高中生物/化学组成（1）鸿毛的外交官——无机物

生物体内的无机物

水的分类与生物学功能

水是生物体内含量最丰富的化合物，也是生命活动不可或缺的介质。其分子由两个氢原子和一个氧原子构成（H₂O），具有极性特性，能够形成氢键，从而表现出高比热容、高汽化热以及优异的溶剂能力等物理化学性质。在生物体内，水以两种形式存在：自由水与结合水。

自由水是指未与其他物质结合、可自由流动的水分子，占细胞总水量的绝大部分。自由水直接参与多种生化反应，是细胞内化学反应的核心介质。例如，在动物消化系统中，水作为溶剂促进消化酶对营养物质的水解作用；在植物光合作用中，水不仅是光反应的原料（参与光系统II的水裂解反应），还通过蒸腾作用驱动水分和矿质离子的长距离运输。此外，自由水在维持细胞渗透压平衡中起关键作用：血液中的血浆以水为基质，负责运输氧气、营养物质及代谢废物；淋巴液和组织液中的水则构成细胞外液，为细胞提供稳定的内环境。水的高汽化热特性使其在温度调节中具有重要意义。例如，动物通过汗液蒸发散热维持体温稳态，植物通过蒸腾作用降低叶片温度以保护光合机构。

结合水则与蛋白质、多糖等大分子通过氢键结合，成为细胞结构的一部分。这类水分子失去流动性，但仍对细胞结构的稳定性至关重要。例如，植物细胞壁中的结合水与纤维素形成氢键网络，维持细胞壁的机械强度；动物细胞中的结合水则参与细胞膜双分子层的稳定化。自由水与结合水的比值动态平衡直接影响生物体的代谢强度与抗逆性：比值较高时（自由水占优），代谢活跃但抗逆性较弱；比值较低时（结合水占优），代谢减缓但抗逆性增强。这一特性在种子萌发和休眠过程中尤为显著——种子在休眠时结合水比例上升，代谢速率降低，从而增强对干旱、低温等逆境的耐受性；萌发时自由水比例恢复，代谢活动迅速激活。

无机盐的存在形式与生理意义

无机盐通常以离子形式存在于生物体内，其功能涉及多个层面。常见的阳离子包括钠（Na⁺）、钾（K⁺）、钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）等，阴离子则主要包括氯（Cl⁻）、磷酸根（PO₄³⁻）、碳酸氢根（HCO₃⁻）等。这些离子通过跨膜转运蛋白（如钠钾泵）维持细胞内外液的离子浓度梯度，进而调控细胞电位、渗透压及酸碱平衡。

在神经与肌肉活动中，无机盐的作用尤为关键。钠离子（Na⁺）和钾离子（K⁺）通过钠钾泵的主动运输机制建立跨膜电位，为动作电位的产生与传导提供基础。钙离子（Ca²⁺）作为细胞内第二信使，参与肌肉收缩、神经递质释放及基因表达调控。例如，骨骼肌中肌质网释放的Ca²⁺与肌钙蛋白结合，触发肌丝滑行，最终导致肌肉收缩。此外，无机盐通过缓冲体系维持内环境稳态。碳酸氢盐缓冲体系（HCO₃⁻/CO₂）是血液中最主要的pH调节系统，通过肺和肾脏的协同作用，将pH稳定在7.35-7.45的狭窄范围内。

无机盐对酶活性的调节亦至关重要。许多酶需要金属离子作为辅因子，例如叶绿素的核心结构含镁离子（Mg²⁺），直接影响光能吸收效率；乙醇脱氢酶依赖锌离子（Zn²⁺）催化酒精氧化反应。此外，三磷酸腺苷（ATP）的水解反应需要Mg²⁺作为辅助因子，以中和ATP的负电荷，促进酶促反应进行。

实验验证与实例分析

通过实验可直观验证水与无机盐的功能。将小麦种子晾晒后，自由水大量流失，细胞代谢速率显著下降；进一步高温焚烧后，结合水与有机物被分解，残留的灰烬即为无机盐（如磷酸钙、氯化钠等）。这一过程揭示了水和无机盐在生物体中的存在形式及其对代谢的支撑作用。

无机盐缺乏症的表现进一步印证了其生理意义。植物缺镁会导致叶绿素合成障碍，表现为叶片黄化（缺绿症）；缺磷则影响ATP合成，抑制能量代谢。在人体中，钙离子（Ca²⁺）不足会引发骨质疏松，而铁（Fe²⁺）缺乏导致血红蛋白合成障碍，引发缺铁性贫血。此外，钠钾泵功能紊乱可能引发电解质失衡，表现为肌肉抽搐或心律失常，凸显了无机盐在维持细胞电生理特性中的核心地位。

课堂小结

水与无机盐共同构成生物体的基础化学环境。自由水与结合水的动态平衡调控代谢强度，而无机盐则通过离子形式维系生理稳态。两者的协同作用确保生物体在复杂环境中维持正常生命活动，从分子水平的酶促反应到宏观层面的代谢调控，均离不开无机物的支持。