书城科普化学知识
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第2章 人体内化学元素的分类

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.人体必需元素

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)生物体具有主动摄入并调节其体内分布和水平的元素;

(3)存在于体内的生物活性化合物的有关元素;

(4)缺乏该元素时会引起生化生理变化,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C、H、O和N四种元素组成。仅这四种元素就约占人体体重的96%。其中氧特别多,一般估计,人体内水分占人体重量的2/3,所以水是生命不可缺少的,没有水就没有生命。此外,体内还有少量P。将人体内这五种元素的化合物挥发后就会留下一些白灰,大部分是骨骼的残留物,这灰是无机盐的集合,在灰里可找到普通的食盐(NaCl)。食盐并不仅仅是增进食物味道的调味品,而是人体组织中的一种基本成分。食草动物有时甚至达到要舔吃盐渍地,以便弥补食物中所缺乏的盐。

有些较权威的杂志列出了25种生命必需元素,那么什么是生命必需元素呢?人们把人体为了维持生命所必需的元素称为生命必需元素。例如人体中的骨骼、牙齿不能没有钙;人体中的脂肪、糖、蛋白质、酶、核酸都含碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素构成的生命有机化合物;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;人体内体液中需要有电解质,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(Cl-);众所周知,人体缺铁会患贫血症,缺硒会患克山病、大骨节病,缺碘会患甲状腺肿,并导致人的智力障碍等。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、钼在人体内存在是必要的,后来采用人为地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。随着时间的推延,科学技术不断发展,今后可能还会发现更多的生命必需元素。

按照人体中元素的含量高于或低于0.01%分类又常分为常量元素和微量元素(虽然硅的含量超出这个范围,但WHO仍将其划为微量元素)。

属于常量元素范围的有碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙、钠、钾、镁、氯等11个元素,它们占了人体质量的99.71%,而C、H、O、N、P和S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。占99%,Ca、K、Na、Mg和Cl等5种元素在生物体内虽然较少,但也是必需的。Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Se、I、Cr、Si、V、F、Mo、Sn、Ni等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的范畴,它是指其生理功能尚未确定或在机体内可有可无的元素,这些元素是:铷、砷、硼、钛、铝、钡、铌、锆等8种。

3.污染(毒性)元素

污染(毒性)元素指对生物有毒性而无生物功能的元素。在自然界中,这些元素多数形成硫化物矿物,除铍(Be)以外,其原子序数均比较大。不同的元素对不同的生物致死剂量是不同的,该类元素又分为毒性、潜在毒性和放射性两类。毒性元素有铋、锑、铍、镉、汞、铅。潜在毒性与放射性元素铊、钍、铀、钋、镭、锶、钡等。严格说来,几乎每一种元素当人们对它的摄取(或误服)过量都会产生毒性,上面所列毒性元素是指它们对生物体无有益作用(最起码现在还未发现其有益的因素),而只有毒性。此外应当注意的是,元素对人体有益还是有害的界限并不十分固定,还与其他的许多因素有关,如同一元素,有时是有益的,有时又会成为有害的,这与元素在生物体中的浓度和形态有密切关系,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;生物体中硒有很重要的作用,0.1ppm(1ppm=1μg/g)的硒是有益的,而且硒是公认的抗癌元素,但是在人体内如果达到10ppm时则是致癌的。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必需微量元素发挥其正常功能,其含量超过一定范围就要引起中毒症状。除了所列的六个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各有一段最佳健康浓度,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。

人作为自然界的一分子,实际是自然界组成的一个有机部分,我们的祖先早在2000多年前就指出了“天人合一”就是这个道理,因此,研究微量元素与人体健康必须从整个环境,统一起来考察。现在微量元素的分类是相对的,还有20~30种普遍存在于组织中的元素,这些元素的浓度是动态的,它们的生物效应和作用远未被人们认识。上述元素,划分界限也不是固定不变的,随着认识的深化和检测手段的现代化,将会修正或作新的归属。