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人體中的化學(xué)反應(yīng),.,生命起源于化學(xué)，經(jīng)過(guò)十幾億年漫長(zhǎng)的化學(xué)進(jìn)化時(shí)期以后才出現(xiàn)原始生命物質(zhì)——單細(xì)胞生物，然后又經(jīng)歷了30多億年的生物進(jìn)化時(shí)期，大約在300萬(wàn)年前地球上出現(xiàn)了原始人類。人是高等動(dòng)物，地球上存在的元素在人體中幾乎都能找到，人體中充滿著化學(xué)，人體本身就是一個(gè)復(fù)雜的化工廠，人體中的元素組成了人體中重要的生命物質(zhì)，并在人體內(nèi)進(jìn)行著眾多的化學(xué)反應(yīng)，維持正常的新陳代謝，一旦人因故死去，人體中的化學(xué)反應(yīng)仍在繼續(xù)進(jìn)行著。,.,一、人體中的化學(xué)元素,地球上存在92種穩(wěn)定的化學(xué)元素，它們分布在自然界中巖石圈、水圈、大氣圈：人類在漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化過(guò)程中，在地面的巖石圈、水圈、大氣圈構(gòu)成的環(huán)境中生活，必須與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，于是有選擇地吸收了幾十種化學(xué)元素構(gòu)成人體有效的機(jī)制，賴以維持生命。用現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)對(duì)人體組成進(jìn)行分析，知道人體至少由37種化學(xué)元素組成。,.,例如: 人體中的骨骼、牙齒不能沒(méi)有鈣; 人體中的脂肪、糖、蛋白質(zhì)、酶、核酸都含碳、氫、氧、氟、硫、磷等元素構(gòu)成的生命有機(jī)化合物; 人體中有許多化學(xué)反應(yīng)需要酶來(lái)催化的，金屬酶是非常重要的催化劑，因此，多種微量金屬元素是人體所必需的； 人體內(nèi)體液中需要有電解質(zhì)，氯化鉀、氯化鈉是良好的電解質(zhì)，因此，體液中不可缺失鉀離子(K+)、鈉離子(Na+)和氯離子(C1-)； 再如： 人體缺鐵會(huì)患貧血癥，缺硒會(huì)患克山病、大骨節(jié)病，缺碘會(huì)患甲狀腺腫，并導(dǎo)致人的智力障礙等。,生命必需元素,------為了維持生命所必需的元素,現(xiàn)在已知有25種元素是生命必需元素，分常量元素和微量元素：,.,在人體中含量高于0.01%的元素稱為常量元素。碳、氫、氧、氮、磷、硫、鈣、鈉、鉀、鎂、氯、硅等12種元素，它們占了人體質(zhì)量的99.71%，其中氧特別多，一般估計(jì)人體內(nèi)水分占了2/3的體重，所以說(shuō)水是生命不可缺失的物質(zhì)，沒(méi)有水就沒(méi)有生命。 在人體中含量低于0.01%的元素稱為微量元素。鐵是最早發(fā)現(xiàn)的人體必需微量元素，后來(lái)又發(fā)現(xiàn)碘、釩、氟、硅、鎳 等，至今已確認(rèn)14種微量元素為動(dòng)物和人所必需。這14種微量元素中10種為金屬元素，含量雖低，但它們?cè)谌梭w內(nèi)都有固定的環(huán)境，往往同蛋白質(zhì)、核酸、酶結(jié)合，在生命過(guò)程中發(fā)揮特殊的功能：有的可以在觸發(fā)與控制機(jī)制中發(fā)揮作用；有的在結(jié)構(gòu)中起作用；有的可以作為人體中化學(xué)反應(yīng)的催化劑；有的可以作為氧載體等。,.,自然界可劃分為4個(gè)圈層：大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈，如圖2-1所示。生物圈中的植物、動(dòng)物和人類在大氣圈、水圈、巖石圈構(gòu)成的環(huán)境中生存發(fā)展，與各圈層之間存在物質(zhì)交換和能量交換。,自然界中的生物體可以分為自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物兩大類。自養(yǎng)生物是可以通過(guò)二氧化碳和水在葉綠素和太陽(yáng)光的作用下進(jìn)行光合作用產(chǎn)生糖而得到養(yǎng)分，其化學(xué)反應(yīng)式可表示如下：,人體內(nèi)元素的來(lái)源,一般的植物和藻類屬于自養(yǎng)生物。,.,所謂異養(yǎng)生物，它們自己不能制造養(yǎng)分，而必須依靠自養(yǎng)生物作為養(yǎng)分和能量的來(lái)源。人類作為高等動(dòng)物當(dāng)屬異養(yǎng)生物。綠色植物、藻類是兔、牛、羊、馬等大小動(dòng)物的食物，而這些食草動(dòng)物又是食肉動(dòng)物的食物，食肉動(dòng)物則成為人類的食物，人死了，尸體被細(xì)菌和真菌等微生物分解，這就構(gòu)成了自然 界中的生物圈。食物和捕食者之 間這一系列的關(guān)系，人們稱之為 食物鏈。人類作為捕食者是處在 食物鏈的末端，食物鏈中各級(jí)植 物和動(dòng)物逐級(jí)積累的各種元素， 最后都以食物的形式進(jìn)入人體， 這是人體內(nèi)化學(xué)元素的主要來(lái)源。 圖2-2示出生物圈的粗略結(jié)構(gòu)。,.,二．人體中的化學(xué)反應(yīng),生命不息，人體的一切活動(dòng)都需要能量來(lái)維持，人體能量的來(lái)源是糖、蛋白質(zhì)和脂肪。一個(gè)健康的人通過(guò)一日三餐進(jìn)食米飯、肉、蛋、魚(yú)、青菜、水果，它們都轉(zhuǎn)化為糖、蛋白質(zhì)，脂肪、維生素等，這些有機(jī)化合物在人體內(nèi)進(jìn)行氧化分解，最后生成二氧化碳和水，同時(shí)釋放出熱能供人體活動(dòng)需要，這種作用稱為生物氧化，生物氧化過(guò)程涉及許多化學(xué)反應(yīng)。人體內(nèi)存在多種微量金屬元素，它們大都是過(guò)渡金屬，這些金屬元素能與蛋白質(zhì)結(jié)合形成金屬酶，是一類生物催化劑，能加速體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。微量金屬元素不但對(duì)維持生物大分子的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，而且還廣泛參與各種生命過(guò)程，在人體內(nèi)的物質(zhì)輸送，信息傳遞、生物催化和能量轉(zhuǎn)換等方面起著十分重要的作用。,.,1．人體中化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn) 人體中的化學(xué)反應(yīng)都是在常溫常壓、接近中性溫和條件下進(jìn)行的，但化學(xué)反應(yīng)的速度特別快，這是人體中化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)。 人體的正常體溫為37℃左右，體溫高了或低了，俗稱發(fā)高燒或發(fā)低燒，均屬于不正常。為什么人體的體溫能自動(dòng)調(diào)控在37℃左右呢？將糖、蛋白質(zhì)、脂肪氧化會(huì)放出大量熱能，但是這類氧化反應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行與在人體內(nèi)進(jìn)行是不一樣的。人體內(nèi)的生物氧化反應(yīng)是在溫和條件下、在酶的催化下逐步進(jìn)行的，熱能也是逐步分批放出的，這樣放出的能量不至于突然使體溫升高而損傷機(jī)體，又可以使能量得到最有效的利用。除此外，人體內(nèi)還有完善的調(diào)控機(jī)制，當(dāng)體內(nèi)發(fā)生生物氧化反應(yīng)時(shí)，必定伴隨著發(fā)生磷酸化反應(yīng)。體內(nèi)的二磷酸腺苷(ADP)分子與磷酸分子反應(yīng)形成三磷酸腺苷(ATP)分子，這是個(gè)吸熱反應(yīng)。人體內(nèi)生物氧化反應(yīng)與磷酸化反應(yīng)是偶聯(lián)進(jìn)行的，生物氧化反應(yīng)放出的能量，可以通過(guò)ADP分子的磷酸化把能量吸收，并貯存在ATP分子內(nèi)。當(dāng)人體需要能量時(shí)，能量分子ATP通過(guò)水解變?yōu)锳DP分子，同時(shí)放出能量，供人體需要。正是由于這么完善巧妙的機(jī)制，人的體溫是完全可以自動(dòng)調(diào)節(jié)。這類水解反應(yīng)是在特定的酶催化下進(jìn)行反應(yīng)的，所以速度很快。,.,2．催化反應(yīng) 如果你在吃飯時(shí)，把米飯放在嘴里多嚼一會(huì)，你會(huì)感覺(jué)到有甜味出來(lái)。米飯含淀粉，是一種多糖，在唾液淀粉酶的作用下多糖發(fā)生水解反應(yīng)，多糖轉(zhuǎn)變?yōu)辂溠刻恰⒄崽堑扔刑鹞兜奶?，這種作用稱催化作用。多糖水解反應(yīng)的反應(yīng)速度本來(lái)沒(méi)有那么快，但在唾液淀粉酶的作用下，反應(yīng)速度大大加快，唾液淀粉酶成為多糖水解反應(yīng)的催化劑。催化劑的特點(diǎn)是能加快化學(xué)反應(yīng)的速度，但不影響化學(xué)反應(yīng)的平衡位置。 催化劑為什么能加快化學(xué)反應(yīng)的速度呢?原因是催化劑可以降低化學(xué)反應(yīng)的活化能。化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是化學(xué)鍵的重組，首先原料分子的化學(xué)鍵要斷開(kāi)，形成新鍵后則產(chǎn)生產(chǎn)物分子。斷鍵時(shí)要吸收能量，形成新鍵則放出能量。假設(shè)反應(yīng)的原料分子為A和BC，產(chǎn)物分子為AB和C，在反應(yīng)過(guò)程中某個(gè)瞬間處于過(guò)渡狀態(tài)，此時(shí)原料分子的化學(xué)鍵未完全斷裂，新鍵也未 完全形成．這種過(guò)渡狀態(tài)稱為活化 態(tài)?；罨瘧B(tài)與原料分子起始狀態(tài)之 間的能量差ΔE稱為活化能，催化 劑的作用是降低了反應(yīng)的活化能， 加快了反應(yīng)速度。,.,催化劑的另一個(gè)特點(diǎn)是有選擇性，一種催化劑只能催化某一種化學(xué)反應(yīng)。有人估計(jì)人體內(nèi)有數(shù)千種化學(xué)反應(yīng)，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)人體中有兩千多種酶，酶是生物催化劑，每一種酶能催化一種化學(xué)反應(yīng)，因此，人體內(nèi)存在一個(gè)極其復(fù)雜而饒有興趣的催化體系，研究清楚這個(gè)催化體系，有利于人們進(jìn)一步了解生命的奧秘。,3．生物氧化反應(yīng) 人體內(nèi)進(jìn)行生物氧化反應(yīng)需要氧氣，人是通過(guò)呼吸從空氣中得到氧。據(jù)統(tǒng)計(jì)平均來(lái)說(shuō)，每個(gè)人每天大約需要8×103kJ的能量來(lái)維持生命，這就需要450升氧氣來(lái)氧化進(jìn)食的食物。氧在水中的溶解度很小，常溫常壓下，一升水僅溶解氧6.59cm3，溶液濃度為3×10-4mol·L-1，靠這種溶解氧是無(wú)法滿足生物氧化反應(yīng)對(duì)氧的要求。然而生物體在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中發(fā)展了氧載體，所謂氧載體是指氧可以配位在蛋白質(zhì)所含的過(guò)渡金屬離子上，形成配位鍵，這種配位反應(yīng)是可逆的，氧可以配位上去，也可以下來(lái)。,.,在節(jié)肢動(dòng)物和軟體動(dòng)物中，載氧的過(guò)渡金屬離子是銅，而在人體中是鐵。人體內(nèi)血紅蛋白含鐵，血紅蛋白分子的活性部分是血紅素含鐵輔基，下圖是血紅素含鐵(Ⅱ)輔基的平面，鐵(Ⅱ)原子坐在輔基中央，它可以與其他6個(gè)配位原子相結(jié)合，其中4個(gè)配位氮原子在血紅素平面上，因此，氧分子(O2)可配位在Fe(Ⅱ)上，形成配位健。血紅蛋白具有輸送氧氣的功能，人們通過(guò)呼吸把空氣吸到肺 部，血紅素含鐵(Ⅱ)輔基從肺氣泡中把 氧結(jié)合在Fe(Ⅱ)上載走，然后輸送給肌 紅蛋白分子和其他需要氧氣的細(xì)胞和部 位，此時(shí)氧分子從Fe(Ⅱ)上下來(lái)，與生 物有機(jī)分子發(fā)生生物氧化反應(yīng)。血紅蛋 白載氧效率很高，室溫下人的每升血液 可含氧200cm3，血液中氧的濃度達(dá)9× 103 mol·L-1，相比之下，血液載氧是 水的30倍。,.,4．酶促化學(xué)反應(yīng) 酶是具有催化作用的蛋白質(zhì)，主要由氨基酸組成。有些酶還需要有非蛋白質(zhì)成分(即輔基)才具有活性，輔基為金屬離子的酶稱為金屬酶。酶的活性部位由少數(shù)幾個(gè)氨基酸殘基或殘基上的某些基因組成．金屬離子是酶催化活性所必需的，因此．酶的活性部位包括金屬離子。酶是生物催化劑，生物體代謝過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)幾乎都在酶的催化下進(jìn)行。酶的催化效率極高，酶促反應(yīng)的速率可比非催化反應(yīng)的速率高108-1020倍。酶的作用具有高度專一性，即一種酶只能作用于某種特定的物質(zhì)。另外，酶促反應(yīng)一般都在溫和條件下進(jìn)行。正由于酶促反應(yīng)具有高效率、專一性和在溫和條件下進(jìn)行的特點(diǎn)，所以酶在生物體的新陳代謝中發(fā)揮特殊的作用。 一些有代表性的金屬酶。酶通常按其所作用的底物名稱來(lái)命名，所謂底物是指酶作用的化合物，例如催化醛氧化的叫醛氧化酶，催化過(guò)氧化氫分解的稱為過(guò)氧化氫酶等。一些氧化還原酶，因?yàn)檠趸€原反應(yīng)是一切生命過(guò)程的基礎(chǔ)，氧化還原酶是氧化還原反應(yīng)的有效催化劑，處于酶中的金屬離子利用它在兩種氧化態(tài)之間的往復(fù)轉(zhuǎn)變，催化底物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。水解反應(yīng)是生物體內(nèi)發(fā)生的另一類重要反應(yīng)，當(dāng)食物進(jìn)入人體消化道后，可受到消化道中多種水解酶的作用，如胰淀粉酶可催化淀粉完全水解變成葡萄糖；胰蛋白酶可催化蛋白質(zhì)水解成小肽和氨基酸；胰脂肪酶則能催化脂肪水解為甘油和脂肪酸等。,.,碳酸酐酶 從人的紅血細(xì)胞提取出來(lái)的碳酸酐酶含259個(gè)氨基酸殘基和一個(gè)Zn(Ⅱ)離子，若設(shè)法除去Zn(Ⅱ)離子，得到的酶蛋白沒(méi)有催化活性，如果重新加入Zn(Ⅱ)離子，則酶的催化活性得到恢復(fù)，表明Zn(Ⅱ)離子是酶活力所必需的。碳酸酐酶是生理上非常重要的鋅酶，它能可逆地催化二氧化碳的水合反應(yīng)，水合速率達(dá)106s-1，即1mol酶在37℃時(shí)每秒鐘能使106個(gè)CO2分子發(fā)生水合作用。如果沒(méi)有酶的催化，CO2的水合速率僅為7.0×10-4s-1，所以碳酸酐酶使CO2的水合速率提高了109倍，因而大大加速了生物體靜脈中CO2 的運(yùn)送。已有人提出把碳酸酐酶用于潛艇，以控制艇內(nèi)人員呼吸釋放的CO2濃度。據(jù)統(tǒng)計(jì)一個(gè)正常人處于靜態(tài)時(shí)，每天需吸氧(O2)約450升．呼出CO2約360升。如果再配合植物的光合作用，利用艇內(nèi)人員呼出的CO2，經(jīng)過(guò)生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生O2，則在解決CO2濃度控制的同時(shí)，還可解決艇內(nèi)人員的供氧問(wèn)題，使艇內(nèi)的CO2和O2能維持平衡。 超氧化物歧化酶 超氧化物歧化酶簡(jiǎn)稱SOD，在人體內(nèi)的SOD有兩種，一種是Cu、Zn-SOD，主要存在細(xì)胞液內(nèi)；另一種為Mn-SOD，存在于除紅血細(xì)胞外所有細(xì)胞的線粒體和細(xì)胞液中。從牛血細(xì)胞提取的SOD研究得較多，由151個(gè)氨基酸殘基與一個(gè)Cu和一個(gè)Zn組成一個(gè)亞基，再由兩個(gè)相同的亞基組成SOD。這種SOD能催化超氧離子自由基O2-·發(fā)生歧化反應(yīng)，可以清除對(duì)肌體細(xì)胞有破壞作用的自由基的防御體系。,.,人體中的超氧離子自由基O2-·是怎么形成的?已知電離、輻射、高溫、紫外線和光照都能使體液中的水產(chǎn)生水合電子e-(aq)、H·和OH·，e-(aq)和O2反應(yīng)便產(chǎn)生O2-· 。體內(nèi)一些酶反應(yīng)過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生O2-·，某些物質(zhì)自身氧化時(shí)也會(huì)有O2-·釋放出來(lái)。一個(gè)人每天產(chǎn)生多少O2-·尚不太清楚，但有實(shí)驗(yàn)表明．化學(xué)物質(zhì)致癌時(shí)，人體內(nèi)的自由基含量增加：近年來(lái)對(duì)于自由基與癌的關(guān)系開(kāi)展了較多研究，認(rèn)為活性氧可使致癌前身物轉(zhuǎn)變?yōu)橹掳┪?，也可使磷脂膜上的脂肪酸發(fā)生變化，從而觸發(fā)癌變。O2-·對(duì)人體細(xì)胞的毒害是明顯的，但人體自身具有一套清除活性氧的防御體系：人體中超氧化物歧化酶的存在，就能催化 '轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)氧化氫(H2O2)和氧(O2)，而H2O2則由過(guò)氧化氫酶催化分解為H2O和O2。人體中這些酶的存在保護(hù)著肌體免受損傷。,.,