生命中的化学元素

生命中的化学元素

地球科学与工程学院杨锦瑾 131150028

摘要

从化学的角度来看，生命就可以说是一系列化学反应的过程和传递化学信息的过程，这也就是化学进化的过程。化学贯穿了整个生命过程，生物体内无时不刻不在进行着复杂的化学反应。

化学元素是同种原子（即有相同质子数的原子）的总称。原子通过化学键结合形成自然界的各种物质，从这个意义上看，化学元素是组成物质世界的基本要素，是生物体的基础。所以要真正地了解生命，就必须首先从了解生命中的化学元素及其变化开始。

本文主要介绍化学元素在生物体中的存在形态和在生命过程中所起的作用，研究化学元素与生命的密切联系。从而指导人们摄取合理的食物组成，以维持生命的有机平衡和健康。

关键词：化学元素化学反应生命

目录：

一．生命元素的形成： (2)

1-1 碳——与生命最为密切的元素 (2)

1-2 氢——生物体中原子数目最多的元素 (2)

1-3 氧——维持生命过程不可缺少的元素 (3)

1-4 氮——硝石的组成者 (3)

1-5 钙——人体含量最多的金属元素 (4)

1-6 磷——第一个从有机体中取得的金属元素 (4)

1-7 钾——柔软的金属元素 (5)

1-8 钠——人体中一种重要无机元素 (5)

1-9 氯 (5)

1-10 镁 (6)

2-1 Fe (6)

2-2 Cu (7)

2-3 Zn (7)

2-4 I——人类发现的第二个生命科学必需微量元素 (8)

二．结语: (8)

三．参考文献： (8)

一．生命元素的形成：

生命中的化学元素是指在活动有机体中，维持其正常的生物功能所不可缺少的那些化学元素。人体中约有60多种元素，这里主要介绍部分宏量元素和微量元素：

第一类：宏量元素

碳、氢、氧、氮、钙、磷、钾、钠、氯、镁

第二类：微量元素

Fe Cu Zn I

1.宏量元素

1-1 碳——与生命最为密切的元素

原子序数 6

如果检测一下组成植物和动物的分子，我们会发现，几乎所有分子都含有碳。没有它，就没有我们身边的这些形形色色的植物和动物。化学的一个完整的分支——有机化学也基本上是碳化合物的化学。碳在有机化合物中占有中心地位，这是由于碳原子间能够相互连接形成长链。碳链起骨架作用，其他元素的原子连接于碳链上，从而形成无数的含碳化合物分子。DNA就是一种这样的长链分子，它存在于所有生物体的遗传物质里。DNA存在于动植物细胞的细胞核中，是生物组织再造的基础。

碳也是糖、蛋白质、脂肪、核酸的最基本元素之一。

自然环境中的碳循环主要通过二氧化碳来进行，如植物的光和作用，动植物的食物链等过程。所有动物在呼吸的时候都会产生二氧化碳。二氧化碳很重，其密度是空气的2.5倍，它的增多会形成“温室效应”，影响地球上的温度。但二氧化碳任然有不少对生物有益的用途。当我们在喝苏打水的时候，实际上就是在喝溶解有二氧化碳的碳酸化的水。

由于碳的广泛存在，碳的放射性同位素C-14在确定残遗物和考古物品的年代方面是一种非常有用的工具。

1-2 氢——生物体中原子数目最多的元素

原子序数 1

氢是宇宙中最丰富的元素。按原子数目计，氢是其它元素的总和的100倍；按质量计，占太阳系88.6%，占地球的15%。地球上现存的氢大多以水分子的形式存在于海洋中，在地壳中氢占3%。

氢的最普通且常见的化合物是水。两个氢原子和一个氧原子反应即生成了我们熟悉的水分子。动植物体中含有大量的水，按质量计人体中水占60%以上，大部分构成人体的体液。

氢和O、C、N等元素形成各种各样的有机物：脂肪、糖类、氨基酸、蛋白质和核酸等，它们构成生物体的各种器官，进行着生物生存和繁衍的生理作用。

生物大分子中的氢键（X-H…Y）：氢键是由两个电负性很强的元素如O、N、F、Cl等通过H原子形成的3中心4电子键，其中X-H是极性键，X带负电荷，H 带正电荷，H和Y上的孤对电子产生强烈的吸引作用而形成。蛋白质分子内的氢键使它具有特定的构型，产生特定生理功能。脱氧核糖核酸（DNA）中的碱基互补配对是形成氢键的最佳条件所致，所以遗传因子的复制实质上是按最佳条件下形成特定的氢键的结果。

1-3 氧——维持生命过程不可缺少的元素

原子序数 8

氧是地球上最重要且含量丰富的元素之一，它以气体形式存在于大气层中，以水分子的组成成分存在于水里，在地壳中含量约为46%。氧是生命活动必不可少的元素，也是我们体内几乎所有生物分子的组成成分。

在植物的光合作用过程中，叶绿素利用太阳光的能量，把二氧化碳转化成复杂的碳水化合物和氧气，氧气一部分供植物进行呼吸作用，一部分释放到空气中。

我们依靠氧气生存，因为我们身体里进行的许多生物过程离不开氧气。在人体内，氧气由一种生物大分子——血红蛋白从肺输送到细胞之中。血红细胞中的血红蛋白与氧气发生化学结合，然后释放给我们的肌肉组织。如果血红细胞发生病变形状改变成镰刀形，不能正常输送氧气，就会产生镰刀细胞贫血症。

1-4 氮——硝石的组成者

原子序数 7

1772年，英国化学家、物理学家丹尼尔·卢瑟福发现了氮，并用实验证明了氮气不能维持生命存在。

很多含氮化合物是动植物生命所必需的，蛋白质和核酸即是众多含氮生物分子中的两种。虽然但缺乏反应活性，但自然界已经逐渐形成了几种模式把氮气转化成能被生物细胞利用的物质。这种方法称为“固氮”。

一些氮通过闪电固定。在雷雨天，多数二氧化氮溶在雨水中，落在土壤表面，土壤中的固氮菌把二氧化氮变成蛋白质和氨基酸等营养成分。这些营养成分被植物根吸收，而植物又被动物吃掉，这样，在动物体内氮又生成动物蛋白。土壤里的细菌还可以把氮新陈代谢所产生的废物转换为氨基酸和氨。同样的除氮菌还能把这些化合物分解形成氮气，使其重新回到大气中。

另一个自然固氮法则利用了豆类植物。它们的节上有固氮菌，能把土壤里的氮直接变成氨。

1-5 钙——人体含量最多的金属元素

原子序数 20

钙是大部分生物组织必需的重要营养元素，海洋生物的壳体由碳酸钙构成，碳酸钙还构成珊瑚礁。人体中钙的含量占人体总质量的 1.5%-2%，99%的钙存在于人的骨骼和牙齿中，使肌体具有坚硬的结构支架。钙还是多种酶的激活剂，调节人体的激素水平。

缺钙会导致骨质疏松，易引发骨病，甲状旁腺机能亢进等多种疾病。成年人每天需补充800mg钙，孕妇、乳母需1500mg。全血中含钙离子30-45mg/l,临床上以此作为检验人体是否缺钙的指标。

钙也是神经传递和肌肉收缩必需的元素。钙离子与氨基酸中的羧酸结合起到传递某种生物信息的作用。

1-6 磷——第一个从有机体中取得的金属元素

原子序数 15

磷广泛存在于动植物体内，最初是从人和动物的尿以及骨骼中取得的。这和古代人们从矿物中取得的那些金属元素不同，磷是第一个从有机体中取得的元

素。也是第一个科学家为了观察和研究客观事物的性能而进行科学的化学实验初期所发现的第一个元素。

与氮相似，磷也是生命中不可缺少的元素。人的骨骼中20%的成分是磷酸钙，骨骼和牙齿中的磷占人体总磷量的85%。磷在生物的新陈代谢中扮演着重要角色：磷与蛋白质结合成磷蛋白，是细胞核的重要成分；磷酸和糖结合而成的核苷酸，是遗传基因的物质基础；磷存在于三磷酸腺苷中，磷酸盐维持着人体酸碱平衡。因此，磷对人的遗传信息的传递、能量代谢和物质代谢、生长发育都起着重要作用。

日常饮食中，我们可以从鱼肉蛋奶等各种天然食品中获得大多数磷酸盐，另外可以从可乐、奶酪、香肠和熟肉等各种加工食品中获得一小部分。

1-7 钾——柔软的金属元素

原子序数19

钾是人体生长和发育所必需的常量元素，体内所含钾的98%在细胞内。钾离子和钠离子的比值在细胞内液中的比例决定了神经脉冲的传送、隔膜端电压、离子迁移、渗透压的调节等，适量钾有助于使神经和肌肉保持适当的应激性，保持心脏的正常功能。钾还参与细胞的新陈代谢和酶促反应。钾能对抗食盐引起的高血压。正常人血钾浓度为137-196mg/l，过高或过低都会引起肌肉和心脏功能异常，严重者会危及生命。

钾是植物生长、发育、结果必需的营养元素，硝酸钾，磷酸二氢钾等都可用作肥料。常将氮、磷、钾三种元素组成复合肥。

钾-40是通常的本底辐射的一个重要来源，每个人体内有约140克钾遍布全身各处，我们体内都含有一部分钾-40，因此辐射在所难免，这是我们终身所受辐射的一个主要来源。

1-8 钠——人体中一种重要无机元素

原子序数11

一般情况下，成人体内钠含量大约为3200（女）～4170（男）m mol，约占体重的0.15%。体内钠主要在细胞外液，占总体钠的44%～50%，骨骼中含量占40%～47%，细胞内液含量较低，仅占9%～10%。

钠是细胞外液中带正电的主要离子，参与水的代谢，保证体内水的平衡，调节体内水分与渗透压，维持体内酸和碱的平衡。钠是胰液、胆汁、汗和泪水的组成成分。钠与ATP的生产和利用、肌肉运动、心血管功能、能量代谢都有关系，此外，糖代谢、氧的利用也需要钠的参与。钠还增强神经肌肉兴奋性。

钠盐无毒，对动植物和人体有重要的生理作用，过高或过低的浓度都会导致人体机能紊乱。人体内的NaCl主要由食盐提供，每天摄入5-6g为宜。如果长期处于钠供应不足状态，容易患心脏病或出现低钠综合征。但若长期摄入过量食盐，又易引发高血压等疾病。

1-9 氯

原子序数17

氯在地壳中的含量为0.031%，大多数以氯化物的形式存在于海水中。

氯是人体中非常重要的元素，在人体中氯主要以氯离子的形式存在，起着维持人体电解质平衡、调节人体渗透压的作用，成年人每天大约需要摄入5克食盐，以补充流失的水分，但是食盐并非越多越好，过多的食盐摄入会增加高血压、冠心病的发病机会，但是也不能一味地推崇淡食，合理地摄入食盐是非常重要的。当我们剧烈运动或手术以后要补充大量的盐分，否则会出现四肢发冷等症状。食盐还是很好的调味剂。总之，氯对我们人体是非常重要的。

氯气是一种窒息性气体，经呼吸道进入人体，溶解在上呼吸道粘膜细胞中，生成次氯酸盐和盐酸，导致呼吸道发生炎症、水肿和大量分泌粘液，使中毒者咳嗽、呼吸困难。

1-10 镁

原子序数12

镁是生物体的必需元素，成人体内含镁总量20-30g。它是绿色植物中叶绿素的组成元素之一。它存在于酶中，起激活酶的作用，也是动物骨骼的组成成分，是维持人体心肌正常功能和结构所必需的元素。镁离子还与细胞中的能量转化与释放有关，能保证细胞中有充足的能量储备。成人每天需补充300-400mg镁，绿叶蔬菜中含有丰富的镁。

二．微量元素

2-1 Fe

原子序数 26

铁是地壳中分布广而丰富的元素，丰度值 4.75%，排列在氧、硅、铝之后，位居第四位。铁是人体中含量最多的微量元素，总量约为4～5g。其中60～70％存在于血红蛋白中，3～5％在肌红蛋白中，1％在各种含铁酶类中，此外，铁还以铁蛋白和含铁血黄素的形式存在于肝脾和骨髓中，约占铁总量的25％。人体内铁元素含量虽少，但有着非常重要的生理作用。

铁是血红蛋白和肌红蛋白的必要成分。血红蛋白是血液中运输氧的主要形式，血红蛋白在肺部最大限度地结合氧，当血液流经组织时，血红蛋白又可以最大限度地释放氧，提供机体各组织器官代谢所需。肌红蛋白存在于肌肉组织中，肌红蛋白和氧的结合能力更强。它可以捕获通过血液运送来的氧，吸收进入肌肉组织加以利用或储存。在肌肉收缩时可以释放氧以满足代谢的需要。

铁构成各种金属酶和它的辅助因子，起运送氧和细胞内电子传递的作用，如过氧化氢酶和细胞色素都含有铁。

铁参与激素的合成或增强激素的作用，保持正常的免疫功能。

2-2 Cu

原子序数 29

铜在自然界中分布非常广泛。铜矿物的种类很多，约有170种以上，但实际含铜较高的矿物只有几种，它主要以硫化物、氧化物和碳酸盐存在，还可以作为纯的“自然”铜存在。

铜与人体的造血功能密切相关。在铁参与形成血红蛋白过程中，铜起着关键性作用，即在二价铁转变为三价铁时，必须依赖血浆铜蓝蛋白的催化作用。

铜与人体的抗氧化作用有关。人体内含铜蛋白具有较强的抗氧化作用。

体内缺乏铜会产生：①生长发育停滞；②毛发褪色稀疏；③骨骼发育障碍，因缺铜骨质中胶原纤维合成受损，表现为骨骼缺损，骨质疏松，④小细胞低色素性贫血；⑤肝脾肿大；⑥免疫力降低，易患感冒。

2-3 Zn

原子序数 30

锌在自然界中的存在极为广泛，岩石、土壤、大气、水和生物体内都含有锌。成人体内含锌约2～3g，存在于所有组织和器官中。血液中的锌75～85％存在于红细胞中，3％在白细胞中，12～22％在血浆中，血浆锌主要与白蛋白结合，游离的锌含量很低。

锌是机体中200多种酶的组成部分，人体内重要的含锌酶有碳酸酐酶、胰羧肽酶、DNA聚合酶等。它们在组织呼吸以及蛋白质、脂肪、糖和核酸等的代谢中有重要作用。

锌是调节基因表达的DNA聚合酶的必需组成部分。缺锌动物的突出症状是生长、蛋白质合成、DNA和RNA代谢等发生障碍。缺锌儿童的生长发育受到严重影响，不论成人或儿童缺锌都能使创伤的组织愈合困难。锌对于细胞的生长、分裂和分化的各个过程都是必需的。因此，锌对于正处于生长发育旺盛期的婴儿、儿童和青少年，对于组织创伤的患者，是更加重要的营养素。

锌与智力发展密切相关，还能促进维生素A的正常代谢和生理功能、性器官和性机能的正常发育及保护皮肤健康等。

2-4 I——人类发现的第二个生命科学必需微量元素

原子序数 53

碘在自然界中的含量很小，但分散度较大，许多物质中都含有碘。正常成人体内含碘约25～36mg，70％～80％集中于甲状腺，摄入的碘几乎100％从胃肠道吸收，代谢产物的90％从尿排出，10％从粪便排泄。

碘在人体内的生理作用是通过合成的甲状腺激素实现的，甲状腺激素是机体最重要的激素之一。甲状腺激素对蛋白质、糖类、脂肪、维生素、水和盐的代谢都有重要影响，维持和调节机体的代谢，促进生长发育。

当机体缺碘时会导致碘缺乏病，如地方性甲状腺肿，影响幼儿生长发育、智力低下等。但人体若摄入碘过多，也会引发地方性高碘甲状腺肿。成人每天需碘量为150ug左右，最大摄入量不要超过900ug。

二．结语:

所有的生物体具有共同的物质基础和结构基础，对于地球上已知的生物来说,无论它们个体的大小、形态、结构和生理功能如何,它们的生命活动都有共同的物质基础。这些物质主要就是指组成生物体的化学元素和化合物。

化学元素是组成物质世界的基本要素，是生物体的基础，没有化学元素，就没有形形色色的动植物，就连我们人类也将不存在。

存在于生物体中的化学元素，不论含量是多是少，对生物体来说都是非常重要的。它们构成生物体的组织器官，调节体内的大大小小的反应，既有分工又互相协调，共同维持体内平衡。然而，这并不意味着这些元素对生物体来说越多越好，各元素应保持一个适当的含量。对我们人类来说，只有摄取合理的食物组成，才能更好地维持生命的有机平衡和健康。

三．参考文献：

[1] 周公度叶宪曾吴念祖《化学元素综论》科学出版社2012年.

[2] 北京大学化学与分子工程学院《元素的世界之元素档案》中国大百科全书出版社2010年.

[3] 艾伯特·斯特沃特加著《化学元素遍览》河南科学技术出版社2002年.