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气体在生命活动中的重要地位 精选

已有 5039 次阅读 2011-2-23 08:30 |个人分类:氦气生物学|系统分类:科研笔记| 起源, 二氧化碳, 生物体, 血液循环, 消化道

       人们对生命现象的认识仍存在许多未知领域,结合本人的研究积累和最近的思考,我认为人们对气体的生物学意义忽视了许多重要内容,这里写一个初步感想,以引起大家关注。
       一般情况下,人们对水这种液体与生命的关系比较重视,例如生命的起源是来自原始海洋,生物体最主要的成分是水,几乎一切生命活动都是在液体环境中实现的,例如呼吸运动摄取氧气释放二氧化碳,营养物质的消化,消化道废物的排泄,血液循环,尿液的生成,脑脊髓液的循环,物质和能量代谢,激素与信号物质的作用和调节,等等这些从宏观到微观的生命活动几乎都离不开液体环境。

        虽然都知道气体与生命的关系同样密切,但人们对气体与生命的关系是建立在液体体系前提下的,也就是说是从属地位的。例如氧气进入体内是先溶解在血液,结合在血红蛋白上,通过血液循环运输到细胞,通过氧结合蛋白例如肌红蛋白和细胞红蛋白运输到线粒体被利用。代谢产生的二氧化碳通过血液循环运输到肺,经过呼吸运动释放到体外。现在的三个气体信号分子:一氧化氮、一氧化碳和硫化氢发挥信号调节作用也是用经典的溶质来理解。从某种意义上讲,这些重要的生物学气体在体内无论多么重要,它们都被认为是一类化学溶质,与葡萄糖、脂肪酸、氨基酸、维生素等小型有机分子没有太大区别,至少没有本质的区别。

        如果把液体或水看成生命活动的分子舞台,在这个舞台中绝对不能忽视气体的作用,特别是一种大量存在的气体的作用,就是氮气。首先这个气体分子在我们体内的分压非常高。众所周知,空气中氮气分压是79kPa,生物体如人体内的氮气分压同样是79kPa,与之对应的,氧气在肺内的分压接近21 kPa,动脉血氧气分压大概是13 kPa,静脉血氧气分压大概是5.32kPa,细胞由于是最终使用氧气的部位,细胞内的氧气分压血远低于静脉氧气分压,在氧气利用的线粒体部位0.5-3 kPa。也就是说氧气真正发挥作用的氧分压0.5-3 kPa,这个分压与氮气分压79kPa相比是天壤之别。另外一种重要气体二氧化碳的分压是5 kPa,也远远低于氮气分压。三种重要气体信号分子:一氧化氮、一氧化碳和硫化氢,它们属于功能调节,浓度更低,而且大多数属于一过性升高。

      生物体内存在大量液体,例如人体内水的比例可达到70%以上,但是不同的组织含水量区别很大,例如脂肪组织内水含量就比较低,这也是为什么女性或肥胖个体在水中浮力比较大的原因,也就是说水在生物体内分布是不均匀的。微观尺度上,也有类似情况,而且可能更关键更重要,例如细胞膜是一种脂质双分子层,这种结构的特点是内外两层属于亲水层,而中间属于疏水层,这类似于加心饼干,中间是脂肪结构,水含量比较少。更值得注意的是,许多功能分子如蛋白、脂肪和核酸都是类似细胞膜的情况,最有名的分子血红蛋白,基本上就是一个由周围一些亲水基团的外壳和大量内部疏水结构,蛋白的规则性排列如a螺旋和b折叠都是疏水结构,而大部分(是否全部?)蛋白的功能或活性结构都是由疏水结构构建的,血红蛋白的血红素就是被镶嵌在一个疏水口袋内。大部分生物化学反应与普通的化学反应的区别是在酶的催化下实现的,但大部分的酶催化反应都是在酶蛋白分子的表面进行的。酶常有不同的活性状态,不同活性状态经常是因为空间结构的改变。另外有许多功能分子,例如细胞膜上的各类受体、通道蛋白、结构蛋白在发挥作用的时候,特别是受到信号调节发生功能改变时,往往有空间结构的改变,这就是所谓的变构。许多变构调节的物质也是通过与蛋白分子的表面调节。为什么蛋白功能的发挥和调节大部分都是通过表面接触实现?有没有什么物质可以进入蛋白分子内部对蛋白功能产生影响。

        一些小分子气体可能具有进入细胞内大分子疏水结构内部的可能,一方面,这些气体分子结构简单、分子量小、具有脂溶性,有这些功能的气体分子可能有:氮气、氢气、氦气和其他稀有气体。这些分子对生物功能的调节方式与经典的生物调节方式不同,作用相对比较弱,但可能是维持机体功能发挥作用的重要条件。或许比我们想像的更重要。这些气体对蛋白等生物大分子的调节主要可能通过影响这些分子发生空间结构的改变,是影响三维结构,少数化学活性叫强的气体分子甚至能影响酶活性中心。



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