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        身體內(nèi)的化學反應

        2022-05-30 10:48:04洪嘉君
        知識就是力量 2022年11期
        關(guān)鍵詞:化學

        洪嘉君

        “同化”與“異化”間的化學反應

        中國著名生物化學家劉思職院士這樣解釋身體內(nèi)的化學反應:生者化,化又生,生化即化生;新必陳,陳乃謝,新陳恒代謝。

        身體的正常運作有賴于我們和外界物質(zhì)的不斷互動,無論是攝入食物、還是呼吸空氣,但問題是,外界物質(zhì)是怎么在身體里發(fā)揮作用的呢?化學提供了一個很好的切入角度,“化”就是“轉(zhuǎn)化”,所以“化學”就是轉(zhuǎn)化的學問。不屬于人體的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為身體的一部分或成為身體需要的營養(yǎng)(“生者化,化又生”),這一過程被稱為同化;“化”為身體一部分后,需要時,這部分會發(fā)生異化,異化是消耗身體的一部分,讓它發(fā)揮不同的生理功能,產(chǎn)生的殘渣則被排出身體(“新必陳,陳乃謝”)。

        蛋白質(zhì)的分解與合成

        蛋白質(zhì)的“前世今生”

        進食和同化的關(guān)系最容易被理解。我們以蛋白質(zhì)食物(肉、奶、蛋)為例,它們被吃下后,首先會被胃酸和小腸液水解,這一過程的本質(zhì)是蛋白質(zhì)在消化酶催化下的化學分解反應,蛋白質(zhì)只有被“拆”成氨基酸才能被人體吸收;而吸收后的氨基酸再由血液帶到特定部位,這次將在生物酶的作用下合成為人體的功能蛋白。

        知識拓展

        蛋白質(zhì)大家庭

        蛋白質(zhì)是組成人體一切細胞、組織的重要成分,人體各種生命活動的正常運行都離不開蛋白質(zhì)。接下來,讓我們簡單認識一下幾種人體中的蛋白質(zhì)。白蛋白,這是重要的供能物質(zhì)之一,對維持體內(nèi)環(huán)境的平穩(wěn)意義重大;丙種球蛋白(簡稱“丙球”),當人體出現(xiàn)感染時,它起著至關(guān)重要的免疫作用;各種凝血因子(蛋白質(zhì)),在止血時起著關(guān)鍵作用;還有各種消化酶,我們能夠從食物中獲取各種營養(yǎng)物質(zhì)可離不開它們。

        氧氣的運輸

        一場關(guān)于氧氣的“傳遞”之旅

        身體的另一個典型同化現(xiàn)象是呼吸。血紅蛋白是氨基酸在骨髓內(nèi)進行化學合成的結(jié)果。紅細胞“裝配”好血紅蛋白后進入血液循環(huán),流經(jīng)肺泡時,血紅蛋白會和吸入的氧氣發(fā)生氧合反應。該過程迅速有力,全有賴于血紅蛋白中Fe2+精準“鉤氧”的能力。更神奇的是,在人體需氧的部位,氧和Fe2+會迅速脫鉤,這種快速的解離反應是氧能被人體順利使用的基礎(chǔ)。

        人體對氧的使用同樣體現(xiàn)在異化作用上,最常見的就是身體消耗葡萄糖來產(chǎn)生能量,這是生命維持活力最重要的代謝形式。碳水化合物被攝入后,會被同化為肝糖原進行存儲,需要能量時糖原將分解為葡萄糖,葡萄糖完全氧化的過程將釋放熱量,可以支持各種生命活動,同時生成的二氧化碳(CO2)和水,被排出體外。在營養(yǎng)不良時,肌肉中的糖原同樣會被分解,所以,營養(yǎng)不良時的消瘦也可以被看成是化學反應的結(jié)果。

        知識拓展

        從化學的角度解讀CO中毒

        相比氧,血紅蛋白的“鐵鉤”對煤氣(主要成分是一氧化碳〔CO〕)更“親”(化學術(shù)語,親和力更高)。所以,在臨床上救治煤氣中毒者的核心應對機制,就是這樣簡單的一個化學反應。那么,你覺得有什么好辦法來治療煤氣中毒者呢?答案是吸高壓氧,高壓讓氧與血紅蛋白的結(jié)合更強烈,可以競爭性抑制CO的作用。

        葡萄糖的分解吸收

        細胞的“吸收”——化學平衡的建立

        那礦物質(zhì)和水又是如何被我們身體吸收的呢?要理解它們?nèi)绾伪荒c道吸收,我們需要先了解化學式的“配平”。“配平”雖然只是一種數(shù)學技巧,但底層邏輯卻十分深刻,那就是物質(zhì)的守恒——發(fā)生化學反應時,化學等式兩邊的原子和電子動態(tài)流轉(zhuǎn),正、逆反應趨于“平衡”。

        讓我們回到腸道內(nèi),這里礦物質(zhì)的濃度遠高于腸壁細胞內(nèi),這時,礦物質(zhì)中的部分物質(zhì)由濃度高的一側(cè)通過細胞膜擴散到濃度低的細胞內(nèi),這一過程被稱為“自由擴散”,其實也是化學平衡建立的過程。等式兩端的正離子(典型的有H+、Na+、Ca2+等)和負離子(典型的有OH-和Cl-等)動態(tài)交換,在逐漸趨向平衡的過程中,人體需要的物質(zhì)被細胞吸收(如Na+、Ca2+等),對人體有害的物質(zhì)(如NH4+)則被細胞排入大腸。

        另外,還有一種吸收,其過程要復雜一些它不依賴于腸道內(nèi)物質(zhì)的濃度,而是借助細胞上特定的通道開口,精準吸收人體需要的成分。該過程被稱為“主動運輸”,需要消耗能量,是一種逆濃度的化學運輸過程。

        知識拓展

        化學鍵

        化學鍵(chemical bond)是純凈物分子內(nèi)或晶體內(nèi)相鄰兩個或多個原子(或離子)間強烈的相互作用力的統(tǒng)稱。共價鍵是化學鍵的一種,兩個或多個原子共同使用其外層電子,在理想情況下達到電子飽和狀態(tài),由此組成比較穩(wěn)定的化學結(jié)構(gòu)。把共價鍵之外的原子結(jié)合依托的外力稱為非共價鍵,包括離子鍵、金屬鍵和分子間作用力等,相對共價鍵,其化學結(jié)構(gòu)更為靈活。

        激素的“調(diào)節(jié)”作用

        激素是在人體內(nèi)合成的有特殊效應的化學物質(zhì)。激素要發(fā)揮作用,有賴于特定的目標細胞并激活它們的效應,其本質(zhì)是微觀層面上的化學過程。

        效應細胞表面分布的蛋白質(zhì)或糖結(jié)構(gòu),具有專一性,意思是只能“認識”特定的分子,它們被稱為“受體”,與之對應的分子信號則是“配體”。激素是典型的分子信號,當它與效應細胞接觸,會和受體結(jié)合。用化學術(shù)語更確切地說,兩者將以非共價鍵的形式結(jié)合,這種結(jié)合本身是細胞內(nèi)效應的信號,旨在啟動細胞內(nèi)基因?qū)用娴恼{(diào)控,在宏觀上則表現(xiàn)為對信號的回應,產(chǎn)生效應。

        自由擴散與主動運輸

        換句話來解釋,與其說是激素在發(fā)揮某種生理功能,毋寧認為是激素這把鑰匙打開了細胞發(fā)揮效應的大門(如下圖所示)。

        知識拓展

        身體里細菌的化學反應

        身體中的化學反應不是人體所獨有的,腸道中的細菌也會參與其中。無法完全消化的某些蛋白質(zhì),可以被細菌們代謝,這類化學反應被稱為腐敗。腐敗的產(chǎn)物絕大部分對人體不友好,往往會被腸道排出,特別典型的有硫化氫,非常臭。這種以細菌為主角的身體中的化學反應,并不是異化,它們只是細菌自身代謝的結(jié)果。

        人體正常運行的過程包含著一個個化學反應,除了這篇文章中提到的,人體當中還有許多有趣的化學反應,等待我們繼續(xù)去探尋。

        (責任編輯 / 張麗靜? ?美術(shù)編輯 / 韋英章)

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