人体中的化学反应

1、人体中的化学反应 生命起源于化学，经过十几亿年漫长的化学 进化时期以后才出现原始生命物质单细胞生 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。人是高 等动物，地球上存在的元素在人体中几乎都能找 到，人体中充满着化学，人体本身就是一个复杂 的化工厂，人体中的元素组成了人体中重要的生 命物质，并在人体内进行着众多的化学反应，维 持正常的新陈代谢，一旦人因故死去，人体中的 化学反应仍在继续进行着。 一、人体中的化学元素一、人体中的化学元素 地球上存在92种稳定的化学元素，它们分布在 自然界中岩石圈、水圈、大气圈：人类在漫长的生 物进化过程中，在地面的岩石圈、水

2、圈、大气圈构 成的环境中生活，必须与环境进行物质交换，于是 有选择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。用现代分析测试技术对人体组 成进行分析，知道人体至少由37种化学元素组成。 例如: 人体中的骨骼、牙齿不能没有钙; 人体中的脂肪、糖、蛋白质、酶、核酸都含碳、氢、氧、氟、硫、磷 等元素构成的生命有机化合物; 人体中有许多化学反应需要酶来催化的，金属酶是非常重要的催化剂， 因此，多种微量金属元素是人体所必需的； 人体内体液中需要有电解质，氯化钾、氯化钠是良好的电解质，因此， 体液中不可缺失钾离子(K+)、钠离子(Na+)和氯离子(C1-)； 再如： 人体缺铁会患贫血症，缺硒

3、会患克山病、大骨节病，缺碘会患甲状腺 肿，并导致人的智力障碍等。 生命必需元素生命必需元素 -为了维持生命所必需的元素 现在已知有现在已知有25种元素是生命必需元素，分常量元素和微量元素：种元素是生命必需元素，分常量元素和微量元素： 在人体中含量高于0.01%的元素称为常量元素。碳、氢、 氧、氮、磷、硫、钙、钠、钾、镁、氯、硅等12种元素，它 们占了人体质量的99.71%，其中氧特别多，一般估计人体内 水分占了2/3的体重，所以说水是生命不可缺失的物质，没有 水就没有生命。 在人体中含量低于0.01%的元素称为微量元素。铁是最早 发现的人体必需微量元素，后来又发现碘、钒、氟、硅、镍 等，至今已

4、确认14种微量元素为动物和人所必需。这14种微 量元素中10种为金属元素，含量虽低，但它们在人体内都有 固定的环境，往往同蛋白质、核酸、酶结合，在生命过程中 发挥特殊的功能：有的可以在触发与控制机制中发挥作用； 有的在结构中起作用；有的可以作为人体中化学反应的催化 剂；有的可以作为氧载体等。 自然界可划分为4个圈层：大气圈、水圈、岩石圈、生物圈，如图2-1 所示。生物圈中的植物、动物和人类在大气圈、水圈、岩石圈构成的环境 中生存发展，与各圈层之间存在物质交换和能量交换。 自然界中的生物体可以分为自养生 物和异养生物两大类。自养生物是可 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

5、生糖而得 到养分，其化学反应式可表示如下： 人体内元素的来源人体内元素的来源 一般的植物和藻类属于自养生物。一般的植物和藻类属于自养生物。 所谓异养生物，它们自己不能制造养分，而必须依靠自养生物作为所谓异养生物，它们自己不能制造养分，而必须依靠自养生物作为 养分和能量的来源。养分和能量的来源。人类作为高等动物当属异养生物人类作为高等动物当属异养生物。绿色植物、藻。绿色植物、藻 类是兔、牛、羊、马等大小动物的食物，而这些食草动物又是食肉动类是兔、牛、羊、马等大小动物的食物，而这些食草动物又是食肉动 物的食物物的食物，食肉动物则成为人类的食物食肉动物则成为人类的食物，人死了，尸体被细菌和真菌等人死

6、了，尸体被细菌和真菌等 微生物分解，这就构成了自然微生物分解，这就构成了自然 界中的生物圈。界中的生物圈。食物和捕食者之食物和捕食者之 间这一系列的关系，人们称之为间这一系列的关系，人们称之为 食物链。人类作为捕食者是处在食物链。人类作为捕食者是处在 食物链的末端，食物链中各级植食物链的末端，食物链中各级植 物和动物逐级积累的各种元素，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，最后都以食物的形式进入人体， 这是人体内化学元素的主要来源。这是人体内化学元素的主要来源。 图图2-2示出生物圈的粗略结构。示出生物圈的粗略结构。 二人体中的化学反应二人体中的化学反应 生命不息，人体的一

7、切活动都需要能量来维持，人体能量的 来源是糖、蛋白质和脂肪。一个健康的人通过一日三餐进食米 饭、肉、蛋、鱼、青菜、水果，它们都转化为糖、蛋白质，脂 肪、维生素等，这些有机化合物在人体内进行氧化分解，最后 生成二氧化碳和水，同时释放出热能供人体活动需要，这种作 用称为生物氧化，生物氧化过程涉及许多化学反应。人体内存 在多种微量金属元素，它们大都是过渡金属，这些金属元素能 与蛋白质结合形成金属酶，是一类生物催化剂，能加速体内化 学反应的进行。微量金属元素不但对维持生物大分子的结构至 关重要，而且还广泛参与各种生命过程，在人体内的物质输送， 信息传递、生物催化和能量转换等方面起着十分重要的作用。 1

8、人体中化学反应的特点人体中化学反应的特点 人体中的化学反应都是在常温常压、接近中性温和条件下进行的，但化 学反应的速度特别快，这是人体中化学反应的特点。 人体的正常体温为37左右，体温高了或低了，俗称发高烧或发低烧， 均属于不正常。为什么人体的体温能自动调控在为什么人体的体温能自动调控在37左右呢？左右呢？将糖、蛋白 质、脂肪氧化会放出大量热能，但是这类氧化反应在实验室里进行与在人 体内进行是不一样的。人体内的生物氧化反应是在温和条件下、在酶的催 化下逐步进行的，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，又可以使能量得到最有效的利用。除此外，人体 内还有完善的调控

9、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。体内的二磷酸腺苷(ADP)分子与磷酸分子反应形成三磷酸腺苷 (ATP)分子，这是个吸热反应。人体内生物氧化反应与磷酸化反应是偶联进 行的，生物氧化反应放出的能量，可以通过ADP分子的磷酸化把能量吸收， 并贮存在ATP分子内。当人体需要能量时，能量分子ATP通过水解变为ADP 分子，同时放出能量，供人体需要。正是由于这么完善巧妙的机制，人的 体温是完全可以自动调节。这类水解反应是在特定的酶催化下进行反应的， 所以速度很快。 2催化反应催化反应 如果你在吃饭时，把米饭放在嘴里多嚼一会，你会感觉到有甜味出来。米饭含淀 粉，是一种多糖，在唾液

10、淀粉酶的作用下多糖发生水解反应，多糖转变为麦芽糖、 蔗糖等有甜味的糖，这种作用称催化作用。多糖水解反应的反应速度本来没有那么 快，但在唾液淀粉酶的作用下，反应速度大大加快，唾液淀粉酶成为多糖水解反应 的催化剂。催化剂的特点是能加快化学反应的速度，但不影响化学反应的平衡位置。 催化剂为什么能加快化学反应的速度呢?原因是催化剂可以降低化学反应的活化 能。化学反应的实质是化学键的重组，首先原料分子的化学键要断开，形成新键后 则产生产物分子。断键时要吸收能量，形成新键则放出能量。假设反应的原料分子 为A和BC，产物分子为AB和C，在反应过程中某个瞬间处于过渡状态，此时原料分 子的化学键未完全断裂，新键

11、也未 完全形成这种过渡状态称为活化 态。活化态与原料分子起始状态之 间的能量差E称为活化能，催化催化 剂的作用是降低了反应的活化能，剂的作用是降低了反应的活化能， 加快了反应速度。加快了反应速度。 催化剂的另一个特点是有选择性，一种催化剂只能催化某 一种化学反应。有人估计人体内有数千种化学反应，科学家 已经发现人体中有两千多种酶，酶是生物催化剂，每一种酶 能催化一种化学反应，因此，人体内存在一个极其复杂而饶 有兴趣的催化体系，研究清楚这个催化体系，有利于人们进 一步了解生命的奥秘。 3生物氧化反应生物氧化反应 人体内进行生物氧化反应需要氧气，人是通过呼吸从空气中得到氧。据统 计平均来说，每个人

12、每天大约需要8103kJ的能量来维持生命，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，常温常压下，一升 水仅溶解氧6.59cm3，溶液浓度为310-4molL-1，靠这种溶解氧是无法满 足生物氧化反应对氧的要求。然而生物体在长期的进化过程中发展了氧载 体，所谓氧载体是指氧可以配位在蛋白质所含的过渡金属离子上，形成配 位键，这种配位反应是可逆的，氧可以配位上去，也可以下来。 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。人体内血红蛋白含铁，血红蛋白分子的活性部分是血红素含铁辅 基，下图是血红素含铁()辅基的平面，铁()原子坐在辅基中央，它可 以与其他6个配位

13、原子相结合，其中4个配位氮原子在血红素平面上，因 此，氧分子(O2)可配位在Fe()上，形成配位健。血红蛋白具有输送氧 气的功能，人们通过呼吸把空气吸到肺 部，血红素含铁()辅基从肺气泡中把 氧结合在Fe()上载走，然后输送给肌 红蛋白分子和其他需要氧气的细胞和部 位，此时氧分子从Fe()上下来，与生 物有机分子发生生物氧化反应。血红蛋 白载氧效率很高，室温下人的每升血液 可含氧200cm3，血液中氧的浓度达9 103 molL-1，相比之下，血液载氧是血液载氧是 水的水的30倍。倍。 4酶促化学反应 酶是具有催化作用的蛋白质酶是具有催化作用的蛋白质，主要由氨基酸组成主要由氨基酸组成。有些酶还

14、需要有非蛋白质成 分(即辅基)才具有活性，辅基为金属离子的酶称为金属酶。酶的活性部位由少数几个 氨基酸残基或残基上的某些基因组成金属离子是酶催化活性所必需的，因此酶 的活性部位包括金属离子。酶是生物催化剂，生物体代谢过程中的化学反应几乎 都在酶的催化下进行。酶的催化效率极高酶的催化效率极高，酶促反应的速率可比非催化反应的速率 高108-1020倍。酶的作用具有高度专一性酶的作用具有高度专一性，即一种酶只能作用于某种特定的物质。另 外，酶促反应一般都在温和条件下进行酶促反应一般都在温和条件下进行。正由于酶促反应具有高效率、专一性和 在温和条件下进行的特点，所以酶在生物体的新陈代谢中发挥特殊的作用

15、。 一些有代表性的金属酶一些有代表性的金属酶。酶通常按其所作用的底物名称来命名，所谓底物是指 酶作用的化合物，例如催化醛氧化的叫醛氧化酶，催化过氧化氢分解的称为过氧 化氢酶等。一些氧化还原酶，因为氧化还原反应是一切生命过程的基础，氧化还一些氧化还原酶，因为氧化还原反应是一切生命过程的基础，氧化还 原酶是氧化还原反应的有效催化剂原酶是氧化还原反应的有效催化剂，处于酶中的金属离子利用它在两种氧化态之 间的往复转变，催化底物发生氧化还原反应。水解反应是生物体内发生的另一类水解反应是生物体内发生的另一类 重要反应，重要反应，当食物进入人体消化道后，可受到消化道中多种水解酶的作用，如胰 淀粉酶可催化淀粉

16、完全水解变成葡萄糖；胰蛋白酶可催化蛋白质水解成小肽和氨 基酸；胰脂肪酶则能催化脂肪水解为甘油和脂肪酸等。 碳酸酐酶碳酸酐酶 从人的红血细胞提取出来的碳酸酐酶含259个氨基酸残基和一个Zn() 离子，若设法除去Zn()离子，得到的酶蛋白没有催化活性，如果重新加入Zn() 离子，则酶的催化活性得到恢复，表明Zn()离子是酶活力所必需的。碳酸酐酶 是生理上非常重要的锌酶，它能可逆地催化二氧化碳的水合反应，水合速率达 106s-1，即1mol酶在37时每秒钟能使106个CO2分子发生水合作用。如果没有酶如果没有酶 的催化，的催化，CO2的水合速率仅为的水合速率仅为7.010-4s-1，所以碳酸酐酶使，

17、所以碳酸酐酶使CO2的水合速率提高的水合速率提高 了了109倍，因而大大加速了生物体静脉中倍，因而大大加速了生物体静脉中CO2 的运送。的运送。已有人提出把碳酸酐酶用 于潜艇，以控制艇内人员呼吸释放的CO2浓度。据统计一个正常人处于静态时， 每天需吸氧(O2)约450升呼出CO2约360升。如果再配合植物的光合作用，利用 艇内人员呼出的CO2，经过生物转化产生O2，则在解决CO2浓度控制的同时，还 可解决艇内人员的供氧问题，使艇内的CO2和O2能维持平衡。 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶 超氧化物歧化酶简称SOD，在人体内的SOD有两种，一种是 Cu、Zn-SOD，主要存在细胞液内；另一种为Mn-SOD，存在于除红血细胞外所 有细胞的线粒体和细胞液中。从牛血细胞提取的SOD研究得较多，由151个氨基 酸残基与一个Cu和一个Zn组成一个亚基，再由两个相同的亚基组成SOD。这种 SOD能催化超氧离子自由基O2-发生歧化反应，可以清除对肌体细胞有破坏作用 的自由基的防御体系。 人体中的超氧离子自由基O2-是怎么形成的?已知电离、辐 射、高温、紫外线和光照都能使体液中的水产生水合电子e- (aq)、H和OH，e-(aq)和O2反应便产