人体内化学元素的浓度平衡

1、 电子教材食品标准与法规电子教材人体内化学元素的浓度平衡许多资料证明，危害人类健康的疾病大都与体内某些元素的失调有关。因此，了解生命元素的功能，正确理解饮食、营养与健康的关系，树立平衡营养观念，通过食物链方法补充和调节体内元素的平衡，有利于预防疾病、增强体质、保持身体健康。一、人体的酸碱平衡人体内，酸性与碱性物质总是保持一定的数量和比例，体液中的pH总是稳定在一定范围之内，这就是人体的酸碱平衡。在人体的生命活动中，很多是属于酸碱平衡反应，如H3O+浓度的微小变化就能对正常细胞的功能产生很大的影响。1.正常人体的酸碱度机体内的组织细胞必须处于合适的氢离子浓度下，才能进行正常的生理活动。细胞外液正

2、常的pH是7.4，变化幅度为7.357.45，维持生命的极限是7.07.8。例如，心脏细胞要在pH为7.357.45时才能正常收缩和舒张。若低于7.35，心肌收缩力将减弱，若高于7.45，心脏收缩力则过强。这就是说，人体细胞结构和他的功能受酸度影响。尤其重要的是，体内上千种酶必须在某一特定的pH范围内，才能充分发挥它们的活性作用。机体内各种体液的pH如表2-5所示。表2-5各种体液的pH体液pH体液pH唾液6.46.9血液7.357.45胃液1.23.0脑脊液7.4肠液7.7尿4.88.0胰液7.88.0乳6.8胆液7.8眼球内水样7.2从表2-5中可以看出，正常人血液的pH值总是维持在7.3

3、57.45，稍微偏碱性。健康人胃液的pH在1.5左右，在这种酸性较强的环境中，胃蛋白酶才能将食物中的蛋白质消化，同时将很多病菌杀灭。2.酸碱物质的来源人体中的酸性物质主要是碳酸，它是由糖类、脂肪、蛋白质氧化分解的产物CO2衍生而来的。另外，在代谢过程中也产生一些有机酸，如乙酰乙酸、乳酸、尿酸等。从饮食中也会摄入酸性物质，如肉、醋、酱油、辣椒等物质。在代谢过程中也有碱性物质产生，如氨基酸脱氨基所产生的氨气（NH3）。碱性食物主要有蔬菜、水果等，它们往往含有较多的有机酸及盐，如柠檬酸及其钾盐和钠盐，这些有机酸在体内氧化，游离的Na+、K+进入体液，导致HCO3浓度增加。3.人体的酸碱缓冲体系尽管经

4、常有酸性、碱性物质进入体液，但体液的pH并没有显著变化。这是因为所有体液都是缓冲系统，这些缓冲系统中的化学物质能与各种酸、碱结合，防止体内的H+过多或过少。生物体内的3种主要缓冲体系是蛋白质缓冲剂、碳酸氢盐缓冲剂和磷酸盐缓冲剂（表2-6），每种缓冲体系所占的比例在各类细胞和器官中是不同的。表2-6人体的主要缓冲体系系统解离反应pKa蛋白质7.4碳酸氢盐6.1磷酸盐7.2碳酸氢盐缓冲剂存在于所有体液中，是碳酸和碳酸氢根离子的混合物。当摄入强酸时，其立即与碳酸氢根离子化合生成碳酸，这一缓冲体系是强酸变成了弱酸，体液不会变成强酸性。当加入强碱时，缓冲体系中的碳酸就会与之生成水和碳酸氢盐，体液不会变成

5、强碱性。人体血浆的pH由以上几个缓冲体系维持在7.40左右。其中最重要的是碳酸氢盐缓冲体系。血液参与循环系统，供给生命过程所需的新鲜O2和能量，排出废物（CO2等）。一般成年人体内的血液大约有5L，其中，血浆和血红细胞是最基本的组成。血浆中含有很多化合物，包括蛋白质、金属离子和无机磷酸盐。红细胞中含有血红蛋白分子以及碳脱水酶，这种酶能催化碳酸的形成和分解。由Henderson-Hasselbach方程可知：pH=pKa+lgHCO3/H2CO3血浆的pH取决于碳酸氢盐与碳酸的比例。通过调节这个比例使体液的酸碱度得到缓冲，保持在pH7.35±0.05范围内。例如，在正常代谢反应中产生的

6、大量酸与碳酸氢盐形成难解离的碳酸，有效地除掉了游离氢离子。碳酸中的CO2又能通过肺部排除，从而稳定了血浆pH。在肾脏、唾液中也存在H2CO3HCO3缓冲系统。在细胞内和尿中还有重要的H2PO4HCO3缓冲系统；尿中也存在NH3NH4+缓冲系统。肾脏通过调节尿中酸或碱的排泄，也在保持体液的酸碱平衡中起重要作用，尿液pH的正常变化范围是4.88.0。细胞外液的pH通常为7.4，许多动物胞浆的平均pH约为6.8，而大多数细胞膜表面的pH要低于6.8，这是由于带负电荷的细胞表面吸收H+的缘故。3O+浓度稍高（pH偏低）将抑制中枢神经系统，稍低的H3O+浓度（pH偏高）将导致其兴奋。血液的pH之所以能保

7、持相对稳定，是由于体内有良好的调节系统，其中一个重要因素就是血液中存在着多种缓冲对。例如，血浆中的NaHCO3H2CO3、Na-蛋白质/H-蛋白质、Na2HPO4NaH2PO4，其中HCO3H2CO3缓冲对在血液中浓度最高，缓冲能力最强，对维持血液正常pH的作用最重要。在血液或细胞中，H2CO3主要以CO2形式存在，与HCO3存在以下平衡：在正常血浆中 HCO3: CO2=20: 1 pH=6.1+lg1/20=7.4人体各组织、细胞代谢产生的CO2，主要通过血红蛋白和氧合血红蛋白的运输作用，被迅速运到肺部排出，故几乎不影响血浆的pH，当产生比CO2酸性更强的酸（如磷酸、硫酸、乙酸等）时，血液

8、中的HCO3H2CO3缓冲对便发挥缓冲作用，其中HCO3可产生CO2和H2O。增加的CO2大部分从肺部排出或通过血浆中蛋白质缓冲对与之作用，使CO2降低；减少的HCO3可通过肾脏调节而得到补充，从而使HCO3、CO2和HCO3/CO2都恢复正常。当人体新陈代谢过程中产生的碱或外来的碱进入血液时，血液中的H3O+便立即与之结合生成水。消耗的H3O+由H2CO3的解离来补充，使血液的pH保持稳定。例如，在剧烈运动后，往往会感到全身乏力，这是因为无氧代谢产生了乳酸。但是，适当休息后此症状会消失，这是因为乳酸发生了如下反应：乳酸反应产生的CO2由肺部排出。4.酸碱平衡的调节和控制首先，血液中有缓冲系统

9、，是控制酸碱平衡的第一道防线。其次，可通过呼吸中枢来调整血液中碳酸的浓度，维持血液pH恒定。除碳酸外，一些其他酸也会在细胞代谢过程中生成，如磷酸、硫酸、尿酸和酮酸。这些酸进入细胞外液会引起酸中毒。在正常情况下可以通过肾脏排出过多的酸或碱，调节血浆中NaHCO3的含量，保持血液正常的pH。当血浆NaHCO3浓度降低时，肾脏便加强排出酸性物质和重新吸收NaHCO3，以恢复血浆NaHCO3的正常含量。如果发生较长时间的酸中毒时，骨骼组织也参与酸碱平衡的调节作用。因为酸中毒时，骨骼钙盐分解增多，有利于对H+的缓冲：在此反应中，每1molCa3(PO4)2可以缓冲4molH+。磷酸盐从尿中排出的数量和形

10、式有助于机体酸碱平衡的调节，血液中以磷酸盐形式存在的磷在血浆中组成Na2HPO4NaH2PO4缓冲对，在红细胞内组成K2HPO4KH2PO4缓冲对，可以调节体内酸碱平衡，防止体液酸度波动。二、人体中化学元素的浓度平衡与生物效应如前所述，人体中的化学元素可分为必须元素和非必须元素，这两类元素在人体中的浓度与生物效应是不同的。在实际研究中，确定某元素是否为必须元素，既与该元素在体内的浓度有关，也与他的存在状态和生物活性密切相关。人体中的不同元素具有不同的生物效应，而效应的强弱依赖于特定器官或体液中该元素的浓度及其存在的心形态。对于每种必须元素，都有相应的最佳健康浓度有的具有范围较大的体内恒定值，有

11、的在最佳浓度和中毒浓度之间只有一个狭窄的安全浓度。元素浓度和生物功能的相关性可用图2-1、图2-2表示。图2-1 必需元素生物效应图图2-2 有害元素生物效应图在人体中，任何一种必需元素缺乏或过量，对生物都有影响。必需元素严重不足会导致生长缓慢或生殖衰退甚至死亡。元素的浓度太高又会产生毒性，造成不正常的生长、患病甚至死亡。必需元素的缺乏可以通过补充该元素的弥补，而元素过量的危害往往更大，因为清除这些“多余”元素的过程较为缓慢。从这个意义上说，所有的元素，包括必需元素，在高浓度时都有不同程度的毒性。所有生物都处于非平衡的稳态（内稳态）中，而这种内稳态的调节机制只能在一定限度内有效，当摄入金属离子

12、过多时，就会对生物体产生毒害作用。近年来，人们对人体健康与化学元素关系的认识已经有了很大的进步，我国市场上已有许多种强化食品、保健食品。但是，人们在补充人体所需的化学元素特别是微量元素时，有时可能适得其反。元素过量所造成的危害要大于元素缺乏所造成的危害。一些化学元素缺乏与过量对人体的影响列在表2-7中。表2-7 元素缺乏与过量对人体的影响元素元素缺乏的影响元素过量的影响Ca畸形骨骼、手足抽搐、诱发高血压、佝偻病、软骨病、骨质疏松动脉粥样硬化、白内障、胆结石、缺血性心脏病、呕吐、肾结石、尿毒症Mg生长停滞、发育障碍、骨质疏松、牙齿生长不良、骨痛、抑郁、心动过速、肌肉痉挛引起神经系统作用抑制、降低

13、动脉压力、麻木K精神疲惫、心脏麻痹、肌肉松弛、无力肾上腺皮质机能减退，表现为手足麻木、知觉异常、四肢酸痛、恶心呕吐、心律不齐、心力衰竭Li狂躁症抑郁症、可抑制心肌活动、降低血压、严重者导致心脏停搏。锂中毒表现为肌无力、发射亢进、震颤，视力模糊，昏睡不醒Na肾上腺皮质机能减退高血压Si骨骼不良、软骨生长肾结石、肺病Al无干扰磷代谢，降低血磷，产生各种骨骼病变，骨脱钙、软化、萎缩；干扰组织代谢；干扰神经中枢系统、造成老年性痴呆、神经障碍及脑的其他病变Fe贫血血红蛋白沉积症，肝、肾受损Cr糖尿病、动脉硬化肺癌Cu贫血、Menkes病Wilson 病Zn伊朗村病金属烟雾症Ni血红蛋白和红细胞减少肺癌，

14、中枢神经障碍Co恶性贫血红细胞增多症，诱发甲状腺肿大，心肌病Mn骨骼畸形生殖功能障碍，中枢神经损伤Se白肌病、白内障硒中毒，脱发，指甲畸形，神经中毒必需元素和非必需元素的理想生长响应曲线类型是不同的。在营养物质中必需元素最适宜的浓度范围也是不同的，有窄的如铜和硒，铜的正常范围时25mg·kg-1，有害范围是250500mg·kg-1；硒在0.1mg·kg-1时是有益的，含量达10mg·kg-1时则是致癌的；一般成年人对铬的摄取量为0.050.20mg·d-1；成年人应摄入的铁量男性为10mg·d-1，女性为10mg·d-1，

15、如果摄入量长期少于1mg·d-1，就会出现脸色苍白等缺铁性贫血症状，但摄入量长期多于200mg·d-1，则会出现中毒症状。非洲班图人常过度摄取铁质，故有众多的消化道出血患者贺肝肠中毒患者。对于不同的元素，其适量范围是不同的，如镉、铅、汞的安全浓度和中毒浓度的界限是很窄的；也有较宽的，如碘的摄入量低于0.1mg·d-1会导致甲状腺肿大，而高于10000mg·d-1同样会导致甲状腺肿大。又如钙和钾，其适量范围是较宽的，也就是说对于必需元素而言，其在人体内的浓度时有一定的适宜范围的，元素的缺乏使人处于一种不正常的状态；同样，如果过量，则不管该元素在适量的浓度范

16、围内对生命是多重要，也会对人体产生毒害，使人处于病态，严重时甚至有致命的危险。值得注意的是，不同元素的不同适宜范围除了与元素有关外，还和人体的个体差异如性别、年龄、身体状况有关。对于幼婴儿来说，适宜的浓度范围很狭窄，如未断乳的婴儿对元素镉、汞、铅、钚、镭较敏感，因此在儿童食品中各种添加剂的用量是被严格控制的；有时同样一种物质，对成年人而言是可以承受的，对于婴幼儿则可能就是致病的，因此曲线在一定范围内是平的（图2-2），也就是说，有毒有害物质被摄入后，并不一定马上对人造成伤害，而是在人体内蓄积，在达到一定的浓度以后可能会突然暴发。生物体具有强大的自我平衡机制，当外部环境发生相当大的变化时，这种机

17、制能使机体内部并不随之发生显著变化。例如，虽然人们每天的食物结构变化很大，每天体内某一必需微量元素缺乏时，这种机制能提高人体对该元素的吸收率，并首先保证最紧要的器官和组织拥有合适的该元素浓度；当体内某一必需微量元素过剩时，这种机制也能在一定程度上降低人体对该元素的吸收率，并能将已过量摄入的元素排泄到体外。当然，这种平衡、调控是有一定限度的。我们要充分利用这个特点，避免某元素过量（超过适宜浓度范围）蓄积而造成不必要的伤害，最好的办法是通过食补而不是药补，食补不宜过量，而药补往往会造成元素在体内蓄积，因此食补胜于药补。在人体必需微量元素的研究中，有许多营养强化保健品应运而生，甚至出现了全营养素。从

18、健康的观点出发，人体不可能缺乏所有的微量元素，对我们身体中不缺少的元素盲目的补充会造成这些元素在体内蓄积，可能产生上述过量的危害。比较安全的是食补，从各种含量丰富的食物中获取所需元素。如果需要通过特殊制剂来补充微量元素一定要缺什么补什么。从化学的观点而言，全营养素的概念也是不科学的。多样化的膳食既是获得各种适量基本营养素的最好方法，同时也是避免物质达到有害剂量的有效方法。三、人体中的沉淀溶解平衡人体中的骨骼由水、有机质、无机盐等组成，其中，水约占2535。在剩余的固体物质中，约40是有机质，60以上是无机盐。无机盐决定骨的硬度，有机质决定骨的弹性和韧性。骨盐以钙和磷的化合物为主要成分，骨盐中包

19、括磷酸钙、碳酸钙、柠檬酸钙等。在正常情况下，血中的钙、磷与骨中的钙、磷维持动态平衡。也就是说，钙盐在骨中的沉淀和骨中钙盐溶解的正常进行是维持血中钙、磷含量恒定的重要环节。例如，牙齿的釉质是人体中最硬的组织，主要成分是羟基磷灰石Ca10(OH)2(PO4)6，它存在着这样一个平衡：当遇到酸性物质时，酸中H+向釉质内扩散，使羟基磷灰石溶解，钙离子及磷酸根游离出来，该过程又称为“脱矿”。若外部环境中钙离子、磷酸根等的浓度比釉质间隙内更高时，可以向内扩散，使相应矿物盐再沉积，该过程又称为“再矿化”。再矿化过程是人体自身防龋齿的过程。儿童时期，釉质层（再矿化作用）生长比脱矿作用快，而成年时期，脱矿与再矿

20、化作用的速率大致相等。进餐之后，口腔中的酶分解食物产生有机酸，如乙酸（CH3COOH）、乳酸CH3CH(OH)COOH等，特别是糖果、冰淇淋和含糖饮料这类高糖饮食产生的酸较多，促进了牙齿的脱矿作用，当牙齿的釉质层被破坏时，龋齿就开始了。因此防止龋齿的最好方法就是坚持饭后刷牙。大多数牙膏含有氟化物，如NaF或SnF2，这些氟化物能帮助防止龋齿。因为在再矿化过程中F取代了OH形成氟磷灰石Ca3(PO4)3F，牙齿的釉质层发生了变化，氟磷灰石是更难溶的化合物，不易与酸反应，从而使牙齿有较强的抗酸能力，以利于防止龋齿。值得注意的是，如果氟的摄入过多，又会形成氟斑牙。骨骼的矿化沉淀溶解平衡可利用维生素D、甲状腺素、降钙素等进行调节。例如，维生素D能控制人体中钙和磷的新陈代谢。人体里的磷酸盐酶是一种特殊的催化剂，能把有机的钙、磷化合物转变为无机的钙和磷，而维生素D有控制磷酸盐酶的能力。它源源不断地为人体提供钙、磷化合物，使骨骼正常生长。鱼肝油中含有维生素D，适量服用，并且经常到户外活动、晒太阳，有益于骨骼发育。但是鱼肝油不能长期超量服用，因为维生素D过多，从体内排泄的钙和磷就少了，于是它们会在人体各部位沉淀下来，从而引起血管硬化、肾结石等疾病。四、水平衡水是机体的主要成分，约占体重的2/3。它是生命最重要的组成物质，体内严重缺水或水