浅谈生物大分子对细胞活动的影响

韩嘉卉

摘要：细胞内、外的生物大分子对细胞形态的变化和功能的实现具有重大影响。本文通过分析细胞内、外基质中的生物大分子对细胞的作用，概括了生物大分子对细胞生物化学活动的三种相互作用，提出在实际的科研过程中，模拟生物的大分子环境，选用模型体系对特定影响进行深入细致的研究。

关键词：细胞 生物大分子

1665年，英国的虎克发现了细胞；19世纪，德国的施莱登、施旺提出细胞是构成动植物体的基本单位。现在，我们知道，除病毒以外，地球上所有的生物都是由细胞构成的，细胞是生物形态结构和生命活动的基本单位。细胞形态的变化和功能的实现与细胞内、外的生物大分子有着密不可分的关系。本文简要介绍DNA、蛋白质等生物大分子对细胞活动的影响。

一、细胞与生物大分子

组成细胞的化合物包括无机化合物和有机化合物。无机化合物包括水和无机盐，有机化合物包括糖类、脂质、蛋白质和核酸等。组成细胞的化合物中含量最高的是水，细胞干重中含量最高的是蛋白质。

组成细胞的化合物按其分子量大小可概括为生物小分子和生物大分子。生物小分子指无机化合物（包括水、无机盐等）和有机小分子（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组成的核糖、多糖、蛋白质和脂质。在这些生物大分子中，核酸是生物的遗传物质、是遗传信息的携带者；蛋白质是遗传信息的表现形式、是生命活动的主要承担者；多糖存在于细胞膜表面和细胞间质中、是为细胞提供能量的主要能源物质；脂质是构成细胞膜的重要成分、是细胞内良好的储能物质。

真核细胞的组成包括细胞膜、细胞质和细胞核。细胞质还包含线粒体、高尔基体、内质网等细胞器以及微丝、微管、中间纤维等骨架系统。细胞质是进行生物化学活动的重要场所，在细胞生理活动中起着重要的作用。

多细胞生物的细胞之间具有细胞外基质。细胞外基质是分布在细胞外空间的纤维网络结构体系。细胞对于细胞外基质具有决定性的作用，同时细胞外基质对细胞的生命活动也具有重要影响。

细胞质和细胞外基质中的生物大分子，如蛋白质、多糖等，在生命过程中扮演着重要的角色。它们有时并不直接参与生物化学反应，但是对反应的平衡及反应的速度具有重大的影响。

二、生物大分子对细胞活动的影响

（一）细胞质基质中的生物大分子在细胞中的作用

细胞主要由细胞核与细胞质构成，表面有细胞膜。细胞质包括细胞质基质和细胞器，在生理状态下为透明的胶状物。细胞质基质是指细胞质内呈液态的部分，其体积约占细胞质的一半，是细胞质的基本成分。

细胞质基质的主要功能包括：为各种细胞器维持其正常结构提供所需要的离子环境，为各类细胞器完成其功能活动供给所需的一切底物，同时也是进行生物化学活动的重要场所。细胞与环境、细胞质与细胞核、以及细胞器之间的物质传输、能量交换、信息传递都要通过细胞质基质来完成。

细胞质基质的化学组成按其分子量大小可分为三类，即小分子、中等分子和大分子。小分子包括水、无机离子；中等分子包括脂类、糖类、氨基酸、核苷酸及其衍生物等；大分子包括多糖、蛋白质、脂蛋白和RNA等。其中生物大分子在细胞质基质中的浓度很高，比如大肠杆菌细胞质内含有的全部大分子含量为340mg/mL。细胞内如此高浓度的生物大分子对细胞内的热力学反应具有压倒性的影响。

（二）细胞外基质中的生物大分子对细胞的作用

组织是由许多形态相似、结构和功能相同的细胞以及细胞外基质所组成，是介于细胞及器官之间的细胞架构。细胞外基质是指分布于细胞外空间，由多糖和蛋白质等生物大分子交错形成的精密而有序的网络胶体结构体系；它由细胞合成并分泌到细胞外，为细胞的生存和活动提供适宜的场所，为组织、器官乃至整个机体提供力学支持。

细胞外基质的形态及组成对组织和器官的性质和功能影响很大。在生物体内，不同部位的组织中细胞外基质生物大分子的组成、含量、结构、存在形式以及性质是不同的。例如：软骨组织中的细胞外基质，包含大量的蛋白多糖以及II型胶原蛋白，用于对抗外界的压力。基膜的细胞外基质含有大量的层粘连蛋白和IV胶原蛋白，蛋白多糖和生长因子的含量却很少，这样的组成利于形成选择性的渗透屏障，调节分子和细胞的运动。细胞外基质赋予了肺组织的高度弹性，使其随呼吸的变化而舒张和收缩，完成呼吸过程。在皮肤以及脏器周围，细胞外基质可以形成屏障结构，能够有效防止突然外力的冲击对皮肤以及脏器组织的损害。

从细胞的层面上看，细胞外基质对细胞提供支撑作用，是细胞黏附、运动的三维支架。同时，细胞外基质包含一系列生物信号，影响着细胞的存活、生长与死亡；决定着细胞的形状；参与细胞增殖；控制着细胞的分化；参与着细胞的迁移。含有不同生物大分子的细胞外基质对细胞增殖、分化的影响不同。例如，成纤维细胞在纤粘连蛋白基质上增殖加快，在层粘连蛋白基质上增殖减慢；而上皮细胞对纤粘连蛋白及层粘连蛋白的增殖反应则相反。成肌细胞在纤粘连蛋白上增殖并保持未分化的表型；而在层粘连蛋白上则停止增殖，进行分化，融合为肌管。

组织的形成、功能化及再生都是细胞和细胞外基质之间相互作用的结果。细胞与细胞外基质彼此依存，它们之间的保持着相互作用及动态的平衡。这保证了生命有机体结构的完整性及其功能的多样性和协调性。

（三）生物大分子对细胞生物化学活动的影响

早期，科学家们将活细胞比喻为“一袋子酶”。酶是生物体内活细胞产生的一种生物催化剂，大多数由蛋白质组成（少数为RNA）。它能在机体中十分温和的条件下，高效率地催化各种生物化学反应，促进生物体的新陈代谢。生命活动中的消化、吸收、呼吸、运动和生殖都是酶促反应过程。因此，酶是细胞赖以生存的基础。细胞新陈代谢包括的所有化学反应几乎都是在酶的催化下进行的。

近些年来，科学家们发现即便在反应中引入了酶，在试管中发生的生物化学反应与生物体内发生的反应还是存在很大的区别。此时，细胞质基质以及细胞外基质中含有的大量的生物大分子引起了科学家们的重视。这些大分子虽然不直接参与生物化学反应，但是对反应的平衡及反应的速度影响重大。

生物大分子的拥挤作用：在细胞体内，目标分子周围被很多其他可溶的大分子包围。这些大分子的浓度可能不大，但是所占的体积分数却很大。因为这些大分子很难被贯穿，所以分子在这样的体系中扩散运动会受到阻碍。将目标分子从稀溶液转移到拥挤的大分子溶液环境中时，需要克服额外的功，这就造成了目标分子与背景分子存在空间上的排斥。

生物大分子的限制作用：真核细胞中的纤维结构以及膜结构中存在着很多缝隙。当缝隙的尺寸不比目标分子的尺寸大时，缝隙与目标分子之间存在着空间上的排斥作用。将目标分子从没有边界的溶液转移到与其尺寸相当的受限空间时，需要克服额外的功。

生物大分子的吸附作用：当目标分子与膜表面带相反电荷时，目标分子就会与膜发生非特异性的吸附。当吸附过程是自发进行时，自由能的改变为负值，具体的变化大小与目标分子的大小及形状有关。

生物大分子的上述三种相互作用，虽然并不强烈，且没有特异性，但是在生物体内具有重要的影响，决定着生物化学反应的方向及最终的平衡状态。上述三种相互作用对生物化学反应的影响在实验上已有很多的证据，比如在体系中加入大量的惰性高分子，观察大分子拥挤作用的影响发现：DNA结合蛋白与DNA的亲和性增强；淀粉状蛋白的形成速度提高；胶原蛋白失活的温度提高等。生物大分子的限制作用体现在影响受限大分子的聚集、稳定天然蛋白等。大分子的吸附作用影响蛋白质的稳定性等。

三、科学研究方法及应用

生物体内存在的生物大分子对细胞的活动有着决定性的影响。但是由于细胞内、外的物质种类繁多，环境及其复杂，很难对这些影响进行原位研究，并得到定量的结果。在实际的科研过程中，往往选用模型体系，针对某种影响进行深入细致的研究。例如，利用高分子的浓溶液或水凝胶来替代细胞外基质，探讨大分子的拥挤作用。合成高分子往往具有结构简单且分子量可控的特点，因此非常适合作为基质在体外研究生物分子的性质。同时，在合成高分子的基质中对生物分子的扩散进行研究有助于在物理的层面上理解体内生物分子的扩散行为。

总之，借助结构、性能已知的模型体系研究生物大分子对细胞活动的影响，一方面可以揭示生命过程的一些基本规律；另一方面可以开发安全、高效的生物医用复合体系。

（责编 金 东）