二、细胞生命活动的物质基础——原生质

　　生物的细胞腔内被半液体的物质所充满，1839年，Parkinje首先称它为原生质。
　　原生质是构成生活细胞的生活物质，细胞中有生命的部分是由原生质构成的，所以原生质是细胞结构和生命活动的物质基础。原生质由于有极其复杂的化学成分、物理性质以及特有的新陈代谢，因而具有一系列生命的特征。因此，要研究植物细胞，必须了解细胞生命活动的物质基础——原生质。
　　（一）原生质的化学组成　原生质不是单一物质，它有十分复杂的化学组成，且在不同生物体中或同一生物体的不同细胞中，甚至同一细胞的不同发育时期，原生质的组成都存在着差异。然而所有的原生质却有着相同的基本组成成分。
　　1．无机物　原生质中含量最多的无机物是水，一般占细胞全重的60-90%。在植物种子内含量较低，为10-14%。原生质中的水，以游离水和结合水两种方式存在，前者作为细胞生理生化反应的溶剂，参与细胞代谢过程，占全部水的95%；后者依靠氢键与蛋白质结合，为原生质结构的一部。细胞中的水和其他组分联合在一起，构成原生质的胶体状态。因此，水含量的多少影响到原生质的胶体状态，从而影响到细胞的组成与功能。同时，水的比热大，能吸收大量的热能，使原生质的温度不致过高或过低，有利于维持原生质的生命活动。
　　除水外，原生质中还有溶于水中的气体（如氧和二氧化碳等）、无机盐类以及许多呈离子状态的元素，如铁、铜、锌、锰、镁、钙、钾、钠、氯等。

2．有机物　构成原生质的有机物有蛋白质、核酸、糖类和脂类，还有极微量的生理活性物质。有机物约占细胞干重的90%。
　（1）蛋白质　蛋白质既是原生质重要的结构成分，又是细胞内参与调节各种代谢活动，完成各种生理功能，维持生命过程所不可缺少的，所以蛋白质是体现生命活动的重要物质。蛋白质是高分子量的复杂有机物，种类繁多。分子量从五千到百万以上。原生质中蛋白质的含量约占干重的60%。蛋白质的基本化学组成为碳、氢、氧和氮，还有一些含有硫、磷、碘、铁、锌等元素。
　　构成蛋白质的基本单元是氨基酸，它们聚合成高分子长链化合物。氨基酸主要有20多种。由于氨基酸的种类、数目、排列顺序和方式的不同，可以形成各种各样的蛋白质。同时，蛋白质在原生质中不是单纯的、孤立的状态存在，它们可以和某些物质的分子或离子结合，例如，和脂类结合形成脂蛋白，和核酸结合形成核蛋白，和糖类结合形成糖蛋白，和某些金属离子结合形成色素蛋白等等。这就充分表现出蛋白质的多样性，这与它们完成多种功能有关。
　　所有细胞内都有一类重要的蛋白质，称为酶。酶是生物体内生化反应的机催化剂。在大多数情况下，一种酶只能催化一种反应，这是酶的专一性。细胞内要进行多种生化反应，因此，细胞内有很多不同的酶。据估计，一个细胞内约有3千种酶，合理地分布在特定的部位，使各种生化反应同时在细胞中有条不紊地进行。所以，原生质的不同部分或结构的特定功能，就和所在部位的特定酶类有关，例如：线粒体中含有许多呼吸作用的酶类，而细胞核中则没有这种酶。
　　酶可以从细胞中分离出来，并仍保持其活性。有关对酶方面的研究，在工农业生产和医疗等方面有广泛的实用价值。例如，在农业上，测定植物硝酸还原酶活性的强弱来确定植物耐肥能力强弱，如水稻苗期该酶活性与品种耐肥性呈负相关；又如，在杂交育种中，可通过同工酶的测定来确定杂种和筛选杂种，对作物育种具有实际意义。在医学上，测定丙谷转氨酶来确定人体肝脏病变，已为大家所熟知。
（2） 核酸　核酸是遗传物质，普遍存在于活细胞内，担负着贮存和复制遗传信息的功能。同时还和蛋白质的合成有密切关系，可使遗传信息表达出来。因此，核酸对于生物的遗传和蛋白质合成特别重要。
核酸可分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。它们在细胞内多与蛋白质结合，以核蛋白的形式存在，但也可单独存在。
DNA是遗传的分子基础，主要存在于细胞核的染色体上，在线粒体和叶绿体上也有。其功能为遗传信息所在。DNA的结构根据沃森一克里克（Watson-Crick）模型为双螺旋结构，好似螺旋形的梯子。最近用扫描隧道电子显微镜拍摄到DNA分子结构，完全证实了这个模型。
RNA主要分布在细胞质核仁中，与蛋白质的合成有关。RNA的分子结构是单链的。
DNA和RNA的主要区别列表2-1。

　　表2-1　DNA和RNA的区别

　　（3）脂类　是一类脂肪性物质，经水解后产生脂肪酸，其共同特点是难溶于水。脂类在原生质中可作为结构物质，如磷脂和蛋白质结合，是构成质膜和细胞内膜的重要材料，对维持细胞的结构与功能起着十分重要的作有用。有些细胞的角质、木栓质和蜡也是脂类物质。类胡萝卜素、维生素A等是脂类中的色脂，在细胞生理上有活跃的作用。细胞中含有的中性脂肪，主要是贮藏能量。
　　（4） 糖类　糖类参与原生质和细胞壁的构成，并作为能量来源用于原生质的生命活动，或贮存于细胞内供植物体以后的生命活动的需要。糖类是植物光合作用的产物，也可作为合成其他有机物质的原料。
　　糖类由碳、氢、氧三种无素组成，可分为单糖、双糖和多糖三类。
　　单糖是简单的糖类，以戊糖（五碳糖）和已糖（六碳糖）最重要。前者是核酸的组分之一，如核糖和脱氧核糖；后者是细胞内能量的主要来源。
　　多糖是由许多单糖分子脱去相应数目的水分子聚合而成的大分子量糖类。多糖是细胞的重要支持材料，如纤维素和果胶质是细胞壁的重要结构成分；淀粉是植物细胞最常见的贮藏营养物质。
　　蛋白质、核酸和多糖是构成细胞的大分子，原生质中的某些脂类虽不是大分子化合物，但它们和大分子物质紧密结合，所以也很重要，这四大类物质，极其错综复杂地、有机地结合，构成原生质或细胞的各种形态上或生理上特化的组成部分。
　　此外，原生质还有含量极微，但生理作用颇大的生理活跃物质，如维生素、植物激素、抗菌体、植物杀菌素等等。
　　（二）原生质的物理性质　原生质是具有一定弹性和粘度的、半透明的、不均一的亲水胶体，比重为1.04—1.06。
　　胶体由分散相和连续相构成。原生质胶体的分散相是生物大分子，主要是蛋白质、核酸和多糖，形成直径约0.1—0.0001微米的小颗粒，均匀地分散在以水为主而溶有简单的糖类、氨基酸、无机盐的溶液中。这些大分子颗粒保持悬浮，并有不规则的运动，称布朗运动。这样以分散程度很高存在的大分子颗粒有巨大的表面。业已证明，许多化学反应都是在界面上发生的。所以细胞空间虽小、但内部界面很大，为同时进行各种生化反应提供活动场所。
　　原生质属于亲水胶体，是由于蛋白质和核酸带有正电荷和负电荷，而水分子又具有两极性，使胶粒与水分子发生水合作用，因而具有很厚的吸附水合层保护，并带有电荷，使其更加处于稳定状态。它与疏水胶体不同。疏水胶体没有吸附水合层，一当处于等电点或用其他电解质去除胶粒周围电荷时，胶粒即沉淀。而亲水胶体必须既除去电荷，又除去吸附水合层时胶粒才会沉淀。有时细胞受环境影响而失去活动，往往是原生质胶体的水合层被破坏所造成。因此，原生质胶体颗粒分散在介质中不凝结下沉，保证了原生质结构的稳定性和生理功能的正常进行。
　　在通常情况下，原生质胶体的胶粒悬浮在液体的介质中，称为溶胶。它具有半流动性，所以，在生活细胞中常可看到原生质的流动现象。但在一定条件下，如温度降低，水分减少时，布朗运动缓慢，胶粒水合层变薄，胶粒之间互相连接形状成网结构，而液体介质分散在胶粒网中，胶粒失去活动性，称为凝胶。此时生命活动降到最低点。原生质有时呈溶胶状态，有时介乎两者之间，这种状态的变化受到生理生化反应和环境条件，如低温、周围酸碱度变化等影响而不断变化。例如，干燥的植物种子细胞的原生质呈凝胶状态，其生命活动降到最低点，因而能较长时期贮存和保持其生命力；种子萌发时，吸收大量水分，原生质呈溶胶状态，生命活动就旺盛起来。花粉、果蔬的低温贮藏也是同样的道理。
　　（三）原生质的运动和新陈代谢　生活细胞的原生质是不断运动的。原生质的运动是生命活动的表现，有利于维持细胞正常代谢　生活细胞的原生质是不断运动的。原生质的运动是生命活动的表现，有利于维持细胞正常代谢、物质转移和信息传递。原生质的运动可分为两种：
　　1.原生质的旋转运动　细胞内原生质以顺时针或逆时针方向沿着细胞壁围绕着中央大液泡流动，称为旋转运动。在它的液流中可携带细胞核和质体一起运动。黑藻幼叶细胞和水稻的根毛中可看到这种运动。
　　2.原生质的循环运动　细胞内原生质以不同方向围绕着一些小液泡流动，称为循环运动。此过程中，原生质在细胞核四周以不同方向散射成细小的原生质丝。每条原生质丝的运动围绕一个或几个液泡来回于细胞核。这种运动在紫鸭跖草和南瓜花丝上的毛中可以看到。
　　生活的原生质必须不断地从环境中吸取水分、空气和营养物质，经过一系复杂的生理生化作用，使之成为原生质自身的物质，这个过程称为同化作用。与此同时，原生质的某些物质不断地分解成为简单的物质并释放能量，供生命活动的需要，这个过程称为异化作用。这两个过程共同构成新陈代谢，它是生命的基本特征。