动物解剖学和生理学/化学品
完成本节后，您应该了解
- 用于表示元素的符号；
- 动物细胞中常见分子的名称；
- 离子和电解质的特性；
- 碳水化合物的基本结构并举例说明；
- 碳水化合物可以分为单糖、二糖和多糖；
- 脂肪或脂类的基本结构并举例说明；
- 蛋白质的基本结构并举例说明；
- 碳水化合物、脂类和蛋白质在细胞和动物体内的功能；
- 动物日粮中提供碳水化合物、脂类和蛋白质的食物。
动物体内发现的元素（最简单的化学物质）都由基本的结构单元或原子构成。细胞中最常见的元素在下表中给出，并附有表示它们的符号。
| 元素 | 符号 |
|---|---|
| 钙 | Ca |
| 碳 | C |
| 氯 | Cl |
| 铜 | Cu |
| 碘 | I |
| 氢 | H |
| 铁 | Fe |
| 镁 | Mg |
| 氮 | N |
| 氧 | O |
| 磷 | P |
| 钾 | K |
| 钠 | Na |
| 硫 | S |
| 锌 | Zn |
当两个或多个原子结合在一起时，就会形成一个分子。当两种或多种不同的元素以固定的质量比结合在一起时，就会形成化合物。请注意，有些原子永远不会单独存在。例如，氧气总是以2个氧原子组成的分子形式存在（表示为O2）。
下表列出了一些常见的化合物。
| 化合物 | 符号 |
|---|---|
| 碳酸钙 | CaCO3 |
| 二氧化碳 | CO2 |
| 硫酸铜 | CuSO4 |
| 葡萄糖 | C6H12O6 |
| 盐酸 | HCl |
| 碳酸氢钠（小苏打） | NaHCO3 |
| 氯化钠（食盐） | NaCl |
| 氢氧化钠 | NaOH |
| 水 | H2O |
当原子结合或分离其他原子时，就会发生反应。在此过程中，会形成具有不同化学性质的新产物。
化学反应可以用化学方程式表示。起始原子或化合物通常放在方程式的左边，产物放在右边。
例如
- H2O + CO2 生成 H2CO3
- 或 H2O + CO2 = H2CO3
- 水 + 二氧化碳 生成 碳酸
当某些原子溶解在水中时，它们会变成带电的粒子，称为离子。有些变成带正电的离子，而另一些则变成带负电的离子。离子可能带有一个、两个或有时三个电荷。
下表显示了带正电和带负电离子的示例，以及它们的电荷数。
| 阳离子 | 阴离子 | ||
|---|---|---|---|
| H+ | 氢 | Cl- | 氯离子 |
| Ca2+ | 钙 | OH- | 氢氧根离子 |
| Na+ | 钠 | HCO3- | 碳酸氢根离子 |
| K+ | 钾 | CO32- | 碳酸根离子 |
| Mg2+ | 镁 | SO42- | 硫酸根离子 |
| Fe2+ | 亚铁离子 | PO43- | 磷酸根离子 |
| Fe3+ | 铁离子 | S2- | 硫化物离子 |
正离子和负离子相互吸引，将化合物结合在一起。
离子在细胞中很重要，因为它们溶解在水中时会导电。以这种方式电离的物质称为电解质。
动物体内的分子分为两类：无机化合物和有机化合物。这两者之间的区别在于，第一种不含碳，而第二种则含有碳。
无机化合物包括水、氯化钠、氢氧化钾和磷酸钙。
水是最丰富的无机化合物，占细胞体积的60%以上，占血液等体液的90%以上。许多物质溶解在水中，并且体内发生的所有化学反应都是在溶解在水中的情况下发生的。其他无机分子有助于保持酸碱平衡（pH）和血液和其他体液的浓度稳定（见第8章）。
有机化合物包括碳水化合物、蛋白质和脂肪或脂类。所有有机分子都含有碳原子，并且它们往往比无机分子更大、更复杂。这主要是因为每个碳原子可以与另外四个原子连接。因此，有机化合物可以由一个到数千个碳原子连接形成链、支链和环（见下图）。所有有机化合物还含有氢，并且它们也可能含有其他元素。
“碳水化合物”这个名称告诉您有关这些“水合碳”化合物的组成信息。它们含有碳、氢和氧，并且像水（H2O）一样，每个分子中的氢原子数量总是氧原子数量的两倍。碳水化合物是一个庞大而多样的群体，包括糖、淀粉、糖原和纤维素。饮食中的碳水化合物为动物提供了大部分能量，在动物体内，它们运输和储存能量。
碳水化合物根据大小分为三大类：单糖（单糖）、二糖（双糖）和多糖（多糖）。
单糖是最小的碳水化合物分子。最重要的单糖是葡萄糖，它为细胞提供了大部分能量。它由一个6个碳原子的环组成，并附有氧和氢原子。
二糖是由2个单糖连接而成。蔗糖（食糖）、麦芽糖和乳糖（乳糖）是三种重要的二糖。它们在肠道中被消化酶分解成单糖。
多糖如淀粉、糖原和纤维素是由数十或数百个单糖连接而成。与单糖和二糖不同，多糖尝起来不甜，而且大多数不溶于水。
- 淀粉是植物储存从太阳获得的能量的主要分子。它存在于大麦等谷物和马铃薯等根茎类植物中。
- 糖原是动物用来储存能量的多糖，存在于肝脏和移动骨骼的肌肉中。
- 纤维素构成植物的坚硬细胞壁。其结构类似于糖原，但哺乳动物无法消化它。奶牛和马在肠道特殊部位的细菌帮助下可以食用纤维素。
脂肪或脂类在细胞周围的细胞膜中发挥重要作用，并形成皮肤下方的绝缘脂肪层。它们也是高度浓缩的能量来源，在饮食中摄入时，每克提供的能量是碳水化合物或蛋白质的两倍以上。
与碳水化合物类似，脂肪包含碳、氢和氧，但与碳水化合物不同的是，氢原子和氧原子的数量之间没有特定的关系。
动物在饮食中摄入的脂肪和油被称为三酰甘油或中性脂肪。三酰甘油的基本组成单元是3个脂肪酸连接到甘油（甘油醇）的骨架上。当摄入脂肪时，消化酶会将分子再次分解成单独的脂肪酸和甘油。
脂肪酸分为两种：饱和和不饱和脂肪酸，这取决于它们在其组成中是否含有大量（饱和）或少量（不饱和）氢，以及碳之间是否存在至少一个双键（饱和）或不存在（不饱和）。动物体内和乳制品中发现的脂肪主要包含饱和脂肪酸，在室温下往往呈固态。鱼类和家禽脂肪以及植物油主要含有不饱和脂肪酸，在室温下呈液态。
磷脂是含有磷酸酯基团的脂类。它们在细胞的细胞膜中发挥重要作用。
蛋白质是细胞中第三大类有机化合物——事实上，如果你将细胞干燥，你会发现剩余的干燥粉尘中约有2/3是由蛋白质组成的。与碳水化合物和脂肪一样，蛋白质也包含C、H和O，但所有蛋白质还包含氮。许多蛋白质还包含硫和磷。
在细胞中，蛋白质是细胞质膜的重要组成部分，但其最主要的作用是作为酶。这些分子充当生物催化剂，对于生化反应的进行是必不可少的。蛋白质也存在于皮肤、羽毛和头发中的角蛋白、肌肉、抗体和一些激素中。
蛋白质由称为氨基酸的小分子长链构成。有20种常见的氨基酸，这些氨基酸以不同的顺序和数量排列，形成了动物体内存在的多种不同的蛋白质。
氨基酸长链通常与其他氨基酸链连接，由此产生的蛋白质分子可能会扭曲、螺旋和折叠成复杂的3D形状。例如，请参见下图中溶菌酶的蛋白质结构图。信不信由你，这是一种相对较小且简单的蛋白质。
正是这种形状决定了蛋白质在细胞中的行为，尤其是在它们充当酶时。如果出于任何原因这种形状发生改变，蛋白质就会停止工作。如果蛋白质被加热或置于过酸或过碱的溶液中，就会发生这种情况。想想鸡蛋在烹饪时“蛋白”会发生什么变化。“蛋白”含有蛋白质白蛋白，这种蛋白质在烹饪过程中会发生永久性改变或“变性”。高温对酶的灾难性影响是动物在暴露于高温下会死亡的原因之一。
在动物的饮食中，蛋白质存在于肉类（肌肉）、乳制品、种子、坚果和豆类（如大豆）中。当肠道中的酶消化蛋白质时，它们会将其分解成单独的氨基酸，这些氨基酸足够小，可以被吸收进入血液。
- 离子是带电粒子，电解质是离子在水中的溶液。
- 碳水化合物由碳与氢和氧（比例与水相同）连接而成。细胞主要利用碳水化合物作为能量来源。
- 脂肪也由碳、氢和氧组成。它们是强大的能量来源，也用于绝缘。
- 蛋白质是身体的构建材料，并作为酶促使细胞反应发生。它们除了包含碳、氢和氧外，还包含氮。
- 许多蛋白质还包含硫和磷。
1. 原子和分子的区别是什么？
2. 小苏打的化学名称是什么？
- 它的化学式是什么？
3. 写出碳酸分解成水和二氧化碳的方程式。
4. 食盐水溶液是电解质的一个例子。
- 该溶液中存在哪些离子？
5. 哪种元素始终存在于蛋白质中，但通常不存在于脂肪或碳水化合物中？
6. 列出葡萄糖和糖原的三个区别。
- 1.
- 2.
- 3.
7. 一克糖和一克黄油，哪一个能提供更多的能量？
8. 为什么有机化合物往往比无机化合物更复杂且更大？
碳水化合物、脂肪和蛋白质的良好总结。