书城科普读物探索未知-生命化学趣谈
45052500000003

第3章 生命的动力

生命的蓝本由生物体的遗传物质DNA传递给了新的生命体,而构成新生命的结构与功能物质——蛋白质也在DNA分子上的基因片段的指导下由细胞合成。于是,一架精巧的高级的机器,便由蓝图变成了实实在在的存在,日夜运转散发生命的光辉也就成为了可能。不过,日常的生活经验告诉我们;任何机器的运转都需要动力;任何日夜转个不停的机器,都需要不断地适时地补充动力。对于人来说,情形也同样如此。我们说话的时候,肌肉收缩。发出的声音都需要能量,走路或奔跑,会作大量的机械功,就需要消耗更多的能量,因此,走多了或跑久了,我们就会浑身发热,甚至大汗淋漓;即使我们躺在床上安静地睡觉时,我们的心脏仍在一刻不停地律动着,肺也仍在有节奏地呼吸着,体温也需要维持在37℃,这也需要能量。所以,我们人类从生到死,生命都是一架日夜转个不停的高级机器,能量在大量消耗,我们需要补充动力。

开动的蒸汽机车,动力来源是煤,汽车、飞机则以石油产品为动力来源。我们人类的能量又来自于什么呢?

我们的生命的动力来源正是食物,所以我们需要每天吃几次食物,而且食物缺乏时便会浑身没劲。不过,并不是食物中所有的物质全都直接充当了生命的动力。而是食物中的一种重要成分——糖类,它们才是真正生命的主要动力来源。

提起糖,我们恐怕立即就会想到那些各式各样的五颜六色的甜食糖果。糖果店里,有小巧精致的水果糖、奶糖等,还有并不以糖为名字的各种品牌的巧克力;在家中,调味用的有各种白糖、红糖、冰糖等,这些不同颜色不同质地不同形状的糖,香甜可口,放在嘴里,甘甜直沁心脾,因而对小孩子们来说,甜的糖永远是一个极大的诱惑。不过,说食物中含有生命的主要动力来源糖类,这可真有点让人不好理解。我们都知道,我们吃的大部分食物,如果没加糖调味品的话,是很难有那种诱人垂涎的甘甜的味道的,这怎么会含有糖呢?

其实,我们知道的甜食糖果,它们含的只是自然界中的几种简单的糖,如葡萄糖、果糖、蔗糖,麦芽糖等,这些简单的糖,分子量很小,可以溶解在口里的水中,让我们舌头上的味觉感受到它们的甘甜。实际上,大自然中还有一大批没有甜味的物质,如大米、面粉、玉米、土豆、水果等中所含有的淀粉,还有棉花,亚麻甚至所有蔬菜中含有的细长的纤维——纤维素等,它们都属于糖类,只是分子量很大,不溶解而难以觉察出它们的味道而已。它们与小分子的甜糖一样,都是由碳(C)、氢(H)、氧(O)三种主要的元素组成的,绝大多数的分子式也可以用cn(H2O)n来表示,只是不像甜的糖类那样n的值只是1或2,而是成百上千的天然高分子物质。

值得注意的是,好多糖分子中氢和氧原子数之比正好是2∶1,刚好与水的分子式中氢氧原子数的比例相同,因而最初人们误以为糖类就是碳和水的化合物,称之为“碳水化合物。”后来发现好多种特别的糖分子中氢氧原子数的比例并不与此相符,人们这才意识到这一名称并不恰当;只是沿用已久,人们也只好习惯于称糖为“碳水化合物”了。

在生物界中,糖是一类分布很广,含量很多的有机物质。几乎所有的动物、植物、微生物体内都含有糖,像植物体干重中糖占80%,含量最高;微生物体内含糖约占干重的10%~30%;动物体则含有干重的不到2%的糖,它们或者单独以糖的形式存在,或者与蛋白质、脂类结合成复合糖蛋白、糖脂的形式存在。这些不同形式的糖,我们根据它们自身的化学结构,将它们分成不同的类别:一类是单糖。这是最简单的糖类,不能被分解为更小分子的糖。这类糖中,又可以按分子中所含的碳原子的不同分为五碳糖、六碳糖等类别。在自然界的生命现象中,分布广泛,意义重大的几种单糖,如核酸中的核糖和脱氧核糖是五碳糖,而葡萄糖、果糖、半乳糖等则是六碳糖。

一类是寡聚糖。其中重要的是由分子六碳糖失去1分子水缩合而成的双糖,它的分子式是C12H22O11,如植物体内的蔗糖、麦芽糖,动物体内的乳糖等都是重要的生物活性的双糖。其中蔗糖是植物体内有机物运输的最主要的形式(约占99%),也是植物体内糖类物质贮藏和积累的主要方式。像甘蔗,甜菜等含糖高的植物,体内蔗糖含量分别高达11%~17%和14%~26%。蔗糖还是食品工业中主要的甜味剂,具有令人愉快的甘甜舒爽的味道。另外,乳糖则是存在于哺乳动物的乳汁中的惟一双糖。牛乳中含有4%~5%的乳糖,人乳中含有6%~8%的乳糖,不过由于它几乎没有味道,所以我们喝牛奶时并不觉得甜,除非你另外加了糖进去。还有一类糖就是高聚糖,也叫多糖,这是又一类天然高分子物质。它们的分子式形如(C6H10O5)n,可以代表成百上千甚至上万的不同数值。

它们是由许多单糖(主要是葡萄糖)分子缩合失去相应数目的水分子而形成的,如植物体内的淀粉,纤维素等,还有动物体内的肝糖元和肌糖元。淀粉是能量物质的一种贮存形式,植物不仅用它来备荒,更重要的是为下一代生命的诞生而准备好丰富的食粮。在玉米、小麦、水稻等粮食作物的种子里,主要的成分就是淀粉。马铃薯、藕、山芋等依赖块根、块茎及其他变态的根或茎来繁殖的植物,其根茎部主要贮存的也是淀粉,用来提供下一代萌发过程中不能自己制造营养成分时所需要的能量。淀粉的分子式中,“n”值大约是300~400,这几百个葡萄糖有的手挽手连接成长长的直链,如豆类中的淀粉,有的则还分出支岔来,形成枝丫纵横的网状结构,如糯米中的淀粉,黏性更强。鉴别这两种淀粉可以用碘显色,变蓝的是直链的,变紫色的则为支链。另外,植物中还有一种多糖是纤维素,如棉花、亚麻、棕桐树等植物的细长的纤维,便是由它构成,在植物中,纤维素是构成植物细胞壁的主要材料,含量很大,对植物身体起着支撑和保护的功能。“n”值大约为300~2500的数目众多的葡萄糖分子,通过特殊的化学键首尾相接,环环相扣,形成化学稳定性强,机械强度大的直链,再多条链相互缠绕成细小的纤维丝,因此显得非常坚韧。在动物中,多糖只有糖元这一种形式,也是动物储存能量的形式,有“动物淀粉”的俗称,主要分布在各种动物的肝脏和肌肉里。

如此种类繁多的糖类,它们是怎样形成的呢?在生物体内它们之间有着什么样的联系?这,还得从太阳讲起。

我们知道,当灿烂的阳光普照大地的时候,也就是它将自己的能量以光能的形式传送给地球上万事万物的时候。地球上的生命体,除了受到阳光的恩泽时感觉到温暖和光明,其中的绿色植物和某些细菌还能将光能转变为化学能贮藏在体内的物质里。特别是绿色植物,它们身体里的叶绿体可以利用自然界中简单的无机分子水、二氧化碳,在阳光的作用下,合成有机物质(主要是糖类),并释放出人们和各种生物都需要的氧气,同时还将太阳的光能转变为化学能贮存起来,供给生命体作为能量的来源。这个过程便是著名的光合作用过程。

光合作用不仅为世界上的需要氧的生物消耗了二氧化碳,制造了氧,还为整个生物界提供了根本的食物,能量之源,因而对生命的存在具有极其重大的意义。

绿色植物光合作用合成的主要是葡萄糖等单糖,除了一部分供给植物自身生命活动的需要外,大部分都缩合成了高聚糖和纤维素、淀粉等,其中的淀粉便主要贮存了绿色植物制造的能量。当动物们食用了含有大量淀粉的绿色植物的果实、种子等能量聚集部位时,能量便通过食物链传递到了各种动物身上。

以我们人类为例,我们吃的大米、面粉等主要营养成分便是绿色植物通过光合作用合成的淀粉,当它进入人的消化系统时,首先在口中进行了初步的消化。咀嚼时,食物中的一部分淀粉在唾液中淀粉酶的催化下,分解成含有两个葡萄糖的麦芽糖(因此我们可以感觉到一点甘甜),然后进入消化道的别的部分。

在小肠中,既有可以直接分解淀粉的胰淀粉酶,又有可以分解麦芽糖的麦芽糖酶,从而彻底分解成单个的葡萄糖分子,经肠壁吸收而进入人体的循环系统。在正常情况下,人体每100ml血液中保持含有80~20mg葡萄糖,运送糖给人体各部分组织细胞,发生氧化分解反应,释放出能量供给人体活动的主要需要。在这个过程中会消耗呼吸系统吸入的氧气,释放出二氧化碳,可以用化学反应式表示如下:C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量当人体身液中的血糖含量高于适当的范围时,血糖便“化零为整”,在肝脏、肌肉组织中合成肝糖元和肌糖元而贮存起来;当人体血液中的血糖浓度太低时,糖元便又可以分解为葡萄糖分子进入血液循环,供给生命活动的能量需要。

到这里,糖类,特别是葡萄糖在生命体内的重要作用已经不言而喻了。一架从生到死运转不停的生命机器,正是在糖类这种能源物质的作用之下,才拥有了生生不息的动力之源。不过糖类在生命体中的作用,还不仅仅在于氧化分解释放出大量的能量供给生命的需要,它还能转化为脂肪,氨基酸等其他的生命所必需的物质。核糖是合成生命的遗传物质核酸的必需原料,纤维素是植物体内的重要结构物质,糖与蛋白质的结合体——糖蛋白更是与生物的分子及细胞识别的标记,这些更说明了糖对于生命活动的重要性。不过,最主要的,我们必须记住:糖是生命的动力之源。