细胞的化学组成
生物组织和一块泥土含有的元素种类差不多（碳、氢、氧、氮……），但生物组织里的碳和氢多得多。要找出含碳化合物，可以做一个简单的分析：
- 把生物组织和三氯乙酸（Cl₃CCOOH）一起研磨成糊状。
- 用纱布或棉花过滤。
- 流过去的液体 = 酸溶性部分（滤液）：含小分子，如氨基酸、糖、核苷酸。
- 留在滤布上的 = 酸不溶性部分（滤渣）：含蛋白质、核酸、多糖和脂质。
把组织烧成灰（灰化）会除去所有含碳化合物，剩下的灰里有无机元素（钙、镁）以及硫酸盐、磷酸盐等化合物。
小分子的分子量为18–800 Da，在酸溶性部分。大分子（生物大分子）的分子量超过10,000 Da：蛋白质、核酸和多糖。脂质小于800 Da，但仍出现在不溶性部分，因为研磨时破碎的细胞膜会形成不溶的小泡。
典型细胞按重量计：水 70–90%，蛋白质 10–15%，核酸 5–7%，糖类 3%，脂质 2%，离子 1%。
蛋白质：氨基酸连成的链
氨基酸的中心是一个碳（α-碳），连着四个基团：氢、氨基（–NH₂）、羧基（–COOH）和一个可变的R基。R基决定是哪种氨基酸：R = H 是甘氨酸，R = CH₃ 是丙氨酸，R = CH₂OH 是丝氨酸。按氨基和羧基的数量，它们分为酸性（谷氨酸）、碱性（赖氨酸）和中性（缬氨酸）；还有些是芳香族（酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸）。在溶液中，氨基酸在某个pH下同时带正电和负电，叫两性离子。
氨基酸通过肽键（–CO–NH–）连接，同时失去水，形成多肽。蛋白质是由最多20种氨基酸组成的杂聚物。必需氨基酸必须从食物中获得；非必需氨基酸身体自己能合成。
四个层次的结构
- 一级结构：氨基酸的排列顺序，从N端（第一个）到C端（最后一个）。
- 二级结构：链的一部分盘成右手螺旋（或折叠成片层）。
- 三级结构：链自己折叠，像一个毛线球——这是工作所需的3D形状。
- 四级结构：两条或更多条链拼在一起。人的血红蛋白 = 2个α亚基 + 2个β亚基。
各种功能：胶原蛋白（动物体内最多的蛋白质）和RuBisCO（生物圈中最多的蛋白质）；胰蛋白酶（酶）、胰岛素（激素）、抗体（防御）、GLUT-4（把葡萄糖运进细胞）、受体（感知气味、味道和激素）。
糖类（多糖）
糖由C、H、O组成。葡萄糖和核糖是单糖。两个单糖通过糖苷键连起来成为二糖（蔗糖、乳糖、麦芽糖）。长链就是多糖，在酸不溶性部分。
- 淀粉——植物储存食物的形式；它的螺旋能容纳碘，呈现蓝色。
- 纤维素——植物细胞壁中由葡萄糖组成的同聚物（棉花、纸）；没有螺旋，所以遇碘不变蓝。
- 糖原——动物储存食物的形式，分支很多。
- 菊粉——果糖的聚合物。
- 几丁质——由氨基糖（如葡萄糖胺）组成的复杂多糖，存在于昆虫外骨骼和真菌细胞壁中。
在多糖链中，右端是还原端，左端是非还原端。
脂质
脂质不溶于水。脂肪酸是一个羧基连着一条碳链（R基）；棕榈酸含16个碳（包括羧基的碳），花生四烯酸含20个碳。没有双键的叫饱和脂肪酸；有一个或多个双键的叫不饱和脂肪酸。甘油（丙三醇）最多可以连3个脂肪酸：形成单酰、二酰和三酰甘油（脂肪和油——油的熔点较低，例如芝麻油）。磷脂（如卵磷脂）含有磷酸基团，构成细胞膜。神经组织中还有更复杂的脂质。严格来说，脂质不是大分子，也不是聚合物。
核酸
核苷酸有三部分：含氮碱基、戊糖和磷酸。只有碱基加糖则是核苷（腺苷、鸟苷、胸苷、尿苷、胞苷）。
- 嘌呤（两个环）：腺嘌呤、鸟嘌呤。嘧啶（一个环）：胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶。
- DNA：脱氧核糖，碱基为A、G、C、T；双螺旋——A和T之间有2个氢键，G和C之间有3个氢键。
- RNA：核糖，碱基为A、G、C、U；通常是单链。
在核酸中，磷酸把一个糖的3′碳和下一个糖的5′碳连起来，这叫磷酸二酯键。沃森–克里克（B-DNA）模型：两条链方向相反，每转一圈有10个碱基对，每个碱基对上升0.34 nm，一圈长3.4 nm。
酶：种类、特性和作用
酶是生物催化剂——几乎都是蛋白质；也有少数核酸像酶一样起作用，叫核酶。它们加快反应，自己却保持不变。
它们如何起作用
每种酶都有一个活性位点，是底物嵌入的小口袋。E + S → ES（酶–底物复合物）→ EP → E + P。任何反应开始都需要能量——活化能。酶降低了活化能，所以反应快得多。例子：碳酸酐酶让 CO₂ + H₂O → H₂CO₃ 的反应快约1000万倍（每秒约600,000个分子，而不是每小时约200个）。
影响酶活性的因素
- 温度和pH：每种酶都有最适值。低温会让酶暂时没有活性；高温会使酶变性（形状被破坏）。
- 底物浓度：速率先上升，当所有活性位点都被占满时，在Vmax处趋于平稳。Km = 速率为Vmax一半时的底物浓度。
- 抑制剂：竞争性抑制剂长得像底物，堵住活性位点——例如丙二酸盐会抑制琥珀酸脱氢酶。这类抑制剂可用来控制细菌。
六大类
- 氧化还原酶/脱氢酶——在两个底物之间转移H或电子。
- 转移酶——在底物之间转移某个基团（不是H）。
- 水解酶——利用水断开酯键、醚键、肽键、糖苷键、C–C键或P–N键。
- 裂合酶——不用水就移走基团，留下双键。
- 异构酶——把一种异构体变成另一种。
- 连接酶——把两个化合物连起来（例如形成C–O、C–S、C–N、P–O键）。
辅因子
酶的蛋白质部分叫脱辅酶。许多酶还需要非蛋白质的帮手：辅基（结合紧密，例如过氧化物酶和过氧化氢酶中的血红素）、辅酶（结合松散，常由维生素构成，例如NAD和NADP含有烟酸）或金属离子（例如羧肽酶需要锌）。去掉辅因子，酶就不能工作了。
动手试试：看酶怎么工作
嚼一小块普通馒头或米饭两分钟，先不要咽下去——会慢慢变甜，因为唾液中的淀粉酶把淀粉分解成了糖。再来试试加热的影响：在一片生土豆上滴一滴碘液（蓝黑色 = 有淀粉）。然后切一块生土豆和一块煮熟的土豆，各滴一滴过氧化氢（药店可买到）——生土豆会冒泡，因为它的过氧化氢酶在起作用；煮熟的几乎不冒泡，因为受热后酶变性了。把它和3D的第6步对照一下。
重点公式和概念
- 酸溶性部分：小分子（18–800 Da）；酸不溶性部分：蛋白质、核酸、多糖（> 10,000 Da）+ 脂质
- 氨基酸：α-碳 + H + –NH₂ + –COOH + R基
- 肽键：–CO–NH–；糖苷键（糖）；酯键（脂肪）；磷酸二酯键（核酸）
- 蛋白质结构：一级 → 二级 → 三级 → 四级
- 核苷酸 = 碱基 + 戊糖 + 磷酸；核苷 = 碱基 + 糖
- E + S ⇌ ES → EP → E + P
- 酶的种类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、连接酶
- 全酶 = 脱辅酶 + 辅因子（辅基 / 辅酶 / 金属离子）
例题讲解
1. 把肝组织在三氯乙酸中研磨后过滤。(a) 葡萄糖、(b) DNA、(c) 磷脂分别会出现在哪一部分？
(a) 葡萄糖是小分子 → 滤液（酸溶性部分）。(b) DNA是大分子 → 滤渣（酸不溶性）。(c) 磷脂是小分子，但破碎的细胞膜会形成小泡，所以它们也留在酸不溶性部分。
2. 一段DNA有20个碱基对。它的双螺旋有几整圈？长度是多少？
一圈 = 10 bp，所以 20 ÷ 10 = 2 圈。长度 = 20 × 0.34 nm = 6.8 nm。
3. 一个DNA分子中腺嘌呤占30%。求鸟嘌呤的百分比。
A = T，所以 T = 30%。A + T = 60%，所以 G + C = 40%。G = C，所以 G = 20%。
4. 说出蛋白质结构的层次：(a) 氨基酸的排列顺序，(b) 血红蛋白中的4条链，(c) 螺旋。
(a) 一级结构，(b) 四级结构，(c) 二级结构。
5. 一种酶通过形成P–O键把两段DNA连起来。它属于哪一类？
它通过形成新键把两个分子连起来 → 连接酶（DNA连接酶）。
6. 一种酶的Vmax = 100 单位。当底物浓度等于Km时，速率是多少？
Km是速率为Vmax一半时的底物浓度：100 ÷ 2 = 50 单位。
常见错误
- 把脂质叫做大分子。它们小于800 Da；之所以进入酸不溶性部分，只是因为细胞膜形成了小泡。
- 以为低温会使酶变性。低温只是让酶暂时没有活性；高温才会破坏形状。
- 把核苷和核苷酸混在一起：核苷没有磷酸；核苷酸 = 核苷 + 磷酸。
- 说纤维素遇碘变蓝。只有淀粉会，因为它的螺旋能容纳碘；纤维素没有螺旋。