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：R2

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。R2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。

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，它们的存在往往有害于生物体正常功能的发挥。还有约20～30种元素在生物体内也普遍存在，但存在浓度差别很大，生物学作用还不十分清楚，将这些元素称为沾污元素。

下表列出人体必需元素及有益元素在周期表中的分布。

人体必需的元素及有益元素

常量元素

微量元素

需要指出摔的是，必崖需元素与其有益元素帝、有害元擦素之间并辉不存在截貌然的界限渡，相信随射着人们认内识水平和冰仪器测试茧水平的提条高，生物巾元素的概征念和内容陈还将不断距修正和发唯展。事实灶上，许多贩元素在适满当浓度、箩适当范围阴内对生物依体是有益界的，但当孟越过某一国临界浓度彻时就有害腿了。它们景完全遵循纱从“量变毙”到“质移变”的事茎物发展规议律。将生物泻元素与良周期表辩联系起哈来分析腥是很有料趣的：构成生直物体的论11种贵宏量元小素(C挺、H、嗽O、N摧、S、粥Ca、羽P、K栗、Na弱、Cl挡、Mg谨)的原浆子量都希非常小柏，全部闯属于原勾子序数庆小于2今0的轻碑元素，旬而且都南是主族散元素。其中，爽C、H坦、O、通N、P过和S是饿组成生射物体内三蛋白质犬、脂肪、碳取水化合物仇和核糖核置酸的主要攀元素；N记a、K、督Cl是组成体液夺的重要成县分；Ca岸是骨骼的雷主要组成层部分。18种必需离微量和蜓痕量元则素非金属元全素有6种(F、I、Se、Si、As和B),金属元素12种(Fe、Zn、Cu、Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、Sn和Pb)。属于d区元素的拆有8种金属翼元素，脚其中7种集中于番第一过渡愤系，第二防过渡系只辉有钼为必禽须元素。龄有人认为往生物以钼高作为必须织元素，是捉因为生命兽起源于海搁洋，而在京海洋中钼捏的存在量钱较其他重脸金属多得厅多。微量吸和痕量元度素约占人株体总质量赚的0.0腔5％。生命必惯需微量倍元素与蹈这些宏跑量元素痰之间以袭钙为分勇界线，哪只有硼撞、氟与越硅例外丘，它们例虽属必赶需微量省元素，铁但原子北序数也孤在20爽之内。原子序群数大于祥34(球Se)型的仅有赖钼、锡渡、碘3索种必需另微量元搞素。原牲子序数左大于5照3(I膨)的3咏9种元职素，至纠今从未敢发现有末什么生喂理意义签。从钒戏到锌这旬8种过棚渡金属伐元素对考于高等尚动物来刃讲是必算需的元菊素，它暖们既是搜多种金盯属蛋白咸的组成喊成分，浑也是金府属酶的腊组成成紫分。原子序数关介于23桥～34之壳间的两个株元素镓和喉锗的生命饺必需性正陈在证实中贵，已有不固少资料表挂明锗的某顽些化合物跟对于延年是益寿、防樱病治病具野有十分神娘奇的功效蓄。同样，对葛于原子序辫数为35钥的溴的必温需性也在记研究中。镧系元素鞋在生物体厨中含量甚映微，对它旁们的生物尾功能了解厦得也很少婆，但大量法的实验事安实表明镧伏系离子和拼许多生物凝大分子或所小分子都酷有不同程房诚度的结合要力，对生咱物体内多彻种酶具有转激活和抑棋制作用，亮对机体许蹦多疾病有骄不同程度干的防治作贴用。13.3踏.2最适营届养浓度兵定律法国科膏学家在梦研究了键锰元素枕对植物例生长的绕影响后挎，提出塘了最适前营养浓允度定律绞。内容建是，植轰物缺少否某种必畜需元素疯时就不灵能成活饱，当该芳元素含扰量适当筹时，植价物就能片茁壮成妥长，但梁过量时扶又会影券响植物凡的生长北。最适越营养浓漏度定律扮也适用壤于人类篮。例如熔，硒是位一种重奇要的生夺命必需棉元素，胖每人每获天摄取10－4g较为适夫宜，若条长期日谷摄入低盆于5×10－5g可引起允癌症、涛心肌损谎害及贫固血等疾脏患，而盗过多摄鼻入又可党导致腹亮泻和神炸经官能铃症等毒趟性反应涉。ABCDE元素浓度健康程度G人体健康与元素浓度的关系曲线左图为人体健康与元素浓度的关系曲线，实线表示必需元素对人体健康状况的影响，虚线表示有害元素对人体的影响。图中的第一个峰反映人的一生中起重要作用的最佳营养状况；第二个峰表示在一个短暂的时期(如几天)内的情形(如药物作用)，它表示一些元素(包括必需元素和有害元素)过量时，在一定范围内对某些疾病有治疗作用。图中的D看作是一个分界线，D的左边是对健康人而言的，D的右边是对某些病人而言的。图中右边的E点是极限浓度，表示由于元素过量将引起死亡。如果某种必需元素明显减少或缺乏，人体就会出现某种病症(图中的AB段)；保证人体健康的最适浓度是图中的BC段；从C到D表示元素过量或“超过需要量”，这将引起人体健康状况恶化。从D到E表示元素能促进体内某种防护机能，如阻碍肿瘤细胞的繁殖，促进伤口愈合等。11.4无机元洋素的生见物学效剃应11.卫4.1金属元扩素的生室物学作借用特点金属元炭素在生接命过程船中发挥秩着重要缸作用，液但就作导用类型坊来讲，烦主要可转概括：为对体烧内生理瘦生化过冻程的触考发和控忘制作用咐；对蛋白质遵等生物大摸分子的结肚构调整、挂改变其反嘴应性的作手用；接纳电愉对作为Lewi动s酸对体乱内生化擦反应发冤挥催化滑作用；参与体古内电子申传递过辨程、促真进体内秋有氧代辽谢过程趣的完成痰等。11.4摇.2主族元素糟的生物学穴效应生命必需求元素各有息不同的生乓物学作用红，健康的紧机体要求证这些元素赠不仅要存鸣在于机体撑内，而且煤还必需在滑恰当的部幕位、以恰场当的量和商恰当的氧准化态同恰之当的结合等对象相结猜合。在26刘种生命紫必需元发素中，嗓有17棵种为主梨族元素碍，其中何的主族绳非金属冠元素是倦机体结槐构分子武如蛋白嗽质、碳城水化合宪物、脂垄肪及负痒责能量今贮存和独传递的滔ADP秘和AT偿P等的朽主要成炎分，其灭生物功矮能通过伪这些生该物分子兔而体现鞋。其余主筑族生命惩必需元轧素，主誉要为Na＋、K＋、Mg2＋、Ca2＋(和Cl－)等，它伶们常常捧以自由茎移动的孟离子形厘式存在什，维持阿着体液摧和细胞色中的电啄荷平衡荒，维持怎血液和廉其他体冬液系统马离子强丹度等作委用。1钠绘和钾Na＋和K＋都具有玻稳定的劝壳层结休构，它散们给生波物体系提供电脉解质环榜境维持体名液的酸嫩碱平衡参与某女些物质钻的吸收等方面都润具有重要奥的作用。它们与想配体之疑间的作贞用多是咸静电相守互作用剩，一般摸不具有唤强的配背合作用先，但有掀强的键匠合需求勉。它们是灵硬阳离算子，对恩含氧配瓦体具有每强的亲持合性，怠大环配询体或蛋党白质可樱与之配野合形成世稳定的层结合体沟。钾和钠象的生物振功能包辰括：(1)喜保持独神经肌啦肉的应状激性K＋和Na＋承担着传记递神经脉透冲的功能释。由于“钠镜泵”的作摸用，细胞开内K＋的浓度大伴于细胞外展K＋的浓度析，胞内摧Na＋的浓度军则小于钳细胞外呼的浓度软。在一般苏情况下爽，细胞确膜的“前钾通道取”开启男，K＋通过细胞无膜扩散到心胞外，致似使膜外带期正电，膜舟内带负电蹦，形成膜浸电位。而当神经名肌肉兴奋米时，“钠破通道”开魂启，对N肯a＋有更大通幸透性，N尤a＋通过细胞景膜扩散到房诚胞内，使组膜外带负约电。这样，挨兴奋部朴位的膜迁和未兴弦奋部位号的膜间背就产生欲了称作辱动作电虫位的电缎位差。燥这种动庄作电位推在神经坚传递信僵号以及捷肌肉对采刺激的批反应中岛起着支踪蝶配作用窝。

K＋、Na＋扩散与离子泵化作用而释放出磷酸化的磷酸蛋白质(PP)和K＋离子，同时ATP转化为磷酸腺甙(ADP)。PP易于同Na＋结合，并将Na＋带到膜外，在那里发生去磷化作用生成原来的磷酸蛋白并释放出Na＋。离子泵的能量来源于ATP→ADP的变化过程。在每次循环中，ATP可搬运三个Na＋出细胞和2个K＋(或H＋)进细胞。伴随3个Na＋的排出和2个K＋的进入，一个多余的正电荷运到了胞外。这样就在膜的内、外产生了一个电荷梯度，膜电位因而就形成了。“钠泵”又称离子泵，一般认为其作用机制主要涉及磷酸蛋白质和三磷酸腺甙与钾形成的化合物的交互作用。磷酸蛋白质与钾形成的化合物(KP)比与钠形成的化合物稳定。KP通过膜进入细胞内，经三磷酸腺甙(ATP)的磷酸(3)锯维持峡体液酸领碱平衡体液中陶任何一储种酸性并物质或舅碱性物梳质过多堡，都会法导致酸板碱平衡旗失调，丽体液酸俊碱性的包相对恒与定对保清证正常桌的物质瓶代谢和铸生理机俗能有十宜分重要祖的意义吗。由K＋或Na＋参与的各歌种缓冲体伯系是调节宿体液酸碱夕平衡的重萄要因素。(2)差保持黄一定的务渗透压渗透压的塑变化将直崖接影响肌秃体对水的赵吸收和体孝内水的转老移，保持羊一定的渗购透压是肌有体正常生肠命活动的拥需要。K＋和Na＋对维持和漆调节体液览渗透压有佩重要作用归。当细胞外K＋或Na＋离子浓度原升高时，谣水由胞内咸转移到胞亚外，引起减细胞皱缩套；相反，霸水由胞外较转移到胞寸内而引起您细胞肿胀电。体液中的Na＋可参与氨基酸和糖的吸收。虽然，Na＋的主要作用在于维持渗透压和膜电位，但细胞内Na＋的排出也与氨基酸和糖类进入细胞的传递过程相关联。

K＋的离子半径较Na＋大，但电荷密度较Na＋小，因而具有扩散通过疏水溶液的能力，如K＋离子扩散通过脂质蛋白细胞膜几乎与扩散通过水一样容易。同时，K＋离子作为某些酶的辅基，也具有稳定细胞内部结构的作用。如糖分解所必需的丙酮酸激酶就需要高浓度的K＋，而此酶却被Na＋所抑制。在核糖体内进行蛋白质合成是最关键的生命过程，为了获得大的活性，也需要高浓度的K＋。

(4)参与某些物质的吸收过程2钙和辣镁钙和镁系在整个天细胞新钻陈代谢歉过程中刮起着各行种重要拜的结构答稳定作善用和催偿化作用昨。像Na＋和K＋一样，详Ca2＋和Mg2＋也有助于饱维持膜电经位差，并丙负责传递按神经信息求。这两种皮金属离塔子在脂拣蛋白质姥中桥联渗邻近羧京酸根从俱而强化婆了细胞烫膜。事母实上，坊在没有饺Ca2＋的情况旧下细胞甘膜将成论为多孔安状。这两种离免子也在像积多磷酸盐廊这样的弱秋碱中心上遇作为催化罪剂使用。首先，什钙可作卧为信使券，在传夕递神经灶信息、悼触发肌脏肉收缩片和激素将的释放赞、调节扫心律等尤过程中耳都起重衫要作用劈燕。钙之所屠以能作侵为信使浆，是因鸽为它的倦浓度可渐敏捷地馒对外部存刺激作制出响应瓜。这种眨变化由绿肌钙蛋丸白C所好控制，尝肌钙蛋袜白C引触发Ca2＋键合于其弊上，导致喝Ca2＋的浓度变巾化。第二，掀Ca2＋是形成多趣种酶所必绘不可少的积一部分。如在胰蛋戏白酶中，阔3个Ca2＋存在于三签个结构区浆域，其中乎一个Ca2＋处于蛋白婚质表面因亦而具有催晴化作用。钙也作端为细胞韵外酶的砌辅因子萝参与了盖体内许惯多重要染的生理庄过程，番如血液容凝结、寇乳汁分夹泌等。Ca2＋具有的多罗样性生物巾功能：第三，钙是在体内最料主要的作对用是作为罩骨头、牙漠齿及外壳钻中羟基磷称灰石的组犁成部分。羟基磷灰谨石的近似管组成可表拥示为[C各a3(PO4)2]3·Ca(肥OH)2，在生理链pH值条歉件下是难找溶性的。体内对钙晶的沉积有历一个非常喉好的控制脸办法，就伸是将沉淀笨作为骨质衣或壳体材咽料通过血尘流转移到今适当区域京沉积下来圈。第四，参进与体内凝罩血过程。当机体树组织或义血管壁治受到损报伤时，俊血液流曲出管外来，血液现凝固成露块，起玩到止血纺作用。博因此从挨某种意萌义上来循看，血缓液凝固仗是机体罪自身的两一种保似护性生示理过程疫。在这坛些过程俩中都有Ca2＋离子的介参加。因此，如稿果能够设煎法除去血据液中的Ca2＋离子就埋能永远曲防止凝贞血。如俘柠檬酸提钠可与分血浆中饮的Ca2＋形成不易局电离的可坟溶性配合杯物柠檬酸骑钠钙，因双而降低了到血浆中游捡离态Ca2＋离子的馋浓度，与故在临问床上输均血时常道用柠檬老酸作为鹊抗凝剂贺。镁是一倡种细胞驶内部结相构的稳冈定剂和凶细胞内候酶的辅军因子。细胞核酸辣以镁配合渔物的形式斑存在。由于镁倾脱向于与磷套酸根结合梁，所以镁肠对DNA复制和蛋植白质生物商合成是必漏不可少的(近年发现农白血病患颗者体内Mg含量较低)。

镁在绿色植物的光合作用中也有着非常重要的作用。叶绿素分子中Mg2＋离子扮演着结构中心和活性中心的作用。叶绿素能吸收可见光中的红光(680nm)，为光合作用提供能量。

RR’叶绿素a：CH3C20H39叶绿素b：CHOC20H39C20H39:叶绿基Mg2＋－叶绿素分子3硒硒是一种毒性较大的元素。但硒以低浓度存在时，有助于防止肝坏死，并能促进人和动物的生长。由此才将其列为一种必需微量元素。近三、四十年来，人们逐渐认识到了微量硒对生命过程的重大作用。例如，血液中红细胞所含血红蛋白是一种铁蛋白，这种铁蛋白只有在所含铁处于＋2价时才具有载氧活性，但这种铁蛋白与过氧化氢相遇后，很易氧化为高铁血红蛋白，铁血红蛋白，从而失去载氧活性。在谷胱甘肽过氧化物酶存在时可有效防止过氧化氢对亚铁血红蛋白的破坏，而硒是谷胱甘肽过氧化物酶的活性中心。近来的研究还表明，硒代半胱氨酸是多种酶辅基的必需成分。

硒代半胱氨酸4碘健康成羽人体内述含有约15～20m肉g的碘，主向要以甲状喘腺激素即铸甲状腺素易和三碘甲斤状腺原氨敬酸的形式真存在于甲毅状腺中。碘的代速谢与甲渣状腺机摸能有密住切关系道。缺碘症甜状主要蹲是甲状相腺肿大遣、发育鱼迟缓、撕生殖系侮统异常负等。11.泡4.3副族元版素的生监物学效裁应(1)测参与生物灰体内的氧澡化还原过悔程具有可作变氧化阅态的过戴渡金属承，如F龄e(I林I、I先II)疗、Cu漫(I、仁II)钢、Co鸡(I、涂II、母III懒)、M坑n(I兵I、I私II)佳、Mo膀(IV贯、V、爬VI)饱等，常存在于与漠氧化还原倍过程有关若的金属酶历和金属蛋罩白的活性岗部位，参骂与生物体鱼内的氧化蓬还原过程鸟。作为生剧命必需酬元素的老过渡金葛属离子粱在体内荣的浓度畅都很小窜，它们土的许多尚确切作畏用还未术被人们链所知晓游。不过范从化学列的角度杰来讲，蛙它们的堂生物功补能可概敬括为三重类:(2)锄作为Le岛wis酸过渡金遍属离子尊，由于颂体积小撕和电荷散高，因领而都是裕较强的尺Lew纠is酸开，易接弟受底物鸡的电子占发生配狱位作用饮而使底奥物活化遇。不同的耍金属离蔬子有不锈同的路黄易斯酸财强度，腿其强度堡随着金为属离子歌电荷的画增加和呜离子半菠径的递遍减而增铸大。对于过渡北金属来说恒，配位场绕强度等其往他因素的够影响也是挪重要的，轨因此＋2挺价离子的名配合物的你稳定性也土呈现出I拦rvin覆g-Wi劲llia毙ms序列强。(3)县稳定核酸佩构型近年来吴发现，竭核酸的俱合成涉民及到许文多金属省离子。扑除主族权金属M误g、C睁a、S蓬r、B敢a、A靠l外，赠还包括举过渡金抬属Cr碌、Mn剂、Fe跪、Ni制和Zn蛾。目前认为砍，这些金艺属都与核嘱酸构型的进稳定性有豪关。已证节明Zn可绣在DNA调的两股间欠桥联，在肌Zn(I霜I)存在伤时，即使键DNA熔烛化，两股吩也不分开沾。但Cu脚(II)班的存在则沾能引起D贺NA的两当股分离。现就一些宁比较重要也的过渡金汗属元素的火生物学效伴应分述如表下，内容疗主要涉及巡寿高等动物矿。1铁动物体内专的铁大部榨分以与蛋丛白质相结贵合的形式炭——血红河蛋白、肌想红蛋白、遵铁蛋白以殊及转铁蛋区白等存在旬，以自由株金属离子筹形式存在谋的量极少凡。另外尚这有不足1静%的铁冷以细胞色搏素为主的渠其他血红颤素蛋白和肉黄素酶的丑形式存在惠。血液中的忍铁主要以坛血红蛋白扭的形式存复在于红细字胞中，而逢在血浆中凶铁则以转洗铁蛋白形吃式存在。促转铁蛋白改作为铁的猴传递体循女环于血液叶中，在铁魄的代谢中寺起重要作曲用。生物体摩内的天羡然氧载铲体具有效可逆载偷氧能力宪，能把芽从外界总吸入体嚼内的氧秃气运送件到各种博组织，禽供细胞注内进行令维持生圾命所必负需的各犯种氧化慰作用。铁的存在在是血红蛋数白具有载帜氧功能的节主要原因岸。

血红蛋白的中心是Fe2＋，六个配位原子依八面体排布，其中卟啉环中的四个氮原子沿赤道方向配位，而另一个分子的血红蛋白质肽链中的一个组氨酸氮原子和一个配位水分子中的氧原子则从轴向位置配位。血红蛋白的结构该配位H2O容易与O2发生可逆的交换反应。血液中的血红蛋白在肺部摄取O2，而将H2O替代下来，当血液流动时，结合了O2的血红蛋白被输送到身体的各个部位，在需氧的地方释放出O2，又将H2O交换上去，从而起到输送氧气的作用。其他配位基团(如CN－、CO)也可交换到H2O的位置，因为他们的配位能力较O2强，不易为O2替代，故他们是剧毒的。

2锌人体内大保约共有1损8种含锌最金属酶和耐14种锌晶激活酶。忘锌酶涉及型到生命过砖程各个方薪面。例如碳酸酐酶是一种分子量高达30000的锌酶，它具有一系列的生物功能，包括光合成、钙化、维持血液pH值、离子输送和CO2交换等。该酶是目前所知道的催化效率最高的酶之一。碳酸酐酶活性部位示意图碳酸酐酶具有一系列的生物功能，包括光合成、钙化、维持血液pH值、离子输送和CO2交换等。例如，由该酶催化人体产生的CO2水合变为HCO3－，HCO3－离子随血液循环到达肺泡，又由碳酸酐酶催化它转化为CO2并排出体外。在310K时，由碳酸酐酶催化的CO2的水合速率可达106mol－1·s－1(而通常情况下为7×l0－4mol－1·s－1)，因而该酶被认为是目前所知道的催化效率最高的酶之一。其催化机制有人认为是：另有一些含锌酶则有助于控制从HCO3－形成CO2的速率以及消化蛋白质。体内促进斧磷脂水解犁的磷酸酯俯酶的主要序活性成分岂也是锌。锌也是合鱼成DNA秋、RNA夸和蛋白质丙所必需的杨，缺乏锌衫的大白鼠格DNA、虚RNA和谋蛋白质的串合成量降举低。此外趣，DNA盆合成时的洗基因活化公过程也需怜要锌。实情验还证明冲，锌在加亏速伤口愈沃合、视网真膜定位、淋视觉反应历中起着重肿要作用。羧肽酶是梁体内重要告的肽水解稻酶，是一睡种典型的逝锌酶。它泻对体内蛋觉白质的水散解具有重肿要作用。手缺乏锌时钥该酶活性嘱降低，但之补充锌后会活性又可讨恢复。体硬内许多脱邪氢酶，如售乳酸脱氢沫酶、苹果狂酸脱氢酶矩等都是锌洁酶。3铜体内大约鸦有12种删含铜酶。蛮这些含铜冒酶具有从牙铁的利用拼到皮肤的调着色等多笨种生物学罗效应。红血球中序的铜60谢%以上躁以血球铜徐蛋白的形教式存在，习血球铜蛋猜白也被称启为为超氧阳化物歧化县酶(SO落D)。该月酶分子中冷含有两个晶铜离子和订两个锌离川子，铜离宿子是催化困中心，锌僻离子只起贝次要的结吨构作用。休SOD有辟防御氧阴先离子自由熔基的毒性绩、抗辐射姻损伤、预高防衰老以逆及防止肿允瘤和炎症柴等重要作允用。血浆中顷的铜，降大多以鹅血浆铜良蓝蛋白贸的形式涨存在，绑血浆铜贷蓝蛋白休是分子扬量约为桌16万哨的α2-球蛋白池。它是一朽种与铁代姐谢过程有鸡关的氧化潜酶。在软体动班物和甲壳绵类动物的罪血液中，惭存在含铜悟的呼吸色兆素蛋白—遇—血蓝蛋纵白。血蓝侧蛋白和脊阔椎动物的勉血红蛋白赖一样与分额子氧相结帮合，发挥胖氧载体的柜作用。铜缺乏勤时，新件生儿会级表现出眠运动失淡调症状蕉，毛发啄色素也粒会缺乏棕，羊毛域的角化肺和骨的软形成也帜会受到剖影响。4钼钼在动奥物生长惨中的必腾需性是积在19斥53年艇被证明历的。实筋验发现草黄素酶银(黄嘌健呤氧化帅酶)是嚷含钼的打金属酶侨，其活洲性受钼廉支配。屠此外，斩生物体树内的醛站氧化酶蹈、硝酸亏盐还原杰酶、亚恢硫酸氧曲化酶、让固氮酶煮等都是灯含钼的肺金属酶款。固氮酶是由铁蛋白和钼铁蛋白构成的。在这些蛋白中,Fe、S、Mo都是功能元素。通过模型化合物的研究发现：Fe、Mo蛋白的结构是由组成为MFe3S3的两个开口“网斗”口对口地被三个S原子相桥联。图中上半部口朝下的那个MFe3S3的M为Fe原子，而下半部口朝上的固氮酶那个MFe3S3的M则为Mo原子。结构中存在一个由6个配位不饱和的Fe原子组成的三棱柱体，Rees等认为N2分子是在三棱柱体空腔中与Fe原子形成六联N2桥物种而活化并被还原的。图中的Y在最先的报道中是个未知配位体,现在则认为也是S原子。5钴钴是一种双人体必需灭微量元素锹。钴的生它物学效应卡主要是它盘在B12系列辅磨酶中的旬作用。伪维生素发B12是重要的北含钴生物勿配位化合扣物，又称帽为氰钴氨请酸，Co3＋处于咕啉客环的中心轨位置。维否生素B12在生物体望内的功能色实际上是胖通过辅酶裙B12参与碳革的代谢熔作用，稍促进核题酸和蛋威白质合孔成、叶请酸储存雾、硫醇模活化、电骨磷酯挂形成，纽奉促进红崇细胞发歼育与成明熟。因间此，维砌生素B12能有效侨地治疗德恶性贫体血。动物和禾人体所采需维生采素B12，一部分住从食物中荐摄取，一丛部分由肠匀道中的细蜻菌合成。B12的结构夕见左图薯所示。歪中心离肝子Co3＋处在一产个咕啉雕环的中变心位置乒。八面辅体形排惕布的六护个配位寸原子中澡有四个蹲为环上难的氮原埋子，一浩个是侧恳链上的理氮原子因，最后走一个为训活性基叛团R，在正常挠情况下，R为CN、OH或有机蕉基团。维生素B12的结构咕啉环卟啉环咕啉环和卟啉环的结构咕啉环与血红蛋白中的卟啉环有一些类似(见上图)。不过，咕啉环不饱和度低，往往不在一个平面上；同时咕啉环不是一个大共轭体系。因此，咕啉环刚性小，容易发生构像的变化。由此可见，咕啉类化合物与卟啉类化合物作为两类生物配体，其性质是不同的。

钴离子烂也是某晴些酶必真需的辅医因子，贩但只发示现其中到的甘氨零酰甘氨镇酸二肽搏酶存在稠于动物晕体内。6钒、似铬、锰、银镍已经证明胃这几种元折素是生命打必须微量草元素，但陡它们在人粪体内的浓屡度很小，院其作用机轮理尚不十策分明确。仍况且，一种旦它们在朵体内的浓级度超过一杂定界限，野又将成为瓶致畸和致贱癌物质。15.4骄.4稀服土元素的巩生物学效蛋应稀土离子晕与不同的贝生物分子畜都有一定县的亲合力尖，对许多愧体内酶具味有抑制或绸激活作用意．以稀土逃离子为中休心的许多骨配合物具潜有各式各厚样的药用衡活性，其呈药用价值喉包括以下螺几个方面橡：1抗芒凝血作常用；2抗匆炎、杀池菌和抑驼菌作用蛮；3降血宋糖，抗癌倦，抗动脉猫粥样硬化难等。此外，茫稀土元晋素还可络以促进控植物的繁生长发传育，可挖做微肥养使用。但是，人播们对稀土衣元素在生影物体内的肆作用机理鄙、积累、滥代谢和远垒期毒性等削了解得不绵够清楚，槽如果贸然颂大量使用泄，则可能构产生急、际慢性中毒牵等严重后灿果。况且年，稀土的朴生物学作影用是复杂兼的，尚有笛许多问题赠需要探索上、解决。奇因而需要库从细胞、欲分子水平务上加强对志稀土与人素体相互关雷系的研究颠。11.咽4.5重金属始的毒性金属的扔毒性与喘其所处路化学形外态关系皆十分密赔切，例震如，无午机金属据盐与有颗机态的同金属化凡合物毒虏性差别脑很大。吧一般来波讲，有阿机金属愧化合物宗较之无鲜机盐更进易被机莫体吸收节，并且米在体内生分布时巩也比较顿容易通填过细胞语膜，通锐过血脑咐屏障进能入脑部垫等，从码这个方那面看有掠机形态暮应比无受机形态从毒性大袄。但实炎际上情商况要复晨杂得多妄，无机冶盐虽然胃透过膜陵比较困逝难，但材与核酸增、蛋白辜的结合朝能力比绢较强，浅因而细景胞毒性钥往往也毫比较强菠。所以凡应两者奋兼顾才扶能讨论饥或理解香毒性的蛾相对大耕小。1重金舟属的毒性夏涉及的范军围很广毒性大的画金属集中念在元素周妇期表的右泪下方，如订铅、汞、闭铊、镉等纽奉。慢性铅中授毒会引起享儿童生长辛、发育迟凯钝，行为吩障碍，多席动，智力待低下。铅逐年蓄满积，加速嘱了脑的衰填老和智力桶减退，老榜年期痴呆胞患者与慢民性铅蓄积洞有关已得活到证实。由于铅的盗污染无处峰不在，玩稠具、化妆秃品、餐具芬、颜料等骨都是铅的辣污染源，增因而应十受分重视对姜铅污染的普防治。汞也是晨一种很转危险的倾有毒重纠金属元斥素。在切自然界财，汞的键污染源凶相当多党。日本战夕后暴发杰的水俣延病就是演由于慢爽性汞中活毒引起秀的。水生俣病的像原因是芒以无机冻汞为催次化剂的梨乙醛制唉造厂排苹含甲基哭汞(C利H3)2Hg的开废水，哥流入水跑俣海域粗并在那挤里的鱼佳类中蓄陵积，以体这种鱼影为食的巧当地居仗民就发狡生了水雄俣病。2致癌姑性和致畸姥性有些重金赏属具有致遥癌性和致艇畸性，这崭些金属主性要