胃明明分泌強酸,為什麼自己不會被溶掉?
― 守護它的,是厚度僅0.2毫米的黏液
胃裡充滿了強酸,能在數小時內把一整塊堅硬的肉化成糊狀。然而,製造這種酸的胃本身卻若無其事。這並不是因為胃壁有多厚,答案其實在覆蓋胃內側的、極薄的一層黏液之中。
肚子餓了,咕嚕咕嚕叫。胃裡幾乎是空的,但胃已經開始分泌酸液了。
這種酸,比檸檬汁還要強得多。如果讓它大量沾在手指上不擦掉,皮膚會刺痛、發炎。
胃每天都把超過1公升的這種酸,注入自己的內部。即便如此,隔天、再隔天,胃依然安然無恙。為什麼呢?
理由只有兩個
胃的內側覆蓋著一層黏滑的黏液。胃壁本身會向這層黏液中滲出鹼性物質。酸在穿過這層黏液的過程中被中和,等到抵達細胞時,幾乎已經變成中性。
這道防線並非萬無一失。據信,胃內側的細胞會在數天內全部換新。這不是靠完全防禦,而是採取「一受損就換新」的策略。
接下來依序說明。首先,來看看那層黏液究竟在做什麼。
在黏液之中,酸究竟會被削弱到什麼程度
黏液就像是一張含有大量水分的網。厚度約0.2毫米,大約是兩根頭髮的粗細。看似很薄,但在這裡發揮作用的,與其說是厚度本身,不如說是「沒有流動」這件事。
胃壁的細胞會悄悄地把碳酸氫根離子(與小蘇打作用相同的鹼性物質)送入這層黏液之中。由於黏液中的水不會流動,送進去的鹼性物質就會停留在原地。當酸從外側進入時,兩者相遇的地方就會發生中和反應。
請看圖1。左側是胃的內部,右側是胃壁。酸試圖向右滲透,鹼則向左滲出。在這場拉鋸戰中,酸的強度僅僅在黏液層內就急速下降。胃內的pH值約為1.5,但據測量,細胞表面的pH值約為7,也就是接近中性。
即便如此仍會受損,所以每天汰換更新
黏液層並非完美無缺。食物摩擦會使它被削去,胃的蠕動也會讓部分黏液剝落。因此,胃會以與被削去相同的速度,持續製造新的黏液。這種防護不是靠儲備,而是靠每天的調度周轉。
細胞本身也是如此。據信,覆蓋胃內側的細胞會在數天之內全部換成新的。這是體內細胞汰換速度最快的部位之一。即便有些許損傷,等到那個細胞功成身退時,下方早已培育出下一批新細胞。
反過來說,當這種汰換跟不上時,問題就會發生。若製造黏液的功能下降,或被削去的量增加,酸抵達胃壁的時間就會變長。一般認為,許多胃部不適與其說是「酸太強」,不如說是「防護變薄弱」。
胃分泌的消化酵素,是用來切斷蛋白質的。也就是說,胃自身也可能被它切斷。因此,胃會先以不具活性的形式釋出這種酵素,等它遇到胃內的強酸後,才轉變成具有切割能力的形態。這是一種「在製造的地方保持安全,只在使用的地方才變得危險」的順序。
據信,隨食物一同進入體內的許多細菌,無法在這種強度的酸中存活。這種酸不僅用於消化,也是在細菌進入體內之前設下的一道關卡。這正是即便另外準備了防護機制,胃仍要使用強酸的原因。
總結
胃之所以不會溶解自己,並不是因為堅固,而是因為它每天重新製造出一層能在酸抵達之前就將其中和的薄層。這種防護不是靠硬度,而是靠速度成立的。
守護胃的,不是厚厚的胃壁,
而是每天都會重新鋪上的、0.2毫米的黏液。
口腔中也有一個同樣「每天溶解、每天修復」的地方。也請參閱牙齒明明是全身最堅硬的部位,為什麼會因蛀牙而溶解?。就酸鹼平衡這一點而言,為什麼連1分鐘都無法憋氣?一文中也出現了同樣的碳酸氫根離子。
- 準備兩個透明杯子,倒入相同分量的水。其中一杯加入1小匙太白粉並充分攪拌,使其產生黏稠感。
- 在兩杯中各輕輕滴入1滴食用色素或醬油。切勿攪拌。
- 分別在1分鐘後、5分鐘後、10分鐘後,比較顏色擴散到多深的地方。
在黏稠的那一杯中,顏色很難擴散到底部。黏液層對酸所做的事,道理相同。在不流動的水中,物質無法靠流動被搬運,只能慢慢滲透,而這段時間就足以爭取到中和所需的時間。
想了解更多 ― 術語、公式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目,明確標示各段落屬於哪個程度
- 國中國中理科的學習範圍
- 高中高中「化學基礎・化學」的學習範圍
- 高中＋高中選修內容,或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不教,屬於大學專業科目(生理學・生物化學)的內容
- 研究在大學也尚未當作「定論」教授,是研究者目前仍在探究中的內容
國中術語:這個現象是有名稱的
- 鹽酸:胃分泌的酸的真面目。以解離成氫離子和氯離子的狀態溶於水中。
- 中和:酸與鹼相遇,互相抵消彼此性質的反應。會生成水與鹽。
- 碳酸氫根離子:小蘇打中所含的鹼性離子。由胃壁送入黏液之中。
- 擴散:即使不攪拌,物質也會自然地從濃度高的一側,向濃度低的一側擴散的運動。
國中高中用公式驗證:在黏液層中,酸的濃度會降到多少分之一
即使聽到「pH值從1.5上升到7」,也很難想像這代表多大的差距,因為pH值每變動1個刻度,就代表10倍的差異,是一種特殊的尺度。讓我們回到原始公式,實際算出濃度的變化。
| 以符號表示 | [H⁺] ＝ 10 的(負pH)次方 ／ n ＝ c × V |
| 以文字表示 | 氫離子濃度 ＝ 10 的(負pH)次方,酸的物質量 ＝ 濃度 × 體積 |
| 公式的由來 | 前者即為pH的定義本身。將氫離子濃度取常用對數後加上負號,就是pH。後者則是濃度的定義,表示每公升中含有多少莫耳。 |
| [H⁺] | 氫離子濃度。單位為莫耳每公升 |
| pH | 表示酸強度的刻度。數字越小,酸性越強 |
| c | 濃度。單位為莫耳每公升 |
| V | 體積。單位為公升 |
| n | 物質量。單位為莫耳 |
| 空腹時胃內的pH值 | 約為 1.5 |
| 胃壁表面的pH值 | 約為 7.0 |
| 10 的 −1.5 次方 | 約為 0.032(莫耳每公升) |
| 10 的 −7 次方 | 0.0000001(莫耳每公升) |
| 每日分泌的胃液量 | 約為 1.5 公升 |
| 碳酸氫鈉(小蘇打)1莫耳的重量 | 84 公克 |
| 胃內部與胃壁表面的濃度比 | 0.032 ÷ 0.0000001 ＝ 320000 |
| 每日分泌的酸的物質量(莫耳) | 0.032 × 1.5 ＝ 0.048 |
| 中和相同分量所需的小蘇打重量(公克) | 0.048 × 84 ＝ 4.032 |
酸的濃度在穿越0.2毫米的黏液層期間,下降到了原本的32萬分之一。而一天分量的酸,若換算成小蘇打,僅約4公克,大約1小匙就能中和。由此可知,雖然酸性很強,實際的量卻出乎意料地少。
高中高中＋為什麼「薄薄一層」就能削弱這麼多
高中酸與鹼若在同一處相遇,就會發生中和反應。這裡的重點在於,黏液中的水不會流動。若有流動,滲出的鹼會立刻被沖走,無法讓胃壁附近保持中性。黏液的作用,就是把中和反應發生的地點固定在原地。
高中＋「滲透的速度」與「中和的速度」之間的平衡,決定了黏液層中pH值的分布形狀。滲透靠的是擴散,抵消靠的是中和反應,兩者速度孰快孰慢,決定了pH值上升的位置會偏向黏液層的內側還是外側。圖1中虛線在層內中途開始上升,正是這個結果的呈現。
大學黏液碳酸氫鹽屏障與緩衝公式
剛才說明的機制,在生理學中稱為黏液碳酸氫鹽屏障。製造碳酸氫根離子的是一種名為碳酸酐酶的酵素,能在瞬間由二氧化碳與水生成碳酸氫根離子。此外,黏液層中的pH值是由碳酸與碳酸氫根離子的平衡所決定,因此通常會用亨德森-哈塞爾巴赫方程式來處理。負責輸送酸的則是一種名為質子幫浦的運輸蛋白,許多治療胃部疾病的藥物就是以此為標靶。
📖 公式推導及更深入的內容:碳酸酐酶(日文維基百科) ／ 亨德森-哈塞爾巴赫方程式(日文維基百科)
研究目前仍不完全清楚的事
- 黏液層厚度難以測量 黏液柔軟易變,在製作標本的過程中容易收縮或流失。活體狀態下實際厚度究竟是多少,據報告會因測量方法不同而有相當大的差異。
- 細菌如何穿越 有些細菌能在這種強酸中存活並在胃中定居。它們如何在黏液的網狀結構中前進,目前仍以「會使黏液本身軟化」的假說為主軸持續研究中。
- 藥物導致防護變薄弱的途徑 已知部分止痛藥會傷害胃部,但黏液量、鹼性物質量、血流量中究竟哪個才是關鍵因素,目前仍在整理釐清中。
換言之,本文的內容也僅是「目前已知範圍內的說明」。若胃部不適持續發生,請勿自行判斷,務必洽詢醫療機構。
與教科書的關聯(依程度分類)
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・酸與鹼、中和 | 酸被鹼抵消的部分 |
| 高中 | 化學基礎・pH與中和,化學・反應速率 | 「用公式驗證」的整段計算 |
| 高中＋ | 化學・緩衝溶液,生物・消化與酵素 | 黏液層中pH值上升位置的討論 |
| 大學 | 生理學・生物化學(黏液碳酸氫鹽屏障、運輸蛋白) | 碳酸酐酶與質子幫浦的段落 |
| 研究 | 消化系統醫學・微生物學 | 黏液層厚度與細菌穿越方式 |
| ― | 與生活的關聯 | 不單以「酸的強度」來看待胃部不適的觀點 |
- The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2005(諾貝爾獎委員會・胃部細菌與胃炎的發現)
- Allen, A. & Flemström, G., Gastroduodenal mucus bicarbonate barrier: protection against acid and pepsin, American Journal of Physiology - Cell Physiology(2005)
- 本郷利憲等編《標準生理學》醫學書院(消化器官篇章,胃液分泌與胃黏膜防禦。原書名:標準生理学,本郷利憲ほか編)
- 碳酸酐酶(日文維基百科)
※本文為大眾科學解說文章。文中所列數值為理解機制用的參考概算值。有關身體狀況或治療的判斷,請遵從醫療機構的指示。