人体中的化学反应

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(Ⅱ)辅基的平面，铁(Ⅱ)原子坐在辅基中央，它可以与 其他6个配位原子相结合，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(Ⅱ)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
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。
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
2．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。
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，每个人每天大约需要8×103kJ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3×10-4mol·L-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。
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(Ⅱ) 离子，若设法除去Zn(Ⅱ)离子，得到的酶蛋白没有催化活性，如果重新加入Zn(Ⅱ) 离子，则酶的催化活性得到恢复，表明Zn(Ⅱ)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
于自由基与癌的关系开展了较多研究，认为活性氧可使致癌 前身物转变为致癌物，也可使磷脂膜上的脂肪酸发生变化， 从而触发癌变。O2-·对人体细胞的毒害是明显的，但人体自 身具有一套清除活性氧的防御体系：人体中超氧化物歧化酶 的存在，就能催化 '转变为过氧化氢(H2O2)和氧(O2)，而H2O2 则由过氧化氢酶催化分解为H2O和O2。人体中这些酶的存在 保护着肌体免受损伤。
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 的催化，CO2的水合速率仅为7.0×10-4s-1，所以碳酸酐酶使CO2的水合速率提高 了109倍，因而大大加速了生物体静脉中CO2 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。
界中的生物圈。食物和捕食者之 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 食物链的末端，食物链中各级植 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， 这是人体内化学元素的主要来源。 图2-2示出生物圈的粗略结构。
二．人体中的化学反应
生命不息，人体的一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。
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ΔE称为活化能，催化 剂的作用是降低了反应的活化能， 加快了反应速度。
1．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37℃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。
部，血红素含铁(Ⅱ)辅基从肺气泡中把 氧结合在Fe(Ⅱ)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(Ⅱ)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 mol·L-1，相比之下，血液载氧是 水的30倍。
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反应便产生O2-·。体内一些酶反 应过程也会产生O2-·，某些物质自身氧化时也会有O2-·释放出 来。一个人每天产生多少O2-·尚不太清楚，但有实验表 明．化学物质致癌时，人体内的自由基含量增加：近年来对
生命必需元素
------为了维持生命所必需的元素
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：
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 养分和能量的来源。人类作为高等动物当属异养生物。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 物的食物，食肉动物则成为人类的食物，人死了，尸体被细菌和真菌等 微生物分解，这就构成了自然
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。
人体缺铁会患贫血症，缺硒会患克山病、大骨节病，缺碘会患甲状腺 肿，并导致人的智力障碍等。
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：
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。
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 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 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。
人体内元素的来源
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Baidu Nhomakorabea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生糖而得 到养分，其化学反应式可表示如下：
4．酶促化学反应
酶是具有催化作用的蛋白质，主要由氨基酸组成。有些酶还需要有非蛋白质成 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，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。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。
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。