生命科学
铜臭 / 2022-07-15
7.3.1生物体中的化学元素
世界中的一切物质都是由化学元素组成的，人体也不例外。各种化学元素在人体中各有不同的功能。人体通过呼吸、饮水和进食，与地球表面的物质交换能量达到某种动态平衡。所以生命过程就是生物体发生的各种物质转化以及能量转化的总结果。而所谓的生物元索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。存在于生物体(植物和动物)内的元素大致可分为四类:
(1)必需元素，按其在体内的含量不同，又分为常量元素和微量元素;
(2)有益元素或辅助营养元素;
(3) 污染元素;
(4)有毒(有害)元素。
人体内大约含30多种元素，其中有11种为常量元素，如C、H、O、N、S、P、CI、Ca、Mg、Na、K等，约占99.95%，其余的0.05%为微量元素。
必需元素存在于所有健康的组织中，而且生物体能主动摄人并调节其体内分布和水平。是与体内生物活性化合物有关的元素，缺乏该元素时会引起生化和生理变化，补充后即可恢复。有益元素的一般概念是，没有这些元素生命尚可维持，但不能认为是健康的。
每一种必需元素在体内都有其合适的浓度范围。例如，对碘的最小需要量为0.1mg/d,耐受量为1000mg/d,当大于1000mg/d即为中毒量。若人体自身用以维持平衡的调节机制出现障碍，就会发生疾病。
微量元素与人体健康的关系是很复杂的，其浓度、价态、摄人肌体的途径等对人体健康都有影响，有些疾病的发生和微量元素的平衡失调关系密切。微量元素还和人体免疫功能、生理缺陷、肿瘤、血液病等有关。如何将微量元索做成药物和食品添加剂等用于医治和预防疾病，是一个重要的专门研究领城。
7.3.2氨基酸、 蛋白质和酶
构成生物体的物种很多，但其中最重要的是蛋白质和核酸。蛋白质是细胞里最复杂的、变化最大的一类大分子，它存在于一切活细胞中。所有的蛋白质都含C、N、O、H元素，大多数蛋白质还含S或P，或其他元素如Fe、Cu、Zn等。多数蛋白质的相对分子质量范围在1.2万至100万间。蛋白质是相对分子质量很大的聚合物，水解时产生的单体称为氨基酸。蛋白质的种类很多，功能迥异，各种特殊功能是由蛋白质里的氨基酸的顺序决定的，氨基酸是构成蛋白质的基础。
7.3.2.1 氨基酸
氨基酸是α-碳上有一个氨基的有机酸。氨基酸的结构通式为
氨基酸中的R基侧链是各种氨基酸的特征基团。最简单的氨基酸是甘氨酸，其中的R是一个H原子。α-氨基酸都是白色晶体，熔点较高，一般在200°C以上。每种氨基酸都有特殊的结晶形状。利用结晶形状可以鉴别各种氨基酸。
除胱氨酸和谷氨酸外,一般都能溶于水。人体内的蛋白质主要是由20种常见的氨基酸组成。上述结构式并不能代表氨基酸的真实结构，因为氨基酸分子是有立体结构的。氨基酸有左 旋(L-构型) 和右旋(D-构型)两种构型。将它们重叠时，它们不能重叠，而是互为镜像，所以被称作对映异构体，如下式:
这种关系就像人的左手和右手一样，所以，不对称分子又称手性分子。天然的氨基酸都是L-构型的氨基酸。
7.3.2.2蛋白质
在蛋白质的结构中，氨基酸通过肽键(酰胺键)连接在一起。 例如，一个 甘氨酸分子中的羧基与另一个甘氨酸分子中的氨基反应，两者就通过肽键连接成为一个二肽，每形成个肽键就失去一分子水。可表示为
由3个氨基酸连成的肽称为三肽，以此类推。由多个氨基酸连成的肽称为名肽，所形成的链称为肽链。
每个蛋白质分子可以由-条或多条肽链构成，每一条肽链都有它的一定的氨基酸连接顺序。为了表示蛋白质结构的不同层次，经常使用一级结构、二级结构、三级结构这样一些专门术语。-级结构就是共价主链的氨基酸顺序，二级、三级结构又称为空间结构或高级结构。
7.3.2.3酶
在生命活动中，构成新陈代谢以及遗传信息和表达的所有化学变化都是在酶的催化下进行的。科学实验证明了酶的化学组成同蛋白质一样，也是由氨基酸组成的。至今，人们已鉴定出2000种以上的酶，其中有200多种已得到了结晶。酶是一类由生物细胞产生的、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。没有任何人工催化剂能够像酶那样在很温和的生理条 件下具有那么强的催化效能。酶催化反应速率比与其相似的非酶催化反应速率高10¹⁰~ 10¹⁴倍。 除高效外，酶反应还具有高度的专一性。 麦芽糖酶只能催化麦 芽糖水解为两分子的葡萄糖，这是麦芽糖酶的唯一功能， 而其他的酶却不能代替它。
从酶的化学组成来看，可分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶的分子组成全为蛋白质。结合酶的分子组成除蛋白质外，还含有对热稳定的非蛋白质的小分子物质，这种非蛋白质部分称作辅助因子。酶蛋白与辅助因子结合后所形成的复合物称作全酶。辅助因子又称作辅酶，它是这类酶起催化作用的必要条件，缺少它们，酶的催化作用即行消失。辅酶可以是一种金属离子，如Co²⁺、Fe²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺等,也可以是部分的由维生索组成的小分子化合物，如B₁₂辅酶。
目前，化学家不仅能够利用纯化的酶或直接使用微生物来催化有机反应，合成有机化合物，而且还能够利用微生物发酵法，大规模生产抗生素类药物(如青霉素)等。
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