大脑思维的化学基础

摘要： 大脑脂肪占大脑干物质的60%，是人类思维的基础物质。因此大脑脂肪的脂肪酸组成与体内脂肪有很大不同，饱和脂肪酸含量占一半以上，同时含有多量的ω3，ω6长链多不饱和脂肪酸，而一烯酸(油酸)则大大减少。

脂肪与水的水解、酯化、双向可逆反应，提供了二进制计算工具，是思维过程的主要化学基础反应。

脂肪酸及其衍生物的多样性和物理化学活泼性成为思维过程重要的信息传递载体。

饱和脂肪酸的甘油酯与水的反应速度更快，有利于思维敏捷。将饱和脂肪酸列为“坏脂肪”是不恰当的。

为了保持大脑的健康思维和防御大脑疾患，应该重视摄入足够的饱和脂肪酸和必要的ω3，ω6脂肪酸。

关键词： 脂肪，脂肪酸，思维，水解反应，二进制语言，

脂肪是人体的能量储存库，又是人体润滑系统的润滑剂，对软化大脑血管有重要作用[1]。不仅如此，脂肪对于人体更为重大的价值在于，脂肪是大脑思维的化学基础物质。

人脑质量大约为1400克，其中含水78%，脂肪12%，蛋白质8%，糖2%，以及维生素，矿物质等微量元素。在除去水分以外的干物质中脂肪的含量高达60%[3]。大脑储存如此多的脂肪目的是什么？显然大脑不是合适的能量仓库，那么“天生我材必有用”，大脑脂肪必然担负着与思维活动直接相关的重大任务。

人类的思维活动尽管复杂而神秘，但其物质基础必然是化学反应过程。在上述大脑中的四类物质（水、脂肪、蛋白质、糖）之间存在着错综复杂的化学反应，这些反应都对大脑思维活动有不可或缺的重大作用。其中脂肪与水的反应最为重要，是大脑思维的主化学反应。

以记忆过程为例，大脑的记忆与电子计算机很相似，根据计算机“二进制”语言系统可以认为，作为大脑记忆基础的主化学反应必须具备以下特点:

1,必须是典型的双向可逆反应，才能明确地表达二进制语言“0”或“1”的信号。

2,反应速度必须足够快，才能适应思维速度的需要。

3,反应物分子必须拥有多样性的化学特征结构才能适应传递人类思维的复杂信息。

一，脂肪与水的化学反应是思维活动的基础

在大脑的四大化学物质中，糖类含量太少不能承担主思维反应的任务。蛋白质与水的反应较慢，需经过逐级水解为多肽，最后才分解为氨基酸，反应不可逆，不符合以上条件。

唯有脂肪的水解反应能够很好的符合以上条件，成为大脑思维活动的化学基础反应，这也是大脑需要大量脂肪的原因。

脂肪与水的水解反应是典型的可逆反应:

如上图1，脂肪（三甘油酯）与水在酯解酶的催化下分解成脂肪酸，甘油二酯，单甘油酯和甘油，同时脂肪酸和甘油在酯化酶的催化作用下又逆向合成为脂肪。[2]

“水解”和“酯化”的双向可逆反应，类似于电子计算机中的晶体二级管的“开”或“关”，为大脑提供了“二进制语言”的计算、记忆、思维的工具。

在计算机中二极管关断代表数字“0”，连通则代表“1”，用一连串操作晶体管或开或关的信号，就能表达和记住相应的信息。

例如，从“二进制字母表”中可以查到：

英语字母“O”的二进制数码为8位01001111。[4]

英语字母“K”的二进制数码为8位01001011。[4]

将上述二列数码集合，即二极管进行16次相应的开-关操作（犹如发电报）就可以表达“OK！(好)”这个概念。以此类推复杂的文章，图像信息都可以转换成二进制数码予以储存处理。

与其类似，脂肪处于“水解”状态时，甘油上的羟基（-OH）与脂肪酸分子脱离(断开)，代表数码“0”。

而脂肪处于“酯化”状态时，也就是甘油上的羟基与脂肪酸分子相结合(连通)（RC(=O)-OR¹），则代表数码“1”。

通过脂肪16步反复“水解-酯化”反应，同样可以表达上述“OK”的概念，进而记忆、处理相应的信息。

现代计算机的芯片已经达到几纳米的水平，在一个指甲盖大小的芯片上可以集成多达上百亿只晶体管，所以现代计算机功能十分强大。

然而，人脑的计算能力更加强大，因为人脑是以脂肪分子反应为基础的，确切地说甘油分子上的一个羟基就相当于一个晶体管。

以棕榈酸三甘酯为例，棕榈酸三甘酯的分子量为803。根据阿伏伽德罗常数，1克棕榈酸三甘油酯的分子数量为:

1÷803×6.022×10²³=7.4×10²⁰

人脑脂肪含量12%，大约为168克脂肪，每个脂肪分子又拥有3个羟基(类似晶体管)。

因此人脑的脂肪分子计算系统容量相当于

7.4×168×3×10²⁰=3.7296×10²³个晶体管，是极其庞大的数字。人造电子计算机的容量是难以与大脑相比拟的。

二，影响大脑脂肪思维反应的条件

2.1，温度，

温度是脂肪水解反应的重要条件，对思维活动有着重要的影响。

英国剑桥分子生物实验室发现,[3] 健康人大脑内部的温度全天平均为38.5℃，最高达40.9℃。该发现大大出人意料，健康人大脑内部的温度竟然比体温要高出2~4℃。

根据阿累尼乌斯方程k=Ae⁻ᴱᴬ/ᴿᵀ ，

温度与反应速度常数呈指数关系，温度微小的变化，反应速度将明显加快。脑内较高的温度促使脂肪与水的反应速度加快，从而适应快速思维反应的需要，大概这也是人在温暖季节思维比较活跃的原因之一。

2.2，催化剂，

催化剂是脂肪与水反应的必要条件，人体中有充分的脂解酶，酯化酶，胆盐，辅酶等等。这些酶可以由蛋白质在胆囊或小肠内生成 再通过血液输送到大脑，也可以在大脑中直接产生。大脑内部的温度38.5~40℃正是催化剂酶活性最佳的温度。

2.3，反应物质的接触面，

常温下水和脂肪的互溶性很小，脂肪水解反应是在油/水界面上进行，因而反应非常缓慢。

为了加快反应速度就必须扩大油/水的接触面。在现代工业上是采取高温高压的技术来实现。在压力60bar，温度250℃的条件下，提高了水油之间的溶解度，极大增加了水/油接触面，从而在不需要催化剂的情况下，实现了快速连续反应，即“高压无触媒油脂水解”技术。[5]

当然，大脑不可能在高温高压下生存，但大脑大约有150亿个脑细胞，脂肪和水是被分散在150亿个纳米级的脑细胞之中，细胞之间由细胞膜隔开，每个细胞中的脂肪与水几乎以分子状态相接触，同样极大地增大了脂肪与水的接触面，使得水解或酯化反应几乎能够瞬间完成。

因此大脑犹如由脑细胞，脂肪细胞形成的150亿台反应器组成的庞大反应系统。脂肪（包括中间产物单甘酯、二甘酯）脂肪酸，甘油与水，酶在反应器中，按照思维活动的需要，一刻不停进行着正向的油脂水解反应和逆向酯化反应，从而维持着大脑思维活动的远转。

2.4脑电波的产生也是基于脂肪的化学反应。

因为化学反应的本质就是物质分子电子云的转移，过程如图2所示:

在脂肪与水的反应中，首先水离解为氢氧负离子(OH⁻)和带正电的质子(H⁺)。然后氢氧负离子(OH⁻)进攻电子云密度低的羰基碳原子[R(C=O)-]，随即质子(H⁺)进攻烃氧基的氧原子(-OR¹)，使得羰基碳原子与氧原子之间的键变得很弱，电子对移向氧原子从而导致键的断裂，生成脂肪酸与甘油。[2] 由于思维活动十分迅速，脂肪与水的双向反应导致电子的反复快速转移，从而伴随着脑电波的产生。

三，脂肪酸，最佳的思维信息传递载体

3.1脂肪酸的多样性

与蛋白质和碳水化合物相比，脂肪酸具有独特的多样性和化学活泼性,使得脂肪酸成为大脑思维最好的信息传递者。

迄今发现的天然单糖只有20种,[6] 构成蛋白质的天然氨基酸也只有22种。而迄今已发现的天然脂肪酸有104种，包括饱和酸14种，一烯酸29种，二烯酸10种，三烯酸10种，多烯酸13种，炔酸5种，含氧基团酸23种。[2]

按照排列组合公式，104种脂肪酸分布在三个甘油羟基上，可以形成一百多万种不同的的甘油三酯，

n³₁₀₄=104×103×102=1092624

再加上不饱和脂肪酸双键的顺反异构，甘油一酯，二酯，以及甘油β碳原子的旋光异构，脂肪酸甘油酯的种类将更为庞大，赋予脂肪酸强大的传递信息的能力。

3.2脂肪酸的化学活泼性

脂肪酸化学性质活泼，能与糖、磷酸、甾醇、蛋白质等结合形成复合脂质。脂肪酸还能与人体内具有重大作用的微量元素如铁、锌、铜、锰、铬、硒、钼、钴、氟等形成化合物或络合物。这些都进一步增加了脂肪酸传递信息的能力。

3.3大脑脂肪酸组成与体内脂肪酸组成的区别

大脑脂肪不仅质量大，而且脂肪酸组成与体内脂肪的脂肪酸组成有着很大的不同。根据资料[7][8]制作的对比表如下:

	饱和酸总量	一烯酸总量	ω6酸	ω3酸
大脑脂肪[7]	51.4±1.0	17±1.0	22.5±1.2 (ARA)	8.8±1.2(DHA)
体内脂肪[8]	29±3	45~50 (油酸)	14 (亚油酸)	1~2 (亚麻酸)

根据上表，大脑脂肪与体内脂肪主要有以下两大差别:

3.3.1 ，大脑脂肪含有大量的饱和脂肪酸，比体内脂肪多出70%以上，即饱和度比体内脂肪要高许多。饱和脂肪酸与甘油的酯化反应速度，比不饱和脂肪酸快，双键越靠近羧基的不饱和脂肪酸的酯化反应速度越慢[2]。所以饱和脂肪酸对于大脑的思维敏捷性(或聪敏)有利。因此，将饱和脂肪酸视为对人体不利的“坏脂肪”的论点是不恰当的。

3.3.2， 大脑脂肪含有较多ω6，ω3长链多烯脂肪酸，比体内脂肪高出近一倍。如二十碳五烯酸ω3（EPA），二十二碳六烯酸ω3（DHA），花生四烯酸ω6（ARA），顺⁻15二十四烯酸（神经酸Nervonic acid）等，

这些多烯脂肪酸往往与甘油，磷酸，糖等结合为复杂脂质，是大脑皮层和视觉系统的重要成分，能增加细胞膜，脑膜的坚韧性，对大脑的健康有重要的作用。

但是，如前所述，多烯脂肪酸的酯化反应和水解反应速度缓慢，如果大脑中含量过高将可能导致思维迟慢而影响智力，反而对大脑健康不利。所以应该适当增加长链（20C以上）多烯酸的摄入量，而不是越多越好。将二十二碳六烯酸（DHA）誉为“脑黄金”是言过其实的。

综上所述，大脑脂肪不仅量大而且组成结构与体内脂肪截然不同，是人体特制合成用于思维的工具。

四，结论

脂肪是大脑思维活动的基础物质。

脂肪与水的可逆化学反应是大脑思维的主要形式。

脂肪酸的结构变化，链长、双键数目、与其他官能团的结合是大脑传递信息的重要载体。

由于脂肪与水的化学反应需要消耗相当大的能量，所以思维活动将导致部分脂肪的损耗，因此需要及时向大脑补充脂肪。

保持足够的脂肪摄入量对于大脑的健康和灵敏性具有重要的意义。

应该均衡摄入包括饱和脂肪酸的各类脂肪酸，尤其是ω3，ω6多不饱和脂肪酸。

缺少脂肪将可能导致脑萎缩、记忆力减退、思维迟钝、智力下降、老年痴呆以及其他脑部病患，是过早衰老的重要原因。

参考资料

1，黄学章《油脂润滑系统与健康长寿的关系》2022/6/24“油脂工程师之家”

2，汤逢《油脂化学》1985“江西科学技术出版社”

3，英国剑桥医学研究委员会分子生物学实验室的研究团队《A daily temperature rhythm in the human brain predicts survival after brain injury》 2022 /6 /13 “Brain”

4，科普中国《二进制字母表》“百度百科”

5，黄学章《油脂无触媒高压水解原理及工艺分析》1992年5期“日用化学工业”

6，Carbohydrates|Monosaccharides|Poly

sac charides》2016/2/9 “PMF IAS”

7，Maria Makrides,《Fatty acid composition of brain, retina,and erythrocytes in breast- and formula-fed (tabl2)》Am J C/in Nuir l994;60: 189-94.

8，Jimin Ren, Ivan Dimitrov《Composition of adipose tissue and marrow fat in humans by 1H NMR at 7 Tesla*》JLR(Journal of Lipid Research)

作者 ：黄学章，教授级高级工程师，原重庆油脂化学厂厂长，重庆日化公司副总经理兼总工程师，无锡轻工业学院（现江南大学）食品工程系油脂专业1961届，手机15618311856， 电邮 

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