2014年1月4日 星期六

動物的飲食必須攝取某些必須胺基酸 Animals Require Certain Essential Amino Acids in Their Diet

探索生命《生物學》142
Jose Carreras canta: Che Gelida Manina 1982
1.     動物的日常飲食必須持續攝取蛋白質與胺基酸,大部分的動物已經失去合成某些胺基酸的能力,必須在飲食中攝取那胺基酸,這類胺基酸稱為必需胺基酸essential amino acids。
2.     「必需胺基酸」這個名稱會讓人誤以為,其他胺基酸是不必要的,然而事實並非如此,必需胺基酸以外的其他胺基酸,也是維繫生命必需的養份。
3.     「必需胺基酸」的「必需」,意思是飲食中必需含有這些胺基酸,而其他種類的胺基酸,雖然也是維繫生命所必需要的,但是有機體可從其他胺基酸和有機氮化合物合成。
4.     因為身體儲存的胺基酸是有限的,所以日常飲食應該持續供應胺基酸。豐富的蛋白質來源非常重要,因為單一種蛋白質無法涵蓋所有必需胺基酸。
5.     動物性蛋白質,例如肉類、雞蛋、魚類屬於高蛋白,含有一切必需胺基酸,並且這些肉類含有適合人體吸收比例的必需胺基酸比例。植物性胺基酸比例則不是如此,大部分的植物都缺乏一種或一種以上的胺基酸。
6.     舉例來說,玉米缺乏足夠的色胺酸tryptophan和離胺酸lysine,以玉米為主食的人,不僅無法攝取到色胺酸和離胺酸,也無法獲得其他必需胺基酸。
7.     由於身體必需同時獲得正確比例的必需胺基酸,才能有效地進行蛋白質合成,身體缺少某一種蛋白質,其他種類的蛋白質含量也會跟著下降,並且因為蛋白質無法儲存,所以蛋白質一定會因為身體的新陳代謝和分泌而流失。
8.     有一種避免缺乏必需胺基酸的方法是,讓飲食包含多種不同的蛋白質,可是很不幸地,這世界有許多地區的食物不足。
9.     這世界有相當大比例的人口,罹患蛋白質能量營養不良症protein-energy-malnutrition, PEM。有些營養不良症是攝取的卡路里不足,但通常是因為沒有持續攝取蛋白質和維他命。
10. 有一種特別嚴重的蛋白質缺乏症是惡性營養不良症kwashiorkor,它的病症包括肝退化、貧血症、皮膚炎症。
11. 一個國家如果飲食的主食只有一種穀物,兒童普遍罹患惡性營養不良症,例如印度的主食是米,非洲和拉丁美洲的主食是玉米。
12. 玉米在世界各地是第二大或第三大農作物,玉米是許多營養不良地區的主食。因此科學家努力研發含有優質蛋白的玉米品種,研究成果十分豐碩,優質蛋白玉米QPM的蛋白質,是原本玉米的2倍,蛋白質含量幾乎等於牛奶。
13. 優質玉米已經在世界各地許多地區進行測試,以瞭解優質玉米對不同天候、降雨、溫度、土壤、害蟲……的適應性。如果田野測試成功,對墨西哥與中美洲等貧窮國家來說便是一大福音,這些地區人民攝取的穀物有85%是玉米。
14. 素食者必須注意攝取的植物蔬果,它們的蛋白質是否能互補。舉例來說,豆類蛋白質欠缺甲硫胺酸methionine,而麥子則欠缺離胺酸lysine。如果一餐裡面同時攝取豆類和麥子,養分互補就不會欠缺甲硫胺酸或離胺酸。
15. 此外,過去習慣吃肉的人,轉而吃素後,蛋白質食物攝取量必須更大,因為植物性蛋白質食物裡,有許多胺基酸是多餘無用的。
16. 我們必須在飲食中攝取足夠的蛋白質與胺基酸,因為蛋白質是建構身體組織的重要材料,蛋白質構成細胞膜的一部分,蛋白質是肌肉、皮膚、骨骼、肌腱、頭髮的主要成分,蛋白質是身體生長、修復與維持的必要物質。
17. 酵素也是蛋白質,酵素能催化細胞內所有的化學反應。此外,胺基酸裡的有機氮能用來合成核甘酸、磷脂質和其他含氮的化和物。

La boheme-Gallardo Domas-Alvarez-Che gelida manina
脂質是高濃度的能量來源 Fats Are a Concentrated Source of Energy
18. 脂質是富含能量的化合物。脂質的卡路里是碳水化合物或蛋白質的2倍,也因此脂質被用於儲存能量。此外,脂質也有隔離、襯墊的用途,可保護體內某些器官。
19. 大部分動物將碳水化合物,轉變成脂質,沈積儲存於體內;這些儲存的脂肪讓動物飲食缺少或沒有脂質時,仍然能夠存活或成長。
20. 有些動物,包括人類和老鼠,無法合成足夠的亞麻油酸linoleic acid,而亞麻油酸又是合成某些脂質必需的原料,對這類動物來說,亞麻油酸便是必需脂肪酸essential fatty acid。
21. 為了讓脂溶性維他命適當地吸收,飲食一定要含有脂質。人類需要的脂質很少,因為過量的碳水化合物或蛋白質會被轉換成脂質。飲食只要有5%脂質就夠了,但美國人的飲食約有40%是脂質。
22. 攝取消化的脂質,到底是哪一種脂質,這也很重要。證據顯示,提高不飽和脂肪/飽和性脂肪的比例(意思是多攝取不飽和脂肪),有助於防制動脈硬化症atherosclerosis。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》;圖片來源/Thegreenforks.com、Nature.com、microbiologyonline.org.uk、dailymail.co.uk

異營性有機體的營養攝取 Nutrient Procurement in Heterotrophic Organisms

探索生命《生物學》141
Luciano Pavarotti sings "Che gelida manina"
1.     異營性機體無法從低能量的無機物,製造出身體需要的高能量化合物。然而,異營性有機體與所有生物一樣,需要高能量的化合物維持生理運作與成長。因此,異營性有機體必須攝取預先合成好的高能量營養物。
2.     異營性有機體可分為四類:不行光合作用的細菌nonphotosynthetic bacteria、原生生物protozoa、真菌fungi和動物animals。
3.     不行光合作用的細菌和真菌,缺少體內消化系統,主要靠著從環境吸收養分來進食,屬於吸收型異營性生物absorptive heterotrophs;
4.     吸收型異營性生物通常若不是腐生性的saprophytic(靠攝取死掉的有機體物質為生),就是寄生性的parasitic(靠攝取活的有機體物質為生);
5.     另外一方面,動物和原生動物的主要模式為攝取大塊的食物,再予以消化。這類有機體為攝食型異營性生物ingestive heterotrophs。
6.     動物和原生動物有可能是草食性的herbivores,吃綠色植物獲得高能量化合物,有些是肉食性的carnivores,有些是雜食性的omnivores,植物和動物都吃。
7.     不論異營性有機體是腐食性或寄生性,草食性、肉食性或雜食性,它們的能量原始來源都是綠色植物,由綠色植物利用太陽的輻射能合成營養物。
8.     「吸收型有機體」與「攝食型有機體」彼此的差異,與它們和綠色植物之間的差異一樣大,生物的多樣性,反映出生命為了適應環境,演化出三種攝取營養的模式—光合型、吸收型和攝食型。

Roberto Alagna "Che gelida manina" (La Boheme) 
所有異營性生物都需要大量食物提供的養分 All Heterotrophs Require Certain Nutrient in Bulk
9.     碳水化合物、脂質、蛋白質和水,是異營性生物的主要營養物。碳水化合物—葡萄醣與其他醣類—是主要的能量來源,提供有機體醣解作用glycolysis和有氧呼吸所需的燃料。
10. 碳水化合物還有另一個非常重要的功能,它們提供碳骨架,作為合成新的有機分子所需的材料。
11. 有些異營性生物—其中包括數種細菌和真菌,與少數的原生動物—光靠攝取碳水化合物和礦物質,便能生長得很好,不需要蛋白質;因為它們跟植物一樣,能將「無機氮」與碳水化合物提供的「碳骨架」結合,製造出「胺基酸」。
12. 這些異營性生物—其中包括數種細菌和真菌,與少數的原生動物—也能為自己合成生命所需的其他化合物(蛋白質、脂質和胺基酸)。
13. 然而大部分的異營性生物,如果只攝取「碳水化合物」和「礦物質」是不夠的,動物無法自行合成許多生命必需的複合有機分子。
14. 大部分的動物特別需要「有機氮」(胺基酸和蛋白質),它們如果只攝取「碳水化合物」很快就會死亡,因此,動物必須吸收植物合成的大型營養化合物(含有胺基酸和蛋白質)。
15. 動物演化出許多特殊的適應特徵,像是身體結構、消化道與各種不同的進食方式,將從環境攝取的養分,作最有效的利用。
16. 最近十年,營養科學能精確地判斷出,飲食應當含有多少份量的脂質、蛋白質、碳水化合物、維他命,才能促進人體健康。
17. 人類的日常飲食必須含有足夠的熱量與充足的水、蛋白質、脂質、維他命、礦物質。如果攝取的熱量太低,身體儲存的蛋白質與脂肪會斷裂,以釋出能量供應身體;如果攝取的熱量太多,身體會過度肥胖。
18. 美國中產階級40~50%的熱量來自於碳水化合物,35~40%的熱量來自於脂肪,15%的熱量來自於蛋白質。美國心臟協會建議,為了健康起見,我們日常飲食攝取的卡路里不應超過30%。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》;圖片來源/Thegreenforks.com、Nature.com、microbiologyonline.org.uk、dailymail.co.uk

2014年1月2日 星期四

植物與其他自營性生物的營養攝取與氣體交換 摘要

探索生命《生物學》140
Ludwig van Beethoven: Symphony No. 8 in F Major, Mvt 1 "Allegro vivace"
1.     所有的有機體都需要蛋白質、碳水化合物、脂質、核甘酸維持生命運作。能夠「將無機性原料製作成身體所需的有機養分」的有機體,稱為自營性 autotrophic;無法「將無機性原料製作成身體所需的有機養分」的有機體,稱為異營性heterotrophic。
2.     大部分自營性生物都能行光合作用photosynthetic,它們利用光能驅動有機化合物的合成作用;綠色植物是最大的光合作用有機體族群,它們需要二氧化碳、水、氧氣和某些礦物質養分。植物合成有機分子需要礦物質。
3.     溶解於土壤水分裡的礦物質,以離子的形式被植物吸收。土壤供應無機離子的能力,取決於土壤的肥沃度與pH值(酸鹼度)。植物的根吸收礦物質營養的程序,涉及簡單擴散、便利性擴散和主動運輸。大部分的離子經由主動運輸進入植物體。
4.     豆科植物與某些細菌形成互利共生的關係。這些細菌能夠將「氮氣」轉換成「氨」,供應植物合成「胺基酸」與其他「有機化合物」。植物回到細菌生長所需的有機化合物養分。
5.     植物光合作用所需的「二氧化碳」,以擴散作用進入葉片,由葉片內的細胞吸收。葉片的表皮有小開口氣孔,讓二氧化碳能夠穿透葉片表皮,供應葉片內的細胞使用。
6.     大部分的高等植物用「根」吸收土壤的養分。典型的「根」,有許多分支與根毛,以大幅增加吸收面積;「菌根」與維管束植物的根連結,能幫助植物吸收水和離子,讓植物在嚴苛的環境下生存。根也能吸收有機化合物,根的另一個功用是,將植物固定於土壤。
7.     根從土讓吸收的水分的其中一個方式,讓水直接穿過表皮細胞epidermal cells,沿著原生質絲構成的網絡「共質體symplast」,穿越皮層細胞cortex,進入到中柱stele;
8.     水進入根部的另一條途徑是,水穿過根的表皮後,經由細胞壁與細胞間隙構成的「非原生質apoplast」系統,穿越皮層細胞,在這個過程裡,水毋須進入細胞。
9.     然而,區隔皮層與維管束中柱的內皮endodermis,是阻斷水的障壁。內皮細胞壁周圍環繞一圈卡氏帶Casparian strip,在內皮細胞間形成防水層,水無法從內皮細胞之間滲透進中柱。因此,所以的物質都必須先進入內皮細胞,才能抵達中柱,這讓植物能夠操控流入維管組織的物質。
10. 少數光合作用植物,會以獵捕昆蟲和其他小動物來消化的方式,獲得有機化合物,補充無機飲食的不足。
11. 無論是植物或是動物,有氧呼吸都是主要的呼吸模式。大部分的有機體,包括植物,都需要獲得氧氣,排除二氧化碳廢棄物的機制。此外,植物需要二氧化碳進行光合作用。
n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》