韓嘉卉

摘要：細(xì)胞內(nèi)、外的生物大分子對(duì)細(xì)胞形態(tài)的變化和功能的實(shí)現(xiàn)具有重大影響。本文通過分析細(xì)胞內(nèi)、外基質(zhì)中的生物大分子對(duì)細(xì)胞的作用，概括了生物大分子對(duì)細(xì)胞生物化學(xué)活動(dòng)的三種相互作用，提出在實(shí)際的科研過程中，模擬生物的大分子環(huán)境，選用模型體系對(duì)特定影響進(jìn)行深入細(xì)致的研究。

關(guān)鍵詞：細(xì)胞 生物大分子

1665年，英國的虎克發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞；19世紀(jì)，德國的施萊登、施旺提出細(xì)胞是構(gòu)成動(dòng)植物體的基本單位?，F(xiàn)在，我們知道，除病毒以外，地球上所有的生物都是由細(xì)胞構(gòu)成的，細(xì)胞是生物形態(tài)結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)的基本單位。細(xì)胞形態(tài)的變化和功能的實(shí)現(xiàn)與細(xì)胞內(nèi)、外的生物大分子有著密不可分的關(guān)系。本文簡要介紹DNA、蛋白質(zhì)等生物大分子對(duì)細(xì)胞活動(dòng)的影響。

一、細(xì)胞與生物大分子

組成細(xì)胞的化合物包括無機(jī)化合物和有機(jī)化合物。無機(jī)化合物包括水和無機(jī)鹽，有機(jī)化合物包括糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等。組成細(xì)胞的化合物中含量最高的是水，細(xì)胞干重中含量最高的是蛋白質(zhì)。

組成細(xì)胞的化合物按其分子量大小可概括為生物小分子和生物大分子。生物小分子指無機(jī)化合物（包括水、無機(jī)鹽等）和有機(jī)小分子（包括糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸等）。生物大分子是由生物小分子組成的核糖、多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。在這些生物大分子中，核酸是生物的遺傳物質(zhì)、是遺傳信息的攜帶者；蛋白質(zhì)是遺傳信息的表現(xiàn)形式、是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者；多糖存在于細(xì)胞膜表面和細(xì)胞間質(zhì)中、是為細(xì)胞提供能量的主要能源物質(zhì)；脂質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞膜的重要成分、是細(xì)胞內(nèi)良好的儲(chǔ)能物質(zhì)。

真核細(xì)胞的組成包括細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。細(xì)胞質(zhì)還包含線粒體、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器以及微絲、微管、中間纖維等骨架系統(tǒng)。細(xì)胞質(zhì)是進(jìn)行生物化學(xué)活動(dòng)的重要場所，在細(xì)胞生理活動(dòng)中起著重要的作用。

多細(xì)胞生物的細(xì)胞之間具有細(xì)胞外基質(zhì)。細(xì)胞外基質(zhì)是分布在細(xì)胞外空間的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系。細(xì)胞對(duì)于細(xì)胞外基質(zhì)具有決定性的作用，同時(shí)細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)細(xì)胞的生命活動(dòng)也具有重要影響。

細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞外基質(zhì)中的生物大分子，如蛋白質(zhì)、多糖等，在生命過程中扮演著重要的角色。它們有時(shí)并不直接參與生物化學(xué)反應(yīng)，但是對(duì)反應(yīng)的平衡及反應(yīng)的速度具有重大的影響。

二、生物大分子對(duì)細(xì)胞活動(dòng)的影響

（一）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的生物大分子在細(xì)胞中的作用

細(xì)胞主要由細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)構(gòu)成，表面有細(xì)胞膜。細(xì)胞質(zhì)包括細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和細(xì)胞器，在生理狀態(tài)下為透明的膠狀物。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)是指細(xì)胞質(zhì)內(nèi)呈液態(tài)的部分，其體積約占細(xì)胞質(zhì)的一半，是細(xì)胞質(zhì)的基本成分。

細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的主要功能包括：為各種細(xì)胞器維持其正常結(jié)構(gòu)提供所需要的離子環(huán)境，為各類細(xì)胞器完成其功能活動(dòng)供給所需的一切底物，同時(shí)也是進(jìn)行生物化學(xué)活動(dòng)的重要場所。細(xì)胞與環(huán)境、細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核、以及細(xì)胞器之間的物質(zhì)傳輸、能量交換、信息傳遞都要通過細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)來完成。

細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的化學(xué)組成按其分子量大小可分為三類，即小分子、中等分子和大分子。小分子包括水、無機(jī)離子；中等分子包括脂類、糖類、氨基酸、核苷酸及其衍生物等；大分子包括多糖、蛋白質(zhì)、脂蛋白和RNA等。其中生物大分子在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的濃度很高，比如大腸桿菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含有的全部大分子含量為340mg/mL。細(xì)胞內(nèi)如此高濃度的生物大分子對(duì)細(xì)胞內(nèi)的熱力學(xué)反應(yīng)具有壓倒性的影響。

（二）細(xì)胞外基質(zhì)中的生物大分子對(duì)細(xì)胞的作用

組織是由許多形態(tài)相似、結(jié)構(gòu)和功能相同的細(xì)胞以及細(xì)胞外基質(zhì)所組成，是介于細(xì)胞及器官之間的細(xì)胞架構(gòu)。細(xì)胞外基質(zhì)是指分布于細(xì)胞外空間，由多糖和蛋白質(zhì)等生物大分子交錯(cuò)形成的精密而有序的網(wǎng)絡(luò)膠體結(jié)構(gòu)體系；它由細(xì)胞合成并分泌到細(xì)胞外，為細(xì)胞的生存和活動(dòng)提供適宜的場所，為組織、器官乃至整個(gè)機(jī)體提供力學(xué)支持。

細(xì)胞外基質(zhì)的形態(tài)及組成對(duì)組織和器官的性質(zhì)和功能影響很大。在生物體內(nèi)，不同部位的組織中細(xì)胞外基質(zhì)生物大分子的組成、含量、結(jié)構(gòu)、存在形式以及性質(zhì)是不同的。例如：軟骨組織中的細(xì)胞外基質(zhì)，包含大量的蛋白多糖以及II型膠原蛋白，用于對(duì)抗外界的壓力?；さ募?xì)胞外基質(zhì)含有大量的層粘連蛋白和IV膠原蛋白，蛋白多糖和生長因子的含量卻很少，這樣的組成利于形成選擇性的滲透屏障，調(diào)節(jié)分子和細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)。細(xì)胞外基質(zhì)賦予了肺組織的高度彈性，使其隨呼吸的變化而舒張和收縮，完成呼吸過程。在皮膚以及臟器周圍，細(xì)胞外基質(zhì)可以形成屏障結(jié)構(gòu)，能夠有效防止突然外力的沖擊對(duì)皮膚以及臟器組織的損害。

從細(xì)胞的層面上看，細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)細(xì)胞提供支撐作用，是細(xì)胞黏附、運(yùn)動(dòng)的三維支架。同時(shí)，細(xì)胞外基質(zhì)包含一系列生物信號(hào)，影響著細(xì)胞的存活、生長與死亡；決定著細(xì)胞的形狀；參與細(xì)胞增殖；控制著細(xì)胞的分化；參與著細(xì)胞的遷移。含有不同生物大分子的細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)細(xì)胞增殖、分化的影響不同。例如，成纖維細(xì)胞在纖粘連蛋白基質(zhì)上增殖加快，在層粘連蛋白基質(zhì)上增殖減慢；而上皮細(xì)胞對(duì)纖粘連蛋白及層粘連蛋白的增殖反應(yīng)則相反。成肌細(xì)胞在纖粘連蛋白上增殖并保持未分化的表型；而在層粘連蛋白上則停止增殖，進(jìn)行分化，融合為肌管。

組織的形成、功能化及再生都是細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)之間相互作用的結(jié)果。細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)彼此依存，它們之間的保持著相互作用及動(dòng)態(tài)的平衡。這保證了生命有機(jī)體結(jié)構(gòu)的完整性及其功能的多樣性和協(xié)調(diào)性。

（三）生物大分子對(duì)細(xì)胞生物化學(xué)活動(dòng)的影響

早期，科學(xué)家們將活細(xì)胞比喻為“一袋子酶”。酶是生物體內(nèi)活細(xì)胞產(chǎn)生的一種生物催化劑，大多數(shù)由蛋白質(zhì)組成（少數(shù)為RNA）。它能在機(jī)體中十分溫和的條件下，高效率地催化各種生物化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)生物體的新陳代謝。生命活動(dòng)中的消化、吸收、呼吸、運(yùn)動(dòng)和生殖都是酶促反應(yīng)過程。因此，酶是細(xì)胞賴以生存的基礎(chǔ)。細(xì)胞新陳代謝包括的所有化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的。

近些年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)即便在反應(yīng)中引入了酶，在試管中發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)與生物體內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)還是存在很大的區(qū)別。此時(shí)，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)以及細(xì)胞外基質(zhì)中含有的大量的生物大分子引起了科學(xué)家們的重視。這些大分子雖然不直接參與生物化學(xué)反應(yīng)，但是對(duì)反應(yīng)的平衡及反應(yīng)的速度影響重大。

生物大分子的擁擠作用：在細(xì)胞體內(nèi)，目標(biāo)分子周圍被很多其他可溶的大分子包圍。這些大分子的濃度可能不大，但是所占的體積分?jǐn)?shù)卻很大。因?yàn)檫@些大分子很難被貫穿，所以分子在這樣的體系中擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)會(huì)受到阻礙。將目標(biāo)分子從稀溶液轉(zhuǎn)移到擁擠的大分子溶液環(huán)境中時(shí)，需要克服額外的功，這就造成了目標(biāo)分子與背景分子存在空間上的排斥。

生物大分子的限制作用：真核細(xì)胞中的纖維結(jié)構(gòu)以及膜結(jié)構(gòu)中存在著很多縫隙。當(dāng)縫隙的尺寸不比目標(biāo)分子的尺寸大時(shí)，縫隙與目標(biāo)分子之間存在著空間上的排斥作用。將目標(biāo)分子從沒有邊界的溶液轉(zhuǎn)移到與其尺寸相當(dāng)?shù)氖芟蘅臻g時(shí)，需要克服額外的功。

生物大分子的吸附作用：當(dāng)目標(biāo)分子與膜表面帶相反電荷時(shí)，目標(biāo)分子就會(huì)與膜發(fā)生非特異性的吸附。當(dāng)吸附過程是自發(fā)進(jìn)行時(shí)，自由能的改變?yōu)樨?fù)值，具體的變化大小與目標(biāo)分子的大小及形狀有關(guān)。

生物大分子的上述三種相互作用，雖然并不強(qiáng)烈，且沒有特異性，但是在生物體內(nèi)具有重要的影響，決定著生物化學(xué)反應(yīng)的方向及最終的平衡狀態(tài)。上述三種相互作用對(duì)生物化學(xué)反應(yīng)的影響在實(shí)驗(yàn)上已有很多的證據(jù)，比如在體系中加入大量的惰性高分子，觀察大分子擁擠作用的影響發(fā)現(xiàn)：DNA結(jié)合蛋白與DNA的親和性增強(qiáng)；淀粉狀蛋白的形成速度提高；膠原蛋白失活的溫度提高等。生物大分子的限制作用體現(xiàn)在影響受限大分子的聚集、穩(wěn)定天然蛋白等。大分子的吸附作用影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性等。

三、科學(xué)研究方法及應(yīng)用

生物體內(nèi)存在的生物大分子對(duì)細(xì)胞的活動(dòng)有著決定性的影響。但是由于細(xì)胞內(nèi)、外的物質(zhì)種類繁多，環(huán)境及其復(fù)雜，很難對(duì)這些影響進(jìn)行原位研究，并得到定量的結(jié)果。在實(shí)際的科研過程中，往往選用模型體系，針對(duì)某種影響進(jìn)行深入細(xì)致的研究。例如，利用高分子的濃溶液或水凝膠來替代細(xì)胞外基質(zhì)，探討大分子的擁擠作用。合成高分子往往具有結(jié)構(gòu)簡單且分子量可控的特點(diǎn)，因此非常適合作為基質(zhì)在體外研究生物分子的性質(zhì)。同時(shí)，在合成高分子的基質(zhì)中對(duì)生物分子的擴(kuò)散進(jìn)行研究有助于在物理的層面上理解體內(nèi)生物分子的擴(kuò)散行為。

總之，借助結(jié)構(gòu)、性能已知的模型體系研究生物大分子對(duì)細(xì)胞活動(dòng)的影響，一方面可以揭示生命過程的一些基本規(guī)律；另一方面可以開發(fā)安全、高效的生物醫(yī)用復(fù)合體系。

（責(zé)編 金 東）