地球生命包含动物,植物和微生物三类。动植物细胞略有不同:
植物细胞含细胞壁,细胞膜,细胞质,细胞核,液泡,叶绿体,线粒体。动物细胞没有细胞壁,含细胞膜,细胞质,细胞核,线粒体。
上图细胞看似简单,但这种生物体的基本结构和功能单位从微观角度拆分来看却非常复杂,涉及多种化学元素的分子和结构。以下简单介绍细胞膜、细胞质和细胞核的主要物质组成和功能:
细胞膜:
细胞膜由膜脂质,膜蛋白和糖类构成,膜脂质包括磷脂(如磷脂酰胆碱、磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺)和鞘磷脂,以及胆固醇,它们共同形成磷脂双层结构。膜蛋白分为整合蛋白(跨膜蛋白)、外周蛋白(水溶性蛋白)和脂锚定蛋白(通过糖磷脂酰肌醇连接到膜上)。
糖类与膜蛋白结合形成糖蛋白,参与细胞识别和信号传导。
细胞质:
细胞质中的主要成分是水,占细胞总体积的大部分,其中含有钾离子(K+)、钠离子(Na+)、钙离子(Ca2+)等,维持细胞内外的离子平衡。其它还有代谢物、酶和细胞器:代谢物如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等,参与细胞的代谢过程;酶属于蛋白质,催化细胞内各种生化反应;细胞器如线粒体、内质网、高尔基体、核糖体、溶酶体、中心体等,执行特定的细胞功能。
细胞核
细胞核由核膜、染色体、核液和核仁组成,核膜是双层膜结构,内外膜之间有核孔复合体,允许物质进出。
染色质由DNA和蛋白质(如组蛋白)组成,存储遗传信息。核液就是细胞核内的液体,含有各种酶和分子,参与核内代谢和DNA的复制、转录。核仁是细胞核内的一个结构,主要负责核糖体的组装。
上述提到的物质共同构成了细胞的核心结构,确保细胞能够进行正常的生理活动。下面将细胞中相关物质分类细化描述:
1. 蛋白质
组成元素主要由碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)组成,部分蛋白质还含有磷(P)、硫(S)以及微量的铁(Fe)、铜(Cu)、锰(Mn)、碘(I)、锌(Zn)等元素。其中氨基酸蛋白质的基本单元是氨基酸,每个氨基酸分子至少含有一个氨基(-NH2)和一个羧基(-COOH),这两个功能团连接在一个中心碳原子上,该碳原子还连接一个氢原子和一个侧链(R基团),侧链的不同决定了氨基酸的性质。
2. 核酸
核酸指DNA和RNA,DNA是脱氧核酸的缩写,由脱氧核糖、磷酸和四种碱基(腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶)组成,形成双螺旋结构(参看下图)。RNA(核糖核酸的缩写)则由核糖、磷酸和四种碱基(腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶)组成,通常为单链结构。
3. 糖类
单糖如葡萄糖(C6H12O6),是最简单的糖类,由六个碳原子、十二个氢原子和六个氧原子组成。多糖由多个单糖分子通过糖苷键连接而成,如纤维素(植物细胞壁的主要成分)和糖原(动物细胞的能量储存物质)。
4. 脂质
脂质是油、脂肪、类脂的总称。食物中的油性物质主要是油和脂肪,一般把常温下是液体的称作油,而把常温下是固体的称作脂肪。脂肪由C、H、O三种元素组成。磷脂是细胞膜的主要成分,由甘油、两个脂肪酸链和一个含磷的头部组成,形成磷脂双层。胆固醇在细胞膜中起到稳定作用,降低膜的通透性。
5. 细胞骨架
其中微丝由肌动蛋白(Actin)组成,参与细胞运动和形状维持。而微管由微管蛋白(Tubulin)组成,参与细胞器的定位和物质运输。还有中间的纤维提供细胞结构支持,增强细胞的张力和抗剪切力。
6. 无机盐
如钙、钾、钠、镁等,参与细胞内外的离子平衡和信号传递。
7. 水
水是细胞内含量最多的物质,参与细胞内各种生化反应,是细胞内环境的主要成分。
综上所述,细胞中的蛋白质、脂类、核酸和多糖有机物大分子被称为生物大分子,这些有机分子和水共同构成了细胞的复杂网络,使得细胞能够执行生命活动。我们在此强调的是,生物大分子都是通过碳的共价键链接相对简单的分子,从而聚合形成大分子,进而组合成复杂生命体,产生出数量庞大的生物种群。所以,地球生命离不开化学元素碳,也决定了地球生命为碳基生命。