組成細胞的基本元素是：O、C、H、N、Si、K、Ca、P、Mg，其中O、C、H、N四種元素占90%以上。細胞化學物質可分為兩大類：無機物和有機物。在無機物中水是最主要的成分，約占細胞物質總含量的75%－80%。

一、水與無機鹽

（一）水是原生質最基本的物質

水在細胞中不僅含量最大，而且由于它具有一些特有的物理化學屬性，使其在生命起源和形成細胞有序結構方面起著關鍵的作用?？梢哉f，沒有水，就不會有生命。水在細胞中以兩種形式存在：一種是游離水，約占95%；另一種是結合水，通過氫鍵或其他鍵同蛋白質結合，約占4%~5%。隨著細胞的生長和衰老，細胞的含水量逐漸下降，但是活細胞的含水量不會低于75%。

水在細胞中的主要作用是，溶解無機物、調節(jié)溫度、參加酶反應、參與物質代謝和形成細胞有序結構。

（二）無機鹽

細胞中無機鹽的含量很少，約占細胞總重的1%。鹽在細胞中解離為離子，離子的濃度除了具有調節(jié)滲透壓和維持酸堿平衡的作用外，還有許多重要的作用。

主要的陰離子有Cl－、PO4－和HCO3－，其中磷酸根離子在細胞代謝活動中最為重要：①在各類細胞的能量代謝中起著關鍵作用；②是核苷酸、磷脂、磷蛋白和磷酸化糖的組成成分；③調節(jié)酸堿平衡，對血液和組織液pH起緩沖作用。

主要的陽離子有：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Cu2+、Co2+、Mo2+。

二、細胞的有機分子

細胞中有機物達幾千種之多，約占細胞干重的90%以上，它們主要由碳、氫、氧、氮等元素組成。有機物中主要由四大類分子所組成，即蛋白質、核酸、脂類和糖，這些分子約占細胞干重的90%以上。

（一）蛋白質

在生命活動中，蛋白質是一類極為重要的大分子，幾乎各種生命活動無不與蛋白質的存在有關。蛋白質不僅是細胞的主要結構成分，而且更重要的是，生物專有的催化劑－－酶是蛋白質，因此細胞的代謝活動離不開蛋白質。一個細胞中約含有104種蛋白質，分子的數(shù)量達1011個。

（二）核酸

核酸是生物遺傳信息的載體分子，所有生物均含有核酸。核酸是由核苷酸單體聚合而成的大分子。核酸可分為核糖核酸RNA和脫氧核糖核酸兩大類DNA。當溫度上升到一定高度時，DNA雙鏈即解離為單鏈，稱為變性（denaturation）或熔解（melting），這一溫度稱為熔解溫度（melting temperature，Tm）。堿基組成不同的DNA，熔解溫度不一樣，含G－C對（3條氫鍵）多的DNA，Tm高；含A－T對（2條氫鍵）多的，Tm低。當溫度下降到一定溫度以下，變性DNA的互補單鏈又可通過在配對堿基間形成氫鍵，恢復DNA的雙螺旋結構，這一過程稱為復性（renaturation）或退火（annealing）。

（三）糖類

細胞中的糖類既有單糖，也有多糖。細胞中的單糖是作為能源以及與糖有關的化合物的原料存在。重要的單糖為五碳糖（戊糖）和六碳糖（己糖），其中最主要的五碳糖為核糖，最重要的六碳糖為葡萄糖。葡萄糖不僅是能量代謝的關鍵單糖，而且是構成多糖的主要單體。

多糖在細胞結構成分中占有主要的地位。細胞中的多糖基本上可分為兩類：一類是營養(yǎng)儲備多糖；另一類是結構多糖。作為食物儲備的多糖主要有兩種，在植物細胞中為淀粉（starch），在動物細胞中為糖元（glycogen）。在真核細胞中結構多糖主要有纖維素（cellulose）和幾丁質（chitin）。

（四）脂類

脂類包括：脂肪酸、中性脂肪、類固醇、蠟、磷酸甘油酯、鞘脂、糖脂、類胡蘿卜素等。脂類化合物難溶于水，而易溶于非極性有機溶劑。

1、中性脂肪（neutral fat）

①甘油酯：它是脂肪酸的羧基同甘油的羥基結合形成的甘油三酯（triglyceride）。甘油酯是動物和植物體內(nèi)脂肪的主要貯存形式。當體內(nèi)碳水化合物、蛋白質或脂類過剩時，即可轉變成甘油酯貯存起來。甘油酯為能源物質，氧化時可比糖或蛋白質釋放出高兩倍的能量。營養(yǎng)缺乏時，就要動用甘油酯提供能量。

②蠟：脂肪酸同長鏈脂肪族一元醇或固醇酯化形成蠟（如蜂蠟）。蠟的碳氫鏈很長，熔點要高于甘油酯。細胞中不含蠟質，但有的細胞可分泌蠟質。如：植物表皮細胞分泌的蠟膜；同翅目昆蟲的蠟腺、如高等動物外耳道的耵聹腺。

2、磷脂

磷脂對細胞的結構和代謝至關重要，它是構成生物膜的基本成分，也是許多代謝途徑的參與者。分為甘油磷脂和鞘磷脂兩大類。

3、糖脂

糖脂也是構成細胞膜的成分，與細胞的識別和表面抗原性有關。

4、萜類和類固醇類

這兩類化合物都是異戊二烯（isoptene）的衍生物，都不含脂肪酸。

生物中主要的萜類化合物有胡蘿卜素和維生素A、E、K等。還有一種多萜醇磷酸酯，它是細胞質中糖基轉移酶的載體。

類固醇類（steroids）化合物又稱甾類化合物，其中膽固醇是構成膜的成分。另一些甾類化合物是激素類，如雌性激素、雄性激素、腎上腺激素等。

三、酶與生物催化劑

（一）酶

酶是蛋白質性的催化劑，主要作用是降低化學反應的活化能，增加了反應物分子越過活化能屏障和完成反應的概率。酶的作用機制是，在反應中酶與底物暫時結合，形成了酶－－底物活化復合物。這種復合物對活化能的需求量低，因而在單位時間內(nèi)復合物分子越過活化能屏障的數(shù)量就比單純分子要多。反應完成后，酶分子迅即從酶－－底物復合物中解脫出來。

酶的主要特點是：具有高效催化能力、高度特異性和可調性；要求適宜的pH和溫度；只催化熱力學允許的反應，對正負反應的均具有催化能力，實質上是能加速反應達到平衡的速度。

某些酶需要有一種非蛋白質性的輔因子（cofactor）結合才能具有活性。輔因子可以是一種復雜的有機分子，也可以是一種金屬離子，或者二者兼有。完全的蛋白質－－輔因子復合物稱為全酶（holoenzyme）。全酶去掉輔因子，剩下的蛋白質部分稱為脫輔基酶蛋白（apoenzyme）。

（二）RNA催化劑

T.Cech 1982發(fā)現(xiàn)四膜蟲（Tetrahymena）rRNA的前體物能在沒有任何蛋白質參與下進行自我加工，產(chǎn)生成熟的rRNA產(chǎn)物。這種加工方式稱為自我剪接（self splicing）。后來又發(fā)現(xiàn)，這種剪下來的RNA內(nèi)含子序列像酶一樣，也具有催化活性。此RNA序列長約400個核苷酸，可褶疊成表面復雜的結構。它也能與另一RNA分子結合，將其在一定位點切割開，因而將這種具有催化活性的RNA序列稱為核酶Ribozyme。后來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，具有催化活性的RNA不只存在于四膜蟲，而是普遍存在于原核和真核生物中。一個典型的例子核糖體的肽基轉移酶，過去一直認為催化肽鏈合成的是核糖體中蛋白質的作用，但事實上具有肽基轉移酶活性和催化形成肽鍵的成分是RNA，而不是蛋白質，核糖體中的蛋白質只起支架作用。