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化学与健康 第一章人体中的化学 世界是物质的 大自然中一切物质都是由化学元素组成的 人体也不例外 化学元素在人体内进行着各种各样的化学反应 维持正常的新陈代谢 各种化学元素在人体中各有不同的功能 人体通过呼吸 饮水和进食 与自然界进行着物质交换和能量交换 并达到某种动态平衡 因此 这一章主要介绍人体中有哪些化学元素 这些元素在体内有哪些功能 它们的来源等等 人体中的化学 地球的年龄大约46亿年 而人类的出现距今约300万年 地球是由无生命阶段慢慢演化为有生命阶段的 经过十几亿年漫长的化学进化时期以后才出现原始生物 单细胞生物 然后又经历了30多亿年的生物进化时期 大约在300万年前地球上出现了原始人类 生命的起源 化学与生命起源 生命的演化历程 十几亿年 三十多亿年 1953 美国科学家米勒 S L Miller 第一个模拟原始大气成分 用H CH4 NH3和水蒸气等 通过加热和火花放电 在实验室合成了氨基酸 随后 许多通过模拟地球原始条件的实验又合称了生命体中的重要高分子 如脱氧核酸 核苷酸 脂肪酸等 1965年和1981年 我国在世界上先后首次合成了牛胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸 蛋白质和核酸的形成无疑是无生命到有生命的转折点 从生命构成的元素形成生物单分子 从生物单分子形成生物大分子物质 生命进化的化学过程 从生物大分子物质演化成为前生物系统 生物和非生物的本质区别在于新陈代谢和自我繁殖 前者保证生存 后者保证繁衍 人类是地球上最高级的生命形式 原始生命是最简单的生命形态 它至少能进行新陈代谢和自我繁殖 地球上最高级的生命形式 人类 是物质在一个相当漫长的历史长河中从低级向高级 从无生命向有生命名的发展进化过程的产物 人体中的化学元素 地球上有很多种元素 分布在自然界中岩石圈 水圈 大气圈和生物圈 人类在漫长的生物进化过程中 与环境进行物质交换 有选择性地吸收了几十种化学元素构成人体有效的机制 赖以维持生命 组成生命的主要物质是蛋白质 碳 氢 氧 氮 水分 氢 氧 和无机盐 磷 硫 金属离子 三大类 另外还有其他一些微量元素 表1现代人 70kg 的化学组成 为必需元素 人体内化学元素的来源 自养生物和异养生物自养生物 一般的植物和藻类 可以通过二氧化碳和水在叶绿素和太阳光的作用下进行光合作用产生糖而得到养分 叶绿素 异养生物 动物和人类 自身不能制造养分 必须依靠自养生物作为养分和能量的来源人类处在食物链的末端 食物链中各级植物和动物逐级积累的各种元素 最后都以食物的形式进入人体 6CO2 6H2O 能量 太阳能 C6H12O6 6O2 都是环境中存在的 且丰度较高 生物体所必需的元素大多数为轻元素 重的仅有I Mo Sn 生物体所必需的微量元素大多为过渡元素 与它们核外的的原子轨道中有未被填满的d轨道有关 C H O N具有易形成共价键的特点 它们能相互作用 形成大量不同形式的共价化合物 在碳的有机物中 由于单键碳原子具有四面体结构 借碳 碳键可形成许多不同的三维空间结构 碳原子还可以与氧氢氮磷和硫原子形成共价键把不同种类的功能基引入有机分子结构中C H O等形成的许多有机化合物在生理温度下具有流动的 人体内化学元素的特点 1 人体内元素的分类 按作用分 1 必需元素常量元素 氧 碳 氢 氮 钙 磷 硫 钾 钠 氯 镁 11种 按照在人体中元素的含量高于或低于0 01 来划分微量元素 20余种 它们的总量不足人体质量的0 05 2 非必需微量元素3 污染 有毒有害 元素 1 必需元素 C H O N S P等构成脂肪 糖 蛋白质 酶 核酸等生命有机化合物 其中C H O N占人体体重的96 钙 骨骼和牙齿所不可缺少的必需元素钾离子 钠离子等是体液中不可缺失的电解质离子多种微量金属元素是构成金属酶的重要元素人体缺铁会患贫血缺硒会患克山病 大骨节病缺碘会患甲状腺病 并导致人的智力障碍 2 非必需微量元素 非必需的元素含量都属于微量的范畴 是指其生理功能尚未确定或在机体内可有可无的元素铷 砷 硼 钛 铝 钡 铌 锆8种 3 污染元素 指对生物有毒性而无生物功能的元素 毒性元素 铋 锑 铍 镉 汞 铅 潜在毒性与放射性元素 铊 钍 铀 镭 锶 钡 元素对人体有益还是有害与其浓度和形态密切相关 人体由骨骼 肌肉 脂肪 血液 器脏 皮肤和毛发构成这些系统的主要构成物质是由氨基酸 蛋白质 脂肪 酶 核酸等为基础 而在这些生物有机化学物质中 碳 氢 氧 氮是最重要的组成元素 人体中元素的分布 人体中元素的分布 钙 磷 硫 硅 镁 氟 锰主要分布在骨骼中 含量多少与比值的大小对骨骼的生长 发育有重要影响 其中钙 磷 硫 镁具有机构性的作用硅 钡 Pb 铍 隔 铀 金 锂等元素与骨骼有较强的亲和性 在骨中过量的积蓄将会产生不同程度 不同性质的损害 人体中铍含量越高 患骨癌的可能性越大 镉大量在骨中沉淀可产生骨痛 甚至骨癌 富山县位于日本中部地区 在富饶的富山平原上 流淌着一条名叫 神通川 的河流 这条河贯穿富山平原 注入富山湾 不仅是居住在河流两岸人们世世代代的饮用水源 也灌溉着两岸肥沃的土地 使之成为日本主要粮食基地的命脉水源 然而 谁也没有想到多年后 这条命脉水源竟成了 夺命 水源 20世纪初期开始 人们发现该地区的水稻普遍生长不良 1931年又出现了一种怪病 患者大多是妇女 病症表现为腰 手 脚等关节疼痛 病症持续几年后 患者全身各部位会发生神经痛 骨痛现象 行动困难 甚至呼吸都会带来难以忍受的痛苦 到了患病后期 患者骨骼软化 萎缩 四肢弯曲 脊柱变形 骨质松脆 就连咳嗽都能引起骨折 患者不能进食 疼痛无比 常常大叫 痛死了 痛死了 有的人因无法忍受痛苦而自杀 经骨痛病尸体解剖 有的骨折达73处之多 身长缩短了30厘米 病态十分凄惨 这种病由此得名为 骨癌病 或 痛痛病 Itai ItaiDisease 1946 1960年 日本医学界从事综合临床 病理 流行病学 动物实验和分析化学的人员经过长期研究后发现 骨痛病 是由于神通川上游的神冈矿山废水引起的镉 Cd 中毒 据记载 由于工业的发展 富山县神通川上游的神冈矿山从19世纪80年代成为日本铝矿 锌矿的生产基地 神通川流域从1913年开始炼锌 骨痛病 正是由于炼锌厂排放的含镉废水污染了周围的耕地和水源而引起的 1961年 富山县成立了 富山县地方特殊病对策委员会 开始了国家级的调查研究 1967年研究小组发表联合报告 表明 骨痛病 主要是由于重金属尤其是镉中毒引起的 1968年开始 患者及其家属对金属矿业公司提出民事诉讼 1971年审判原告胜诉 被告不服上诉 1972年再次判决原告胜诉 日本在二次世界大战后经济复苏 工业飞速发展 但由于当时没有相应的环境保护和公害治理措施 致使工业污染和各种公害病随之泛滥成灾 除了富山 痛痛病 外 四日市哮喘病 水俣病 等都是在这一时期出现的 后来骨痛病已开始在日本各地蔓延了 骨痛病患区已远远超过神通川 而扩大到黑川 铅川 二迫川等7条河的流域 日本的工业发展虽然使经济获利不菲 但难以挽回的生态环境的破坏和贻害无穷的公害病使日本政府和企业日后为此付出了极其昂贵的治理 治疗和赔偿的代价 牙齿多由钙 磷 氟 硅 矾等元素组成而硅 镍 砷 锌 氟 铁 钛等元素较多地集中在毛发中锌 铜 钙 镁 钒 碲 Br等元素易蓄积于肌肉中 当肌肉缺镁 钾时 可导致肌无力 肌萎缩等症状矾 汞 铬 Nb Sn等元素易蓄积于脂肪中 其中钒 铬对脂肪代谢和降低胆固醇有重要作用 人体中元素的分布 人体中元素的分布 维持大脑功能的主要元素有磷和钒 然而锂 铷 汞 铅 铝 镉 氟 溴 铜 硅等也易在脑中积蓄 但它们是有害的 汞还可以穿过大脑屏障使细胞产生永久损伤 带来灾难性的后果 随着年龄的增长铝在大脑中富集 可导致神经微纤维缠结性病变 过量的铅可使大脑痴呆 可引起神经系统疾病 如神经疼痛 急性脑炎等 1956年日本水俣病事件日本熊本县水俣湾外围的 不知火海 是被九州本土和天草诸岛围起来的内海 那里海产丰富 是渔民们赖以生存的主要渔场 水俣镇是水俣湾东部的一个小镇 有4万多人居住 周围的村庄还 居 住着1万多农民和渔民 不知火海 丰富的渔产使小镇格外兴旺 1925年 日本氮肥公司在这里建厂 后又开设了合成醋酸厂 1949年后 这个公司开始生产氯乙烯 C2H5Cl 年产量不断提高 1956年超过6000吨 与此同时 工厂把没有经过任何处理的废水排放到水俣湾中 1956年 水俣湾附近发现了一种奇怪的病 这种病症最初出现在猫身上 被称为 猫舞蹈症 病猫步态不稳 抽搐 麻痹 甚至跳海死去 被称为 自杀猫 随后不久 此地也发现了患这种病症的人 患者由于脑中枢神经和末梢神经被侵害 轻者口齿不清 步履蹒跚 面部痴呆 手足麻痹 感觉障碍 视觉丧失 震颤 手足变形 重者神经失常 或酣睡 或兴奋 身体弯弓高叫 直至死亡 当时这种病由于病因不明而被叫做 怪病 这种 怪病 就是日后轰动世界的 水俣病 水俣病 的罪魁祸首是当时处于世界化工业尖端技术的氮 N 生产企业 氯乙烯和醋酸乙烯在制造过程中要使用含汞 Hg 的催化剂 这使排放的废水含有大量的汞 当汞在水中被水生物食用后 会转化成甲基汞 CH3HgCl 这种剧毒物质只要有挖耳勺的一半大小就可以致人于死命 而当时由于氮的持续生产已使水俣湾的甲基汞含量达到了足以毒死日本全国人口2次都有余的程度 水俣湾由于常年的工业废水排放而被严重污染了 水俣湾里的鱼虾类也由此被污染了 这些被污染的鱼虾通过食物链又进入了动物和人类的体内 甲基汞通过鱼虾进入人体 被肠胃吸收 侵害脑部和身体其他部分 进入脑部的甲基汞会使脑萎缩 侵害神经细胞 破坏掌握身体平衡的小脑和知觉系统 据统计 有数十万人食用了水俣湾中被甲基汞污染的鱼虾 人体中化学元素的功能 1 结构材料 2 运载作用 3 组成金属酶或酶的激活剂 4 调节体液的物理 化学特性 5 信使 作用 结构材料碳 氢 氧 氮 硫等构成有机大分子结构材料 如多糖 蛋白质 核酸等为主所构成的肌肉 皮肤 骨骼 血液 软组织等 无机元素中钙 硫 氟 硅 和少量的镁 以难溶的无机化合物的形态存在于硬组织中 2 运载作用 人体对某些元素和物质的吸收 输送以及它们在体内的传递等物质和能量的代谢过程往往需要载体 金属离子或它们所形成的一些配合物在这个过程中担负重要作用 如含Fe2 的血红蛋白对O2和CO2的运载作用等 3 组成金属酶或酶的激活剂人体内约有1 4的酶的活性与金属离子有关有的金属离子参与酶的固定组成 称为金属酶 有些酶必需有金属离子存在时才能被激活以发挥它的催化功能 这些酶称为金属激活酶 4 调节体液的物理 化学特性体液主要是由水和溶解于其中的电解质组成 生物体的大部分生命活动是在体液中进行的 为保证体内正常的生理 生化功能 需要维持体液中水 电解质平衡和酸碱平衡等 存在于体液中和细胞内的Na K Cl Mg2 Ca2 等发挥了重要作用 5 信使 作用生物体需要不断地协调体内各种生物过程 这就要求有各种传递信息的系统 细胞间的沟通及信号的传递需要有接受器 化学信号的接受器是蛋白质 Ca2 可以起到传递某种生命信息的作用 表325种生命元素及其功能 人体内化学元素的浓度平衡控制 许多资料表明 危害人类健康的疾病都与体内某些元素平衡的失调有关 因此 了解生命元素的功能 并正确理解饮食 营养与健康的关系 树立平衡营养观念 通过食物链方法补充和调节体内元素的平衡 有益于预防疾病 增强体质 保持身体健康 人体的酸碱平衡 在正常的人体内 酸性与碱性物质总是保持一定的数量和比例 体液的PH值总是稳定在一定范围以内 称为酸碱平衡 1 正常人体的酸碱度 表5各种体液的PH值 2 人体的PH值缓冲体系 经常有酸 碱性物质进入体内 但体液的PH值并没有发生显著变化 能够控制在比较窄的人体适应范围内 是因为所有体液中都存在缓冲系统 缓冲系统中的化学物质能与各种酸 碱结合 消除体内的H 过多或过少的现象 2 人体的PH值缓冲体系 蛋白质缓冲剂 HPr H Pr pKa 7 4 碳酸氢盐缓冲剂 H2CO3 H HCO3 pKa 6 1 pH pKa lg HCO3 H2CO3 磷酸盐缓冲剂 H2PO4 H HPO42 pKa 7 2 人的血液能清楚地说明PH值调控的重要性 血液的PH值必须保持在一个很窄的范围 人才能存活 正常人血浆PH值变化范围在7 35 7 45的范围内 低于7 35就会发生酸中毒 低于7 0就会发生严重酸中毒昏迷致死 高于7 45会发生碱中毒 高于7 8会因严重碱中毒导致手足抽搐致死的严重后果 3 酸碱平衡的调节和控制 通过缓冲体系控制通过呼吸中枢对呼吸运动的控制以调整血液中的碳酸浓度 维持血液的PH值恒定通过肾脏或者骨骼组织排出过多的酸或碱 4 酸碱物质的来源 酸性物质 酸性物质中 主要的是碳酸 它是糖类 脂类 蛋白质氧化分解的最终产物CO2衍生而来的 反应式 CO2 H2O H2CO3代谢过程中产生也产生一些有机酸 乙酰乙酸 乳酸 尿酸等碱性物质 代谢过程中也有碱性物质产生 如氨基酸脱氨基所产生的氨气 来自食物摄入的碱主要有蔬菜 水果等所含的有机酸盐在体内氧化 产生碱性物质 食物的酸碱性 1 食物的分类 食物 体内代谢产物的性质 酸性食物 碱性食物 食物的酸碱性是按食物在体内代谢最终产物的性质来分类 是指食物的成酸性或成碱性 与化学上的酸碱性不同 酸性食物 在人体内 其最终代谢产物是酸性物质的食物 碱性食物 在人体内 其最终代谢产物是碱性物质的食物 柠檬虽然很酸 但属于碱性食物 蔬菜 水果多属于碱性食物 富含蛋白质的食物多属于酸性食物 1 强酸性食品 蛋黄 乳酪 柿子 白糖做的西点等2 中酸性食品 火腿 鸡肉 鱿鱼 猪肉 鳗鱼 牛肉 面包 小麦 奶油等 3 弱酸性食品 白米 花生 啤酒 酒 油炸豆腐 海苔 文蛤 章鱼 泥鳅等 4 弱碱性食品 红豆 萝卜 苹果 甘蓝菜 洋葱 豆腐5 中碱性食品 萝卜干 大豆 红萝卜 番茄 香蕉 橘子 南瓜 草莓 蛋白 梅干 柠檬 菠菜等 6 强碱性食品 葡萄 茶叶 葡萄酒 海带等 常见食物的酸碱性 人体中化学元素的浓度与生物效应 必需元素和非必需元素在人体内的浓度与生物效应的关系是不同的 对于每种必需元素 都有一段最佳的健康浓度 严重缺乏或过量都会造成对人体的伤害 甚至死亡 必需元素的不足可以通过将缺乏的元素加到饮食中加以补充而得到缓解 但是元素过量带来的危害要大于元素缺乏的影响 图1必需元素浓度 生物效应图 表6几种必需元素过量和不足的症状 对于非必需元素或污染元素来说 缺少是不会致病的 因此它的浓度与生物效应曲线是一个范围一定的平台 人体在使用了有毒有害物质后 有些并不一定立竿见影 马上造成伤害 而是在体内产生续集 在达到一定的浓度后可能会突然爆发 有毒有害元素的浓度 生物效应关系 图2有害元素浓度 生物效应图 人体中的沉淀溶解平衡 人体的骨骼是由水 有机质 无机盐 骨盐 等组成无机盐决定骨骼的硬度 有机质决定骨骼的弹性与韧性骨盐 以钙和磷的化合物为主要成分 包括磷酸钙 碳酸钙 柠檬酸钙等 在正常情况下 血中的钙 磷与骨重的钙 磷维持动态平衡 也就是说 钙盐在骨中的沉淀与骨中钙盐溶解是维持血中钙磷含量恒定的重要环节 比如 牙齿的釉质是人体中最硬的组织 主要成分是羟基磷灰石 Ca10 OH 2 PO4 6 它存在这样一个平衡 Ca10 OH 2 PO4 6 8H 10Ca2 2H2O 6HPO42 当遇到酸性物质时 酸中H 的向釉质内扩散 使羟基磷灰石溶解 钙离子及磷酸根游离出来 该过程称为 脱矿 Ca10 OH 2 PO4 6 8H 10Ca2 2H2O 6HPO42 若外部环境中钙离子 磷酸根等浓度高于釉质间隙时 也可使相应矿物盐再沉积 该过程又成为 再矿化 再矿化 过程是人体自身的防蛀牙过程 当人体经常食用含糖量高的糖果 饮料时 口腔内分解产生的乳酸等酸性物质增加 牙齿的釉质层容易被破坏 蛀牙就开始了 含氟牙膏保护牙齿的原理 含氟牙膏中含有氟化物 如NaF或SnF2 在再矿化过程中F取代了OH形成氟磷灰石 Ca3 PO4 3F 使牙齿的釉质层发生了变化 氟磷灰石使更难溶的化合物 不易与酸反应 从而使牙齿有较强的抗酸能力 以利于防止蛀牙 值得注意的是 如果氟的摄入量过多 又会形成氟斑牙 水平衡 水是维持人体正常生理的重要营养物质之一 它影响体内各种生化反应 又是体内进行生化反应的良好场所 各种营养物质先溶解于水中 才能运送到身体各个组织器官的细胞中 水的这种溶解作用和运输作用是人体得以进行新陈代谢的强大动力 人体的70 是由含盐0 9 的水组成 一个成年人如每天得不到2 5 3升的水 就会干渴难忍 人体只要失去5 的水 在医学上就会产生脱水症状而产生虚脱 人体内水的来源有 1液体食物约27 2固体食物约18 3体内代谢水约50 以上 水从人体中排出的途径 1皮肤蒸发2肺脏呼出水蒸气 这两者排出约42 3肾脏排尿约54 4肠道排粪约4 协同作用拮抗作用配合作用 人体中化学元素的相互作用 元素的协同作用 元素联合作用的结果 大于各个元素单独作用的总和 T T1 T2 铜和铁 缺铁性贫血患者在补铁的同时补充铜元素会更有效 15 的白砂糖和0 017 的食盐混合物的甜度较同样浓度的砂糖甜度大增而咸味不显 是在食品加工中减少糖消耗的一个途径 一些有毒有害元素联合作用的毒性大于其中各毒物组分单独作用的总合 元素的拮抗作用 一种元素对另一种元素的正常生理功能产生干扰而使其作用抑制或抵消 T T1 T2 铜和钼硒和汞 硒和砷 镉锌和汞 镉 元素之间的协同与拮抗作用对于提高生活质量有非常重要的意义 可以利用元素的拮抗作用减缓或阻止环境毒物对人类的伤害 也可以利用元素的协同作用收到 事半功倍 的效果 配合作用 人体必需的微量元素 大部分是过渡金属元素 过渡金属离子在绝大多数情况下是以配合物状态存在的 与它们相互作用的配体称为生物配体 包括 H2O Cl 以及肽 氨基酸 蛋白质 糖 维生素 生物碱等等 配位基团 NH2 HO SH COO 有害金属元素M进入人体后 亦将蛋白质 核酸等大分子配位基团A结合 形成配合物MA 作为解毒剂L 必须是一种更强的络合剂 才能把有毒金属M从生物大分子的成键部位置换出来 MA L A ML同时 由于体内必须金属元素N的存在 L也可能与N配合 这样不但无法解毒 反而会消耗必需元素 因此解毒剂与有毒金属形成的配合物必须具有足够高的稳定常数 利用元素的配合作用解毒 人体中的化学反应 人体内时刻都在进行着化学反应 人通过一日三餐进食米饭 肉 蛋 青菜 水果等 它们都转化为糖类 蛋白质 脂肪 维生素等营养物质 这些有机化合物在体内进行氧化分解反应 最终生成二氧化碳和水 同时放出热能供人体各种活动需要 人体内化学反应的特点 人体中的化学反应都是在常温 常压 接近中性 温和的条件下进行的速度快 选择性好 效率高的反应 人体内的化学反应一天产热约2500 3000千卡 足以将20公斤冷水烧开 如果像实验室的放热反应那样一下子释放 会使人体温度大大地升高 但是 人体的温度基本上维持在37度左右 那么人的体温是如何控制在几乎恒定的范围的呢 人体内的生物氧化反应是在酶的催化作用下逐步进行的 热能也是逐步分批放出的 这样放出的能量不至于突然使体温升高而损伤机体 又能使能量得到最有效的利用 人体内还有完善的调控机制 当体内发生生物氧化反应时 必定伴随着发生磷酸化反应 即过二磷酸腺苷分子 ADP 和磷酸分子反应生成ATP 这个吸热反应将能量储存在ATP分子中 另外 出汗是人体抵御热环境 降体温 保持人体恒温的重要生理功能 布满人体全身的汗腺大约有200万 500万个 这是人体天然的空调器 但外界环境温度高于33度时 汗腺便分泌汗液 带走热量 使人体产热和散热保持平衡 从而保持体温稳定 人体内的催化反应 人体内的化学反应速度极快 反应十分完全 而同样的反应如果是在体外就几乎不可能发生 比如 糖代谢生成二氧化碳的反应 需要在摄氏几百度才能完成 而人体才37度 蛋白质的水解反应 体外要加热到100度 并且花费一天的时间才能完成 而在人的消化道内 37度左右的温度 一两个小时就完成了 体内存在一种特殊的催化剂 酶 催化剂的特点 高效性 降低反应的活化能 使反应更容易 更快速地发生 而它本身几乎没什么变化 选择性 一种催化剂只能催化某一类化学反应 科学家们已经在体内发现2000多种酶 生物氧化反应 加氧 脱氢 失电子的反应都称为氧化反应 在生物体内进行的氧化反应称为生物氧化反应 比如糖类 蛋白质 脂类在体内氧化时 消耗氧气产生二氧化碳 水和能量 生物氧化反应需要氧气 人体通过呼吸从空气中得到氧气 按统计平均数据 每个人每天大约需要8000千焦的能量 这就需要450升氧气来氧化进食的食物 氧在水中的溶解度很小 靠溶解氧是无法满足生物氧化反应对氧的要求的 生物体在长期的进化过程中发展了氧载体 即氧可以配位在蛋白质所含的过渡金属离子上 形成配位键 这是一个可逆配位反应 在需要氧时氧可以随时脱出 在节肢动物和软体动物中 载氧的过渡金属离子是铜 而在人体中是铁