無(wú)機(jī)元素的生物學(xué)效應(yīng)

1、第11章 無(wú)機(jī)元素的生物學(xué)效應(yīng) 細(xì)胞 無(wú)機(jī)元素的生物學(xué)效應(yīng) 111.1 生物分子 一個(gè)活的機(jī)體必須具有信息傳遞、生殖、新陳代謝、調(diào)節(jié)和適應(yīng)環(huán)境等功能。從化學(xué)角度上看，這些功能無(wú)非是生物分子之間有組織的化學(xué)反應(yīng)的表現(xiàn)，無(wú)機(jī)元素的生物學(xué)效應(yīng)大多是通過(guò)與生物分子的相互作用而發(fā)生的。在大多數(shù)情況下，金屬元素在生物體內(nèi)不以自由離子形式存在，而是與配體形成生物分子金屬配位化合物。因此，在本質(zhì)上金屬元素與生物分子的作用都屬于配位化學(xué)范疇。那些存在于生物體內(nèi)、具有生物功能并與金屬配位的配位體稱為生物配體。 生物配體大體可分為三類： (1) 簡(jiǎn)單陰離子如F、Cl、Br、I、OH、SO42、HCO3和HPO42等

2、； (2) 小分子物質(zhì)如水、氫氣、氨、卟啉、咕啉、核苷酸和氨基酸等； (3) 大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、多糖和核酸等。 211.1.1 氨基酸、多肽和蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)是是由L型的氨基酸通過(guò)肽鍵CONH組合而成。蛋白質(zhì)可降解為較小的肽，肽進(jìn)一步水解成為氨基酸。 在氨基酸分子HOOCCHR中，側(cè)鏈R可以是羥基、巰 NH2基、苯環(huán)、烴基和雜環(huán)等。正是具有不同特征側(cè)鏈的氨基酸的不同排列順序，才形成了各種各樣的具有不同生物功能的蛋白質(zhì)。 一個(gè)氨基酸的羧基與另一氨基酸的氨基通過(guò)脫水縮合形成而使兩個(gè)氨基酸連接起來(lái) ：R23 由兩個(gè)氨基酸形成的化合物稱為二肽，由多個(gè)氨基酸形成的化合物的叫多肽。蛋白質(zhì)就是由成百上千個(gè)氨

3、基酸通過(guò)肽鍵連接起來(lái)的多肽鏈。多肽鏈中相當(dāng)于氨基酸的單元結(jié)構(gòu)稱為氨基酸殘基。 一個(gè)氨基酸至少有兩種可電離的基團(tuán)氨基和羧基。它們通常形成兩性離子。在多肽和蛋白質(zhì)分子中，除相鄰氨基酸殘基之間所形成的肽鍵之外，還有末端NH3基和 COO基及側(cè)鏈基團(tuán)。這些基團(tuán)都有能鍵合金屬離子的活性。這是金屬離子通過(guò)蛋白分子發(fā)揮自身生物學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)之一。R24 由于蛋白質(zhì)在幾乎所有的生物過(guò)程中都起著極其重要的作用，因此研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是從分子水平上去認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象的一個(gè)重要方面。 從氨基酸到肽，體現(xiàn)了從量變到質(zhì)變的飛躍，從簡(jiǎn)單的多肽到蛋白質(zhì)又是一個(gè)飛躍。蛋白質(zhì)已不是一種簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物。蛋白質(zhì)的分子量可高達(dá)

4、l06，小的也在104以上。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，除氨基酸組成序列這種一級(jí)結(jié)構(gòu)之外，還有更高級(jí)的二級(jí)、三級(jí)以及四級(jí)結(jié)構(gòu)。 511.1.2 酶 酶是一類特殊的具有專一催化活性的蛋白質(zhì)。通常按其所作用的底物的名稱來(lái)命名，所謂底物是指與酶作用的化合物。如催化H2O2分解的酶稱為過(guò)氧化氫酶。與人工催化劑相比，酶的催化效率高，具有高度的專一性，反應(yīng)條件溫和。不同細(xì)胞內(nèi)的酶系統(tǒng)不同，而且不同的酶系統(tǒng)又有不同的生物控制系統(tǒng)，從而保證了生物體內(nèi)的反應(yīng)在規(guī)定部位按規(guī)定程序和規(guī)定程度進(jìn)行，確保生命活動(dòng)的高度有序性。 6 酶分為兩類： 單純蛋白酶； 結(jié)合蛋白酶。 前者只含蛋白質(zhì)； 后者由酶蛋白和輔基(或輔酶)兩部分所

5、組成。 酶蛋白指的是酶分子中的蛋白質(zhì)部分； 輔基或輔酶是酶中的非蛋白質(zhì)部分，它們可以是一些 小分子的有機(jī)物或金屬離子，如維生素B12、血紅素、Zn2等。輔基與酶蛋白結(jié)合牢固，不易分離；而輔酶與酶蛋白結(jié)合疏松，用透析的方法就可使其分離。一 酶的分類7 在已發(fā)現(xiàn)的3 000多種酶中，有1/4至1/3需要金屬離子參與才能充分發(fā)揮它們的催化功能。 按照酶對(duì)金屬親合力的大小，可以將這些酶劃分為金屬酶和金屬激活酶。 金屬酶中的酶蛋白與金屬離子結(jié)合得比較牢固且金屬離子處于酶的活性中心。 金屬激活酶與金屬離子的結(jié)合不如金屬酶牢固，且金屬離子不在酶的活性中心處。 在提取分離過(guò)程中，金屬酶一般不會(huì)發(fā)生金屬離子的解

6、離丟失現(xiàn)象，而金屬激活酶則常要發(fā)生金屬離子的解離。金屬離子丟失會(huì)導(dǎo)致酶活性消失，不過(guò)在加入適當(dāng)金屬離子后，酶的活性一般可以重新獲得。 8 金屬離子在活化各種酶時(shí)的功能大致可以歸結(jié)為： (1) 固定酶蛋白的幾何構(gòu)型，以保證只有特定結(jié)構(gòu)的底物才可與之結(jié)合； (2) 通過(guò)與底物和酶蛋白形成混合配合物而使底物與酶蛋白相互靠近，從而有助于酶蛋白發(fā)生作用； (3) 在反應(yīng)中作為電子傳遞體，使底物被氧化或被還原。9 二 酶的作用機(jī)理學(xué)說(shuō) 1 鎖鑰學(xué)說(shuō) 鎖鑰學(xué)說(shuō)認(rèn)為酶與底物的關(guān)系如同鎖和鑰匙的關(guān)系一樣。酶分子像一把鎖，而底物像一把鑰匙。當(dāng)酶和底物的空間構(gòu)像正好能相互完全彌合時(shí)，才能像鑰匙將鎖打開(kāi)一樣，產(chǎn)生相互

7、作用。 這種比喻一方面說(shuō)明了酶催化的專一性，另一方面也說(shuō)明了酶與其作用的底物之間的復(fù)雜空間關(guān)系。10 2 誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō) 誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)認(rèn)為，酶的結(jié)合部位(活性中心)的空間構(gòu)像和底物的空間構(gòu)像，在它們結(jié)合以前，并不是互相彌合得很好。但它們一旦以一個(gè)結(jié)合點(diǎn)結(jié)合后，會(huì)引起其他結(jié)合點(diǎn)的空間位置發(fā)生變化，使它們能與底物的對(duì)應(yīng)部分充分結(jié)合。即酶在與底物的結(jié)合的過(guò)程中經(jīng)過(guò)了一個(gè)誘導(dǎo) 空間構(gòu)像改變契合這樣一個(gè)連續(xù)的過(guò)程。 鎖鑰學(xué)說(shuō)與誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)的本質(zhì)區(qū)別在于: 鎖鑰學(xué)說(shuō)認(rèn)為酶的構(gòu)像是始終不變的，即活性中心被假設(shè)為預(yù)先定形的，像鎖一樣，具有剛性； 誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)則認(rèn)為酶的活性中心是柔性的，具有可塑性或可變性，剛中有

8、柔。在誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)看來(lái)，酶的活性中心起始時(shí)可能并不完全適合于底物分子的構(gòu)像，但其可以被底物的誘導(dǎo)而發(fā)生變化，形成一種對(duì)底物結(jié)合部位完全互補(bǔ)的空間構(gòu)像。 1111.1.3 核酸及其相關(guān)化合物 核酸是生物遺傳連續(xù)性及性狀表達(dá)的基礎(chǔ)，與蛋白質(zhì)一起構(gòu)成了生命存在的物質(zhì)基礎(chǔ)。 從化學(xué)結(jié)構(gòu)上講，核酸是由嘌呤和嘧啶堿基、糖以及磷酸所組成的大分子化合物。 根據(jù)結(jié)構(gòu)中戊糖2位有無(wú)氧原子而將核酸區(qū)分為脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。 脫氧核糖核酸(DNA)由腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶以及胸腺嘧啶等堿基和脫氧核糖組成。 核糖核酸(RNA)則是由腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶等堿基和核糖組成。12 腺嘌呤和鳥(niǎo)

9、嘌呤9位的N一般用N(9)表示，胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶的N(l)與核糖(或脫氧核糖)相結(jié)合，構(gòu)成核苷，核苷再與磷酸形成核苷酸。堿基為腺嘌呤時(shí)的核苷酸結(jié)構(gòu)如上圖所示。 13 核酸中，糖環(huán)上的C(5)羥基及相鄰核苷酸C(3)羥基與同一磷酸分子形成磷酸酯，依次延續(xù)，形成一條長(zhǎng)鏈。真正的DNA分子是由兩條多核苷酸長(zhǎng)鏈彼此互補(bǔ)，以雙螺旋結(jié)構(gòu)形成的。DNA是遺傳基因攜帶者。當(dāng)DNA分子中的脫氧核糖以核糖代替，胸腺嘧啶以尿嘧啶代替，即成為RNA。 從生物機(jī)能上看，RNA有核糖體RNA、信使RNA和轉(zhuǎn)移RNA之分，在生命過(guò)程中各自都有其重要作用。從化學(xué)觀點(diǎn)看，上述生物分子中都存在有良好的配位環(huán)境，因而在體內(nèi)

10、作用過(guò)程中，往往涉及到對(duì)無(wú)機(jī)離子的結(jié)合或爭(zhēng)奪。1411.2 細(xì)胞 生命的本質(zhì)是一系列化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)與其他化學(xué)反應(yīng)在本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別。但是在生命過(guò)程中的反應(yīng)是高度有序的組合。正是這些有序組合的化學(xué)反應(yīng)才使得生命得以存在，才能實(shí)現(xiàn)由低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式向高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化。15 從某種意義上講，細(xì)胞就像一個(gè)微反應(yīng)器，細(xì)胞膜反應(yīng)器壁起著一種間隔作用。 反應(yīng)器的行為被細(xì)胞膜所控制。 一些外界的刺激，如神經(jīng)沖動(dòng)和某些由腺體分泌而來(lái)的特殊的化學(xué)物質(zhì)，能夠影響細(xì)胞膜的行為。 細(xì)胞中反應(yīng)物的流入和生成物的流出取決于細(xì)胞膜和細(xì)胞成分的特性。 對(duì)于不同的物質(zhì)胞膜具有不同的選擇性通透，從而決定了這些離子的分布和功能。如s

11、區(qū)金屬離子，由于胞膜的作用，Mg2和K集中于細(xì)胞之內(nèi)，參與胞內(nèi)變化過(guò)程；而Ca2卻被排斥在胞膜之外，使得Ca2被利用來(lái)作為牙齒、骨骼、殼體中的結(jié)構(gòu)因素及胞外酶的活化劑。 1611.3 生物元素 11.3.1 分類 已發(fā)現(xiàn)約30種元素與生物界的生存和發(fā)展關(guān)系密切。人們將這些元素稱之為生物元素。根據(jù)體內(nèi)功能的不同，又可將生物元素分為必需元素、有益元素及有害元素。 對(duì)元素在生物體中作用的“定位”是與生物體在自然進(jìn)化過(guò)程中對(duì)元素的選擇與演化的結(jié)果。例如，經(jīng)過(guò)分析比較，生物必需元素在血漿中的百分組成與海水組成類似，從而強(qiáng)有力地支持了生命起源的海灘學(xué)說(shuō)。 17 所謂必需元素是指維持生命正?；顒?dòng)不可缺少的元

12、素，必需元素符合下述幾個(gè)條件： 存在于生物的所有健康組織中； 在每個(gè)物種中有一個(gè)相對(duì)恒定的濃度范圍； 從體內(nèi)過(guò)多排出這種元素會(huì)引起生理反常，但再補(bǔ)充后生理功能又恢復(fù)。 目前已發(fā)現(xiàn)的必需元素大致有18種。 必需元素又可分為宏量元素和微量元素兩類。 有益元素是指那些存在不足時(shí)，生物體雖可維持生命但相當(dāng)孱弱的元素。已發(fā)現(xiàn)的有益元素大致有8種。 有害元素是指因環(huán)境污染或飲食不潔而進(jìn)入生物體內(nèi)的元素，常見(jiàn)的有鉛、鎘、汞等，它們的存在往往有害于生物體正常功能的發(fā)揮。 還有約2030種元素在生物體內(nèi)也普遍存在，但存在濃度差別很大，生物學(xué)作用還不十分清楚，將這些元素稱為沾污元素。 18下表列出人體必需元素及有

13、益元素在周期表中的分布。 人體必需的元素及有益元素 常量元素 微量元素 19 需要指出的是，必需元素與有益元素、有害元素之間并不存在截然的界限，相信隨著人們認(rèn)識(shí)水平和儀器測(cè)試水平的提高，生物元素的概念和內(nèi)容還將不斷修正和發(fā)展。事實(shí)上，許多元素在適當(dāng)濃度、適當(dāng)范圍內(nèi)對(duì)生物體是有益的，但當(dāng)越過(guò)某一臨界濃度時(shí)就有害了。它們完全遵循從“量變”到“質(zhì)變”的事物發(fā)展規(guī)律。 20 將生物元素與周期表聯(lián)系起來(lái)分析是很有趣的： 構(gòu)成生物體的11種宏量元素(C、H、O、N、S、Ca、P、K、Na、Cl、Mg)的原子量都非常小，全部屬于原子序數(shù)小于20的輕元素，而且都是主族元素。 其中，C、H、O、N、P和S是組成

14、生物體內(nèi)蛋白質(zhì)、 脂肪、碳水化合物和核糖核酸的主要元素；Na、K、Cl是 組成體液的重要成分；Ca是骨骼的主要組成部分。 21 18種必需微量和痕量元素 非金屬元素有6種(F、I、Se、Si、As和B), 金屬元素12種(Fe、Zn、Cu、Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、Sn和Pb)。 屬于d區(qū)元素的有8種金屬元素，其中7種集中于第一過(guò)渡系，第二過(guò)渡系只有鉬為必須元素。有人認(rèn)為生物以鉬作為必須元素，是因?yàn)樯鹪从诤Ｑ?，而在海洋中鉬的存在量較其他重金屬多得多。微量和痕量元素約占人體總質(zhì)量的0.05。 22 生命必需微量元素與這些宏量元素之間以鈣為分界線，只有硼、氟與硅例外，它們雖屬必需

15、微量元素，但原子序數(shù)也在20之內(nèi)。 原子序數(shù)大于34(Se)的僅有鉬、錫、碘3種必需微量元素。原子序數(shù)大于53(I)的39種元素，至今從未發(fā)現(xiàn)有什么生理意義。從釩到鋅這8種過(guò)渡金屬元素對(duì)于高等動(dòng)物來(lái)講是必需的元素，它們既是多種金屬蛋白的組成成分，也是金屬酶的組成成分。 原子序數(shù)介于2334之間的兩個(gè)元素鎵和鍺的生命必需性正在證實(shí)中，已有不少資料表明鍺的某些化合物對(duì)于延年益壽、防病治病具有十分神奇的功效。 同樣，對(duì)于原子序數(shù)為35的溴的必需性也在研究中。23 鑭系元素在生物體中含量甚微，對(duì)它們的生物功能了解得也很少，但大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明鑭系離子和許多生物大分子或小分子都有不同程度的結(jié)合力，對(duì)生物

16、體內(nèi)多種酶具有激活和抑制作用，對(duì)機(jī)體許多疾病有不同程度的防治作用。2413.3.2 最適營(yíng)養(yǎng)濃度定律 法國(guó)科學(xué)家在研究了錳元素對(duì)植物生長(zhǎng)的影響后，提出了最適營(yíng)養(yǎng)濃度定律。內(nèi)容是，植物缺少某種必需元素時(shí)就不能成活，當(dāng)該元素含量適當(dāng)時(shí)，植物就能茁壯成長(zhǎng)，但過(guò)量時(shí)又會(huì)影響植物的生長(zhǎng)。最適營(yíng)養(yǎng)濃度定律也適用于人類。例如，硒是一種重要的生命必需元素，每人每天攝取104 g較為適宜，若長(zhǎng)期日攝入低于5105 g可引起癌癥、心肌損害及貧血等疾患，而過(guò)多攝入又可導(dǎo)致腹瀉和神經(jīng)官能癥等毒性反應(yīng)。 25ABCDE元素濃度健康程度G 人體健康與元素濃度的關(guān)系曲線 左圖為人體健康與元素濃度的關(guān)系曲線，實(shí)線表示必需元素

17、對(duì)人體健康狀況的影響，虛線表示有害元素對(duì)人體的影響。 圖中的第一個(gè)峰反映人的一生中起重要作用的最佳營(yíng)養(yǎng)狀況；第二個(gè)峰表示在一個(gè)短暫的時(shí)期(如幾天)內(nèi)的情形(如藥物作用)，它表示一些元素(包括必需元素和有害元素)過(guò)量時(shí)，在一定范圍內(nèi)對(duì)某些疾病有治療作用。圖中的D看作是一個(gè)分界線，D的左邊是對(duì)健康人而言的，D的右邊是對(duì)某些病人而言的。圖中右邊的E點(diǎn)是極限濃度，表示由于元素過(guò)量將引起死亡。 如果某種必需元素明顯減少或缺乏，人體就會(huì)出現(xiàn)某種病癥(圖中的AB段)；保證人體健康的最適濃度是圖中的BC段；從C到D表示元素過(guò)量或“超過(guò)需要量”，這將引起人體健康狀況惡化。從D到E表示元素能促進(jìn)體內(nèi)某種防護(hù)機(jī)能，

18、如阻礙腫瘤細(xì)胞的繁殖，促進(jìn)傷口愈合等。 2611.4 無(wú)機(jī)元素的生物學(xué)效應(yīng) 11.4.1 金屬元素的生物學(xué)作用特點(diǎn) 金屬元素在生命過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，但就作用類型來(lái)講，主要可概括： 為對(duì)體內(nèi)生理生化過(guò)程的觸發(fā)和控制作用； 對(duì)蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)調(diào)整、改變其反應(yīng)性的作用； 接納電對(duì)作為L(zhǎng)ewis酸對(duì)體內(nèi)生化反應(yīng)發(fā)揮催化作用； 參與體內(nèi)電子傳遞過(guò)程、促進(jìn)體內(nèi)有氧代謝過(guò)程的完成等。 2711.4.2 主族元素的生物學(xué)效應(yīng) 生命必需元素各有不同的生物學(xué)作用，健康的機(jī)體要求這些元素不僅要存在于機(jī)體內(nèi)，而且還必需在恰當(dāng)?shù)牟课弧⒁郧‘?dāng)?shù)牧亢颓‘?dāng)?shù)难趸瘧B(tài)同恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)合對(duì)象相結(jié)合。 在26種生命必需元素中，

19、有17種為主族元素，其中的主族非金屬元素是機(jī)體結(jié)構(gòu)分子如蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪及負(fù)責(zé)能量貯存和傳遞的ADP和ATP等的主要成分，其生物功能通過(guò)這些生物分子而體現(xiàn)。其余主族生命必需元素，主要為Na、K、Mg2、Ca2(和Cl)等，它們常常以自由移動(dòng)的離子形式存在，維持著體液和細(xì)胞中的電荷平衡，維持血液和其他體液系統(tǒng)離子強(qiáng)度等作用。 28 1 鈉和鉀 Na和K都具有穩(wěn)定的殼層結(jié)構(gòu)，它們給生物體系 提供電解質(zhì)環(huán)境 維持體液的酸堿平衡 參與某些物質(zhì)的吸收等方面都具有重要的作用。 它們與配體之間的作用多是靜電相互作用，一般不具有強(qiáng)的配合作用，但有強(qiáng)的鍵合需求。 它們是硬陽(yáng)離子，對(duì)含氧配體具有強(qiáng)的親合性

20、，大環(huán)配體或蛋白質(zhì)可與之配合形成穩(wěn)定的結(jié)合體。29 鉀和鈉的生物功能包括： (1) 保持神經(jīng)肌肉的應(yīng)激性 K和Na承擔(dān)著傳遞神經(jīng)脈沖的功能。 由于“鈉泵”的作用，細(xì)胞內(nèi)K的濃度大于細(xì)胞外K的濃度，胞內(nèi)Na的濃度則小于細(xì)胞外的濃度。 在一般情況下，細(xì)胞膜的“鉀通道”開(kāi)啟，K通過(guò)細(xì)胞膜擴(kuò)散到胞外，致使膜外帶正電，膜內(nèi)帶負(fù)電，形成膜電位。 而當(dāng)神經(jīng)肌肉興奮時(shí)，“鈉通道”開(kāi)啟，對(duì)Na有更大通透性，Na通過(guò)細(xì)胞膜擴(kuò)散到胞內(nèi)，使膜外帶負(fù)電。 這樣，興奮部位的膜和未興奮部位的膜間就產(chǎn)生了稱作動(dòng)作電位的電位差。這種動(dòng)作電位在神經(jīng)傳遞信號(hào)以及肌肉對(duì)刺激的反應(yīng)中起著支配作用。30 K、Na擴(kuò)散與離子泵化作用而釋放

21、出磷酸化的磷酸蛋白質(zhì)(PP)和K離子，同時(shí)ATP轉(zhuǎn)化為磷酸腺甙(ADP)。PP易于同Na結(jié)合，并將Na帶到膜外，在那里發(fā)生去磷化作用生成原來(lái)的磷酸蛋白并釋放出Na。離子泵的能量來(lái)源于ATPADP的變化過(guò)程。在每次循環(huán)中，ATP可搬運(yùn)三個(gè)Na出細(xì)胞和2個(gè)K(或H)進(jìn)細(xì)胞。伴隨3個(gè)Na的排出和2個(gè)K的進(jìn)入，一個(gè)多余的正電荷運(yùn)到了胞外。這樣就在膜的內(nèi)、外產(chǎn)生了一個(gè)電荷梯度，膜電位因而就形成了。 “鈉泵”又稱離子泵，一般認(rèn)為其作用機(jī)制主要涉及磷酸蛋白質(zhì)和三磷酸腺甙與鉀形成的化合物的交互作用。磷酸蛋白質(zhì)與鉀形成的化合物(KP)比與鈉形成的化合物穩(wěn)定。KP通過(guò)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)三磷酸腺甙(ATP)的磷酸31

22、 (3) 維持體液酸堿平衡 體液中任何一種酸性物質(zhì)或堿性物質(zhì)過(guò)多，都會(huì)導(dǎo)致酸堿平衡失調(diào)，體液酸堿性的相對(duì)恒定對(duì)保證正常的物質(zhì)代謝和生理機(jī)能有十分重要的意義。 由K或Na參與的各種緩沖體系是調(diào)節(jié)體液酸堿平衡的重要因素。 (2) 保持一定的滲透壓 滲透壓的變化將直接影響肌體對(duì)水的吸收和體內(nèi)水的轉(zhuǎn)移，保持一定的滲透壓是肌體正常生命活動(dòng)的需要。K和Na對(duì)維持和調(diào)節(jié)體液滲透壓有重要作用。 當(dāng)細(xì)胞外K或Na離子濃度升高時(shí)，水由胞內(nèi)轉(zhuǎn)移到胞外，引起細(xì)胞皺縮；相反，水由胞外轉(zhuǎn)移到胞內(nèi)而引起細(xì)胞腫脹。 32 體液中的Na可參與氨基酸和糖的吸收。雖然，Na的主要作用在于維持滲透壓和膜電位，但細(xì)胞內(nèi)Na的排出也與氨

23、基酸和糖類進(jìn)入細(xì)胞的傳遞過(guò)程相關(guān)聯(lián)。 K的離子半徑較Na大，但電荷密度較Na小，因而具有擴(kuò)散通過(guò)疏水溶液的能力，如K離子擴(kuò)散通過(guò)脂質(zhì)蛋白細(xì)胞膜幾乎與擴(kuò)散通過(guò)水一樣容易。同時(shí)，K離子作為某些酶的輔基，也具有穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。如糖分解所必需的丙酮酸激酶就需要高濃度的K，而此酶卻被Na所抑制。在核糖體內(nèi)進(jìn)行蛋白質(zhì)合成是最關(guān)鍵的生命過(guò)程，為了獲得大的活性，也需要高濃度的K。 (4) 參與某些物質(zhì)的吸收過(guò)程33 2 鈣和鎂 鈣和鎂在整個(gè)細(xì)胞新陳代謝過(guò)程中起著各種重要的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定作用和催化作用。 像Na和K一樣，Ca2和Mg2也有助于維持膜電位差，并負(fù)責(zé)傳遞神經(jīng)信息。 這兩種金屬離子在脂蛋白質(zhì)中橋聯(lián)鄰

24、近羧酸根從而強(qiáng)化了細(xì)胞膜。事實(shí)上，在沒(méi)有Ca2的情況下細(xì)胞膜將成為多孔狀。 這兩種離子也在像多磷酸鹽這樣的弱堿中心上作為催化劑使用。34 首先，鈣可作為信使，在傳遞神經(jīng)信息、觸發(fā)肌肉收縮和激素的釋放、調(diào)節(jié)心律等過(guò)程中都起重要作用。 鈣之所以能作為信使，是因?yàn)樗臐舛瓤擅艚莸貙?duì)外部刺激作出響應(yīng)。這種變化由肌鈣蛋白C所控制，肌鈣蛋白C引發(fā)Ca2鍵合于其上，導(dǎo)致Ca2的濃度變化。 第二，Ca2是形成多種酶所必不可少的一部分。 如在胰蛋白酶中，3個(gè)Ca2存在于三個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)域，其中一個(gè)Ca2處于蛋白質(zhì)表面因而具有催化作用。 鈣也作為細(xì)胞外酶的輔因子參與了體內(nèi)許多重要的生理過(guò)程，如血液凝結(jié)、乳汁分泌等。Ca

25、2具有的多樣性生物功能：35 第三，鈣在體內(nèi)最主要的作用是作為骨頭、牙齒及外殼中羥基磷灰石的組成部分。 羥基磷灰石的近似組成可表示為Ca3(PO4)23Ca(OH)2，在生理pH值條件下是難溶性的。 體內(nèi)對(duì)鈣的沉積有一個(gè)非常好的控制辦法，就是將沉淀作為骨質(zhì)或殼體材料通過(guò)血流轉(zhuǎn)移到適當(dāng)區(qū)域沉積下來(lái)。 第四，參與體內(nèi)凝血過(guò)程。 當(dāng)機(jī)體組織或血管壁受到損傷時(shí)，血液流出管外，血液凝固成塊，起到止血作用。因此從某種意義上來(lái)看，血液凝固是機(jī)體自身的一種保護(hù)性生理過(guò)程。在這些過(guò)程中都有Ca2離子的參加。 因此，如果能夠設(shè)法除去血液中的Ca2離子就能永遠(yuǎn)防止凝血。如檸檬酸鈉可與血漿中的Ca2形成不易電離的可溶

26、性配合物檸檬酸鈉鈣，因而降低了血漿中游離態(tài)Ca2離子的濃度，故在臨床上輸血時(shí)常用檸檬酸作為抗凝劑。 36 鎂是一種細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定劑和細(xì)胞內(nèi)酶的輔因子。 細(xì)胞核酸以鎂配合物的形式存在。 由于鎂傾向于與磷酸根結(jié)合，所以鎂對(duì)DNA復(fù)制和蛋白質(zhì)生物合成是必不可少的(近年發(fā)現(xiàn)白血病患者體內(nèi)Mg含量較低)。 鎂在綠色植物的光合作用中也有著非常重要的作用。葉綠素分子中Mg2離子扮演著結(jié)構(gòu)中心和活性中心的作用。 葉綠素能吸收可見(jiàn)光中的紅光(680 nm)，為光合作用提供能量。 R R葉綠素a：CH3 C20H39葉綠素b：CHO C20H39 C20H39: 葉綠基Mg2葉綠素分子37 3 硒 硒是一種毒

27、性較大的元素。但硒以低濃度存在時(shí)，有助于防止肝壞死，并能促進(jìn)人和動(dòng)物的生長(zhǎng)。由此才將其列為一種必需微量元素。近三、四十年來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到了微量硒對(duì)生命過(guò)程的重大作用。 例如，血液中紅細(xì)胞所含血紅蛋白是一種鐵蛋白，這種鐵蛋白只有在所含鐵處于2 價(jià)時(shí)才具有載氧活性，但 這種鐵蛋白與過(guò)氧化氫相遇后，很易氧化為高 鐵血紅蛋白，鐵血紅蛋白，從而失去載氧活性 。在谷胱甘肽過(guò)氧化物酶存在時(shí)可有效防止過(guò) 氧化氫對(duì)亞鐵血紅蛋白的破壞，而硒是谷胱甘 肽過(guò)氧化物酶的活性中心。 近來(lái)的研究還表明，硒代半胱氨酸是多種 酶輔基的必需成分。 硒代半胱氨酸38 4 碘 健康成人體內(nèi)含有約1520 mg的碘，主要以甲狀腺激素

28、即甲狀腺素和三碘甲狀腺原氨酸的形式存在于甲狀腺中。 碘的代謝與甲狀腺機(jī)能有密切關(guān)系。 缺碘癥狀主要是甲狀腺腫大、發(fā)育遲緩、生殖系統(tǒng)異常等。 3911.4.3 副族元素的生物學(xué)效應(yīng) (1) 參與生物體內(nèi)的氧化還原過(guò)程 具有可變氧化態(tài)的過(guò)渡金屬，如Fe(II、III)、Cu(I、II)、Co(I、II、III)、Mn(II、III)、Mo(IV、V、VI)等，常存在于與氧化還原過(guò)程有關(guān)的金屬酶和金屬蛋白的活性部位，參與生物體內(nèi)的氧化還原過(guò)程。 作為生命必需元素的過(guò)渡金屬離子在體內(nèi)的濃度都很小，它們的許多確切作用還未被人們所知曉。不過(guò)從化學(xué)的角度來(lái)講，它們的生物功能可概括為三類:40 (2) 作為L(zhǎng)

29、ewis酸 過(guò)渡金屬離子，由于體積小和電荷高，因而都是較強(qiáng)的Lewis酸，易接受底物的電子發(fā)生配位作用而使底物活化。 不同的金屬離子有不同的路易斯酸強(qiáng)度，其強(qiáng)度隨著金屬離子電荷的增加和離子半徑的遞減而增大。 對(duì)于過(guò)渡金屬來(lái)說(shuō)，配位場(chǎng)強(qiáng)度等其他因素的影響也是重要的，因此2價(jià)離子的配合物的穩(wěn)定性也呈現(xiàn)出Irving-Williams序列。41 (3) 穩(wěn)定核酸構(gòu)型 近年來(lái)發(fā)現(xiàn)，核酸的合成涉及到許多金屬離子。除主族金屬M(fèi)g、Ca、Sr、Ba、Al外，還包括過(guò)渡金屬Cr、Mn、Fe、Ni和Zn。 目前認(rèn)為，這些金屬都與核酸構(gòu)型的穩(wěn)定性有關(guān)。已證明Zn可在DNA的兩股間橋聯(lián)，在Zn(II)存在時(shí)，即使D

30、NA熔化，兩股也不分開(kāi)。但Cu(II)的存在則能引起DNA的兩股分離。42 現(xiàn)就一些比較重要的過(guò)渡金屬元素的生物學(xué)效應(yīng)分述如下，內(nèi)容主要涉及高等動(dòng)物。 1 鐵 動(dòng)物體內(nèi)的鐵大部分以與蛋白質(zhì)相結(jié)合的形式血紅蛋白、肌紅蛋白、鐵蛋白以及轉(zhuǎn)鐵蛋白等存在，以自由金屬離子形式存在的量極少。另外尚有不足1 %的鐵以細(xì)胞色素為主的其他血紅素蛋白和黃素酶的形式存在。 血液中的鐵主要以血紅蛋白的形式存在于紅細(xì)胞中，而在血漿中鐵則以轉(zhuǎn)鐵蛋白形式存在。轉(zhuǎn)鐵蛋白作為鐵的傳遞體循環(huán)于血液中，在鐵的代謝中起重要作用。 生物體內(nèi)的天然氧載體具有可逆載氧能力，能把從外界吸入體內(nèi)的氧氣運(yùn)送到各種組織，供細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行維持生命所必需的

31、各種氧化作用。 鐵的存在是血紅蛋白具有載氧功能的主要原因。43 血紅蛋白的中心是Fe2，六個(gè)配位原子依八面體排布，其中卟啉環(huán)中的四個(gè)氮原子沿赤道方向配位，而另一個(gè)分子的血紅蛋白質(zhì)肽鏈中的一個(gè)組氨酸氮原子和一個(gè)配位水分子中的氧原子則從軸向位置配位。血紅蛋白的結(jié)構(gòu)該配位H2O容易與O2發(fā)生可逆的交換反應(yīng)。血液中的血紅蛋白在肺部攝取O2，而將H2O替代下來(lái)，當(dāng)血液流動(dòng)時(shí)，結(jié)合了O2的血紅蛋白被輸送到身體的各個(gè)部位，在需氧的地方釋放出O2，又將H2O交換上去，從而起到輸送氧氣的作用。 其他配位基團(tuán)(如CN、CO)也可交換到H2O的位置，因?yàn)樗麄兊呐湮荒芰^O2強(qiáng)，不易為O2替代，故他們是劇毒的。 44

32、 2 鋅 人體內(nèi)大約共有18種含鋅金屬酶和14種鋅激活酶。鋅酶涉及到生命過(guò)程各個(gè)方面。 例如碳酸酐酶是一種分子量高達(dá)30 000的鋅酶，它具有一系列的生物功能，包括光合成、鈣化、維持血液pH值、離子輸送和CO2交換等。該酶是目前所知道的催化效率最高的酶之一。 碳酸酐酶活性 部位示意圖45 碳酸酐酶具有一系列的生物功能，包括光合成、鈣化、維持血液pH值、離子輸送和CO2交換等。例如，由該酶催化人體產(chǎn)生的CO2水合變?yōu)镠CO3，HCO3離子隨血液循環(huán)到達(dá)肺泡，又由碳酸酐酶催化它轉(zhuǎn)化為CO2并排出體外。在310 K時(shí)，由碳酸酐酶催化的CO2的水合速率可達(dá)106 mol1s1(而通常情況下為7l04

33、mol1s1)，因而該酶被認(rèn)為是目前所知道的催化效率最高的酶之一。其催化機(jī)制有人認(rèn)為是： 另有一些含鋅酶則有助于控制從HCO3形成CO2的速率以及消化蛋白質(zhì)。46 體內(nèi)促進(jìn)磷脂水解的磷酸酯酶的主要活性成分也是鋅。鋅也是合成DNA、RNA和蛋白質(zhì)所必需的，缺乏鋅的大白鼠DNA、RNA和蛋白質(zhì)的合成量降低。此外，DNA合成時(shí)的基因活化過(guò)程也需要鋅。實(shí)驗(yàn)還證明，鋅在加速傷口愈合、視網(wǎng)膜定位、視覺(jué)反應(yīng)中起著重要作用。 羧肽酶是體內(nèi)重要的肽水解酶，是一種典型的鋅酶。它對(duì)體內(nèi)蛋白質(zhì)的水解具有重要作用。缺乏鋅時(shí)該酶活性降低，但補(bǔ)充鋅后活性又可恢復(fù)。體內(nèi)許多脫氫酶，如乳酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等都是鋅酶。47

34、3 銅 體內(nèi)大約有12種含銅酶。這些含銅酶具有從鐵的利用到皮膚的著色等多種生物學(xué)效應(yīng)。 紅血球中的銅60 %以上以血球銅蛋白的形式存在，血球銅蛋白也被稱為為超氧化物歧化酶(SOD)。該酶分子中含有兩個(gè)銅離子和兩個(gè)鋅離子，銅離子是催化中心，鋅離子只起次要的結(jié)構(gòu)作用。SOD有防御氧陰離子自由基的毒性、抗輻射損傷、預(yù)防衰老以及防止腫瘤和炎癥等重要作用。 血漿中的銅，大多以血漿銅藍(lán)蛋白的形式存在，血漿銅藍(lán)蛋白是分子量約為16萬(wàn)的2-球蛋白。它是一種與鐵代謝過(guò)程有關(guān)的氧化酶。 在軟體動(dòng)物和甲殼類動(dòng)物的血液中，存在含銅的呼吸色素蛋白血藍(lán)蛋白。血藍(lán)蛋白和脊椎動(dòng)物的血紅蛋白一樣與分子氧相結(jié)合，發(fā)揮氧載體的作用

35、。 銅缺乏時(shí)，新生兒會(huì)表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)失調(diào)癥狀，毛發(fā)色素也會(huì)缺乏，羊毛的角化和骨的形成也會(huì)受到影響。48 4 鉬 鉬在動(dòng)物生長(zhǎng)中的必需性是在1953年被證明的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃素酶(黃嘌呤氧化酶)是含鉬的金屬酶，其活性受鉬支配。此外，生物體內(nèi)的醛氧化酶、硝酸鹽還原酶、亞硫酸氧化酶、固氮酶等都是含鉬的金屬酶。49 固氮酶是由鐵蛋白和鉬鐵蛋白構(gòu)成的。在這些蛋白中, Fe、S、Mo都是功能元素。通過(guò)模型化合物的研究發(fā)現(xiàn)：Fe、Mo蛋白的結(jié)構(gòu)是由組成為MFe3S3的兩個(gè)開(kāi)口“網(wǎng)斗”口對(duì)口地被三個(gè)S原子相橋聯(lián)。圖中上半部口朝下的那個(gè)MFe3S3的M為Fe原子，而下半部口朝上的固氮酶那個(gè)MFe3S3的M則為Mo原子。

36、結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)由6個(gè)配位不飽和的Fe原子組成的三棱柱體，Rees等認(rèn)為N2分子是在三棱柱體空腔中與Fe原子形成六聯(lián)N2橋物種而活化并被還原的。圖中的Y在最先的報(bào)道中是個(gè)未知配位體, 現(xiàn)在則認(rèn)為也是S原子。50 5 鈷 鈷是一種人體必需微量元素。鈷的生物學(xué)效應(yīng)主要是它在B12系列輔酶中的作用。維生素B12是重要的含鈷生物配位化合物，又稱為氰鈷氨酸，Co3處于咕啉環(huán)的中心位置。維生素B12在生物體內(nèi)的功能實(shí)際上是通過(guò)輔酶B12參與碳的代謝作用，促進(jìn)核酸和蛋白質(zhì)合成、葉酸儲(chǔ)存、硫醇活化、骨磷酯形成，促進(jìn)紅細(xì)胞發(fā)育與成熟。因此，維生素B12能有效地治療惡性貧血。 動(dòng)物和人體所需維生素B12，一部分從食

37、物中攝取，一部分由腸道中的細(xì)菌合成。51 B12的結(jié)構(gòu)見(jiàn)左圖所示。中心離子Co3處在一個(gè)咕啉環(huán)的中心位置。八面體形排布的六個(gè)配位原子中有四個(gè)為環(huán)上的氮原子，一個(gè)是側(cè)鏈上的氮原子，最后一個(gè)為活性基團(tuán)R，在正常情況下，R為CN、OH或有機(jī)基團(tuán)。 維生素B12的結(jié)構(gòu)52 咕啉環(huán) 卟啉環(huán) 咕啉環(huán)和卟啉環(huán)的結(jié)構(gòu) 咕啉環(huán)與血紅蛋白中的卟啉環(huán)有一些類似(見(jiàn)上圖)。不過(guò)，咕啉環(huán)不飽和度低，往往不在一個(gè)平面上；同時(shí)咕啉環(huán)不是一個(gè)大共軛體系。因此，咕啉環(huán)剛性小，容易發(fā)生構(gòu)像的變化。由此可見(jiàn)，咕啉類化合物與卟啉類化合物作為兩類生物配體，其性質(zhì)是不同的。 鈷離子也是某些酶必需的輔因子，但只發(fā)現(xiàn)其中的甘氨酰甘氨酸二肽酶

38、存在于動(dòng)物體內(nèi)。53 6 釩、鉻、錳、鎳 已經(jīng)證明這幾種元素是生命必須微量元素，但它們?cè)谌梭w內(nèi)的濃度很小，其作用機(jī)理尚不十分明確。況且，一旦它們?cè)隗w內(nèi)的濃度超過(guò)一定界限，又將成為致畸和致癌物質(zhì)。5415.4.4 稀土元素的生物學(xué)效應(yīng) 稀土離子與不同的生物分子都有一定的親合力，對(duì)許多體內(nèi)酶具有抑制或激活作用以稀土離子為中心的許多配合物具有各式各樣的藥用活性，其藥用價(jià)值包括以下幾個(gè)方面： 1 抗凝血作用； 2 抗炎、殺菌和抑菌作用； 3 降血糖，抗癌，抗動(dòng)脈粥樣硬化等。 此外，稀土元素還可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，可做微肥使用。 但是，人們對(duì)稀土元素在生物體內(nèi)的作用機(jī)理、積累、代謝和遠(yuǎn)期毒性等了解得不

39、夠清楚，如果貿(mào)然大量使用，則可能產(chǎn)生急、慢性中毒等嚴(yán)重后果。況且，稀土的生物學(xué)作用是復(fù)雜的，尚有許多問(wèn)題需要探索、解決。因而需要從細(xì)胞、分子水平上加強(qiáng)對(duì)稀土與人體相互關(guān)系的研究。 5511.4.5 重金屬的毒性 金屬的毒性與其所處化學(xué)形態(tài)關(guān)系十分密切，例如，無(wú)機(jī)金屬鹽與有機(jī)態(tài)的金屬化合物毒性差別很大。一般來(lái)講，有機(jī)金屬化合物較之無(wú)機(jī)鹽更易被機(jī)體吸收，并且在體內(nèi)分布時(shí)也比較容易通過(guò)細(xì)胞膜，通過(guò)血腦屏障進(jìn)入腦部等，從這個(gè)方面看有機(jī)形態(tài)應(yīng)比無(wú)機(jī)形態(tài)毒性大。但實(shí)際上情況要復(fù)雜得多，無(wú)機(jī)鹽雖然透過(guò)膜比較困難，但與核酸、蛋白的結(jié)合能力比較強(qiáng)，因而細(xì)胞毒性往往也比較強(qiáng)。所以應(yīng)兩者兼顧才能討論或理解毒性的相對(duì)大小。 56 1 重金屬的毒性涉及的范圍很