2008年10月3日

簡介生物化學


生物學是一門跨領域綜合的學門。在其中,化學,更具有不可忽視的重要性。以下,由兩個例子,來看看生物中的化學是怎麼一回事。

「惡魔花園」(Devil’s garden)的研究,凸顯化學在生物學中的重要性。





「惡魔花園」指的是在南美洲的雨林中,某些植物的聚落,指容許單一樹種,Duroia hirsuta,生長,其它種樹種,若在這些樹中生長,小苗的時候就會枯萎死亡。Duroia hirsuta會和一種螞蟻,Myrmelachista schumanni共生;當地人認為這些螞蟻是惡魔,而這些樹則是他們所哉種,所以把這些只容許單一樹種出現的地方稱作「惡魔花園」。

生物學家對於其他樹種無法在「惡魔花園」中生長感到非常好奇。於是提出了兩個假設,一、這些Duroia hirsuta本身就會釋放化學物質使其他樹種的小苗無法生長。或者,與他們共生的螞蟻,會殺死其他樹的小苗。

為了了解哪一個假設才是正確的,生物學家做了如下的實驗:(1)在「惡魔花園」中種下別的樹種的小苗。(2)在「惡魔花園」中種下別的樹種的小苗,並且加以保護,不讓螞蟻靠近這些小苗。(3)在「惡魔花園」之外,種下別的樹種的小苗。(4) 在「惡魔花園」之外種下別的樹種的小苗,並且加以保護,不讓螞蟻靠近這些小苗。種下這些小苗以後,生物學家分別觀察四種情況下小苗的存活率。

結果發現,在「惡魔花園」之外(3)或是螞蟻無法靠近(2)(4)的小苗都可以順利成長。唯獨在「惡魔花園」中並且會受到螞蟻侵擾的小苗,小苗樹葉大量的枯萎。從枯萎的小苗上生物學家發現了化學物質「蟻酸」;「蟻酸」在「惡魔花園」中只有在螞蟻Myrmelachista schumanni的腹部才有,而Duroia hisuta本身並不會製造蟻酸。從這個實驗的結果,生物學家下了結論,是螞蟻使用蟻酸殺死了其他樹的小苗,確保整個樹林中只有這些螞蟻的宿主Duroia hirsuta。

蟻酸是非常簡單的小分子,也是最簡單的酸。螞蟻製造了蟻酸,利用了蟻酸,影響了雨林中的生態!

蟻酸具有什麼樣的性質呢?蟻酸為什麼可以造成樹苗葉子枯萎呢?這些問題則是更進一步有趣的生化問題。

另外一個例子,一個小小的分子,經常出現在我們生活的周遭,目前正大大的影響了我們的生活。這個小分子就是Melamine,三聚氰氨。

三聚氰氨是一種工業用的白色晶體, 常用於有機化工工廠來製造塑料,粘合劑,流裡檯(面板),餐具,白板等塑膠聚合物製品。主要用於與福馬林(Formaldehyde)產生反應。如果它只出現在化學工廠,那麼其實對於我們的生活並不會造成太大困擾。但是,由於這個分子富含氮元素;於是,黑心自私的商人把它拿來做了不當的利用。

事情的始末大概如此:黑心自私的商人為了降低成本增加利潤,於是在牛乳中摻進了水,使的牛乳的體積變大。這樣一來,原本乳牛只生產了一公升的牛乳,但是商人卻可以把它變成兩三公升來賣。問題在於,稀釋過後的牛乳,蛋白質含量降低,檢測時無法通過標準;於是,黑心無良的商人就在稀釋過後的牛奶中加入了三聚氰氨;這樣使得該稀釋奶在檢測時出現高過標準的含氮量 - 看起來就好像蛋白質含量足夠了。這些加了三聚氰氨的調味乳,於是被賣到下游的工廠,用以生產嬰兒奶粉,奶精,餅乾或是巧克力等食品。就這樣,原本只出現在化學工廠和塑膠製品中的化學原料竟然出現在我們的食品中了!

這個牛奶污染事件爆發後,造成人心惶惶。許多疑問出現了,三聚氰氨可以作為食物添加品嗎? 三聚氰氨有害嗎?我們從相關的文獻和動物實驗的結果來回答這些問題。

過去, 美國有使用其作為食品加工過程中當作黏合物的記錄 [21 CFR 175.105; U.S. National Archives and Records Administration's Electronic Code of Federal Regulations. Available from: http://www.gpoaccess.gov/ecfr as of June 18, 2007 ],但它是被使用在食物的外包裝上而非加入食物本身。因此,將三聚氰氨做為食品添加物是從來沒有過的事情。

動物本身並不會製造出三聚氰氨,三聚氰氨在動物體內也沒有辦法被分解。而三聚氰氨在一些地方會被發現。比如,三聚氰氨是農藥賽滅盡(cyromazine)被植物,山羊,母雞和鼠代謝之後的產物(JMPR report 2006)。某些肥料也會使用三聚氰氨作為原料之一(提高含氮量)。而酸性果汁,比如檸檬汁,柳橙汁,會使裝它的塑模容器釋放出微量三聚氰氨。三聚氰氨廣泛使用於許多用途上,故它在我們生活周遭隨處可見。 WHO估計,成年人每日意外攝入的三聚氰氨約為0.007 ppm/Kg 體重。亦即一個50公斤重的成年人,每日可能意外攝入0.35 ppm的三聚氰氨(OECD 1998)。

三聚氰氨是否對動物有害?由於迄今沒有人體實驗,所以三聚氰氨對人類是否有危害仍然不是很清楚。但是,我們可以從一些動物實驗的結果來推測三聚氰氨可能具有的毒性。動物實驗的結果顯示,在食物中加入三聚氰氨會造成大鼠和小鼠的結石,發炎,以及膀胱組織增生肥大 (OECD 1998, Melnick et al 1984; Bingham et al 2001; IARC 1986 )。在狗的實驗中還發現,狗會出現結晶尿(尿液中有三聚氰氨結晶) (Bingham et al 2001)。而大鼠曾在實驗中出現血尿(IUCLID 2000)。 實驗證據也顯示了,在動物體內三聚氰氨會和尿酸,大量的蛋白質或磷酸結合在膀胱中形成結石。

另外一些實驗指出,長期食用三聚氰氨並未對動物造成特殊毒性。但是,在針對13周大的大鼠所作的實驗顯示攝入三聚氰氨的量與它的毒性成正相關,長期實用會造成腎臟發炎(DHSS/NTP)。而在大鼠和狗的實驗中,高劑量的三聚氰氨會造成他們有頻尿的症狀,但無其他毒性(Lipschitz and Stokey, 1945)。 公鼠食用了4500 ppm的三聚氰氨103週後,引發了膀胱癌 (JMPR 2006)。WHO國際癌症研究小組(International Agency for Research on Cancer)指出,三聚氰氨在實驗動物身上是確定的致癌物。

以上所有的數據都只是初期研究的結果。但是,三聚氰氨對動物具有毒性是確定的;特別是高劑量的三聚氰氨。長期低劑量的攝入所造成的影響仍有待進一步的研究。WHO依照這些研究的數據,建議每人單日攝入量不應超過0.5 mg/kg 體重。以50公斤的成人為例,單日攝入量不宜超過25 mg,一位5公斤的嬰兒,每日則不宜攝入超過2.5 mg。(造成問題的三鹿奶粉三聚氰氨含量是350 ppm,為建議上限量的七倍。)但 WHO同時也指出,這個建議具有很大的不確定性;因為實驗證據的不足,以及嬰兒與成人對化學物品敏感度的不同。

綜觀以上的報導,大致上有以下的結論:三聚氰氨的毒性主要對排泄系統(膀胱,腎臟,泌尿道)造成傷害。成年人對三聚氰氨污染無須過於擔心。通常加工再製品中的三聚氰氨含量極低;但對於高劑量的三聚氰氨產品,如三鹿牌奶粉,成年人仍不宜食用。不論劑量的高低,嬰幼兒均不適宜食用遭到三聚氰氨污染的產品。因為嬰幼兒的器官發育尚未如成年人完整;而他們對化學物質的敏感度也與成人不同。

以上兩個例子都顯示出,化學在生物學研究中的重要性。那麼,就讓我們開始一趟簡短的生化之旅吧。

生物化學其實也可以說是碳的化學。因為,在生物體內中扮演重要角色的各種生物分子,如蛋白質,核酸,脂質,醣類;這些分子的骨幹都是以碳組成。

首先來看醣類。醣之與糖不同;在於醣沒有甜味,而糖是甜的。 醣類是由碳、氫、氧,三種元素以一定比例組成,因為其中氫氧數目比一定是2:1(與水分子相同),故醣類又叫做碳水化合物。醣類分子式可寫成 CnH2nOn 或 (CH2O)n。

醣可分為單醣,雙醣,寡醣以及多醣。單醣:依醣分子中所含碳原子的數目,分為三碳醣至七碳醣。雙醣:兩個單醣組合而成。寡醣:三到十個單醣組合而成的鏈狀分子。多醣:十個以上的單醣組合而成的長鏈(包括支鏈)分子。

葡萄糖和果糖均為常見的單糖。葡萄糖:為六碳醣(C6H12O6)。分子結構可為直鏈或環狀,而在水溶液中的葡萄糖為環狀結構。血液中的血糖,即是葡萄糖;葡萄糖為我們主要能量來源。正常成年人空腹時的血糖濃度為70~110毫克/百毫升;用餐後血糖濃度可高達140毫克/百毫升。若無法正常代謝葡萄糖,造成血液中血糖濃度過高,即為糖尿病。果糖:也是一種六碳糖,但立體結構和葡萄糖不同。果糖最早在蜂蜜和水果中被發現。果糖是單糖中甜度最高的糖。

蔗糖和乳糖則為雙糖。蔗糖為一個葡萄糖分子和一個果糖分子結合而成,它最普遍的雙糖。乳糖則為葡萄糖與半乳糖分子結合而成。甜度低,存在於奶中。當人體腸胃道缺乏乳糖腜或乳糖腜活性不足會造成乳糖不耐症。另外由兩個葡萄糖分子結合而成的麥芽糖也是常見的雙糖,它在發芽的穀類中含量最多,一般飲食中較少見,但在啤酒中含量多;故,啤酒的熱量來自大量的麥芽糖,常喝啤酒會造成啤酒肚。

澱粉,膳食纖維以及肝糖都屬於多糖。他們都是葡萄糖分子聚合而成。澱粉和肝糖可在人體中水解後得到葡萄糖而被吸收。澱粉儲存在植物的營養器官中。而肝糖則儲存在動物的肝臟和肌肉之中;必要的時候會分解成葡萄糖提供能量。纖維素則為人體所不能消化的多糖。纖維素分為水溶性和非水溶性兩種。非水溶性的纖維素可以刺激腸道蠕動而且會使糞便體積變大且量多,排便就順利多了。此外,糞便停留在腸道時間短,可以降低腸癌的發生率。水溶性纖維可以降低食物膽固醇的吸收。降低血中膽固醇。增加膽酸的排出。延緩胃排空的時間,增加飽足感。延緩血糖上升,可以幫助糖尿病病人控制血糖。富含纖維的食物有:全穀類(胚芽米糙米)、全麥製品、豆類、蔬菜類、水果類及蕃薯等。

以上是對於糖類的簡單介紹。再來介紹脂質。

人體中的脂質分為三大類:三酸甘油脂(一般說的Fat),磷脂和固醇類脂肪。

三酸甘油脂由一個甘油分子與三個脂肪酸長鏈組合而成。脂肪酸長鏈影響了脂肪的性質。脂肪酸長鏈中,若是包含一個或多個雙鍵,則是不飽和脂肪酸;這類的脂肪在低溫時由於雙鍵造成分子的扭曲,所以它不易凝固;室溫下不飽和脂肪為液態。相反的,若是脂肪酸長鏈中全部都是單鍵,則是飽和脂肪酸;飽和脂肪酸在溫度較低時就會凝固。

第二大類的脂肪為磷脂。磷脂是由一個甘油分子,一個磷酸根,以及兩條脂肪酸長鏈所結合而成。帶負電的磷酸根使磷脂具有親水性的頭部。非極性的脂肪酸長鏈使磷脂具有厭水性的尾端。磷酸脂是構成細胞膜的主要分子;因為他具有親水和厭水兩種極性,因此也使得細胞膜具有親水的兩面和厭水的核心。

固醇類脂肪是具有四個碳環的脂肪。它也是細胞膜中重要的分子;作用在於組成並且穩定細胞膜。另外,它也是許多荷爾蒙的前驅物;比如男性荷爾蒙就是屬於固醇類的荷爾蒙。但是過多的膽固醇會堆積在血管壁上加速動脈硬化,因發心血管病變。

生物體中最重要的分子應該算是蛋白質了。因為他是生物體中最多的分子。若將一個細胞的水分抽乾,剩下的物質中50%以上都是蛋白質。生物體中負責執行各種功能的主要分子。蛋白質扮演的角色包括,參與各種生化反應所必需的酵素,免疫反應中的抗體,身體的各種結構(比如頭髮,指甲,水晶體等),肌肉,物質運輸等等。

而蛋白質是一條或多條氨基酸長鏈旋轉,絞合,加工,折疊而成的。蛋白質的結構共可分為四級。一級結構:為無結構。僅是一條氨基酸長鏈。 二級結構:長鏈形成簡單的旋轉結構(alpha-helix),或平板結構(beta-sheet)。 三級結構:氫鍵,凡得瓦爾力,或雙硫鍵(供價鍵)等分子內作用力把二級結構折疊成特定的立體構型。 四級結構:兩個以上具三級結構的蛋白質結合在一起。只有三級結構以上,蛋白質才能執行特定的生理功能。

蛋白質由二十種氨基酸構成。每一個氨基酸都包含一個氨基和一個酸基,中央的碳原子連接一個主要的官能基(R group)。氨基酸組合成長鏈,然後長鏈再折疊成蛋白質。

蛋白質的三級立體結構決定蛋白質的功能,一但這個立體結構改變,往往就會使其功能失去或缺損。有些及病變與蛋白質的三級結構密切相關。以下舉兩例。

鎌刀型貧血症的發生是由一種異常的血紅素所造成的,這種血紅素稱為血紅素S (hemoglobin S)。它屬於一種體染色體隱性遺傳特徵;因此,這個疾病的患者必定同時自父親及母親方面遺傳到S血紅素基因。如果某人只從父母親其中一人遺傳到一個異常的S血紅素基因而另一個仍為正常的血紅素基因(A血紅素),則此人只會具有鎌刀形細胞的特徵而已。鎌刀型貧血症的發生率為8/100000,但是在某些人種中卻有較高的發生率,例如非洲裔的美國人發生率為1/600以及西班牙裔的美國人為1/1000-1400。

鐮刀型貧血為血紅素上第七號麩氨酸(Glutamic acid)突變為纈胺酸(Valine)造成。麩氨酸(Glutamic acid)是一種親水性的氨基酸而纈胺酸(Valine)為厭水性氨基酸;一個氨基酸的改變造成整個血紅素三級結構的改變。

另外一個與蛋白質結構有關的疾病是引世人恐慌的狂牛症。狂牛症的病源體為Prion蛋白;這個蛋白質普遍存在於哺乳動物中,正常的Prion蛋白質(PrP)不具致病性;折疊方式改變(PrPsc)卻會造成嚴重疾病。
人類Prion可引發庫甲氏症(CJD),這是一種神經退化性疾病,會造成腦部組織海綿狀空洞。牛的Prion感染人類會引發變異型CJD(vCJD),又稱作人類狂牛症。CJD在全球各地都有病例。而vCJD則只有在狂牛症疫區被發現。目前狂牛症疫情最嚴重的國家為英國,有超過十八萬頭牛感染;166人感染人類狂牛症,其中141人死亡。台灣至2004年的檢查報告顯示;台灣並無狂牛症流行。

最後要介紹的生物分子是核酸。核酸有兩類,一類是DNA,他由含氮鹽基,磷酸根以及一個二號碳上並無氧原子的五碳醣所組成的核甘酸所聚合而成。另一種核酸是RNA分子,他的單元體與DNA類似,不同的是,DNA上的含氮鹽基 T,在RNA上則是由 U 所取代,除此之外,RNA的五碳糖在第二號碳上面有連接一個氧原子。DNA保存了生物的遺傳訊息,而RNA則負責轉錄DNA上的遺傳訊息。

核酸由核甘酸所組成。核甘酸中,嘌呤類的含氮鹽基(A, G)降解代謝後會產生尿酸。如果代謝異常,產生過量的尿酸,那麼就會引起疾病 - 痛風。痛風是由於體液中累積過量的尿酸所引起的(正常範圍應該介於 1.5~7.0 毫克/公斤,相當於 0.1~0.4 毫莫耳/升)。尿酸及其所形成的尿酸鹽在水中的溶解度相當低,因此過量累積的尿酸鈉鹽在體內會形成針狀結晶。這些結晶通常儲存在軟骨組織中,尤其是關節處;故痛風一但發作,關節會腫脹發炎,患者會十分的疼痛。

痛風疾病可以分為四個階段。第一階段為無症狀高尿酸血;此階段患者尿酸值偏高,此階段的病人沒有特殊症狀,不需要藥物治療,只要飲食控制即可。但是此種狀態以後易引起急性痛風或尿路結石,且尿酸值愈高者愈易引起,但少數人則可能終生無症狀。第二階段為急性發作期;常發生在半夜,發生部位出現紅、腫、熱及嚴重疼痛,大多發生在腳部關節處。關節還會變成紅色或紫色,腫脹,活動不靈,有時更會發燒。第三階段為不發作期;指二次急性痛風中間之無症狀期間,此時病人容易因為沒有症狀,而忘了吃藥及飲食控制,尿酸的濃度再度升高,沈積於身體各處,漸漸造成痛風石。 第四階段是慢性痛風期;痛風患者若沒有接受適當治療,在十年後可能會變成慢性痛風病人。除了有長期慢性關節疼痛外,還會使關節逐漸腐蝕,導致關節變形。

痛風患者應接受長期治療,並且定期檢查尿酸濃度;但患者不必刻意控制飲食內容,要注意的是避免暴飲暴食。