书城科普化学知识
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第5章 人体中化学元素的结构

周期表中有100多种元素,它们与生命的关系应该存在一定的规律,只不过目前我们尚未完全了解这些规律。目前已知的生物元素有30多种,这些元素在元素周期表中比较集中在三个部分,在这些元素中我们要了解结构与性能的关系,就必然涉及这些元素在周期表中的位置,而这对于我们认识生命过程的奥秘、人与地球化学环境的关系、微量元素与人体健康的关系等问题是十分必要的。

第一部分是生物非金属元素,生物非金属元素都是主族元素,它们是:H、B、C、N、O、F、S、P、Cl、As、Se、Br、I。除了H以外,它们都集中分布在周期表右上部的一个三角形的“岛”上,属p区元素,价电子结构为ns2np1-5,呈现典型的非金属化学元素的性质。C、H、O、N、P、S等主族生命元素是活体的基本构筑材料,在生命体中占最大的组分比例,可以这样说,如果没有这些元素就没有生命。

另外一些元素就是金属元素,周期表中有80多种金属元素,生物体仅利用了其中的一少部分,这些元素虽然在人体中所占比例很小,但是所起的作用是不可小视的。这些金属元素又分为两部分,一部分以Na+、K+、Ca2+、Mg2+为代表的碱金属和碱土金属,这些在人体中具有电化学和信使功能的金属离子;另一部分是以第一过渡系为主的对人体非常重要的微量元素如铁、铜、锌、锰、钒、铬、钴、镍、钼(钼是惟一天然存在于生物体中的第二过渡系列金属元素)。在人体中毒性元素多是原子序数比较大的,而且在自然界这些元素大都与硫形成硫化物矿物。人体中的化学元素在生命活动中的作用有些人已经掌握,而有些元素的生物无机化学机理以及对生命的重要作用人们正在逐步认识与发展。

生物利用环境中储量丰富的元素,并呈现出相适应的代谢机制或体内平衡机制。生物所选择的元素是生物进化的结果,其目的是为了保证生物在正常的条件下,不会遭到缺乏必需物质的危险;同样,防御机制也是生物进化的结果。而对那些不常接触到的元素和化合物,生物没有防御机制,因此它们对生物有毒害作用。

研究结果表明,周期表的主族元素,从上到下,元素对细胞的营养促进作用减弱,毒性作用增强;同周期从左至右元素的营养促进作用减弱,而毒性作用增强。这些结果可能反映了元素间内在的生物学规律,概括了已知生物元素与毒害元素的归属,揭示了生物与环境中存在元素的密切关系。如果根据锗在周期表中的位置及在环境中的丰度,预测可能是有益元素,那么锂、铝、铷、锶也值得研究;而位于周期表中、后、下部且丰度较低的汞、铅、铊则是有毒元素。