分子、饮食、运输与健康

离开肺部的红细胞携带氧气（结合于血红蛋白），经动脉流动，挤过比自身直径更窄的毛细血管，向呼吸细胞释放氧气，最后经静脉回流。这段旅程中的每一个结构均由本单元介绍的分子构建而成，所有相关考题均要求你将结构与功能联系起来。

WBI11 分子、饮食、运输与健康 是第一门 IAS 单元：一份书面试卷，时长 1 小时 30 分钟，共 80 分，全部必考。考察主题 1（分子、运输与健康）和主题 2（膜、蛋白质、DNA 与基因表达）。预期会有关于健康研究的数据题、科学计数法计算题，以及需要命名结构并解释机制的长答题。

水是运输介质，因为它是一种极性溶剂（polar solvent）。在水分子中，氧原子对共用电子的吸引力强于氢原子：每个 O–H 键在 O 端带有微弱负电荷，在 H 端带有微弱正电荷。这就是水的偶极（dipole）性质。相邻分子间的异性电荷形成氢键（hydrogen bonds），而极性或带电粒子（如葡萄糖、钠离子、氨基酸）因被水分子簇包围而溶解。

碳水化合物通过两种反应连接或分解：

• 缩合（Condensation）反应在两个糖分子间形成糖苷键（glycosidic bond）时脱去一分子水。
• 水解（Hydrolysis）反应则加入水分子并断裂该化学键。

两分子葡萄糖缩合生成麦芽糖；葡萄糖加果糖生成蔗糖；葡萄糖加半乳糖生成乳糖。长链聚合物构成多糖：直链淀粉（amylose，由1,4-糖苷键连接，卷曲成螺旋状，结构紧凑）、支链淀粉（amylopectin）和糖原（glycogen，两者均为1,4-主链带1,6-分支；糖原是动物肝脏和肌肉中的储能物质）。分支结构意味着拥有多个链末端，便于快速释放葡萄糖；螺旋结构则使大量能量可储存在有限空间内。

核心实验 1：估算糖和淀粉浓度

还原糖在加热条件下能将蓝色的本尼迪特试剂还原，产生砖红色沉淀。若要估算未知样品的浓度，可将颜色与已知浓度的标准液对比，或使用分光光度计读取吸光度值。

例题检查。 浓度分别为 0、0.5、1、2 和 4 % 的标准品对应的吸光度为 0.02、0.09、0.18、0.35、0.64。未知样品的吸光度为 0.58。在直线段，每增加 1 % 约增加 0.16 吸光度，因此未知样品浓度接近 $0.58/0.16 \approx 3.6\%$。读取超出标准品范围的数据（外推超过 4 %）不如在标准品范围内测量可靠——这是考官希望考生指出的要点。碘遇淀粉变蓝黑色；蓝黑色的深浅可给出类似的淀粉含量估计。

一个甘油三酯 甘油三酯由一分子甘油和三分子脂肪酸通过三次脱水缩合反应形成的酯键 酯键连接而成。饱和 饱和脂肪酸不含C=C双键：直链结构紧密堆积，因此动物脂肪在室温下呈固态。不饱和 不饱和脂肪酸含有一个或多个双键，使碳链发生弯曲，堆积较松散，因此油脂呈液态。脂类每克储存的能量多于碳水化合物，因为其还原程度更高。

扩散作用仅能为厚度仅为零点几毫米的细胞提供物质。大型生物需要大规模运输 大规模运输系统：即由泵和管道组成的循环系统，负责输送每个细胞的养分并运走代谢废物。三种血管类型对应三种功能：

哺乳动物心脏是一个器官内包含两个泵。右心将血液泵入肺部；左心室壁较厚，将血液泵入全身。心房接收血液，心室射出血液。冠状动脉为心肌本身供血——若此处堵塞则引发心肌梗死。

心动周期

一次心跳分为三个阶段。心房收缩期 心房收缩期将最后一部分血液挤入心室。心室收缩期 心室收缩期使心室内压超过动脉压，半月瓣打开，血液被射出。舒张期 舒张期肌肉松弛，压力下降，半月瓣迅速关闭（产生第二心音），心腔从静脉重新充盈。

按照考官要求解读图表：瓣膜的开闭状态完全由压力差决定，而非某种指令。当心房内压高于心室内压时，房室瓣开放；当心室内压高于主动脉压时，半月瓣开放。

血红蛋白是由四条多肽链组成的蛋白质，每条链折叠包裹着一个携带一个Fe²⁺离子的血红素 血红素基团，每个基团结合一个O₂分子——共四个。结合第一个氧分子会改变整个分子的构象，使后续结合更容易：协同结合 协同结合使氧解离曲线呈现先平缓后陡峭的S形。

在肺部（高 pO₂）处，曲线在 100 % 饱和度附近趋于平缓。在静息组织（约 1–2 kPa）处，曲线陡峭，因此 pO₂ 的微小下降即可释放大量氧气——这正是氧气需求最大的地方。当组织剧烈呼吸时，会释放更多二氧化碳；氢离子结合到血红蛋白上，使整条曲线右移（波尔效应），迫使在代谢最旺盛的组织中进一步释放氧气。

例题检查。 在 pO₂ 为 2 kPa 时，正常曲线显示饱和度约为 30 %，而右移后的曲线约为 15 %——在该分压下，血红蛋白携带的氧气量仅约为原来的三分之一，因此其四个结合位点中的大部分会更早地释放给组织。

动脉粥样硬化 动脉粥样硬化始于内皮 内皮层的损伤。炎症反应加剧，低密度脂蛋白侵入，平滑肌和结缔组织形成斑块 斑块，导致动脉狭窄变硬，最终可能形成血栓堵塞血管或脱落。

凝血过程本身是一系列级联反应。组织损伤释放凝血酶原激酶 凝血酶原激酶，后者（在钙离子参与下）将可溶性血浆蛋白凝血酶原 凝血酶原转化为酶凝血酶 凝血酶；凝血酶再将可溶性的纤维蛋白原 纤维蛋白原转化为不溶性的纤维蛋白 纤维蛋白网，捕获血小板和血细胞。

血压 血压报告形式为收缩压/舒张压。高血压、吸烟、高LDL胆固醇、饮食、缺乏运动、年龄、性别和遗传是危险因素 危险因素——它们的作用是相乘而非相加：两个中度风险的影响可能大于一项重度风险。

阅读健康风险数据

每份试卷的第 8 和第 9 题均在此处出现。四种习惯覆盖了几乎每一分的得分点：

• 相关不等于因果。 相关不等于因果 两个变量同步变化可能源于隐藏的第三因素，或者这种关联纯属偶然。
• 评估研究：样本量有多大？如何选取的？哪些因素得到了控制？是否采用了盲法？是否存在混杂变量，如年龄或吸烟等？
• 仔细进行算术运算：百分比变化、标准形式下的比率以及人均率。
• 询问缺失的对象或数据：未响应者、未发表的研究、外推曲线。

例题检验。 一项研究发现牙周病与内皮损伤相关。在声称前者导致后者之前，你需要寻找机制、剂量-反应模式，并排除混杂因素（饮食、吸烟、年龄）——而“两组血压是否匹配”这个问题正是一个关于混杂因素的提问。

能量平衡决定体重。超重和肥胖通过BMI（体重kg除以身高m的平方；18.5–24.9为健康范围）和腰臀比（WHR）来筛查。膳食饱和脂肪会升高血液LDL胆固醇；不饱和脂肪和可溶性纤维则会降低它。

例题检验。 一名质量为74 kg、身高为1.66 m的女性：BMI为$= 74 / 1.66^2 = 74/2.76 = 26.8$ —— 刚刚进入超重范围。腰围84 cm和臀围98 cm得出的WHR为$= 84/98 = 0.86$。

所有治疗都伴随着风险与收益：

• 抗高血压药（β受体阻滞剂、血管紧张素转换酶抑制剂、利尿剂）可降低血压。
• 他汀类药物（例如辛伐他汀）阻断肝脏中胆固醇合成的一种酶，从而使细胞从血液中摄取LDL。
• 抗凝剂（华法林）和抗血小板药物（阿司匹林）减少凝血，因此出血风险增加。

要求你“讨论”的问题需要呈现正反两方面观点，并结合所给数据进行判断。

每一个交换表面都是一层膜在进行受控的物质交换。流动镶嵌模型是被广泛接受的图像：磷脂双分子层（因尾部可以滑动而具有流动性），镶嵌着贯穿双分子层的内在蛋白（通道蛋白、载体蛋白）、外在蛋白、调节流动性的胆固醇，以及用于识别的糖蛋白和糖脂。

四种运输途径：

• 扩散 —— 顺浓度梯度的净移动，不消耗ATP。
• 易化扩散 —— 顺浓度梯度通过通道蛋白或载体蛋白进行。
• 主动运输 —— 逆浓度梯度进行，由ATP供能，通过发生构象变化的载体蛋白完成。
• 渗透 —— 水分子从高水势一侧穿过半透膜向低水势一侧移动。胞吞作用和胞吐作用则通过囊泡移动大分子物质。

对于扩散，根据菲克定律：速率与（表面积 × 浓度差）÷ 扩散距离成正比。气体交换表面满足这三个条件：巨大的面积、维持的浓度梯度以及仅有一两层细胞厚的壁。这就是为什么肺泡、毛细血管和鱼鳃都具有这种形态的原因。

氨基酸在一个中心碳原子上携带氨基、羧基、氢原子和R基团；两个氨基酸通过肽键在脱水缩合反应中连接。一级结构是序列；氢键使其卷曲形成二级结构；进一步的氢键、离子键和二硫键折叠成三级结构；独立的链组装成四级结构 —— 血红蛋白是经典例子。

酶是一种蛋白质，其活性部位与特定底物形状相匹配。结合并非刚性的：诱导契合模型认为分子和部位都会发生形变直至互补。这就是为什么温度和pH值的变化会影响反应速率 —— 它们作用于三级结构 —— 以及为什么活性部位具有特异性。

竞争性抑制剂 竞争性抑制剂结合活性位点，随着底物浓度升高而被大量底物分子占据；非竞争性抑制剂 非竞争性抑制剂结合其他部位并改变活性位点构象，因此无论底物浓度如何，反应速率都会下降。

例题检查。 Q10 引用自 2.4：在 10 °C 和 20 °C 之间，速率快 2.4 倍；在 45 °C 和 55 °C 之间，同样的倍数意味着变性的酶正在以越来越快的速度降解。Q10 仅描述现象，未解释原因。

单核苷酸 单核苷酸由戊糖（脱氧核糖或核糖）、磷酸基团和含氮碱基组成。相邻核苷酸的磷酸与糖之间通过磷酸二酯键 磷酸二酯键连接形成链。DNA由两条反向平行的链组成：A与T配对（两个氢键），G与C配对（三个氢键），并盘绕成双螺旋结构。

复制是半保留 半保留的：解旋酶解开两条链，每条链作为模板，DNA聚合酶 DNA聚合酶按照从 5' 到 3' 的方向连接游离的核苷酸。Meselson和Stahl先将细菌培养在重 ¹⁵N 中，再转移到轻 ¹⁴N 中；经过一轮复制后，所有DNA均为中等密度，经过两轮复制后一半为轻密度——这完全符合半保留复制的预测，而排除了其他假说。

基因是编码氨基酸序列的碱基序列。遗传密码是一种三联体 三联体密码：每个氨基酸对应三个碱基。它是非重叠 非重叠的（按连续分组读取）、简并 简并的（大多数氨基酸有多个密码子，因此某些突变是沉默的），并包含起始密码子和终止密码子。

例题检查。 一个含有 300 个碱基对的基因编码一个包含 99 个氨基酸及一个终止密码子的蛋白质：计算结果为 $99 \times 3 + 3 = 300$。✓

转录：RNA聚合酶结合基因，以一条链为模板合成信使RNA 信使RNA。翻译：在细胞质中，核糖体 核糖体读取mRNA上的密码子，转运RNA 转运RNA分子上的反密码子 反密码子与这些密码子互补配对，按顺序输送氨基酸；肽键将它们连接起来。

突变 突变源于复制错误。替换 替换用一种碱基替代另一种：可能导致一个氨基酸改变，或者由于简并性而无变化。插入 插入或缺失 缺失会增加或减少一个碱基，导致其后的整个阅读框发生移动——即移码 移码——通常会破坏蛋白质功能。

囊性纤维化是该课程的研究模型：三个碱基的缺失导致CFTR蛋白中少了一个苯丙氨酸，致使氯离子运输失败、粘液变稠以及气道阻塞。该等位基因为隐性：携带者表现健康。基因筛查 基因筛查可以识别携带者、对胚胎进行检测（植入前遗传学诊断）或对胎儿进行检测（羊水穿刺、绒毛取样）。筛查问题始终涉及伦理：谁接受检测、谁被告知结果、阳性结果如何处理。

1. 解释为什么支链淀粉比直链淀粉释放葡萄糖更快，需提及化学键和链末端。
2. 计算一名体重为 91 kg、身高为 1.83 m 的男性的BMI并进行分类。
3. 在心室收缩期，哪些瓣膜开放，哪些关闭？原因是什么？
4. 当CO₂浓度升高时，4 kPa下的氧饱和度从约 60 % 降至约 34 %。请解释其分子机制。
5. 按顺序描述凝血级联反应，从内皮损伤到纤维蛋白的形成。
6. 一项研究表明吃更多酸奶的人心脏病发作更少。在相信这一因果关系之前，列出你会进行的三项核查。
7. 解释为什么竞争性抑制剂在低底物浓度下会降低反应速率，但在极高浓度下不会。
8. Meselson和Stahl排除了全保留复制。哪一项在一轮复制后的观察结果起到了关键作用？
9. 移码突变通常比替换突变更严重。请使用“三联体”和“简并”这两个词解释原因。
10. 列举囊性纤维化携带者进行基因筛查的两项好处和两项风险。

答案：1 多 1,6-分支点为酶提供了多个链末端，使其可同时攻击；2 $91/1.83^2 = 27.2$，超重；3 房室瓣关闭，半月瓣开放，因为心室压力超过主动脉压但未超过来自上方的心房压；4 CO₂ 释放的氢离子与血红蛋白结合，改变其形状并降低对氧的亲和力（波耳效应）；5 损伤暴露胶原，血小板和受损细胞释放组织凝血活酶，组织凝血活酶 + Ca²⁺ 将凝血酶原转化为凝血酶，凝血酶将纤维蛋白原转化为纤维蛋白，纤维蛋白网捕获血细胞；6 样本量与选择、混杂因素如年龄/运动/饮食、盲法比较、机制或剂量-反应关系；7 抑制剂竞争活性位点，因此在极高底物浓度下，几乎所有与位点的碰撞均为底物；8 一轮复制后所有DNA均呈单一中间条带——保守复制预测应出现一条重带和一条轻带；9 移码突变改变突变点后所有三联体，导致该点起整个蛋白质氨基酸序列不同，而简并性使许多替换不改变任何内容；10 益处——知情家庭规划、早期治疗或生活方式改变；风险——焦虑、保险商或雇主歧视、假阳性或假阴性。