无机元素的生物学效应

第11章无机元素的生物学效应生物分子细胞生物元素无机元素的生物学效应11.1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。生物配体大体可分为三类：(1)简单阴离子如F－、Cl－、Br－、I－、OH－、SO42－、HCO3－和HPO42－等；(2)小分子物质如水、氢气、氨、卟啉、咕啉、核苷酸和氨基酸等；(3)大分子物质如蛋白质、多糖和核酸等。11.1.1氨基酸、多肽和蛋白质蛋白质是是由L型的α－氨基酸通过肽键－CONH－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。在氨基酸分子HOOC－CH－R中，侧链R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α－羧基与另一氨基酸的α－氨基通过脱水缩合形成而使两个氨基酸连接起来：一个氨基酸的α-羧基与另一氨基酸的α-氨基通过脱水缩合形成肽键R1H2N－CH－COOH＋H2N－CH－COOHH2N－CH－C－N－CH－COOH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－H2OR2一个氨基酸的α-羧基与另一氨基酸的α-氨基通过脱水缩合形成肽键R1H2N－CH－COOH＋H2N－CH－COOHH2N－CH－C－N－CH－COOH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－H2OR1OHR2一个氨基酸的α-羧基与另一氨基酸的α-氨基通过脱水缩合形成肽键R1H2N－CH－COOH＋H2N－CH－COOHH2N－CH－C－N－CH－COOH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－H2OR1OHR2一个氨基酸的α-羧基与另一氨基酸的α-氨基通过脱水缩合形成肽键R1H2N－CH－COOH＋H2N－CH－COOHH2N－CH－C－N－CH－COOH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－H2OR1OHR2一个氨基酸的α-羧基与另一氨基酸的α-氨基通过脱水缩合形成肽键R1H2N－CH－COOH＋H2N－CH－COOHH2N－CH－C－N－CH－COOH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－H2OR1OHR2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。一个氨基酸至少有两种可电离的基团——氨基和羧基。它们通常形成两性离子。在多肽和蛋白质分子中，除相邻氨基酸残基之间所形成的肽键之外，还有末端－NH3＋基和－COO－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之一。一个氨基酸的α-羧基与另一氨基酸的α-氨基通过脱水缩合形成肽键R1H2N－CH－COOH＋H2N－CH－COOHH2N－CH－C－N－CH－COOH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－H2OR2一个氨基酸的α-羧基与另一氨基酸的α-氨基通过脱水缩合形成肽键R1H2N－CH－COOH＋H2N－CH－COOHH2N－CH－C－N－CH－COOH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－H2OR1OHR2一个氨基酸的α-羧基与另一氨基酸的α-氨基通过脱水缩合形成肽键R1H2N－CH－COOH＋H2N－CH－COOHH2N－CH－C－N－CH－COOH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－H2OR1OHR2一个氨基酸的α-羧基与另一氨基酸的α-氨基通过脱水缩合形成肽键R1H2N－CH－COOH＋H2N－CH－COOHH2N－CH－C－N－CH－COOH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－H2OR1OHR2一个氨基酸的α-羧基与另一氨基酸的α-氨基通过脱水缩合形成肽键R1H2N－CH－COOH＋H2N－CH－COOHH2N－CH－C－N－CH－COOH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－H2OR1OHR2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平上去认识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l06，小的也在104以上。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。11.1.2酶酶是一类特殊的具有专一催化活性的蛋白质。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化合物。如催化H2O2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定部位按规定程序和规定程度进行，确保生命活动的高度有序性。酶分为两类：单纯蛋白酶；结合蛋白酶。前者只含蛋白质；后者由酶蛋白和辅基(或辅酶)两部分所组成。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，它们可以是一些小分子的有机物或金属离子，如维生素B12、血红素、Zn2＋等。辅基与酶蛋白结合牢固，不易分离；而辅酶与酶蛋白结合疏松，用透析的方法就可使其分离。一酶的分类在已发现的3000多种酶中，有1/4至1/3需要金属离子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：(1)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；(2)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；(3)在反应中作为电子传递体，使底物被氧化或被还原。二酶的作用机理学说1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认为，酶的结合部位(活性中心)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导——空间构像改变——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；诱导契合学说则认为酶的活性中心是柔性的，具有可塑性或可变性，刚中有柔。在诱导契合学说看来，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。11.1.3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、糖以及磷酸所组成的大分子化合物。根据结构中戊糖2'位有无氧原子而将核酸区分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。脱氧核糖核酸(DNA)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。核糖核酸(RNA)则是由腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶等碱基和核糖组成。腺嘌呤和鸟嘌呤9位的N[一般用N(9)表示]，胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶的N(l)与核糖(或脱氧核糖)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。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及核酸潜在的配位位点NNNNNH2OOHOHOPOHOOPOHOOPOHOHO5672'1'3'4'5'8碱基配位部位磷酸根配位部位糖配位部位19324核苷酸腺(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及核酸潜在的配位位点NNNNNH2OOHOHOPOHOOPOHOOPOHOHO5672'1'3'4'5'8碱基配位部位磷酸根配位部位糖配位部位19324核苷酸核酸中，糖环上的C(5')羟基及相邻核苷酸C(3')羟基与同一磷酸分子形成磷酸酯，依次延续，形成一条长链。真正的DNA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。DNA是遗传基因携带者。当DNA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RNA。从生物机能上看，RNA有核糖体RNA、信使RNA和转移RNA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。从某种意义上讲，细胞就像一个微反应器，细胞膜——反应器壁——起着一种间隔作用。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特殊的化学物质，能够影响细胞膜的行为。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，从而决定了这些离子的分布和功能。如s区金属离子，由于胞膜的作用，Mg2＋和K＋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Ca2＋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。11.3生物元素11.3.1分类已发现约30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“定位”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，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，必需元素符合下述几个条件：①存在于生物的所有健康组织中；②在每个物种中有一个相对恒定的浓度范围；③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。目前已发现的必需元素大致有18种。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相当孱弱的元素。已发现的有益元素大致有8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元素，常见的有铅、镉、汞等，它们