细胞中的无机物
1.水的物理化学性质与生命的关系
水是生命的源泉。活细胞中绝大多数化学反应是在水环境中进行的。水在许多生物化学反应中是一个活泼的参与者，而且是大分子（如蛋白质）性质的重要决定因素。水之所以成为生命活动中最重要的溶剂，是由它的物理化学性质所决定的，而它的物理化学性质取决于它的分子结构，即水是一个带有氢键的极性分子。
水的极性分子结构特性决定了它有许多独特的物理性质：较高的介电常数、比热、蒸发热、沸点、熔点及抗张强度等（表10）。
表10 一些常见物质的物理性质
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熔点 /℃
沸点 /℃
蒸发热 /J·g-1
比热 /J·g-1
熔解热 /J·g-1
水 乙醇 丙酮 乙酸乙酯 氯仿
0 -114 -95 -84 -63
100 78 56 77 61
2 257.2 852.7 522.5 426.4 246.6
4.184 2.429 2.207 1.919 0.945
334.4 104.1 96.1 — —
??? 水的介电常数是溶液中最高的，这就意味着按单位容积计算，没有任何溶剂能比水溶解更多种类和数量的溶质，所以水成为最理想的生物溶剂。
比热是指提高单位数量的某物质单位温度所需要的热量。水的比热在液体中排第二位（汞的比热最大），这种高比热特性意味着水的温度相对不容易发生改变，可作为热的缓冲剂，这样以水为介质的生命体系就可以维持在相对稳定的状态，使生物体少受外界温度变化的影响。
蒸发热是指在恒定温度下，使某物质由液态转变为气态所需要的热量。水的蒸发热大，能为部分脊椎动物所利用， 以汗水的蒸发作为一种冷却机制；同样，对于植物来说也是非常重要的，植物叶片通过水分蒸发消耗过多吸收的光能，从而避免温度升高对细胞造成伤害。
氢键使水的沸点高达100 ℃，所以在正常温度下，水是液体，有利于生命活动的进行。水的熔解热最高，这样在临近结冰温度时，温度下降的趋势大大降低，从而防止了零度以下的快速降温，这对于地球气温的调节以及水生生物的生存都有十分重要的意义。
物体抵抗拉力而不被拉断的能力称为抗张强度。由于水分子间的内聚力（水分子间的氢键使水分子具有的相互吸引力），水具有很高的抗张强度，因此，水柱可以抵抗外界的拉力而不会被拉断，这种特性在植物体内水和无机盐的向上运输中发挥着重要作用；即使冰的密度低于水而能漂浮水上的现象，对水生生物的生活也很重要。
水的表面张力可以维持植物导管中水流的连续性。细胞的含水量与其生理活动是否活跃常常是密切相关的。当细胞含水量充足时其生理活动常较活跃，而当含水量降低时细胞的生命活动也会减弱。植物细胞所具有的膨压也是通过水分的平衡建立起来的。
另外，水的热传导性在非金属物质中是最好的，水的黏度是较低的，水还具有渗透作用等，这些对于生命活动来说都是至关重要的。
综上所述，水是细胞中各种生物化学反应的基本介质，是生命的源泉。
2.无机盐在调节酸碱平衡中的作用
下面以动物体为例来介绍无机盐在调节酸碱平衡中的作用。
动物的体液具有正常的pH值，如人的血浆pH值约为7.35～7.45，在酸碱平衡的维持中，无机盐直接参与了缓冲对的构成。血液中最主要的缓冲对是由碳酸氢钠（钾）和碳酸所构成的，即NaHCO3/H2CO3或KHCO3/H2CO3。
除此之外，还存在有其他的缓冲对。在血浆中有Na2HPO4/NaH2PO4、血浆蛋白质钠盐/蛋白质等，在红细胞中有K2HPO4/KH2PO4、红细胞蛋白体系钾盐/红细胞蛋白（血红蛋白钾盐/血红蛋白、氧合血红蛋白钾盐/氧合血红蛋白）等缓冲对，这些缓冲对对于调节体液的酸碱平衡都是很有效的。
3.无机盐在调节渗透压中的作用
渗透压是衡量溶液中溶质浓度的一种方法，其计算公式为π=CRT，其中C为溶液中溶质的浓度，R是气体常数，T为热力学温度。由公式可以看出，溶液中渗透压的高低与溶液中溶质粒子的大小、电荷的多少及其化学性质无关，而取决于溶液中溶质粒子的浓度。
在机体内引起渗透压的有效物质包括有机物和无机物。由于体内无机盐的浓度、解离程度都比有机物高得多，所以体液中无机盐提供的渗透压最大，而有机物提供的渗透压很小。细胞内液及细胞外液的容积决定于它们的渗透压，只有当机体细胞内外的渗透压恒定时，组织细胞的形态和机能才能维持正常，各种正常的物质代谢才能有条不紊地进行，这是维持内环境稳定的一个极为重要的方面。
4.人体对无机盐的需求（部分）
表11 人体对无机盐的需求表（部分）
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无机盐
功? 能
每日需要量
缺乏引起的疾病
过量引起的疾病
Fe ?
是血红蛋白、细胞色素及含铁酶类的成分。
10～20 mg
缺铁性贫血 ?
色素性肝变硬；铁质沉着病
Ca
促进牙齿和骨骼生长，凝血作用，调节神经肌肉的敏感性等。
0.4～1.5 g
骨骼畸形；痉挛 ?
白内障；胆结石；粥样硬化 ?
P
构成骨骼、牙齿、肌肉及血液的重要元素，促进酶的活动，形成ATP。
1.2～2.7 g ?
─
─ ?
Na ?
体液的主要组成成分，调节体液渗透压。
1.6～5 g
Addison病等
— ?
K
使生长正常，保持肌肉功能正常，维持离子浓度平衡、调节体液渗透压。
2～4 g
心律异常等 ?
Addison病 ?
I
是形成甲状腺素的成分。 ?
0.01～0.15 mg
甲状腺肿等 ?
— ?
Mg
参与构成叶绿素，与酶的活性有关，保持肌肉功能正常。
0.2～0.4 g ?
惊厥 ?
麻木症
Cu ?
促进正常生长。
1～3 mg
贫血症；卷毛综合征等
Wilson氏肝脏豆核病
Mn ?
正常生长所需。
2.5～5 mg
骨骼畸形 ?
运动失调
Zn ?
是若干跟消化有关的酶的结构中心。 ?
10～15 mg
侏儒症；生殖腺功能受影响
金属烟雾发烧症
Cr ?
对胰岛素的生成是重要的。
0.05～0.2 mg ?
非正常的葡萄糖代谢 ?
— ?
F
维持骨骼的结构，防止蛀牙。
2 mg
—
牙齿出现斑点
自我检测的答案和提示
一、概念检测
判断题
1.√。 2.×。 3.×。 4.√。 5.×。 6.×。
选择题
1.A。 2.B。 3.D。 4.A。
画概念图
完成下面有关蛋白质分子的概念图
二、知识迁移
自由水，结合水，自由水。
三、技能应用
提示：20种氨基酸在形成肽链时可以有不同的序列，这是肽链形式多样的主要原因。用数学的排列组合方式可以解释，假若一段只有20个氨基酸的肽链，那么由于不同的排列组合可以形成的肽链形式就有2020种之多。更何况肽链中的氨基酸数目远不止20个，通常是成百上千，可以想像形成的肽链形式将会是一个天文数字。
四、思维拓展
提示：在陨石中发现了氨基酸，且非地球所有，这说明宇宙中很可能还存在与地球生物类似的生命形式。因为氨基酸是组成蛋白质的基本单位，而蛋白质又是生命活动的主要承担者。
w.w.w.k.s.5.u.c.o.m
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