无机元素的生物学效应

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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。
人体必需的元素及有益元素
பைடு நூலகம்
s区
d区
p区
H
He
Li Be
B C N O F Ne
Na Mg K Ca Sc Ti
Al Si V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge
P S Cl Ar As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
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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。
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；
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
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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
完全互补的空间构像。
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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)。
而 使 － 两 C个 O氨 OH基 ＋ 酸 连 H接 2N起 －来 CH。 － 由 C两 OO 个 H氨 R基 2－酸 H2形 O成 的 H化 2N 合 － 物 CR称 H 1 为 －肽 二 CO－ 键 肽 N， －由 C多 H－ 个 C氨 O基 OH酸 形 成
肽键
H R2
连接起来。 由由 两两个个氨氨基 基酸 酸形 形成成的的化合 化物 合称物为称二肽 为， 二由肽多，个氨 由基 多酸个形氨成基的化 酸合 形物的
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一 酶的分类
酶分为两类： 单纯蛋白酶； 结合蛋白酶。
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。
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。
腺 腺苷 苷二 二磷 磷酸 酸((AADDPP)) 腺 腺苷 苷三 三磷 磷酸 酸((AATTPP))
核 核苷 苷酸 酸
核 核苷 苷与 与核 核苷 苷酸 酸的 的结 结构 构及 及核 核酸 酸潜 潜在 在的 的配 配位 位位 位点 点
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13 。
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。
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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。
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。
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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。
R 1 酸的αH -2 羧 N 基 － 与 C H 另 － 一 C 氨 O O 基H 酸＋ 的H α-2氨 N － 基C 通 H 过 － 脱 C O 水O 缩 H 合形 － H 成 2O 肽键H 2N － C H － C － N － C H
而 H使 － 两 C个 O氨 OH基 ＋ 酸 连 H接 2N起 －来 CH。 － 由 C两 OO 个 H氨 R基 2－酸 H2形 O成 的 H化 2N 合 － 物 CR称 H 1 为 －肽 二 CO－ 键 肽 N， －由 C多 H－ 个 C氨 O基 OH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
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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。
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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。
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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
HHOO
PP OO OOHH
PP OO OOHH
PP OO OOHH 44''
55 ' ' OO
33'' 22''
11'' 糖 糖配 配位 位部 部位 位
OOHH OOHH
腺 腺((嘌 嘌呤 呤核 核))苷 苷((核 核苷 苷))
腺 腺((嘌 嘌呤 呤核 核))苷 苷酸 酸 或 或腺 腺苷 苷一 一磷 磷酸 酸((AAMMPP))
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在已发现的3 000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。
(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。
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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
Cs Ba Ln* Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra An** *镧系元素 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu
Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
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。
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NNHH22 碱 碱基 基配 配位 位部 部位 位