第一章-人体中的化学1

化学与健康-第一章人体中的化学世界是物质的，大自然中一切物质都是由化学元素组成的，人体也不例外。化学元素在人体内进行着各种各样的化学反应，维持正常的新陈代谢。各种化学元素在人体中各有不同的功能。人体通过呼吸，饮水和进食，与自然界进行着物质交换和能量交换，并达到某种动态平衡。因此，这一章主要介绍人体中有哪些化学元素，这些元素在体内有哪些功能，它们的来源等等。人体中的化学地球的年龄大约46亿年，而人类的出现距今约300万年。地球是由无生命阶段慢慢演化为有生命阶段的。经过十几亿年漫长的化学进化时期以后才出现原始生物-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。生命的起源恩格斯说过：生命的起源必然是通过化学途径实现的。现代自然科学研究证明：生命的进化与化学的进化同步！化学与生命起源生命的演化历程十几亿年三十多亿年1953，美国科学家米勒（S.L.Miller）第一个模拟原始大气成分，用H，CH4、NH3和水蒸气等，通过加热和火花放电，在实验室合成了氨基酸。随后，许多通过模拟地球原始条件的实验又合称了生命体中的重要高分子，如脱氧核酸、核苷酸、脂肪酸等。1965年和1981年，我国在世界上先后首次合成了牛胰岛素和酵母丙氨酸转移核糖核酸。蛋白质和核酸的形成无疑是无生命到有生命的转折点。•从生命构成的元素形成生物单分子•从生物单分子形成生物大分子物质生命进化的化学过程•从生物大分子物质演化成为前生物系统最简单的原始生命与最复杂的化学分子之间的差异仍然是极大的，主要是“组织化”水平的差异。为了填补化学演化与生物学演化之间的鸿沟，人们提出了许多介于化学分子结构与原始生命之间的过渡形式，并给予许多不同的名称。例如原生体（protobions）、原细胞（protocells）、前生物学系统（prebiologicalsystems）、等等。究竟是怎样过渡的现在仍不甚了解，但大体上应包含三个过程：(1)生物大分子自我复制系统的建立；(2)遗传密码的起源；(3)分隔的形成。生物和非生物的本质区别在于新陈代谢和自我繁殖。前者保证生存，后者保证繁衍。人类是地球上最高级的生命形式原始生命是最简单的生命形态，它至少能进行新陈代谢和自我繁殖。地球上最高级的生命形式—人类，是物质在一个相当漫长的历史长河中从低级向高级，从无生命向有生命名的发展进化过程的产物。人体中的化学元素•地球上有很多种元素，分布在自然界中岩石圈、水圈、大气圈和生物圈。•人类在漫长的生物进化过程中，与环境进行物质交换。有选择性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。•组成生命的主要物质是蛋白质(碳、氢、氧、氮)、水分（氢、氧）和无机盐（磷、硫、金属离子）三大类。另外还有其他一些微量元素。表1现代人（70kg）的化学组成（*为必需元素）元素体内含量/g质量百分数/%元素体内含量/g质量百分数/%O*4300061Cu*0.0720.00010C*1600023Al00610.00009H*700010Cd0.0500.00007N*18002.6B0.0480.00007Ca*10001.4Ba0.0220.00003P*7201.0Se*0.0200.00003S*1400.20Sn*0.0170.00002K*1400.20I*0.0180.00002Na*1000.14Mn*0.0120.00002Cl*950.12Ni*0.0100.00001Mg*190.027Au0.0100.00001Si*180.026Mo*0.00930.00001Fe*4.20.006Cr*0.00660.000009F*2.60.0037Cs0.00150.000002Zn*2.30.0033Co*0.00150.000002Rb0.320.00046V*000070.000001Sr0.320.00046Be0.00036Br0.200.00029Ra3.1*10-11Pb0.120.00017人体内化学元素的来源自养生物和异养生物自养生物（一般的植物和藻类）：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叶绿素异养生物（动物和人类）：自身不能制造养分，必须依靠自养生物作为养分和能量的来源人类处在食物链的末端，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。6CO2+6H2O+能量（太阳能）C6H12O6+6O2都是环境中存在的，且丰度较高生物体所必需的元素大多数为轻元素（重的仅有I、Mo、Sn）生物体所必需的微量元素大多为过渡元素，与它们核外的的原子轨道中有未被填满的d轨道有关C、H、O、N具有易形成共价键的特点，它们能相互作用，形成大量不同形式的共价化合物。在碳的有机物中，由于单键碳原子具有四面体结构，借碳-碳键可形成许多不同的三维空间结构，碳原子还可以与氧氢氮磷和硫原子形成共价键把不同种类的功能基引入有机分子结构中C、H、O等形成的许多有机化合物在生理温度下具有流动的。人体内化学元素的特点1人体内元素的分类（按作用分）1.必需元素常量元素：氧、碳、氢、氮、钙、磷、硫、钾、钠、氯、镁（11种）按照在人体中元素的含量高于或低于0.01%来划分微量元素：20余种，它们的总量不足人体质量的0.05%。2.非必需微量元素3.污染（有毒有害）元素1.必需元素:C、H、O、N、S、P等构成脂肪、糖、蛋白质、酶、核酸等生命有机化合物，其中C、H、O、N占人体体重的96%钙：骨骼和牙齿所不可缺少的必需元素钾离子、钠离子等是体液中不可缺失的电解质离子多种微量金属元素是构成金属酶的重要元素人体缺铁会患贫血缺硒会患克山病、大骨节病缺碘会患甲状腺病，并导致人的智力障碍2.非必需微量元素非必需的元素含量都属于微量的范畴，是指其生理功能尚未确定或在机体内可有可无的元素铷，砷，硼，钛，铝，钡，铌，锆8种3.污染元素：指对生物有毒性而无生物功能的元素毒性元素：铋，锑，铍，镉，汞，铅潜在毒性与放射性元素：铊，钍，铀，镭，锶，钡元素对人体有益还是有害与其浓度和形态密切相关！人体由骨骼、肌肉、脂肪、血液、器脏、皮肤和毛发构成这些系统的主要构成物质是由氨基酸、蛋白质、脂肪、酶、核酸等为基础。而在这些生物有机化学物质中，碳、氢、氧、氮是最重要的组成元素人体中元素的分布人体中元素的分布钙、磷、硫、硅、镁、氟、锰主要分布在骨骼中，含量多少与比值的大小对骨骼的生长、发育有重要影响；其中钙、磷、硫、镁具有机构性的作用硅，钡，Pb,铍，隔，铀，金，锂等元素与骨骼有较强的亲和性，在骨中过量的积蓄将会产生不同程度、不同性质的损害。人体中铍含量越高，患骨癌的可能性越大，镉大量在骨中沉淀可产生骨痛、甚至骨癌。富山县位于日本中部地区，在富饶的富山平原上，流淌着一条名叫“神通川”的河流。这条河贯穿富山平原，注入富山湾，不仅是居住在河流两岸人们世世代代的饮用水源，也灌溉着两岸肥沃的土地，使之成为日本主要粮食基地的命脉水源。然而，谁也没有想到多年后，这条命脉水源竟成了“夺命”水源。二十世纪八大公害事件之一20世纪初期开始，人们发现该地区的水稻普遍生长不良。1931年又出现了一种怪病，患者大多是妇女，病症表现为腰、手、脚等关节疼痛。病症持续几年后，患者全身各部位会发生神经痛、骨痛现象，行动困难，甚至呼吸都会带来难以忍受的痛苦。到了患病后期，患者骨骼软化、萎缩，四肢弯曲，脊柱变形，骨质松脆，就连咳嗽都能引起骨折。患者不能进食，疼痛无比，常常大叫“痛死了！”“痛死了！”有的人因无法忍受痛苦而自杀。经骨痛病尸体解剖，有的骨折达73处之多，身长缩短了30厘米，病态十分凄惨。这种病由此得名为“骨癌病”或“痛痛病”（Itai－ItaiDisease）。1946－1960年，日本医学界从事综合临床、病理、流行病学、动物实验和分析化学的人员经过长期研究后发现，“骨痛病”是由于神通川上游的神冈矿山废水引起的镉（Cd）中毒。据记载，由于工业的发展，富山县神通川上游的神冈矿山从19世纪80年代成为日本铝矿、锌矿的生产基地。神通川流域从1913年开始炼锌，“骨痛病”正是由于炼锌厂排放的含镉废水污染了周围的耕地和水源而引起的。1961年，富山县成立了“富山县地方特殊病对策委员会”，开始了国家级的调查研究。1967年研究小组发表联合报告，表明“骨痛病”主要是由于重金属尤其是镉中毒引起的。1968年开始，患者及其家属对金属矿业公司提出民事诉讼，1971年审判原告胜诉。被告不服上诉，1972年再次判决原告胜诉。日本在二次世界大战后经济复苏，工业飞速发展，但由于当时没有相应的环境保护和公害治理措施，致使工业污染和各种公害病随之泛滥成灾。除了富山“痛痛病”外，四日市哮喘病、“水俣病”等都是在这一时期出现的。后来骨痛病已开始在日本各地蔓延了。骨痛病患区已远远超过神通川，而扩大到黑川、铅川、二迫川等7条河的流域。日本的工业发展虽然使经济获利不菲，但难以挽回的生态环境的破坏和贻害无穷的公害病使日本政府和企业日后为此付出了极其昂贵的治理、治疗和赔偿的代价。牙齿多由钙、磷、氟、硅、矾等元素组成而硅、镍、砷、锌、氟、铁、钛等元素较多地集中在毛发中锌、铜、钙、镁、钒、碲、Br等元素易蓄积于肌肉中。当肌肉缺镁、钾时，可导致肌无力，肌萎缩等症状矾、汞、铬、Nb、Sn等元素易蓄积于脂肪中，其中钒、铬对脂肪代谢和降低胆固醇有重要作用。人体中元素的分布人体中元素的分布维持大脑功能的主要元素有磷和钒，然而锂、铷、汞、铅、铝、镉、氟、溴、铜、硅等也易在脑中积蓄，但它们是有害的。汞还可以穿过大脑屏障使细胞产生永久损伤，带来灾难性的后果。随着年龄的增长铝在大脑中富集，可导致神经微纤维缠结性病变。过量的铅可使大脑痴呆，可引起神经系统疾病，如神经疼痛，急性脑炎等。1956年日本水俣病事件日本熊本县水俣湾外围的“不知火海”是被九州本土和天草诸岛围起来的内海，那里海产丰富，是渔民们赖以生存的主要渔场。水俣镇是水俣湾东部的一个小镇，有4万多人居住，周围的村庄还（居）住着1万多农民和渔民。“不知火海”丰富的渔产使小镇格外兴旺。1925年，日本氮肥公司在这里建厂，后又开设了合成醋酸厂。1949年后，这个公司开始生产氯乙烯（C2H5Cl），年产量不断提高，1956年超过6000吨。与此同时，工厂把没有经过任何处理的废水排放到水俣湾中。二十世纪八大公害事件之二1956年，水俣湾附近发现了一种奇怪的病。这种病症最初出现在猫身上，被称为“猫舞蹈症”。病猫步态不稳，抽搐、麻痹，甚至跳海死去，被称为“自杀猫”。随后不久，此地也发现了患这种病症的人。患者由于脑中枢神经和末梢神经被侵害，轻者口齿不清、步履蹒跚、面部痴呆、手足麻痹、感觉障碍、视觉丧失、震颤、手足变形，重者神经失常，或酣睡，或兴奋，身体弯弓高叫，直至死亡。当时这种病由于病因不明而被叫做“怪病”。这种“怪病”就是日后轰动世界的“水俣病”。“水俣病”的罪魁祸首是当时处于世界化工业尖端技术的氮（N）生产企业。氯乙烯和醋酸乙烯在制造过程中要使用含汞（Hg）的催化剂，这使排放的废水含有大量的汞。当汞在水中被水生物食用后，会转化成甲基汞（CH3HgCl）。这种剧毒物质只要有挖耳勺的一半大小就可以致人于死命，而当时由于氮的持续生产已使水俣湾的甲基汞含量达到了足以毒死日本全国人口2次都有余的程度。水俣湾由于常年的工业废水排放而被严重污染了，水俣湾里的鱼虾类也由此被污染了。这些被污染的鱼虾通过食物链又进入了动物和人类的体内。甲基汞通过鱼虾进入人体，被肠胃吸收，侵害脑部和身体其他部分。进入脑部的甲基汞会使脑萎缩，侵害神经细胞，破坏掌握身体平衡的小脑和知觉系统。据统计，有数十万人食用了水俣湾中被甲基汞污染的鱼虾。人体中化学元素的功能1.结构材料2.运载作用3.组成金属酶或酶的激活剂4.调节体液的物理、化学特性5.“信使”作用1.结构材料碳、氢、氧、氮、硫等构成有机大分子结构材料，如多糖、蛋白质、核酸等为主所构成的肌肉、皮肤、骨骼、血液、软组织等。无机元素中钙、硫、氟、硅、和少量的镁，以难溶的无