生命的共性与生活中的生物化学

2021-12-06闫荣玲李常健刘小文邵金华

湖南科技学院学报 2021年3期

廖阳闫荣玲李常健刘小文邵金华

生命的共性与生活中的生物化学

廖阳闫荣玲李常健刘小文邵金华

（湖南科技学院化学与生物工程学院，湖南永州 425199）

生命世界表现出显著的多样性，但同时也存在着许多共性和遵循着某些共有规律，这些生命的共性使我们在体会生命多样性的同时也体会到了它的统一性。本文从生物分子的手性及空间螺旋结构、细胞均优先利用葡萄糖、生物体通过形成突起以增大表面积等方面对此进行了阐述，同时，列举和解释了部分耳熟能详的生活常识、生理机能或常见疾病的相关生物化学原因或机制，使我们在体会到日常生活处处蕴含着生物化学知识的同时，增强生命科学学习兴趣，提高生命科学素养。

无氧呼吸；氨中毒；阿尔茨海默病；手性；螺旋；葡萄糖；膜突起

生命世界魅力无穷，从原核到真核、从水生到陆生、从卵生到胎生、从单细胞到多细胞，淋漓尽致地表现出生命的千差万别与多姿多彩。然而，生命世界也存在着许多共性，遵循着一些共有规律，如生物大分子及其结构单位大多具有手性、生物大分子几乎均会形成螺旋状空间结构、所有细胞含量最高的物质均为水、所有细胞均优先利用葡萄糖作为能源物质、生物体往往形成突起来增大特定部位表面积等，这些共性使我们在体会生命多样性的同时，也强烈感受到了其统一性这一典型特征。另一方面，生活中耳熟能详的现象、机能、疾病都与生物化学有着千丝万缕的关系，其内在原因均可用生物化学相关知识来解释。本文列举了系列常见生活或生理现象及疾病，诸如不同个体酒量不同、运动后肌肉酸疼、过夜的韭菜不能吃、氨对中枢神经具有毒害作用、肾透析去除血液有害物质、阿尔茨海默病等，并阐述了其相关的生物化学知识，使我们在体会到日常生活处处蕴含着生物化学知识的同时，增强生命科学学习兴趣以及专业认同感，提高生命科学专业素养。

1 生命若干共性

1.1 生物大分子大都会具有手性结构并形成螺旋状空间结构

有机化合物的碳原子若共价连接的四个原子或基团各不相同，则称为手性碳原子，具有手性碳原子的化合物则谓之手性分子[1]。因此“手性”是有机分子由于原子或基团的特定三维空间排布引起结构不对称性。生物大分子除脂类外（严格意义上脂类不属生物大分子），蛋白质、多糖、核酸等都表现出手性特征。有意思的是，组成这些生物大分子的基本结构单元如氨基酸、单糖、核苷酸等也均具有手性的典型结构（除蛋白氨基酸中的甘氨酸等个别特例外）。可见，手性是生命世界的一个显著共性。

多糖、核酸、蛋白质等生物大分子通过多级压缩，形成特定的空间结构后存在细胞的特定部位，发挥着特定的生物学活性（功能）。有意思的是，不管是多糖（如淀粉）、核酸（如DNA）还是蛋白质（如球状蛋白），它们大都在线状分子基础上，采取螺旋的形式来形成自己更高级的三维空间结构[2]。可见，螺旋是生物大分子形成空间结构普遍采用的策略。形成螺旋结构后，一方面可以压缩自身体积，从而为细胞腾出更多空间，如真核细胞DNA通过逐级螺旋压缩使自身长度变为初始长度的约万分之一，从而使细胞核留出空间容纳DNA聚合酶、RNA聚合酶等其他物质；另一方面，所形成螺旋结构有利于细胞生命活动的动态调节，DNA的螺旋与解螺旋之间动态变化就是DNA复制、转录及基因表达调控的重要手段[3]。需要指出的是，生物大分子也可能形成其他形式的高级结构，如蛋白质分子除了形成螺旋状结构外，部分蛋白质还会形成折叠片结构。

1.2 所有细胞均优先利用葡萄糖

细胞无时无刻在进行分解代谢，从而为细胞的各项生命活动提供源源不断的能量。糖类是细胞中重要的能源物质，且只有单糖才能进入分解代谢途径，所以多糖首先需要通过消化（如膳食摄取的多糖淀粉等）或细胞的酶促降解（如细胞内糖原、淀粉等）变为单糖才能被细胞利用。自然界存在各种各样的单糖（如葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等），但不管是高等的多细胞真核生物还是低等的单细胞原核生物均优先利用葡萄糖。即细胞在葡萄糖充足的情况下是不会分解其他单糖的，只有当葡萄糖利用完后，细胞才会通过若干步反应使这些单糖分子转入糖分解代谢途径产能利用。当细胞处于长期饥饿状态下时，丙酮酸、生糖氨基酸、乳酸、甘油等非糖物质也需通过糖异生途径转变成葡萄糖才能进入糖代谢产能途径[3-5]。体外培养的大肠杆菌等原核生物在葡萄糖和乳糖共存的培养基中生长时表现出“二次生长”现象，就是因为细胞首先吸收利用培养基中的葡萄糖，在产能充足条件下细胞不断分裂使菌落呈指数增长；当培养基中的葡萄糖利用完后，细胞的能量供给不足导致细胞几乎不再分裂，细胞数目保持稳定；但经过一定时间调节后，细胞转入利用乳糖产能并重新进入快速分裂和增长状态；转换过程中所经历的时间主要用于细胞开启乳糖操纵子从而在细胞中表达产生乳糖分解的相关酶蛋白[6]。由此可见，优先利用葡萄糖是生命世界的又一共有规律，生命世界的所有细胞均遵循这一共有规律，也从一定程度证明所有生物均来源同一祖先。

1.3 生物体采取形成突起的策略增大膜的表面积

膜结构在细胞中的存在本身就是生物体的一个共有规律，细胞的外层边界以及胞内多种亚细胞结构如线粒体、叶绿体、内质网、细胞核等均有一层或二层膜结构[7]。大部分情况下生物膜是平滑的，但在一些特定的细胞或亚细胞结构，生物膜会采取一个共同的策略即形成突起来增加其表面积，以更好地发挥自身生理机能。如动物小肠是消化道营养物质吸收重要场所，因此在这一段有限空间、长度、通过时间内，如何增加其吸收效率十分重要。小肠上皮细胞表面向肠腔一侧伸出细长指状突起的微绒毛，这些微绒毛显著扩大了小肠上皮细胞表面积[8]。以人体为例，小肠总吸收面积达200 m2以上。除了小肠上皮细胞外，免疫系统的树突细胞也采取形成突起的策略来增大细胞膜表面积，以增强其在免疫应答中摄取、处理和传递抗原等功能的发挥。而在亚细胞水平，作为细胞“能量工厂”的线粒体，其内膜向基质侧折叠成“嵴”显著增加了内膜表面积，以便在膜上“安装”更多ATP合成酶，提高有氧呼吸及产能效率。

2 生活中的生物化学

2.1 不同个体酒量不同与乙醇代谢

生活中你可能经常看到有的人喝酒“一杯就倒”，而有的人“千杯不醉”，其实这跟酒精在体内的代谢密切相关。酒精主要在人体胃部吸收进入血液送至全身各处[8]。酒精的代谢主要在肝部完成，肝细胞中的两种酶在酒精的代谢中发挥了关键作用，这两种酶分别叫做乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶。前者把乙醇氧化成乙醛，后者把乙醛进一步氧化生成乙酸，乙酸与辅酶A 生成乙酰辅酶A，进入线粒体经三羧酸循环被氧化分解成二氧化碳和水，同时氧化分解释放出来的能量通过氧化磷酸化作用产生ATP[1]。生活中个体酒精代谢速度不同使不同个体表现出不一样的酒量，而酒精分解速度的差异则决定于细胞中乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶两种酶的含量高低，含量越高则酶的活性越高，酒精代谢则越快。当细胞内乙醛脱氢酶含量少时，乙醇氧化产物乙醛不能快速氧化为乙酸而在细胞富集，并进入血液运送至全身包括中枢神经系统，对人体器脏产生毒害并引起头晕、目眩、呕吐及各种不适现象即“酒醉”。当然，乙醛还会刺激血管扩张，部分个体由于毛细血管较浅，血管扩张让皮肤呈现红色，出现酒后脸红及体表变红现象。

2.2 运动后肌肉酸疼与肌细胞无氧呼吸

生活中我们都有这样的体会，在跑步、爬山或其他长时间运动后，往往感到肌肉尤其是腿部肌肉的酸疼。这是因为运动过程中肌肉细胞需消耗大量能量，在运动初期细胞供养充足，肌细胞进行有氧呼吸，葡萄糖被氧化生成二氧化碳和水并产生大量能量；但随着运动的持续，氧不能满足细胞需要，肌细胞进入缺氧下的无氧代谢，糖类经糖酵解途径生成丙酮酸后，不进入三羧酸循环，而直接被乳酸脱氢酶还原生成乳酸，产能大大减少且乳酸随时间推移在细胞中不断增加[9]。乳酸的大量堆积刺激肌肉组织中的神经末梢，并传递信息到中枢产生酸痛的感觉；另一方面，乳酸大量富集又使肌细胞渗透压增大，导致细胞吸水使肌肉组织局部肿胀。经常运动的人心肺功能及血液循环机能更强，运动时肌细胞可获得更充足的氧气供给，不进入无氧呼吸累积高浓度的乳酸，因此也就不会在运动后产生明显酸痛感。需指出的是，乳酸代谢速率较快，一般运动后24 h左右即可被分解完，酸痛感随之消失。若运动完几天后还感到肌肉疼痛则不再是乳酸的原因了，可能是运动动作过于剧烈导致了肌肉拉伤[10]。

2.3 氨对中枢神经的毒害与氨代谢

氨气是一种具强刺激气味无色气体。由于其极易溶于水，因此可很好地溶解血液运送到身体各个部位。由于氨气可穿透血脑屏障，因此如果人体氨代谢出现异常，蛋白质代谢产生的氨气不能转化为尿素通过尿液排出体外，则会通过血液循环进入中枢神经系统产生毒害效应[10]。一方面，进入中枢神经系统后，氨气会抑制神经元丙酮酸脱氢酶活性，使糖酵解产物丙酮酸不能正常地脱氢和脱羧生成进入后续三羧酸循环所需原料乙酰辅酶A，这意味着氨气抑制了神经细胞的三羧酸循环的进行即抑制了神经细胞的能量供给，这就与神经元正常生理活动需消耗大量能量这一需求之间形成尖锐矛盾。另一方面，氨在大脑会与α-酮戊二酸结合成谷氨酸，谷氨酸与氨结合成谷氨酰胺；这一过程产生两个不良结果，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环的重要一环，α-酮戊二酸的消耗意味着对三羧酸循环进一步抑制，ATP消耗及三羧酸循环的深度抑制均会导致神经元能量供应不足；其二是，谷氨酸是重要的兴奋性神经递质，而谷氨酰胺是抑制性神经递质，氨气进入脑中枢后生成大量谷氨酰胺，打破了中枢神经元性奋性神经递质与抑制性神经递质的平衡，兴奋性神经递质的减少和抑制性神经递质的增加使大脑抑制增加，从而表现出昏迷、休克等中毒症状。

2.4 肾透析与酶的绝对专一性

人体氨基酸代谢会产生的氨气在肝脏细胞中通过尿素循环（鸟氨酸循环）形成尿素，尿素极易溶于水，因此被血液运送到肾脏以尿液形式排出体外。但生活中一些人由于肾脏出现病变等，不能正常通过肾小管滤过作用排出尿素，使血液中尿素浓度过高而对身体产生毒害作用。临床常通过透析来清除血液中尿素，即通过泵将血液从患者体内抽出，再分散到众多极细的空心半透明纤维细管中，这些纤维细管用半透膜材料做成，尿素等小分子分子可以在浓度差作用下通过半透膜进入管外的透析液中，透析液中存在被固定化处理的脲酶（固定化处理可使脲酶循环利用，还可防止脲酶进入血液被带入体内产生不良影响）。尿素被固定化处理的脲酶分解为二氧化碳和氨气，二氧化碳随血液回到到达肺脏后通过气体交换排出体外；另一产物氨气则通过吸附等处理不再回到体内。在这一过程中，脲酶作为生物催化剂表现出严格的底物选择性，这一特性导致催化尿素水解成为了脲酶“一辈子”的唯一工作[9]。脲酶的绝对专一性使其应用于透析时，人们不必担忧其会与血液中的其他物质反应，需指出的是，透析还同时处理了血液中的其他代谢废物，并为血液输入了电解质等物质。

2.5 阿尔茨海默病与蛋白质高级结构

阿尔茨海默病，是一种神经退行性疾病，临床症状主要表现为识别能力低、记忆衰退、妄想、失眠。历史上的许多政治家、科学家如美国里根总统、英国铁娘子撒切尔夫人、著名美籍华裔科学家“光纤之父”高锟等均遭受了这种疾病的困扰和折磨。阿尔茨海默病并不意味只有年龄大的老人会患这种疾病，其实最开始被人们关注和进行专业治疗的阿尔茨海默病患者是一名年仅40多岁的女性，而治疗她的是一位名叫Alzheimer（音译为阿尔茨海默）的德国著名医生，。为表示对阿尔茨海默医生在这种疾病治疗与研究中开创性工作的纪念，人们把这种疾病叫做阿尔茨海默病。阿尔茨海默病患者的解剖学特征是淀粉样蛋白在中枢神经系统中沉积，随后出现神经元数量减少、皮质萎缩、沟扩大、脑室扩大[11]。这里不得不提到一种名为淀粉样前体蛋白，它是一种位于神经细胞膜上的蛋白质，对神经元的生长、存活和创伤后修复起着关键作用。人们发现，正常情况下淀粉样前体蛋白可通过特定水解酶完全降解，不对人体中枢神经系统产生毒害效应，但APP若被一种称为β-分泌酶的水解酶在特定位点切割后，会产生一种被称为β淀粉样蛋白的产物，这种产物不能被APP降解途径中的后续酶识别，从而不能进一步降解而在中枢特定区域富集形成淀粉粥样蛋白，影响神经元的正常生理功能并最终导致神经元死亡，表现出阿尔茨海默病的系列典型症状。

[1]张丽萍,杨建雄.生物化学简明教程[M].北京:高等教育出版社,2015.

[2]冯佑民.生物大分子的螺旋结构[J].生命的化学,1990(4): 36-37.

[3李常健.生物化学[M].长沙:中南大学出版社,2017.

[4]吴相钰,陈守良,葛明德.普通生物学[M].北京:高等教育出版社,2009.

[5]闫荣玲,廖阳.如何理解生物学常识之“水是生命之源”[J].湖南科技学院学报,2018,39(5):39-40.

[6]朱玉贤,李毅,郑晓峰.现代分子生物学[M].北京:高等教育出版社,2007.

[7]翟中和,王喜忠,丁明孝.细胞生物学[M].北京:高等教育出版社,2011.

[8]左明雪.人体及动物生理学[M].4板.北京:高等教育出版社,2017.

[9]李常健.生物化学[M].长沙:中南大学出版社,2017.

[10]陈峰.引导学生理解“水是生命之源”专题[J].中学生物教学,2008(6):51-52.

[11]闫荣玲,李常健,廖阳,等.生物化学前沿研究动态及其在课堂教学中的应用[J].生物学杂志,2018,35(3):115-117.

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