生物体的化学元素及其作用

1、生物体的化学元素及其作用存在于生物体植物和动物内的元素大致可分为：1 必需元素，按其在体内的含量不同，又分为常量元素和微量元素；2非必需元素；3有毒有害元素。人体内大约含30多种元素，其中有11种为常量元素，如C，H，O，N，S，P，Cl，Ca，Mg，Na, K等，约占99.95 %，其余的0.05 %为微量元素或超 微量兀素。必需元素是指以下几类元素：1生命过程的某一环节一个或一组反响需要该元素的参与，即 该元素存在于所有健康的组织中；2生物体具有主动摄入并调节其体内分布和水平的元素；3 存在于体内的生物活性化合物的有关元素；4缺乏该元素时会引起生化生理变化，当补充后即能恢复。哪些是构成人体

2、的必需元素？ 19世纪初，化学家开始分析有机化合物， 清楚地认识到活组织主要由C, H，O和N四种元素组成。仅这四种元素就约占 人体体重的96%。此外，体内还有少量P。将人体内这五种元素的化合物挥发后 就会留下一些白灰，大局部是骨骼的残留物，这灰乃是无机盐的集合，在灰里可 找到普通的食盐NaCI 。食盐并不仅仅是增进食物味道的调味品，而是人体组 织中的一种根本成分。食草动物有时甚至到达要舔吃盐渍地，以便弥补食物中所 缺乏的盐。在实际研究中，确定某元素是否为必需元素，既与该元素在体内的浓度 有关，也与它的存在状态和生物活性密切相关。 人体中的每一元素呈现不同的生 物效应，而效应的强弱依赖于特定器

3、官或体液中该元素的浓度及其存在的形态。 对于每种必需元素，都有一段其相应的最正确健康浓度，有的具有较大的体内恒定 值，有的在最正确浓度和中毒浓度之间只有一个狭窄的平安限度。元素浓度和生物功能的相关性可用图表示。有2030种普遍存在于组织中的元素，它们的浓度是变化的，而它们的 生物效应和作用还未被人们认识， 有待于研究，所以称它们为非必需元素。另外 一些那么是能显着毒害机体的元素。如，血液中非常低浓度的铅、镉或汞，具有有 害的作用，就可称为有毒元素，亦称有害元素。从海水中必需微量元素的含量与人体中主要元素的比照，说明赖以生存的环境中的元素是生物进化的结果。 人类在适应生存和进化中，逐渐形成一套摄

4、 入、排泄和适应这些元素的保护机制，即人体内的元素，不管是常量或微量，维 持平衡状态是经过人类长期进化形成的。 许多兀素是否是必需还是有害，和摄入 量即在体内的浓度有关。每一种必需元素在体内都有其适宜的浓度范围，超 过或缺乏都不利于人体健康。例如，人们对碘的最小需要量为O.lmg /天，耐受量为1000mg /天，当大于10000mg /天即为中毒量。假设人体自身用以维持稳 态的调节机制出现障碍，便会发生疾病。有时元素的过量可能比缺乏更令人担忧， 因为某个元素的缺乏易于补充，而过量往往那么难以去除，或去除过程中会产生副 作用。另外共存元素的相互影响在生物体内存在协同或拮抗作用，对元素浓度比例的

5、要求就更复杂了。例如锌可以抑制镉的毒性，铜可以促进铁的吸收等。由于元素间的相互作用，当评定某一微量元素对人体健康的影响时， 还必须考虑与其有关元素的存在。O，S和这些形以及构表1归纳了主要生物元素及其功能。在生命物质中，除 C, H , N参与各种有机化合物外，其他生物元素各具有一定的化学形态和功能， 态包括它们的游离水合离子，与生物大分子或小分子配体形成的配合物， 成硬组织的难溶化合物等。兀素表1生物元素及其功能功能水，有机化合物的组成成分 植物生长必需 有机化合物组成成分 有机化合物组成成分 水，有机化合物的组成成分鼠的生长因素，人骨骼的成长所必需Na细胞外的阳离子，Na+Mg酶的激活，叶

6、绿素构成，骨骼的成分Si在骨骼、软骨形成的初期阶段所必需含在ATP等之中，为生物合成与能量代谢所必需 蛋白质的组分，组成Fe-S蛋白质K细胞外的阳离子，K+钙骨骼、牙齿的主要组分，神经传递和肌肉收缩所必需V鼠和绿藻生长因素，促进牙齿的矿化铬促进葡萄糖的利用，与胰岛素的作用机制有关锰酶的激活、光合作用中水光解所必需铁最主要的过渡金属，组成血红蛋白、细胞色素、铁-硫蛋白等钻红血球形成所必需的维生素Br2的组分铜铜蛋白的组分，铁的吸收和利用Zn许多酶的活性中心，胰岛素组分Se与肝功能肌肉代谢有关Mo黄素氧化酶，醛氧化酶固氮酶等所必需Sn鼠发育必需I甲状腺素的成分这些元素在生物体内所起到的生理和生化作

7、用，主要有几个方面。(1 )结构材料。无机元素中Ca，P构成硬组织，C，H，O，N，S构 成有机大分子结构材料，如：多糖、蛋白质等。(2 )运载作用。人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不是简单的扩散或渗透过程，而需要有载体。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。如含有Fe2+ 的血红蛋白对02和C02的运载作用等。3 组成金属酶或作为酶的激活剂。人体内约有四分之一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。有一些酶必需 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、

8、化学特性。体液主要是由水和溶解于其中的电解质所组成。生物体的大局部生命活动是在体液中进行的。为保证体内正常的生 理、生化活动和功能，需要维持体液中水、电解质平衡和酸碱平衡等。存在于体 液中的Na+，K+，Cl-等发挥了重要作用。5“信使作用。生物体需要不断地协调机体内各种生物过程，这就要求有各种传递信息的系统。细胞间的沟通即信号的传递需要有接受器。化学 信号的接受器是蛋白质。Ca2+作为细胞中功能最多的信使，它的主要受体是一 种由很多氨基酸组成的单肽链蛋白质，称钙媒介蛋白质分子量为16700 。氨基酸中的竣基可与Ca2+结合。钙媒介蛋白质与 Ca2+结合而被激活，活化后的 媒介蛋白质可调节多种

9、酶的活力。因此 Ca2+起到传递某种生命信息的作用。也 有细胞内信使，Ca2+也是细胞内信使。有些元素可同时在几个方面发挥作用。例如 Ca2+就有多方面的生物功能。下面仅就Ca，P，Na，K等的主要生物功能作简要介绍。钙是骨骼和牙齿的主要成分。调控人体正常肌肉收缩和心肌收缩，同时起细胞信使作用，如图10-3所示。例如，血液中Ca2+过多，会造成神经传导和 肌肉反响的减弱，使人对任何刺激都无反响，但血液中Ca2+太少，又会造成神经和肌肉的超应激性，在这种极度兴奋的情况下，微小的刺激，比方一个响声、 咳嗽，就可能使人陷入痉挛性抽搐。磷，骨骼和牙齿中除了含 Ca夕卜，磷也是一种重要的元素。体内90%

10、的 磷是以磷酸根的形式存在，如牙釉质中的主要成分是羟基磷灰石和少量氟磷灰石如耳?0儿，氯磷灰石C尬CJCPO等。牙釉质是由不溶性物质所组成，称为羟基磷灰石 %皿。使 它从牙齿上溶解下来称为去矿化，而形成时称为再矿化。在口腔中存在着这样一 种平衡：健康的牙齿也同样存在这样的平衡。然而，当糖吸附在牙齿上并且发酵 时，产生的H+与0H 结合成H20以及而扰乱平衡，会引起更多的 Ca10OH,PO4,溶解，结果使牙齿腐蚀。氟化物通过取代羟基磷灰石中的0H有助于防止牙齿腐蚀，由此产生的 如35 能抗酸腐蚀。磷酸可以和有机化合物中的羟基糖羟基、醇羟基，形成磷酸脂。如 ATP就是三磷酸腺苷，磷脂就是存在细胞

11、膜。ATP水解时放出高能量，如 ATP的水解与细胞里的一个放热反响如肌肉收缩或大分子的合成 相配合，那么ATP 的水解就可为其他反响提供必要的能量。 磷的化学规律控制着核糖、核酸以及氨 基酸、蛋白质的化学规律，从而控制着生命的化学进化。身体中磷的主要作用见 图10-4所示。由于磷的分布很广，因此人们日常食品中很少缺少这种元素。K+ , Na+和Cl 在体内的作用是错综复杂而又相互关联的。K+和Na+常以KCI和NaCl的形式存在。K+，Na+，Cl 的首要作用是控制细胞、组织 液和血液内的电解质平衡。这种平衡对保持体液的正常流通和控制体内的酸碱平 衡都是必要的。Na+和K+ 与Ca2+和Mg2

12、+ 起有助于使神经和肌肉保持 适当的应激水平。NaCl和KCI的作用还在于使蛋白质大分子保持在溶液之中， 并使血液的粘性或稠度调节适当。胃里开始消化某些食物的酸和其他胃液、胰液及胆汁里的助消化的化合物，是由血液里的钠盐和钾盐形成的。 另外，视网膜对 光脉冲反响的生理过程，也依赖于 Na+，k+和Cl-有适当的浓度。显然，人体 的许多重要机能对这三种离子都有依赖关系，如以下图所示。体内任何一种离子不 平衡，都会对身体产生影响。例如，运动过度，特别是炎热的天气里，会引起大 量出汗，汗的成分主要是水，还有许多离子，其中有Na+，K+和Cl-，使汗带咸味。出汗太多使体内这些离子浓度大为降低，就会出现不

13、平衡，使肌肉和神经反响受到影响，导致出现恶心、呕吐、衰竭和肌肉痉挛。因此，运发动在训练或 比赛前后，喝特别配制的饮料，用以补充失去的盐分。当我们仔细观察和研究那些含金属元素生物分子的结构以及它们的生理功能时，发现人体内的常量元素都是海水中最丰富的元素。人体大局部的组成元素是周期表中的轻元素原子序数在 34以下，两个较重的元素就是原子序数 为42的Mo和53的I。而由地球外表大气圈、水圈和浅岩石图所组成的生物圈中 的元素也主要由这些轻元素所组成，这正是丰度原那么的直接结果。因此可以认为 生物体发源于水圈。生物体体液中的离子组成和水圈中的离子组成也很相似。生物体正是利用水体中含量最丰富的 Na+和

14、K+来控制体内的离子浓度和渗透压 等；又如Ca2+和Sr2+在性质上虽然很相似，而自然界绝大多数的生物却是利 用钙盐作为构成骨骼的材料，这正是利用了钙有较高的丰度。人类自身目前仍然处于一个进化的过程之中，与地球的形成、生物体的 进化这个漫长的历史进程相比，人类只是这条长河中极其短暂的一段。现代人类 还在不断地随着环境的改变而进化，以适应新的环境。微量元素在不同体内部位的水平与人体健康关系极大。它与人体健康的关系是很复杂的，其浓度、价态、摄人肌体的途径等对人体健康都有影响，有些 疾病的发生和微量元素的平衡失调关系密切。例如我国地方病克山病是 与缺硒有关的心肌坏死；地方性甲状腺肿、地方性克汀病那么是由于严重缺碘引起的等等。微量元素还和人体免疫功能、出生缺陷、肿瘤、血液病、眼疾等有关。 如何将微量元素做成药物和食品添加剂等用于医治和疾病的预防是一个重要的 专门研究领域。微量元素与人体的关系不是孤立的， 微量元素之间，微量元素与 蛋白质、酶、脂肪、维生素之间都存在相互作用。如铜和铁在肌体内显示生理协 同作用，即铜可促进肌体对铁的吸收；铁可拮抗镉的毒性等。在分析它们的作用 时，不能忽略其他因素的影响。人体中也含有非必需微量元素，甚至有害元素如Cd，Hg，Pb等，这和食物、水质及大气的污染关系甚大。如经口腔、呼 吸道吸收的Cd通过血液转移后，