章節回顧｜第2章 有機體的化學水平 2.7《解剖學與生理學 2e》

本篇文章由夜黎最後一次更新於2023年09月12日

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2.1 元素和原子：物質的構件

人體由元素組成，其中最豐富的是氧（O）、碳（C）、氫（H）和氮（N）。 你可以從吃的食物和呼吸的空氣中獲取這些元素。 保留該元素所有屬性的元素的最小單位是原子〔atom〕。 但是，原子本身包含許多次原子粒子〔subatomic particles〕，其中最重要的三個是質子〔protons〕、中子〔neutrons〕和電子〔electrons〕。 從一種元素到另一種元素，這些粒子的質量沒有變化； 相反，元素的獨特標識是其質子的數量，稱為原子序〔atomic number〕。 質子和中子幾乎貢獻了原子的全部質量。 質子和中子的數量就是元素的質量數。 自然界中可能存在同一元素的較重和較輕的版本，因為這些版本具有不同數量的中子。 元素的不同版本稱為同位素〔isotopes〕。

原子穩定或容易與其他原子反應的傾向很大程度上是由於原子最外層電子殼（稱為價殼層〔valence shell〕）內電子的行為。 氦以及價電子層中有八個電子的較大原子不太可能參與化學反應，因為它們很穩定。 所有其他原子傾向於接受、捐贈或共享電子，其價電子層中的電子達到八個（或者對於氫來說，達到兩個）。

2.2 化學鍵

生命的每時每刻，氧、碳、氫和人體其他元素的原子都在形成和破壞化學鍵。 離子〔ions〕是當原子給予或接受一個或多個帶負電的電子時形成的帶電原子。 陽離子〔cations〕（帶正電荷的離子）被陰離子〔anions〕（帶負電荷的離子）吸引。 這種吸引力稱為離子鍵〔ionic bond〕。 在共價鍵中，參與的原子不會失去或獲得電子，而是共享電子。 具有非極性共價鍵〔nonpolar covalent bonds〕的分子是電平衡的，並且具有線性三維形狀。 具有極性共價鍵〔polar covalent bonds〕的分子具有“極〔poles〕”——弱正電荷和弱負電荷的區域——並且具有三角形的三維形狀。 一個氧原子和兩個氫原子通過極性共價鍵形成水分子。 氫鍵將已經參與極性共價鍵的氫原子與陰離子或其他極性分子的電負性區域連接起來。 氫鍵連接水分子，從而形成對生物很重要的水特性。

2.3 化學反應

化學鍵斷裂和形成的化學反應需要初始能量投入。 動能〔kinetic energy〕是運動中物質的能量，它為原子、離子和分子的碰撞提供動力，如果它們的舊鍵要斷裂並形成新鍵，則碰撞是必需的。 所有分子都儲存位能〔potential energy〕，當分子鍵斷裂時就會釋放位能。

對人類功能至關重要的四種能量形式是： 化學能〔chemical energy〕，隨著化學鍵的形成和斷裂而儲存和釋放； 機械能〔mechanical energy〕，直接為身體活動提供動力； 輻射能〔radiant energy〕，以波的形式發射，例如在陽光下； 和電能〔electrical energy〕，移動電子的力量。

化學反應〔chemical reactions〕從反應物〔reactants〕開始，以產物〔reactants〕結束。 合成反應〔synthesis reactions〕將反應物結合在一起，這是一個需要能量的過程，而分解反應則破壞反應物內的鍵，從而釋放能量。 在交換反應〔exchange reactions〕中，鍵會斷裂和形成，並且能量會交換。

化學反應發生的速率受到反應物的幾個性質的影響：溫度、濃度和壓力以及催化劑的存在或不存在。 酶〔enzyme〕是一種催化蛋白質，可以加速人體內的化學反應。

2.4 對人體機能至關重要的無機化合物

對人體功能至關重要的無機化合物包括水、鹽、酸和鹼。 這些化合物是無機的； 也就是說，它們不含有氫和碳。 水是潤滑劑和緩沖劑、散​​熱器、液體混合物的成分、脫水合成反應〔dehydration synthesis reactions〕的副產物以及水解反應〔hydrolysis reactions〕中的反應物。 鹽是一種化合物，當溶解在水中時，會離解成 H+ 或 OH- 以外的離子。 相反，酸在溶液中釋放 H+，使其酸性更強。 鹼接受 H+，從而使溶液更具鹼性（腐蝕性）。

任何溶液的 pH 值都是其 H+ 的相對濃度。 pH 7 的溶液呈中性。 pH值低於7的溶液為酸，pH值高於7的溶液為鹼。 pH 值的一位數變化（例如，從 7 到 8）代表 H+ 濃度增加或減少十倍。 健康成年人的血液 pH 值範圍為 7.35 至 7.45。 維持血液在健康的pH範圍內的重要恆定控制機制包括稱為緩衝劑〔buffers〕的化學物質，當血液或其他體液的pH在正常範圍之外的任何方向波動時，就會釋放出弱酸和弱鹼。

2.5 對人體機能至關重要的有機化合物

對人體功能至關重要的有機化合物包括碳水化合物〔carbohydrates〕、脂質〔lipids〕、蛋白質〔proteins〕和核苷酸〔nucleotides〕。 這些化合物被稱為有機化合物，因為它們同時含有碳和氫。 有機化合物中的碳原子很容易與氫和其他原子（通常是氧，有時是氮）共享電子。 碳原子還可以與一個或多個官能基團〔functional groups〕如羧基〔carboxyls〕、羥基〔hydroxyls〕、氨基〔aminos〕或磷酸基〔phosphates〕鍵合。 單體〔monomers〕是有機化合物的單一單元。 它們通過脫水合成形成聚合物，而聚合物又可以通過水解而斷裂。

碳水化合物提供必需的身體燃料。 它們的結構形式包括單醣〔monosaccharides〕（例如葡萄糖）、二糖〔disaccharides〕（例如乳糖）和多醣〔polysaccharides〕（包括澱粉（葡萄糖的聚合物）、糖原（葡萄糖的儲存形式）和纖維）。 所有身體細胞都可以使用葡萄糖作為燃料。 它通過氧化還原反應轉化為 ATP。

脂質是提供身體燃料的疏水性化合物，是許多生物化合物的重要組成部分。 三酸甘油酯〔triglycerides〕是體內最豐富的脂質，由連接三個脂肪酸鏈的甘油主鏈組成。 磷脂〔phospholipids〕是由甘油二酯組成的化合物，其分子頭部帶有磷酸基團。 結果是具有極性和非極性區域的分子。 類固醇〔steroids〕是由四個烴環形成的脂質。 最重要的是膽固醇。 前列腺素〔prostaglandins〕是源自不飽和脂肪酸的信號分子。

蛋白質是所有身體組織的重要組成部分。 它們由稱為氨基酸〔amino acids〕的單體組成，其中含有氮，通過肽鍵連接。 蛋白質的形狀對其功能至關重要。 大多數身體蛋白質都是球狀的。 一個例子是酶，它催化化學反應。

核苷酸是具有三種結構單元的化合物：一個或多個磷酸基團〔phosphate groups〕、戊糖〔pentose sugar〕和含氮鹼基〔nitrogen-containing base〕。 DNA 和 RNA 是在蛋白質合成中起作用的核酸。 ATP 是人體能量轉移的基本分子。 磷酸鹽的去除或添加會釋放或投入能量。

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2023/09/12 發佈本文