生命元素及其在生物体内的作用

第17卷第1期渝州大学学报(自然科学版)2000年3月V ol.17N o.1　JOURNA L OF Y UZH OU UNI VERSITY(Nat.Scien.Edit.)　Mar.2000

文章编号:1006-3293(2000)01-0090-04

生命元素及其在生物体内的作用Ξ

胥江河

(渝州大学教务处,重庆400033)

摘　要　介绍了生命元素的生物功能,指出了微量元素过低或过高都会引起疾病,讨论了微量元素缺少或过量的原因及采取的相应措施。

关键词　生命元素;生物功能;宏量元素;微量元素

中图分类号:O61 文献标识码:E

生物赖于生存的化学元素称为生命元素。

1　宏量元素的生物功能

生物体内存在的12中宏量元素都是必需元素,其中H、C、N、O、P、S有机元素约占人体总重量的99%;K、Na、Mg、Ca共占1%,而所有微量元素的总含量<0.1%。

1.1　K+、N a+

K+和Na+间的主要差别是它们的离子半径和水合能差异很大,这对于生物体系而言是本质的。因此K+、Na+离子在细胞内外的浓度分布很不平衡,在细胞内部,主要集中着K+ (0.1051m ol.L-1),Na+离子浓度很低(0.01m ol.L-1);在细胞外部,主要分布着Na+(0.1431 m ol.L-1),K+离子浓度很低(0.005m ol.L-1)。Na+是体液中浓度最大和交换很快的阳离子。例如血浆中的Na+离子浓度可高达0.143m ol.L-1,它的主要功能是调节渗透压,保持细胞中的最适水位。K+离子的电荷密度低,因而它具有扩散通过输水溶液的能力。

1.2　C a2+

Ca2+离子在细胞内的浓度(10-5m ol.L-1)比在细胞外的浓度(10-3m ol.L-1)小得多。钙是构成植物细胞壁和动物骨骼(主要成份是羟基磷灰石)的重要成份。人体内99%的钙存在于骨骼和牙齿中,钙在维持心脏正常收缩、神经肌肉兴奋性,凝血和保持细胞膜完整性等方面起着重要作用。钙最重要的生物功能是信使作用;细胞内的信号传递依靠细胞内外Ca2+的浓度差。

1.3　Mg2+

Mg2+是一种内部结构的稳定剂和细胞内酶的辅因子,细胞内的核苷酸以其Mg2+配合物形式存在。因为Mg2+倾向于与磷酸根结合,所以Mg2+对于DNA复制和蛋白质生物合成都是必不可少的。钙和镁许虽同属碱土金属,又均为宏量元素,但在生物学中仍有较大差

Ξ收稿日期:1999-06-02;修订日期:1999-07-01

作者简介:胥江河(1963-),男,重庆长寿人,讲师,无机化学。

异。如在血浆和其它体液中,Ca 2+离子浓度高,Mg 2+离子浓度低,而在细胞内则相反。Mg 2+在光合作用中起着非常重要的作用。太阳能通过光合作用转化为生物能,并得以贮存起来。大气中的氧气便是光合作用的副产品。光合作用中涉及到许多色素,叶绿素a 是其中最重要的一种,它是镁的配合物,它吸收可见光区的红光,为光合作用提供能量。2　必需微量元素的生物功能

生物体内的微量元素可分为必需和非必需的两类。微量元素虽微,但没有它们,人们也就不能健康地继续生存。因为有些微量元素是酶的组成成分,它们能使酶更好地发挥催化作用,使体内生化反应显著加速,甚至缩短几万至几十万倍;使那些本来在自然条件下需要极高温度才能进行的生化反应,能在体温的条件下顺利进行。有些微量元素是调节人体重要生理功能的激素或维生素的组成成份,没有这些微量元素,激素或维生素就起不了作用。

随着科学技术的发展和检测手段的进步,必需微量元素的发现是逐年增加的。现在认为人体必需微量元素有下列14种:钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼、锡、砷、硒、氟和碘。其中有10种是金属元素,而且绝大多数是过渡金属元素。过渡金属元素的离子半径小,有空的d 轨道,故有强的配位能力,能和氨基酸、蛋白质或其它生物配体形成生物配位化合物,并且因配体不同和配位环境差异,配位数可以不同,有可变的空间几何构型,这些都是微量金属元素能在生命化学中扮演重要角色的理由。各种必需元素在人体内都有一定的浓度范围,过量或缺乏都对机体有害。体内对微量元素的平衡机制能调控其浓度,在摄入量不足时,机体可以动用体内贮存元素,在摄入量偏高时,机体可排泄多余元素。但摄入量过多,并超出机体排泄能力,这些元素会在体内积累而致病。

3　微量元素的生物功能

3.1　Z n

锌是构成多种蛋白质分子的必需元素。人体内含锌量为1.4～2.4g ,在各类金属酶中,对锌酶的研究最为详尽。早在1934年就发现,锌对哺乳动物的正常成长和发育是必不可少的。已发现的锌酶有数百种,它们参与糖类、脂类、蛋白质和核酸的合成与降解等代谢过程。近来还发现锌酶可以控制生物遗传物质的复制、转录与翻译。微量元素锌虽然是生命过程中不可缺少的元素,如缺锌时可引起人体免疫缺陷,但锌过量也易成慢性锌中毒,主要表现为顽固性贫血,食欲不振,血红蛋白含量降低,血清铁及体内铁贮存减少。

3.2　Fe

人体中,Fe 是最丰富的金属,一般人含铁4.2～6.1g ,各种各样的代谢活性分子中都含有铁。在哺乳动物中,70%的Fe 是以卟啉配合物的形式存在的。如血红蛋白、肌红蛋白等。把氧气从肺部输送到组织中去靠血红蛋白和肌红蛋白的共同作用。血红蛋白负责把O 2从空气中提取出来,并从肺部输送到肌肉组织,转交给肌红蛋白。微量元素铁虽然是人体很重要的元素,但只要不偏食,成人一般不会缺铁,并且体内积聚过多,将会适得其反,微量元素铁过剩将表现为:血色素沉着,肝脾肿大,肝硬化,性机能下降,免疫功能低下。

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3.3　Cu

铜化合物有毒,但微量铜是必需元素。铜在人体内的主要作用是进行氧化还原反应,在生物系统中起着独特的催化剂,参与造血过程和及铁的代谢,参与一些酶的合成和黑色素合成。对于脊椎动物在铁的代谢和氧的输送中,铜是必需的,如食物中的Fe 绝大多数呈Fe (Ⅲ)状态。人体摄取的Fe (Ⅲ)在胃和肠中被还原为Fe (Ⅱ),并被吸收。吸收的Fe (Ⅱ)又重

新转化为Fe (Ⅲ

)。高锌低铜的饮食干扰了胆固醇的正常代谢,易诱发冠心病,故m (Zn )/m (Cu )(质量比)增大可能是冠心病发病的原因,缺铜时常导致血胆固醇升高,血动脉弹性降低,产生高血压。缺铜时应当注意适当减少食物镉、锌、钼、镍、硫酸根及植物蛋白的含量,增加食用含铜量高的食品,如动物肝脏。

3.4　Co

钴对铁的代谢,血红蛋白的合成和红细胞的发育成熟等有重要作用。钴的主要功用是作为维生素B 的必需组分。每立方米血液中只含有2×10-4ug 的维生素B 12。1948年人们首次从肝脏中提取出了维生素B 12,维生素B 12完全依赖于食物,B 12以及它的衍生物都是钴的配合物,维生素B 12可以治疗恶性贫血症。它们参与DNA 和血红蛋白的合成、氨基酸的代

谢等生化反应,在C o (Ⅱ

)和C o (Ⅲ)配合物之间起电子传递作用。3.5　Mo

钼以M oO 2-4的形式存在于生命体系中,钼是人体多种酶的重要成分,对细胞内电子的

传递、氧化代谢有作用。含钼酶也很多,早在20世纪30年代就已经知道生物固氮(氮还原为氨)必需有钼元素存在,它就是含钼固氮酶,固氮酶存在于许多植物(如豌豆、大豆等豆科植物)的根瘤菌中,这些植物可以直接利用这些细菌生产的氮化合物,不必另施氮肥。

3.6　Cr

Cr 3+是胰岛素参与作用的糖代谢和脂肪代谢过程所必需的元素,也是正常胆固醇代谢的必需元素。精制食物造成铬的损失,缺铬后血脂和胆固醇含量增加,糖耐受量受损,严重

时出现糖尿病和动脉硬化。若补Cr 3+,病情可以改善。但必需指出,六价铬如CrO 2-4

是有毒有害的致癌物。

3.7　Mn

锰是丙酮酸羟化酶、超氧化物歧化酶(SOD)、精氨酸酶等的组成成分,对动物的生长、发育、繁殖和内分泌有影响。锰在人体中具有促进细胞内脂肪的氧化作用,减少肝脏内脂肪的含量,促进胆固醇的合成。在土壤中含锰量高的地区癌症发病率低,成人缺锰时,常出现食欲不振,体重下降,性机能障碍,人体内锰过量,会影响体内氧化还原和水解过程,主要作用于神经系统。

3.8　Se

硒是人体红细胞谷胱甘肽过氧化物酶的组成成分。现已发现许多疾病与自由基对肌体的损伤有关。已知缺硒地区的克山病、大骨节病和某些癌症都和脂质过氧化有关。目前对非金属元素的研究较少,因为它们不像金属元素那样易于作为中心离子去和生物配体发生作用,且对它们的分析工作也困难些,所以对它们的了解较少。但是注意到我国患有各种地方病的病人约六千万,这些疾病常和缺乏非金属元素有关。如流行的氟中毒是饮水或食物中高氟所引起的,甲状腺肿是缺碘的缘故。

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