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人體中的化學反應,.,生命起源于化學，經過十幾億年漫長的化學進化時期以后才出現(xiàn)原始生命物質——單細胞生物，然后又經歷了30多億年的生物進化時期，大約在300萬年前地球上出現(xiàn)了原始人類。人是高等動物，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，人體本身就是一個復雜的化工廠，人體中的元素組成了人體中重要的生命物質，并在人體內進行著眾多的化學反應，維持正常的新陳代謝，一旦人因故死去，人體中的化學反應仍在繼續(xù)進行著。,.,一、人體中的化學元素,地球上存在92種穩(wěn)定的化學元素，它們分布在自然界中巖石圈、水圈、大氣圈：人類在漫長的生物進化過程中，在地面的巖石圈、水圈、大氣圈構成的環(huán)境中生活，必須與環(huán)境進行物質交換，于是有選擇地吸收了幾十種化學元素構成人體有效的機制，賴以維持生命。用現(xiàn)代分析測試技術對人體組成進行分析，知道人體至少由37種化學元素組成。,.,例如: 人體中的骨骼、牙齒不能沒有鈣; 人體中的脂肪、糖、蛋白質、酶、核酸都含碳、氫、氧、氟、硫、磷等元素構成的生命有機化合物; 人體中有許多化學反應需要酶來催化的，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； 人體內體液中需要有電解質，氯化鉀、氯化鈉是良好的電解質，因此，體液中不可缺失鉀離子(K+)、鈉離子(Na+)和氯離子(C1-)； 再如： 人體缺鐵會患貧血癥，缺硒會患克山病、大骨節(jié)病，缺碘會患甲狀腺腫，并導致人的智力障礙等。,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，它們占了人體質量的99.71%，其中氧特別多，一般估計人體內水分占了2/3的體重，所以說水是生命不可缺失的物質，沒有水就沒有生命。 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，后來又發(fā)現(xiàn)碘、釩、氟、硅、鎳 等，至今已確認14種微量元素為動物和人所必需。這14種微量元素中10種為金屬元素，含量雖低，但它們在人體內都有固定的環(huán)境，往往同蛋白質、核酸、酶結合，在生命過程中發(fā)揮特殊的功能：有的可以在觸發(fā)與控制機制中發(fā)揮作用；有的在結構中起作用；有的可以作為人體中化學反應的催化劑；有的可以作為氧載體等。,.,自然界可劃分為4個圈層：大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈，如圖2-1所示。生物圈中的植物、動物和人類在大氣圈、水圈、巖石圈構成的環(huán)境中生存發(fā)展，與各圈層之間存在物質交換和能量交換。,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)生物是可以通過二氧化碳和水在葉綠素和太陽光的作用下進行光合作用產生糖而得到養(yǎng)分，其化學反應式可表示如下：,人體內元素的來源,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)分和能量的來源。人類作為高等動物當屬異養(yǎng)生物。綠色植物、藻類是兔、牛、羊、馬等大小動物的食物，而這些食草動物又是食肉動物的食物，食肉動物則成為人類的食物，人死了，尸體被細菌和真菌等微生物分解，這就構成了自然 界中的生物圈。食物和捕食者之 間這一系列的關系，人們稱之為 食物鏈。人類作為捕食者是處在 食物鏈的末端，食物鏈中各級植 物和動物逐級積累的各種元素， 最后都以食物的形式進入人體， 這是人體內化學元素的主要來源。 圖2-2示出生物圈的粗略結構。,.,二．人體中的化學反應,生命不息，人體的一切活動都需要能量來維持，人體能量的來源是糖、蛋白質和脂肪。一個健康的人通過一日三餐進食米飯、肉、蛋、魚、青菜、水果，它們都轉化為糖、蛋白質，脂肪、維生素等，這些有機化合物在人體內進行氧化分解，最后生成二氧化碳和水，同時釋放出熱能供人體活動需要，這種作用稱為生物氧化，生物氧化過程涉及許多化學反應。人體內存在多種微量金屬元素，它們大都是過渡金屬，這些金屬元素能與蛋白質結合形成金屬酶，是一類生物催化劑，能加速體內化學反應的進行。微量金屬元素不但對維持生物大分子的結構至關重要，而且還廣泛參與各種生命過程，在人體內的物質輸送，信息傳遞、生物催化和能量轉換等方面起著十分重要的作用。,.,1．人體中化學反應的特點 人體中的化學反應都是在常溫常壓、接近中性溫和條件下進行的，但化學反應的速度特別快，這是人體中化學反應的特點。 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調控在37℃左右呢？將糖、蛋白質、脂肪氧化會放出大量熱能，但是這類氧化反應在實驗室里進行與在人體內進行是不一樣的。人體內的生物氧化反應是在溫和條件下、在酶的催化下逐步進行的，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體，又可以使能量得到最有效的利用。除此外，人體內還有完善的調控機制，當體內發(fā)生生物氧化反應時，必定伴隨著發(fā)生磷酸化反應。體內的二磷酸腺苷(ADP)分子與磷酸分子反應形成三磷酸腺苷(ATP)分子，這是個吸熱反應。人體內生物氧化反應與磷酸化反應是偶聯(lián)進行的，生物氧化反應放出的能量，可以通過ADP分子的磷酸化把能量吸收，并貯存在ATP分子內。當人體需要能量時，能量分子ATP通過水解變?yōu)锳DP分子，同時放出能量，供人體需要。正是由于這么完善巧妙的機制，人的體溫是完全可以自動調節(jié)。這類水解反應是在特定的酶催化下進行反應的，所以速度很快。,.,2．催化反應 如果你在吃飯時，把米飯放在嘴里多嚼一會，你會感覺到有甜味出來。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，多糖轉變?yōu)辂溠刻恰⒄崽堑扔刑鹞兜奶?，這種作用稱催化作用。多糖水解反應的反應速度本來沒有那么快，但在唾液淀粉酶的作用下，反應速度大大加快，唾液淀粉酶成為多糖水解反應的催化劑。催化劑的特點是能加快化學反應的速度，但不影響化學反應的平衡位置。 催化劑為什么能加快化學反應的速度呢?原因是催化劑可以降低化學反應的活化能?；瘜W反應的實質是化學鍵的重組，首先原料分子的化學鍵要斷開，形成新鍵后則產生產物分子。斷鍵時要吸收能量，形成新鍵則放出能量。假設反應的原料分子為A和BC，產物分子為AB和C，在反應過程中某個瞬間處于過渡狀態(tài)，此時原料分子的化學鍵未完全斷裂，新鍵也未 完全形成．這種過渡狀態(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的活化能， 加快了反應速度。,.,催化劑的另一個特點是有選擇性，一種催化劑只能催化某一種化學反應。有人估計人體內有數(shù)千種化學反應，科學家已經發(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反應，因此，人體內存在一個極其復雜而饒有興趣的催化體系，研究清楚這個催化體系，有利于人們進一步了解生命的奧秘。,3．生物氧化反應 人體內進行生物氧化反應需要氧氣，人是通過呼吸從空氣中得到氧。據(jù)統(tǒng)計平均來說，每個人每天大約需要8×103kJ的能量來維持生命，這就需要450升氧氣來氧化進食的食物。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，靠這種溶解氧是無法滿足生物氧化反應對氧的要求。然而生物體在長期的進化過程中發(fā)展了氧載體，所謂氧載體是指氧可以配位在蛋白質所含的過渡金屬離子上，形成配位鍵，這種配位反應是可逆的，氧可以配位上去，也可以下來。,.,在節(jié)肢動物和軟體動物中，載氧的過渡金屬離子是銅，而在人體中是鐵。人體內血紅蛋白含鐵，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個配位原子相結合，其中4個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胞和部 位，此時氧分子從Fe(Ⅱ)上下來，與生 物有機分子發(fā)生生物氧化反應。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9× 103 mol·L-1，相比之下，血液載氧是 水的30倍。,.,4．酶促化學反應 酶是具有催化作用的蛋白質，主要由氨基酸組成。有些酶還需要有非蛋白質成分(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，生物體代謝過程中的化學反應幾乎都在酶的催化下進行。酶的催化效率極高，酶促反應的速率可比非催化反應的速率高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。另外，酶促反應一般都在溫和條件下進行。正由于酶促反應具有高效率、專一性和在溫和條件下進行的特點，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，催化過氧化氫分解的稱為過氧化氫酶等。一些氧化還原酶，因為氧化還原反應是一切生命過程的基礎，氧化還原酶是氧化還原反應的有效催化劑，處于酶中的金屬離子利用它在兩種氧化態(tài)之間的往復轉變，催化底物發(fā)生氧化還原反應。水解反應是生物體內發(fā)生的另一類重要反應，當食物進入人體消化道后，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 從人的紅血細胞提取出來的碳酸酐酶含259個氨基酸殘基和一個Zn(Ⅱ)離子，若設法除去Zn(Ⅱ)離子，得到的酶蛋白沒有催化活性，如果重新加入Zn(Ⅱ)離子，則酶的催化活性得到恢復，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，水合速率達106s-1，即1mol酶在37℃時每秒鐘能使106個CO2分子發(fā)生水合作用。如果沒有酶的催化，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 的運送。已有人提出把碳酸酐酶用于潛艇，以控制艇內人員呼吸釋放的CO2濃度。據(jù)統(tǒng)計一個正常人處于靜態(tài)時，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，利用艇內人員呼出的CO2，經過生物轉化產生O2，則在解決CO2濃度控制的同時，還可解決艇內人員的供氧問題，使艇內的CO2和O2能維持平衡。 超氧化物歧化酶 超氧化物歧化酶簡稱SOD，在人體內的SOD有兩種，一種是Cu、Zn-SOD，主要存在細胞液內；另一種為Mn-SOD，存在于除紅血細胞外所有細胞的線粒體和細胞液中。從牛血細胞提取的SOD研究得較多，由151個氨基酸殘基與一個Cu和一個Zn組成一個亞基，再由兩個相同的亞基組成SOD。這種SOD能催化超氧離子自由基O2-·發(fā)生歧化反應，可以清除對肌體細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生水合電子e-(aq)、H·和OH·，e-(aq)和O2反應便產生O2-· 。體內一些酶反應過程也會產生O2-·，某些物質自身氧化時也會有O2-·釋放出來。一個人每天產生多少O2-·尚不太清楚，但有實驗表明．化學物質致癌時，人體內的自由基含量增加：近年來對于自由基與癌的關系開展了較多研究，認為活性氧可使致癌前身物轉變?yōu)橹掳┪铮部墒沽字ど系闹舅岚l(fā)生變化，從而觸發(fā)癌變。O2-·對人體細胞的毒害是明顯的，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 '轉變?yōu)檫^氧化氫(H2O2)和氧(O2)，而H2O2則由過氧化氫酶催化分解為H2O和O2。人體中這些酶的存在保護著肌體免受損傷。,.,