生命的共性與生活中的生物化學

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

廖 陽 閆榮玲 李常健 劉小文 邵金華

（湖南科技學院 化學與生物工程學院，湖南 永州 425199）

生命世界表現出顯著的多樣性，但同時也存在著許多共性和遵循著某些共有規律，這些生命的共性使我們在體會生命多樣性的同時也體會到了它的統一性。本文從生物分子的手性及空間螺旋結構、細胞均優先利用葡萄糖、生物體通過形成突起以增大表面積等方面對此進行了闡述，同時，列舉和解釋了部分耳熟能詳的生活常識、生理機能或常見疾病的相關生物化學原因或機制，使我們在體會到日常生活處處蘊含著生物化學知識的同時，增強生命科學學習興趣，提高生命科學素養。

無氧呼吸；氨中毒；阿爾茨海默病；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、從單細胞到多細胞，淋漓盡致地表現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，遵循著一些共有規律，如生物大分子及其結構單位大多具有手性、生物大分子幾乎均會形成螺旋狀空間結構、所有細胞含量最高的物質均為水、所有細胞均優先利用葡萄糖作為能源物質、生物體往往形成突起來增大特定部位表面積等，這些共性使我們在體會生命多樣性的同時，也強烈感受到了其統一性這一典型特征。另一方面，生活中耳熟能詳的現象、機能、疾病都與生物化學有著千絲萬縷的關系，其內在原因均可用生物化學相關知識來解釋。本文列舉了系列常見生活或生理現象及疾病，諸如不同個體酒量不同、運動后肌肉酸疼、過夜的韭菜不能吃、氨對中樞神經具有毒害作用、腎透析去除血液有害物質、阿爾茨海默病等，并闡述了其相關的生物化學知識，使我們在體會到日常生活處處蘊含著生物化學知識的同時，增強生命科學學習興趣以及專業認同感，提高生命科學專業素養。

1 生命若干共性

1.1 生物大分子大都會具有手性結構并形成螺旋狀空間結構

有機化合物的碳原子若共價連接的四個原子或基團各不相同，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”是有機分子由于原子或基團的特定三維空間排布引起結構不對稱性。生物大分子除脂類外（嚴格意義上脂類不屬生物大分子），蛋白質、多糖、核酸等都表現出手性特征。有意思的是，組成這些生物大分子的基本結構單元如氨基酸、單糖、核苷酸等也均具有手性的典型結構（除蛋白氨基酸中的甘氨酸等個別特例外）。可見，手性是生命世界的一個顯著共性。

多糖、核酸、蛋白質等生物大分子通過多級壓縮，形成特定的空間結構后存在細胞的特定部位，發揮著特定的生物學活性（功能）。有意思的是，不管是多糖（如淀粉）、核酸（如DNA）還是蛋白質（如球狀蛋白），它們大都在線狀分子基礎上，采取螺旋的形式來形成自己更高級的三維空間結構[2]。可見，螺旋是生物大分子形成空間結構普遍采用的策略。形成螺旋結構后，一方面可以壓縮自身體積，從而為細胞騰出更多空間，如真核細胞DNA通過逐級螺旋壓縮使自身長度變為初始長度的約萬分之一，從而使細胞核留出空間容納DNA聚合酶、RNA聚合酶等其他物質；另一方面，所形成螺旋結構有利于細胞生命活動的動態調節，DNA的螺旋與解螺旋之間動態變化就是DNA復制、轉錄及基因表達調控的重要手段[3]。需要指出的是，生物大分子也可能形成其他形式的高級結構，如蛋白質分子除了形成螺旋狀結構外，部分蛋白質還會形成折疊片結構。

1.2 所有細胞均優先利用葡萄糖

細胞無時無刻在進行分解代謝，從而為細胞的各項生命活動提供源源不斷的能量。糖類是細胞中重要的能源物質，且只有單糖才能進入分解代謝途徑，所以多糖首先需要通過消化（如膳食攝取的多糖淀粉等）或細胞的酶促降解（如細胞內糖原、淀粉等）變為單糖才能被細胞利用。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胞真核生物還是低等的單細胞原核生物均優先利用葡萄糖。即細胞在葡萄糖充足的情況下是不會分解其他單糖的，只有當葡萄糖利用完后，細胞才會通過若干步反應使這些單糖分子轉入糖分解代謝途徑產能利用。當細胞處于長期饑餓狀態下時，丙酮酸、生糖氨基酸、乳酸、甘油等非糖物質也需通過糖異生途徑轉變成葡萄糖才能進入糖代謝產能途徑[3-5]。體外培養的大腸桿菌等原核生物在葡萄糖和乳糖共存的培養基中生長時表現出“二次生長”現象，就是因為細胞首先吸收利用培養基中的葡萄糖，在產能充足條件下細胞不斷分裂使菌落呈指數增長；當培養基中的葡萄糖利用完后，細胞的能量供給不足導致細胞幾乎不再分裂，細胞數目保持穩定；但經過一定時間調節后，細胞轉入利用乳糖產能并重新進入快速分裂和增長狀態；轉換過程中所經歷的時間主要用于細胞開啟乳糖操縱子從而在細胞中表達產生乳糖分解的相關酶蛋白[6]。由此可見，優先利用葡萄糖是生命世界的又一共有規律，生命世界的所有細胞均遵循這一共有規律，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

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

2 生活中的生物化學

2.1 不同個體酒量不同與乙醇代謝

生活中你可能經常看到有的人喝酒“一杯就倒”，而有的人“千杯不醉”，其實這跟酒精在體內的代謝密切相關。酒精主要在人體胃部吸收進入血液送至全身各處[8]。酒精的代謝主要在肝部完成，肝細胞中的兩種酶在酒精的代謝中發揮了關鍵作用，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，后者把乙醛進一步氧化生成乙酸，乙酸與輔酶A 生成乙酰輔酶A，進入線粒體經三羧酸循環被氧化分解成二氧化碳和水，同時氧化分解釋放出來的能量通過氧化磷酸化作用產生ATP[1]。生活中個體酒精代謝速度不同使不同個體表現出不一樣的酒量，而酒精分解速度的差異則決定于細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。當細胞內乙醛脫氫酶含量少時，乙醇氧化產物乙醛不能快速氧化為乙酸而在細胞富集，并進入血液運送至全身包括中樞神經系統，對人體器臟產生毒害并引起頭暈、目眩、嘔吐及各種不適現象即“酒醉”。當然，乙醛還會刺激血管擴張，部分個體由于毛細血管較淺，血管擴張讓皮膚呈現紅色，出現酒后臉紅及體表變紅現象。

2.2 運動后肌肉酸疼與肌細胞無氧呼吸

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

2.3 氨對中樞神經的毒害與氨代謝

氨氣是一種具強刺激氣味無色氣體。由于其極易溶于水，因此可很好地溶解血液運送到身體各個部位。由于氨氣可穿透血腦屏障，因此如果人體氨代謝出現異常，蛋白質代謝產生的氨氣不能轉化為尿素通過尿液排出體外，則會通過血液循環進入中樞神經系統產生毒害效應[10]。一方面，進入中樞神經系統后，氨氣會抑制神經元丙酮酸脫氫酶活性，使糖酵解產物丙酮酸不能正常地脫氫和脫羧生成進入后續三羧酸循環所需原料乙酰輔酶A，這意味著氨氣抑制了神經細胞的三羧酸循環的進行即抑制了神經細胞的能量供給，這就與神經元正常生理活動需消耗大量能量這一需求之間形成尖銳矛盾。另一方面，氨在大腦會與α-酮戊二酸結合成谷氨酸，谷氨酸與氨結合成谷氨酰胺；這一過程產生兩個不良結果，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的重要一環，α-酮戊二酸的消耗意味著對三羧酸循環進一步抑制，ATP消耗及三羧酸循環的深度抑制均會導致神經元能量供應不足；其二是，谷氨酸是重要的興奮性神經遞質，而谷氨酰胺是抑制性神經遞質，氨氣進入腦中樞后生成大量谷氨酰胺，打破了中樞神經元性奮性神經遞質與抑制性神經遞質的平衡，興奮性神經遞質的減少和抑制性神經遞質的增加使大腦抑制增加，從而表現出昏迷、休克等中毒癥狀。

2.4 腎透析與酶的絕對專一性

人體氨基酸代謝會產生的氨氣在肝臟細胞中通過尿素循環（鳥氨酸循環）形成尿素，尿素極易溶于水，因此被血液運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身體產生毒害作用。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抽出，再分散到眾多極細的空心半透明纖維細管中，這些纖維細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利用，還可防止脲酶進入血液被帶入體內產生不良影響）。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肺臟后通過氣體交換排出體外；另一產物氨氣則通過吸附等處理不再回到體內。在這一過程中，脲酶作為生物催化劑表現出嚴格的底物選擇性，這一特性導致催化尿素水解成為了脲酶“一輩子”的唯一工作[9]。脲酶的絕對專一性使其應用于透析時，人們不必擔憂其會與血液中的其他物質反應，需指出的是，透析還同時處理了血液中的其他代謝廢物，并為血液輸入了電解質等物質。

2.5 阿爾茨海默病與蛋白質高級結構

阿爾茨海默病，是一種神經退行性疾病，臨床癥狀主要表現為識別能力低、記憶衰退、妄想、失眠。歷史上的許多政治家、科學家如美國里根總統、英國鐵娘子撒切爾夫人、著名美籍華裔科學家“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患這種疾病，其實最開始被人們關注和進行專業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）的德國著名醫生，。為表示對阿爾茨海默醫生在這種疾病治療與研究中開創性工作的紀念，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特征是淀粉樣蛋白在中樞神經系統中沉積，隨后出現神經元數量減少、皮質萎縮、溝擴大、腦室擴大[11]。這里不得不提到一種名為淀粉樣前體蛋白，它是一種位于神經細胞膜上的蛋白質，對神經元的生長、存活和創傷后修復起著關鍵作用。人們發現，正常情況下淀粉樣前體蛋白可通過特定水解酶完全降解，不對人體中樞神經系統產生毒害效應，但APP若被一種稱為β-分泌酶的水解酶在特定位點切割后，會產生一種被稱為β淀粉樣蛋白的產物，這種產物不能被APP降解途徑中的后續酶識別，從而不能進一步降解而在中樞特定區域富集形成淀粉粥樣蛋白，影響神經元的正常生理功能并最終導致神經元死亡，表現出阿爾茨海默病的系列典型癥狀。

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[9]李常健.生物化學[M].長沙:中南大學出版社,2017.

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[11]閆榮玲,李常健,廖陽,等.生物化學前沿研究動態及其在課堂教學中的應用[J].生物學雜志,2018,35(3):115-117.

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）；湖南省一流本科課程（湘教通〔2020〕9號）；湖南省教學改革與研究項目（湘教通〔2020〕212號）；湖南省課程思政建設項目（湘教通〔2020〕213號）。

廖陽(1983－)，男，湖南衡陽人，碩士，副教授，研究方向為天然產物開發利用。

閆榮玲(1982－)，女，河北石家莊人，碩士，副教授，研究方向為天然產物開發利用。

（責任編校：文春生）