第二章 化學與生命科學C

第二章化學與生命科學

瓊州學院公選課：《身邊的化學》

生命科學是研究生命現(xiàn)象、生命活動的本質、特征和發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，以及各種生物之間和生物與環(huán)境之間相互關系的科學。

生命科學與人類生存、人民健康、經(jīng)濟建設和社會發(fā)展有著密切關系，是當今在全球范圍內(nèi)最受關注的基礎自然科學。

生命科學是由各個學科交叉滲透而來，其中化學在研究生物體的物質基礎和生命活動基本規(guī)律的領域里，發(fā)揮著重要的作用。本章從與生命活動密切相關的蛋白質、核酸、糖類和一些微量元素的化學結構和物質代謝為主，介紹生命中的化學的基本知識。生命科學研究不但依賴物理、化學知識，也依靠后者提供的儀器，如光學和電子顯微鏡、蛋白質電泳儀、超速離心機、X-射線儀、核磁共振分光計、正電子發(fā)射斷層掃描儀等等，舉不勝舉。

2.1蛋白質---生命的物質基礎“生命是蛋白質存在的方式，這個方式的基本因素在于它和周圍的外部自然界不斷新陳代謝”。蛋白質是生命的物質基礎，沒有蛋白質就沒有生命。因此，它是與生命及與各種形式的生命活動緊密聯(lián)系在一起的物質。機體中的每一個細胞和所有重要組成部分都有蛋白質參與。蛋白質占人體重量的16.3%。人體內(nèi)蛋白質的種類很多，性質、功能各異，但都是由約20種氨基酸按不同比例組合而成的，并在體內(nèi)不斷進行代謝與更新。

氨基酸是組成蛋白質的基本單位，氨基酸通過脫水縮合形成肽鏈。氨基酸的分子中既含有氨基（—NH2）又含有羧基（—COOH），α氨基酸是氨基連接在羧基旁的第一個碳原子（又稱α碳原子）上的氨基酸，可用下面的通式來表示。

2.1.1蛋白質、氨基酸和肽鍵2.1.1.1氨基酸

非必需氨基酸：指人（或其它脊椎動物）自己能由簡單的前體合成，不需要從食物中獲得的氨基酸。例如甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、半胱氨酸等氨基酸。（12種）天然的氨基酸現(xiàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有300多種，其中人體所需的氨基酸約有20種，分非必需氨基酸和必需氨基酸（人體無法自身合成）。另有酸性、堿性、中性、雜環(huán)分類，是根據(jù)其化學性質分類的。必需氨基酸：指人體不能合成或合成速度不能滿足機體需要，必須從食物中直接獲得的氨基酸。例如亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸等。（8種）

◆賴氨酸（Lysine

）

英文縮寫：Lys；

字母代號：K；漢文代號：賴。

堿性

◆谷氨酸（Glutamicacid）

英文縮寫：Glu；

字母代號：E；漢文代號：谷。

酸性

◆甘氨酸（Glycine）

英文縮寫：Gly；

字母代號：G；漢文代號：甘。中性

大多數(shù)氨基酸都呈顯不同程度的酸性或堿性，呈顯中性的較少。所以既能與酸結合成鹽，也能與堿結合成鹽。從氨基酸的結構可以看出，由于大部分氨基酸的分子中都有不對稱的碳原子，所以基本都具有旋光性。同時由于空間的排列位置不同，又有兩種構型：D型和L型。組成蛋白質的氨基酸，都屬L型。

D型L型

2.1.1.2多肽及肽鍵多肽也叫肽，是含有多個氨基酸單元的低聚物，相對分子質量一般在10000以下，可以看成是由多個氨基酸通過氨基和羧基之間脫水縮合而成的。由氨基和羧基之間脫水形成的酰胺鍵稱為肽鍵。肽在生物化學中是一類重要的化合物，在生物體內(nèi)起著很重要的作用

。

多肽有生物活性多肽和人工合成多肽兩種。生物提取的多肽具有很強的活性，所以叫做活性肽。只有活性的肽才能對人體產(chǎn)生很好的效果，但是人工合成的多肽有很多是沒有活性的，是需要篩選的，只有活性肽才能被人體安全使用?；钚噪闹饕刂迫梭w的生長、發(fā)育、免疫調節(jié)和新陳代謝，它在人體處于一種平衡狀態(tài)，若活性肽減少后，人體的機能發(fā)生重要變化，對于兒童來說，他的生長、發(fā)育變得緩慢，甚至停止，長久下去就形成了侏儒，對成年人或老年人，缺少活性肽后，自身的免疫力就會下降，新陳代謝紊亂，內(nèi)分泌失調，引起各種疾病的產(chǎn)生，如失眠、身體消瘦或浮腫。由于活性肽還作用于神經(jīng)系統(tǒng)，因此人體就會變得動作遲緩，頭腦不再聰慧，更主要的是活性肽減少，直接引起人身體各部位逐漸出現(xiàn)全面衰老，引發(fā)各種疾病。

2.1.1.3蛋白質蛋白質是一類重要的生物高分子，不同的蛋白質具有各種不同的生理功能。與多肽相同它是否各種α氨基酸通過酰胺鍵即肽鍵聯(lián)成的長鏈分子，這種長鏈稱為肽鏈。許多蛋白質還包含有非肽鏈結構的其他組成成分，這叫配基或輔基。

人體內(nèi)蛋白質的種類很多，性質、功能各異，但都是由約20種氨基酸按不同比例組合而成的，那20種氨基酸能排列組合成多少種蛋白質呢？1017種。而且一般蛋白質有500個以上的氨基酸，它所排列出來的總數(shù)是10600多種，所以排列出來的花樣是無窮無盡的。

一、蛋白質的分類

按蛋白質的結構：單純蛋白質和結合蛋白質。輔基：脂肪、糖、核酸等。按蛋白質的形狀：纖維蛋白和球蛋白。

按蛋白質的形狀：纖維蛋白和球蛋白。

按蛋白質的功能：活性蛋白質和非活性蛋白質?；钚缘鞍踪|，如酶、激素、抗體等；

非活性蛋白質，如膠原蛋白、角蛋白、彈性蛋白等。

二、常見蛋白質◆纖維蛋白:

一類主要的不溶于水的蛋白質，通常都含有呈現(xiàn)相同二級結構的多肽鏈。許多纖維蛋白結合緊密，并為單個細胞或整個生物體提供機械強度，起著保護或結構上的作用。◆球蛋白:

緊湊的，近似球形的，含有折疊緊密的多肽鏈的一類蛋白質，許多都溶于水。典形的球蛋白含有能特異的識別其它化合物的凹陷或裂隙部位。◆角蛋白:由處于α-螺旋或β-折疊構象的平行的多肽鏈組成不溶于水的起著保護或結構作用蛋白質。

◆膠原蛋白:是動物結締組織最豐富的一種蛋白質，它是由原膠原蛋白分子組成。原膠原蛋白是一種具有右手超螺旋結構的蛋白。每個原膠原分子都是由3條特殊的左手螺旋（螺距0.95nm,每一圈含有3.3個殘基）的多肽鏈右手旋轉形成的?！艏〖t蛋白:是由一條肽鏈和一個血紅素輔基組成的結合蛋白，是肌肉內(nèi)儲存氧的蛋白質，它的氧飽和曲線為雙曲線型?！粞t蛋白:是由含有血紅素輔基的4個亞基組成的結合蛋白。血紅蛋白負責將氧由肺運輸?shù)酵庵芙M織，它的氧飽和曲線為S型。

三、蛋白質的結構

蛋白質為生物高分子物質之一，具有三維空間結構，因而執(zhí)行復雜的生物學功能。蛋白質結構與功能之間的關系非常密切。在研究中，一般將蛋白質分子的結構分為四級。（一）、蛋白質的一級結構

蛋白質多肽鏈中的氨基酸組成和排列次序稱為蛋白質的一級結構。蛋白質的一級結構就是蛋白質多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序，也是蛋白質最基本的結構。它是由基因上遺傳密碼的排列順序所決定的。各種氨基酸按遺傳密碼的順序，通過肽鍵連接起來，成為多肽鏈。

迄今已有約一千種左右蛋白質的一級結構被研究確定，如胰島素，胰核糖核酸酶、胰蛋白酶等。蛋白質的一級結構決定了蛋白質的二級、三級等高級結構，成百億的天然蛋白質各有其特殊的生物學活性，決定每一種蛋白質的生物學活性的結構特點，首先在于其肽鏈的氨基酸序列，由于組成蛋白質的20種氨基酸各具特殊的側鏈，側鏈基團的理化性質和空間排布各不相同，當它們按照不同的序列關系組合時，就可形成多種多樣的空間結構和不同生物學活性的蛋白質分子。

１９６５年９月，我國在世界上首次人工合成了結晶牛胰島素，它是第一個全合成的、與天然產(chǎn)物性質完全相同的、有生物活性的蛋白質。其結構如下圖：

合成牛胰島素的合作單位及領頭人：

汪猷1910-1997中科院上海有機所邢其毅1911-2002北京大學化學系鈕經(jīng)義1920-1995中科院上海生化所

蛋白質分子的多肽鏈并非呈線形伸展，而是折疊和盤曲構成特有的比較穩(wěn)定的空間結構。蛋白質的生物學活性和理化性質主要決定于空間結構的完整，因此僅僅測定蛋白質分子的氨基酸組成和它們的排列順序并不能完全了解蛋白質分子的生物學活性和理化性質。

例如球狀蛋白質（多見于血漿中的白蛋白、球蛋白、血紅蛋白和酶等）和纖維狀蛋白質（角蛋白、膠原蛋白、肌凝蛋白、纖維蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，顯而易見，此種性質不能僅用蛋白質的一級結構的氨基酸排列順序來解釋。而應從蛋白質的空間結構，即蛋白質的二級、三級和四級結構來解釋。

（二）、蛋白質的二級結構蛋白質的二級結構是指蛋白質多肽鏈本身的折疊方式（卷曲狀、片層狀或球體等空間結構）。是多肽鏈借助于氫鍵沿一維方向排列成具有周期性的結構的構象，是多肽鏈局部的空間結構（構象），不涉及側鏈部分的構象。主要有α－螺旋、β－折疊、β－轉角等幾種形式，它們是構成蛋白質高級結構的基本要素。穩(wěn)定蛋白質二級結構的因素是氫鍵。

α-螺旋：蛋白質的一條肽鏈中有規(guī)律的螺旋結構，每一圈含3.6個氨基酸殘基。

β-折疊：兩條肽鏈或一條肽鏈的兩段平行排列。

β

-轉角：肽鏈的180o回折的角?！鰺o規(guī)則卷曲：沒有規(guī)律性的肽鏈構象。

（三）、蛋白質的三級結構具有二級結構的多肽鏈上的羥基、烴基、巰基、游離的氨基、羧基等，相互借助于靜電引力、范德華力、氫鍵、二硫鍵的作用使分子鏈扭曲、折疊，形成蛋白質特有的立體三級結構。蛋白質的三級結構主要指氨基酸殘基的側鏈間的結合。次級鍵都是非共價鍵，易受環(huán)境中pH、溫度、離子強度等的影響，有變動的可能性。二硫鍵不屬于次級鍵，但在某些肽鏈中能使遠隔的二個肽段聯(lián)系在一起，這對于蛋白質三級結構的穩(wěn)定上起著重要作用。

圖2-4抹香鯨肌紅蛋白的三級結構

（四）、蛋白質的四級結構具有二條或二條以上獨立三級結構的多肽鏈組成的蛋白質，其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結構稱為蛋白質的四級結構。其中，每個具有獨立三級結構的多肽鏈單位稱為亞基。四級結構實際上是指亞基的立體排布、相互作用及接觸部位的布局。亞基之間不含共價鍵，亞基間次級鍵的結合比二、三級結構疏松，因此在一定的條件下，四級結構的蛋白質可分離為其組成的亞基，而亞基本身構象仍可不變。

幾個具有一級、二級、三級結構的多肽鏈按特定方式集合在一起，形成蛋白質的四級結構（如下圖所示）。

2.1.2蛋白質的代謝

蛋白質代謝指蛋白質在細胞內(nèi)的代謝途徑。各種生物均含有水解蛋白質的蛋白酶或肽酶，這些酶的專一性不同，但均能破壞肽鍵，使各種蛋白質水解成其氨基酸成分的混合物。食物中的蛋白都要降解為氨基酸才能被機體利用，體內(nèi)蛋白也要先分解為氨基酸才能繼續(xù)氧化分解或轉化。游離氨基酸可合成自身蛋白，可氧化分解放出能量，可轉化為糖類或脂類，也可合成其他生物活性物質。合成蛋白是主要用途，約占75％，而蛋白質提供的能量約占人體所需總能量的10－15％。蛋白質的代謝平衡稱氮平衡，一般每天排出5克氮，相當于約30克蛋白質。

◆蛋白質的代謝過程

2.1.3蛋白質的生理功能與人類健康

蛋白質是構成機體組織、器官的重要組成部分，人體各組織無一不含蛋白質，在人體的瘦組織中（非脂肪組織），如肌肉組織和心、肝、腎等器官均含有大量蛋白質，骨骼、牙齒、乃至指、趾也含有大量蛋白質。細胞中，除水分外，蛋白質約占細胞內(nèi)物質的80%，因此，構成機體組織、器官的成分是蛋白質最重要的生理功能。身體的生長發(fā)育可視為蛋白質的不斷積累過程。蛋白質對生長發(fā)育期的兒童尤為重要，如食物中蛋白質不足時，青少年發(fā)育不良，成年人會感到乏力，體重下降，抗病力減弱。

◆蛋白質的三大生理功能是：

一是人體組織的構成成分；二是具有各種重要的生理活性；三是供給人體能量。具體如下：

（1）構造人的身體：蛋白質是一切生命的物質基礎，是肌體細胞的重要組成部分，是人體組織更新和修補的主要原料。人體的每個組織：毛發(fā)、皮膚、肌肉、骨骼、內(nèi)臟、大腦、血液、神經(jīng)、內(nèi)分泌等都是由蛋白質組成，所以說飲食造就人本身。蛋白質對人的生長發(fā)育非常重要。

（2）修補人體組織：人的身體由百兆億個細胞組成，細胞可以說是生命的最小單位，它們處于永不停息的衰老、死亡、新生的新陳代謝過程中。例如年輕人的表皮28天更新一次，而胃黏膜兩三天就要全部更新。所以一個人如果蛋白質的攝入、吸收、利用都很好，那么皮膚就是光澤而又有彈性的。反之，人則經(jīng)常處于亞健康狀態(tài)。組織受損后，包括外傷，不能得到及時和高質量的修補，便會加速機體衰退。

（6）免疫細胞和免疫蛋白：有白細胞、淋巴細胞、巨噬細胞、抗體（免疫球蛋白）、補體、干擾素等。七天更新一次。當?shù)鞍踪|充足時，這個部隊就很強，在需要時，數(shù)小時內(nèi)可以增加100倍。

（3）維持肌體正常的新陳代謝和各類物質在體內(nèi)的輸送。載體蛋白對維持人體的正常生命活動是至關重要的?？梢栽隗w內(nèi)運載各種物質。比如血紅蛋白—輸送氧（紅血球更新速率250萬/秒）、脂蛋白—輸送脂肪、細胞膜上的受體還有轉運蛋白等。（4）維持機體內(nèi)的滲透壓的平衡及體液平衡。

（5）維持體液的酸堿平衡。

（7）構成人體必需的催化和調節(jié)功能的各種酶。我們身體有數(shù)千種酶，每一種只能參與一種生化反應。人體細胞里每分鐘要進行一百多次生化反應。酶有促進食物的消化、吸收、利用的作用。相應的酶充足，反應就會順利、快捷的進行，我們就會精力充沛，不易生病。否則，反應就變慢或者被阻斷。（8）激素的主要原料。具有調節(jié)體內(nèi)各器官的生理活性。胰島素是由51個氨基酸分子合成。生長素是由191個氨基酸分子合成。（9）構成神經(jīng)遞質乙酰膽堿、五羥色氨等。維持神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能：味覺、視覺和記憶。

（10）膠原蛋白：占身體蛋白質的1/3，生成結締組織，構成身體骨架。如骨骼、血管、韌帶等，決定了皮膚的彈性，保護大腦（在大腦腦細胞中，很大一部分是膠原細胞，并且形成血腦屏障保護大腦）。（11）提供熱能。如果熱量供應不足，肌體將消耗食物中的蛋白質來作能源．每克蛋白質在體內(nèi)氧化時提供的熱量是18kJ，與葡萄糖相當．用蛋白質作能源是一種浪費，是大材小用。

2.3糖類--生命的能量物質糖類是自然界中廣泛分布的一類重要的有機化合物。日常食用的蔗糖、糧食中的淀粉、植物體中的纖維素、人體血液中的葡萄糖等均屬糖類。糖類在生命活動過程中起著重要的作用，是一切生命體維持生命活動所需能量的主要來源。糖類由碳、氫、氧三種元素組成，可用通式Cn(H2O)m表示，故也稱為碳水化合物。糖類是植物通過光合作用由CO2和H2O轉變而成的：

生成的葡萄糖又進一步在植物體內(nèi)合成出巨大的糖類聚合物，如淀粉和纖維素等，使太陽光能轉變?yōu)榛瘜W能貯存起來。動物不能發(fā)生光合作用，但可通過攝取植物而得到糖類作為基礎營養(yǎng)。2.3.1糖的分類和結構糖類是具有多羥基醛或多羥基酮的非芳香類分子特征物質的統(tǒng)稱。依分子組成的復雜程度，可分為單糖、寡糖、多糖和糖綴合物；也可依據(jù)其他原則分類，如根據(jù)其功能基團分成醛糖或酮糖。

2.3.1.1單糖單糖就是不能再水解的糖類，最簡單的糖類分子，若進一步分解，便失去糖的性質。是構成各種二糖和多糖的分子的基本單位。按碳原子數(shù)目，單糖可分為丙糖、丁糖、戊糖、己糖等。自然界的單糖主要是戊糖和己糖。例如，葡萄糖為己醛糖，果糖為己酮糖。單糖既可以環(huán)式結構形式存在，也可以開鏈形式存在。在環(huán)式和鏈式結構之間存在可逆平衡。葡萄糖的環(huán)式和鏈式異構體的互變平衡體系如下：

α-D-吡喃葡萄糖

D-葡萄糖

β-D-吡喃葡萄糖37%～0.1%63%

◆果糖的結構：α-D-呋喃果糖D-果糖β-D-呋喃果糖

葡萄糖在生物學領域具有重要地位，是活細胞的能量來源和新陳代謝中間產(chǎn)物。植物可通過光合作用產(chǎn)生葡萄糖。在糖果制造業(yè)和醫(yī)藥領域有著廣泛應用。果糖是棱柱狀晶體，熔點103～105℃，是所有的糖中最甜的一種，它比蔗糖甜一倍，廣泛分布于植物中，廣泛用于食品工業(yè)，如制糖果、糕點、飲料等。

2.3.1.2雙糖

雙糖，是指單糖分子中的半縮醛的羥基和另一個單糖分子的羥基共失一分子水而生成的化合物，即水解之后可以形成兩個單糖分子的糖。常見的雙糖有：蔗糖、麥芽糖、纖維二糖、異麥芽糖、龍膽二糖、海藻糖和乳糖等。其中以蔗糖、麥芽糖和乳糖最重要。

雙糖根據(jù)連接方式不同，可分為以下兩種雙糖：非還原性雙糖和還原性雙糖。

（一）非還原性雙糖

通過兩個單糖分子的半縮醛（酮）羥基脫去一分子水而相互連接。這樣的雙糖，分子中已沒有半縮醛（酮）羥基存在，因此其中任何一個單糖部分都不能再由環(huán)式轉變成醛（酮）式。這種雙糖就沒有變旋現(xiàn)象和還原性，也不能生成糖脎，因此稱為非還原性雙糖。如（＋）-海藻糖，兩個葡萄糖單位都以C-1上的α-OH脫水而生成雙糖，按完整名稱為α-D-吡喃型葡萄糖基-α-D-葡萄糖。其結構式如下：

蔗糖也是非還原性雙糖，光合作用的主要產(chǎn)物，廣泛分布于植物體內(nèi)，特別是甜菜、甘蔗和水果中含量極高。蔗糖是植物儲藏、積累和運輸糖分的主要形式。平時食用的白糖、紅糖都是蔗糖。蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖脫水形成，易溶于水較難溶于乙醇，甜味僅次于果糖，具體構成見下圖：

（二）還原性雙糖第一個單糖分子的半縮醛羥基與第二個單糖的醇羥基（一般是C-4上的羥基）脫去一分子水而相互連接。這樣連接的苷鍵稱為1，4-苷鍵。由這種方式所構成的雙糖，分子中仍保留一個半縮醛羥基，其中一個單糖部分可變?yōu)殚_鏈式，因此這種雙糖有變旋現(xiàn)象和還原性，能與托倫試劑或斐林試劑作用，也能生成糖脎，故稱為還原性雙糖。如（＋）-麥芽糖，是由一個葡萄糖C-1上的α-羥基與另一個葡萄糖C-4上的羥基脫去一分子水所形成的雙糖，即稱為α-D-吡喃型葡萄糖基-（1，4）-α-D-葡萄糖，其結構式如下：

2.3.1.3多糖多糖（polysaccharide）是由多個單糖分子縮合、失水而成，是一類分子結構復雜且龐大的糖類物質。凡符合高分子化合物概念的碳水化合物及其衍生物均稱為多糖。多糖在自然界分布極廣，亦很重要。有的是構成動植物骨架結構的組成成分，如纖維素；有的是作為動植物儲藏的養(yǎng)分，如糖原和淀粉；有的具有特殊的生物活性，像人體中的肝素有抗凝血作用，肺炎球菌細胞壁中的多糖有抗原作用。多糖的結構單位是單糖，多糖相對分子質量從幾萬到幾千萬。同二糖一樣，結構單位之間以苷鍵相連接，常見的苷鍵有α-1，4-、β-1，4-和α-1，6-苷鍵。

一、淀粉淀粉是植物體中貯存的養(yǎng)分，貯存在種子和塊莖中，各類植物中的淀粉含量都較高，大米中含淀粉62％～86％，麥子中含淀粉57％～75％，玉蜀黍中含淀粉65％～72％，馬鈴薯中則含淀粉超過90％。淀粉是食物的重要組成部分，咀嚼米飯等時感到有些甜味，這是因為唾液中的淀粉酶將淀粉水解成了二糖--麥芽糖。食物進入胃腸后，還能被胰臟分泌出來的唾液淀粉酶水解，形成的葡萄糖被小腸壁吸收，成為人體組織的營養(yǎng)物。支鏈淀粉部分水解可產(chǎn)生稱為糊精的混合物。糊精主要用作食品添加劑、膠水、漿糊，并用于紙張和紡織品的制造等。

淀粉有直鏈淀粉和支鏈淀粉兩類。直鏈淀粉是葡萄糖只以α-1,4-糖苷鍵連接形成的長鏈的葡聚糖，通常由200～300個葡萄糖殘基組成。在天然淀粉中直鏈的占20％～26％，它是可溶性的，其余的則為支鏈淀粉。

直鏈淀粉結構示意圖：

直鏈淀粉的分子呈卷繞著的螺旋形，每一圈約含6個葡萄糖單位。

每一圈剛好能裝進一個碘原子，形成藍色包合物。

支鏈淀粉含幾千個葡萄糖單元，分子量約為100萬，有些可達600萬。支鏈淀粉中葡萄糖分子之間除以α-1,4-糖苷鍵相連外，還有以α-1,6-糖苷鍵相連的。所以帶有分支，約20個葡萄糖單位就有一個分支。支鏈淀粉在冷水中不溶，與熱水作用則膨脹而成糊狀。

支鏈淀粉結構示意圖：分支處為α-1,6-苷鍵。

二、纖維素

纖維素是葡萄糖分子通過β-1,4-糖苷鍵連接而形成的葡聚糖。通常含數(shù)千個葡萄糖單位，是植物細胞壁的主要成分。纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，占植物界碳含量的50%以上。一般木材中，纖維素占40～50%，棉花的纖維素含量接近100%，為天然的最純纖維素來源。

β-1,4-苷鍵

X射線研究證明：纖維素分子的長鏈平行排列形成纖維素束，這顯然是由于相鄰纖維素分子中的許多羥基互相作用生成氫鍵而使這許多長鏈分子緊密地結合在一起。幾個纖維束絞在一起形成繩索狀的結構，這種繩索狀的結構再排列起來形成肉眼所見的纖維。在木材中，這種繩索狀的結構嵌在木質素中，正如鋼筋混凝土中的鋼筋一樣。

纖維素束的結構示意圖：

人類腸道里沒有分解纖維素的酶，故很難直接消化吸收利用。也不能因此說它是無用之物，可以刺激腸道蠕動以利排便。

2.3.2糖的生理功能

一、糖的分解代謝食物中的糖主要是淀粉，另外包括一些雙糖及單糖。多糖及雙糖都必須經(jīng)過酶的催化水解成單糖才能被吸收和代謝。糖代謝為生物體提供能量和C源，1g葡萄糖徹底氧化可以產(chǎn)生16.74kJ能量；中間產(chǎn)物可以為其他代謝途徑提供C源和C骨架；糖的代謝包括合成（光合、異生）和分解。

糖的分解代謝示意圖：糖分解代謝的三條途徑為：（1）無氧情況下G經(jīng)酵解產(chǎn)生乳酸；（2）有氧情況下G經(jīng)三羧酸（TCA）循環(huán)徹底氧化成水和CO2；（3）G經(jīng)戊糖磷酸途徑氧化為醇和CO2。

二、糖的生理功能1、氧化分解，供應能量生命活動需要能量，糖是最主要的能源物質。

2、儲存能量，維持血糖糖在體內(nèi)可以糖原的形式進行儲存，這是機體儲存能源的重要方式。當機體需要時，糖原分解，釋放入血，可有效地維持正常血糖濃度，保證重要生命器官的能量供應。

3、提供原料，合成其他物質

糖分解代謝的中間產(chǎn)物可為體內(nèi)其他含碳化合物的合成提供原料。如糖在體內(nèi)可轉變?yōu)橹舅岷透视?，進而合成脂肪；可轉變?yōu)槟承┌被嵋怨C體合成蛋白質所需；可轉變?yōu)槠咸烟侨┧?，參與機體的生物轉化反應等；因而糖是人體重要的碳源。4、參與構造組織細胞糖是體內(nèi)重要的結構組織。如：糖脂是構成神經(jīng)組織和生物膜的成分，氨基多糖及其與蛋白質的結合物是結締組織的基本成分，核糖及脫氧核糖分別是RNA及DNA的結構成分。

5、其他功能

糖能參與構成體內(nèi)一些具有生理功能的物質。糖蛋白是胞膜成分,血漿球蛋白(包括抗體)幾乎都是糖蛋白;某些激素,酶和凝血因子也是糖蛋白。

2.3.3血糖與人類健康

血液中的糖份稱為血糖，絕大多數(shù)情況下都是葡萄糖（英文簡寫Glu）。體內(nèi)各組織細胞活動所需的能量大部分來自葡萄糖，所以血糖必須保持一定的水平才能維持體內(nèi)各器官和組織的需要。正常人在空腹時血糖濃度為4.1～6.0mmol/L?？崭寡菨舛瘸^6.0mmol/L稱為高血糖，空腹血糖濃度低于4.1mmol/L稱為低血糖，我們拿到的血液生化檢查報告中一般寫著：葡萄糖，或者Glu。

2.3.3.1血糖的來源和去路

糖份是我們身體必不可少的營養(yǎng)之一。人們攝入谷物、蔬果等，經(jīng)過消化系統(tǒng)轉化為單糖（如葡萄糖等）進入血液，運送到全身細胞，作為能量的來源。如果一時消耗不了，則轉化為糖原儲存在肝臟和肌肉中，肝臟可儲糖70～120克，約占肝重的6～10%，因此，糖原也稱為肝糖。細胞所能儲存的肝糖是有限的，如果攝入的糖份過多，多余的糖即轉變?yōu)橹尽?/p>

當食物消化完畢后，儲存的肝糖即成為糖的正常來源，維持血糖的正常濃度。在劇烈運動時，或者長時間沒有補充食物情況，肝糖也會消耗完。此時細胞將分解脂肪來供應能量，脂肪的10%為甘油，甘油可以轉化為糖。脂肪的其它部分亦可通過氧化產(chǎn)生能量，但其代謝途徑和葡萄糖是不一樣的。

人類的大腦和神經(jīng)細胞必須要糖來維持生存，必要時人體將分泌激素，把人體的某些部分（如肌肉、皮膚甚至臟器）摧毀，將其中的蛋白質轉化為糖，以維持生存。象過去在圖片上看到的那些難民個個骨瘦如材，就是這個原因。

一般情況下，血糖的來源和去路能夠保持相對平衡的話，就會使血糖含量保持相對穩(wěn)定。正常人的血糖含量一般維持在80～120mg/dL的范圍內(nèi)。人在饑餓初期，血糖含量會暫時降低，這時肝糖元可以分解成葡萄糖并進入血液，使血糖含量恢復正常。

人在長期饑餓或肝功能減退的情況下，血糖含量降低（50～60mg/dL）而得不到補充，就會出現(xiàn)頭昏，心慌、出冷汗，面色蒼白，四肢無力等低血糖早期癥狀。這時如果能及時吃一些含糖較多的食物，或是喝一杯濃糖水，就可以恢復正常。但是，如果聽任上述情況繼續(xù)發(fā)展，就會出現(xiàn)驚厥和昏迷等。

為什么會出現(xiàn)這些癥狀呢？這是因為腦組織功能活動所需要的能量主要來自葡萄糖的氧化分解，但是，腦組織中含糖元極少，需要隨時從血液中攝取葡萄糖來氧化供能。當血糖含量低于45mg/dL時，腦組織就會因得不到足夠的能量供給而發(fā)生功能障礙，出現(xiàn)上述低血糖晚期癥狀。這時只要及時給患者靜脈輸入葡萄糖溶液，癥狀就會得到緩解。

血糖的來源和去路示意圖

2.3.3.2血糖水平的調節(jié)

（一）肝的調節(jié)餐后血糖濃度增高時，肝糖原合成增加，血糖濃度降低；空腹時肝糖原分解加強，用以補充血糖濃度；饑餓或禁食情況下，糖異生作用加強，維持血糖濃度。（二）激素的調節(jié)人體的血糖主要是由一對矛盾的激素調節(jié)的：他們就是胰島素和胰高血糖素，當感受到血液中的血糖低的時候，胰島的A細胞會分泌胰高血糖素，動員肝臟的儲備糖原，釋放入血液，導致血糖上升；當感受到血液中的血糖過高的時候胰島素的B細胞會分泌胰島素，促進血糖變成肝糖原儲備或者促進血糖進入組織細胞。

2.3.3.3糖尿病

糖尿病是一種以糖代謝為主要表現(xiàn)的慢性、復雜的代謝性疾病，系胰島素相對或絕對不足，或利用缺陷而引起。雖然糖尿病的病因和生化缺陷尚未被徹底闡明，但目前較一致的認識是：該病是一種家族性疾病，其易感性有很大的遺傳因素。糖尿病的臨床特征是血糖濃度持續(xù)升高，甚至出現(xiàn)糖尿。重癥病人常伴有脂類、蛋白質代謝紊亂和水、電解質、酸堿平衡紊亂，甚至出現(xiàn)一系列并發(fā)癥，重者可致死亡。糖尿病是臨床常見病之一，我國發(fā)病率為1％以下。

2.4人體中的化學元素人是有生命的物質，人體也跟其他物質一樣，都是由化學元素組成的。人的生命是經(jīng)過漫長的年代才最終進化成的，是大自然創(chuàng)造的杰作。生命是隨著地球四五十億年的進化發(fā)展而來的，最初的地球到處都是化學物質組成的，即沒有任何生命的跡象，這些與生命沒有任何關聯(lián)的化學物質我們叫它無機物，又經(jīng)過了數(shù)以億計的歲月，從海洋溫暖的海水里和地球火山噴發(fā)后的海水里，無機物經(jīng)過復雜的變化終于萌發(fā)出了生命最初的胚胎---蛋白質。

2.4.1人體中的化學元素的分類

生命一旦開始了，便不斷地向前發(fā)展了，它們不斷地吸收營養(yǎng)物質，進化著自己，從蛋白質、單細胞、多細胞、植物體、動物，一切生物都在無機物的世界里產(chǎn)生了出來。人進化到今天，正是由于吸收了大量的無機物質經(jīng)過復雜的生物化學轉化才形成了人這樣高智商的靈長類的有機物，可以說人是最復雜的有機物。所謂有機物，正是在無機物的世界里才可能存在、發(fā)展。因此，人是無機物，即多種化學元素，組成了身體的物質構成?，F(xiàn)在我們所知的一百三十多種元素中，在我們的身體里含有六十多種。當然，這六十多種元素依據(jù)人體這個復雜的有機物各部分對它們的需要的不同而含量不同，并且差別很大。含量最多的氧元素占身體總重量的65％；含量少的鈷Co元素還不到十億分之一。

根據(jù)目前掌握的情況，多數(shù)科學家比較一致的看法，認為生命必需的元素共有28種，包括氫、硼、碳、氮、氧、氟、鈉、鎂、硅、磷、硫、氯、鉀、鈣、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、砷、硒、溴、鉬、錫和碘。

其中硼是某些綠色植物和藻類生長的必需元素，而哺乳動物并不需要硼，因此，人體必需元素實際上為27種。在28種生命必需的元素中，按體內(nèi)含量的高低可分為宏量元素和微量元素，這些元素又可根據(jù)對人體的生理作用大致分為必需元素，非必需元素和有害元素三類。

宏量元素指含量占生物體總質量0.01%以上的元素。如碳、氫、氧、氮、磷、硫、氯、鉀、鈉、鈣和鎂，這些元素在人體中的含量均在0.03%~62.5%之間，這11種元素共占人體總質量的99.97%，是構成人體細胞、組織、器官的主要成份，所以又叫造體元素。

表2-2宏量元素在人體中的百分含量（％）

氧O鉀k碳C硫S氫H鈉Na氮N氯Cl鈣Ca鎂Mg磷P65.00.3518.00.2510.00.153.00.152.00.051.0

從表中可以看出，各種宏量元素的差別也是很大的，其中氧、碳、氫、氮就占了人體總重量96％，其他七種占了3.92％，合起來十一種元素占人體總重量的99.95％。人們通常把碳、氫、氧叫做“生命的三要素”，把人稱為“碳水化合物”，就是指人體中的主要元素成分而言的。

微量元素指占生物體總質量0.01%以下的元素。目前已經(jīng)確定的微量元素有16種，它們是：鋅(Zn)、銅(Cu)、鈷(Co)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、砷(As)、硼(B)、硒(Se)、鎳(Ni)、錫(Sn)、硅(Si)、氟(F)、釩(V)、鉬(Mo)和碘（I）。這些微量元素占人體總質量的0.03%左右。

這些微量元素在體內(nèi)的含量雖小，但在生命活動過程中的作用是十分重要的。這些微量元素在人體內(nèi)是某些蛋白質、酶、激素、維生素的重要組成成分，具有重要的生理功能，可維持機體的正常生命活動，如果缺少某些必需微量元素或微量元素不平衡，就會引起疾病，甚至死亡。而且這些元素不能在體內(nèi)生成，所以人體必須不斷從外界攝入適量的各種必需微量元素，以保證機體正常的生理活動。

宏量元素都是地位顯要的必需品，但需要量是有一定限制的，并非多多益善。例如食鹽中所含有Na+和Cl-離子，都是人所必需的，正常人每天需攝入6～12克食鹽以維持平衡。但若攝入過量，人就要大量吸收水分以維持滲透作用的平衡，整個血液容量就會增加，從而使心臟負擔加重，以致誘發(fā)或加重心臟病。人體里的元素，也并非都是有益而必需的。除十一種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。還有象鎘（Cd）、汞（Gg）、鉛（Pb）等十幾種元素都是有毒的。但這些不必要的元素為什么存在于人體中，它們對人體真的沒有用處嗎？這些還有待于科學家進一步從整體上研究發(fā)現(xiàn)。

2.4.2人體內(nèi)化學元素含量水平的形成及其規(guī)律

有人對海水，古代人體和現(xiàn)代人體中一些微量元素的含量進行比較，發(fā)現(xiàn)它們之間存在著一些關聯(lián)，說明生物進化與生存環(huán)境有關。人類在適應生存和進化中，逐漸形成了一套攝入、排泄和適應環(huán)境元素的保護機制，所以人體內(nèi)的元素含量水平是宏量元素還是微量元素，都是經(jīng)過長期進化形成的。

2.4.3微量生命元素的作用

凡是占人體總重量的萬分之一以下的元素，如鐵、鋅、銅、錳、鉻、硒、鉬、鈷、氟等，稱為微量元素。微量元素在人體內(nèi)的含量真是微乎其微，如鋅只占人體總重量的百萬分之三十三。鐵也只有百萬分之六十。一、微量元素的分類和限度微量元素根據(jù)生理作用，可以分為三類：

1、必需微量元素，缺乏該元素將引起機體生理功能及結構異常、發(fā)生各種病變和疾病的微量元素。

判斷必需微量元素的標準有5條：

①這種元素存在于一切健康機體的所有組織之中；

②在組織中的濃度相當恒定；

③缺乏該元素時，能在不同組織中產(chǎn)生相似的結構、生理功能異常；

④補充該元素能夠防止此類異常變化；

⑤補充該元素可使失常的功能及結構恢復正常。

目前世界衛(wèi)生組織（WHO）認定的必需微量元素有碘、鋅、硒、銅、鉬、鉻、鈷、鐵、氟、錳。

2、可能必需微量元素，人類對其作用的研究還存在疑慮。如硅、鎳、硼、釩。

3、有潛在毒性，但低劑量可能有功能作用的微量元素。如鉛、鎘、汞、砷、鋁、錫、鋰。

人體中的微量元素溶融在人體的血液