對人體功能至關重要的無機化合物｜第2章 有機體的化學水平 2.4《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9日

原文傳送門：<2> The Chemical Level of Organization  — 2.4 Inorganic Compounds Essential to Human Functioning
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前言

到目前為止，你在本章中學到的概念支配著所有形式的物質，並將作為地質學和生物學的基礎。 本章的這一部分將焦點集中在人類生命的化學上； 也就是說，對身體結構和功能很重要的化合物。 一般來說，這些化合物是無機的或有機的。

• 無機化合物〔inorganic compound〕是指不含碳和氫的物質。 許多無機化合物確實含有氫原子，例如水（H₂O） 和胃產生的鹽酸（氫氯酸）〔hydrochloric acid〕。 相比之下，只有少數無機化合物含有碳原子。 二氧化碳（CO₂）是少數幾個例子之一。
• 有機化合物〔organic compound〕是一種同時含有碳和氫的物質。 有機化合物是通過生物體（包括人體）內的共價鍵合成的。 回想一下，碳和氫是體內含量第二和第三豐富的元素。 你很快就會發現這兩種元素如何在你所吃的食物、構成你身體結構的化合物，以及為你的功能提供能量的化學物質中結合。

以下部分研究了生命必需的三組無機化合物：水、鹽、酸和鹼。 有機化合物將在本章後面介紹。

水

成年人體重多達 70% 是水。 這種水既包含在細胞內，也包含在構成組織和器官的細胞之間。 水的幾個作用使得水對於人體功能不可或缺。

水作為潤滑劑和緩衝劑

水是人體許多潤滑液體的主要成分。 正如油潤滑門上的鉸鏈一樣，滑液中的水潤滑身體關節的活動，胸膜液中的水幫助肺部在呼吸時擴張和回彈。 水性液體有助於保持食物流經消化道，並確保鄰近腹部器官的運動無摩擦。

水還可以保護細胞和器官免受物理創傷，例如緩衝顱骨內的大腦，並保護眼睛脆弱的神經組織。 水還可以緩衝母親子宮內發育中的胎兒。

水作為散熱器

散熱器〔heat sink〕是一種吸收和散熱的物質或物體，但不會相應增加溫度。 在體內，水吸收化學反應產生的熱量，而不會大幅升高溫度。 而且，當環境溫度飆升時，體內儲存的水分有助於保持身體涼爽。 當來自身體核心的溫血流向皮膚下的血管並轉移到環境中時，就會發生這種冷卻效果。 同時，汗腺在汗液中釋放出溫水。 當水蒸發到空氣中時，它會帶走熱量，然後來自外圍的較冷的血液循環回到身體核心。

水作為液體混合物的組成部分

混合物是兩種或多種物質的組合，每種物質都保持其自己的化學特性。 換句話說，組成物質沒有化學鍵合成新的、更大的化合物。 如果你想到麵粉和糖等粉狀物質，這個概念就很容易想像。 當你在碗中將它們攪拌在一起時，它們顯然不會結合形成新的化合物。 你呼吸的室內空氣是氣態混合物，含有三種獨立的元素——氮氣、氧氣和氬氣——以及一種化合物——二氧化碳。 液體混合物分為三種類型，所有這些都含有水作為關鍵成分。 這些是溶液〔solutions〕、膠體〔colloids〕和懸浮液〔suspensions〕。

為了使體內的細胞存活，它們必須在稱為溶液〔solution〕的水基液體中保持濕潤。 在化學中，液體溶液由溶劑溶解的一種稱為溶質〔solute〕的物質組成。 解決方案的一個重要特徵是它們是均勻的〔homogeneous〕； 也就是說，溶質分子均勻分佈在整個溶液中。 如果將一茶匙糖攪拌到一杯水中，糖就會溶解成被水分子分開的糖分子。 玻璃左側的糖與水的比例與玻璃右側的糖與水的比例相同。 如果你添加更多的糖，糖與水的比例會改變，但只要攪拌均勻，分佈仍然是均勻的。

水被認為是“萬能溶劑〔universal solvent〕”，因此人們相信沒有水生命就無法存在。 水無疑是體內最豐富的溶劑； 基本上，身體的所有化學反應都發生在溶解在水中的化合物之間。 由於水分子是極性的，具有正電荷和負電荷的區域，因此水很容易溶解離子化合物和極性共價化合物。 此類化合物被稱為親水性或“親水的〔water-loving〕”。 如上所述，糖很好地溶於水。 這是因為糖分子含有氫氧極性鍵區域，使其具有親水性〔hydrophilic〕。 非極性分子不易溶於水，被稱為疏水性〔hydrophobic〕或“怕水的〔water-fearing〕”。

溶質濃度

化學中描述了溶質和水的各種混合物。 給定溶質的濃度是給定空間中該溶質的顆粒數（氧氣約佔大氣的 21%）。 在人類血液中，葡萄糖濃度通常以毫克 (mg)/分升 (dL) 為單位進行測量，健康成人的平均濃度約為 100 mg/dL。 測量溶質濃度的另一種方法是通過其摩爾濃度〔molarity〕，即每升 (L) 中分子的摩爾數 (M)。 元素的摩爾數是其原子量，而化合物的摩爾數是其組分的原子量之和，稱為分子量〔molecular weight〕。 一個常用的例子是計算葡萄糖的摩爾數，其化學式為 C₆H₁₂O₆ 。 根據元素週期表，碳 (C) 的原子量為 12.011 克 (g)，葡萄糖中有 6 個碳，總原子量為 72.066 克。 對氫 (H) 和氧 (O) 進行相同的計算，分子量等於 180.156g（葡萄糖的“克分子量”）。 當加水製成一升溶液時，就含有一摩爾 (1M) 葡萄糖。 由於摩爾與“阿伏伽德羅數〔Avogadro’s number〕”的關係，這在化學中特別有用。 任何溶液的一摩爾都含有相同數量的顆粒：6.02 × 1023。血液和身體其他組織中的許多物質以千分之一摩爾或毫摩爾 (mM) 為單位。

膠體〔colloid〕是一種混合物，有點像濃溶液。 溶質顆粒由微小的分子團組成，這些分子團大到足以使液體混合物不透明（因為顆粒大到足以散射光）。 常見的膠體例子是牛奶和奶油。 在甲狀腺中，甲狀腺激素以一種被稱為膠體的濃厚蛋白質混合物形式存儲。

懸浮液〔suspension〕是一種液體混合物，其中較重的物質暫時懸浮在液體中，但隨著時間的推移，會沉澱出來。 這種顆粒從懸浮液中分離的現象稱為沉澱〔sedimentation〕。 沉澱的一個例子發生在血液測試中，確定沉澱率〔sedimentation rate〕或沉澱率〔sed rate〕。 該測試測量試管中的紅血球在設定的時間內從血液的水狀部分（稱為血漿〔plasma〕）中沉澱出來的速度。 血細胞的快速沉澱通常不會發生在健康的身體中，但某些疾病的某些方面會導致血細胞聚集在一起，並且這些沉重的血細胞團比正常的血細胞更快地沉降到試管底部。

水在化學反應中的作用

兩種類型的化學反應涉及水的產生或消耗：脫水合成〔dehydration synthesis〕和水解〔hydrolysis〕。

• 在脫水合成中，在合成新產品時，一種反應物放棄一個氫原子，另一種反應物放棄一個氫氧基〔hydroxyl group〕。 在形成共價鍵時，會釋放出一個水分子作為副產品（圖 2.14）。 這有時也稱為縮合反應〔condensation reaction〕。
• 在水解過程中，水分子會破壞化合物，破壞其鍵。 水本身分解成H和OH。 然後，切斷的化合物的一部分與氫原子鍵合，另一部分與氫氧基鍵合。

這些反應是可逆的，並且在有機化合物的化學中發揮著重要作用（不久將討論）。

鹽

回想一下，當離子形成離子鍵時，就會形成鹽。 在這些反應中，一個原子放棄一個或多個電子，因此帶正電，而另一個原子接受一個或多個電子並帶負電。 現在，你可以將鹽定義為一種物質，當溶解在水中時，會解離成 H+ 或 OH– 以外的離子。 這一事實對於區分鹽類和下面要討論的酸和鹼非常重要。

典型的鹽 NaCl 在水中完全解離（圖 2.15）。 水分子上的正負區域（分別是氫端和氧端）吸引負氯離子和正鈉離子，將它們相互拉開。 同樣，非極性和極性共價鍵化合物在溶液中分解成分子，而鹽則解離成離子。 這些離子是電解質； 它們能夠在溶液中傳導電流。 這種特性對於離子傳遞神經衝動和促進肌肉收縮的功能至關重要。

身體中還有許多其他重要的鹽類。例如，肝臟產生的膽鹽〔bile salts〕有助於分解膳食脂肪，而磷酸鈣鹽〔calcium phosphate salts〕則形成了牙齒和骨骼的礦物部分。

酸和鹼

酸和鹼，像鹽一樣，在水中分解成電解質。 酸和鹼可以極大地改變它們所溶解的溶液的性質。

酸

酸〔acid〕是一種在溶液中釋放氫離子 (H+) 的物質（圖 2.16a）。 因為氫原子只有一個質子和一個電子，所以帶正電的氫離子只是一個質子。 這種孤立的質子很可能參與化學反應。 強酸是在溶液中釋放所有 H+ 的化合物； 也就是說，它們完全電離。 胃壁細胞釋放的鹽酸 (HCl) 是一種強酸，因為它會在胃的水環境中釋放所有 H+。 這種強酸有助於消化並殺死攝入的微生物。 弱酸不完全電離； 也就是說，它們的一些氫離子仍然鍵合在溶液中的化合物內。 弱酸的一個例子是醋或乙酸； 它在釋放質子後被稱為乙酸鹽〔acetate〕。

鹼

鹼〔base〕是一種在溶液中釋放氫氧根離子 (OH–) 的物質，或接受溶液中已存在的 H+ 的物質（見圖 2.16b）。 氫氧離子〔hydroxyl ions〕（也稱為氫氧根離子〔hydroxide ions〕）或其他鹼性物質與存在的 H+ 結合形成水分子，從而去除 H+ 並降低溶液的酸度。 強鹼會釋放大部分或全部氫氧離子； 弱鹼僅釋放一些氫氧離子或僅吸收少量H+。 如果不是碳酸氫鹽 (HCO3–)（一種吸引 H+ 的弱鹼）的釋放，與來自胃的鹽酸混合的食物會燒傷小腸，小腸是繼胃之後的消化道的下一部分。 碳酸氫鹽〔Bicarbonate〕接受一些 H+ 質子，從而降低溶液的酸度。

pH值的概念

溶液的相對酸度〔acidity〕或鹼度〔alkalinity〕可以通過其 pH 值來表示。 溶液的 pH 值是溶液中氫離子 (H+) 濃度的以 10 為底的負對數。 例如，pH 4 溶液的 H+ 濃度是 pH 5 溶液的十倍。 也就是說，pH 值為 4 的溶液的酸性是 pH 為 5 的溶液的十倍。pH的概念將在你學習pH刻度時變得更加清晰，就像圖2.17所示。 該刻度由一系列從 0 到 14 的增量組成。 pH 值為 7 的溶液被認為是中性的，既不是酸性也不是鹼性。 純水的 pH 值為 7。低於 7 的數字越低，溶液的酸性越強，或者 H+ 的濃度越大。 每個 pH 值下的氫離子濃度與下一個 pH 值相差 10 倍。 例如，pH 值為 4 對應於 10–4 M 或 0.0001M 的質子濃度，而 pH 值為 5 對應於 10–5 M 或 0.00001M 的質子濃度。 7 以上的數字越大，溶液的鹼性越強，或者 H+ 的濃度越低。 例如，人尿的酸性是純水的十倍，HCl 的酸性是水的 10,000,000 倍。

緩衝劑

人體血液的 pH 值通常在 7.35 至 7.45 之間，但通常被認為是 7.4。 在這種微鹼性 pH 值下，血液可以降低體內數万億個細胞不斷釋放到血液中的二氧化碳 (CO2) 所產生的酸度。 穩態機制（以及呼吸時呼出的二氧化碳）通常將血液的 pH 值保持在這個狹窄的範圍內。 這一點至關重要，因為波動——太酸或太鹼——都可能導致危及生命的疾病。

身體的所有細胞都依賴於 pH 值約為 7.4 的酸鹼平衡的穩態調節。 因此，身體有多種這種調節機制，包括呼吸、尿液中化學物質的排泄，以及稱為緩衝劑的化學物質在體液中的內部釋放。 緩衝劑〔buffer〕是弱酸及其共軛鹼〔conjugate base〕的溶液。 緩衝劑可以中和體液中的少量酸或鹼。 例如，如果體液的 pH 值稍微下降到 7.35 以下，體液中的緩衝劑（在這種情況下充當弱鹼）就會結合多餘的氫離子。 相反，如果 pH 值升至 7.45 以上，緩衝劑將充當弱酸並產生氫離子。

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2023/09/09 發佈本文