙过高则会引起肌无力; 孕妇如果吸收的过多的钙会导致胎儿的囟门早闭, 影响胎儿的脑容量.

    另一个例子是\(\ce{K^+}\)和\(\ce{Na^+}\)这两种碱金属离子, 一般在动物体内细胞内的\(\ce {K^+}\)含量远多于细胞外, 而细胞外\(\ce {Na^+}\)含量远多于细胞内, 这一钠钾离子内外浓度差的维系是可兴奋细胞的生理活动的基础, 实现机制请参见可兴奋细胞生理学.

  3. 另外某些无机盐可以作为缓冲对维持细胞的酸碱平衡, 例如血液中著名的\(\ce{HCO^3-}/\ce{H2CO3}\), \(\ce{PO3^2-/HPO3^-}\)缓冲对, 以及维持细胞的渗透平衡.