生物体中的化学元素的分类和主要功能

生物元素是指在活动有机体中，维持其正常的生物功能所不可缺少的那些化学元素。存在于生物体（植物和动物）内的元素大致可分四类：

1. 必需元素，按其在体内的含量不同，又分为常量元素和微量元素；

2. 有益元素或辅助营养元素；

3. 污染元素；

4. 有毒（有害）元素。

人体内大约含 30 多种元素，其中有 11 种为常量元素，如 C，H，O，N， S，P，Cl，Ca，Mg，Na，K 等，约占 99.95%，其余的 0.05%为微量元素或超微量元素。

必需元素是指下列几类元素：

1. 生命过程的某一环节（一个或一组反应）需要该元素的参与，即该元素存在于所有健康的组织中；

2. 生物体具有主动摄入并调节其体内分布和水平的元素；

3. 存在于体内的生物活性化合物的有关元素；

4. 缺乏该元素时会引起生化生理变化，当补充后即能恢复。

哪些是构成人体的必需元素？19 世纪初，化学家开始分析有机化合物， 清楚地认识到活组织主要由 C，H，O 和 N 四种元素组成。仅这四种元素就约占人体体重的 96%。此外，体内还有少量 P。将人体内这五种元素的化合物挥发后就会留下一些白灰，大部分是骨骼的残留物，这灰乃是无机盐的集合， 在灰里可找到普通的食盐（NaCl）。食盐并不仅仅是增进食物味道的调味品， 而是人体组织中的一种基本成分。食草动物有时甚至达到要舔吃盐渍地，以便弥补食物中所缺乏的盐。

有益元素的一般概念是，没有这些元素生命尚可维持，但不能认为是健康的。在实际研究中，确定某元素是否为必需元素，或者区分必需与有益的界限，不是很容易的。这既与该元素在体内的浓度有关，也与它的存在状态和生物活性密切相关。人体中的每一元素呈现不同的生物效应，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形态。对于必需元素和有益元素，各有一段最佳健康浓度，有的具有较大的体内恒定值，有的在最佳浓度和中毒浓度之间只有一个狭窄的安全限度。元素浓度和生物功能的相关性可用图 10－2 表示。

有 20～30 种普遍存在于组织中的元素，它们的浓度是变化的，而它们的生物效应和作用还未被人们认识，它们也可能来自环境的沾污，因此称沾污元素。当沾污元素的浓度达到了可以产生能觉察到生理或形态症状时，就可以将沾污元素称为污染元素。如，血液中非常低浓度的铅、镉或汞，具有有害的作用，就可称为污染元素。应该说，有机体内元素划分界限不是固定不变的，随着科学的发展，各种检测手段的改进和完善，会将元素重新划分。

附录 4 列出海水和古代人、现代人体内微量元素的比较。从海水中必需微量元素的含量与人体中主要元素的对比，说明赖以生存的环境中的元素是生物进化的结果。人类在适应生存和进化中，逐渐形成一套摄入、排泄和适应这些元素的保护机制，即人体内的元素，不论是常量或微量，维持平衡状态是经过人类长期进化形成的。许多元素是必需或有益，还是有害，和摄入量（即在体内的浓度）有关。每一种必需元素在体内都有其合适的浓度范围， 超过或不足都不利于人体健康。例如，人们对碘的最小需要量为 0.1mg/天， 耐受量为 1000mg/天，当大于 10000mg/天即为中毒量。若人体自身用以维持平衡的调节机制出现障碍，便会发生疾病，如铁在体内平衡机制对于保留铁很有效，而排出铁的能力则很差，过量的铁对人体是有害的。有时元素的过量可能比缺乏更令人担忧，因为某个元素的缺乏易于补充，而过量往往则难以清除，或清除过程中会产生副作用。另外共存元素的相互影响－－在生物体内存在协同或拮抗作用①，对元素浓度比例的要求就更复杂了。例如锌可以抑制镉的毒性，铜可以促进铁的吸收等。由于元素间的相互作用，当评定某一微量元素对人体健康的影响时，还必须考虑与其有关元素的存在。

表 10－1 归纳了主要生物元素及其功能。在生命物质中，除 C，H，O 和N 参与各种有机化合物外，其他生物元素各具有一定的化学形态和功能，这些形态包括它们的游离水合离子，与生物大分子或小分子配体形成的配合物，以及构成硬组织的难溶化合物等。

① 王积涛.生命起源——化学进化.化学教育，1988（3）：1～

表续

* 王夔主编.生命科学中的微量元素.北京：中国计量出版社，1991 这些元素在生物体内所起到的生理和生化作用，主要有几个方面。

1. 结构材料。无机元素中 Ca，P 构成硬组织，C，H，O，N，S 构成有机大分子。

2. 运载作用。人对某些元素和物质的吸收、输送以及它们在体内的传递等物质和能量的代谢过程往往不是简单的扩散或渗透过程，而需要有载体。金属离子或它们所形成的一些配合物在这个过程中担负重要作用。如含有 Fe2+的血红蛋白对 O2 和 CO2 的运载作用等。

3. 组成金属酶或作为酶的激活剂。人体内约有四分之一的酶的活性与金属离子有关。有的金属离子参与酶的固定组成，称为金属酶。有一些酶必需有金属离子存在时才能被激活以发挥它的催化功能，这些酶称为金属激活酶。

4. 调节体液的物理、化学特性。体液主要是由水和溶解于其中的电解质所组成。生物体的大部分生命活动是在体液中进行的。为保证体内正常的生理、生化活动和功能，需要维持体液中水、电解质平衡和酸碱平衡等。存在于体液中的 Na2+，K2，Cl2 等发挥了重要作用。

5. “信使”作用。生物体需要不断地协调机体内各种生物过程，这就要求有各种传递信息的系统。细胞间的沟通即信号的传递需要有接受器。化学信号的接受器是蛋白质。Ca2+作为细胞中功能最多的信使，它的主要受体是一种由很多氨基酸组成的单肽链蛋白质，称钙媒介蛋白质（分子量为

16700）。氨基酸中的羧基可与 Ca2+结合。钙媒介蛋白质与 Ca2+结合而被激活， 活化后的媒介蛋白质可调节多种酶的活力。因此 Ca2+起到传递某种生命信息的作用。

有些元素可同时在几个方面发挥作用。例如 Ca2+就有多方面的生物功能。下面仅就 Ca，P，Na，K 等的主要生物功能作简要介绍。

钙是骨骼和牙齿的主要成分。调控人体正常肌肉收缩和心肌收缩，同时 起细胞信使作用，如图 10－3 所示。例如，血液中 Ca2+过多，会造成神经传导和肌肉反应的减弱，使人对任何刺激都无反应，但血液中 Ca2+太少，又会造成神经和肌肉的超应激性，在这种极度兴奋的情况下，微小的刺激，比如一个响声、咳嗽，就可能使人陷入痉挛性抽搐。

磷，骨骼和牙齿中除了含 Ca 外，磷也是一种重要的元素。体内 90%的磷是以磷酸根 PO43-的形式存在，如牙釉质中的主要成分是羟基磷灰石 Ca10

（OH）2（PO4）6 和少量氟磷灰石 Ca10F2（PO4）6，氮磷灰石 Ca10Cl2（PO4）6 等。

牙釉质是由不溶性物质所组成，称为羟基磷灰石 Ca10（OH）2（PO4）6 。

使它从牙齿上溶解下来称为去矿化，而形成时称为再矿化。在口腔中存在着这样一种平衡：

健康的牙齿也同样存在这样的平衡。然而，当糖吸附在牙齿上并且发酵

时，产生的 H+与 OH-结合成 H2O 以及 PO43-而扰乱平衡，会引起更多的 Ca1（0

OH）

₂（PO4）6 溶解，结果使牙齿腐蚀。氟化物通过取代羟基磷灰石中的 OH-有助于防止牙齿腐蚀，由此产生的 Ca10F2（PO4）6 能抗酸腐蚀。

PO43-还能取代有机化合物中的一个羟基（－OH），形成有机磷酸盐化合物。当某些有机磷酸盐进行水解时，释放出相当多的化学能提供给细胞。科学研究从实验及理论上证明了磷是生命物质核酸、蛋白质的主控因子，有机磷酸盐存在于磷脂（存在于细胞膜和神经组织中）、DNA 和 RNA 以及辅酶之中。磷的化学规律控制着核糖、核酸以及氨基酸、蛋白质的化学规律，从而控制着生命的化学进化。身体中磷的主要作用见图 10－4 所示①。由于磷的分布很广，因此人们日常食品中很少缺少这种元素。

① 拮抗作用是生物体内一种元素抑制另一种元素生物学作用的现象；协同作用则是生物体内一种元素促进另一种元素生物学作用的现象。

K+，Na+和 Cl-在体内的作用是错综复杂而又相互关联的。K+和 Na+常以KCl 和 NaCl 的形式存在。K+，Na+，Cl-的首要作用是控制细胞、组织液和血液内的电解质平衡。这种平衡对保持体液的正常流通和控制体内的酸碱平衡都是必要的。Na+和 K+（与 Ca2+和 Mg2+一起）有助于使神经和肌肉保持适当的应激水平。NaCl 和 KCl 的作用还在于使蛋白质大分子保持在溶液之中，并使血液的粘性或稠度调节适当。胃里开始消化某些食物的酸和其他胃液、胰液及胆汁里的助消化的化合物，是由血液里的钠盐和钾盐形成的。另外，视网膜对光脉冲反应的生理过程，也依赖于 Na+，K+和 Cl-有适当的浓度。显然， 人体的许多重要机能对这三种离子都有依赖关系，如图 10－5 所示①。体内任何一种离子不平衡，都会对身体产生影响。例如，运动过度，特别是炎热的天气里，会引起大量出汗，汗的成分主要是水，还有许多离子，其中有 Na+， K+和 Cl-，使汗带咸味。出汗太多使体内这些离子浓度大为降低，就会出现不平衡，使肌肉和神经反应受到影响，导致出现恶心、呕吐、衰竭和肌肉痉挛。因此，运动员在训练或比赛前后，喝特别配制的饮料，用以补充失去的盐分。

当我们仔细观察和研究那些含金属元素生物分子的结构以及它们的生理功能时，发现人体内的常量元素都是海水中最丰富的元素。人体大部分的组成元素是周期表中的轻元素（原子序数在 34 以下），两个较重的元素就是原子序数为 42 的 Mo 和 53 的 I。而由地球表面大气圈、水圈和浅岩石圈所组成的生物圈中的元素也主要由这些轻元素所组成，这正是丰度原则的直接结果。因此可以认为生物体发源于水圈。生物体体液中的离子组成和水圈中的离子组成也很相似。生物体正是利用水体中含量最丰富的 Na+和 K+来控制体内的离子浓度和渗透压等；又如 Ca2+和 Sr2+在性质上虽然很相似，而自然界绝大多数的生物却是利用钙盐作为构成骨骼的材料，这正是利用了钙有较高的丰度。

① 赵玉芬等.磷化学与生命化学过程.科学，1994（3）：6～

人类自身目前仍然处于一个进化的过程之中，与地球的形成、生物体的进化这个漫长的历史进程相比，人类只是这条长河中极其短暂的一段。现代人类还在不断地随着环境的改变而进化，以适应新的环境。

微量元素在不同体内部位的水平与人体健康关系极大。它与人体健康的关系是很复杂的，其浓度、价态、摄入肌体的途径等对人体健康都有影响， 有些疾病的发生和微量元素的平衡失调关系密切。例如我国地方病－－克山病－－是由于缺硒引起的心肌坏死；大骨节病、地方性甲状腺肿、地方性克汀病则是由于严重缺碘引起的等等。微量元素还和人体免疫功能、出生缺陷、肿瘤、血液病、眼疾等有关。如何将微量元素做成药物和食品添加剂等用于医治和疾病的预防是一个重要的专门研究领域。微量元素与人体的关系不是孤立的，微量元素之间，微量元素与蛋白质、酶、脂肪、维生素之间都存在相互作用。如铜和铁在肌体内显示生理协同作用，即铜可促进肌体对铁的吸收；铁可拮抗镉的毒性等。在分析它们的作用时，不能忽略其他因素的影响。

人体中也含有非必需微量元素，甚至有害元素如 Cd，Hg，Pb 等（可参阅附录 5），这和食物、水质及大气的污染关系甚大。如经口腔、呼吸道吸收的 Cd 通过血液转移后，大部分蓄积于肾脏和肝脏中，可引起肌体对有益元素Zn，Ca 吸收和利用的紊乱，导致一种以骨骼疾患为特征的骨痛病。Cd 的污染主要是工业污染造成的，采矿、冶炼、合金制造、电镀、油漆颜料制造等工业部门向环境排放的 Cd，污染了大气、水、土壤。人体中 Cd 的主要来源是食物。人从环境摄取 Cd 的途径及比率大致为：食品约占 50%，饮用水约占 1%， 空气约占 1%，香烟约占 46%。烟草含 Cd 量很高，一包香烟含 Cd 达 30mg，长期吸烟造成的人体内 Cd 积累会对健康带来影响。