動物解剖學和生理學/化學品
完成本節後，您應該瞭解
- 用於表示元素的符號；
- 動物細胞中常見分子的名稱；
- 離子和電解質的特性；
- 碳水化合物的基本結構並舉例說明；
- 碳水化合物可以分為單糖、二糖和多糖；
- 脂肪或脂類的基本結構並舉例說明；
- 蛋白質的基本結構並舉例說明；
- 碳水化合物、脂類和蛋白質在細胞和動物體內的功能；
- 動物日糧中提供碳水化合物、脂類和蛋白質的食物。
動物體內發現的元素（最簡單的化學物質）都由基本的結構單元或原子構成。細胞中最常見的元素在下表中給出，並附有表示它們的符號。
| 元素 | 符號 |
|---|---|
| 鈣 | Ca |
| 碳 | C |
| 氯 | Cl |
| 銅 | Cu |
| 碘 | I |
| 氫 | H |
| 鐵 | Fe |
| 鎂 | Mg |
| 氮 | N |
| 氧 | O |
| 磷 | P |
| 鉀 | K |
| 鈉 | Na |
| 硫 | S |
| 鋅 | Zn |
當兩個或多個原子結合在一起時，就會形成一個分子。當兩種或多種不同的元素以固定的質量比結合在一起時，就會形成化合物。請注意，有些原子永遠不會單獨存在。例如，氧氣總是以2個氧原子組成的分子形式存在（表示為O2）。
下表列出了一些常見的化合物。
| 化合物 | 符號 |
|---|---|
| 碳酸鈣 | CaCO3 |
| 二氧化碳 | CO2 |
| 硫酸銅 | CuSO4 |
| 葡萄糖 | C6H12O6 |
| 鹽酸 | HCl |
| 碳酸氫鈉（小蘇打） | NaHCO3 |
| 氯化鈉（食鹽） | NaCl |
| 氫氧化鈉 | NaOH |
| 水 | H2O |
當原子結合或分離其他原子時，就會發生反應。在此過程中，會形成具有不同化學性質的新產物。
化學反應可以用化學方程式表示。起始原子或化合物通常放在方程式的左邊，產物放在右邊。
例如
- H2O + CO2 生成 H2CO3
- 或 H2O + CO2 = H2CO3
- 水 + 二氧化碳 生成 碳酸
當某些原子溶解在水中時，它們會變成帶電的粒子，稱為離子。有些變成帶正電的離子，而另一些則變成帶負電的離子。離子可能帶有一個、兩個或有時三個電荷。
下表顯示了帶正電和帶負電離子的示例，以及它們的電荷數。
| 陽離子 | 陰離子 | ||
|---|---|---|---|
| H+ | 氫 | Cl- | 氯離子 |
| Ca2+ | 鈣 | OH- | 氫氧根離子 |
| Na+ | 鈉 | HCO3- | 碳酸氫根離子 |
| K+ | 鉀 | CO32- | 碳酸根離子 |
| Mg2+ | 鎂 | SO42- | 硫酸根離子 |
| Fe2+ | 亞鐵離子 | PO43- | 磷酸根離子 |
| Fe3+ | 鐵離子 | S2- | 硫化物離子 |
正離子和負離子相互吸引，將化合物結合在一起。
離子在細胞中很重要，因為它們溶解在水中時會導電。以這種方式電離的物質稱為電解質。
動物體內的分子分為兩類：無機化合物和有機化合物。這兩者之間的區別在於，第一種不含碳，而第二種則含有碳。
無機化合物包括水、氯化鈉、氫氧化鉀和磷酸鈣。
水是最豐富的無機化合物，佔細胞體積的60%以上，佔血液等體液的90%以上。許多物質溶解在水中，並且體內發生的所有化學反應都是在溶解在水中的情況下發生的。其他無機分子有助於保持酸鹼平衡（pH）和血液和其他體液的濃度穩定（見第8章）。
有機化合物包括碳水化合物、蛋白質和脂肪或脂類。所有有機分子都含有碳原子，並且它們往往比無機分子更大、更復雜。這主要是因為每個碳原子可以與另外四個原子連線。因此，有機化合物可以由一個到數千個碳原子連線形成鏈、支鏈和環（見下圖）。所有有機化合物還含有氫，並且它們也可能含有其他元素。
“碳水化合物”這個名稱告訴您有關這些“水合碳”化合物的組成資訊。它們含有碳、氫和氧，並且像水（H2O）一樣，每個分子中的氫原子數量總是氧原子數量的兩倍。碳水化合物是一個龐大而多樣的群體，包括糖、澱粉、糖原和纖維素。飲食中的碳水化合物為動物提供了大部分能量，在動物體內，它們運輸和儲存能量。
碳水化合物根據大小分為三大類：單糖（單糖）、二糖（雙糖）和多糖（多糖）。
單糖是最小的碳水化合物分子。最重要的單糖是葡萄糖，它為細胞提供了大部分能量。它由一個6個碳原子的環組成，並附有氧和氫原子。
二糖是由2個單糖連線而成。蔗糖（食糖）、麥芽糖和乳糖（乳糖）是三種重要的二糖。它們在腸道中被消化酶分解成單糖。
多糖如澱粉、糖原和纖維素是由數十或數百個單糖連線而成。與單糖和二糖不同，多糖嚐起來不甜，而且大多數不溶於水。
- 澱粉是植物儲存從太陽獲得的能量的主要分子。它存在於大麥等穀物和馬鈴薯等根莖類植物中。
- 糖原是動物用來儲存能量的多糖，存在於肝臟和移動骨骼的肌肉中。
- 纖維素構成植物的堅硬細胞壁。其結構類似於糖原，但哺乳動物無法消化它。奶牛和馬在腸道特殊部位的細菌幫助下可以食用纖維素。
脂肪或脂類在細胞周圍的細胞膜中發揮重要作用，並形成皮膚下方的絕緣脂肪層。它們也是高度濃縮的能量來源，在飲食中攝入時，每克提供的能量是碳水化合物或蛋白質的兩倍以上。
與碳水化合物類似，脂肪包含碳、氫和氧，但與碳水化合物不同的是，氫原子和氧原子的數量之間沒有特定的關係。
動物在飲食中攝入的脂肪和油被稱為三醯甘油或中性脂肪。三醯甘油的基本組成單元是3個脂肪酸連線到甘油（甘油醇）的骨架上。當攝入脂肪時，消化酶會將分子再次分解成單獨的脂肪酸和甘油。
脂肪酸分為兩種：飽和和不飽和脂肪酸，這取決於它們在其組成中是否含有大量（飽和）或少量（不飽和）氫，以及碳之間是否存在至少一個雙鍵（飽和）或不存在（不飽和）。動物體內和乳製品中發現的脂肪主要包含飽和脂肪酸，在室溫下往往呈固態。魚類和家禽脂肪以及植物油主要含有不飽和脂肪酸，在室溫下呈液態。
磷脂是含有磷酸酯基團的脂類。它們在細胞的細胞膜中發揮重要作用。
蛋白質是細胞中第三大類有機化合物——事實上，如果你將細胞乾燥，你會發現剩餘的乾燥粉塵中約有2/3是由蛋白質組成的。與碳水化合物和脂肪一樣，蛋白質也包含C、H和O，但所有蛋白質還包含氮。許多蛋白質還包含硫和磷。
在細胞中，蛋白質是細胞質膜的重要組成部分，但其最主要的作用是作為酶。這些分子充當生物催化劑，對於生化反應的進行是必不可少的。蛋白質也存在於皮膚、羽毛和頭髮中的角蛋白、肌肉、抗體和一些激素中。
蛋白質由稱為氨基酸的小分子長鏈構成。有20種常見的氨基酸，這些氨基酸以不同的順序和數量排列，形成了動物體記憶體在的多種不同的蛋白質。
氨基酸長鏈通常與其他氨基酸鏈連線，由此產生的蛋白質分子可能會扭曲、螺旋和摺疊成複雜的3D形狀。例如，請參見下圖中溶菌酶的蛋白質結構圖。信不信由你，這是一種相對較小且簡單的蛋白質。
正是這種形狀決定了蛋白質在細胞中的行為，尤其是在它們充當酶時。如果出於任何原因這種形狀發生改變，蛋白質就會停止工作。如果蛋白質被加熱或置於過酸或過鹼的溶液中，就會發生這種情況。想想雞蛋在烹飪時“蛋白”會發生什麼變化。“蛋白”含有蛋白質白蛋白，這種蛋白質在烹飪過程中會發生永久性改變或“變性”。高溫對酶的災難性影響是動物在暴露於高溫下會死亡的原因之一。
在動物的飲食中，蛋白質存在於肉類（肌肉）、乳製品、種子、堅果和豆類（如大豆）中。當腸道中的酶消化蛋白質時，它們會將其分解成單獨的氨基酸，這些氨基酸足夠小，可以被吸收進入血液。
- 離子是帶電粒子，電解質是離子在水中的溶液。
- 碳水化合物由碳與氫和氧（比例與水相同）連線而成。細胞主要利用碳水化合物作為能量來源。
- 脂肪也由碳、氫和氧組成。它們是強大的能量來源，也用於絕緣。
- 蛋白質是身體的構建材料，並作為酶促使細胞反應發生。它們除了包含碳、氫和氧外，還包含氮。
- 許多蛋白質還包含硫和磷。
1. 原子和分子的區別是什麼？
2. 小蘇打的化學名稱是什麼？
- 它的化學式是什麼？
3. 寫出碳酸分解成水和二氧化碳的方程式。
4. 食鹽水溶液是電解質的一個例子。
- 該溶液中存在哪些離子？
5. 哪種元素始終存在於蛋白質中，但通常不存在於脂肪或碳水化合物中？
6. 列出葡萄糖和糖原的三個區別。
- 1.
- 2.
- 3.
7. 一克糖和一克黃油，哪一個能提供更多的能量？
8. 為什麼有機化合物往往比無機化合物更復雜且更大？
碳水化合物、脂肪和蛋白質的良好總結。