化学与健康（普通高等教育十一五国家级规划教材）

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第1章人体中的化学
　　生命过程是生物体发生各种物质和能量转化的综合结果。人通过呼吸、饮水和进食，与环境进行物质交换和能量交换并保持某种动态平衡。在生命活动过程中，化学元素和营养物质通过食物链循环转化，再通过微生物分解返回环境。因此人体中的化学元素与自然界存在元素的丰度有直接关系。所谓“天人合一”就是这个道理。环境化学背景值、人们的饮食习惯等影响着人体化学元素平衡，人体中多种化学元素又是影响健康的重要因子。不同的化学元素在人体中有不同的功能，它们组成了人体中重要的生命有机化合物，进行着多种化学反应，维持着正常的新陈代谢。人体健康是体内多种化学平衡的结果。平衡就是和谐，是化学元素之间的和谐共处，化学反应温和平稳是健康的基本保证。了解人体中的化学元素、化学反应、化学平衡对人体健康是十分的。
　　1.1生命进化的化学过程
　　生命的进化可以理解为生命与环境长期相互作用的结果，是通过量变到质变而实现的。现代科学研究证明，“生命的起源必然是通过化学途径实现的”。生命的进化是由无机物形成小分子有机物，由小分子有机物形成生物高分子，又由生物高分子形成超分子集合体进而形成生命的基本结构单位——细胞，这中间经历了多种多样的化学变化。
　　人体由几百万亿细胞构成。细胞和细胞之间含有细胞间质。许多形状相似、功能相同的细胞及其细胞间质结合起来，构成了我们身体中的上皮组织、结缔组织、肌肉组织和神经组织。这4种组织的不同配合，构成了人体的骨髂、肌肉、脑、心、肺、肝、肾等器官。许多作用相近的器官结合成为一个系统，完成某一方面的功能。人体有运动系统、循环系统、呼吸系统、消化系统、泌尿系统、神经系统、内分泌系统和生殖系统等八大系统。这些系统之间互相巧妙地协调配合，使人体成为一个整体，并与内、外界环境的变化保持动态平衡。
　　1.2人体中的化学元素
　　地球表层存在92种稳定的化学元素，在人体中已经发现了81种，但具有重要营养与生理功能、公认的对于维持生命所必需的元素仅有26~28种。表1-1列出了现代人(70kg)的化学近似组成。
　　表1-1现代人的化学近似组成
　　1.2.1人体内化学元素的来源及特点
　　自然界由大气圈、水圈、岩石圈和生物圈构成。生物圈中的植物、动物和人类在大气圈、水圈、岩石圈构成的环境中生存发展，与各圈层之间存在物质交换和能量交换。
　　自然界中的生物体可以分为自养生物和异养生物两大类。自养生物可以通过二氧化碳和水在叶绿素和太阳光的作用下进行光合作用产生糖而得到养分，化学反应式可表示为
　　一般的植物和藻类属于自养生物。人类属于异养生物。所谓异养生物是指必须依靠自养生物作为养分和能量来源的生物。人类作为捕食者处在食物链的末端，食物链中各级植物和动物逐级积累的各种元素，都以食物的形式进入人体，这是人体化学元素的主要来源。构成生物体的元素具有下列特点：
　　(1)构成生物体的元素都是环境中存在的，且丰度较高。
　　(2)生物体所必需的元素绝大多数为轻元素，如元素周期表中前34个元素中有21个元素是动物生活所必需的，这样就使生物体有较轻的质量(较重的元素仅有碘、钼和锡）。
　　(3)生物体所必需的微量元素大多为过渡元素，这与它们的核外原子轨道中有未被填满的d轨道有关。
　　⑷碳、氢、氧、氮4种元素能形成很强的共价键，它们相互作用生成了大量不同形式的共价化合物。
　　(5)在有机分子中，由于围绕每个单键结合的碳原子的电子对具有四面体结构，由碳碳键可形成许多不同的三维空间结构，因此可形成线形、分枝状或环状的骨架。碳原子还可以与氧、氢、氮、磷、硫原子形成共价键并把不同种类的功能基团引人有机物分子结构中。
　　(6)碳、氢、氧等形成的许多有机化合物在生理温度(0~40°C)下具有流动性。CO2常温下为气体，SiO2在常温下为固体，所以虽然硅与碳很相似，但从流动性来看SiO2并不能构成生命物质的骨架。
　　1.2.2人体内元素的分类
　　存在于生物体(植物和动物)内的元素按其作用大致可分为三大类:必需元素、非必需元素和污染(有毒有害)元素。
　　1.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)生物体主动摄人并调节其体内分布和含量水平的元素；
　　(3)存在于体内与生物化合物活性有关的元素；
　　(4)缺乏该元素时会引起生理变化，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碳、氢、氧和氮4种元素组成。仅这4种元素就约占人体质量的96%，一般人体内水分占人体质量的2/3，所以水是生命不可缺少的物质，没有水就没有生命。此外，人体内还有少量磷。人体内含有这5种元素的化合物挥发后会留下一些白灰，大部分是骨骼的残留物，为无机盐。
　　表1-2中列出了25种生命必需元素，即维持生命所必需的元素。人体中的脂肪、糖、蛋白质、酶、核酸都含碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素;人体中有许多化学反应需要酶来催化，金属酶是非常重要的催化剂，因此，多种微量金属元素是人体所必需的;人体体液需要有电解质，氯化钾、氯化钠是良好的电解质，因此，体液中不可缺失钾离子(K+)、钠离子（Na+)和氯离子（C1-)。人们对人体生命必需元素的认识是逐渐深化的，如1925~1956年，发现铜、锌、钴、锰、钼是人体必需元素，后来采用人为造成微量元素缺失而引起感应的方法，证实了钒、铬、镍、氟、硅也是生命必需元素。随着科学技术的不断发展，今后可能还会发现更多的生命需元素。
　　按照人体中的含量高于或低于0.01%，元素又分为常量元素和微量元素。
　　属于常量元素的有碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙、钠、钾、镁、氯11种元素，它们占了人体质量的99.7%(表1-1)。碳、氢、氧、氮、磷和硫对生命起着特别重要的作用，大部分有机物是由这6种元素构成的，钙、钾、钠、镁和氯5种元素在生物体内虽然较少，但也是必需的。锰、铁、钴、铜、锌、砸、碘、铬、硅、钒、氟、钼、锡、镍14种含量小于0.01%的微量元素也是人体不可缺少的。
　　2.非必需微量元素
　　非必需的元素含量都属于微量元素，它是指其生理功能尚未确定或在机体内可有可无的元素，包括铷、砷、硼、钛、铝、钡、铌、锆8种。
　　铝作为非必需的元素常用于医药品中，氢氧化铝可以中和胃酸，治疗胃溃疡的药是利用铝配合物与胃、肠黏膜的蛋白质结合而附在患处，或直接与胃蛋白酶结合而抑制溃疡。铝离子(AP+)与铁离子(Fe3+)的性质相似，很容易与输送铁的血红蛋白结合，所以如果铝在人体内过多，就会阻碍铁的新陈代谢。铝滞留在骨骼和肌肉中，可导致骨脆化、肌肉萎缩硬化。铝在脑中蓄积，可以使脑细胞萎缩，引发老年痴呆症。
　　表1-2 25种生命必需元素及其功能
　　3.污染(毒性)元素
　　污染(毒性)元素指对生物有毒而无生理功能的元素。在自然界中，这些元素多数形成硫化物，除铍以外，原子序数均比较大。污染元素分为毒性、潜在毒性和放射性等。毒性元素有铋、锑、铍、镉、汞、铅等。潜在毒性与放射性元素有铊、钍、铀、钋、镭、锶、钡等。严格说来，几乎每一种元素摄取(或误服)过量都会产生毒性，上面所列毒性元素对生物体无有益作用，而只有毒性。此外，应当注意的是，元素对人体有益、必需还是有害与许多因素有关。同一元素在人体中的浓度和形态与其毒理密切相关。例如，三价铬对防治心血管病有重要作用，六价铬却是已经确定的致癌物;生物体中砸有很重要的作用，0.1mg kg-1的砸是有益的，如果在人体内达到10mg kg-1则是致癌的。所谓有害微量元素即在生命过程中不需要该元素参与或干扰那些必需微量元素发挥其正常功能的元素，其含量超过一定范围就会引起中毒。除了所列的6种公认的有害微量元素外，其他元素，包括必需微量元素在人体内均有各自的最佳健康浓度范围，在最佳浓度和中毒浓度之间有一狭窄的安全限度，超过其限度同样对人体有害，如氟中毒、镍中毒等，但是它们与有害微量元素是有本质区别的。
　　因此，研究微量元素与人体健康的关系必须与整个环境统一起来考察。现在微量元素的分类是相对的，除了本章列出的各种元素外，还有20~30种普遍存在于人体组织中的元素。这些元素的浓度是变化的，它们的生物效应和作用尚未被人们所认识。上述元素间的界限不是固定不变的，随着认识的深化和检测手段的现代化，将会修正或做新的归属。
　　1.2.3人体中元素的存在形式与分布
　　无机物除了少量的氧和氮以外均以化合物形式存在，如水和无机盐;有机物以糖类、脂质、蛋白质和核酸等化合物形式存在。氢、氧两元素主要以水的形式存在于体内，其余的氢、氧元素则与碳元素一起存在于体内的有机物中;氮主要存在于蛋白质和核酸中;磷以磷酸盐的形式存在，少部分存在于核酸、磷脂和糖的磷酸酯中;大部分硫存在于蛋白质中;钾主要存在于细胞内液中;钠、氯主要存在于细胞外液中。生物体内的微量元素主要是以配合物的形式与蛋白质、脂肪等有机物构成酶，许多微量元素是酶的激活剂或是酶的辅因子。例如，铁是血红蛋白和细胞色素的主要成分。碘是合成甲状腺素不可缺少的微量元素，铬可以协助胰岛素起作用。
　　人体物质主要包括氨基酸、蛋白质、脂肪、酶、核酸等，在这些生物有机物质中，碳、氢、氧、氮是最主要的元素，其他元素在人体中的分布则是不均匀的。钙、磷、硫、硅、镁、氟、锰等元素主要分布在骨骼中，其中钙、磷、硫、镁等具有结构性作用，锶、钡、铅、铍、镉、铀、金、锂等元素与骨骼有较强的亲和性。前一组元素的多少及其比值的大小对骨骼的生长、发育有重要的影响;后一组元素，在骨骼中过量的蓄积将会产生不同程度、不同性质的损害。研究表明，人体中铍的蓄积越高，患骨癌的可能性就越大，镉大量沉积在骨骼中可产生骨痛病、骨癌等。
　　牙齿多由钙、磷、氟、硅、钒等元素组 ，硅、镍、砷、锌、氟、铁、钛较多地集中在毛发中。锌、铜、钙、镁、钒、砸、溴等元素易蓄积于肌肉中，当肌肉缺镁、钾时，可导致肌肉无力、肌麻痹、肌萎缩等症状。
　　钒、汞、铬、铌、锡等元素易蓄积于脂肪中，其中钒、铬对脂肪代谢和降低胆固醇有重要作用;汞尤其是甲基汞易在脂肪和大脑中积蓄，不易排出体外，容易引起汞中毒。铁、钴、钼、铜、帆等元素是血液中的主要微量元素，铁在血液中的含量占人体总铁的70%，这些元素与血液的形成密切相关，故可以认为是造血元素。