化学平衡原理在生命代谢过程中的应用

化学平衡原理在生命代谢过程中的应用

摘要：用化学平衡原理解释并解决生命科学领域的有关现象和问题。

关键词：平衡温度渗透压

生命科学和化学的关系极为密切，化学使生物学从主要是描述性科学成为精确的定量科学，使生物学研究从细胞层次深入到分子层次，并用生物体内的化学反应去阐述生命过程的种种现象。平衡是化学专业的基本原理之一，该文主要介绍化学平衡原理在生命科学领域的应用，解释生命活动的各种现象，解决代谢过程的各种问题。

1 化学平衡原理与化学平衡的移动

在研究物质的变化时，人们不仅注意反应的方向和反应的速率，而且十分关心化学反应可以完成的程度，即在指定的条件下，反应物可以转变成产物的最大限度，这就是化学平衡问题。

在一定条件下，一个化学反应一般既可按反应方程式从左向右进行，又可以从右向左进行，这就是化学反应的可逆性。从原则上讲，几乎所有的化学反应都是可逆的，但各个化学反应的可逆程度却有很大的差别。即使同一反应，在不同条件下，可逆性也是不同的。

可逆反应的进行，必然导致化学平衡状态的实现。从宏观上讲，化学平衡状态就是在可逆反应体系中，正逆反应的速率相等时反应物

和生成物的浓度不再随时间按而改变的状态。

平衡状态体现出一定条件下化学反应可以完成的最大限度，是一种动态的、有条件的、相对的平衡。当外界条件变化时，可逆反应原有的平衡状态被破坏，逐渐转变建立与新条件相适应的新平衡状态，这一过程叫做化学平衡的移动。

2 热平衡与温度

2.1 人体温度

同一物体内或在可相互进行热交换的几个物体间，既不发生热的迁移，也不发生物质的相变而具有相同温度的状态称为热平衡状态。

人体在正常的代谢过程中，会不断产热和散热，只有产热量与散热量相等，才能达到热平衡，维持体温恒定，以此保证机体各器官组织执行正常的生理机能。人体温度恒定的保持在37?℃左右，既是人类经历漫长进化过程自然选择的结果，也可视为人体与地球环境能量交换达到动态平衡的标志之一。

人类皮肤上有丰富的神经感应器，当皮肤受到热或冷刺激时，神经纤维会把感应信号传输到人体热量调节中心——?下丘脑，它通过植物神经和脑垂体来协调人的新陈代谢和一系列分泌过程。在下丘脑的指令下，各有关系统（如肌肉、内脏器官、皮肤、毛细血管、汗腺等）各司其职，尽量使体温保持在恒定范围。

每个人的年龄、身高、体重、性别、人种、生活地区环境等都和周围的人不同相同，但是大家体温都是37?℃。首先，这个温度“够热”，足以防止真菌感染，同时这个温度也不那么热，这样我们不需要像恐龙那里吃个不停以维持新陈代谢。另外，支配人类思想和行动的主宰是脑，这是由几百亿交互连结的神经细胞所组成的线路，奇妙又精巧。假若体温发生变化，必然导致体内的各种复杂化学反应呈现出不同的状况，各种激素信息也有所不同。所以，保持恒定的体温是人类的最佳进化选择。否则起伏的脑温可能会导致无法预测的反应，其中一种可能的反应是，假如学习发生在不同的脑温下的话，每次的成果可能都不一样。

2.2 体温与酶

动物的活动离不开体内的化学反应，但有机物质的反应率和反应速率通常都是极低的，根本无法按时提供动物所需要的物质和能量。但动物之所以能生存，就是因为酶的存在。酶本身是一种活性蛋白质，同时也是一种特殊类型的催化剂，能使体内的反应进行得更迅速和更有选择性。生物体内大多数反应都是在相应酶的参与下完成的。酶的催化作用，只有在一定温度下才能表现出来。通常酶的作用速度随温度升高而加速，但温度升高到一定限度后，酶的活性就要钝化，直至完全失活。

人体内酶的最佳活性温度接近体温，一般为37～40?℃之间，如，糖代谢成二氧化碳的反应，在体外需几百摄氏度才完成，而在体内条

件及酶催化下，反应进行却十分完全；蛋白质的水解反应要加热到100?℃，用一天的时间去完成，在人体消化道内，蛋白酶催化下，一二个小时就能完成。体温过高或过低，都会影响酶的活性，从而影响新陈代谢的正常运行，使各种细胞、组织和器官的功能发生紊乱，严重时还会导致死亡。总之，体温恒定，能够让体内复杂的化学反应固定在最佳状态，这使得我们可以胜任日常生活中的各种复杂活动。

3 渗透平衡与渗透压

3.1 渗透压

如果存在半透膜（膜上的微孔只允许溶剂的分子通过，而不允许溶质的分子通过），且膜两侧的溶液浓度不相等，即膜两侧渗透压不同，水分子就会由渗透压小（低浓度）的一方向渗透压大（高浓度）的一方自由扩散，这种现象就叫渗透。渗透压简单的说就是压强，是生物体内渗透作用的必要条件。渗透压的大小取决于溶液中溶质微粒的数目：溶质微粒越多，即溶液浓度越高，溶液渗透压越高；反之，溶液渗透压越低。

因为存在离子态无机盐，人体内环境溶液有一定的渗透压，通过神经-体液调节保持稳态，即动态平衡保持在一定的范围内。其中渗透压感受器位于下丘脑，参与调节的主要离子有Na+和K+，通过相应的激素调节即下丘脑分泌抗利尿素的多少来控制排尿量以此改变渗透压。

3.2 渗透平衡与临床医疗

人体血液平均的渗透压约为780?kPa，因此，对人体注射或静脉输液时，应使用渗透压与人体内的基本相等的等渗溶液，例如临床常用的质量分数5.0％葡萄糖溶液或含0.9％NaCl的生理盐水。

若遇特殊情况，如大面积烧伤时会引起血浆脱水，若严重至脑细胞缺水将引起脑功能障碍，表现出躁动，谵妄，惊厥，昏迷等神经精神症状，就要用低渗盐溶液，其中的水会通过血红细胞流入细胞中，而使细胞膨胀，补充血浆里的水分。

如因禁食、少食、饮食钠限制过严，使钠盐摄入量非常低或因高温、重体力劳动、过度出汗等使钠过量排出丢失，就会产生低钠血症，即血浆里水分相对增多，可出现恶心、呕吐、视力模糊、心率加速、脉搏细弱、血压下降、肌肉痉挛、疼痛、反射消失等症状，严重可致表情淡漠、木僵、昏迷、外周循环衰退、休克、急性肾衰竭甚至死亡，这时就要用高渗盐溶液，血红细胞中的水就会通过细胞膜渗透出来，以调节血浆浓度。

3.3 渗透平衡与运动健康

糖是机体最直接和最主要的能量来源。运动中糖原储备不足会发生眩晕、恶心、饥饿、反应迟钝、肌肉酸痛、疲劳、动作缓慢等症状。

运动中人体所产生的热量主要通过汗液的蒸发来散失。汗液的成