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第二章化学与生命科学 琼州学院公选课 身边的化学 1 生命科学是研究生命现象 生命活动的本质 特征和发生 发展规律 以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学 生命科学与人类生存 人民健康 经济建设和社会发展有着密切关系 是当今在全球范围内最受关注的基础自然科学 2 生命科学是由各个学科交叉渗透而来 其中化学在研究生物体的物质基础和生命活动基本规律的领域里 发挥着重要的作用 本章从与生命活动密切相关的蛋白质 核酸 糖类和一些微量元素的化学结构和物质代谢为主 介绍生命中的化学的基本知识 生命科学研究不但依赖物理 化学知识 也依靠后者提供的仪器 如光学和电子显微镜 蛋白质电泳仪 超速离心机 X 射线仪 核磁共振分光计 正电子发射断层扫描仪等等 举不胜举 3 2 1蛋白质 生命的物质基础 生命是蛋白质存在的方式 这个方式的基本因素在于它和周围的外部自然界不断新陈代谢 蛋白质是生命的物质基础 没有蛋白质就没有生命 因此 它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质 机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与 蛋白质占人体重量的16 3 人体内蛋白质的种类很多 性质 功能各异 但都是由约20种氨基酸按不同比例组合而成的 并在体内不断进行代谢与更新 4 氨基酸是组成蛋白质的基本单位 氨基酸通过脱水缩合形成肽链 氨基酸的分子中既含有氨基 NH2 又含有羧基 COOH 氨基酸是氨基连接在羧基旁的第一个碳原子 又称 碳原子 上的氨基酸 可用下面的通式来表示 2 1 1蛋白质 氨基酸和肽键 2 1 1 1氨基酸 5 非必需氨基酸 指人 或其它脊椎动物 自己能由简单的前体合成 不需要从食物中获得的氨基酸 例如甘氨酸 丙氨酸 谷氨酸 半胱氨酸等氨基酸 12种 天然的氨基酸现已经发现的有300多种 其中人体所需的氨基酸约有20种 分非必需氨基酸和必需氨基酸 人体无法自身合成 另有酸性 碱性 中性 杂环分类 是根据其化学性质分类的 必需氨基酸 指人体不能合成或合成速度不能满足机体需要 必须从食物中直接获得的氨基酸 例如亮氨酸 赖氨酸 蛋氨酸 苯丙氨酸 苏氨酸 色氨酸等 8种 6 赖氨酸 Lysine 英文缩写 Lys 字母代号 K 汉文代号 赖 碱性 谷氨酸 Glutamicacid 英文缩写 Glu 字母代号 E 汉文代号 谷 酸性 甘氨酸 Glycine 英文缩写 Gly 字母代号 G 汉文代号 甘 中性 7 大多数氨基酸都呈显不同程度的酸性或碱性 呈显中性的较少 所以既能与酸结合成盐 也能与碱结合成盐 从氨基酸的结构可以看出 由于大部分氨基酸的分子中都有不对称的碳原子 所以基本都具有旋光性 同时由于空间的排列位置不同 又有两种构型 D型和L型 组成蛋白质的氨基酸 都属L型 D型 L型 8 2 1 1 2多肽及肽键 多肽也叫肽 是含有多个氨基酸单元的低聚物 相对分子质量一般在10000以下 可以看成是由多个氨基酸通过氨基和羧基之间脱水缩合而成的 由氨基和羧基之间脱水形成的酰胺键称为肽键 肽在生物化学中是一类重要的化合物 在生物体内起着很重要的作用 9 多肽有生物活性多肽和人工合成多肽两种 生物提取的多肽具有很强的活性 所以叫做活性肽 只有活性的肽才能对人体产生很好的效果 但是人工合成的多肽有很多是没有活性的 是需要筛选的 只有活性肽才能被人体安全使用 活性肽主要控制人体的生长 发育 免疫调节和新陈代谢 它在人体处于一种平衡状态 若活性肽减少后 人体的机能发生重要变化 对于儿童来说 他的生长 发育变得缓慢 甚至停止 长久下去就形成了侏儒 对成年人或老年人 缺少活性肽后 自身的免疫力就会下降 新陈代谢紊乱 内分泌失调 引起各种疾病的产生 如失眠 身体消瘦或浮肿 由于活性肽还作用于神经系统 因此人体就会变得动作迟缓 头脑不再聪慧 更主要的是活性肽减少 直接引起人身体各部位逐渐出现全面衰老 引发各种疾病 10 2 1 1 3蛋白质 蛋白质是一类重要的生物高分子 不同的蛋白质具有各种不同的生理功能 与多肽相同它是否各种 氨基酸通过酰胺键即肽键联成的长链分子 这种长链称为肽链 许多蛋白质还包含有非肽链结构的其他组成成分 这叫配基或辅基 人体内蛋白质的种类很多 性质 功能各异 但都是由约20种氨基酸按不同比例组合而成的 那20种氨基酸能排列组合成多少种蛋白质呢 1017种 而且一般蛋白质有500个以上的氨基酸 它所排列出来的总数是10600多种 所以排列出来的花样是无穷无尽的 11 一 蛋白质的分类 按蛋白质的结构 单纯蛋白质和结合蛋白质 辅基 脂肪 糖 核酸等 按蛋白质的形状 纤维蛋白和球蛋白 按蛋白质的形状 纤维蛋白和球蛋白 按蛋白质的功能 活性蛋白质和非活性蛋白质 活性蛋白质 如酶 激素 抗体等 非活性蛋白质 如胶原蛋白 角蛋白 弹性蛋白等 12 二 常见蛋白质 纤维蛋白 一类主要的不溶于水的蛋白质 通常都含有呈现相同二级结构的多肽链 许多纤维蛋白结合紧密 并为单个细胞或整个生物体提供机械强度 起着保护或结构上的作用 球蛋白 紧凑的 近似球形的 含有折叠紧密的多肽链的一类蛋白质 许多都溶于水 典形的球蛋白含有能特异的识别其它化合物的凹陷或裂隙部位 角蛋白 由处于 螺旋或 折叠构象的平行的多肽链组成不溶于水的起着保护或结构作用蛋白质 13 胶原蛋白 是动物结缔组织最丰富的一种蛋白质 它是由原胶原蛋白分子组成 原胶原蛋白是一种具有右手超螺旋结构的蛋白 每个原胶原分子都是由3条特殊的左手螺旋 螺距0 95nm 每一圈含有3 3个残基 的多肽链右手旋转形成的 肌红蛋白 是由一条肽链和一个血红素辅基组成的结合蛋白 是肌肉内储存氧的蛋白质 它的氧饱和曲线为双曲线型 血红蛋白 是由含有血红素辅基的4个亚基组成的结合蛋白 血红蛋白负责将氧由肺运输到外周组织 它的氧饱和曲线为S型 14 三 蛋白质的结构 蛋白质为生物高分子物质之一 具有三维空间结构 因而执行复杂的生物学功能 蛋白质结构与功能之间的关系非常密切 在研究中 一般将蛋白质分子的结构分为四级 一 蛋白质的一级结构 蛋白质多肽链中的氨基酸组成和排列次序称为蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序 也是蛋白质最基本的结构 它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的 各种氨基酸按遗传密码的顺序 通过肽键连接起来 成为多肽链 15 迄今已有约一千种左右蛋白质的一级结构被研究确定 如胰岛素 胰核糖核酸酶 胰蛋白酶等 蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级 三级等高级结构 成百亿的天然蛋白质各有其特殊的生物学活性 决定每一种蛋白质的生物学活性的结构特点 首先在于其肽链的氨基酸序列 由于组成蛋白质的20种氨基酸各具特殊的侧链 侧链基团的理化性质和空间排布各不相同 当它们按照不同的序列关系组合时 就可形成多种多样的空间结构和不同生物学活性的蛋白质分子 16 年 月 我国在世界上首次人工合成了结晶牛胰岛素 它是第一个全合成的 与天然产物性质完全相同的 有生物活性的蛋白质 其结构如下图 17 18 合成牛胰岛素的合作单位及领头人 汪猷1910 1997中科院上海有机所 邢其毅1911 2002北京大学化学系 钮经义1920 1995中科院上海生化所 19 蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展 而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结构 蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整 因此仅仅测定蛋白质分子的氨基酸组成和它们的排列顺序并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质 例如球状蛋白质 多见于血浆中的白蛋白 球蛋白 血红蛋白和酶等 和纤维状蛋白质 角蛋白 胶原蛋白 肌凝蛋白 纤维蛋白等 前者溶于水 后者不溶于水 显而易见 此种性质不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释 而应从蛋白质的空间结构 即蛋白质的二级 三级和四级结构来解释 20 二 蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构是指蛋白质多肽链本身的折叠方式 卷曲状 片层状或球体等空间结构 是多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有周期性的结构的构象 是多肽链局部的空间结构 构象 不涉及侧链部分的构象 主要有 螺旋 折叠 转角等几种形式 它们是构成蛋白质高级结构的基本要素 稳定蛋白质二级结构的因素是氢键 21 螺旋 蛋白质的一条肽链中有规律的螺旋结构 每一圈含3 6个氨基酸残基 22 23 折叠 两条肽链或一条肽链的两段平行排列 24 转角 肽链的180 回折的角 无规则卷曲 没有规律性的肽链构象 25 26 三 蛋白质的三级结构 具有二级结构的多肽链上的羟基 烃基 巯基 游离的氨基 羧基等 相互借助于静电引力 范德华力 氢键 二硫键的作用使分子链扭曲 折叠 形成蛋白质特有的立体三级结构 蛋白质的三级结构主要指氨基酸残基的侧链间的结合 次级键都是非共价键 易受环境中pH 温度 离子强度等的影响 有变动的可能性 二硫键不属于次级键 但在某些肽链中能使远隔的二个肽段联系在一起 这对于蛋白质三级结构的稳定上起着重要作用 27 图2 4抹香鲸肌红蛋白的三级结构 28 四 蛋白质的四级结构 具有二条或二条以上独立三级结构的多肽链组成的蛋白质 其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构称为蛋白质的四级结构 其中 每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基 四级结构实际上是指亚基的立体排布 相互作用及接触部位的布局 亚基之间不含共价键 亚基间次级键的结合比二 三级结构疏松 因此在一定的条件下 四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基 而亚基本身构象仍可不变 29 几个具有一级 二级 三级结构的多肽链按特定方式集合在一起 形成蛋白质的四级结构 如下图所示 30 2 1 2蛋白质的代谢 蛋白质代谢指蛋白质在细胞内的代谢途径 各种生物均含有水解蛋白质的蛋白酶或肽酶 这些酶的专一性不同 但均能破坏肽键 使各种蛋白质水解成其氨基酸成分的混合物 食物中的蛋白都要降解为氨基酸才能被机体利用 体内蛋白也要先分解为氨基酸才能继续氧化分解或转化 游离氨基酸可合成自身蛋白 可氧化分解放出能量 可转化为糖类或脂类 也可合成其他生物活性物质 合成蛋白是主要用途 约占75 而蛋白质提供的能量约占人体所需总能量的10 15 蛋白质的代谢平衡称氮平衡 一般每天排出5克氮 相当于约30克蛋白质 31 蛋白质的代谢过程 32 2 1 3蛋白质的生理功能与人类健康 蛋白质是构成机体组织 器官的重要组成部分 人体各组织无一不含蛋白质 在人体的瘦组织中 非脂肪组织 如肌肉组织和心 肝 肾等器官均含有大量蛋白质 骨骼 牙齿 乃至指 趾也含有大量蛋白质 细胞中 除水分外 蛋白质约占细胞内物质的80 因此 构成机体组织 器官的成分是蛋白质最重要的生理功能 身体的生长发育可视为蛋白质的不断积累过程 蛋白质对生长发育期的儿童尤为重要 如食物中蛋白质不足时 青少年发育不良 成年人会感到乏力 体重下降 抗病力减弱 33 蛋白质的三大生理功能是 一是人体组织的构成成分 二是具有各种重要的生理活性 三是供给人体能量 具体如下 1 构造人的身体 蛋白质是一切生命的物质基础 是肌体细胞的重要组成部分 是人体组织更新和修补的主要原料 人体的每个组织 毛发 皮肤 肌肉 骨骼 内脏 大脑 血液 神经 内分泌等都是由蛋白质组成 所以说饮食造就人本身 蛋白质对人的生长发育非常重要 34 2 修补人体组织 人的身体由百兆亿个细胞组成 细胞可以说是生命的最小单位 它们处于永不停息的衰老 死亡 新生的新陈代谢过程中 例如年轻人的表皮28天更新一次 而胃黏膜两三天就要全部更新 所以一个人如果蛋白质的摄入 吸收 利用都很好 那么皮肤就是光泽而又有弹性的 反之 人则经常处于亚健康状态 组织受损后 包括外伤 不能得到及时和高质量的修补 便会加速机体衰退 35 6 免疫细胞和免疫蛋白 有白细胞 淋巴细胞 巨噬细胞 抗体 免疫球蛋白 补体 干扰素等 七天更新一次 当蛋白质充足时 这个部队就很强 在需要时 数小时内可以增加100倍 3 维持肌体正常的新陈代谢和各类物质在体内的输送 载体蛋白对维持人体的正常生命活动是至关重要的 可以在体内运载各种物质 比如血红蛋白 输送氧 红血球更新速率250万 秒 脂蛋白 输送脂肪 细胞膜上的受体还有转运蛋白等 4 维持机体内的渗透压的平衡及体液平衡 5 维持体液的酸碱平衡 36 7 构成人体必需的催化和调节功能的各种酶 我们身体有数千种酶 每一种只能参与一种生化反应 人体细胞里每分钟要进行一百多次生化反应 酶有促进食物的消化 吸收 利用的作用 相应的酶充足 反应就会顺利 快捷的进行 我们就会精力充沛 不易生病 否则 反应就变慢或者被阻断 8 激素的主要原料 具有调节体内各器官的生理活性 胰岛素是由51个氨基酸分子合成 生长素是由191个氨基酸分子合成 9 构成神经递质乙酰胆碱 五羟色氨等 维持神经系统的正常功能 味觉 视觉和记忆 37 10 胶原蛋白 占身体蛋白质的1 3 生成结缔组织 构成身体骨架 如骨骼 血管 韧带等 决定了皮肤的弹性 保护大脑 在大脑脑细胞中 很大一部分是胶原细胞 并且形成血脑屏障保护大脑 11 提供热能 如果热量供应不足 肌体将消耗食物中的蛋白质来作能源 每克蛋白质在体内氧化时提供的热量是18kJ 与葡萄糖相当 用蛋白质作能源是一种浪费 是大材小用 38 2 3糖类 生命的能量物质 糖类是自然界中广泛分布的一类重要的有机化合物 日常食用的蔗糖 粮食中的淀粉 植物体中的纤维素 人体血液中的葡萄糖等均属糖类 糖类在生命活动过程中起着重要的作用 是一切生命体维持生命活动所需能量的主要来源 糖类由碳 氢 氧三种元素组成 可用通式Cn H2O m表示 故也称为碳水化合物 糖类是植物通过光合作用由CO2和H2O转变而成的 39 生成的葡萄糖又进一步在植物体内合成出巨大的糖类聚合物 如淀粉和纤维素等 使太阳光能转变为化学能贮存起来 动物不能发生光合作用 但可通过摄取植物而得到糖类作为基础营养 2 3 1糖的分类和结构 糖类是具有多羟基醛或多羟基酮的非芳香类分子特征物质的统称 依分子组成的复杂程度 可分为单糖 寡糖 多糖和糖缀合物 也可依据其他原则分类 如根据其功能基团分成醛糖或酮糖 40 2 3 1 1单糖 单糖就是不能再水解的糖类 最简单的糖类分子 若进一步分解 便失去糖的性质 是构成各种二糖和多糖的分子的基本单位 按碳原子数目 单糖可分为丙糖 丁糖 戊糖 己糖等 自然界的单糖主要是戊糖和己糖 例如 葡萄糖为己醛糖 果糖为己酮糖 单糖既可以环式结构形式存在 也可以开链形式存在 在环式和链式结构之间存在可逆平衡 葡萄糖的环式和链式异构体的互变平衡体系如下 41 D 吡喃葡萄糖D 葡萄糖 D 吡喃葡萄糖 37 0 1 63 果糖的结构 D 呋喃果糖D 果糖 D 呋喃果糖 42 葡萄糖在生物学领域具有重要地位 是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物 植物可通过光合作用产生葡萄糖 在糖果制造业和医药领域有着广泛应用 果糖是棱柱状晶体 熔点103 105 是所有的糖中最甜的一种 它比蔗糖甜一倍 广泛分布于植物中 广泛用于食品工业 如制糖果 糕点 饮料等 43 2 3 1 2双糖 双糖 是指单糖分子中的半缩醛的羟基和另一个单糖分子的羟基共失一分子水而生成的化合物 即水解之后可以形成两个单糖分子的糖 常见的双糖有 蔗糖 麦芽糖 纤维二糖 异麦芽糖 龙胆二糖 海藻糖和乳糖等 其中以蔗糖 麦芽糖和乳糖最重要 双糖根据连接方式不同 可分为以下两种双糖 非还原性双糖和还原性双糖 44 一 非还原性双糖 通过两个单糖分子的半缩醛 酮 羟基脱去一分子水而相互连接 这样的双糖 分子中已没有半缩醛 酮 羟基存在 因此其中任何一个单糖部分都不能再由环式转变成醛 酮 式 这种双糖就没有变旋现象和还原性 也不能生成糖脎 因此称为非还原性双糖 如 海藻糖 两个葡萄糖单位都以C 1上的 OH脱水而生成双糖 按完整名称为 D 吡喃型葡萄糖基 D 葡萄糖 其结构式如下 45 蔗糖也是非还原性双糖 光合作用的主要产物 广泛分布于植物体内 特别是甜菜 甘蔗和水果中含量极高 蔗糖是植物储藏 积累和运输糖分的主要形式 平时食用的白糖 红糖都是蔗糖 蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖脱水形成 易溶于水较难溶于乙醇 甜味仅次于果糖 具体构成见下图 46 二 还原性双糖 第一个单糖分子的半缩醛羟基与第二个单糖的醇羟基 一般是C 4上的羟基 脱去一分子水而相互连接 这样连接的苷键称为1 4 苷键 由这种方式所构成的双糖 分子中仍保留一个半缩醛羟基 其中一个单糖部分可变为开链式 因此这种双糖有变旋现象和还原性 能与托伦试剂或斐林试剂作用 也能生成糖脎 故称为还原性双糖 如 麦芽糖 是由一个葡萄糖C 1上的 羟基与另一个葡萄糖C 4上的羟基脱去一分子水所形成的双糖 即称为 D 吡喃型葡萄糖基 1 4 D 葡萄糖 其结构式如下 47 2 3 1 3多糖 多糖 polysaccharide 是由多个单糖分子缩合 失水而成 是一类分子结构复杂且庞大的糖类物质 凡符合高分子化合物概念的碳水化合物及其衍生物均称为多糖 多糖在自然界分布极广 亦很重要 有的是构成动植物骨架结构的组成成分 如纤维素 有的是作为动植物储藏的养分 如糖原和淀粉 有的具有特殊的生物活性 像人体中的肝素有抗凝血作用 肺炎球菌细胞壁中的多糖有抗原作用 多糖的结构单位是单糖 多糖相对分子质量从几万到几千万 同二糖一样 结构单位之间以苷键相连接 常见的苷键有 1 4 1 4 和 1 6 苷键 48 一 淀粉 淀粉是植物体中贮存的养分 贮存在种子和块茎中 各类植物中的淀粉含量都较高 大米中含淀粉62 86 麦子中含淀粉57 75 玉蜀黍中含淀粉65 72 马铃薯中则含淀粉超过90 淀粉是食物的重要组成部分 咀嚼米饭等时感到有些甜味 这是因为唾液中的淀粉酶将淀粉水解成了二糖 麦芽糖 食物进入胃肠后 还能被胰脏分泌出来的唾液淀粉酶水解 形成的葡萄糖被小肠壁吸收 成为人体组织的营养物 支链淀粉部分水解可产生称为糊精的混合物 糊精主要用作食品添加剂 胶水 浆糊 并用于纸张和纺织品的制造等 49 50 淀粉有直链淀粉和支链淀粉两类 直链淀粉是葡萄糖只以 1 4 糖苷键连接形成的长链的葡聚糖 通常由200 300个葡萄糖残基组成 在天然淀粉中直链的占20 26 它是可溶性的 其余的则为支链淀粉 直链淀粉结构示意图 51 直链淀粉的分子呈卷绕着的螺旋形 每一圈约含6个葡萄糖单位 每一圈刚好能装进一个碘原子 形成蓝色包合物 52 支链淀粉含几千个葡萄糖单元 分子量约为100万 有些可达600万 支链淀粉中葡萄糖分子之间除以 1 4 糖苷键相连外 还有以 1 6 糖苷键相连的 所以带有分支 约20个葡萄糖单位就有一个分支 支链淀粉在冷水中不溶 与热水作用则膨胀而成糊状 支链淀粉结构示意图 分支处为 1 6 苷键 53 二 纤维素 纤维素是葡萄糖分子通过 1 4 糖苷键连接而形成的葡聚糖 通常含数千个葡萄糖单位 是植物细胞壁的主要成分 纤维素是自然界中分布最广 含量最多的一种多糖 占植物界碳含量的50 以上 一般木材中 纤维素占40 50 棉花的纤维素含量接近100 为天然的最纯纤维素来源 1 4 苷键 55 X射线研究证明 纤维素分子的长链平行排列形成纤维素束 这显然是由于相邻纤维素分子中的许多羟基互相作用生成氢键而使这许多长链分子紧密地结合在一起 几个纤维束绞在一起形成绳索状的结构 这种绳索状的结构再排列起来形成肉眼所见的纤维 在木材中 这种绳索状的结构嵌在木质素中 正如钢筋混凝土中的钢筋一样 56 纤维素束的结构示意图 人类肠道里没有分解纤维素的酶 故很难直接消化吸收利用 也不能因此说它是无用之物 可以刺激肠道蠕动以利排便 57 2 3 2糖的生理功能 一 糖的分解代谢 食物中的糖主要是淀粉 另外包括一些双糖及单糖 多糖及双糖都必须经过酶的催化水解成单糖才能被吸收和代谢 糖代谢为生物体提供能量和C源 1g葡萄糖彻底氧化可以产生16 74kJ能量 中间产物可以为其他代谢途径提供C源和C骨架 糖的代谢包括合成 光合 异生 和分解 58 糖的分解代谢示意图 糖分解代谢的三条途径为 1 无氧情况下G经酵解产生乳酸 2 有氧情况下G经三羧酸 TCA 循环彻底氧化成水和CO2 3 G经戊糖磷酸途径氧化为醇和CO2 59 二 糖的生理功能 1 氧化分解 供应能量 生命活动需要能量 糖是最主要的能源物质 2 储存能量 维持血糖 糖在体内可以糖原的形式进行储存 这是机体储存能源的重要方式 当机体需要时 糖原分解 释放入血 可有效地维持正常血糖浓度 保证重要生命器官的能量供应 60 3 提供原料 合成其他物质 糖分解代谢的中间产物可为体内其他含碳化合物的合成提供原料 如糖在体内可转变为脂肪酸和甘油 进而合成脂肪 可转变为某些氨基酸以供机体合成蛋白质所需 可转变为葡萄糖醛酸 参与机体的生物转化反应等 因而糖是人体重要的碳源 4 参与构造组织细胞 糖是体内重要的结构组织 如 糖脂是构成神经组织和生物膜的成分 氨基多糖及其与蛋白质的结合物是结缔组织的基本成分 核糖及脱氧核糖分别是RNA及DNA的结构成分 61 5 其他功能 糖能参与构成体内一些具有生理功能的物质 糖蛋白是胞膜成分 血浆球蛋白 包括抗体 几乎都是糖蛋白 某些激素 酶和凝血因子也是糖蛋白 62 2 3 3血糖与人类健康 血液中的糖份称为血糖 绝大多数情况下都是葡萄糖 英文简写Glu 体内各组织细胞活动所需的能量大部分来自葡萄糖 所以血糖必须保持一定的水平才能维持体内各器官和组织的需要 正常人在空腹时血糖浓度为4 1 6 0mmol L 空腹血糖浓度超过6 0mmol L称为高血糖 空腹血糖浓度低于4 1mmol L称为低血糖 我们拿到的血液生化检查报告中一般写着 葡萄糖 或者Glu 63 2 3 3 1血糖的来源和去路 糖份是我们身体必不可少的营养之一 人们摄入谷物 蔬果等 经过消化系统转化为单糖 如葡萄糖等 进入血液 运送到全身细胞 作为能量的来源 如果一时消耗不了 则转化为糖原储存在肝脏和肌肉中 肝脏可储糖70 120克 约占肝重的6 10 因此 糖原也称为肝糖 细胞所能储存的肝糖是有限的 如果摄入的糖份过多 多余的糖即转变为脂肪 64 当食物消化完毕后 储存的肝糖即成为糖的正常来源 维持血糖的正常浓度 在剧烈运动时 或者长时间没有补充食物情况 肝糖也会消耗完 此时细胞将分解脂肪来供应能量 脂肪的10 为甘油 甘油可以转化为糖 脂肪的其它部分亦可通过氧化产生能量 但其代谢途径和葡萄糖是不一样的 人类的大脑和神经细胞必须要糖来维持生存 必要时人体将分泌激素 把人体的某些部分 如肌肉 皮肤甚至脏器 摧毁 将其中的蛋白质转化为糖 以维持生存 象过去在图片上看到的那些难民个个骨瘦如材 就是这个原因 65 一般情况下 血糖的来源和去路能够保持相对平衡的话 就会使血糖含量保持相对稳定 正常人的血糖含量一般维持在80 120mg dL的范围内 人在饥饿初期 血糖含量会暂时降低 这时肝糖元可以分解成葡萄糖并进入血液 使血糖含量恢复正常 人在长期饥饿或肝功能减退的情况下 血糖含量降低 50 60mg dL 而得不到补充 就会出现头昏 心慌 出冷汗 面色苍白 四肢无力等低血糖早期症状 这时如果能及时吃一些含糖较多的食物 或是喝一杯浓糖水 就可以恢复正常 但是 如果听任上述情况继续发展 就会出现惊厥和昏迷等 66 为什么会出现这些症状呢 这是因为脑组织功能活动所需要的能量主要来自葡萄糖的氧化分解 但是 脑组织中含糖元极少 需要随时从血液中摄取葡萄糖来氧化供能 当血糖含量低于45mg dL时 脑组织就会因得不到足够的能量供给而发生功能障碍 出现上述低血糖晚期症状 这时只要及时给患者静脉输入葡萄糖溶液 症状就会得到缓解 血糖的来源和去路示意图 67 2 3 3 2血糖水平的调节 一 肝的调节 餐后血糖浓度增高时 肝糖原合成增加 血糖浓度降低 空腹时肝糖原分解加强 用以补充血糖浓度 饥饿或禁食情况下 糖异生作用加强 维持血糖浓度 二 激素的调节 人体的血糖主要是由一对矛盾的激素调节的 他们就是胰岛素和胰高血糖素 当感受到血液中的血糖低的时候 胰岛的A细胞会分泌胰高血糖素 动员肝脏的储备糖原 释放入血液 导致血糖上升 当感受到血液中的血糖过高的时候胰岛素的B细胞会分泌胰岛素 促进血糖变成肝糖原储备或者促进血糖进入组织细胞 68 69 2 3 3 3糖尿病 糖尿病是一种以糖代谢为主要表现的慢性 复杂的代谢性疾病 系胰岛素相对或绝对不足 或利用缺陷而引起 虽然糖尿病的病因和生化缺陷尚未被彻底阐明 但目前较一致的认识是 该病是一种家族性疾病 其易感性有很大的遗传因素 糖尿病的临床特征是血糖浓度持续升高 甚至出现糖尿 重症病人常伴有脂类 蛋白质代谢紊乱和水 电解质 酸碱平衡紊乱 甚至出现一系列并发症 重者可致死亡 糖尿病是临床常见病之一 我国发病率为1 以下 70 2 4人体中的化学元素 人是有生命的物质 人体也跟其他物质一样 都是由化学元素组成的 人的生命是经过漫长的年代才最终进化成的 是大自然创造的杰作 生命是随着地球四五十亿年的进化发展而来的 最初的地球到处都是化学物质组成的 即没有任何生命的迹象 这些与生命没有任何关联的化学物质我们叫它无机物 又经过了数以亿计的岁月 从海洋温暖的海水里和地球火山喷发后的海水里 无机物经过复杂的变化终于萌发出了生命最初的胚胎 蛋白质 2 4 1人体中的化学元素的分类 71 生命一旦开始了 便不断地向前发展了 它们不断地吸收营养物质 进化着自己 从蛋白质 单细胞 多细胞 植物体 动物 一切生物都在无机物的世界里产生了出来 人进化到今天 正是由于吸收了大量的无机物质经过复杂的生物化学转化才形成了人这样高智商的灵长类的有机物 可以说人是最复杂的有机物 所谓有机物 正是在无机物的世界里才可能存在 发展 因此 人是无机物 即多种化学元素 组成了身体的物质构成 现在我们所知的一百三十多种元素中 在我们的身体里含有六十多种 当然 这六十多种元素依据人体这个复杂的有机物各部分对它们的需要的不同而含量不同 并且差别很大 含量最多的氧元素占身体总重量的65 含量少的钴Co元素还不到十亿分之一 72 根据目前掌握的情况 多数科学家比较一致的看法 认为生命必需的元素共有28种 包括氢 硼 碳 氮 氧 氟 钠 镁 硅 磷 硫 氯 钾 钙 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 砷 硒 溴 钼 锡和碘 其中硼是某些绿色植物和藻类生长的必需元素 而哺乳动物并不需要硼 因此 人体必需元素实际上为27种 在28种生命必需的元素中 按体内含量的高低可分为宏量元素和微量元素 这些元素又可根据对人体的生理作用大致分为必需元素 非必需元素和有害元素三类 73 宏量元素指含量占生物体总质量0 01 以上的元素 如碳 氢 氧 氮 磷 硫 氯 钾 钠 钙和镁 这些元素在人体中的含量均在0 03 62 5 之间 这11种元素共占人体总质量的99 97 是构成人体细胞 组织 器官的主要成份 所以又叫造体元素 表2 2宏量元素在人体中的百分含量 74 从表中可以看出 各种宏量元素的差别也是很大的 其中氧 碳 氢 氮就占了人体总重量96 其他七种占了3 92 合起来十一种元素占人体总重量的99 95 人们通常把碳 氢 氧叫做 生命的三要素 把人称为 碳水化合物 就是指人体中的主要元素成分而言的 75 微量元素指占生物体总质量0 01 以下的元素 目前已经确定的微量元素有16种 它们是 锌 Zn 铜 Cu 钴 Co 铬 Cr 锰 Mn 铁 Fe 砷 As 硼 B 硒 Se 镍 Ni 锡 Sn 硅 Si 氟 F 钒 V 钼 Mo 和碘 I 这些微量元素占人体总质量的0 03 左右 这些微量元素在体内的含量虽小 但在生命活动过程中的作用是十分重要的 这些微量元素在人体内是某些蛋白质 酶 激素 维生素的重要组成成分 具有重要的生理功能 可维持机体的正常生命活动 如果缺少某些必需微量元素或微量元素不平衡 就会引起疾病 甚至死亡 而且这些元素不能在体内生成 所以人体必须不断从外界摄入适量的各种必需微量元素 以保证机体正常的生理活动 76 宏量元素都是地位显要的必需品 但需要量是有一定限制的 并非多多益善 例如食盐中所含有Na 和Cl 离子 都是人所必需的 正常人每天需摄入6 12克食盐以维持平衡 但若摄入过量 人就要大量吸收水分以维持渗透作用的平衡 整个血液容量就会增加 从而使心脏负担加重 以致诱发或加重心脏病 人体里的元素 也并非都是有益而必需的 除十一种宏量元素和部分微量元素是必需的外 有些痕量元素并非是必需的 还有象镉 Cd 汞 Gg 铅 Pb 等十几种元素都是有毒的 但这些不必要的元素为什么存在于人体中 它们对人体真的没有用处吗 这些还有待于科学家进一步从整体上研究发现 77 2 4 2人体内化学元素含量水平的形成及其规律 有人对海水 古代人体和现代人体中一些微量元素的含量进行比较 发现它们之间存在着一些关联 说明生物进化与生存环境有关 人类在适应生存和进化中 逐渐形成了一套摄入 排泄和适应环境元素的保护机制 所以人体内的元素含量水平是宏量元素还是微量元素 都是经过长期进化形成的 78 2 4 3微量生命元素的作用 凡是占人体总重量的万分之一以下的元素 如铁 锌 铜 锰 铬 硒 钼 钴 氟等 称为微量元素 微量元素在人体内的含量真是微乎其微 如锌只占人体总重量的百万分之三十三 铁也只有百万分之六十 一 微量元素的分类和限度 微量元素根据生理作用 可以分为三类 1 必需微量元素 缺乏该元素将引起机体生理功能及结构异常 发生各种病变和疾病的微量元素 79 判断必需微量元素的标准有5条 这种元素存在于一切健康机体的所有组织之中 在组织中的浓度相当恒定 缺乏该元素时 能在不同组织中产生相似的结构 生理功能异常 补充该元素能够防止此类异常变化 补充该元素可使失常的功能及结构恢复正常 目前世界卫生组织 WHO 认定的必需微量元素有碘 锌 硒 铜 钼 铬 钴 铁 氟 锰 80 2 可能必需微量元素 人类对其作用的研究还存在疑虑 如硅 镍 硼 钒 3 有潜在毒性 但低剂量可能有功能作用的微量元素 如铅 镉 汞 砷 铝 锡 锂 81 人体中的微量元素溶融在人体的血液里 如果缺少了这样那样的微量元素 人就会得病 甚至导致死亡 正常人每天都要摄取各种有益于身体的微量元素 但绝大多数微量元素在人体内都有摄入量的最高限 超过最高限也会得病 必需微量元素在人体内的生理作用剂量带很窄 尽量多吃很容易超过最高限 微量元素和生物功能之间的关系可以用下图来表示 82 二 微量元素的常见生理功能 微量元素虽然在人体内的含量不多 但与人的生存和健康息息相关 对人的生命起至关重要的作用 它们的摄入过量 不足 不平衡或缺乏都会不同程度地引起人体生理的异常或发生疾病 微量元素虽然在人体中需求量很低 但其作用却非常大 例如 锰 能刺激免疫器官的细胞增值 大大提高具有吞噬 杀菌 抑癌 溶瘤作用的巨噬细胞的生存率 锌 是直接参与免疫功能的重要生命相关元素 因为锌有免疫功能 故白血球中的锌含量比红血球高25倍 锶 铬 可预防高血压 防治糖尿病 高血脂胆石 碘 能治甲状腺肿 动脉硬化 提高智力和性功能 硒 是免疫系统里抗癌的主要元素 可以直接杀伤肿瘤细胞 微量元素在抗病 防癌 延年益寿等方面都还起着非常重要的作用 83 硅 硅在地壳中含量占25 7 仅次于氧而居第二位 硅是人体的必需元素 人体中含量为260PPm 成人体内含量约18毫克 每天需要约 毫克 吸收率为 硅与粘多糖的合成 有密切的关系 粘多糖又称氨基多糖 是氨基酸与单糖或糖醛酸聚合而成的混合多糖 是结缔组织 黏液的主要成分 具有保护 粘合 减少摩擦等生理和促进骨骼钙化成熟等作用 硫酸软骨素中含有较多的硅 是鼻中膈粘多糖的主要成分 称为生命的 交联剂 能被人体吸收利用的硅存在于单硅酸 果胶 粘多糖等化合物中 这些物质存在于许多植物中 通过食物被人体吸收利用 84 2 硒 科学界研究发现 血硒水平的高低与癌的发生息息相关 大量的调查资料说明 一个地区食物和土壤中硒含量的高低与癌症的发病率有直接关系 目前癌症治疗中使用硒辅助治疗十分普遍 硒是迄今为止发现的最重要的抗衰老元素 广西巴马县是世界著名四大长寿地区之一 中国科学院专家对巴马的研究表明 巴马土壤 谷物中的硒含量高于全国平均水平10倍以上 百岁老人血液中的硒含量高出正常人的3 6倍 这是因为 硒元素是抗氧化剂谷胱甘肽过氧化物酶的活性成分 人体补充了充足的硒元素 就能有效清除自由基 抗氧化 延缓衰老 85 硒对视觉器官的功能是极为重要的 硒能催化并消除对眼睛有害的自由基物质 从而保护眼睛的细胞膜 若人眼长期处于缺硒状态 就会影响细胞膜的完整 从而导致视力下降和许多眼疾病如白内障 视网膜病 夜盲症等的发生 目前 一些大城市的医院对眼病患者已开展硒治疗 临床表明 硒对提高视力确有明显的作用 能治疗白内障 视网膜病等多种眼疾 还有研究发现硒与金属的结合力很强 能抵抗镉对肾 生殖腺和中枢神经的毒害 硒与体内的汞 锡 铊 铅等重金属结合 形成金属硒蛋白复合而解毒 排毒 因此经常接触有毒有害工作的人群 尤其需要注意补硒 另外 在工作环境中或生活中 经常接触电视 电脑 手机等辐射干扰的人 要补硒 因为补硒可以保护造血系统 最大限制地减少辐射伤害 86 3 铁 人体内铁的总量约4 5克 是血红蛋白的重要部分 还是许多酶和免疫系统化合物的成分 铁缺乏可引起心理活动和智力发育的损害及行为改变 铁缺乏 尚未出现贫血时的缺乏 还可损害儿童的认知能力 而且在以后补充铁后也难以恢复 动物试验表明 短时期缺乏可使幼小动物脑中铁含量下降 以后补充铁可纠正身体内铁储存 但对脑中铁没有作用 长期铁缺乏会明显影响身体耐力和使抗感染能力降低 但近年来也有研究发现人体中铁储存过多 非但无益 反而有害 体内铁的贮存过多与多种疾病如心脏和肝脏疾病 糖尿病 某些肿瘤有关 铁过多诱导的脂质过氧化反应的增强 导致机体氧化和抗氧化系统失衡 直接损伤DNA 诱发突变 与肝 结肠 直肠 肺 食管 膀胱等多种器官的肿瘤有关 87 血红素 是血红蛋白的辅基 分子式 C34H32N4FeO4 88 4 碘 碘是人体的必需微量元素之一 有 智力元素 之称 健康成人体内的碘的总量约为30mg 20 50mg 其中70 80 存在于甲状腺 碘是人体合成甲状腺激素的必须原料 与人体的生长 发育和新陈代谢关系极为密切 是人们发挥理解力 创造力和运用逻辑思维的保护神 如果生活环境中缺碘 人们碘的摄入量普遍不足 威胁着男女老幼 受威胁最严重的是妇女和儿童 对成年人可出现甲状腺肿大 俗称大脖子病 甲状腺功能低下 机体潜能不能发挥 新生事物接受能力和社适应能力差 影响学习 工作乃至生活的正常进行 89 碘的具体生理功能包括以下几点 1 促进生物氧化 甲状腺素能促进三羧酸循环中的生物氧化 协调生物氧化和磷酸化的偶联 调节能量转换 2 调节蛋白质合成和分解 当蛋白质摄入不足时 甲状腺素有促进蛋白质合成作用 当蛋白质摄入充足时 甲状腺素可促进蛋白质分解 3 促进糖和脂肪代谢 甲状腺素能加速糖的吸收利用 促进糖原和脂肪分解氧化 调节血清胆固醇和磷脂浓度等 90 4 调节水盐代谢 甲状腺素可促进组织中水盐进入血液并从肾脏排出 缺乏时可引起组织内水盐潴留 在组织间隙出现含有大量粘蛋白的组织液 发生粘液性水肿 5 促进维生素的吸收利用 甲状腺素可促进烟酸的吸收利用 胡萝卜素转化为维生素A过程及核黄素合成核黄素腺嘌呤二核苷酸等 6 增强酶的活力 甲状腺素能活化体内100多种酶 如细胞色素酶系 琥珀酸氧化酶系 碱性磷酸酶等 在物质代谢中起作用 91 7 促进生长发育 甲状腺素促进骨骼的发育和蛋白质合成 维护中枢神经系统的正常结构 碘摄入量过低引起的是碘缺乏病 但碘过量也会对机体的健康造成影响 碘摄入过量对人体健康的危害主要包括以下几个方面 1 高碘对甲状腺功能的影响 最常见的是碘致甲状腺肿 IH 和高碘性甲亢 2 高碘对智力的影响 碘过量与智力之间的关系仅在近几年才引起了专家学者们的重视 多项在人群中开展的流行病学调查都显示高碘地区学生的智商明显低于适碘区 大部分动物实验研究也已证明过量碘负荷确实可使动物脑重量减轻 学习记忆力下降 虽然这种影响不如碘缺乏的作用明显 92 3 高碘对性功能的影响 美国的一项研究曾显示碘盐的摄入量与男性精子计数有一定的关系 提示美国人食用碘盐可能导致男子的精子计数减少 此外 尚有碘过量对大鼠生殖力影响的多次报道 这不能不说是过量补碘带给我们的另类担忧 93 5 锌 为人体重要的必需微量元素之一 是许多酶的组成成分 在组织呼吸 蛋白质的合成 核酸代谢中起重要作用 锌对皮肤 骨骼的正常发育是必需的 锌能促使脑垂体分泌出性腺激素 从而使性腺激素发育成熟 功能处于正常的稳定状态 动物实验表明衰老与性腺有关 因此 锌能防止人体衰老 同时还具有预防高血压 糖尿病 心脏病 肝病恶化的功能 锌缺乏可致厌食 矮小 性成熟障碍 免疫功能低下 皮疹及脱发等 小儿缺锌的主要表现为食欲差 生长发育减慢 情绪冷漠 味觉异常 异食癖和厌食症 夜盲 皮肤易感染 伤口愈合延缓以及胎儿畸形 免疫机能降低 青春期缺锌可致性成熟障碍 94 6 铬 钴 铜 铬有降低胆固醇的作用 凡是患有动脉粥样硬化病的人 其机体细胞里无例外地缺乏铬元素 缺铬还会使胰岛功能下降 以致胰岛腺分泌不足 使糖类代谢紊乱而患上糖尿病 人体内的钴元素常以维生素B12 C63H90N14O14PCo 存在 成人体内含钴元素总量约1 5毫克 人体缺乏维生素B12时会导致患恶性贫血症 微量的铜元素在人体内参与造血过程 催化血红蛋白的合成 人体血液内如缺少微量铜 即使铁元素不缺少 血红蛋白仍难形成 也会导致贫血 人体缺铜还可能导致骨质疏松 骨关节肿大等症 缺铜还会导致胆固醇升高 增加动脉粥样硬化的危险 小儿缺铜会导致发育不良 95 人体中必需的微量元素大都可以通过膳食自给自足 这里将含上述几种元素较丰富的某些食品列于下 锰 豆类 核桃 花生 绿叶蔬菜 锌 带鱼 墨鱼 紫菜等及瘦肉 糙米 豆类 白菜 萝卜 铬 瘦肉 动物肝 黄豆 新鲜蔬菜 蜂蜜 红塘 钴 动物肝 海鱼 谷类 大白菜 铜 猪肝 鱼类 瘦猪肉 豆类 芝麻 坚果 叶菜类 碘 海带 紫菜等 但是 如果因患了某种微量元素缺乏症 而需要服用药物治疗时 必须在医师的指导下服用 否则过量摄入会造成中毒或各种不良后果 例如 除了碘和铁介绍的副作用外 锰可导致慢性中毒 神经衰弱和震颤麻痹症 锌导致头昏 呕吐 腹泻 铬 有致癌的可能 钴 红细胞增多症 铜 类风湿性关节炎 肝硬化 神经失常 动作震颤 96 2 4 4常量生命元素的作用 宏量元素 常量元素 指含量占生物体总质量0 01 以上的元素 如氧 碳 氢 氮 磷 硫 氯 钾 钠 钙和镁 这些元素在人体中的含量均在0 03 62 5 之间 这11种元素共占人体总质量的99 95 1 钙 钙是构成人体的常量元素 它是骨骼和牙齿的主要成分 构成人体骨骼和牙齿的骨盐组成是 Ca3 PO4 285 CaCO310 Mg3 PO4 21 5 CaF20 3 CaC122 0 人体中99 的钙存在于骨骼和牙齿中 97 钙有助于骨骼和牙齿的生长 促进肌肉和神经的正常兴奋 它可以抑制脑神经的异常兴奋 使之在正常状态下 能承受较为严重的精神刺激 钙又是机体中多种酶系统的激活剂 例如当人受了创伤出血时 钙可以使凝血酶原激活转化凝血酶 促使伤口处的血液凝固 人体一旦缺钙 则肌肉神经兴奋 易引起肌肉自发地收缩 青少年缺钙时发育不良 易得佝偻病 成年人缺钙会出现血不易凝固等 老年人缺钙会导致骨质疏松 容易骨折 因此 成年人每天应摄取800mg 1200mg钙 在牛奶 虾皮 海带 奶粉 芝麻酱 绿叶蔬菜 花生 豆类和豆制品中含钙量较多 饮食中应适当增加这些食品 此外 还应根据需要 适当服用葡萄酸钙 乳酸钙等容易吸收的钙制剂 98