生命的共性與生活中的生物化學(xué)

廖 陽 閆榮玲 李常健 劉小文 邵金華

生命的共性與生活中的生物化學(xué)

廖 陽 閆榮玲 李常健 劉小文 邵金華

（湖南科技學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

生命世界表現(xiàn)出顯著的多樣性，但同時(shí)也存在著許多共性和遵循著某些共有規(guī)律，這些生命的共性使我們?cè)隗w會(huì)生命多樣性的同時(shí)也體會(huì)到了它的統(tǒng)一性。本文從生物分子的手性及空間螺旋結(jié)構(gòu)、細(xì)胞均優(yōu)先利用葡萄糖、生物體通過形成突起以增大表面積等方面對(duì)此進(jìn)行了闡述，同時(shí)，列舉和解釋了部分耳熟能詳?shù)纳畛ＷR(shí)、生理機(jī)能或常見疾病的相關(guān)生物化學(xué)原因或機(jī)制，使我們?cè)隗w會(huì)到日常生活處處蘊(yùn)含著生物化學(xué)知識(shí)的同時(shí)，增強(qiáng)生命科學(xué)學(xué)習(xí)興趣，提高生命科學(xué)素養(yǎng)。

無氧呼吸；氨中毒；阿爾茨海默??；手性；螺旋；葡萄糖；膜突起

生命世界魅力無窮，從原核到真核、從水生到陸生、從卵生到胎生、從單細(xì)胞到多細(xì)胞，淋漓盡致地表現(xiàn)出生命的千差萬別與多姿多彩。然而，生命世界也存在著許多共性，遵循著一些共有規(guī)律，如生物大分子及其結(jié)構(gòu)單位大多具有手性、生物大分子幾乎均會(huì)形成螺旋狀空間結(jié)構(gòu)、所有細(xì)胞含量最高的物質(zhì)均為水、所有細(xì)胞均優(yōu)先利用葡萄糖作為能源物質(zhì)、生物體往往形成突起來增大特定部位表面積等，這些共性使我們?cè)隗w會(huì)生命多樣性的同時(shí)，也強(qiáng)烈感受到了其統(tǒng)一性這一典型特征。另一方面，生活中耳熟能詳?shù)默F(xiàn)象、機(jī)能、疾病都與生物化學(xué)有著千絲萬縷的關(guān)系，其內(nèi)在原因均可用生物化學(xué)相關(guān)知識(shí)來解釋。本文列舉了系列常見生活或生理現(xiàn)象及疾病，諸如不同個(gè)體酒量不同、運(yùn)動(dòng)后肌肉酸疼、過夜的韭菜不能吃、氨對(duì)中樞神經(jīng)具有毒害作用、腎透析去除血液有害物質(zhì)、阿爾茨海默病等，并闡述了其相關(guān)的生物化學(xué)知識(shí)，使我們?cè)隗w會(huì)到日常生活處處蘊(yùn)含著生物化學(xué)知識(shí)的同時(shí)，增強(qiáng)生命科學(xué)學(xué)習(xí)興趣以及專業(yè)認(rèn)同感，提高生命科學(xué)專業(yè)素養(yǎng)。

1 生命若干共性

1.1 生物大分子大都會(huì)具有手性結(jié)構(gòu)并形成螺旋狀空間結(jié)構(gòu)

有機(jī)化合物的碳原子若共價(jià)連接的四個(gè)原子或基團(tuán)各不相同，則稱為手性碳原子，具有手性碳原子的化合物則謂之手性分子[1]。因此“手性”是有機(jī)分子由于原子或基團(tuán)的特定三維空間排布引起結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性。生物大分子除脂類外（嚴(yán)格意義上脂類不屬生物大分子），蛋白質(zhì)、多糖、核酸等都表現(xiàn)出手性特征。有意思的是，組成這些生物大分子的基本結(jié)構(gòu)單元如氨基酸、單糖、核苷酸等也均具有手性的典型結(jié)構(gòu)（除蛋白氨基酸中的甘氨酸等個(gè)別特例外）?？梢姡中允巧澜绲囊粋€(gè)顯著共性。

多糖、核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子通過多級(jí)壓縮，形成特定的空間結(jié)構(gòu)后存在細(xì)胞的特定部位，發(fā)揮著特定的生物學(xué)活性（功能）。有意思的是，不管是多糖（如淀粉）、核酸（如DNA）還是蛋白質(zhì)（如球狀蛋白），它們大都在線狀分子基礎(chǔ)上，采取螺旋的形式來形成自己更高級(jí)的三維空間結(jié)構(gòu)[2]?？梢姡菪巧锎蠓肿有纬煽臻g結(jié)構(gòu)普遍采用的策略。形成螺旋結(jié)構(gòu)后，一方面可以壓縮自身體積，從而為細(xì)胞騰出更多空間，如真核細(xì)胞DNA通過逐級(jí)螺旋壓縮使自身長度變?yōu)槌跏奸L度的約萬分之一，從而使細(xì)胞核留出空間容納DNA聚合酶、RNA聚合酶等其他物質(zhì)；另一方面，所形成螺旋結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞生命活動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，DNA的螺旋與解螺旋之間動(dòng)態(tài)變化就是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及基因表達(dá)調(diào)控的重要手段[3]。需要指出的是，生物大分子也可能形成其他形式的高級(jí)結(jié)構(gòu)，如蛋白質(zhì)分子除了形成螺旋狀結(jié)構(gòu)外，部分蛋白質(zhì)還會(huì)形成折疊片結(jié)構(gòu)。

1.2 所有細(xì)胞均優(yōu)先利用葡萄糖

細(xì)胞無時(shí)無刻在進(jìn)行分解代謝，從而為細(xì)胞的各項(xiàng)生命活動(dòng)提供源源不斷的能量。糖類是細(xì)胞中重要的能源物質(zhì)，且只有單糖才能進(jìn)入分解代謝途徑，所以多糖首先需要通過消化（如膳食攝取的多糖淀粉等）或細(xì)胞的酶促降解（如細(xì)胞內(nèi)糖原、淀粉等）變?yōu)閱翁遣拍鼙患?xì)胞利用。自然界存在各種各樣的單糖（如葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等），但不管是高等的多細(xì)胞真核生物還是低等的單細(xì)胞原核生物均優(yōu)先利用葡萄糖。即細(xì)胞在葡萄糖充足的情況下是不會(huì)分解其他單糖的，只有當(dāng)葡萄糖利用完后，細(xì)胞才會(huì)通過若干步反應(yīng)使這些單糖分子轉(zhuǎn)入糖分解代謝途徑產(chǎn)能利用。當(dāng)細(xì)胞處于長期饑餓狀態(tài)下時(shí)，丙酮酸、生糖氨基酸、乳酸、甘油等非糖物質(zhì)也需通過糖異生途徑轉(zhuǎn)變成葡萄糖才能進(jìn)入糖代謝產(chǎn)能途徑[3-5]。體外培養(yǎng)的大腸桿菌等原核生物在葡萄糖和乳糖共存的培養(yǎng)基中生長時(shí)表現(xiàn)出“二次生長”現(xiàn)象，就是因?yàn)榧?xì)胞首先吸收利用培養(yǎng)基中的葡萄糖，在產(chǎn)能充足條件下細(xì)胞不斷分裂使菌落呈指數(shù)增長；當(dāng)培養(yǎng)基中的葡萄糖利用完后，細(xì)胞的能量供給不足導(dǎo)致細(xì)胞幾乎不再分裂，細(xì)胞數(shù)目保持穩(wěn)定；但經(jīng)過一定時(shí)間調(diào)節(jié)后，細(xì)胞轉(zhuǎn)入利用乳糖產(chǎn)能并重新進(jìn)入快速分裂和增長狀態(tài)；轉(zhuǎn)換過程中所經(jīng)歷的時(shí)間主要用于細(xì)胞開啟乳糖操縱子從而在細(xì)胞中表達(dá)產(chǎn)生乳糖分解的相關(guān)酶蛋白[6]。由此可見，優(yōu)先利用葡萄糖是生命世界的又一共有規(guī)律，生命世界的所有細(xì)胞均遵循這一共有規(guī)律，也從一定程度證明所有生物均來源同一祖先。

1.3 生物體采取形成突起的策略增大膜的表面積

膜結(jié)構(gòu)在細(xì)胞中的存在本身就是生物體的一個(gè)共有規(guī)律，細(xì)胞的外層邊界以及胞內(nèi)多種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)如線粒體、葉綠體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細(xì)胞核等均有一層或二層膜結(jié)構(gòu)[7]。大部分情況下生物膜是平滑的，但在一些特定的細(xì)胞或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，生物膜會(huì)采取一個(gè)共同的策略即形成突起來增加其表面積，以更好地發(fā)揮自身生理機(jī)能。如動(dòng)物小腸是消化道營養(yǎng)物質(zhì)吸收重要場所，因此在這一段有限空間、長度、通過時(shí)間內(nèi)，如何增加其吸收效率十分重要。小腸上皮細(xì)胞表面向腸腔一側(cè)伸出細(xì)長指狀突起的微絨毛，這些微絨毛顯著擴(kuò)大了小腸上皮細(xì)胞表面積[8]。以人體為例，小腸總吸收面積達(dá)200 m2以上。除了小腸上皮細(xì)胞外，免疫系統(tǒng)的樹突細(xì)胞也采取形成突起的策略來增大細(xì)胞膜表面積，以增強(qiáng)其在免疫應(yīng)答中攝取、處理和傳遞抗原等功能的發(fā)揮。而在亞細(xì)胞水平，作為細(xì)胞“能量工廠”的線粒體，其內(nèi)膜向基質(zhì)側(cè)折疊成“嵴”顯著增加了內(nèi)膜表面積，以便在膜上“安裝”更多ATP合成酶，提高有氧呼吸及產(chǎn)能效率。

2 生活中的生物化學(xué)

2.1 不同個(gè)體酒量不同與乙醇代謝

生活中你可能經(jīng)?？吹接械娜撕染啤耙槐偷埂?，而有的人“千杯不醉”，其實(shí)這跟酒精在體內(nèi)的代謝密切相關(guān)。酒精主要在人體胃部吸收進(jìn)入血液送至全身各處[8]。酒精的代謝主要在肝部完成，肝細(xì)胞中的兩種酶在酒精的代謝中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這兩種酶分別叫做乙醇脫氫酶和乙醛脫氫酶。前者把乙醇氧化成乙醛，后者把乙醛進(jìn)一步氧化生成乙酸，乙酸與輔酶A 生成乙酰輔酶A，進(jìn)入線粒體經(jīng)三羧酸循環(huán)被氧化分解成二氧化碳和水，同時(shí)氧化分解釋放出來的能量通過氧化磷酸化作用產(chǎn)生ATP[1]。生活中個(gè)體酒精代謝速度不同使不同個(gè)體表現(xiàn)出不一樣的酒量，而酒精分解速度的差異則決定于細(xì)胞中乙醇脫氫酶和乙醛脫氫酶兩種酶的含量高低，含量越高則酶的活性越高，酒精代謝則越快。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)乙醛脫氫酶含量少時(shí)，乙醇氧化產(chǎn)物乙醛不能快速氧化為乙酸而在細(xì)胞富集，并進(jìn)入血液運(yùn)送至全身包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)人體器臟產(chǎn)生毒害并引起頭暈、目眩、嘔吐及各種不適現(xiàn)象即“酒醉”。當(dāng)然，乙醛還會(huì)刺激血管擴(kuò)張，部分個(gè)體由于毛細(xì)血管較淺，血管擴(kuò)張讓皮膚呈現(xiàn)紅色，出現(xiàn)酒后臉紅及體表變紅現(xiàn)象。

2.2 運(yùn)動(dòng)后肌肉酸疼與肌細(xì)胞無氧呼吸

生活中我們都有這樣的體會(huì)，在跑步、爬山或其他長時(shí)間運(yùn)動(dòng)后，往往感到肌肉尤其是腿部肌肉的酸疼。這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)過程中肌肉細(xì)胞需消耗大量能量，在運(yùn)動(dòng)初期細(xì)胞供養(yǎng)充足，肌細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸，葡萄糖被氧化生成二氧化碳和水并產(chǎn)生大量能量；但隨著運(yùn)動(dòng)的持續(xù)，氧不能滿足細(xì)胞需要，肌細(xì)胞進(jìn)入缺氧下的無氧代謝，糖類經(jīng)糖酵解途徑生成丙酮酸后，不進(jìn)入三羧酸循環(huán)，而直接被乳酸脫氫酶還原生成乳酸，產(chǎn)能大大減少且乳酸隨時(shí)間推移在細(xì)胞中不斷增加[9]。乳酸的大量堆積刺激肌肉組織中的神經(jīng)末梢，并傳遞信息到中樞產(chǎn)生酸痛的感覺；另一方面，乳酸大量富集又使肌細(xì)胞滲透壓增大，導(dǎo)致細(xì)胞吸水使肌肉組織局部腫脹。經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的人心肺功能及血液循環(huán)機(jī)能更強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)肌細(xì)胞可獲得更充足的氧氣供給，不進(jìn)入無氧呼吸累積高濃度的乳酸，因此也就不會(huì)在運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生明顯酸痛感。需指出的是，乳酸代謝速率較快，一般運(yùn)動(dòng)后24 h左右即可被分解完，酸痛感隨之消失。若運(yùn)動(dòng)完幾天后還感到肌肉疼痛則不再是乳酸的原因了，可能是運(yùn)動(dòng)動(dòng)作過于劇烈導(dǎo)致了肌肉拉傷[10]。

2.3 氨對(duì)中樞神經(jīng)的毒害與氨代謝

氨氣是一種具強(qiáng)刺激氣味無色氣體。由于其極易溶于水，因此可很好地溶解血液運(yùn)送到身體各個(gè)部位。由于氨氣可穿透血腦屏障，因此如果人體氨代謝出現(xiàn)異常，蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)生的氨氣不能轉(zhuǎn)化為尿素通過尿液排出體外，則會(huì)通過血液循環(huán)進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生毒害效應(yīng)[10]。一方面，進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)后，氨氣會(huì)抑制神經(jīng)元丙酮酸脫氫酶活性，使糖酵解產(chǎn)物丙酮酸不能正常地脫氫和脫羧生成進(jìn)入后續(xù)三羧酸循環(huán)所需原料乙酰輔酶A，這意味著氨氣抑制了神經(jīng)細(xì)胞的三羧酸循環(huán)的進(jìn)行即抑制了神經(jīng)細(xì)胞的能量供給，這就與神經(jīng)元正常生理活動(dòng)需消耗大量能量這一需求之間形成尖銳矛盾。另一方面，氨在大腦會(huì)與α-酮戊二酸結(jié)合成谷氨酸，谷氨酸與氨結(jié)合成谷氨酰胺；這一過程產(chǎn)生兩個(gè)不良結(jié)果，其一是消耗掉大量的α-酮戊二酸和ATP，α-酮戊二酸是三羧酸循環(huán)的重要一環(huán)，α-酮戊二酸的消耗意味著對(duì)三羧酸循環(huán)進(jìn)一步抑制，ATP消耗及三羧酸循環(huán)的深度抑制均會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元能量供應(yīng)不足；其二是，谷氨酸是重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，而谷氨酰胺是抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，氨氣進(jìn)入腦中樞后生成大量谷氨酰胺，打破了中樞神經(jīng)元性奮性神經(jīng)遞質(zhì)與抑制性神經(jīng)遞質(zhì)的平衡，興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的減少和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)的增加使大腦抑制增加，從而表現(xiàn)出昏迷、休克等中毒癥狀。

2.4 腎透析與酶的絕對(duì)專一性

人體氨基酸代謝會(huì)產(chǎn)生的氨氣在肝臟細(xì)胞中通過尿素循環(huán)（鳥氨酸循環(huán)）形成尿素，尿素極易溶于水，因此被血液運(yùn)送到腎臟以尿液形式排出體外。但生活中一些人由于腎臟出現(xiàn)病變等，不能正常通過腎小管濾過作用排出尿素，使血液中尿素濃度過高而對(duì)身體產(chǎn)生毒害作用。臨床常通過透析來清除血液中尿素，即通過泵將血液從患者體內(nèi)抽出，再分散到眾多極細(xì)的空心半透明纖維細(xì)管中，這些纖維細(xì)管用半透膜材料做成，尿素等小分子分子可以在濃度差作用下通過半透膜進(jìn)入管外的透析液中，透析液中存在被固定化處理的脲酶（固定化處理可使脲酶循環(huán)利用，還可防止脲酶進(jìn)入血液被帶入體內(nèi)產(chǎn)生不良影響）。尿素被固定化處理的脲酶分解為二氧化碳和氨氣，二氧化碳隨血液回到到達(dá)肺臟后通過氣體交換排出體外；另一產(chǎn)物氨氣則通過吸附等處理不再回到體內(nèi)。在這一過程中，脲酶作為生物催化劑表現(xiàn)出嚴(yán)格的底物選擇性，這一特性導(dǎo)致催化尿素水解成為了脲酶“一輩子”的唯一工作[9]。脲酶的絕對(duì)專一性使其應(yīng)用于透析時(shí)，人們不必?fù)?dān)憂其會(huì)與血液中的其他物質(zhì)反應(yīng)，需指出的是，透析還同時(shí)處理了血液中的其他代謝廢物，并為血液輸入了電解質(zhì)等物質(zhì)。

2.5 阿爾茨海默病與蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)

阿爾茨海默病，是一種神經(jīng)退行性疾病，臨床癥狀主要表現(xiàn)為識(shí)別能力低、記憶衰退、妄想、失眠。歷史上的許多政治家、科學(xué)家如美國里根總統(tǒng)、英國鐵娘子撒切爾夫人、著名美籍華裔科學(xué)家“光纖之父”高錕等均遭受了這種疾病的困擾和折磨。阿爾茨海默病并不意味只有年齡大的老人會(huì)患這種疾病，其實(shí)最開始被人們關(guān)注和進(jìn)行專業(yè)治療的阿爾茨海默病患者是一名年僅40多歲的女性，而治療她的是一位名叫Alzheimer（音譯為阿爾茨海默）的德國著名醫(yī)生，。為表示對(duì)阿爾茨海默醫(yī)生在這種疾病治療與研究中開創(chuàng)性工作的紀(jì)念，人們把這種疾病叫做阿爾茨海默病。阿爾茨海默病患者的解剖學(xué)特征是淀粉樣蛋白在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中沉積，隨后出現(xiàn)神經(jīng)元數(shù)量減少、皮質(zhì)萎縮、溝擴(kuò)大、腦室擴(kuò)大[11]。這里不得不提到一種名為淀粉樣前體蛋白，它是一種位于神經(jīng)細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)，對(duì)神經(jīng)元的生長、存活和創(chuàng)傷后修復(fù)起著關(guān)鍵作用。人們發(fā)現(xiàn)，正常情況下淀粉樣前體蛋白可通過特定水解酶完全降解，不對(duì)人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生毒害效應(yīng)，但APP若被一種稱為β-分泌酶的水解酶在特定位點(diǎn)切割后，會(huì)產(chǎn)生一種被稱為β淀粉樣蛋白的產(chǎn)物，這種產(chǎn)物不能被APP降解途徑中的后續(xù)酶識(shí)別，從而不能進(jìn)一步降解而在中樞特定區(qū)域富集形成淀粉粥樣蛋白，影響神經(jīng)元的正常生理功能并最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡，表現(xiàn)出阿爾茨海默病的系列典型癥狀。

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G642

A

1673-2219（2021）03-0030-03

2021-01-18

國家一流本科課程（教高函〔2020〕8號(hào)）；湖南省一流本科課程（湘教通〔2020〕9號(hào)）；湖南省教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（湘教通〔2020〕212號(hào)）；湖南省課程思政建設(shè)項(xiàng)目（湘教通〔2020〕213號(hào)）。

廖陽(1983－)，男，湖南衡陽人，碩士，副教授，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物開發(fā)利用。

閆榮玲(1982－)，女，河北石家莊人，碩士，副教授，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物開發(fā)利用。

（責(zé)任編校：文春生）