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气体生物效应的思考

已有 3759 次阅读 2012-9-16 20:25 |个人分类:科研思路分享|系统分类:科普集锦| office, 生物, 气体

氢气、氮气、甲烷、氦气、氩气等属于惰性生物气体,这些分子的生物学共同特点是小剂量大效应。也许有人觉得氮和氦作用似乎比较小,但相对于其发挥效应的溶液浓度,仍是非常可观的。最近本人关于这些气体分子和其他生物分子的区别有一些思考。这些想法仍比较初步粗糙,欢迎大家指正。

一、规则分子的空间优势。

在微观水平上,分子可以分为规则分子和不规则分子。上述气体分子不仅个头小,而且结构简单,缺乏空间结构。而许多生物大分子则往往是结构非常复杂,即使如氨基酸这样的生物小分子,在分子结构复杂程度上也远远超过上述气体分子。我们把这种结构非常简单缺乏极性的分子称为规则分子,而其他在具有极性或复杂分子结构的分子称为不规则分子。许多简单气体分子属于规则分子,更多的生物分子属于不规则分子。需要强调的是,规则分子和化学上的非极性分子的概念完全不同,是指在空间形态上具有非常强的对称性。

由于分子之间的在特殊方向上的碰撞是发生化学反应或相互作用的前提,不规则分子之间发挥相互作用需要发生作用的分子必须在空间方向上符合某一特定条件。例如配体和受体的作用,底物和酶的作用,都非常类似于钥匙和锁的关系,钥匙开锁必须按照一定的方向进入锁孔。化学分子和钥匙不同,本身多属于随机运动,在方向上符合作用的几率比较小,因此必须要一定的浓度才可以产生作用。或者在其他物质如酶和协同分子的协助才可以发挥作用。而规则分子在三维方向上没有区别,因此在发挥作用上具有更大的优势。因此在效应上,规则分子可以在非常低的浓度下产生作用。

二、亚分子水平作用

生物结构的成分如蛋白质、脂肪、糖和核酸等大部分分子内部都属于疏水性的。例如许多蛋白质的表面是亲水结构,内部是类似脂肪的疏水性结构,细胞膜更是属于这种结构的典型代表。这决定了许多生化反应都属于表面接触性反应,只有很少部分分子可以进入这些生物大分子的分子内部空间。小气体分子大多因为没有极性,属于脂溶性分子,在这些疏水性结构分布的比例更高。当这些小气体分子进入这些生物大分子结构后,可以对这些大分子的空间变形运动产生干扰,类似在齿轮中搀沙子或润滑油,这也可能会产生不同的生物学效应。而许多生物大分子,特别是蛋白质的变构调节是非常重要的作用方式。

这种干扰性作用也可以影响或干扰生物大分子之间的相互作用,如有的分子可能会进入受体和配体结合的部位,产生非选择性拮抗效应。同样道理,这种作用也可发生在酶催化、通道、物质转运等过程中。

三、生物强或弱相互作用。

有一些具有化学活性的小分子可以产生更强大的生物学作用,例如氧气、一氧化碳、硫化氢、一氧化氮,不仅具有上述惰性分子的特点,而且由于可以和一些生物活性结构发生化学反应或形成共价键,可以发挥更强大的作用。这种强大的作用往往会掩盖这些小气体分子非特异性的效应,从效应强度上考虑,借鉴物理学的概念,这种作用可以定义为生物强相互作用,而上述其他非特异性作用属于生物弱相互作用。

四、改变水的物理化学性质。

据说没有空气的水和溶解空气的水的表面张力会发生改变,其他如水分子聚合程度、氢键也可能会受到水中一些气体成分的干扰。由于水的生物学作用非常重要,气体可能会通过影响水的物理化学性质产生生物学效应。

 



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1 徐向田

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