生物元素的分类与功能

第四节　生物元素的分类与功能

在活动有机体中，有些元素是保持其正常的生物功能所不可缺少的，那些化学元素就叫做生物元素。存在于生物体（植物与动物）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，又分为常量元素与微量元素；

（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，如碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯、钙、镁、钠、钾等，约占99.95%，其余的0.05%为微量元素或超微量元素。

一、必需元素

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与水平的元素；

（3）存在于体内的生物活性化合物的相关元素；

（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与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（氯化钠）。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。

二、有益元素

有益元素是指那些没有时生命尚可保持，但不能认为是健康的元素。在实际研究中，确定某元素是否为必需元素，或者区分必需和有益的界限，不是很容易的。这既和该元素在体内的浓度相关，也和它的存在状态与生物活性密切有关。

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。

对于必需元素与有益元素，各有一段最佳健康浓度，有的具有较大的体内恒定值，有的在最佳浓度与中毒浓度之间只有一个狭窄的安全限度。元素浓度与生物功能的相关性可用下图1表示。

图1　必需微量元素浓度－生物功能相关图

三、污染元素

有些对人体有害的元素来自环境的沾污，因此可称沾污元素。当沾污元素的浓度达到了可以危害人体时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。如血液中十分低浓度的铅、镉或汞，具有有害的作用，就可称为污染元素。污染元素有20～30种普遍存在于组织中的元素，它们的浓度是变化的，而它们的生物效应与作用还未被人们认识。

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与完善，会将元素重新划分。

从海水中氟元素与氧元素和古代人、现代人体内微量元素相比较，以及从海水中必需微量元素的含量和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。

人类在适应生存与不断进化中，逐渐形成一套摄入、排泄与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，保持平衡状态这一机能是经过人类长期进化形成的。

许多元素是必需的或有益的，还是有害的，都与摄入量（即在体内的浓度）相关。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，人体对碘的最小需要量为0.1毫克/天，耐受量为1000毫克/天，当大于10000毫克/天即为中毒量。若人体自身用以保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，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，还必须考虑和其相关元素的存在。

表Ⅰ归纳了主要生物元素及其功能。在生命物质中，除碳、氢、氧、氮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与功能，这些形态包括它们的游离水合离子，和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。

表Ⅰ生物元素及其功能

这些元素在生物体内所起到的生理与生化作用，主要有几个方面。

（1）充当结构材料。无机元素中钙、P构成硬组织，碳、氢、氧、氮、S构成有机大分子。

（2）运载作用。扩散或渗透过程是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与能量的代谢过程中的重要步骤，当对于很多物质的运输，这往往是不够的，而需要有专门的载体。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。如含有亚铁离子的血红蛋白对氧气与二氧化碳的运载作用等。

（3）组成金属酶或作为酶的激活剂。人体内约有1/4的酶的活性和金属离子相关。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。体液主要是由水与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、生化活动与功能，需要保持体液中水、电解质平衡与酸碱平衡等。例如存在于体液中的钠离子、钾离子、氯离子等发挥了重要作用。

（5）传递信息。生物体要不断地协调机体内各种生理过程，这就必须存在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。蛋白质是化学信号的接受器。钙离子作为细胞中功能最多的信使时，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钙离子结合。钙媒介蛋白质和钙离子结合而被激活，活化后的媒介蛋白质可调节多种酶的活力。因此钙离子起到传递某种生命信息的作用。

有些元素则可以同时在几个方面发挥重要的作用。例钙离子就有多方面的生物功能。下面仅就钙、磷、钠、钾等的主要生物功能作简要介绍。

钙是骨骼与牙齿的主要成分之一。它可以调控人体正常骨骼肌与心肌的收缩，同时它还起着细胞信使的作用，如图2所示。

例如，血液中钙离子过多，则会造成神经传导与肌肉反应的减弱，使人对任何刺激都无反应，但血液中钙离子太少，又会造成神经与肌肉的超应激性，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。

图2　元素的信使作用

骨骼与牙齿中除了含有Ca元素之外，磷也是其中含有的一种重要的元素。体内90%的磷是以磷酸根磷酸根离子的形式存在，如牙釉质中的主要成分是羟基磷灰石（Ca₁₀（OH）₂（PO₄）₆）与少量氟磷灰石（Ca₁₀F₂（PO₄）₆），以及氮磷灰石（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元素含量的平衡。然而，当糖吸附在牙齿上并且发酵时，产生的氧离子和氢氧根离子结合形成H₂O以及磷酸根离子从而扰乱平衡，进而会引起更多的羟基磷灰石溶解，结果使牙齿腐蚀。氟化物通过取代羟基磷灰石中的氢氧根离子有助于防止牙齿腐蚀，由此产生的氟磷灰石能抗酸腐蚀。

磷酸根离子还能取代有机化合物中的一个羟基（－OH），从而形成有机磷酸盐化合物。当某些有机磷酸盐进行水解时，就能够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（存在于细胞膜与神经组织中）、DNA与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3所示。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。

图3　身体里磷的作用

钾离子、钠离子与氯离子在体内的作用是错综复杂而又相互关联的。钾离子与钠离子常以氯化钾与氯化钠的形式存在。钾离子、钠离子、氯离子的首要作用是控制细胞、组织液与血液内的电解质平衡。这种平衡对维持体液的正常流通与控制体内的酸碱平衡都是必要的。

钠离子与钾离子（和钙离子与镁离子一起）对使神经与肌肉维持恰当的应激水平有十分重要的帮助。氯化钠与氯化钾的作用还在于使蛋白质大分子维持在溶液之中，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与其他胃液、胰液及胆汁里的助消化的化合物，是由血液里的钠盐与钾盐形成的。

另外，视网膜对光脉冲反应的生理过程，也依赖于钠离子、钾离子与氯离子有合适的浓度。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4。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，其中有钠离子、钾离子与氯离子，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，使肌肉与神经反应受到影响，导致出现恶心、呕吐、衰竭与肌肉痉挛。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。

图4　体内钠、钾与氯的功能

当科学家们在仔细观察与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与53的I。而由地球表面大气圈、水圈与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与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钠离子与钾离子来控制体内的离子浓度与渗透压等；又如钙离子与锶离子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。

人类自身进化的脚步现今仍然没有停止，只不过和地球的形成、生物体的进化这个漫长的历史进程相比，人类的演化过程只是极其短暂的一段。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。

四、有毒元素

微量元素和人体健康的关系是很复杂的，它们在不同体内部位的水平和人体健康关系极大，其浓度、价态、摄入肌体的途径等对人体健康都有影响，有些疾病的发生与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。微量元素还与人体免疫功能、出生缺陷、肿瘤、血液病、眼疾等相关。如何将微量元素做成药物与食品添加剂等用于医治与疾病的预防是一个重要的专门研究领域。微量元素和人体的关系不是孤立的，微量元素之间，微量元素和蛋白质、酶、脂肪、维生素之间都存在相互作用。如铜与铁在肌体内表现生理协同作用，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。

除此之外，人体中也含有非必需微量元素，甚至有害元素如镉、汞、铅等，这与食物、水质及大气的污染关系甚大。如经口腔、呼吸道吸收的镉通过血液转移后，大部分蓄积于肾脏与肝脏中，可引起肌体对有益元素锌、钙吸收与利用的紊乱，导致一种以骨骼疾患为特征的骨痛病。镉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镉，污染了大气、水、土壤。人体中镉的主要来源是食物。人从环境摄取镉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%。烟草镉含量非常高，一包香烟含镉达30毫克，长期吸烟造成的人体内镉积累会对健康带来影响。