生物體的化學元素及其作用

1、生物體的化學元素及其作用 存在于生物體（植物和動物）內(nèi)的元素大致可分為： （1）必需元素，按其在體內(nèi)的含量不同，又分為常量元素和微量元素； （2）非必需元素； （3）有毒（有害）元素。 人體內(nèi)大約含 30 多種元素，其中有 11 種為常量元素，如 C ， H ， O ， N ， S ， P ， Cl ， Ca ， Mg ， Na ， K 等，約占 99.95 ，其余的 0.05 為微量元素或超微量元素。必需元素是指下列幾類元素： （1）生命過程的某一環(huán)節(jié)（一個或一組反應(yīng)）需要該元素的參與，即該元素存在于所有健康的組織中； （2）生物體具有主動攝入并調(diào)節(jié)其體內(nèi)分布和水平的元素； （3）存在于體內(nèi)

2、的生物活性化合物的有關(guān)元素； （4）缺乏該元素時會引起生化生理變化，當補充后即能恢復。 哪些是構(gòu)成人體的必需元素？19世紀初，化學家開始分析有機化合物，清楚地認識到活組織主要由C，H，O 和 N四種元素組成。僅這四種元素就約占人體體重的96。此外，體內(nèi)還有少量P。將人體內(nèi)這五種元素的化合物揮發(fā)后就會留下一些白灰，大部分是骨骼的殘留物，這灰乃是無機鹽的集合，在灰里可找到普通的食鹽（NaCl）。食鹽并不僅僅是增進食物味道的調(diào)味品，而是人體組織中的一種基本成分。食草動物有時甚至達到要舔吃鹽漬地，以便彌補食物中所缺乏的鹽。 在實際研究中，確定某元素是否為必需元素，既與該元素在體內(nèi)的濃度有關(guān)，也與它的存

3、在狀態(tài)和生物活性密切相關(guān)。人體中的每一元素呈現(xiàn)不同的生物效應(yīng)，而效應(yīng)的強弱依賴于特定器官或體液中該元素的濃度及其存在的形態(tài)。對于每種必需元素，都有一段其相應(yīng)的最佳健康濃度，有的具有較大的體內(nèi)恒定值，有的在最佳濃度和中毒濃度之間只有一個狹窄的安全限度。元素濃度和生物功能的相關(guān)性可用圖表示。有 20 30 種普遍存在于組織中的元素，它們的濃度是變化的，而它們的生物效應(yīng)和作用還未被人們認識，有待于研究，所以稱它們?yōu)榉潜匦柙?。另外一些則是能顯著毒害機體的元素。如，血液中非常低濃度的鉛、鎘或汞，具有有害的作用，就可稱為 有毒元素 ，亦稱有害元素。 從海水中必需微量元素的含量與人體中主要元素的對比，說明

4、賴以生存的環(huán)境中的元素是生物進化的結(jié)果。人類在適應(yīng)生存和進化中，逐漸形成一套攝入、排泄和適應(yīng)這些元素的保護機制，即人體內(nèi)的元素，不論是常量或微量，維持平衡狀態(tài)是經(jīng)過人類長期進化形成的。許多元素是否是必需還是有害，和攝入量（即在體內(nèi)的濃度）有關(guān)。每一種必需元素在體內(nèi)都有其合適的濃度范圍，超過或不足都不利于人體健康。例如，人們對碘的最小需要量為 0.lmg 天，耐受量為 1000mg 天，當大于 10000mg 天即為中毒量。若人體自身用以維持穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)機制出現(xiàn)障礙，便會發(fā)生疾病。有時元素的過量可能比缺乏更令人擔憂，因為某個元素的缺乏易于補充，而過量往往則難以清除，或清除過程中會產(chǎn)生副作用。另外共

5、存元素的相互影響在生物體內(nèi)存在協(xié)同或拮抗作用，對元素濃度比例的要求就更復雜了。例如鋅可以抑制鎘的毒性，銅可以促進鐵的吸收等。由于元素間的相互作用，當評定某一微量元素對人體健康的影響時，還必須考慮與其有關(guān)元素的存在。 表1歸納了主要生物元素及其功能。在生命物質(zhì)中，除 C ， H ， O ， S 和 N 參與各種有機化合物外，其他生物元素各具有一定的化學形態(tài)和功能，這些形態(tài)包括它們的游離水合離子，與生物大分子或小分子配體形成的配合物，以及構(gòu)成硬組織的難溶化合物等。表1 生物元素及其功能 元素 功 能H水，有機化合物的組成成分B植物生長必需C有機化合物組成成分N有機化合物組成成分O水，有機化合物的組

6、成成分F鼠的生長因素，人骨骼的成長所必需 Na細胞外的陽離子， Na+ Mg酶的激活，葉綠素構(gòu)成，骨骼的成分Si在骨骼、軟骨形成的初期階段所必需P含在 ATP 等之中，為生物合成與能量代謝所必需S蛋白質(zhì)的組分，組成 Fe-S 蛋白質(zhì)Cl細胞外的陰離子， Cl-K細胞外的陽離子， K+鈣骨骼、牙齒的主要組分，神經(jīng)傳遞和肌肉收縮所必需V鼠和綠藻生長因素，促進牙齒的礦化鉻促進葡萄糖的利用，與胰島素的作用機制有關(guān)錳酶的激活、光合作用中水光解所必需鐵最主要的過渡金屬，組成血紅蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白等鈷紅血球形成所必需的維生素 Br2 的組分銅銅蛋白的組分，鐵的吸收和利用Zn許多酶的活性中心，胰島素組分

7、Se與肝功能肌肉代謝有關(guān)Mo黃素氧化酶，醛氧化酶固氮酶等所必需Sn鼠發(fā)育必需I甲狀腺素的成分這些元素在生物體內(nèi)所起到的生理和生化作用，主要有幾個方面。 （1）結(jié)構(gòu)材料。無機元素中Ca，P構(gòu)成硬組織，C，H，O，N，S構(gòu)成有機大分子結(jié)構(gòu)材料，如：多糖、蛋白質(zhì)等。 （2）運載作用。人對某些元素和物質(zhì)的吸收、輸送以及它們在體內(nèi)的傳遞等物質(zhì)和能量的代謝過程往往不是簡單的擴散或滲透過程，而需要有載體。金屬離子或它們所形成的一些配合物在這個過程中擔負重要作用。如含有 Fe2+ 的血紅蛋白對 O2 和CO2 的運載作用等。 （3）組成金屬酶或作為酶的激活劑。人體內(nèi)約有四分之一的酶的活性與金屬離子有關(guān)。有的金

8、屬離子參與酶的固定組成，稱為金屬酶。有一些酶必需有金屬離子存在時才能被激活以發(fā)揮它的催化功能，這些酶稱為金屬激活酶。 （4）調(diào)節(jié)體液的物理、化學特性。體液主要是由水和溶解于其中的電解質(zhì)所組成。生物體的大部分生命活動是在體液中進行的。為保證體內(nèi)正常的生理、生化活動和功能，需要維持體液中水、電解質(zhì)平衡和酸堿平衡等。存在于體液中的Na+，K+，Cl-等發(fā)揮了重要作用。 （5）“信使”作用。生物體需要不斷地協(xié)調(diào)機體內(nèi)各種生物過程，這就要求有各種傳遞信息的系統(tǒng)。細胞間的溝通即信號的傳遞需要有接受器?；瘜W信號的接受器是蛋白質(zhì)。Ca2+作為細胞中功能最多的信使，它的主要受體是一種由很多氨基酸組成的單肽鏈蛋白

9、質(zhì)，稱鈣媒介蛋白質(zhì)（分子量為 16700）。氨基酸中的竣基可與 Ca2+結(jié)合。鈣媒介蛋白質(zhì)與Ca2+結(jié)合而被激活，活化后的媒介蛋白質(zhì)可調(diào)節(jié)多種酶的活力。因此Ca2+起到傳遞某種生命信息的作用。也有細胞內(nèi)信使，Ca2+也是細胞內(nèi)信使。 有些元素可同時在幾個方面發(fā)揮作用。例如 Ca2+ 就有多方面的生物功能。下面僅就 Ca ， P ， Na ， K 等的主要生物功能作簡要介紹。鈣 是骨骼和牙齒的主要成分。調(diào)控人體正常肌肉收縮和心肌收縮，同時起細胞信使作用，如圖 10-3 所示。例如，血液中 Ca2+過多，會造成神經(jīng)傳導和肌肉反應(yīng)的減弱，使人對任何刺激都無反應(yīng)，但血液中Ca2+太少，又會造成神經(jīng)和肌

10、肉的超應(yīng)激性，在這種極度興奮的情況下，微小的刺激，比如一個響聲、咳嗽，就可能使人陷入痙攣性抽搐。磷 ，骨骼和牙齒中除了含 Ca 外，磷也是一種重要的元素。體內(nèi) 90的磷是以磷酸根 的形式存在，如牙釉質(zhì)中的主要成分是羥基磷灰石 和少量氟磷灰石 ，氯磷灰石 等。牙釉質(zhì)是由不溶性物質(zhì)所組成，稱為羥基磷灰石 。使它從牙齒上溶解下來稱為去礦化，而形成時稱為再礦化。在口腔中存在著這樣一種平衡：健康的牙齒也同樣存在這樣的平衡。然而，當糖吸附在牙齒上并且發(fā)酵時，產(chǎn)生的 H+與OH結(jié)合成H2O以及 而擾亂平衡，會引起更多的溶解，結(jié)果使牙齒腐蝕。氟化物通過取代羥基磷灰石中的OH 有助于防止牙齒腐蝕，由此產(chǎn)生的能抗

11、酸腐蝕。磷酸可以和有機化合物中的羥基（糖羥基、醇羥基），形成磷酸脂。如 ATP 就是三磷酸腺苷，磷脂就是存在細胞膜。 ATP 水解時放出高能量，如 ATP 的水解與細胞里的一個放熱反應(yīng)（如肌肉收縮或大分子的合成）相配合，則 ATP 的水解就可為其他反應(yīng)提供必要的能量。磷的化學規(guī)律控制著核糖、核酸以及氨基酸、蛋白質(zhì)的化學規(guī)律，從而控制著生命的化學進化。身體中磷的主要作用見圖 10-4 所示。由于磷的分布很廣，因此人們?nèi)粘Ｊ称分泻苌偃鄙龠@種元素。K+， Na+和 Cl在體內(nèi)的作用是錯綜復雜而又相互關(guān)聯(lián)的。K+和Na+常以KCl和NaCl的形式存在。K+，Na+， Cl的首要作用是控制細胞、組織液和

12、血液內(nèi)的電解質(zhì)平衡。這種平衡對保持體液的正常流通和控制體內(nèi)的酸堿平衡都是必要的。Na+和 K+（與 Ca2+和 Mg2+一起）有助于使神經(jīng)和肌肉保持適當?shù)膽?yīng)激水平。NaCl和KCl的作用還在于使蛋白質(zhì)大分子保持在溶液之中，并使血液的粘性或稠度調(diào)節(jié)適當。胃里開始消化某些食物的酸和其他胃液、胰液及膽汁里的助消化的化合物，是由血液里的鈉鹽和鉀鹽形成的。另外，視網(wǎng)膜對光脈沖反應(yīng)的生理過程，也依賴于 Na+，k+和Cl有適當?shù)臐舛取ｏ@然，人體的許多重要機能對這三種離子都有依賴關(guān)系，如下圖所 示。體內(nèi)任何一種離子不平衡，都會對身體產(chǎn)生影響。例如，運動過度，特別是炎熱的天氣里，會引起大量出汗，汗的成分主要是

13、水，還有許多離子，其中有 Na+，K+和Cl-，使汗帶咸味。出汗太多使體內(nèi)這些離子濃度大為降低，就會出現(xiàn)不平衡，使肌肉和神經(jīng)反應(yīng)受到影響，導致出現(xiàn)惡心、嘔吐、衰竭和肌肉痙攣。因此，運動員在訓練或比賽前后，喝特別配制的飲料，用以補充失去的鹽分。當我們仔細觀察和研究那些含金屬元素生物分子的結(jié)構(gòu)以及它們的生理 功能時，發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)的常量元素都是海水中最豐富的元素。人體大部分的組成元素是周期表中的輕元素（原子序數(shù)在 34 以下），兩個較重的元素就是原子序數(shù)為 42 的 Mo 和 53 的 I 。而由地球表面大氣圈、水圈和淺巖石圖所組成的生物圈中的元素也主要由這些輕元素所組成，這正是豐度原則的直接結(jié)果。因

14、此可以認為生物體發(fā)源于水圈。生物體體液中的離子組成和水圈中的離子組成也很相似。生物體正是利用水體中含量最豐富的 Na+和 K + 來控制體內(nèi)的離子濃度和滲透壓等；又如 Ca2+和 Sr2+ 在性質(zhì)上雖然很相似，而自然界絕大多數(shù)的生物卻是利用鈣鹽作為構(gòu)成骨骼的材料，這正是利用了鈣有較高的豐度。人類自身目前仍然處于一個進化的過程之中，與地球的形成、生物體的進化這個漫長的歷史進程相比，人類只是這條長河中極其短暫的一段?，F(xiàn)代人類還在不斷地隨著環(huán)境的改變而進化，以適應(yīng)新的環(huán)境。微量元素 在不同體內(nèi)部位的水平與人體健康關(guān)系極大。它與人體健康的關(guān)系是很復雜的，其濃度、價態(tài)、攝人肌體的途徑等對人體健康都有影響

15、，有些疾病的發(fā)生和微量元素的平衡失調(diào)關(guān)系密切。例如我國地方病克山病是與缺硒有關(guān)的心肌壞死；地方性甲狀腺腫、地方性克汀病則是由于嚴重缺碘引起的等等。微量元素還和人體免疫功能、出生缺陷、腫瘤、血液病、眼疾等有關(guān)。如何將微量元素做成藥物和食品添加劑等用于醫(yī)治和疾病的預防是一個重要的專門研究領(lǐng)域。微量元素與人體的關(guān)系不是孤立的，微量元素之間，微量元素與蛋白質(zhì)、酶、脂肪、維生素之間都存在相互作用。如銅和鐵在肌體內(nèi)顯示生理協(xié)同作用，即銅可促進肌體對鐵的吸收；鐵可拮抗鎘的毒性等。在分析它們的作用時，不能忽略其他因素的影響。 人體中也含有非必需微量元素，甚至有害元素如 Cd，Hg，Pb 等，這和食物、水質(zhì)及大氣的污染關(guān)系甚大。如經(jīng)口腔、呼吸道吸收的 Cd 通過血液轉(zhuǎn)移后，大部分蓄積于腎臟和