1、第第11章章 无机元素的生物学效应无机元素的生物学效应 生物分子生物分子 细胞细胞 生物元素生物元素 无机元素的生物学效应无机元素的生物学效应 11.1 生物分子生物分子 一个活的机体必须具有信息传递、生殖、新陈代谢、调一个活的机体必须具有信息传递、生殖、新陈代谢、调节和适应环境等功能。从化学角度上看，这些功能无非是生节和适应环境等功能。从化学角度上看，这些功能无非是生物分子之间有组织的化学反应的表现，无机元素的生物学效物分子之间有组织的化学反应的表现，无机元素的生物学效应大多是通过与生物分子的相互作用而发生的。在大多数情应大多是通过与生物分子的相互作用而发生的。在大多数情况下，金属元素在生物
2、体内不以自由离子形式存在，而是与况下，金属元素在生物体内不以自由离子形式存在，而是与配体形成生物分子金属配位化合物。因此，在本质上金属元配体形成生物分子金属配位化合物。因此，在本质上金属元素与生物分子的作用都属于配位化学范畴。那些存在于生物素与生物分子的作用都属于配位化学范畴。那些存在于生物体内、具有生物功能并与金属配位的配位体称为生物配体。体内、具有生物功能并与金属配位的配位体称为生物配体。生物配体大体可分为三类：生物配体大体可分为三类：(1)简单阴离子如简单阴离子如F、Cl、Br、I、OH、SO42、HCO3和和HPO42等；等；(2)小分子物质如水、氢气、氨、卟啉、咕啉、核苷酸小分子物质
3、如水、氢气、氨、卟啉、咕啉、核苷酸和氨基酸等；和氨基酸等；(3)大分子物质如蛋白质、多糖和核酸等。大分子物质如蛋白质、多糖和核酸等。11.1.1 氨基酸、多肽和蛋白质氨基酸、多肽和蛋白质 蛋白质是是由蛋白质是是由L型的型的氨基酸通过肽键氨基酸通过肽键CONH组合而组合而成。蛋白质可降解为较小的肽，肽进一步水解成为氨基酸成。蛋白质可降解为较小的肽，肽进一步水解成为氨基酸。在氨基酸分子在氨基酸分子HOOCCHR中，侧链中，侧链R可以是羟基、巯可以是羟基、巯 NH2基、苯环、烃基和杂环等。正是具有不同特征侧链的氨基酸的不基、苯环、烃基和杂环等。正是具有不同特征侧链的氨基酸的不同排列顺序，才形成了各种
4、各样的具有不同生物功能的蛋白质。同排列顺序，才形成了各种各样的具有不同生物功能的蛋白质。一个氨基酸的一个氨基酸的羧基与另一氨基酸的羧基与另一氨基酸的氨基通过脱水缩合氨基通过脱水缩合形成而形成而使两个氨基酸连接起来使两个氨基酸连接起来：-羧基与另一氨基酸的-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2NCHCOOH H2NCHCOOH H2NCHCNCHCOOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 H2O R2-羧基与另一氨基酸的-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2NCHCOOH H2NCHCOOH H2NCHCNCHCOOH 肽键 而使两个氨
5、基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 R1OH R2-羧基与另一氨基酸的-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2NCHCOOH H2NCHCOOH H2NCHCNCHCOOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 R1OH R2-羧基与另一氨基酸的-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2NCHCOOH H2NCHCOOH H2NCHCNCHCOOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 R1OH R2-羧基与另一氨基酸的-氨基通过脱水缩合形成肽键
6、R1 H2NCHCOOH H2NCHCOOH H2NCHCNCHCOOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 R1OH R2 由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫多肽。蛋白质就是由成百上千个氨基酸通过成的化合物的叫多肽。蛋白质就是由成百上千个氨基酸通过肽键连接起来的多肽链。多肽链中相当于氨基酸的单元结构肽键连接起来的多肽链。多肽链中相当于氨基酸的单元结构称为氨基酸残基。称为氨基酸残基。一个氨基酸至少有两种可电离的基团一个氨基酸至少有两种可电离的基团氨基和羧基。氨基
7、和羧基。它们通常形成两性离子。在多肽和蛋白质分子中，除相邻氨它们通常形成两性离子。在多肽和蛋白质分子中，除相邻氨基酸残基之间所形成的肽键之外，还有末端基酸残基之间所形成的肽键之外，还有末端NH3基和基和 COO基及侧链基团。这些基团都有能键合金属离子的活基及侧链基团。这些基团都有能键合金属离子的活性。这是金属离子通过蛋白分子发挥自身生物学效应的基础性。这是金属离子通过蛋白分子发挥自身生物学效应的基础之一。之一。-羧基与另一氨基酸的-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2NCHCOOH H2NCHCOOH H2NCHCNCHCOOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，
8、由多个氨基酸形成的化合物的叫 H2O R2-羧基与另一氨基酸的-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2NCHCOOH H2NCHCOOH H2NCHCNCHCOOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 R1OH R2-羧基与另一氨基酸的-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2NCHCOOH H2NCHCOOH H2NCHCNCHCOOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 R1OH R2-羧基与另一氨基酸的-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2NCHCOOH H2NCHCOOH H2
9、NCHCNCHCOOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 R1OH R2-羧基与另一氨基酸的-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2NCHCOOH H2NCHCOOH H2NCHCNCHCOOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 R1OH R2 由于蛋白质在几乎所有的生物过程中都起着极其重要由于蛋白质在几乎所有的生物过程中都起着极其重要的作用，因此研究蛋白质的结构与功能的关系是从分子水的作用，因此研究蛋白质的结构与功能的关系是从分子水平上去认识生命现象的一个重要方面。平上去认识
10、生命现象的一个重要方面。从氨基酸到肽，体现了从量变到质变的飞跃，从简单从氨基酸到肽，体现了从量变到质变的飞跃，从简单的多肽到蛋白质又是一个飞跃。蛋白质已不是一种简单的的多肽到蛋白质又是一个飞跃。蛋白质已不是一种简单的有机化合物。蛋白质的分子量可高达有机化合物。蛋白质的分子量可高达l06，小的也在，小的也在104以以上。蛋白质结构十分复杂，除氨基酸组成序列这种一级结上。蛋白质结构十分复杂，除氨基酸组成序列这种一级结构之外，还有更高级的二级、三级以及四级结构。构之外，还有更高级的二级、三级以及四级结构。11.1.2 酶酶 酶是一类特殊的具有专一催化活性的蛋白质。通常按酶是一类特殊的具有专一催化活性
11、的蛋白质。通常按其所作用的底物的名称来命名，所谓底物是指与酶作用的其所作用的底物的名称来命名，所谓底物是指与酶作用的化合物。如催化化合物。如催化H2O2分解的酶称为过氧化氢酶。与人工催分解的酶称为过氧化氢酶。与人工催化剂相比，酶的催化效率高，具有高度的专一性，反应条化剂相比，酶的催化效率高，具有高度的专一性，反应条件温和。不同细胞内的酶系统不同，而且不同的酶系统又件温和。不同细胞内的酶系统不同，而且不同的酶系统又有不同的生物控制系统，从而保证了生物体内的反应在规有不同的生物控制系统，从而保证了生物体内的反应在规定部位按规定程序和规定程度进行，确保生命活动的高度定部位按规定程序和规定程度进行，确
12、保生命活动的高度有序性。有序性。酶分为两类：酶分为两类：单纯蛋白酶；单纯蛋白酶；结合蛋白酶。结合蛋白酶。前者只含蛋白质；前者只含蛋白质；后者由酶蛋白和辅基后者由酶蛋白和辅基(或辅酶或辅酶)两部分所组成。两部分所组成。酶蛋白指的是酶分子中的蛋白质部分；酶蛋白指的是酶分子中的蛋白质部分；辅基或辅酶是酶中的非蛋白质部分，它们可以是一些辅基或辅酶是酶中的非蛋白质部分，它们可以是一些 小分子的有机物或金属离子，如维生素小分子的有机物或金属离子，如维生素B12、血红素、血红素、Zn2等。辅基与酶蛋白结合牢固，不易分离；而辅酶与酶蛋白等。辅基与酶蛋白结合牢固，不易分离；而辅酶与酶蛋白结合疏松，用透析的方法就
13、可使其分离。结合疏松，用透析的方法就可使其分离。一一 酶的分类酶的分类 在已发现的在已发现的3 000多种酶中，有多种酶中，有1/4至至1/3需要金属离子需要金属离子参与才能充分发挥它们的催化功能。参与才能充分发挥它们的催化功能。按照酶对金属亲合力的大小，可以将这些酶划分为金按照酶对金属亲合力的大小，可以将这些酶划分为金属酶和金属激活酶。属酶和金属激活酶。金属酶中的酶蛋白与金属离子结合得比较牢固且金属金属酶中的酶蛋白与金属离子结合得比较牢固且金属离子处于酶的活性中心。离子处于酶的活性中心。金属激活酶与金属离子的结合不如金属酶牢固，且金金属激活酶与金属离子的结合不如金属酶牢固，且金属离子不在酶的
14、活性中心处。属离子不在酶的活性中心处。在提取分离过程中，金属酶一般不会发生金属离子的在提取分离过程中，金属酶一般不会发生金属离子的解离丢失现象，而金属激活酶则常要发生金属离子的解离。解离丢失现象，而金属激活酶则常要发生金属离子的解离。金属离子丢失会导致酶活性消失，不过在加入适当金属离金属离子丢失会导致酶活性消失，不过在加入适当金属离子后，酶的活性一般可以重新获得。子后，酶的活性一般可以重新获得。金属离子在活化各种酶时的功能大致可以归结为：金属离子在活化各种酶时的功能大致可以归结为：(1)固定酶蛋白的几何构型，以保证只有特定结构的固定酶蛋白的几何构型，以保证只有特定结构的底物才可与之结合；底物才
15、可与之结合；(2)通过与底物和酶蛋白形成混合配合物而使底物与通过与底物和酶蛋白形成混合配合物而使底物与酶蛋白相互靠近，从而有助于酶蛋白发生作用；酶蛋白相互靠近，从而有助于酶蛋白发生作用；(3)在反应中作为电子传递体，使底物被氧化或被还在反应中作为电子传递体，使底物被氧化或被还原。原。二二 酶的作用机理学说酶的作用机理学说 1 锁钥学说锁钥学说 锁钥学说认为酶与底物的关系如同锁和钥匙的关系一锁钥学说认为酶与底物的关系如同锁和钥匙的关系一样。酶分子像一把锁，而底物像一把钥匙。当酶和底物的样。酶分子像一把锁，而底物像一把钥匙。当酶和底物的空间构像正好能相互完全弥合时，才能像钥匙将锁打开一空间构像正好
16、能相互完全弥合时，才能像钥匙将锁打开一样，产生相互作用。样，产生相互作用。这种比喻一方面说明了酶催化的专一性，另一方面也这种比喻一方面说明了酶催化的专一性，另一方面也说明了酶与其作用的底物之间的复杂空间关系。说明了酶与其作用的底物之间的复杂空间关系。2 诱导契合学说诱导契合学说 诱导契合学说认为，酶的结合部位诱导契合学说认为，酶的结合部位(活性中心活性中心)的空间的空间构像和底物的空间构像，在它们结合以前，并不是互相弥构像和底物的空间构像，在它们结合以前，并不是互相弥合得很好。但它们一旦以一个结合点结合后，会引起其他合得很好。但它们一旦以一个结合点结合后，会引起其他结合点的空间位置发生变化，使
17、它们能与底物的对应部分结合点的空间位置发生变化，使它们能与底物的对应部分充分结合。即酶在与底物的结合的过程中经过了一个诱充分结合。即酶在与底物的结合的过程中经过了一个诱导导 空间构像改变空间构像改变契合这样一个连续的过程。契合这样一个连续的过程。锁钥学说与诱导契合学说的本质区别在于锁钥学说与诱导契合学说的本质区别在于:锁钥学说认为酶的构像是始终不变的，即活性中心被锁钥学说认为酶的构像是始终不变的，即活性中心被假设为预先定形的，像锁一样，具有刚性；假设为预先定形的，像锁一样，具有刚性；诱导契合诱导契合学说则认为酶的活性中心是柔性的，具有可学说则认为酶的活性中心是柔性的，具有可塑性或可变性，刚中有
18、柔。在塑性或可变性，刚中有柔。在诱导契合诱导契合学说看来，酶的活学说看来，酶的活性中心起始时可能并不完全适合于底物分子的构像，但其性中心起始时可能并不完全适合于底物分子的构像，但其可以被底物的诱导而发生变化，形成一种对底物结合部位可以被底物的诱导而发生变化，形成一种对底物结合部位完全互补的空间构像。完全互补的空间构像。11.1.3 核酸及其相关化合物核酸及其相关化合物 核酸是生物遗传连续性及性状表达的基础，与蛋白质核酸是生物遗传连续性及性状表达的基础，与蛋白质一起构成了生命存在的物质基础。一起构成了生命存在的物质基础。从化学结构上讲，核酸是由嘌呤和嘧啶碱基、糖以及从化学结构上讲，核酸是由嘌呤和
19、嘧啶碱基、糖以及磷酸所组成的大分子化合物。磷酸所组成的大分子化合物。根据结构中戊糖根据结构中戊糖2位有无氧原子而将核酸区分为脱氧位有无氧原子而将核酸区分为脱氧核糖核酸核糖核酸(DNA)和核糖核酸和核糖核酸(RNA)。脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)由腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶以及由腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶以及胸腺嘧啶等碱基和脱氧核糖组成。胸腺嘧啶等碱基和脱氧核糖组成。核糖核酸核糖核酸(RNA)则是由腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿则是由腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶等碱基和核糖组成。嘧啶等碱基和核糖组成。腺嘌呤和鸟嘌呤腺嘌呤和鸟嘌呤9位的位的N一般用一般用N(9)表示表示，胞嘧啶、胸腺嘧，胞嘧啶、胸腺嘧
20、啶、尿嘧啶的啶、尿嘧啶的N(l)与核糖与核糖(或脱氧核糖或脱氧核糖)相结合，构成核苷，核苷再相结合，构成核苷，核苷再与磷酸形成核苷酸。碱基为腺嘌呤时的核苷酸结构如上图所示。与磷酸形成核苷酸。碱基为腺嘌呤时的核苷酸结构如上图所示。腺(嘌呤核)苷(核苷)腺(嘌呤核)苷酸 或腺苷一磷酸(AMP)腺苷二磷酸(ADP)腺苷三磷酸(ATP)核苷与核苷酸的结构核苷与核苷酸的结构及核酸潜在的配位位点及核酸潜在的配位位点 腺(嘌呤核)苷(核苷)腺(嘌呤核)苷酸 或腺苷一磷酸(AMP)腺苷二磷酸(ADP)腺苷三磷酸(ATP)核苷与核苷酸的结构核苷与核苷酸的结构及核酸潜在的配位位点及核酸潜在的配位位点 NNNNNH
21、2OOHOHOPOHOOPOHOOPOHOHO5 6 7 2 1 3 4 5 8 碱基配位部位 磷酸根配位部位 糖配位部位 1 9 3 2 4 核苷酸 核酸中，糖环上的核酸中，糖环上的C(5)羟基及相邻核苷酸羟基及相邻核苷酸C(3)羟基与羟基与同一磷酸分子形成磷酸酯，依次延续，形成一条长链。真同一磷酸分子形成磷酸酯，依次延续，形成一条长链。真正的正的DNA分子是由两条多核苷酸长链彼此互补，以双螺旋分子是由两条多核苷酸长链彼此互补，以双螺旋结构形成的。结构形成的。DNA是遗传基因携带者。当是遗传基因携带者。当DNA分子中的脱分子中的脱氧核糖以核糖代替，胸腺嘧啶以尿嘧啶代替，即成为氧核糖以核糖代替
22、，胸腺嘧啶以尿嘧啶代替，即成为RNA。从生物机能上看，从生物机能上看，RNA有核糖体有核糖体RNA、信使、信使RNA和转和转移移RNA之分，在生命过程中各自都有其重要作用。从化学之分，在生命过程中各自都有其重要作用。从化学观点看，上述生物分子中都存在有良好的配位环境，因而观点看，上述生物分子中都存在有良好的配位环境，因而在体内作用过程中，往往涉及到对无机离子的结合或争夺。在体内作用过程中，往往涉及到对无机离子的结合或争夺。11.2 细胞细胞 生命的本质是一系列化学反应，这些反应与其他化学生命的本质是一系列化学反应，这些反应与其他化学反应在本质上没有区别。但是在生命过程中的反应是高度有反应在本质
23、上没有区别。但是在生命过程中的反应是高度有序的组合。正是这些有序组合的化学反应才使得生命得以存序的组合。正是这些有序组合的化学反应才使得生命得以存在，才能实现由低级运动形式向高级运动形式的转化。在，才能实现由低级运动形式向高级运动形式的转化。从某种意义上讲，细胞就像一个微反应器，细胞膜从某种意义上讲，细胞就像一个微反应器，细胞膜反应器壁反应器壁起着一种间隔作用。起着一种间隔作用。反应器的行为被细胞膜所控制。反应器的行为被细胞膜所控制。一些外界的刺激，如神经冲动和某些由腺体分泌而来的一些外界的刺激，如神经冲动和某些由腺体分泌而来的特殊的化学物质，能够影响细胞膜的行为。特殊的化学物质，能够影响细胞
24、膜的行为。细胞中反应物的流入和生成物的流出取决于细胞膜和细细胞中反应物的流入和生成物的流出取决于细胞膜和细胞成分的特性。胞成分的特性。对于不同的物质胞膜具有不同的选择性通透，从而决定对于不同的物质胞膜具有不同的选择性通透，从而决定了这些离子的分布和功能。如了这些离子的分布和功能。如s区金属离子，由于胞膜的作区金属离子，由于胞膜的作用，用，Mg2和和K集中于细胞之内，参与胞内变化过程；而集中于细胞之内，参与胞内变化过程；而Ca2却被排斥在胞膜之外，使得却被排斥在胞膜之外，使得Ca2被利用来作为牙齿、被利用来作为牙齿、骨骼、壳体中的结构因素及胞外酶的活化剂。骨骼、壳体中的结构因素及胞外酶的活化剂。
25、11.3 生物元素生物元素 11.3.1 分类分类 已发现约已发现约30种元素与生物界的生存和发展关系密切。人种元素与生物界的生存和发展关系密切。人们将这些元素称之为生物元素。根据体内功能的不同，又可们将这些元素称之为生物元素。根据体内功能的不同，又可将生物元素分为必需元素、有益元素及有害元素。将生物元素分为必需元素、有益元素及有害元素。对元素在生物体中作用的对元素在生物体中作用的“定位定位”是与生物体在自然进是与生物体在自然进化过程中对元素的选择与演化的结果。例如，经过分析比较，化过程中对元素的选择与演化的结果。例如，经过分析比较，生物必需元素在血浆中的百分组成与海水组成类似，从而强生物必需
26、元素在血浆中的百分组成与海水组成类似，从而强有力地支持了生命起源的海滩学说。有力地支持了生命起源的海滩学说。所谓必需元素是指维持生命正常活动不可缺少的元素，所谓必需元素是指维持生命正常活动不可缺少的元素，必需元素符合下述几个条件：必需元素符合下述几个条件：存在于生物的所有健康组织中；存在于生物的所有健康组织中；在每个物种中有一个相对恒定的浓度范围；在每个物种中有一个相对恒定的浓度范围；从体内过多排出这种元素会引起生理反常，但再补从体内过多排出这种元素会引起生理反常，但再补充后生理功能又恢复。充后生理功能又恢复。目前已发现的必需元素大致有目前已发现的必需元素大致有1818种。种。必需元素又可分为
27、宏量元素和微量元素两类。必需元素又可分为宏量元素和微量元素两类。有益元素是指那些存在不足时，生物体虽可维持生命但有益元素是指那些存在不足时，生物体虽可维持生命但相当孱弱的元素。已发现的有益元素大致有相当孱弱的元素。已发现的有益元素大致有8 8种。种。有害元素是指因环境污染或饮食不洁而进入生物体内的有害元素是指因环境污染或饮食不洁而进入生物体内的元素，常见的有铅、镉、汞等，它们的存在往往有害于生物元素，常见的有铅、镉、汞等，它们的存在往往有害于生物体正常功能的发挥。体正常功能的发挥。还有约还有约20203030种元素在生物体内也普遍存在，但存在浓种元素在生物体内也普遍存在，但存在浓度差别很大，生
28、物学作用还不十分清楚，将这些元素称为沾度差别很大，生物学作用还不十分清楚，将这些元素称为沾污元素。污元素。下表列出人体必需元素及有益元素在周期表中的分布。下表列出人体必需元素及有益元素在周期表中的分布。s 区 d 区 p 区 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Ln*Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl
29、 Pb Bi Po At Rn Fr Ra An*镧系元素 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu*锕系元素 Ac Th Pu U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 人体必需的元素及有益元素人体必需的元素及有益元素 常量元素常量元素 微量元素微量元素 需要指出的是，必需元素与有益元素、有害元素之间需要指出的是，必需元素与有益元素、有害元素之间并不存在截然的界限，相信随着人们认识水平和仪器测试并不存在截然的界限，相信随着人们认识水平和仪器测试水平的提高，生物元素的概念和内容还将不断修正和发展。水平的提高，生物元素的
30、概念和内容还将不断修正和发展。事实上，许多元素在适当浓度、适当范围内对生物体是有事实上，许多元素在适当浓度、适当范围内对生物体是有益的，但当越过某一临界浓度时就有害了。它们完全遵循益的，但当越过某一临界浓度时就有害了。它们完全遵循从从“量变量变”到到“质变质变”的事物发展规律。的事物发展规律。将生物元素与周期表联系起来分析是很有趣的：将生物元素与周期表联系起来分析是很有趣的：构成生物体的构成生物体的11种宏量元素种宏量元素(C、H、O、N、S、Ca、P、K、Na、Cl、Mg)的原子量都非常小，全部属于原子的原子量都非常小，全部属于原子序数小于序数小于20的轻元素，而且都是主族元素。的轻元素，而
31、且都是主族元素。其中，其中，C、H、O、N、P和和S是组成生物体内蛋白质、是组成生物体内蛋白质、脂肪、碳水化合物和核糖核酸的主要元素；脂肪、碳水化合物和核糖核酸的主要元素；Na、K、Cl是是 组成体液的重要成分；组成体液的重要成分；Ca是骨骼的主要组成部分。是骨骼的主要组成部分。18种必需微量和痕量元素种必需微量和痕量元素 非金属元素有非金属元素有6种种(F、I、Se、Si、As和和B),金属元素金属元素12种种(Fe、Zn、Cu、Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、Sn和和Pb)。属于属于d区元素的有区元素的有8种金属元素，其中种金属元素，其中7种集中种集中于第一过渡系，第二过渡系只有钼
32、为必须元素。有于第一过渡系，第二过渡系只有钼为必须元素。有人认为生物以钼作为必须元素，是因为生命起源于人认为生物以钼作为必须元素，是因为生命起源于海洋，而在海洋中钼的存在量较其他重金属多得多。海洋，而在海洋中钼的存在量较其他重金属多得多。微量和痕量元素约占人体总质量的微量和痕量元素约占人体总质量的0.05。生命必需微量元素与这些宏量元素之间以钙为生命必需微量元素与这些宏量元素之间以钙为分界线，只有硼、氟与硅例外，它们虽属必需微量元分界线，只有硼、氟与硅例外，它们虽属必需微量元素，但原子序数也在素，但原子序数也在20之内。之内。原子序数大于原子序数大于34(Se)的仅有钼、锡、碘的仅有钼、锡、碘
33、3种必需种必需微量元素。原子序数大于微量元素。原子序数大于53(I)的的39种元素，至今从未种元素，至今从未发现有什么生理意义。从钒到锌这发现有什么生理意义。从钒到锌这8种过渡金属元素种过渡金属元素对于高等动物来讲是必需的元素，它们既是多种金属对于高等动物来讲是必需的元素，它们既是多种金属蛋白的组成成分，也是金属酶的组成成分。蛋白的组成成分，也是金属酶的组成成分。原子序数介于原子序数介于2334之间的两个元素镓和锗的之间的两个元素镓和锗的生命必需性正在证实中，已有不少资料表明锗的某些生命必需性正在证实中，已有不少资料表明锗的某些化合物对于延年益寿、防病治病具有十分神奇的功效。化合物对于延年益寿
34、、防病治病具有十分神奇的功效。同样，对于原子序数为同样，对于原子序数为35的溴的必需性也在研究的溴的必需性也在研究中。中。镧系元素在生物体中含量甚微，对它们的生物镧系元素在生物体中含量甚微，对它们的生物功能了解得也很少，但大量的实验事实表明镧系离功能了解得也很少，但大量的实验事实表明镧系离子和许多生物大分子或小分子都有不同程度的结合子和许多生物大分子或小分子都有不同程度的结合力，对生物体内多种酶具有激活和抑制作用，对机力，对生物体内多种酶具有激活和抑制作用，对机体许多疾病有不同程度的防治作用。体许多疾病有不同程度的防治作用。13.3.2 最适营养浓度定律最适营养浓度定律 法国科学家在研究了锰元
35、素对植物生长的影响后，提法国科学家在研究了锰元素对植物生长的影响后，提出了最适营养浓度定律。内容是，植物缺少某种必需元素出了最适营养浓度定律。内容是，植物缺少某种必需元素时就不能成活，当该元素含量适当时，植物就能茁壮成长，时就不能成活，当该元素含量适当时，植物就能茁壮成长，但过量时又会影响植物的生长。最适营养浓度定律也适用但过量时又会影响植物的生长。最适营养浓度定律也适用于人类。例如，硒是一种重要的生命必需元素，每人每天于人类。例如，硒是一种重要的生命必需元素，每人每天摄取摄取104 g较为适宜，若长期日摄入低于较为适宜，若长期日摄入低于5105 g可引起可引起癌症、心肌损害及贫血等疾患，而过
36、多摄入又可导致腹泻癌症、心肌损害及贫血等疾患，而过多摄入又可导致腹泻和神经官能症等毒性反应。和神经官能症等毒性反应。ABCDE元素浓度元素浓度健康程度健康程度G 人体健康与元素浓度的关系曲线人体健康与元素浓度的关系曲线 左图为人体健康与元素浓度左图为人体健康与元素浓度的关系曲线，实线表示必需元素的关系曲线，实线表示必需元素对人体健康状况的影响，虚线表对人体健康状况的影响，虚线表示有害元素对人体的影响。示有害元素对人体的影响。图中的第一个峰反映人的图中的第一个峰反映人的一生中起重要作用的最佳营养状一生中起重要作用的最佳营养状况；第二个峰表示在一个短暂的况；第二个峰表示在一个短暂的时期时期(如几天
37、如几天)内的情形内的情形(如药物作用如药物作用)，它表示一些元素，它表示一些元素(包括必需包括必需元素和有害元素元素和有害元素)过量时，在一定范围内对某些疾病有治疗作用。过量时，在一定范围内对某些疾病有治疗作用。图中的图中的D看作是一个分界线，看作是一个分界线，D的左边是对健康人而言的，的左边是对健康人而言的，D的的右边是对某些病人而言的。图中右边的右边是对某些病人而言的。图中右边的E点是极限浓度，表示由点是极限浓度，表示由于元素过量将引起死亡。于元素过量将引起死亡。如果某种必需元素明显减少或缺乏如果某种必需元素明显减少或缺乏，人体就会出现某种病人体就会出现某种病症症(图中的图中的AB段段)；
38、保证人体健康的最适浓度是图中的；保证人体健康的最适浓度是图中的BC段；从段；从C到到D表示元素过量或表示元素过量或“超过需要量超过需要量”，这将引起人体健康状况，这将引起人体健康状况恶化。从恶化。从D到到E表示元素能促进体内某种防护机能，如阻碍肿瘤表示元素能促进体内某种防护机能，如阻碍肿瘤细胞的繁殖，促进伤口愈合等。细胞的繁殖，促进伤口愈合等。11.4 无机元素的生物学效应无机元素的生物学效应 11.4.1 金属元素的生物学作用特点金属元素的生物学作用特点 金属元素在生命过程中发挥着重要作用，但就作用类金属元素在生命过程中发挥着重要作用，但就作用类型来讲，主要可概括：型来讲，主要可概括：为对体
39、内生理生化过程的触发和控制作用；为对体内生理生化过程的触发和控制作用；对蛋白质等生物大分子的结构调整、改变其反应性的对蛋白质等生物大分子的结构调整、改变其反应性的作用；作用；接纳电对作为接纳电对作为Lewis酸对体内生化反应发挥催化作用；酸对体内生化反应发挥催化作用；参与体内电子传递过程、促进体内有氧代谢过程的完参与体内电子传递过程、促进体内有氧代谢过程的完成等。成等。11.4.2 主族元素的生物学效应主族元素的生物学效应 生命必需元素各有不同的生物学作用，健康的机体要生命必需元素各有不同的生物学作用，健康的机体要求这些元素不仅要存在于机体内，而且还必需在恰当的部求这些元素不仅要存在于机体内，
40、而且还必需在恰当的部位、以恰当的量和恰当的氧化态同恰当的结合对象相结合。位、以恰当的量和恰当的氧化态同恰当的结合对象相结合。在在26种生命必需元素中，有种生命必需元素中，有17种为主族元素，其中的种为主族元素，其中的主族非金属元素是机体结构分子如蛋白质、碳水化合物、主族非金属元素是机体结构分子如蛋白质、碳水化合物、脂肪及负责能量贮存和传递的脂肪及负责能量贮存和传递的ADP和和ATP等的主要成分，等的主要成分，其生物功能通过这些生物分子而体现。其生物功能通过这些生物分子而体现。其余主族生命必需其余主族生命必需元素，主要为元素，主要为Na、K、Mg2、Ca2(和和Cl)等，它们常等，它们常常以自由
41、移动的离子形式存在，维持着体液和细胞中的电常以自由移动的离子形式存在，维持着体液和细胞中的电荷平衡，维持血液和其他体液系统离子强度等作用。荷平衡，维持血液和其他体液系统离子强度等作用。1 钠和钾钠和钾 Na和和K都具有稳定的壳层结构，它们给生物体系都具有稳定的壳层结构，它们给生物体系 提供电解质环境提供电解质环境 维持体液的酸碱平衡维持体液的酸碱平衡 参与某些物质的吸收参与某些物质的吸收等方面都具有重要的作用。等方面都具有重要的作用。它们与配体之间的作用多是静电相互作用，一般不具它们与配体之间的作用多是静电相互作用，一般不具有强的配合作用，但有强的键合需求。有强的配合作用，但有强的键合需求。它
42、们是硬阳离子，对含氧配体具有强的亲合性，大环它们是硬阳离子，对含氧配体具有强的亲合性，大环配体或蛋白质可与之配合形成稳定的结合体。配体或蛋白质可与之配合形成稳定的结合体。钾和钠的生物功能包括：钾和钠的生物功能包括：(1)保持神经肌肉的应激性保持神经肌肉的应激性 K和和Na承担着传递神经脉冲的功能。承担着传递神经脉冲的功能。由于由于“钠泵钠泵”的作用，细胞内的作用，细胞内K的浓度大于细胞外的浓度大于细胞外K的浓度，胞内的浓度，胞内Na的浓度则小于细胞外的浓度。的浓度则小于细胞外的浓度。在一般情况下，细胞膜的在一般情况下，细胞膜的“钾通道钾通道”开启，开启，K通过通过细胞膜扩散到胞外，致使膜外带正
43、电，膜内带负电，形成细胞膜扩散到胞外，致使膜外带正电，膜内带负电，形成膜电位。膜电位。而当神经肌肉兴奋时，而当神经肌肉兴奋时，“钠通道钠通道”开启，对开启，对Na有更有更大通透性，大通透性，Na通过细胞膜扩散到胞内，使膜外带负电。通过细胞膜扩散到胞内，使膜外带负电。这样，兴奋部位的膜和未兴奋部位的膜间就产生了称这样，兴奋部位的膜和未兴奋部位的膜间就产生了称作动作电位的电位差。这种动作电位在神经传递信号以及作动作电位的电位差。这种动作电位在神经传递信号以及肌肉对刺激的反应中起着支配作用。肌肉对刺激的反应中起着支配作用。K、Na扩散与离子泵扩散与离子泵化作用而释放出磷酸化的磷酸蛋白质化作用而释放出
44、磷酸化的磷酸蛋白质(PP)和和K离子，同时离子，同时ATP转化为磷酸腺甙转化为磷酸腺甙(ADP)。PP易于同易于同Na结合结合，并将并将Na带到膜外带到膜外，在那里发生去磷化作用生成原来的磷酸蛋白并释放出在那里发生去磷化作用生成原来的磷酸蛋白并释放出Na。离子离子泵的能量来源于泵的能量来源于ATPADP的变化过程。在每次循环中，的变化过程。在每次循环中，ATP可搬运三个可搬运三个Na出细胞和出细胞和2个个K(或或H)进细胞。伴随进细胞。伴随3个个Na的的排出和排出和2个个K的进入，一个多余的正电荷运到了胞外。这样就的进入，一个多余的正电荷运到了胞外。这样就在膜的内、外产生了一个电荷梯度，膜电位
45、因而就形成了。在膜的内、外产生了一个电荷梯度，膜电位因而就形成了。“钠泵钠泵”又称离子泵，又称离子泵，一般认为其作用机制主要一般认为其作用机制主要涉及磷酸蛋白质和三磷酸涉及磷酸蛋白质和三磷酸腺甙与钾形成的化合物的腺甙与钾形成的化合物的交互作用。磷酸蛋白质与交互作用。磷酸蛋白质与钾形成的化合物钾形成的化合物(KP)比与比与钠形成的化合物稳定钠形成的化合物稳定。KP通过膜进入细胞内，经三通过膜进入细胞内，经三磷酸腺甙磷酸腺甙(ATP)的磷酸的磷酸 (3)维持体液酸碱平衡维持体液酸碱平衡 体液中任何一种酸性物质或碱性物质过多，都会导体液中任何一种酸性物质或碱性物质过多，都会导致酸碱平衡失调，体液酸碱
46、性的相对恒定对保证正常的致酸碱平衡失调，体液酸碱性的相对恒定对保证正常的物质代谢和生理机能有十分重要的意义。物质代谢和生理机能有十分重要的意义。由由K或或Na参与的各种缓冲体系是调节体液酸碱平参与的各种缓冲体系是调节体液酸碱平衡的重要因素。衡的重要因素。(2)保持一定的渗透压保持一定的渗透压 渗透压的变化将直接影响肌体对水的吸收和体内水渗透压的变化将直接影响肌体对水的吸收和体内水的转移，保持一定的渗透压是肌体正常生命活动的需要。的转移，保持一定的渗透压是肌体正常生命活动的需要。K和和Na对维持和调节体液渗透压有重要作用。对维持和调节体液渗透压有重要作用。当细胞外当细胞外K或或Na离子浓度升高时
47、，水由胞内转移离子浓度升高时，水由胞内转移到胞外，引起细胞皱缩；相反，水由胞外转移到胞内而到胞外，引起细胞皱缩；相反，水由胞外转移到胞内而引起细胞肿胀。引起细胞肿胀。体液中的体液中的Na可参与氨基酸和糖的吸收。可参与氨基酸和糖的吸收。虽然，虽然，Na的主要作用在于维持渗透压和膜电位，但细胞内的主要作用在于维持渗透压和膜电位，但细胞内Na的排的排出也与氨基酸和糖类进入细胞的传递过程相关联。出也与氨基酸和糖类进入细胞的传递过程相关联。K的离子半径较的离子半径较Na大，但电荷密度较大，但电荷密度较Na小，因小，因而具有扩散通过疏水溶液的能力，如而具有扩散通过疏水溶液的能力，如K离子扩散通过脂离子扩散
48、通过脂质蛋白细胞膜几乎与扩散通过水一样容易。同时，质蛋白细胞膜几乎与扩散通过水一样容易。同时，K离离子作为某些酶的辅基，也具有稳定细胞内部结构的作用。子作为某些酶的辅基，也具有稳定细胞内部结构的作用。如糖分解所必需的丙酮酸激酶就需要高浓度的如糖分解所必需的丙酮酸激酶就需要高浓度的K，而此，而此酶却被酶却被Na所抑制。在核糖体内进行蛋白质合成是最关键所抑制。在核糖体内进行蛋白质合成是最关键的生命过程，为了获得大的活性，也需要高浓度的的生命过程，为了获得大的活性，也需要高浓度的K。(4)参与某些物质的吸收过程参与某些物质的吸收过程 2 钙和镁钙和镁 钙和镁在整个细胞新陈代谢过程中起着各种重要钙和镁
49、在整个细胞新陈代谢过程中起着各种重要的结构稳定作用和催化作用。的结构稳定作用和催化作用。像像Na和和K一样，一样，Ca2和和Mg2也有助于维持膜也有助于维持膜电位差，并负责传递神经信息。电位差，并负责传递神经信息。这两种金属离子在脂蛋白质中桥联邻近羧酸根从这两种金属离子在脂蛋白质中桥联邻近羧酸根从而强化了细胞膜。事实上，在没有而强化了细胞膜。事实上，在没有Ca2的情况下细胞的情况下细胞膜将成为多孔状。膜将成为多孔状。这两种离子也在像多磷酸盐这样的弱碱中心上作这两种离子也在像多磷酸盐这样的弱碱中心上作为催化剂使用。为催化剂使用。首先，钙可作为信使，在传递神经信息、触发肌肉首先，钙可作为信使，在传
50、递神经信息、触发肌肉收缩和激素的释放、调节心律等过程中都起重要作用。收缩和激素的释放、调节心律等过程中都起重要作用。钙之所以能作为信使，是因为它的浓度可敏捷地对钙之所以能作为信使，是因为它的浓度可敏捷地对外部刺激作出响应。这种变化由肌钙蛋白外部刺激作出响应。这种变化由肌钙蛋白C所控制，肌钙所控制，肌钙蛋白蛋白C引发引发Ca2键合于其上，导致键合于其上，导致Ca2的浓度变化。的浓度变化。第二，第二，Ca2是形成多种酶所必不可少的一部分。是形成多种酶所必不可少的一部分。如在胰蛋白酶中，如在胰蛋白酶中，3个个Ca2存在于三个结构区域，其存在于三个结构区域，其中一个中一个Ca2处于蛋白质表面因而具有催
