生命科學
銅臭 / 2022-07-15
7.3.1生物體中的化學元素
世界中的一切物質(zhì)都是由化學元素組成的，人體也不例外。各種化學元素在人體中各有不同的功能。人體通過呼吸、飲水和進食，與地球表面的物質(zhì)交換能量達到某種動態(tài)平衡。所以生命過程就是生物體發(fā)生的各種物質(zhì)轉(zhuǎn)化以及能量轉(zhuǎn)化的總結(jié)果。而所謂的生物元索是指在活動有機體中，維持其正常的生物功能所不可缺少的那些化學元素。存在于生物體(植物和動物)內(nèi)的元素大致可分為四類:
(1)必需元素，按其在體內(nèi)的含量不同，又分為常量元素和微量元素;
(2)有益元素或輔助營養(yǎng)元素;
(3) 污染元素;
(4)有毒(有害)元素。
人體內(nèi)大約含30多種元素，其中有11種為常量元素，如C、H、O、N、S、P、CI、Ca、Mg、Na、K等，約占99.95%，其余的0.05%為微量元素。
必需元素存在于所有健康的組織中，而且生物體能主動攝人并調(diào)節(jié)其體內(nèi)分布和水平。是與體內(nèi)生物活性化合物有關的元素，缺乏該元素時會引起生化和生理變化，補充后即可恢復。有益元素的一般概念是，沒有這些元素生命尚可維持，但不能認為是健康的。
每一種必需元素在體內(nèi)都有其合適的濃度范圍。例如，對碘的最小需要量為0.1mg/d,耐受量為1000mg/d,當大于1000mg/d即為中毒量。若人體自身用以維持平衡的調(diào)節(jié)機制出現(xiàn)障礙，就會發(fā)生疾病。
微量元素與人體健康的關系是很復雜的，其濃度、價態(tài)、攝人肌體的途徑等對人體健康都有影響，有些疾病的發(fā)生和微量元素的平衡失調(diào)關系密切。微量元素還和人體免疫功能、生理缺陷、腫瘤、血液病等有關。如何將微量元索做成藥物和食品添加劑等用于醫(yī)治和預防疾病，是一個重要的專門研究領城。
7.3.2氨基酸、 蛋白質(zhì)和酶
構(gòu)成生物體的物種很多，但其中最重要的是蛋白質(zhì)和核酸。蛋白質(zhì)是細胞里最復雜的、變化最大的一類大分子，它存在于一切活細胞中。所有的蛋白質(zhì)都含C、N、O、H元素，大多數(shù)蛋白質(zhì)還含S或P，或其他元素如Fe、Cu、Zn等。多數(shù)蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量范圍在1.2萬至100萬間。蛋白質(zhì)是相對分子質(zhì)量很大的聚合物，水解時產(chǎn)生的單體稱為氨基酸。蛋白質(zhì)的種類很多，功能迥異，各種特殊功能是由蛋白質(zhì)里的氨基酸的順序決定的，氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基礎。
7.3.2.1 氨基酸
氨基酸是α-碳上有一個氨基的有機酸。氨基酸的結(jié)構(gòu)通式為
氨基酸中的R基側(cè)鏈是各種氨基酸的特征基團。最簡單的氨基酸是甘氨酸，其中的R是一個H原子。α-氨基酸都是白色晶體，熔點較高，一般在200°C以上。每種氨基酸都有特殊的結(jié)晶形狀。利用結(jié)晶形狀可以鑒別各種氨基酸。
除胱氨酸和谷氨酸外,一般都能溶于水。人體內(nèi)的蛋白質(zhì)主要是由20種常見的氨基酸組成。上述結(jié)構(gòu)式并不能代表氨基酸的真實結(jié)構(gòu)，因為氨基酸分子是有立體結(jié)構(gòu)的。氨基酸有左 旋(L-構(gòu)型) 和右旋(D-構(gòu)型)兩種構(gòu)型。將它們重疊時，它們不能重疊，而是互為鏡像，所以被稱作對映異構(gòu)體，如下式:
這種關系就像人的左手和右手一樣，所以，不對稱分子又稱手性分子。天然的氨基酸都是L-構(gòu)型的氨基酸。
7.3.2.2蛋白質(zhì)
在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中，氨基酸通過肽鍵(酰胺鍵)連接在一起。 例如，一個 甘氨酸分子中的羧基與另一個甘氨酸分子中的氨基反應，兩者就通過肽鍵連接成為一個二肽，每形成個肽鍵就失去一分子水。可表示為
由3個氨基酸連成的肽稱為三肽，以此類推。由多個氨基酸連成的肽稱為名肽，所形成的鏈稱為肽鏈。
每個蛋白質(zhì)分子可以由-條或多條肽鏈構(gòu)成，每一條肽鏈都有它的一定的氨基酸連接順序。為了表示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同層次，經(jīng)常使用一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)這樣一些專門術(shù)語。-級結(jié)構(gòu)就是共價主鏈的氨基酸順序，二級、三級結(jié)構(gòu)又稱為空間結(jié)構(gòu)或高級結(jié)構(gòu)。
7.3.2.3酶
在生命活動中，構(gòu)成新陳代謝以及遺傳信息和表達的所有化學變化都是在酶的催化下進行的?？茖W實驗證明了酶的化學組成同蛋白質(zhì)一樣，也是由氨基酸組成的。至今，人們已鑒定出2000種以上的酶，其中有200多種已得到了結(jié)晶。酶是一類由生物細胞產(chǎn)生的、以蛋白質(zhì)為主要成分的、具有催化活性的生物催化劑。沒有任何人工催化劑能夠像酶那樣在很溫和的生理條 件下具有那么強的催化效能。酶催化反應速率比與其相似的非酶催化反應速率高10¹?~ 10¹?倍。 除高效外，酶反應還具有高度的專一性。 麥芽糖酶只能催化麥 芽糖水解為兩分子的葡萄糖，這是麥芽糖酶的唯一功能， 而其他的酶卻不能代替它。
從酶的化學組成來看，可分為單純酶和結(jié)合酶兩大類。單純酶的分子組成全為蛋白質(zhì)。結(jié)合酶的分子組成除蛋白質(zhì)外，還含有對熱穩(wěn)定的非蛋白質(zhì)的小分子物質(zhì)，這種非蛋白質(zhì)部分稱作輔助因子。酶蛋白與輔助因子結(jié)合后所形成的復合物稱作全酶。輔助因子又稱作輔酶，它是這類酶起催化作用的必要條件，缺少它們，酶的催化作用即行消失。輔酶可以是一種金屬離子，如Co²?、Fe²?、Mg²?、Zn²?等,也可以是部分的由維生索組成的小分子化合物，如B??輔酶。
目前，化學家不僅能夠利用純化的酶或直接使用微生物來催化有機反應，合成有機化合物，而且還能夠利用微生物發(fā)酵法，大規(guī)模生產(chǎn)抗生素類藥物(如青霉素)等。
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