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压力平衡与人体健康

投稿时间:2018-11-25 11:27 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

动物与植物的最大区别,就在于动物能整体自主移动,能对不同的环境进行选择。“能动”这一特征就要求动物体内必须具备自身的运动构成,对于人体来说,就是要具备运动系统和保证运动的能量供给系统。因此机械力与化学能之间的转化是人体能行使功能的必须,并且这种转化是在生物电的控制之下[1-4],主要通过渗透压和纤维装配压两个机理完成的[5-7]。本文主要论述压力平衡与人体健康的微观相关性。

钙与人体健康密切相关。其中的钙化也称矿化,发生在从胚胎发育、器官组织分化,到中、老年阶段的骨质增生及骨密度减小的几乎所有生命过程中。钙离子又是所有细胞生物进行自身调节的主要介质信号,又称第二信使。不过,至今其机理仍是业内研究的前沿课题。近代业内相关研究的方向,主要集中于分子细胞生物学领域的微观结构及组成方面。也就是说,主要注重了DNA、RNA及蛋白质的结构组成及修饰。由于受相关研究工具的限制,对细胞器等亚细胞层次、纳米尺度上的分子细胞流体动力学的理论研究相对落后。本文以物理学和生物化学的有关基本原理为基础,主要讨论钙化及老年骨质增生与压力平衡之间的关系。

细胞生物的亚细胞结构有两个主要的类型:线性的纤维状结构和膜性的分室化结构。为什么生命在微观层次上普遍采用了膜性的分室化结构?由化学常识可知,溶液浓度等于溶质的物质的量与溶液的体积之比,即c = n/v. 对于生化反应引起的同样溶质数量的变化,?n,在生物膜隔离开来的极小体积的胞浆空间中,v越小,越能极大的放大?n,而成为溶质浓度的极大变化?c. 因为v在分母上,v越小其比值越大。此系统中?c的变化通常就是渗透浓度的变化,它能通过渗透压改变膜两侧的压力平衡。

根据物理化学原理,溶液的渗透压具有依数性,也就是说,溶液的渗透压只与渗透质的颗粒数量成正比,而与溶质的性质无关。无论是一个体积宏大的、分子量达几万的、可溶性球蛋白,还是一个极小的金属离子,也不管溶质的性质及功能如何,它们对渗透压的贡献几乎都是相等的。因此,在漫长的生命进化中,细胞采用了体积及分子量都很小的金属离子,例如钙、钠等离子,来作为调节细胞器间压力的介质,是最为上等的进化选择。早在上世纪80年代,人们就已经发现在细胞膜或细胞器的生物膜上都有专属的离子通道蛋白和水孔蛋白,钙-钠离子交换已经成为了业内公认的离子跨膜方式。

钙离子带有两个正电荷,钠离子只有一个。当进行跨膜交换时,电荷平衡要求一个钙离子必须和两个钠离子交换。而压力平衡则要求一个钙离子只能和一个钠离子交换。否则平衡就要发生移动或膜的两边就会产生电势差。

Ca2+ ? 2Na+

当一个膜性细胞器受到外加的压力作用时,它的内部平衡会向着减小压力的方向移动。压力如何才能减小呢?在电荷平衡下,进入1个钙离子,交换出2个钠离子,内部总溶质颗粒数就会减少1. 也就是说,内部钙离子增多,必然钠离子双倍的减少,以减小渗透浓度,来降低内部压力。从而以平衡移动来达到新的平衡。浓度变化对渗透压π的影响可由范特荷夫渗透压方程来表示:

π = cRT

式中R是普适气体常数,T是绝对温度。渗透压对细胞及亚细胞膜性结构的影响是显著的。例如,将红细胞放于高渗溶液中,它就会皱缩;放于低渗溶液中就会膨胀。人体内的胃液、胆液、脑脊液、各器官的组织液的渗透压大致都相等。人体输液时必须使用等渗液,就是这个道理。即使配制的眼药水,也必须要符合等渗才行,否则就会对眼有刺激,感觉特别疼。所以在组织、细胞水平上,渗透压是进行生理和生化调节的一种重要机制。

通常情况下,细胞内都有钙库。当胞内钙浓度过高时,就会以消耗ATP为代价,将钙离子储存于胞内钙库或排出胞外,维持正常的胞内低钙水平。

生理条件下,体液中的钙离子浓度与磷酸根浓度(以[P]表示)的乘积称为钙磷积,为一常数,其有一个不太宽的上限和下限范围。

[Ca]?[P] = 常数

在长期的压力作用下,若因钙离子的浓度升高,而导致超过了正常生理条件下的钙磷积,就会以碱式磷酸钙(也称为羟基磷灰石)的形式进行结晶沉淀,这也就是业内所说的钙化或矿化过程。通常钙化过程发生在骨组织的成骨细胞,而钙溶过程发生在骨组织的破骨细胞。

磷酸根在体液内通常以磷酸一氢根和磷酸二氢根的形式存在,并且存在多级酸式离解平衡。因此体内还可以通过体液的pH来调节磷酸根的自由离子浓度,从而调节钙磷比。所以人体是一种由多种平衡组成的复杂的多平衡体系。

人体在胚胎发育和器官组织的分化过程中,相关细胞的经常性活动产生的压力会诱导成骨细胞的分化和钙化,直到骨骼的形成。经常性的运动和锻炼,对局部组织和细胞产生的压力,能促进钙化过程,增加骨质密度。骨折后的病人长期卧床,钙化的逆过程——钙溶出,就会发生,其骨质密度就会明显减小。所以锻炼是骨折病人康复的必要条件。

儿童在萌牙前经常本能性的在嘴里用力咬些玩具类,就是萌牙钙化过程的压力需要。所以在童年或青年期,常吃些较硬的食物,则有利于牙齿的钙化与发育。在中、老年期,经常吃些适当硬度的食物,也能增强牙齿的健康及防止牙齿的早退。

人区别于其它的四肢哺乳动物,进化为直立行走,这是一次极大的进步。但原来的颈椎曲和腰椎曲却难以完全跟随适应,在年轻时的柔软身体是没有问题的。但是中年,尤其是女性更年期之后,身体的柔度和可塑性降低,长期不合适的工作姿态就会通过压力平衡的改变而在椎体的受压一侧发生骨质增生。当骨质增生压迫到椎管内的神经时,骨质增生的显性症状就会出现。医院临床对骨质增生病症的牵引治疗,就是利用了压力平衡与骨质的钙化平衡间的相互转化和相互影响。

总之,锻炼是对维持人体机能正常运行的重要保证。活动,活动,活着就要动,动是活的象征。什么保健药品,也不如锻炼。只要因人而异,不要过分,锻炼就不会有丝毫的负作用。只要是骨骼运动系统的疾病,坚持适当的锻炼,都会有明显的好转。

参考文献:

1、王孝恩,生物电的本质(修改稿),中科院科学智慧火花,2017-01-02.

2、王孝恩,生物电与膜电位,中科院科学智慧火花,2017-02-05.

3、王孝恩,生物电与膜电位的离子基础,中科院科学智慧火花,2017-02-08.

4、王孝恩,生物电及膜电位的热力学基础,中科院科学智慧火花,2017-02-12.

5、王孝恩,生物电与肌肉收缩的渗透压机理,中科院科学智慧火花,2017-02-22.

6、王孝恩,所谓的蛋白马达,实质上的纤维装配压,中科院科学智慧火花,2017-03-19.

7、王孝恩,纤维装配压模型的热力学及动力学基础,中科院科学智慧火花,2017-04-05.