淺談生物大分子對細胞活動的影響

韓嘉卉

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

關鍵詞：細胞 生物大分子

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

一、細胞與生物大分子

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

組成細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。生物小分子指無機化合物（包括水、無機鹽等）和有機小分子（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、是生命活動的主要承擔者；多糖存在于細胞膜表面和細胞間質(zhì)中、是為細胞提供能量的主要能源物質(zhì)；脂質(zhì)是構(gòu)成細胞膜的重要成分、是細胞內(nèi)良好的儲能物質(zhì)。

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

多細胞生物的細胞之間具有細胞外基質(zhì)。細胞外基質(zhì)是分布在細胞外空間的纖維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)體系。細胞對于細胞外基質(zhì)具有決定性的作用，同時細胞外基質(zhì)對細胞的生命活動也具有重要影響。

細胞質(zhì)和細胞外基質(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。它們有時并不直接參與生物化學反應，但是對反應的平衡及反應的速度具有重大的影響。

二、生物大分子對細胞活動的影響

（一）細胞質(zhì)基質(zhì)中的生物大分子在細胞中的作用

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

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

細胞質(zhì)基質(zhì)的化學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胞質(zhì)基質(zhì)中的濃度很高，比如大腸桿菌細胞質(zhì)內(nèi)含有的全部大分子含量為340mg/mL。細胞內(nèi)如此高濃度的生物大分子對細胞內(nèi)的熱力學反應具有壓倒性的影響。

（二）細胞外基質(zhì)中的生物大分子對細胞的作用

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

細胞外基質(zhì)的形態(tài)及組成對組織和器官的性質(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，用于對抗外界的壓力?；さ募毎饣|(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)分子和細胞的運動。細胞外基質(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皮膚以及臟器組織的損害。

從細胞的層面上看，細胞外基質(zhì)對細胞提供支撐作用，是細胞黏附、運動的三維支架。同時，細胞外基質(zhì)包含一系列生物信號，影響著細胞的存活、生長與死亡；決定著細胞的形狀；參與細胞增殖；控制著細胞的分化；參與著細胞的遷移。含有不同生物大分子的細胞外基質(zhì)對細胞增殖、分化的影響不同。例如，成纖維細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；而上皮細胞對纖粘連蛋白及層粘連蛋白的增殖反應則相反。成肌細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，進行分化，融合為肌管。

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

（三）生物大分子對細胞生物化學活動的影響

早期，科學家們將活細胞比喻為“一袋子酶”。酶是生物體內(nèi)活細胞產(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）。它能在機體中十分溫和的條件下，高效率地催化各種生物化學反應，促進生物體的新陳代謝。生命活動中的消化、吸收、呼吸、運動和生殖都是酶促反應過程。因此，酶是細胞賴以生存的基礎。細胞新陳代謝包括的所有化學反應幾乎都是在酶的催化下進行的。

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

生物大分子的擁擠作用：在細胞體內(nèi)，目標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，但是所占的體積分數(shù)卻很大。因為這些大分子很難被貫穿，所以分子在這樣的體系中擴散運動會受到阻礙。將目標分子從稀溶液轉(zhuǎn)移到擁擠的大分子溶液環(huán)境中時，需要克服額外的功，這就造成了目標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。當縫隙的尺寸不比目標分子的尺寸大時，縫隙與目標分子之間存在著空間上的排斥作用。將目標分子從沒有邊界的溶液轉(zhuǎn)移到與其尺寸相當?shù)氖芟蘅臻g時，需要克服額外的功。

生物大分子的吸附作用：當目標分子與膜表面帶相反電荷時，目標分子就會與膜發(fā)生非特異性的吸附。當吸附過程是自發(fā)進行時，自由能的改變?yōu)樨撝?，具體的變化大小與目標分子的大小及形狀有關。

生物大分子的上述三種相互作用，雖然并不強烈，且沒有特異性，但是在生物體內(nèi)具有重要的影響，決定著生物化學反應的方向及最終的平衡狀態(tài)。上述三種相互作用對生物化學反應的影響在實驗上已有很多的證據(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；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、科學研究方法及應用

生物體內(nèi)存在的生物大分子對細胞的活動有著決定性的影響。但是由于細胞內(nèi)、外的物質(zhì)種類繁多，環(huán)境及其復雜，很難對這些影響進行原位研究，并得到定量的結(jié)果。在實際的科研過程中，往往選用模型體系，針對某種影響進行深入細致的研究。例如，利用高分子的濃溶液或水凝膠來替代細胞外基質(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，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，在合成高分子的基質(zhì)中對生物分子的擴散進行研究有助于在物理的層面上理解體內(nèi)生物分子的擴散行為。

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細胞活動的影響，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)用復合體系。

（責編 金 東）