钒元素在生命体系中的形态及其生物功能研究最新进展

钒元素在生命体系中的形态及其生物功能研究最新进展

彭文泉2014301040231

摘要：钒是一种微量元素,自从2 0世纪70年代起人们就把钒看作一种人体必需微量元素,虽然发现较晚,但是它的重要性越来越受到人们的关注。本文对钒的分布，存在形式，生理学作用等方面对钒元素进行了一系列的介绍。

一、钒的性质

钒（V）位于元素周期表第四周期第VB族。钒的原子序数为23，相对原子量为50.9414，化合价有+5、+4、+3、+2，可以阳离子状态存在，也可以阴离子状态存在，最稳定的是五价钒的化合物。

钒属于高熔点金属，熔点1900±25℃，沸点为3000℃。金属钒呈银白色，很软，可塑，可于冷状锻制成薄片并拉成丝，容易磨光和擦亮。当含有氧、氮或氢时则变得脆、硬。是电的不良导体，在室温条件下，金属钒在空气中是最稳定的，当加热至高温，易于在空气中燃烧，但致密的金属钒在300℃以下不会被氧化，高于660℃时则很快氧化。金属钒不溶于水、碱溶液、稀硫酸及盐酸，但溶于硝酸和王水，浓硫酸和氢氟酸仅在加热时才与钒发生作用。熔融的碱、碳酸钾、硝酸钾可与钒作用生成钒酸盐。钒与氧反应有从+2～+5价的各种化合物，其中最主要的是V2O5（红褐色粉末状物），在650～675℃熔化，熔化后呈红色。V2O5具有酸性，在水中溶解度很小，通常饱和的水溶液只含0.4% V2O5。钒还具有增强合金的强度，降低热膨胀系数的特点。

二、钒的分布和在生物体内的代谢

钒在土壤，淡水与海洋，生物体内都有微量的分布。地壳中钒的平均含量为

110~150mg/kg，比Cu,Zn,Co的含量要高得多。在海水中，钒的含量为5mg/kg。谷物中的含量一般为0~1.8mg/kg。人体组织中钒的质量浓度比其他动物组织的含量要低很多，为

17~43μg/kg。钒在人体内的存在时间也较短，据估算人的日摄入量为20mg。通常满足人体对微量钒的需求，因此很少发现因缺钒而导致人体不适的例子。

钒主要通过呼吸道、皮肤和肠胃等途径进入动物体内。水溶性的阳离子钒易吸收，吸收量可达摄入量的10%，而阴离子钒则不易被吸收。经饮食进入动物体内的钒主要以粪便的形式排出，即借由转化为微溶的V（OH）2排出体外。而进入血液中的钒主要经由肾脏以尿液的形式排出体外。

三、钒的生物学功能

钒是一种微量元素,自从2 0世纪70年代起人们就把钒看作一种人体必需微量元素,虽然发现较晚,但是它的重要性越来越受到人们的关注。1钒的生物学作用1 .1在体内钒

是参与血糖代谢、脂肪和胆固醇代谢过程中酶的辅助因子。最近十几年的研究证明钒对Ⅰ和

Ⅱ型糖尿病的治疗有效,可以降低患糖尿病动物的高血糖和血脂;增加肝糖原、肌糖原的合

成和糖酵解;抑制肝糖的分解和糖异生。1 .2促进骨骼和牙齿的生长和矿化。骨骼是储存钒的最主要组织,这可能是由于PO43 - 和VO43 - 结构相似,因而促进了骨中磷酸盐与钒的交换作用,导致骨骼中钒的沉积增加。1 .3影响肾脏和膀胱的机能。1 .4钒还与钠泵、肌肉收缩有关;调节能量水平,对体内某些生化反应的酶有抑制或激活的作用;钒与激素作用也有关联,有甲状腺功能,因此钒对治疗甲状腺机能不足可能起到一定的作用,刺激激素分

泌和神经介质的代谢;影响机体的免疫力,一些动物试验表明钒可以预防肿瘤的发生。

正常情况下，机体的钒主要来自于食物，而缺乏时可影响动物的生殖功能，生长发育受阻。曾有实验表明使用缺乏钒的饲料喂养雏鸡，大鼠，反刍动物等，会引起生长速度减缓，病死率增加，骨骼发育不良或畸形，胎儿成活率低以及产乳量下降等一系列不良后果。

试验发现，接受了钒酸盐的白鼠会发生明显的多尿和尿钠现象，特别是当血清钾质量浓度增大时。动物摄入的钒酸盐主要经由尿道排出，在肾小管内积累，因此钒酸盐对动物的肾功能有一定影响。对大鼠，猫，狗等动物注射钒酸盐后，会引起血管收缩或多尿的情况。当钒酸盐的浓度过大时，会造成机体脱水，严重时会导致死亡。

钒对造血有一定的积极作用，并可以增强铁对红细胞的再生作用。试验表明，饲喂葡萄糖酸钒后，可使动物血红蛋白，网组织红细胞和红细胞的数量增多。停止饲喂后网织红细胞数量迅速恢复正常，红细胞数量则缓慢增加。钒促进造血的特性是由于抑止氧化-还原系统引起缺氧，从而刺激骨髓造血功能加强。

钒也具有抑制胆固醇的作用。当钒在体内质量浓度达到正常水平时，可促进脂质代谢，抑制合成，减轻诱发动脉硬化的程度。缺钒可以引起体内胆固醇的含量增加，生长迟缓。饲料中添加适量的钒可以促进动物的生长，提高饲料利用率。钒酸盐可以明显降低血糖和尿糖，改善心肌病变，其作用可能为抑制肝糖异生酶的活性，减少糖异生，从而降低高血糖。

钒元素还有促进骨和牙齿钙化的功能。这是由于钒离子在牙轴质和牙本质内可增加羟基磷灰石的硬度，同时也可以增加有机物质和无机物质间的黏合性。若缺钒则机体谷歌发育不正常，骨质疏松，牙齿受损。

四、钒的医理毒性

钒的生物学及毒理学研究始于1876年，并在20世纪的70、80年代得到了迅速发展。研究发现，钒的化学性质是决定钒生物效应的基础。钒化合物毒性及生命效应的大小除同钒的总量有关外，更重要的是受钒的化合特性及赋存形态的影响。

金属钒的毒性很低，但其化合物对动植物体有中等毒性，且毒性随钒化合态升高而增大，五价钒的毒性最大；VO2+为生物无效，而VO3-却容易被吸收。可见，不同的化学存在形式呈现出不同的生物效应。在环境体系中，钒可以以(-1)~(+5)的氧化态存在并通常形成许多的聚合物。在组织外流体和细胞内，钒的主要形式分别为钒酸盐(VO3-, V5+)和钒氧阳离子（VO2+,V4+），钒酸盐进入细胞后，被谷胱甘肽（C10H17O6N3S）及其它物质还原成钒氧阳离子，并同蛋白质、磷酸盐、柠檬酸、乳酸等配位体结合而稳定存在。

不管是钒酸盐还是钒氧阳离子，在适量时均对动物体的生理机能起促进作用，如维持生物体的生长；维持心血管系统的正常工作；抑制胆固醇的合成；促进造血功能；影响组织中的胰岛素，促进葡萄糖的吸收、氧化和合成，呈现出类胰岛素的作用；促进蛋白酪氨酸磷酸化；促进钾的吸收；降低甘油三酯的水解作用和蛋白质的降解等。

由于近年来钒环境污染的加剧，人们对钒生物效应的研究主要还是聚焦于钒的毒理学方面。哺乳动物的肺、肝等器官对钒有明显的累积作用，如美国Alaskan鲸（Cetaceans）肝脏中钒的浓度从0.1ug/g升高到1ug/g，发生了明显的生物累积，累积浓度与动物的年龄和体形大小呈正相关关系。这个结果在老鼠的肾脏素性实验中也得到了验证。钒的累积对动物具有中~高等毒性，可引起呼吸系统、神经系统、肠胃系统、造血系统的损害及新陈代谢的改变，降低对食物的摄入、引起腹泻并使体重减轻；改变新陈代谢及生化机能；抑制繁殖能力和生长发育；降低动物的抗外界压力、毒素及致癌物的能力；甚至致死。如鼠的毒性实验表明，鼠对钒的中毒浓度为0.25 mg/L，致死浓度为6 mg/L。

在70年代早期，钒被认定为鸡和老鼠等动物不可缺少的微量元素的同时, 也引发了钒是否也是人类不可缺少的微量元素的思考。Nielsen认为钒是高等动物及人体的必需元素，