化學反應｜第2章 有機體的化學水平 2.3《解剖學與生理學 2e》

本篇文章由夜黎最後一次更新於2023年9月5日

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前言

生物體的特徵之一是新陳代謝〔metabolism〕，它是維持生物體健康和生命的所有化學反應的總和。 到目前為止，你所學到的鍵合過程是合成代謝〔anabolic〕化學反應； 也就是說，它們由較小的分子或原子形成較大的分子。 但請記住，新陳代謝可以朝另一個方向進行：在分解代謝〔catabolic〕化學反應中，較大分子成分之間的鍵斷裂，釋放出較小的分子或原子。 這兩種類型的反應不僅涉及物質交換，還涉及能量交換。

能量在化學反應中的作用

化學反應需要足夠的能量來使物質以足夠的精度和力量碰撞，從而打破舊的化學鍵並形成新的化學鍵。 一般來說，動能〔kinetic energy〕是為任何類型的運動物質提供動力的能量形式。 想像一下你 正在建造一堵磚牆。 將一塊磚舉起來並將其放置在另一塊磚上所需的能量就是動能——物質因其運動而擁有的能量。 一旦牆就位，它就會儲存勢能。 位能（勢能）〔potential energy〕是位置的能量，或者是物質由於其組成部分的位置或結構而擁有的能量。 如果磚牆倒塌，儲存的位能會隨著磚塊下落而以動能的形式釋放出來。

在人體中，位能儲存在原子和分子之間的鍵中。 化學能〔chemical energy〕是位能的形式，其中能量存儲在化學鍵中。 當這些鍵形成時，會投入化學能；當它們斷裂時，會釋放化學能。 請注意，化學能與所有能量一樣，既不會被創造，也不會被破壞。 相反，它從一種形式轉換為另一種形式。 當你出門遠足之前吃能量棒時，能量棒中含有的蜂蜜、堅果和其他食物會被你的身體分解並重新排列成分子，肌肉細胞將這些分子轉化為動能。

釋放能量多於吸收能量的化學反應被稱為放能〔exergonic〕。 能量棒中食物的分解代謝〔catabolism〕就是一個例子。 能量棒中儲存的一些化學能被吸收到身體用作燃料的分子中，但其中一些會被釋放——例如，作為熱量。 相反，吸收能量多於釋放能量的化學反應被稱為吸能〔endergonic〕。 這些反應需要能量輸入，產生的分子不僅存儲原始成分中的化學能，還存儲了推動反應的能量。 因為能量既不會產生也不會消失，那麼吸能反應所需的能量從何而來？ 在許多情況下，它來自放能反應。

對人體機能重要的能量形式

你已經了解到化學能是通過化學鍵吸收、儲存和釋放的。 除了化學能之外，機械能、輻射能和電能對人體功能也很重要。

• 機械能〔mechanical energy〕儲存在機器、發動機或人體等物理系統中，直接為物質的運動提供動力。 當你將一塊磚塊舉到牆上時，你的肌肉會提供移動磚塊的機械能。
• 輻射能〔radiant energy〕是以波的形式發射和傳遞的能量，而不是物質。 這些波的長度各不相同，從長無線電波和微波到從衰變原子核發出的短伽馬波。 輻射能的全譜稱為電磁波譜〔electromagnetic spectrum〕。 身體利用陽光的紫外線能量將皮膚細胞中的化合物轉化為維生素 D，這對人體功能至關重要。 人眼進化到可以看到彩虹顏色的波長，從紅色到紫色，因此光譜中的這個範圍被稱為“可見光〔visible light〕”。
• 由細胞和體液中的電解質提供的電能〔electrical energy〕會導致電壓變化，從而有助於在神經和肌肉細胞中傳遞脈衝。

化學反應的特點

所有化學反應都以反應物〔reactant〕開始，反應物是進入反應的一種或多種物質的通用術語。 例如，鈉離子和氯離子是食鹽生產中的反應物。 由化學反應產生的一種或多種物質稱為產物（生成物）〔product〕。

在化學反應中，反應物的成分（涉及的元素和每種元素的原子數量）都存在於產物中。 同樣，產物中不存在反應物中不存在的物質。 這是因為化學反應遵循質量守恆定律，該定律規定物質不能在化學反應中被創建或被破壞。

正如你可以用 2 + 7 = 9 等方程表達數學計算一樣，你可以使用化學方程來顯示反應物如何變成產物。 與數學一樣，化學方程式從左向右進行，但它們使用一個或多個箭頭來指示化學反應進行的方向，而不是使用等號。 例如，一個氮原子和三個氫原子生成氨的化學反應可寫為 N + 3H→NH₃。 相應地，氨分解成其組分可寫為 NH₃→N + 3H。

請注意，在第一個示例中，一個氮 (N) 原子和三個氫 (H) 原子鍵合形成化合物。 這種合成代謝反應〔anabolic reaction〕需要能量，然後將能量儲存在化合物的鍵中。 此類反應稱為合成反應〔synthesis reactions〕。 合成反應是一種化學反應，導致以前分離的組分合成（連接）（圖 2.12a）。 同樣，氮氣和氫氣是合成反應中的反應物，生成氨作為產物。 合成反應的一般方程式是A + B→AB。

在第二個例子中，氨被分解代謝成更小的成分，並且釋放了儲存在其鍵中的勢能。 此類反應稱為分解反應〔decomposition reaction〕。 分解反應是一種化學反應，可將較大的物質分解〔breaks down〕或“分解〔de-composes〕”為其組成部分（見圖 2.12b）。 分解反應的一般方程式為：AB→A+B。

交換反應〔exchange reaction〕是一種化學反應，其中同時發生合成和分解，化學鍵形成和斷裂，化學能被吸收、儲存和釋放（見圖2.12c）。 交換反應最簡單的形式可能是：A+BC→AB+C。 請注意，為了生產這些產物，B 和 C 必須在分解反應中分解，而 A 和 B 必須在合成反應中結合。 更複雜的交換反應可能是：AB+CD→AC+BD。 另一個例子可能是：AB+CD→AD+BC。

理論上，任何化學反應在適當的條件下都可以向任一方向進行。 反應物可以合成為隨後分解的產物。 可逆性也是交換反應的一種性質。 例如，A+BC→AB+C 可以反轉為 AB+C→A+BC。 化學反應的可逆性用雙箭頭表示：A+BC⇄AB+C。 儘管如此，在人體內，許多化學反應確實以可預測的方向進行，無論是一個方向或另一個方向。 你可以將這條更可預測的路徑視為阻力最小的路徑，因為通常情況下，替代方向需要更多能量。

影響化學反應速率的因素

如果將醋倒入小蘇打中，反應會立即發生； 混合物會起泡並發出嘶嘶聲。 但許多化學反應需要時間。 有多種因素影響化學反應的速率。 然而，本節將僅考慮人類功能中最重要的部分。

反應物的性質

如果化學反應要快速發生，反應物中的原子必須能夠輕鬆地相互接觸。 因此，反應物的表面積越大，它們就越容易相互作用。 當你將一塊奶酪放入口中時，你會在吞嚥之前先咀嚼它。 除此之外，咀嚼會增加食物的表面積，使消化化學物質更容易接觸到食物。 一般來說，氣體往往比液體或固體反應得更快，這也是因為分離物質顆粒需要能量，而根據定義，氣體的顆粒之間已經有空間。 類似地，分子越大，總鍵數就越多，因此涉及總鍵數較少的較小分子，預計反應速度將更快。

此外，請記住，某些元素比其他元素更具反應性。 涉及高反應性元素（如氫）的反應比涉及較少反應性元素的反應進行得更快。 涉及氦等穩定元素的反應根本不可能發生。

溫度

幾乎所有化學反應在較高溫度下都會以更快的速度發生。 回想一下，動能是物質運動的能量。 次原子粒子〔subatomic particles〕的動能隨著熱能的增加而增加。 溫度越高，粒子移動越快，它們接觸並發生反應的可能性就越大。

濃度和壓力

如果只有幾個人在俱樂部跳舞，他們就不太可能互相踩到對方的腳趾。 但隨著越來越多的人開始跳舞——尤其是當音樂很快時——很可能會發生碰撞。 化學反應也是如此：給定空間內存在的粒子越多，這些粒子相互碰撞的可能性就越大。 這意味著化學家不僅可以通過增加粒子濃度（空間中粒子的數量）來加速化學反應，還可以通過減少空間體積（這會相應增加壓力）來加速化學反應。 如果該俱樂部有 100 名舞者，而經理突然將聚會轉移到一個一半大小的房間，則舞者在新空間中的注意力會加倍，發生碰撞的可能性也會相應增加。

酶和其他催化劑

自然界中的兩種化學物質要發生反應，首先必須接觸，而這種接觸是通過隨機碰撞發生的。 因為熱量有助於增加原子、離子和分子的動能，從而促進它們的碰撞。 但在體內，極高的熱量（例如發高燒）會損害身體細胞並危及生命。 另一方面，正常體溫不足以促進維持生命的化學反應。 這就是催化劑發揮作用的地方。

在化學中，催化劑〔catalysts〕是一種可以提高化學反應速率而本身不發生任何變化的物質。 你可以將催化劑視為化學變化的助手。 它們有助於增加原子、離子和分子碰撞的速率和力量，從而增加其價殼層電子相互作用的可能性。

人體內最重要的催化劑是酶〔enzymes〕。 酶是由蛋白質或核糖核酸 (RNA) 組成的催化劑，本章稍後將討論這兩者。 與所有催化劑一樣，酶的工作原理是降低化學反應所需的能量水平。 化學反應的活化能〔activation energy〕是破壞反應物中的鍵所需的“閾值〔threshold〕”能量水平。 一旦這些鍵被打破，新的排列就會形成。 如果沒有酶作為催化劑，則需要投入更多的能量來引發化學反應（圖 2.13）。

酶對於身體的健康運作至關重要。 例如，它們有助於食物的分解及其轉化為能量。 事實上，體內的大部分化學反應都是由酶促進的。

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2023/09/05 發佈本文