生命物质终端及生物学功能

梁愈

摘 要 阐述了生物学中有关生命物质、结构及生命过程的终端及其生物学功能，强调了终端知识点在学生认知过程中的作用。

关键词 生物学教学 生命物质 终端

中图分类号 Q-49 文献标志码 E

在生物学知识体系中，某些生命物质的终端对于生命活动的顺利实施起着关键性、决定性的作用。因此，在教学中强化终端知识的教学是十分必要的。

1 神经末梢

神经末梢是神经细胞的终端，这里存在着突触小泡，突触小泡中含有化学递质，化学递质通过突触小泡与突触前膜结合，将化学递质释放到突触间隙，然后作用于突触后膜或效应器细胞的受体，并使突触后神经元或效应器细胞产生一定的效应。若实现上述过程一般要具备以下条件：① 突触前神经元内含有合成该递质的前体物质和酶系统。② 贮藏于突触小泡内，当神经冲动传导到神经末梢时，能够释放并进入突触间隙。③ 经突触间隙作用于突触后膜，使后膜上的特异性受体发挥其生理作用。④ 存在使该递质灭火的酶或其他失活方式。⑤ 有特异性的受体激动剂或阻断（拮抗）剂，能分别模拟或阻断相应递质的突触传递作用。神经末梢释放出的化学递质一方面能够使神经冲动继续传递下去，另一方面也能够使神经冲动终止。而冲动继续传递还是终止，与神经末梢释放的递质有关。神经递质分类标准较多，仅从对下一个神经元或效应器细胞发生的效应上看，可将递质分为兴奋性递质和抑制性递质。前者能够使神经冲动继续延续下去，后者则使冲动阻止，但无论使下一个神经元或效应器细胞兴奋还是抑制，都能够使人及动物产生一定的动作行为，而这种行为的产生不能不说与神经末梢有关。

2 牧食食物链的顶级营养级

人类在利用和改造自然过程中，不可避免地会向生态系统排放一些有毒有害物质，这些物质通过富集作用，积累在食物链终端的生物体上。食物链不仅是能量流动和物质循环的通道，也是杀虫剂和各种有毒有害物质移动的浓缩通道。杀虫剂如DDT，其化学名为双对氯苯基三氯乙烷，在20世纪上半叶防止农业虫害、减轻疟疾、伤寒等蚊蝇传播的疾病中起了不小的作用。但到20世纪60年代，科学家发现DDT在环境中很难分解，而且杀虫的效率又很低，严重地污染了环境，通过食物链的富集作用，可在动物的脂肪中积累。研究表明，在南极企鹅的血液中也发现了DDT的踪影，由于鸟类体内含有DDT，导致了产生而不能孵化的软蛋。有毒物质进入生态系统后，就会沿着食物链在生物体内富集浓缩，越是后面的营养级，生物体内的有毒物质的残留浓度就越高。这种有毒物质在生物体内高度富集，导致危害的现象称为生物放大（扩大作用）。生物个体或处于同一营养级的生物种群，从周围环境中吸收并积累某种元素或难分解的化合物，导致生物体内该物质的平衡浓度超过环境中浓度的现象，这是生物的富集作用。由此看出，越是食物链的顶端特别是终端，其有毒有害物质物质的浓度就越大，食物链的顶端的浓度最大。当动物体内积累的DDT达到一定数量时，DDT的毒性就开始显现，并且造成严重的生理伤害。这种伤害对鸟类尤其严重，这是因为鸟类体重相对较轻而捕食量较大，这样就容易引起DDT在体内富集，从而导致慢性中毒甚至出现下一代的畸变。

3 多肽链的氮端和碳端

肽链的终端含有游离的α-氨基和游离的α-羧基，它们可以像游离的氨基酸那样进行离子化。虽然肽链中氨基酸残基的羧基和氨基大都用于形成肽键，但其中有些氨基酸的侧链R基团仍然可以离子化。所以，多肽可解离的R基团和两个末端基团，可决定多肽的酸碱性质，NH2能够结合一个H质子转变成NH3+，而COOH能够释放出一个H质子，转变成为COO-。凡是能够结合一个H质子的物质表现为酸性，能够释放出H质子的物质表现为碱性。因此，多肽终端的NH2和COOH就决定了多肽的化学性质。

4 高等植物茎的尖端

小麦、水稻、玉米等禾本科植物，以及棉花、苹果等双子叶植物穗分化的过程，都是从茎的生长锥伸长开始的。春花和光周期影响着生长锥的形态变化，这在小麦、水稻等作物的研究中得到了证明。研究表明，小麦在春化过程结束时，生长锥的形态并无变化，只有进入光周期诱导时，生长锥才开始伸长。生长锥的表面一层或数层细胞分裂加速，细胞小且细胞质较浓，中部的一些细胞则分裂速率减慢，细胞体积变大，细胞质相对稀薄，有的出现了液泡。生长锥表面的细胞具有较高含量的蛋白质和RNA。研究还表明，用抗核酸化合物5-氟尿嘧啶（5-FU），在苍耳暗期的起初8 h时施于芽部，可抑制RNA的合成，也抑制了开花，这个实验也说明了花的分化与DNA→RNA→蛋白质系统的活化有关。之后，由于表层分生细胞迅速分裂，使生长锥表面出现皱褶，在原来形成叶原基处形成了花原基，在花原基上再分化出花各部分的原基。

5 细胞结构的外表面

糖蛋白主要位于真核生物的细胞膜上。在动物细胞中，糖蛋白是糖萼的主要成分。在植物细胞中，主要是由糖脂构成膜包被。膜糖在细胞的生命活动中具有重要作用，可提高膜的稳定性，增强膜蛋白对细胞外基质中蛋白酶的抗性，帮助膜蛋白进行正确的折叠和维持正确的三维构型。糖膜的重要功能之一是参与信号的识别，这是因为在细胞膜的外表面存在某些化学信号的受体。如溶酶体的酶蛋白都有1个6-磷酸甘露糖的标记，这样便于被识别和被分选装入溶酶体小泡。又比如，细胞表面还有凝集素，也参与细胞的识别。由于凝集素可与细胞表面的糖蛋白、蛋白多糖、糖脂结合，且不同凝集素识别糖基的不同特异序列，发生特异性的结合，因此，在细胞生物学中被广泛用于定位和分离各种糖的细胞膜分子。另外，细胞膜外表面除了糖蛋白外还存在糖脂，它是某化学物质的受体，如霍乱毒素受体、百日咳毒素受体等。有的受体是由糖蛋白和糖脂共同组成的复合物，如促甲状腺激素受体等。受体是一种接受信息的分子，信号分子则是配体，通过配体与受体间的特异性结合才能进行有效识别，以进行细胞间通讯。

6 遗传信息表达的终端

遗传信息表达的终端是蛋白质。按照中心法则，遗传信息的传递过程为：DNA→mRNA→蛋白质。DNA分子中蕴藏着大量的遗传信息，这些遗传信息其本质是具有一定结构，有着遗传效应的脱氧核苷酸序列，mRNA分子中存在着遗传密码，其本质是一定结构的核苷酸序列，它是遗传信息在mRNA中的表现形式，由DNA转译来的。遗传密码又可指导一定顺序氨基酸的蛋白质形成。在DNA→mRNA→蛋白质这个信息链中，DNA为首端，RNA为中端，蛋白质为终端。结构蛋白中主要包括运输蛋白、结构单位蛋白、抗体和受体等；功能蛋白中主要是酶和部分激素。这个终端的主要功能是：

运输 脊椎动物及人的血液中，含有一种血红蛋白，它的特性是容易与氧结合也容易与氧分离。血液通过肺部时，血红蛋白与氧结合。血液返回心脏流向全身其余部分时，血红蛋白与氧分离，将结合的氧释放出来，以供给各种组织利用。另外，细胞膜上还有载体蛋白，它可将细胞需要的物质运输进来，将细胞不需要的代谢废物运送出细胞外。

防御 细胞器是由较小的亚基构成，这些亚基大都是蛋白质。亚基以一定的方式配搭起来，从而决定了总的形状，使它们能够执行特定的功能。抗体：脊椎动物和人体中，一种外来的蛋白质、多糖或核酸进入血液，带到淋巴结核脾脏，就产生一种特定的蛋白质——抗体。由于抗体独特的结构及化学组成，可辨认出外来分子并与之结合，身体运用这个系统作为一种防御机制，来防止病菌、病毒的侵入。

识别 前面已经谈及，在细胞膜及细胞内存在着受体，它们是大分子的蛋白质，能够特异性地与一定的活性物质相结合，产生特定的生理效应。

催化 细胞每进行一项工作，都包括一系列错综复杂的化学变化，一个反应的产物则是另一个反应的底物。这些化学反应进行的速率很快，一个活细胞中进行着几千种生化反应，这是因为酶的催化作用。

调节 激素中的一部分是蛋白质。如生长激素、促甲状腺素、促性腺素、胰岛素、促性腺激素释放激素、促肾上腺激素释放激素等。这些物质的量很少，作用相当大，对人及动物的新陈代谢、生长发育及生殖等生命活动起着重要的调节作用。过多过少都会造成不正常的代谢，使机体处于病态。以甲状腺素为例，如果甲状腺机能亢进，会造成人及动物的兴奋性增强，易激动，睡眠减少；当甲状腺激素不足时，使胎儿出生后数周至3或4个月，明显地出现智力低下，生长停滞，形成呆小症。

7 反射弧的终端

效应器是反射弧的终端，具有收缩和分泌的功能。一个反射弧的产生要由感受器接受体内外刺激产生神经冲动，神经冲动经感觉神经纤维传入中枢神经系统的脑或脊髓，通过中间神经元将神经冲动传递给运动神经元，经运动神经纤维传递给效应器，产生反应。效应器包括骨骼肌、平滑肌和各种腺体。骨骼肌是附着于骨骼上的横纹肌肉，每一个动作都是由多块肌肉协调收缩来完成的。而肌肉的协调是通过神经系统来完成的。皮肤肌是位于皮肤之下，与皮肤相连的横纹肌（也称表情肌），它收缩可使人产生喜怒哀乐等表情。色素细胞也是一种效应器，是很多动物合成体色变化的最后一站。有些动物的体色随着外界环境的变化而变化，这一变化的实质也是神经反射过程，通过反射弧实现。如乌贼等头足类动物在不同环境中身体发生相应的颜色变化以求得保护。色素细胞得到神经或激素的信息时，在ATP的参与下，色素若分散在细胞质中，则使动物的体色变深；也可以收缩在中央，使动物的体色变浅。运动神经末梢与腺体结合形成的效应器，当神经冲动传递到腺体时，便造成腺体收缩使其分泌某种化学物质，用于某种生理活动。

8 群落演化的终端

群落的演替自裸岩、沙丘和湖底开始，一直发展到茂密的森林群落，这要经历一个漫长的时间才能得以实现。群落演替并非是一个永恒延续的过程，当一个群落演替到与当地的气候和土壤条件处于平衡状态时，演替便不再进行。在此平衡点上，群落的结构最复杂、最稳定。如果无外力干扰，它将永远保持原状。这就是顶极群落，顶极群落是群落演替的终端，其功能在于使得群落处于相对稳定的状态，它是群落发展到一定阶段的产物。例如，美国的密执安湖沙丘上的演替。著名植物群落学家Cowles在1899年进行了最早的植物演替研究，动物群落学家Shelford于1913年进行了动物演替研究。后来Olson于1958年重新研究了沙丘演替系列，并提供了有关演替过程和速度的有关数据。他们的研究认为，沙丘上的先锋植物，是由一些先锋植物（Ammophila Agropyron等）和无脊椎动物（如虎甲、穴蛛和蝗虫等）构成。随着沙丘暴露时间的延长，它上面的先锋群落依次为桧柏松林、黑栎林、栎—山核桃林所取代，最后发展成为稳定的山毛榉—槭树林群落。群落演替开始于极端干燥的沙丘上，最终形成次冷湿的群落环境，形成富有裸原腐殖质的土壤，土壤中出现了蜗牛和蚯蚓。整个演替过程进行的十分缓慢，据Olson（1958年）估计，从裸露的沙丘到稳定的森林群落（山毛榉—槭树林），大约经历了1 000年的历史。

顶极群落的稳度也存在差异，在高温高湿的气候条件下形成的热带雨林，由于湿度与温度等气候条件较适合动植物的生长发育，造成了动植物的种类繁多，营养结构复杂，其稳度最大。在低温高湿的气候条件下形成的北方针叶林，其稳度较热带雨林差。在缺水条件下形成的沙漠，由于动植物种类稀少，营养结构也单纯，它的稳度最小，稳定性很容易遭到破坏。