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第31章 生命体中的高分子化合物

在自然界中,我们所熟知的天然高分子化合物你知道有哪些吗?它们就在我们每天接触的米饭、馒头、蔬菜、肉类、蛋类等食品中广泛的存在。我们已经知道的淀粉,纤维素等天然高分子化合物就是我们与我们每日不可分离的物质。

我们知道,淀粉大多存在于植物的种子中,如大米含80%、玉米含60%、小麦含70%,在薯类的块茎及干果中也大量存在,还有许多野生植物的种子或组织中也大量存在着。纤维素是植物纤维的主要成分,它和半纤维素、木质素等一起,构成了植物的骨架。棉花中90%以上是纤维素,其他如树木、麻、野生植物及各种作物的杆茎中也有大量的纤维素存在。

但是,无论是淀粉,还是纤维素,它们都是生命有机现象中特有的天然高分子化合物。它们不像有机化合物中低分子类,如烃类、烯类只有碳、氢两种元素组成,而是由碳、氢、氧三种元素组成,并且它们这三种元素都符合Cx(H2O)y的通式,所以人们又把它称之为碳水化合物,以表示其组成相当于碳的水合物。

例如淀粉的分子组成为(C6H10O5)n=\[C6(H2O)5\]n,意思是在淀粉的分子中,氢、氧之比为2:1,整个淀粉分子是由n个小单位C6H10O5连接而成;同样,纤维素分字组成为(C6H10O5)m=\[C6(H2O)5\]m,也由m个小单位C6H10O5连接起来;当然,这里的m和n并不是相等的。纤维素的m在1000以上,而直链淀粉的n约在200~300之间。碳水化合物除了淀粉和纤维素之外,还有葡萄糖(C6H12O6)=C6(H2O)6和蔗糖C12H22O11=C12(H2O)11。由于在人体中,绝大部分能量来源及脂肪都是源于葡萄糖,因此,有时人也被戏称为碳水化合物。

一般,我们为了区别这些天然高分子的碳水化合物,将类似葡萄糖这样的分子叫单糖,类似蔗糖这样的分子称为双糖,而淀粉、纤维素就叫做多糖,所有这些糖又都统称为酯。

前面,我们知道了淀粉可被应用于调制工业用的淀粉(糊淀粉分为直链淀粉和支链淀粉,直链淀粉易溶于水,如豆类、灿米中直链淀粉较多,而支链淀粉则难溶于水,如糯米、面粉等遇水往往形成胶状而有黏性的糊状物),如在纺织工业中用它来做浆料,用以防止织布或织纱时发生中断。

人们还利用淀粉可和葡萄糖转换的特性,用酶水解的方法在工业上制取葡萄糖。

对于纤维素的利用,往往是和半纤维素或木质素联系在一起利用的。人们可用半纤维素经过水解、发酵制取酒精;人们还可以把木质素用无机酸分解,最后可以制造成肥料——氨化木素。这是一种很好的肥料,它对多种作物有增产效果,不仅提供作物生长所需要的氮素,而且施入土壤中后,经微生物作用,就被转化为胡敏酸(胡敏酸肥料是当前使用很广泛的一种新型有机肥料,是土壤腐殖质的成分之一,能直接参加作物体内的新陈代谢,调节其氧化还原作用,提高作物根系的呼吸强度,从而促进作物的生长发育;此外,还能改变土壤的结构和改良土壤的理化性状)。

而对于纤维素来说,其用途更为广泛。

纤维素是白色物质,在植物体中呈丝状,这种丝状物质是由许多胶束组成,每一胶束又包含约60个纤维素大分子。纤维素在浓酶或生物酸的催化作用下,会发生水解反应,最后得到葡萄糖。这里酸或酶的作用不仅浸透到纤维素分子束间的孔隙中,引起膨胀,同时会使分子链上各个小单位C6H10O5间的结合力削弱,以致使纤维素分子断裂:(C6H10O5)m+mH2O酸或酶mC6H12O3

纤维素葡萄糖

用纤维素生产的葡萄糖我们还可以进一步发酵来制取酒精!这样就可以节约大量淀粉原料。

纤维素遇碱,只引起纤维素的膨胀,形成碱化纤维素,却仍然保持着原来的骨架。在生产上,人们利用这一化学原理将含纤维素原料和碱液一起蒸煮(所用碱液为NaOH和Na2CO3的混合液。加入Na2SO3是起缓和作用,防止纤维素破坏,并增加浆液的白度,特别对于木浆,更可有效地除去其中木质素)。这时木质素和半纤维素就溶解于碱液中,而与纤维素分离。得到的纤维素浆液,纯度较高,可用来造纸和制造人造纤维。分离后的废液,还可利用来再利用制造酒精、食用酵母、饲料酵母及生产长效肥料。

看来,这些不怎么起眼的植物,如稻草、麦秆、竹子、树木中还藏着这么多的“秘密能量”!从上面我们介绍淀粉、纤维素的利用中,你发现了它们之间有个有趣的秘密了吗?如果你细心一点的话,你就会发现在淀粉、纤维素和葡萄糖这三种碳水化合物之间还会发生相互转化!这种利用化学合成的转化,实际上远远赶不上生命本身对于它们的转化,不信我们来看看自然界的生命体是如何“互通有无”的。

前面,我们已经讲过了植物的光合作用。在这里我们着重分析它们之间的转化。这种转化首先是植物吸收了太阳光后,经过光合作用,发生了能量的交换,把光能转化成了化学能,而这些化学能以糖、淀粉的形式储藏起来。例如,当植物的绿叶吸取空气的CO2后,在光合作用,和由植物根部吸入的水分发生反应,形成葡萄糖同时放出氧气:6CO2+6H2O日光C2H12O6+6O2↑生成的葡萄糖一部分储藏起来,另一部分则运输到其他部位,或再转化为淀粉或纤维素:n(C6H12O6)(C6H10O5)n+nH2O另一方面,淀粉在种子或叶子中受着酶的作用,也能分解为葡萄糖:(C6H10O5)n酶nC6H12O6

在植物体的各个不同的发育期中,碳水化合物的生成和蓄积的动态是不同的。例如,在稻谷发芽时,种子中的淀粉迅速分解,因此糖分就迅速增加,通过糖分的生物氧化作用,供给幼苗初期生长所需能量。到了成熟期,水稻体其他各部分的淀粉含量不断减少,以可溶性糖的形态向穗部输送,稻穗中的淀粉则迅速蓄积。

可见,三者之间的转化只是遵循一条原则,那就是“生命生长需要”这条最高的原则。人体中的这种转化也正是遵循这一原则。

例如,我们吃在嘴里的一口饭,越嚼会越甜,这就是有一小部分米饭中的淀粉被唾液中的酶分解成麦芽糖的缘故。食物进入胃肠后,又受到胰脏分泌出来的比唾液淀粉酶效力更强的胰液淀粉酶作用,继续水解形成葡萄糖,再通过小肠壁,被吸入血液中,当人体肌肉活动或者工作需要能量时,潜藏着化学能的葡萄糖又被氧化,放出热量:C6H12O6+6O26CO2+6H2O+热多余的葡萄糖在肝脏中组合成动物性淀粉-肝糖而储存起来。肝糖是动物体内的储备糖,就像淀粉是植物的储备糖一样,也能被分解成糊精、麦芽糖、葡萄糖等,所以当人体需要营养时,肝糖就又再转化为葡萄糖。当然,在肝脏内肝糖的储量是有一定限度的,多余的葡萄糖还可以在细胞内转化为脂肪。人体中葡萄糖可以由一些蔬菜中的纤维素转化而来。当人体患糖尿疾病的时候,这时人体中胰脏分泌胰液的能力下降,因此病人常需要注射胰岛素(即胰液淀粉酶)来增加体内糖分的转化,从而维持身体的糖分平衡。

可见,碳水化合物之间的相互转换是从一个最高的“生命需要”原则出发的,人们正是研究了这个原理,才对淀粉等天然离分子化合物积极利用的。

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