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第1页：第11章无机元素的生物学效应生物分子细胞

第11章无机元素的生物学效应生物分子细胞生物元素无机元素的生物学效应

第2页：(1)简单阴离子如F－、

(1)简单阴离子如F－、

• 11.1 生物分子一个活的机体必须具有信息传递、生殖、新陈代谢、调节和适应环境等功能。
• 从化学角度上看，这些功能无非是生物分子之间有组织的化学反应的表现，无机元素的生物学效应大多是通过与生物分子的相互作用而发生的。
• 在大多数情况下，金属元素在生物体内不以自由离子形式存在，而是与配体形成生物分子金属配位化合物。
• 因此，在本质上金属元素与生物分子的作用都属于配位化学范畴。
• 那些存在于生物体内、具有生物功能并与金属配位的配位体称为生物配体。
• 生物配体大体可分为三类：(1)简单阴离子如F－、Cl－、Br－、I－、OH－、SO42－、HCO3－和HPO42－等；
• (2)小分子物质如水、氢气、氨、卟啉、咕啉、核苷酸和氨基酸等；
• (3) 大分子物质如蛋白质、多糖和核酸等。

第3页：氨基酸

氨基酸

• 11.1.1 氨基酸、多肽和蛋白质蛋白质是是由L型的α－氨基酸通过肽键－CONH－组合而成。
• 蛋白质可降解为较小的肽，肽进一步水解成为氨基酸。
• 在氨基酸分子HOOC－CH－R中，侧链R可以是羟基、巯NH2基、苯环、烃基和杂环等。
• 正是具有不同特征侧链的氨基酸的不同排列顺序，才形成了各种各样的具有不同生物功能的蛋白质。
• 一个氨基酸的α－羧基与另一氨基酸的α－氨基通过脱水缩合形成而使两个氨基酸连接起来：R2

第4页：由两个氨基酸形成的化合物称为二肽

由两个氨基酸形成的化合物称为二肽

• 由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫多肽。
• 蛋白质就是由成百上千个氨基酸通过肽键连接起来的多肽链。
• 多肽链中相当于氨基酸的单元结构称为氨基酸残基。
• 一个氨基酸至少有两种可电离的基团——氨基和羧基。
• 它们通常形成两性离子。
• 在多肽和蛋白质分子中，除相邻氨基酸残基之间所形成的肽键之外，还有末端－NH3＋基和－COO－基及侧链基团。
• 这些基团都有能键合金属离子的活性。
• 这是金属离子通过蛋白分子发挥自身生物学效应的基础之一。

第5页：因此研究蛋白质的结构与功能的关系

因此研究蛋白质的结构与功能的关系

• 由于蛋白质在几乎所有的生物过程中都起着极其重要的作用，因此研究蛋白质的结构与功能的关系是从分子水平上去认识生命现象的一个重要方面。
• 从氨基酸到肽，体现了从量变到质变的飞跃，从简单的多肽到蛋白质又是一个飞跃。
• 蛋白质已不是一种简单的有机化合物。
• 蛋白质的分子量可高达l06，小的也在104以上。
• 蛋白质结构十分复杂，除氨基酸组成序列这种一级结构之外，还有更高级的二级、三级以及四级结构。

第6页：酶酶是一类特殊的具有专一催化活性的蛋白质

酶酶是一类特殊的具有专一催化活性的蛋白质

• 11.1.2 酶酶是一类特殊的具有专一催化活性的蛋白质。
• 通常按其所作用的底物的名称来命名，所谓底物是指与酶作用的化合物。
• 如催化H2O2分解的酶称为过氧化氢酶。
• 与人工催化剂相比，酶的催化效率高，具有高度的专一性，反应条件温和。
• 不同细胞内的酶系统不同，而且不同的酶系统又有不同的生物控制系统，从而保证了生物体内的反应在规定部位按规定程序和规定程度进行，确保生命活动的高度有序性。

第7页：酶分为两类

酶分为两类

• 酶分为两类：单纯蛋白酶；
• 前者只含蛋白质；
• 后者由酶蛋白和辅基(或辅酶)两部分所组成。
• 酶蛋白指的是酶分子中的蛋白质部分；
• 辅基或辅酶是酶中的非蛋白质部分，它们可以是一些小分子的有机物或金属离子，如维生素B12、血红素、Zn2＋等。
• 辅基与酶蛋白结合牢固，不易分离；
• 而辅酶与酶蛋白结合疏松，用透析的方法就可使其分离。

第8页：3 需要金属离子参与才能充分发挥它们

3 需要金属离子参与才能充分发挥它们

• 在已发现的3000多种酶中，有1/4至1/3需要金属离子参与才能充分发挥它们的催化功能。
• 按照酶对金属亲合力的大小，可以将这些酶划分为金属酶和金属激活酶。
• 金属酶中的酶蛋白与金属离子结合得比较牢固且金属离子处于酶的活性中心。
• 金属激活酶与金属离子的结合不如金属酶牢固，且金属离子不在酶的活性中心处。
• 在提取分离过程中，金属酶一般不会发生金属离子的解离丢失现象，而金属激活酶则常要发生金属离子的解离。
• 金属离子丢失会导致酶活性消失，不过在加入适当金属离子后，酶的活性一般可以重新获得。

第9页：(1)固定酶蛋白的几何构型

金属离子在活化各种酶时的功能大致可以归结为：(1)固定酶蛋白的几何构型，以保证只有特定结构的底物才可与之结合；(2)通过与底物和酶蛋白形成混合配合物而使底物与酶蛋白相互靠近，从而有助于酶蛋白发生作用；(3)在反应中作为电子传递体，使底物被氧化或被还原。

第10页：1 锁钥学说锁钥学说认为酶与底物的关

二酶的作用机理学说1锁钥学说锁钥学说认为酶与底物的关系如同锁和钥匙的关系一样。酶分子像一把锁，而底物像一把钥匙。当酶和底物的空间构像正好能相互完全弥合时，才能像钥匙将锁打开一样，产生相互作用。这种比喻一方面说明了酶催化的专一性，另一方面也说明了酶与其作用的底物之间的复杂空间关系。

第11页：2 诱导契合学说诱导契合学说认

2 诱导契合学说诱导契合学说认

• 2诱导契合学说诱导契合学说认为，酶的结合部位(活性中心)的空间构像和底物的空间构像，在它们结合以前，并不是互相弥合得很好。
• 但它们一旦以一个结合点结合后，会引起其他结合点的空间位置发生变化，使它们能与底物的对应部分充分结合。
• 即酶在与底物的结合的过程中经过了一个诱导——空间构像改变——契合这样一个连续的过程。
• 锁钥学说与诱导契合学说的本质区别在于:锁钥学说认为酶的构像是始终不变的，即活性中心被假设为预先定形的，像锁一样，具有刚性；
• 诱导契合学说则认为酶的活性中心是柔性的，具有可塑性或可变性，刚中有柔。
• 在诱导契合学说看来，酶的活性中心起始时可能并不完全适合于底物分子的构像，但其可以被底物的诱导而发生变化，形成一种对底物结合部位完全互补的空间构像。

第12页：核酸及其相关化合物核酸

核酸及其相关化合物核酸

• 11.1.3核酸及其相关化合物核酸是生物遗传连续性及性状表达的基础，与蛋白质一起构成了生命存在的物质基础。
• 从化学结构上讲，核酸是由嘌呤和嘧啶碱基、糖以及磷酸所组成的大分子化合物。
• 根据结构中戊糖2'位有无氧原子而将核酸区分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。
• 脱氧核糖核酸(DNA)由腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶以及胸腺嘧啶等碱基和脱氧核糖组成。
• 核糖核酸(RNA)则是由腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶等碱基和核糖组成。

第13页：腺嘌呤和鸟嘌呤9位的N[一般用

腺嘌呤和鸟嘌呤9位的N[一般用N(9)表示]，胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶的N(l)与核糖(或脱氧核糖)相结合，构成核苷，核苷再与磷酸形成核苷酸。碱基为腺嘌呤时的核苷酸结构如上图所示。

第14页：核酸中，糖环上

核酸中，糖环上

• 核酸中，糖环上的C(5')羟基及相邻核苷酸C(3')羟基与同一磷酸分子形成磷酸酯，依次延续，形成一条长链。
• 真正的DNA分子是由两条多核苷酸长链彼此互补，以双螺旋结构形成的。
• DNA是遗传基因携带者。
• 当DNA分子中的脱氧核糖以核糖代替，胸腺嘧啶以尿嘧啶代替，即成为RNA。
• 从生物机能上看，RNA有核糖体RNA、信使RNA和转移RNA之分，在生命过程中各自都有其重要作用。
• 从化学观点看，上述生物分子中都存在有良好的配位环境，因而在体内作用过程中，往往涉及到对无机离子的结合或争夺。

第15页：细胞生命的本质是一系列化学反应

11.2 细胞生命的本质是一系列化学反应，这些反应与其他化学反应在本质上没有区别。但是在生命过程中的反应是高度有序的组合。正是这些有序组合的化学反应才使得生命得以存在，才能实现由低级运动形式向高级运动形式的转化。

第16页：细胞中反应物的流入和生成物的流出

细胞中反应物的流入和生成物的流出

• 从某种意义上讲，细胞就像一个微反应器，细胞膜——反应器壁——起着一种间隔作用。
• 反应器的行为被细胞膜所控制。
• 一些外界的刺激，如神经冲动和某些由腺体分泌而来的特殊的化学物质，能够影响细胞膜的行为。
• 细胞中反应物的流入和生成物的流出取决于细胞膜和细胞成分的特性。
• 对于不同的物质胞膜具有不同的选择性通透，从而决定了这些离子的分布和功能。
• 如s区金属离子，由于胞膜的作用，Mg2＋和K＋集中于细胞之内，参与胞内变化过程；
• 而Ca2＋却被排斥在胞膜之外，使得Ca2＋被利用来作为牙齿、骨骼、壳体中的结构因素及胞外酶的活化剂。

第17页：生物元素11.3.1 分类已

生物元素11.3.1 分类已

• 11.3 生物元素11.3.1 分类已发现约30种元素与生物界的生存和发展关系密切。
• 人们将这些元素称之为生物元素。
• 根据体内功能的不同，又可将生物元素分为必需元素、有益元素及有害元素。
• 对元素在生物体中作用的“定位”是与生物体在自然进化过程中对元素的选择与演化的结果。
• 例如，经过分析比较，生物必需元素在血浆中的百分组成与海水组成类似，从而强有力地支持了生命起源的海滩学说。

第18页：所谓必需元素

所谓必需元素

• 所谓必需元素是指维持生命正常活动不可缺少的元素，必需元素符合下述几个条件：①存在于生物的所有健康组织中；
• ②在每个物种中有一个相对恒定的浓度范围；
• ③从体内过多排出这种元素会引起生理反常，但再补充后生理功能又恢复。
• 目前已发现的必需元素大致有18种。
• 必需元素又可分为宏量元素和微量元素两类。
• 有益元素是指那些存在不足时，生物体虽可维持生命但相当孱弱的元素。
• 已发现的有益元素大致有8种。
• 有害元素是指因环境污染或饮食不洁而进入生物体内的元素，常见的有铅、镉、汞等，它们的存在往往有害于生物体正常功能的发挥。
• 还有约20～30种元素在生物体内也普遍存在，但存在浓度差别很大，生物学作用还不十分清楚，将这些元素称为沾污元素。

第19页：下表列出人体必需元素及有益元素

下表列出人体必需元素及有益元素在周期表中的分布。人体必需的元素及有益元素常量元素微量元素

第20页：相信随着人们认识水平和仪器测试水平的提高

需要指出的是，必需元素与有益元素、有害元素之间并不存在截然的界限，相信随着人们认识水平和仪器测试水平的提高，生物元素的概念和内容还将不断修正和发展。事实上，许多元素在适当浓度、适当范围内对生物体是有益的，但当越过某一临界浓度时就有害了。它们完全遵循从“量变”到“质变”的事物发展规律。

第21页：将生物元素与周期表联系起来分析是很有趣

将生物元素与周期表联系起来分析是很有趣

• 将生物元素与周期表联系起来分析是很有趣的：构成生物体的11种宏量元素(C、H、O、N、S、Ca、P、K、Na、Cl、Mg)的原子量都非常小，全部属于原子序数小于20的轻元素，而且都是主族元素。
• 其中，C、H、O、N、P和S是组成生物体内蛋白质、脂肪、碳水化合物和核糖核酸的主要元素；
• Na、K、Cl是组成体液的重要成分；
• Ca是骨骼的主要组成部分。

第22页：种必需微量和痕量元素非金属元素有6种

种必需微量和痕量元素非金属元素有6种

• 18种必需微量和痕量元素非金属元素有6种(F、I、Se、Si、As和B),金属元素12种(Fe、Zn、Cu、Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、Sn和Pb)。
• 属于d区元素的有8种金属元素，其中7种集中于第一过渡系，第二过渡系只有钼为必须元素。
• 有人认为生物以钼作为必须元素，是因为生命起源于海洋，而在海洋中钼的存在量较其他重金属多得多。
• 微量和痕量元素约占人体总质量的0.05％。

第23页：生命必需微量元素与这些宏量元素之间

生命必需微量元素与这些宏量元素之间

• 生命必需微量元素与这些宏量元素之间以钙为分界线，只有硼、氟与硅例外，它们虽属必需微量元素，但原子序数也在20之内。
• 原子序数大于34(Se)的仅有钼、锡、碘3种必需微量元素。
• 原子序数大于53(I)的39种元素，至今从未发现有什么生理意义。
• 从钒到锌这8种过渡金属元素对于高等动物来讲是必需的元素，它们既是多种金属蛋白的组成成分，也是金属酶的组成成分。
• 原子序数介于23～34之间的两个元素镓和锗的生命必需性正在证实中，已有不少资料表明锗的某些化合物对于延年益寿、防病治病具有十分神奇的功效。
• 同样，对于原子序数为35的溴的必需性也在研究中。

第24页：镧系元素在生物体中含量甚微

镧系元素在生物体中含量甚微，对它们的生物功能了解得也很少，但大量的实验事实表明镧系离子和许多生物大分子或小分子都有不同程度的结合力，对生物体内多种酶具有激活和抑制作用，对机体许多疾病有不同程度的防治作用。

第25页：最适营养浓度定律法国科学家

最适营养浓度定律法国科学家

• 13.3.2 最适营养浓度定律法国科学家在研究了锰元素对植物生长的影响后，提出了最适营养浓度定律。
• 内容是，植物缺少某种必需元素时就不能成活，当该元素含量适当时，植物就能茁壮成长，但过量时又会影响植物的生长。
• 最适营养浓度定律也适用于人类。
• 例如，硒是一种重要的生命必需元素，每人每天摄取10－4g较为适宜，若长期日摄入低于5×10－5g可引起癌症、心肌损害及贫血等疾患，而过多摄入又可导致腹泻和神经官能症等毒性反应。

第26页：ABCDE元素浓度健康程度G人体健康与元

ABCDE元素浓度健康程度G人体健康与元

• ABCDE元素浓度健康程度G人体健康与元素浓度的关系曲线左图为人体健康与元素浓度的关系曲线，实线表示必需元素对人体健康状况的影响，虚线表示有害元素对人体的影响。
• 图中的第一个峰反映人的一生中起重要作用的最佳营养状况；
• 第二个峰表示在一个短暂的时期(如几天)内的情形(如药物作用)，它表示一些元素(包括必需元素和有害元素)过量时，在一定范围内对某些疾病有治疗作用。
• 图中的D看作是一个分界线，D的左边是对健康人而言的，D的右边是对某些病人而言的。
• 图中右边的E点是极限浓度，表示由于元素过量将引起死亡。
• 如果某种必需元素明显减少或缺乏，人体就会出现某种病症(图中的AB段)；
• 保证人体健康的最适浓度是图中的BC段；
• 从C到D表示元素过量或“超过需要量”，这将引起人体健康状况恶化。
• 从D到E表示元素能促进体内某种防护机能，如阻碍肿瘤细胞的繁殖，促进伤口愈合等。

第27页：无机元素的生物学效应11.4.1 金属元

无机元素的生物学效应11.4.1 金属元

• 11.4 无机元素的生物学效应11.4.1 金属元素的生物学作用特点金属元素在生命过程中发挥着重要作用，但就作用类型来讲，主要可概括：为对体内生理生化过程的触发和控制作用；
• 对蛋白质等生物大分子的结构调整、改变其反应性的作用；
• 接纳电对作为Lewis酸对体内生化反应发挥催化作用；
• 参与体内电子传递过程、促进体内有氧代谢过程的完成等。

第28页：主族元素的生物学效应生命必需元素各有不同

主族元素的生物学效应生命必需元素各有不同

• 11.4.2 主族元素的生物学效应生命必需元素各有不同的生物学作用，健康的机体要求这些元素不仅要存在于机体内，而且还必需在恰当的部位、以恰当的量和恰当的氧化态同恰当的结合对象相结合。
• 在26种生命必需元素中，有17种为主族元素，其中的主族非金属元素是机体结构分子如蛋白质、碳水化合物、脂肪及负责能量贮存和传递的ADP和ATP等的主要成分，其生物功能通过这些生物分子而体现。
• 其余主族生命必需元素，主要为Na＋、K＋、Mg2＋、Ca2＋(和Cl－)等，它们常常以自由移动的离子形式存在，维持着体液和细胞中的电荷平衡，维持血液和其他体液系统离子强度等作用。

第29页：钠和钾Na＋和K＋都具有稳定的壳层结构

1 钠和钾Na＋和K＋都具有稳定的壳层结构，它们给生物体系提供电解质环境维持体液的酸碱平衡参与某些物质的吸收等方面都具有重要的作用。它们与配体之间的作用多是静电相互作用，一般不具有强的配合作用，但有强的键合需求。它们是硬阳离子，对含氧配体具有强的亲合性，大环配体或蛋白质可与之配合形成稳定的结合体。

第30页：(1)保持神经肌肉的应激性K＋和Na＋承

(1)保持神经肌肉的应激性K＋和Na＋承

• 钾和钠的生物功能包括：(1)保持神经肌肉的应激性K＋和Na＋承担着传递神经脉冲的功能。
• 由于“钠泵”的作用，细胞内K＋的浓度大于细胞外K＋的浓度，胞内Na＋的浓度则小于细胞外的浓度。
• 在一般情况下，细胞膜的“钾通道”开启，K＋通过细胞膜扩散到胞外，致使膜外带正电，膜内带负电，形成膜电位。
• 而当神经肌肉兴奋时，“钠通道”开启，对Na＋有更大通透性，Na＋通过细胞膜扩散到胞内，使膜外带负电。
• 这样，兴奋部位的膜和未兴奋部位的膜间就产生了称作动作电位的电位差。
• 这种动作电位在神经传递信号以及肌肉对刺激的反应中起着支配作用。

第31页：K＋、Na＋扩散与离子泵化作用

K＋、Na＋扩散与离子泵化作用

• K＋、Na＋扩散与离子泵化作用而释放出磷酸化的磷酸蛋白质(PP)和K＋离子，同时ATP转化为磷酸腺甙(ADP)。
• PP易于同Na＋结合，并将Na＋带到膜外，在那里发生去磷化作用生成原来的磷酸蛋白并释放出Na＋。
• 离子泵的能量来源于ATP→ADP的变化过程。
• 在每次循环中，ATP可搬运三个Na＋出细胞和2个K＋(或H＋)进细胞。
• 伴随3个Na＋的排出和2个K＋的进入，一个多余的正电荷运到了胞外。
• 这样就在膜的内、外产生了一个电荷梯度，膜电位因而就形成了。
• “钠泵”又称离子泵，一般认为其作用机制主要涉及磷酸蛋白质和三磷酸腺甙与钾形成的化合物的交互作用。
• 磷酸蛋白质与钾形成的化合物(KP)比与钠形成的化合物稳定。
• KP通过膜进入细胞内，经三磷酸腺甙(ATP)的磷酸

第32页：(3) 维持体液酸碱平衡体液中任何一种酸

(3) 维持体液酸碱平衡体液中任何一种酸

• (3) 维持体液酸碱平衡体液中任何一种酸性物质或碱性物质过多，都会导致酸碱平衡失调，体液酸碱性的相对恒定对保证正常的物质代谢和生理机能有十分重要的意义。
• 由K＋或Na＋参与的各种缓冲体系是调节体液酸碱平衡的重要因素。
• (2) 保持一定的渗透压渗透压的变化将直接影响肌体对水的吸收和体内水的转移，保持一定的渗透压是肌体正常生命活动的需要。
• K＋和Na＋对维持和调节体液渗透压有重要作用。
• 当细胞外K＋或Na＋离子浓度升高时，水由胞内转移到胞外，引起细胞皱缩；
• 相反，水由胞外转移到胞内而引起细胞肿胀。

第33页：(4) 参与某些物质的吸收过程

(4) 参与某些物质的吸收过程

• 体液中的Na＋可参与氨基酸和糖的吸收。
• 虽然，Na＋的主要作用在于维持渗透压和膜电位，但细胞内Na＋的排出也与氨基酸和糖类进入细胞的传递过程相关联。
• K＋的离子半径较Na＋大，但电荷密度较Na＋小，因而具有扩散通过疏水溶液的能力，如K＋离子扩散通过脂质蛋白细胞膜几乎与扩散通过水一样容易。
• 同时，K＋离子作为某些酶的辅基，也具有稳定细胞内部结构的作用。
• 如糖分解所必需的丙酮酸激酶就需要高浓度的K＋，而此酶却被Na＋所抑制。
• 在核糖体内进行蛋白质合成是最关键的生命过程，为了获得大的活性，也需要高浓度的K＋。
• (4) 参与某些物质的吸收过程

第34页：钙和镁钙和镁

钙和镁钙和镁

• 2钙和镁钙和镁在整个细胞新陈代谢过程中起着各种重要的结构稳定作用和催化作用。
• 像Na＋和K＋一样，Ca2＋和Mg2＋也有助于维持膜电位差，并负责传递神经信息。
• 这两种金属离子在脂蛋白质中桥联邻近羧酸根从而强化了细胞膜。
• 事实上，在没有Ca2＋的情况下细胞膜将成为多孔状。
• 这两种离子也在像多磷酸盐这样的弱碱中心上作为催化剂使用。

第35页：钙也作为细胞外酶的辅

钙也作为细胞外酶的辅

• 首先，钙可作为信使，在传递神经信息、触发肌肉收缩和激素的释放、调节心律等过程中都起重要作用。
• 钙之所以能作为信使，是因为它的浓度可敏捷地对外部刺激作出响应。
• 这种变化由肌钙蛋白C所控制，肌钙蛋白C引发Ca2＋键合于其上，导致Ca2＋的浓度变化。
• 第二，Ca2＋是形成多种酶所必不可少的一部分。
• 如在胰蛋白酶中，3个Ca2＋存在于三个结构区域，其中一个Ca2＋处于蛋白质表面因而具有催化作用。
• 钙也作为细胞外酶的辅因子参与了体内许多重要的生理过程，如血液凝结、乳汁分泌等。
• Ca2＋具有的多样性生物功能：

第36页：第三，钙

第三，钙

• 第三，钙在体内最主要的作用是作为骨头、牙齿及外壳中羟基磷灰石的组成部分。
• 羟基磷灰石的近似组成可表示为[Ca3(PO4)2]3·Ca(OH)2，在生理pH值条件下是难溶性的。
• 体内对钙的沉积有一个非常好的控制办法，就是将沉淀作为骨质或壳体材料通过血流转移到适当区域沉积下来。
• 第四，参与体内凝血过程。
• 当机体组织或血管壁受到损伤时，血液流出管外，血液凝固成块，起到止血作用。
• 因此从某种意义上来看，血液凝固是机体自身的一种保护性生理过程。
• 在这些过程中都有Ca2＋离子的参加。
• 因此，如果能够设法除去血液中的Ca2＋离子就能永远防止凝血。
• 如柠檬酸钠可与血浆中的Ca2＋形成不易电离的可溶性配合物柠檬酸钠钙，因而降低了血浆中游离态Ca2＋离子的浓度，故在临床上输血时常用柠檬酸作为抗凝剂。

第37页：镁是一种细胞内部结构的稳定剂和细胞内酶

镁是一种细胞内部结构的稳定剂和细胞内酶

• 镁是一种细胞内部结构的稳定剂和细胞内酶的辅因子。
• 细胞核酸以镁配合物的形式存在。
• 由于镁倾向于与磷酸根结合，所以镁对DNA复制和蛋白质生物合成是必不可少的(近年发现白血病患者体内Mg含量较低)。
• 镁在绿色植物的光合作用中也有着非常重要的作用。
• 叶绿素分子中Mg2＋离子扮演着结构中心和活性中心的作用。
• 叶绿素能吸收可见光中的红光(680nm)，为光合作用提供能量。
• RR’叶绿素a：CH3C20H39叶绿素b：CHOC20H39C20H39:叶绿基Mg2＋－叶绿素分子

第38页：3 硒硒是一种毒性较大的元素

3 硒硒是一种毒性较大的元素

• 3 硒硒是一种毒性较大的元素。
• 但硒以低浓度存在时，有助于防止肝坏死，并能促进人和动物的生长。
• 由此才将其列为一种必需微量元素。
• 近三、四十年来，人们逐渐认识到了微量硒对生命过程的重大作用。
• 例如，血液中红细胞所含血红蛋白是一种铁蛋白，这种铁蛋白只有在所含铁处于＋2价时才具有载氧活性，但这种铁蛋白与过氧化氢相遇后，很易氧化为高铁血红蛋白，铁血红蛋白，从而失去载氧活性。
• 在谷胱甘肽过氧化物酶存在时可有效防止过氧化氢对亚铁血红蛋白的破坏，而硒是谷胱甘肽过氧化物酶的活性中心。
• 近来的研究还表明，硒代半胱氨酸是多种酶辅基的必需成分。

第39页：4 碘健康成人体内含有约

4碘健康成人体内含有约15～20mg的碘，主要以甲状腺激素即甲状腺素和三碘甲状腺原氨酸的形式存在于甲状腺中。碘的代谢与甲状腺机能有密切关系。缺碘症状主要是甲状腺肿大、发育迟缓、生殖系统异常等。

第40页：(1)参与生物体内的氧化还原过程具有可变

(1)参与生物体内的氧化还原过程具有可变

• 11.4.3 副族元素的生物学效应(1)参与生物体内的氧化还原过程具有可变氧化态的过渡金属，如Fe(II、III)、Cu(I、II)、Co(I、II、III)、Mn(II、III)、Mo(IV、V、VI)等，常存在于与氧化还原过程有关的金属酶和金属蛋白的活性部位，参与生物体内的氧化还原过程。
• 作为生命必需元素的过渡金属离子在体内的浓度都很小，它们的许多确切作用还未被人们所知晓。
• 不过从化学的角度来讲，它们的生物功能可概括为三类:

第41页：2 价离子的配合物的稳定性也呈现出

2 价离子的配合物的稳定性也呈现出

• (2)作为Lewis酸过渡金属离子，由于体积小和电荷高，因而都是较强的Lewis酸，易接受底物的电子发生配位作用而使底物活化。
• 不同的金属离子有不同的路易斯酸强度，其强度随着金属离子电荷的增加和离子半径的递减而增大。
• 对于过渡金属来说，配位场强度等其他因素的影响也是重要的，因此＋2价离子的配合物的稳定性也呈现出Irving-Williams序列。

第42页：(3)稳定核酸构型近年来发现

(3)稳定核酸构型近年来发现

• (3)稳定核酸构型近年来发现，核酸的合成涉及到许多金属离子。
• 除主族金属Mg、Ca、Sr、Ba、Al外，还包括过渡金属Cr、Mn、Fe、Ni和Zn。
• 目前认为，这些金属都与核酸构型的稳定性有关。
• 已证明Zn可在DNA的两股间桥联，在Zn(II)存在时，即使DNA熔化，两股也不分开。
• 但Cu(II)的存在则能引起DNA的两股分离。

第43页：1 铁动物体内的铁大部分以与蛋白质相

1 铁动物体内的铁大部分以与蛋白质相

• 现就一些比较重要的过渡金属元素的生物学效应分述如下，内容主要涉及高等动物。
• 1铁动物体内的铁大部分以与蛋白质相结合的形式——血红蛋白、肌红蛋白、铁蛋白以及转铁蛋白等存在，以自由金属离子形式存在的量极少。
• 另外尚有不足1%的铁以细胞色素为主的其他血红素蛋白和黄素酶的形式存在。
• 血液中的铁主要以血红蛋白的形式存在于红细胞中，而在血浆中铁则以转铁蛋白形式存在。
• 转铁蛋白作为铁的传递体循环于血液中，在铁的代谢中起重要作用。
• 生物体内的天然氧载体具有可逆载氧能力，能把从外界吸入体内的氧气运送到各种组织，供细胞内进行维持生命所必需的各种氧化作用。
• 铁的存在是血红蛋白具有载氧功能的主要原因。

第44页：血红蛋白的中心

血红蛋白的中心

• 血红蛋白的中心是Fe2＋，六个配位原子依八面体排布，其中卟啉环中的四个氮原子沿赤道方向配位，而另一个分子的血红蛋白质肽链中的一个组氨酸氮原子和一个配位水分子中的氧原子则从轴向位置配位。
• 血红蛋白的结构该配位H2O容易与O2发生可逆的交换反应。
• 血液中的血红蛋白在肺部摄取O2，而将H2O替代下来，当血液流动时，结合了O2的血红蛋白被输送到身体的各个部位，在需氧的地方释放出O2，又将H2O交换上去，从而起到输送氧气的作用。
• 其他配位基团(如CN－、CO)也可交换到H2O的位置，因为他们的配位能力较O2强，不易为O2替代，故他们是剧毒的。

第45页：2 锌人体内大约共

2锌人体内大约共有18种含锌金属酶和14种锌激活酶。锌酶涉及到生命过程各个方面。例如碳酸酐酶是一种分子量高达30000的锌酶，它具有一系列的生物功能，包括光合成、钙化、维持血液pH值、离子输送和CO2交换等。该酶是目前所知道的催化效率最高的酶之一。碳酸酐酶活性部位示意图

第46页：碳酸酐酶具有一系列的生物功能

碳酸酐酶具有一系列的生物功能

• 碳酸酐酶具有一系列的生物功能，包括光合成、钙化、维持血液pH值、离子输送和CO2交换等。
• 例如，由该酶催化人体产生的CO2水合变为HCO3－，HCO3－离子随血液循环到达肺泡，又由碳酸酐酶催化它转化为CO2并排出体外。
• 在310K时，由碳酸酐酶催化的CO2的水合速率可达106mol－1·s－1(而通常情况下为7×l0－4mol－1·s－1)，因而该酶被认为是目前所知道的催化效率最高的酶之一。
• 其催化机制有人认为是：另有一些含锌酶则有助于控制从HCO3－形成CO2的速率以及消化蛋白质。

第47页：体内促进磷脂水解的磷酸酯酶的主要活性成分

体内促进磷脂水解的磷酸酯酶的主要活性成分

• 体内促进磷脂水解的磷酸酯酶的主要活性成分也是锌。
• 锌也是合成DNA、RNA和蛋白质所必需的，缺乏锌的大白鼠DNA、RNA和蛋白质的合成量降低。
• 此外，DNA合成时的基因活化过程也需要锌。
• 实验还证明，锌在加速伤口愈合、视网膜定位、视觉反应中起着重要作用。
• 羧肽酶是体内重要的肽水解酶，是一种典型的锌酶。
• 它对体内蛋白质的水解具有重要作用。
• 缺乏锌时该酶活性降低，但补充锌后活性又可恢复。
• 体内许多脱氢酶，如乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶等都是锌酶。

第48页：3 铜体内大约

3 铜体内大约

• 3铜体内大约有12种含铜酶。
• 这些含铜酶具有从铁的利用到皮肤的着色等多种生物学效应。
• 红血球中的铜60%以上以血球铜蛋白的形式存在，血球铜蛋白也被称为为超氧化物歧化酶(SOD)。
• 该酶分子中含有两个铜离子和两个锌离子，铜离子是催化中心，锌离子只起次要的结构作用。
• SOD有防御氧阴离子自由基的毒性、抗辐射损伤、预防衰老以及防止肿瘤和炎症等重要作用。
• 血浆中的铜，大多以血浆铜蓝蛋白的形式存在，血浆铜蓝蛋白是分子量约为16万的α2-球蛋白。
• 它是一种与铁代谢过程有关的氧化酶。
• 在软体动物和甲壳类动物的血液中，存在含铜的呼吸色素蛋白——血蓝蛋白。
• 血蓝蛋白和脊椎动物的血红蛋白一样与分子氧相结合，发挥氧载体的作用。
• 铜缺乏时，新生儿会表现出运动失调症状，毛发色素也会缺乏，羊毛的角化和骨的形成也会受到影响。

第49页：4 钼钼在动物生长中的必需性是

4钼钼在动物生长中的必需性是在1953年被证明的。实验发现黄素酶(黄嘌呤氧化酶)是含钼的金属酶，其活性受钼支配。此外，生物体内的醛氧化酶、硝酸盐还原酶、亚硫酸氧化酶、固氮酶等都是含钼的金属酶。

第50页：固氮酶是由铁蛋白和钼铁蛋白构成

固氮酶是由铁蛋白和钼铁蛋白构成

• 固氮酶是由铁蛋白和钼铁蛋白构成的。
• 在这些蛋白中,Fe、S、Mo都是功能元素。
• 通过模型化合物的研究发现：Fe、Mo蛋白的结构是由组成为MFe3S3的两个开口“网斗”口对口地被三个S原子相桥联。
• 图中上半部口朝下的那个MFe3S3的M为Fe原子，而下半部口朝上的固氮酶那个MFe3S3的M则为Mo原子。
• 结构中存在一个由6个配位不饱和的Fe原子组成的三棱柱体，Rees等认为N2分子是在三棱柱体空腔中与Fe原子形成六联N2桥物种而活化并被还原的。
• 图中的Y在最先的报道中是个未知配位体,现在则认为也是S原子。

第51页：5 钴钴是一种人体必需微量元素

5 钴钴是一种人体必需微量元素

• 5钴钴是一种人体必需微量元素。
• 钴的生物学效应主要是它在B12系列辅酶中的作用。
• 维生素B12是重要的含钴生物配位化合物，又称为氰钴氨酸，Co3＋处于咕啉环的中心位置。
• 维生素B12在生物体内的功能实际上是通过辅酶B12参与碳的代谢作用，促进核酸和蛋白质合成、叶酸储存、硫醇活化、骨磷酯形成，促进红细胞发育与成熟。
• 因此，维生素B12能有效地治疗恶性贫血。
• 动物和人体所需维生素B12，一部分从食物中摄取，一部分由肠道中的细菌合成。

第52页：B12的结构见左图所示

B12的结构见左图所示。中心离子Co3＋处在一个咕啉环的中心位置。八面体形排布的六个配位原子中有四个为环上的氮原子，一个是侧链上的氮原子，最后一个为活性基团R，在正常情况下，R为CN、OH或有机基团。维生素B12的结构

第53页：咕啉环卟啉环咕啉环和卟啉环的结构咕啉环

咕啉环卟啉环咕啉环和卟啉环的结构咕啉环

• 咕啉环卟啉环咕啉环和卟啉环的结构咕啉环与血红蛋白中的卟啉环有一些类似(见上图)。
• 不过，咕啉环不饱和度低，往往不在一个平面上；
• 同时咕啉环不是一个大共轭体系。
• 因此，咕啉环刚性小，容易发生构像的变化。
• 由此可见，咕啉类化合物与卟啉类化合物作为两类生物配体，其性质是不同的。
• 钴离子也是某些酶必需的辅因子，但只发现其中的甘氨酰甘氨酸二肽酶存在于动物体内。

第54页：钒、铬、锰

6钒、铬、锰、镍已经证明这几种元素是生命必须微量元素，但它们在人体内的浓度很小，其作用机理尚不十分明确。况且，一旦它们在体内的浓度超过一定界限，又将成为致畸和致癌物质。

第55页：1 抗凝血作用

1 抗凝血作用

• 15.4.4稀土元素的生物学效应稀土离子与不同的生物分子都有一定的亲合力，对许多体内酶具有抑制或激活作用．以稀土离子为中心的许多配合物具有各式各样的药用活性，其药用价值包括以下几个方面：1抗凝血作用；
• 2抗炎、杀菌和抑菌作用；
• 3降血糖，抗癌，抗动脉粥样硬化等。
• 此外，稀土元素还可以促进植物的生长发育，可做微肥使用。
• 但是，人们对稀土元素在生物体内的作用机理、积累、代谢和远期毒性等了解得不够清楚，如果贸然大量使用，则可能产生急、慢性中毒等严重后果。
• 况且，稀土的生物学作用是复杂的，尚有许多问题需要探索、解决。
• 因而需要从细胞、分子水平上加强对稀土与人体相互关系的研究。

第56页：重金属的毒性金属的毒性与其所处化学形态关

重金属的毒性金属的毒性与其所处化学形态关

• 11.4.5 重金属的毒性金属的毒性与其所处化学形态关系十分密切，例如，无机金属盐与有机态的金属化合物毒性差别很大。
• 一般来讲，有机金属化合物较之无机盐更易被机体吸收，并且在体内分布时也比较容易通过细胞膜，通过血脑屏障进入脑部等，从这个方面看有机形态应比无机形态毒性大。
• 但实际上情况要复杂得多，无机盐虽然透过膜比较困难，但与核酸、蛋白的结合能力比较强，因而细胞毒性往往也比较强。
• 所以应两者兼顾才能讨论或理解毒性的相对大小。

第57页：1 重金属的毒性涉及的范围很广毒性大

1 重金属的毒性涉及的范围很广毒性大

• 1重金属的毒性涉及的范围很广毒性大的金属集中在元素周期表的右下方，如铅、汞、铊、镉等。
• 慢性铅中毒会引起儿童生长、发育迟钝，行为障碍，多动，智力低下。
• 铅逐年蓄积，加速了脑的衰老和智力减退，老年期痴呆患者与慢性铅蓄积有关已得到证实。
• 由于铅的污染无处不在，玩具、化妆品、餐具、颜料等都是铅的污染源，因而应十分重视对铅污染的防治。
• 汞也是一种很危险的有毒重金属元素。
• 在自然界，汞的污染源相当多。
• 日本战后暴发的水俣病就是由于慢性汞中毒引起的。
• 水俣病的原因是以无机汞为催化剂的乙醛制造厂排含甲基汞(CH3)2Hg的废水，流入水俣海域并在那里的鱼类中蓄积，以这种鱼为食的当地居民就发生了水俣病。

第58页：2 致癌性和致畸性有些重金属具有致癌

2 致癌性和致畸性有些重金属具有致癌

• 2致癌性和致畸性有些重金属具有致癌性和致畸性，这些金属主要集中在第四周期。
• 例如，以重铬酸盐形式存在的Cr(VI)具有致癌性，这是由于Cr(VI)与核酸结合的能力较强，使正常细胞失去了固有属性而发生癌变。
• 与Cr(VI)属同种元素的Cr(III)尚未发现有这一属性。
• 近年还有报导认为钒与肺癌也有关。
• 在长期从事与镍有关工作的人群中，肺癌、副鼻腔癌的发病率较高，推断羰基镍等有机镍的危害性很大。
• 致畸性与致癌性一样，也是一种重要的毒性表现方式。
• 现已查明，锌、镉、汞特别是甲基汞、硒、镍等金属具有致畸性。

第59页：3 重金属元素的毒性作用机制

3 重金属元素的毒性作用机制

• 3重金属元素的毒性作用机制(1)阻碍正常代谢机能在正常发挥机能的系统中，因其他金属元素的侵入而发生了置换反应而使正常机能遭到破坏。
• 例如，镉离子是一种有毒重金属，它与锌离子性质相似，进入体内后往往置换锌酶中的锌，使锌酶的活性大受影响，表现为镉的毒性。
• 此外，有人认为软骨症是由于镉取代了正常骨骼组织中钙所致。
• 另外，由于重金属离子与酶或其他生物分子的活性基团结合而引起的。
• 一般地，生物分子或酶分子中往往含有巯基、氨基、羧基和羟基等基团，这些基团与重金属离子可以生成牢固的共价键，从而使生物分子或酶的立体结构变形、丧失活性。
• 例如，汞、铅和镉都易与巯基结合，因此这些元素的化合物进入体内后与含巯基酶的巯基相结合，影响着巯基酶的活性。

第60页：(2)重金属离子也可与体内生物分子中的磷

(2)重金属离子也可与体内生物分子中的磷

• (2)重金属离子也可与体内生物分子中的磷酸根结合如汞离子与细胞膜上的磷酸根配位而改变了膜的通透性，影响了细胞的正常功能而出现中毒症状。
• 重金属离子与核酸也很易形成配合物。
• 由于核酸是遗传基因的携带者，因而不难想象，当重金属离子与核酸结合后，遗传信息的传送就会被封闭，从而引起某些遗传病。
• 癌症的发生与核酸的变质也密切相关。
• 此外，重金属离子具有致癌性和致畸性也可能与其同核酸之间的作用有关。

第61页：4 重金属中毒的解除西医主要通过螯合

4 重金属中毒的解除西医主要通过螯合

• 4重金属中毒的解除西医主要通过螯合疗法来解毒，常用的有EDTA、二巯基丙醇等配合剂。
• 另外，利用不同金属离子间的拮抗作用也可以治疗重金属中毒，如锌的摄入有助于减轻镉的毒性。
• 中医则通过药物内所含的微量元素调整人体内微量元素的平衡来解毒。
• 生物体本身对重金属中毒有一定的耐受性和自身解毒机制。
• 重金属摄入过多时，体内会诱导产生金属硫蛋白。
• 金属硫蛋白分子中带有很多巯基，对重金属的结合能力很强，因此在体内重金属(特别是镉和锌)水平升高时，它便能有效地降低重金属水平，缓和毒性症状。