身體內(nèi)的化學反應(yīng)

洪嘉君

“同化”與“異化”間的化學反應(yīng)

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(yīng)：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(yīng)，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(yīng)。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(yīng)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(yīng)的結(jié)果。

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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(yīng)對機制，就是這樣簡單的一個化學反應(yīng)。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(yīng)時，化學等式兩邊的原子和電子動態(tài)流轉(zhuǎn)，正、逆反應(yīng)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(fù)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。

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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(yīng)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(yīng)，其本質(zhì)是微觀層面上的化學過程。

效應(yīng)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(yīng)的分子信號則是“配體”。激素是典型的分子信號，當它與效應(yīng)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(yīng)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(yīng)，產(chǎn)生效應(yīng)。

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(yīng)的大門（如下圖所示）。

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身體里細菌的化學反應(yīng)

身體中的化學反應(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)，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(yīng)，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）