開心笑的部落格

 我們前面已經介紹了許多身邊的化學現象，我們已經知道了無機化學、有機化學、物理化學以及分析化學這些分類。 如果我們關註一下當今世界的科技主題的話，那我們就會不約而同地發現另一支現代化學技術的生力軍，它就是現代科學的一大主題——生物化學，生物化學研究的動力是以應用為基點的，現在人們已從生物化學的應用中得益，人們已研究出了人工合成蛋白質——基因的技術。 生物化學最誘人之處，就是在常溫常壓下酶的高效、有選擇性的催化反應，這將有利於人們對生物生長進行控制。

生物化學實際是一門結合了生物學與化學的前沿尖端科學。 它研究生物有機體化學組成和性質，以及有機體內所進行的化學變化的科學。

生物化學的應用便是生物工程科學，它是六七十年代逐步形成的一門新興科學，現在已逐漸分成四大分支：包括微生物工程、酶過程、基因工程和細胞工程四大學科。

對於生物化學的合成而言，除了許多有機合成和高分子合成技術外，酶工程居於舉足輕重的地位。 生物化學合成，一方面可認為是用化學合成的方法合成生物體內的化合物，尤其是生理活性物質；另一方面可認為是運用生物技術來合成化合物，尤其是酶技術來生產化合物。 當然，有許多情況是將化學合成技術與生物合成技術密切結合，進行比較複雜的化合物或生理活性物質的合成。 現在，有些化學反應或工業生產已經由生物技術代替，自從酶工程、基因工程相繼在生產上得到應用後，部分化學合成又逐漸被生物合成取代的趨勢。 有資料報導，到卯年代，日本已有３０％的化學合成被生物合成所代替。 其好處是令人振奮的，設備費用將降低到原來的五分之一，而能源則可節省一半。 化學合成與生物合成比較，各有優缺點。

有許多化學反應可藉助於微生物和酶的作用來實現，且效率高，副產物少。 例如：

①水解反應。 許多用酸或鹼的水解反應，可用酶水解法代替，如蛋白質，多醣的水解，還能防止殘基的構型變化。 由澱粉製造葡萄糖，過去是用鹽酸在高溫高壓下水解的，在水解的過程中，同時產生褐色的羥甲基醣醛及龍膽二糖。 為了糖製葡萄糖，必須反复結晶，因而收率不高。 用酶法水解澱粉，在常溫常壓下進行，副產物少，容易精製，收率高，成本低，現在已被廣泛地運用。

②氧化作用，有機合成中常用到氧化反應，雖已研究出各種氧化劑，其中有些也有一定的選擇性，但往往有一些副反應，為了氧化特定部位，還要把其它基因先行保護起來，氧化之後，還要去掉保護基，這樣就增加了反應步驟。 而用特定的氧化酶，則能高度選擇地進行氧化，如由Ｄ－山梨糖醇作為原料生產維生素Ｃ，生物氧化法能一步氧化為Ｌ－山梨糖，即不要將其餘羥基保護，也不會生成消旋型山梨糖。

但是，酶雖然用途廣泛，但其提取、分離、純化卻比較複雜，而且是很敏感的物質，易於變性和破壞，因此，最有實用意義的是人工合成模擬酶，這也是當今生物化學合成中一個非常活躍的領域。

雖然生物合成技術在今天作用越來越明顯，但它是建立在化學技術的日益深入和發展之上的，生物化學技術的合流是當今生命物質科學研究的最重要的基礎和趨勢，因為即使在最複雜的生命現像中，分析到最後，仍然是以化學變化的分析建立起來的。 因此有人把生物化學技術，稱為“未來的化學”，預示著它有著廣闊的發展前途。

化學合成與生物合成的比較

生命體中的“互通有無”

在自然界中，我們所熟知的天然高分子化合物你知道有哪些嗎？ 它們就在我們每天接觸的米飯、饅頭、蔬菜、肉類、蛋類等食品中廣泛的存在。 我們前面已經知道的澱粉，纖維素等天然高分子化合物就是我們與我們每日不可分離的物質。

我們知道，澱粉大多存在於植物的種子中，如大米含80％、玉米含６０％、小麥含７０％，在薯類的塊莖及乾果中也大量存在，還有許多野生植物的種子或組織中也大量存在著。 纖維素是植物纖維的主要成分，它和半纖維素、木質素等一起，構成了植物的骨架。 棉花中90％以上是纖維素，其它如樹木、麻、野生植物及各種作物的桿莖中也有大量的纖維素存在。

但是，無論是澱粉，還是纖維素，它們都是生命有機現像中特有的天然高分子化合物。 它們不像有機化合物中低分子類，如烴類、烯類只有碳、氫兩種元素組成，而是由碳、氫、氧三種元素組成，並且它們這三種元素都符合Cx（Ｈ 2 Ｏ）ｙ的通式，所以人們又把它稱之為碳水化合物，以表示其組成相當於碳的水合物。

例如澱粉的分子組成為（C 6 H 10 O 5 ）n＝[C 6 （H 2 O） 5 ]n ，意思是在澱粉的分子中，氫、氧之比為２：１，整個澱粉分子是由n個小單位  連接而成；同樣，纖維素分字組成為（C 6 H 10 O 5 ）m=[C 6 （H 2 O） 5 ]m，也由ｍ個小單位  連接起來；當然，這裡的ｍ和ｎ並不是相等的。 纖維素的ｍ在１０００以上，而直鏈澱粉的ｎ約在２００～３００之間。 碳水化合物除了澱粉和纖維素之外，還有葡萄糖（C 6 H 12 O 6 ）=C 6 (H 2 O) 6和蔗糖C 12 H 22 O 11 ＝C 12 (H 2 O) 11 。 由於在人體中，絕大部分能量來源及脂肪都是源於葡萄糖，因此，有時人也被戲稱為碳水化合物。

一般，我們為了區別這些天然高分子的碳水化合物，將類似葡萄糖這樣的分子叫單醣，類似蔗糖這樣的分子稱為雙醣，而澱粉、纖維素就叫做多醣，所有這些糖又都統稱為酯。

前面，我們知道了澱粉可被應用於調製工業用的澱粉糊[澱粉分為直鏈澱粉和支鏈澱粉，直鏈澱粉易溶於水，如豆類、燦米中直鏈澱粉較多，而支鏈澱粉則難溶於水，如糯米、麵粉等遇水往往形成膠狀而有粘性的糊狀物]，如在紡織工業中用它來做漿料，用以防止織布或織紗時發生中斷。

人們還利用澱粉可和葡萄糖轉換的特性，用酶水解的方法在工業上製取葡萄糖。

對於纖維素的利用，往往是和半纖維素或木質素聯繫在一起利用的。 人們可用半纖維素經過水解、發酵制取酒精；人們還可以把木質素用無機酸分解，最後可以製造成肥料——氨化木素。 這是一種很好的肥料，它對多種作物有增產效果，不僅提供作物生長所需要的氮素，而且施入土壤中後，經微生物作用，就被轉化為胡敏酸（胡敏酸肥料是當前使用很廣泛的一種新型有機肥料，是土壤腐殖質的成分之一，能直接參加作物體內的新陳代謝，調節其氧化還原作用，提高作物根系的呼吸強度，從而促進作物的生長發育；此外，還能改變土壤的結構和改良土壤的理化性狀）。

而對於纖維素來說，其用途更為廣泛。

纖維素是白色物質，在植物體中呈絲狀，這種絲狀物質是由許多膠束組成，每一膠束又包含約６０個纖維素大分子。 纖維素在濃酶或生物酸的催化作用下，會發生水解反應，最後得到葡萄糖。 這裡酸或酶的作用不僅浸透到纖維素分子束間的孔隙中，引起膨脹，同時會使分子鏈上各個小單位 間的結合力削弱，以致使纖維素分子斷裂：

用纖維素生產的葡萄糖我們還可以進一步發酵來製取酒精呢！ 這樣就可以節約大量澱粉原料。

纖維素遇鹼，只引起纖維素的膨脹，形成鹼化纖維素，卻仍然保持著原來的骨架。 在生產上，人們利用這一化學原理將含纖維素原料和鹼液一起蒸煮（所用鹼液為NaOH和Na 2 CO 3的混合液，加入Na 2 SO 3是起緩和作用，防止纖維素破壞，並增加漿液的白度，特別對於木漿，更可有效地除去其中木質素）。 這時木質素和半纖維素就溶解於鹼液中，而與纖維素分離。 得到的纖維素漿液，純度較高，可用來造紙和製造人造纖維。 分離後的廢液，還可利用來再利用製造酒精、食用酵母、飼料酵母及生產長效肥料。

看來，這些不怎麼起眼的植物，如稻草、麥桿、竹子、樹木中還藏著這麼多的“秘密能量”呢！ 從上面我們介紹澱粉、纖維素的利用中，你發現了它們之間有個有趣的秘密了嗎？ 如果你細心一點的話，你就會發現在澱粉、纖維素和葡萄糖這三種碳水化合物之間還會發生相互轉化呢！ 這種利用化學合成的轉化，實際上遠遠趕不上生命本身對於它們的轉化，不信我們來看看自然界的莊俞體是如何“互通有無”的。

前面，我們已經講過了植物的光合作用。 在這裡我們著重分析它們之間的轉化。 這種轉化首先是植物吸收了太陽光後，經過光合作用，發生了能量的交換，把光能轉化成了化學能，而這些化學能以糖、澱粉的形式儲藏起來。 例如，當植物的綠葉吸取空氣的CO 2後，在光合作用，和由植物根部吸入的水分發生反應，形成葡萄糖同時放出氧氣：

6CO 2 +6H 2 O  C 2 H 12 O 6 +6O 2 ↑

生成的葡萄糖一部分儲藏起來，另一部分則運輸到其他部位，或再轉化為澱粉或纖維素：

n(C 6 H 12 O 6 )→(C 6 H 10 O 5 )n+nH 2 O

另一方面，澱粉在種子或葉子中受著酶的作用，也能分解為葡萄糖：

(C 6 H 10 O 5 )n  nC 6 H 12 O 6

在植物體的各個不同的發育期中，碳水化合物的生成和蓄積的動態是不同的。 例如，在稻穀發芽時，種子中的澱粉迅速分解，因此糖分就迅速增加，通過糖分的生物氧化作用，供給幼苗初期生長所需能量。 到了成熟期，水稻體其它各部分的澱粉含量不斷減少，以可溶性糖的形態向穗部輸送，稻穗中的澱粉則迅速蓄積。

可見，三者之間的轉化只是遵循一條原則，那就是“生命生長需要”這條最高的原則。 人體中的這種轉化也正是遵循這一原則。

例如，我們吃在嘴裡的一口飯，越嚼會越甜，這就是有一小部分米飯中的澱粉被唾液中的酶分解咸麥芽糖的緣故。 食物進人胃腸後，又受到胰贓分泌出來的比唾液澱粉酶效力更強的胰液澱粉酶作用，繼續水解形成葡萄糖，再通過小腸壁，被吸入血液中，當人體肌肉活動威工作需要能量時，潛藏著化學能的葡萄糖又被氧化，放出熱量：

C 6 H 12 O 6 +6O 2 →6CO 2 +6H 2 O+686千卡

多餘的葡萄糖在肝臟中組合成動物性澱粉—肝醣而儲存起來。 肝醣是動物體內的儲備糖，就像澱粉是植物的儲備糖一樣，也能被分解成糊精、麥芽糖、葡萄糖等，所以當人體需要營養時，肝醣就又再轉化為葡萄糖。 當然，在肝臟內肝醣的儲量是有一定限度的，多餘的葡萄糖還可以在細胞內轉化為脂肪。 人體中葡萄糖可以由一些蔬菜中的纖維素轉化而來。 當人體患糖尿疾病的時候，這時人體中胰臟分泌胰液的能力下降，因此病人常需要注射胰島素（即胰液澱粉酶）來增加體內糖分的轉化，從而維持身體的糖分平衡。

可見，碳水化合物之間的相互轉換是從一個最高的“生命需要”原則出發的，人們正是研究了這個原理，才對澱粉等天然離分子化合物積極利用的