人體化學知多少

歐陽興梅

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常量元素與微量元素

在人體中，人們根據(jù)元素的含量，將人體所必需的化學元素劃分為常量與微量兩種：常量元素占人體重的99.95%以上，包括氧、碳、氫、氮、鈣、磷、鉀、硫、鈉、氯、鎂11種元素。其中，碳、氧、氫、氮四種元素占人體重的95%以上，鉀、鈉、鈣、鎂、氯、硫，約占人體重的4%～5%。微量元素指人體所需要量很少，但不可或缺的一些元素，包括鐵、鋅、銅、錳、碘、鈷、鍶、鉻、硒等。微量元素雖然在人體中需求量很低，但其作用卻非常大。比如鋅，該元素對人體多種生理功能起著重要作用：參與多種酶的合成;加速生長發(fā)育;增強創(chuàng)傷組織再生能力;增強抵抗力等。人體中的微量元素溶融在人體的血液里。如果缺少了這樣那樣的微量元素，人就會得病，甚至導致死亡。

由四元素掌控的人體小宇宙

對于人體的組成，有人說是由細胞構成的，但歸根結底，人體不過主要是由占據(jù)了原子總數(shù)99.5%的四種元素所組成，即：氫（H，62.7%）、氧（O，23.8%）、碳（C，11.8%）和氮（N，1.17%），這讓我們不得不感嘆這四種元素的神奇力量！

那究竟是什么力量讓這四種元素掌控了人體這個強大的小宇宙呢？正如前述，氫氧元素的含量占據(jù)前二位，是由于人體大部分是由水（由兩個氫原子和一個氧原子組成，約占重量的60%）組成的，所以我們常說“沒有水就沒有生命”。如同空氣可將癟癟的皮球撐得圓圓的，水也將每個細胞及整個人體的結構塑造成型，接著，生命中的一切活動便在水的溫暖懷抱中進行。碳盡管排行第三，卻在生命元素中有著至高無上的地位，那是因為它的強大的鍵合功能，為人體制造出所需的無以計數(shù)的有機化合物，進而組裝成人體的結構。眾所周知，元素間的化學反應都是通過元素間鍵的形成或者斷裂來進行的，一個碳原子有多達4個的鍵合“手臂”，這不僅賦予了碳自身之間可以形成單鍵，雙鍵和三鍵以及成環(huán)的化學反應能力，而且還使它可以與其他眾多元素有著同樣靈活多變的鍵合方式，所以我們的生命也被稱作碳基生命。至于排行第四的氮，則在人體的蛋白質(zhì)（比如酶）以及核酸（DNA和RNA）等重要的組分中肩負著無以取代的使命。它像一個魔法棒，將人體的結構激活，使人體具有了生命力，人體這個小宇宙便開始生生不息地演繹著自己的故事。當然還有其他許多的生命元素在輔佐著這個小宇宙的運行。

生命來源于海洋

也許你會問，元素周期表中一共有92種天然元素，大自然為什么單單選擇這四種簡單的元素來塑造我們?nèi)祟惸兀窟@就涉及到我們?nèi)梭w化學起源的問題。

眾所周知，宇宙在形成的過程中制造了各種元素，并用它那魔力非凡的力量造就了地球這個元素星球。接著，地球又依靠自己創(chuàng)造了大海這個更為獨特的元素海洋，最終，在海洋中孕育出各種不同元素組合的生命體。盡管從最初到最終，元素是傳承的，但因為各自所處的環(huán)境不同，所以各自的元素比例也有不同。例如，人體中就沒有宇宙中含量很高的氦（He）元素，那是因為He是個不活潑的元素，對于我們這個需要活力的生命體而言，它就變得一無是處;再例如地球中含量較高的硅（Si）元素，在我們的人體中含量甚微！這與同樣為四配位鍵合方式的碳相比，命運就顯得如此懸殊了！原因就在于Si的四配位鍵合方式太弱，承擔不起人體對各種大小分子多種多樣的需求，只有淡出生命圈！而最有意思的則是海洋中的元素，它們與我們?nèi)祟愺w液中的成分（離子）如此接近，這著實證明了我們的生命來源于海洋。

從單細胞開始，生命體在38億年的漫長歲月中，與周遭環(huán)境（海洋、陸地及天空）中的所有元素經(jīng)歷了數(shù)不盡的相攜、相融、相斥的歷練后，最終進化成能與所處環(huán)境中的各種元素相處得游刃有余的元素集合體。所以說，人類是在不斷地反復試錯和淘汰中最終選定了如今的元素比例含量，這是自然選擇的結果，是自然讓人類修煉成一個高度靈敏、高效且具有各種強大功能（語言，創(chuàng)造工具等）的元素集合體。

此時，也許你又在想能不能把人體中含有的所有元素都放在一起，通過加熱加壓等手段將它們組合成生命體？答案是否定的。然而一個小小的受精卵細胞（約0.2毫米）卻可以完成此項任務—通過不斷吸收母體傳來的各種營養(yǎng)元素而成長為一個完整的生命體。這種由眾多元素集合到生命體的過程其實至今仍有許多不解之謎，有待人類繼續(xù)深入探索。

人體是化學反應網(wǎng)絡

從上圖中，我們可以看到，對人體的最本質(zhì)的探索最終還是要在分子層面上進行，而這就離不開化學。接下來便要更進一步說說在人體這個元素集合體內(nèi)所發(fā)生的化學反應。

說起化學反應，人類接觸的第一個化學反應就是燃燒反應，熊熊的火焰發(fā)出了光，放出了熱，反應迅速而劇烈。實際上，人體內(nèi)也在進行著同樣的燃燒反應，或者叫呼吸，它是人體中經(jīng)消化吸收得到的葡萄糖、氨基酸和脂肪酸等與人體吸入的氧氣發(fā)生的反應。只不過人體內(nèi)的這個燃燒反應要溫和含蓄得多，原因就在于體內(nèi)有一種叫作酶（enzyme，酵素）的蛋白質(zhì)（或者RNA），它可以在體溫體液的環(huán)境下讓化學反應得以實現(xiàn)并能快速逐步進行，能量也是逐步釋放，合成出腺嘌呤核苷三磷酸（又稱腺苷三磷酸，簡稱ATP）這樣的能量分子，避免了因能量的大量釋放而使體溫上升太快致使人體機能失常的結果。

酶的催化效率極高，催化反應速率可達到非催化反應速率的108～1020倍，例如我們在咀嚼米飯（或饅頭）時很快就能感覺到甜味，這是因為食物中的淀粉在唾液中的淀粉酶的催化下很快轉(zhuǎn)變成帶有甜味的麥芽糖和蔗糖。而通常這個反應在體外是需要花一段時間進行的。

此外，酶具有高度的專一性，一種酶只能作用于特定的物質(zhì)，所以人體內(nèi)每個化學反應都有對應的酶相匹配。人體內(nèi)存在著幾千種酶，正因為如此，在充滿了各種物質(zhì)的細胞里，依然能發(fā)生準確無誤而又秩序井然的化學反應，可以說專一性的酶功不可沒！

事實上，人體內(nèi)發(fā)生的化學反應被稱作“代謝”。而發(fā)生的一連串化學反應被稱作“代謝途徑”，不同的代謝途徑再連接起來就形成了一個龐大的化學反應網(wǎng)絡，這個精密復雜的“代謝網(wǎng)絡”，日夜不停地為人體的生命活動提供了物質(zhì)和能量。因此，如何保證代謝網(wǎng)絡的正常運行成為科學家們的研究熱點。

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酒后不開車，開車不喝酒，不做“酒司機”。對于司機的飲酒檢測，警察使用的是非酶催化反應—用裝有重鉻酸鉀的儀器檢測司機是否酒后開車。只要司機向一個管中吹氣，如果觀察到管中的橘紅色物質(zhì)變綠，就可以證實司機喝酒了。反應只需要一步：

反應卻需要兩步，先在乙醇脫氫酶的作用下生成乙醛，如果此時體內(nèi)沒有下一步反應的催化酶—乙醛脫氫酶，那么有毒的乙醛就會在體內(nèi)積累，造成身體不適或者醉酒。而往往酒量好的人，是因為體內(nèi)的乙醛脫氫酶已將乙醛迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槎竞π院苄〉囊宜崃恕Ｍㄟ^對以上兩個乙醇氧化成乙酸的不同過程的比較，我們可以清楚地理解人體中所進行的化學反應的特點，那就是必須有高效高度專一的酶的作用，并逐步進行。