情绪化学

孟娇龙  姜雪峰

（华东师范大学化学与分子工程学院，上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室 上海  200062）

“直视百里，处处秋烟，阒寂以思，情绪留连。”情绪这个词首次出现在南朝·梁·江淹《泣赋》。事实上，情绪在人类诞生的初期就已经形成，其最大的功能就是趋利避害，帮助我们识别危险、躲避风险、应对外来威胁的侵害。当今网络信息时代，“我emo了”便成了硅基世界情绪的抒发。

情绪的本质是什么？情绪到底从何而来？笔者将从化学角度来探究其分子的本源和作用关系。我们所感受到的各种情绪——喜怒哀乐愁，从本质上来讲都是一种化学体验，是通过五官感受接收到外部信息后，触发生理反应，产生相应激素分子，再通过这些化学物质传递我们丰富多彩的情绪（图1）。

快乐，是生命中最美妙的情绪之一。当我们听一场沁人心脾的音乐会，和家人爱人牵手漫步，吃一块美味的巧克力，踢一场酣畅淋漓的足球赛等等，都会让我们感到快乐。这都源于人体大脑中的快乐激素：多巴胺、内啡肽、血清素和催产素及其衍生物（图2）。

1  多巴胺

1958年，瑞典科学家阿尔维德·卡尔森（Arvid Carlsson）在兔子身上做相关研究时，意外地发现多巴胺有控制动作的作用：如果缺少多巴胺，兔子会出现类似于人类帕金森患者的症状。他的研究成果使人们认识到帕金森症和精神分裂症与病人脑部缺乏多巴胺有关联性，荣获2000年诺贝尔生理医学奖[1]。

多巴胺（Dopamine，DA），是大脑中含量最丰富的儿茶酚胺类神经递质。儿茶酚胺是一种含有儿茶酚和胺基的神经类物质，通常是指去甲肾上腺素（NA或NE）、肾上腺素（AD）和多巴胺（DA），这3种儿茶酚胺通常都是由L-酪氨酸为前体转化得到（图3）。

生物途径的第一步，是含有丰富蛋白的食物中2种天然氨基酸苯丙氨酸和酪氨酸被广泛吸收；随后，苯丙氨酸既可以在肝脏中被苯丙氨酸羟化酶氧化转变成酪氨酸，也可以在多巴胺神经元内被酪氨酸羟化酶转变成酪氨酸；血源中的酪氨酸被低亲和力的氨基酸转运系统运送至脑内，随后被氨基酸转运系统运送至多巴胺神经元内；一旦酪氨酸进入神经元，在细胞质内的酪氨酸羟化酶催化进一步氧化下，便向左旋多巴转变，这一过程也是多巴胺合成过程中酪氨酸羟化酶调控限速的一步；接下来细胞质内的左旋多巴在芳香族氨基酸脱羧酶（AADC）的作用下向多巴胺转变（AADC可使左旋多巴高效脱羧，正常情况下这种氨基酸在脑内的含量水平是低的，而在新纹状体黑质的正常靶区是丰富的）；多巴胺是肾上腺素以及去甲肾上腺素的前体物质，多巴胺可在多巴胺β-羟化酶的作用下合成去甲肾上腺素，而去甲肾上腺素又可以在苯乙醇胺N-甲基转移酶作用下进一步甲基化合成肾上腺素[2]。其中，多巴胺控制着运动、认知、情感、摄食、内分泌调节等多种功能；如果它的功能失调，会引起认知和行为的功能障碍，导致帕金森综合症、精神分裂症、注意缺陷多动症等疾病；它还会参与大量神经性疾病、肠道性疾病以及维持正常生理过程的重要神经传递。

2  内啡肽

1975年，脑内啡分别由2组研究人员独立发现：苏格兰的约翰‧休斯（John Hughes）和汉斯‧科斯特利兹（Hans Kosterlitz）首次在猪脑中发现α、β及γ3种脑内啡，称它们为enkephalins（大脑的希腊文衍生而成）；美国的拉比·西曼托夫（Rabi Simantov）和所罗门·斯奈德（Solomon H. Snyder）在牛脑中发现脑内啡[3-4]。

内啡肽，也叫安多芬或脑内啡，是一种由脑下垂体分泌的内源性多肽化合物，是具有与吗啡同样活性作用的神经肽总称[5]。它能与吗啡受体结合，产生跟吗啡、鸦片同样的止痛效果和欣快感，是天然的镇痛剂。内啡肽（endorphin）是内（endogenous）和吗啡（morphine）的缩略组合词。内啡肽包括α-内啡肽、β-内啡肽、γ-内啡肽、蛋氨酸-脑啡肽、亮氨酸-脑啡肽、强啡肽A、强啡肽B等（图4-6），都具有很强的类吗啡活性。

从化学结构上分析，蛋氨酸-脑啡肽的氨基酸序列为酪氨酸-甘氨酸-甘氨酸-苯丙氨酸-蛋氨酸的五肽，亮氨酸-脑啡肽的第五个氨基酸不是蛋氨酸而是亮氨酸。α、β、γ-内啡肽分别为16肽、31肽、17肽，前5个氨基酸序列都与蛋氨酸-脑啡肽相同，与β-促脂素（垂体前叶分泌的一种激素，由91个氨基酸组成）的部分序列完全一样。β-内啡肽，是β-促脂素序列61-91氨基酸残基，是天然存在的；α-内啡肽是β-促脂素序列61-76氨基酸残基，γ-内啡肽是β-促脂素序列61-77氨基酸残基，α-内啡肽和γ-内啡肽均为人工合成的，是细胞外“蛋白分解酶D”切断后形成。强啡肽A、强啡肽B分别为17肽、13肽，它们的前7个氨基酸相同，前5个氨基酸序列与亮氨酸-脑啡肽相同。这些肽除了具有镇痛功能外，还具有许多其他生理功能，如调节体温、心血管、呼吸功能等。虽然吗啡能产生与内啡肽相同的止痛效果和欣快感，但吗啡并不是多肽，属于阿片类生物碱。当人类进食与繁衍时，大脑中的脑垂体会分泌多巴胺，令人感到快乐；而精神类药物是走捷径作弊，直接以生物化学的方式刺激大脑分泌多巴胺，这会令人困于可怕的成瘾性快乐。

3  吗啡及精神类药物

吗啡（Morpheus），希腊梦神的名字，是世界上使用量最大的强效镇痛剂。1806年德国化学家泽尔蒂纳首次将其从鸦片中分离出来；盐酸吗啡是临床上常用的麻醉剂，有极强的镇痛作用，但最大的缺点是成瘾性；二乙酰吗啡即为最初的海洛因，是目前世界上滥用最广的毒品之一。毒品的历史悠久：远在汉代张骞出使西域时鸦片就传到了中国；三国时名医华佗就使用鸦片和大麻作为麻醉剂；公元667年（唐乾封二年），就有鸦片进口的记录，唐代阿拉伯鸦片被称为“阿芙蓉”；公元973年北宋印行的《开宝本草》中，鸦片定名为罂粟粟，这后一个“粟”当蒴果解[6]。毒品有多种分类方式，按来源分3类：天然毒品、合成毒品和半合成毒品（图7）。

天然毒品来源于植物，如大麻叶（大麻）、古柯叶（可卡因）、罂粟果实（鸦片、复合毒品）等；合成毒品，顾名思义完全由有机合成手段制备出来，如苯丙胺类药物，氯胺酮（K粉），γ-羟基丁酸（神仙水），麦角酸二乙基酰胺（LSD）等；半合成毒品，诸如海洛因（二乙酰吗啡），可待因。毒品是全人类共同的敌人，触碰毒品就会打开“潘多拉的盒子”，痛苦与绝望，堕落与沉沦，疾病与死亡将会接踵而至。

4  血清素

血清素（Serotonin），一种神经传递物质，也称5-羟基色胺（5-HT），吲哚类氨基酸衍生物。生物合成途径是由色氨酸经色氨酸羟化酶催化首先生成5-羟色氨酸，再经5-羟色氨酸脱羧酶帮助脱羧转化成5-羟色胺（图8）。

血清素会影响人的食欲、睡眠、性以及情绪，缺乏血清素会焦虑、抑郁和暴力；通过饮食适量提高血清素含量能改善睡眠，让人镇静，减少急躁情绪，带来愉悦感和幸福感，给人以更多的快乐[7]。许多健康问题与大脑血清素水平低有关，而造成血清素降低的原因有很多，包括工作压力、睡眠不足、营养不良、缺乏锻炼以及不良的生活习惯等。当降低到正常数值以下，人们就会出现注意力集中困难，还会伴随压力和厌倦感；如果血清素水平进一步下降，就会引起抑郁[8]。平时我们可以多吃一些富含色氨酸的食物，如大豆、鸡蛋和鸡肉等，以增加大脑中血清素的含量。

女性大脑合成血清素的速率仅为男性的一半，这点可能有助于解释为何女性更容易患抑郁症[9]，当然还有饮食和锻炼习惯的原因。女性血清素缺乏已被认定为一种疾病，数百万女性正使用百忧解（图8）等精神类药物刺激血清素的正常分泌。最近研究发现，大脑中血清素的含量不仅在抑郁症患者中较低，即使健康人在寒冷季节或黑暗环境，大脑内的血清素含量也会下降[10-11]。因此，多晒太阳，能激发大脑血清素分泌，让人有愉悦感和幸福感；另外可以多进食富含Ω-3脂肪酸、色氨酸、镁和锌等物质，除巧克力外，梅子、茄子、西红柿、菠萝、胡桃等，都有助于血清素的产生[12]。人的肠细胞能生产90%的血清素，因此，迈克·格尔森认为肠子是人的第二大脑[13]。

不难发现，与血清素化学结构上非常相似的还有另一种激素：褪黑素（Melatonin，MT）。褪黑素是由脑松果体分泌的激素之一，其化学名是N-乙酰基5-甲氧基色胺，又称为松果体素、褪黑激素、褪黑色素，属于吲哚杂环类化合物，而血清素正是褪黑素的前体化合物（图8）。褪黑素合成后，储存在松果体内，交感神经兴奋支配松果体细胞释放褪黑素[14]。它的分泌具有明显的昼夜节律，白天分泌受抑制，晚上分泌活跃。褪黑素有强大的神经内分泌免疫调节活性和清除自由基抗氧化能力。褪黑素可抑制下丘脑-垂体-性腺轴，使促性腺激素释放激素、促性腺激素、黄体生成素以及卵泡雌激素的含量均减低，可直接作用于性腺降低雄激素、雌激素及孕激素的含量。

5  雄性激素

雄性激素，通常指睾酮素，又称睾酮、睾丸酮、睾甾酮，是一种类固醇荷尔蒙（类固醇激素的基本化学结构都是由17个碳原子组成的环戊烷多氢菲甾体），而睾酮素占所有雄性激素的90%以上。睾酮素由男性睾丸或女性卵巢分泌（肾上腺亦少量分泌），具有维持肌肉强度及质量、维持骨质密度及强度、提神及提升体能等作用。男性睾酮素主要由睾丸间质细胞合成并分泌，受下丘脑-垂体-睾丸间质细胞轴调控。一般而言，一个成年男性每天可以分泌4~9 mg睾酮素。分泌的睾酮素在血清中约98%与血清蛋白结合，仅有2%处于游离态发挥生物学活性，直接参与男性第二性征的形成、精子形成及调节性欲等功能[15]。

从广义上讲，雄激素的种类繁多，如睾酮素（testosterone，T）、双氢睾酮（dihydrotestosterone，DHT）、雄烯二酮（androstenedione）、脱氢表雄酮（dehydroepiandrosterone，DHEA），这些雄激素均为19碳甾体类化合物。睾酮素的生物合成途径：睾酮素在睾丸内生成，第一步直接由血中摄取胆固醇作为合成前体；由NADPH、氧和细胞色素P450参与，在线粒体的内膜上将胆固醇转化为孕烯醇酮；第二步是孕烯醇酮通过两种可能的途径转化为睾酮素（图9）：

第一条途径是孕烯醇酮在3β-羟类固醇脱氢酶（HSD3B）的调控下，将孕烯醇酮C3位上的羟基氧化成酮，经双键异构化将C5-C6的双键异构为C4-C5双键，从而把孕烯醇酮转化成孕酮素。而孕酮素在17α-羟化酶（CYP17A1）的作用下在C17位上氧化一个羟基，以及随后在C17和C20之间将碳碳键断裂，生成雄烯二酮，再经17β-羟类固醇脱氢酶（HSD17B3）的作用，转化为睾酮素。第二条途径是将孕烯醇酮C20的羰基α位氧化出一个羟基，受CYP17A1酶的第二次作用断开C17-C20键，再通过两次还原形成睾酮素[16]。

高水平的睾酮素能更好地为身体塑型，令喉结变大、声音低沉[17]。睾酮素水平高低与人寿命长短和健康状况紧密相关：血清中低水平的睾酮浓度会令男性呈现类似女性更年期综合征症状，如抑郁、疲劳、易怒、性欲减退等，通过激素替代治疗可以缓解[18]。男性毛发的生长和雄激素的分泌有着很大的关系，雄激素是男性毛发的一种“营养剂”，能促进毛发生长。不过，部分男性因为具有脱发遗传倾向，雄性激素分泌过于旺盛，反而会导致头皮毛囊钙化或纤维化导致秃顶，医学上称之为雄激素性秃发，即为“雄秃”[19]。

提起脱发，最常见的就是脂溢性脱发，很多人都会联系到双氢睾酮（DHT）（图9）。睾酮素在5α还原酶的作用下，就会生成活性更强的双氢睾酮，影响毛囊分化，抑制头发生长。医学上如何解释这一现象呢？答案是遗传基因。也就是说，毛囊受不受DHT影响，看遗传基因，如果毛囊天生不受DHT影响，那么你不管怎么熬夜、怎么折腾，头发还是很好；但如果毛囊天生就容易被DHT侵入，那么即便你小心翼翼，脱发也会不约而至。DHT是怎么造成脱发的呢？男性前额、头顶、后头枕部上方这些部位毛囊基因不同，对于DHT的抵抗力很差，遗传基因在青春期后就开始表达，这些部位存在大量的5α还原酶可以使睾酮转化为DHT，对毛囊产生强大的破坏力导致脱发。医院内分泌科，血清检测有DHT的检查项目，可以检查DHT浓度情况[20]。

6  雌性激素

雌性激素（Estrogen），又称女性激素，是一类主要的女性荷尔蒙，C18甾体类化合物（图10）。主要分2类：雌激素和孕酮素。雌激素通常由卵巢的卵泡细胞分泌（胎盘也会分泌雌性激素），在人体内主要以雌二醇、雌三醇和雌酮等3种形式存在。雌二醇在肝脏中灭活，转化为雌三醇和雌酮，并与葡萄糖醛酸结合后由尿排出。妊娠期间，胎盘可分泌大量雌三醇。雌激素会促进女性附性器官成熟及第二性征出现，并维持正常性欲及生殖功能。哺乳动物还可使排卵后的滤胞变为黄体，并能分泌被称为第二雌性激素的孕酮素（又称黄体酮、孕酮激素、孕激素）（图9），具有控制妊娠、哺乳，进一步促进第二性征发育成熟的功能。

雌激素的合成由一系列酶帮助催化，其中最主要的酶是细胞色素P450酶。人体内，在芳香化酶的参与下，雄性激素可通过多步反应转化为雌激素。芳香化酶是由细胞色素P450酶与NADPH－细胞色素P450还原酶构成的一种传递复合物[21]。芳香化酶是雌激素合成过程中的限速步，能催化雄烯二酮和睾酮不可逆的转化成雌激素，是雌激素生物合成过程中的关键酶[22]。芳构化反应是一种氧化反应，每产生1 mol的雌激素，需要消耗3 mol的NADPH和O2[23]。芳构化酶与雄激素结合后，在氧气的参与下将雄激素氧化，即将雄激素的α，β不饱和酮氧化芳构化，并断开C10-C19碳碳键，将C3位的羰基转化为羟基，从而使雄烯二酮和睾酮等雄性激素分别转化为雌酮和雌二醇[24]（图10）。

雌激素什么时候分泌，分泌多少，是由大脑的下丘脑指挥，而下丘脑具有调节情绪的功能。临床研究表明，一些代谢性疾病的发生和临床表现具有性别差异，男性和绝经后的女性更容易发生代谢性疾病[25-27]，如代谢综合征、心血管疾病、脂肪肝等。雌激素的主要药理作用：保护心血管、抗骨质疏松、抑制肿瘤、改善代谢等等。（1）工作压力大时，神经紧张，情绪异常，会使大脑功能紊乱，引起雌激素分泌水平变化；当雌激素水平升高，会延长雌激素对乳腺上皮细胞的刺激，引起细胞分裂失控诱发癌变。（2）女性绝经后，体内雌激素水平的显著下降，带来血脂、血压、胰岛素抵抗等相关变化。因此在某些情况下，雌激素可以用来治疗前列腺癌，还可用作口服避孕药。

7  避孕药

避孕药分为短效口服避孕药、长效口服避孕药、长效避孕针剂、紧急避孕药和折叠外用避孕药等5种。这些药物从化学结构上主要分为2类：（1）短效长效避孕药，一般为雌激素和孕酮素的复方制剂，通过口服药物升高激素水平，欺骗下丘脑，让其误以为“这个月的工作已经完成”，不再分泌促性腺激素释放激素，进而抑制排卵；（2）而事后紧急避孕药则是一种单独的孕酮素，主要作用是阻碍受精，也就是没拦住卵子，就要阻止卵子和精子的结合[28]。

避孕药主要以单一的孕酮素，以及雌激素和孕酮素的复合试剂为主。从化学结构上分析，炔雌醇C3位的酚羟基烷基化成醚后，衍生出了炔雌醇甲醚、炔雌醇环戊醚等多种炔雌醚类避孕药物。基于环戊烷多氢菲的甾体骨架进行的烷基化和芳基化可以衍生出药效不一的避孕药物（图11）：左炔诺孕酮的A环修饰为环己酮，C18的甲基优化为乙基；屈螺酮在左炔诺孕酮基础上，改进D环的炔和醇为环戊内酯；去氧孕烯在左炔诺孕酮骨架上，还原掉C3位上的酮羰基，而在C11位上增加了一个端烯；醋酸环丙孕酮和醋酸乌利司他均在C17位上氧化出乙酰基（Ac）和氧乙酰基（OAc），不同的是，后者在C11位衍生出芳胺单元；对比米非司酮和醋酸乌利司他的化学结构，前者C17保持了炔和醇的结构，将端炔改造成了甲基炔单元（图11）。经过不断地迭代更新，不同化合物的不同复合配比，最终区分出了短效避孕药，长效避孕药和紧急避孕药。

8  催产素

催产素（Oxytocin）是一种多肽类激素，由9个氨基酸组成二硫环肽，其中甲硫氨酸残基与半胱氨酸以二硫键链接形成一个六元环肽（图12）。

下丘脑视上核和室旁核合成，垂体后叶分泌，以每天2~3 mg的速度转运至神经垂体释放。其生理作用：刺激乳腺分泌乳汁，在分娩过程中促进子宫平滑肌收缩，激发母爱，减少肾上腺酮等压力激素来降低血压。它并非女人的专利，男女均可分泌。除了帮助女性分娩和分泌乳汁外，催产素对社交羞涩和自闭症也有作用：催产素可以帮助社交场合因羞涩而受人冷落的人克服社交羞涩感，但它对本来就很自信的人不起作用[29]。比利时安特卫普大学卡罗林·德克勒克研究发现，催产素只对接触到“对”的人起作用：当他接触到较为熟悉的人，催产素将让他更擅长交际；但如果是陌生人，催产素就没有任何效果。当心情开朗或有强烈归属感时，心脏会分泌催产素，体内组织供氧量大量增加，压力会得到舒缓。2012年11月，科学家发现催产素可促使着已婚男士远离其他对自己有吸引力的女性，这一结果显示催产素是促进情侣忠诚的“催化剂”[30]。

阿托西班，一种抗早产的多肽类药物（图12）。阿托西班可延缓妊娠时间，改善早产儿预后[31]。在阿托西班之前，临床常用选择性β 2受体激动剂和硫酸镁来抑制宫缩，但常出现不良反应；而阿托西班是一种新型的宫缩素受体拮抗剂，用于自发性早产的治疗，不良反应少。药物学家对催产素这类多肽化合物进行构效分析，设计并合成了系列催产素衍生物，最终发现了诸如阿托西班这类催产素拮抗剂药物。从化学结构上分析，在对催产素的二号氨基酸（亮氨酸）的异丙基改造为烷基胺，六元环肽中的酪氨酸上裸露羟基乙基化，谷氨酰胺的烷基酰胺改造为烷基醇，并脱掉甲硫氨基团酸的氨基，化学结构上的特异性修饰就是打开了调节催产素这把锁的钥匙，让它变成了拯救生命的基石。

9  结语

生物进化，趋利避险，令我们拥有了喜怒哀乐。多巴胺让我们尝到了甜头，内啡肽让我们知道了苦尽甘来，偏偏出来个吗啡，不想吃苦就想甜，破坏了情绪的法则。作为情绪稳定剂的血清素，烷基化后就变成了褪黑素，主导神经内分泌免疫调节。性激素（雌激素和雄激素）来源于胆固醇这类甾体化合物，雄激素通过芳构化转化为雌激素，雌激素可被应用于避孕。从化学角度来溯源，我们可以看出，多巴胺、血清素、褪黑素的前体来自于天然氨基酸（酪氨酸和色氨酸），内啡肽和催产素都属于多肽化合物，由多个氨基酸链接而成。虽然内啡肽和吗啡具有同样的镇定止痛效果，但是吗啡并非多肽，属于生物碱化合物。情绪，是化学与生命的作用关系，它源于生活，归于化学。

参 考 文 献

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