生物無機(jī)化學(xué)：探索生命現(xiàn)象的利器

1、    生物無機(jī)化學(xué)探索生命現(xiàn)象的利器    夏陽提到生命現(xiàn)象，人們總認(rèn)為它神秘莫測(cè)。即使是關(guān)心者，也往往被那些蛋白質(zhì)、肽鏈、核糖核酸、基因、遺傳密碼等等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特殊的功能所苦惱。誠然，生命現(xiàn)象本身是十分復(fù)雜的，因此生命科學(xué)顯得很高深。但如果將它作為元素問題探討，那么它就變得簡(jiǎn)單多了。新學(xué)科的誕生生物是從低等進(jìn)化為高等的，今日的復(fù)雜生物也是由億萬年前的簡(jiǎn)單物質(zhì)發(fā)展而來。而元素稱得上是生物的基礎(chǔ)，它們?cè)谏锏纳L(zhǎng)、發(fā)展、衰弱和死亡過程中起著極其重要的作用。例如磷，近年的研究表明，它的某些化合物是人體內(nèi)部的能源“供應(yīng)站”。所有的食物經(jīng)人體代謝氧化反應(yīng)之后

2、，所釋放的能量除一部分以熱能形式失散于體內(nèi)之外，其余大部分則被同時(shí)發(fā)生的吸熱反應(yīng)所利用，儲(chǔ)存于某些特殊的化合物中。這個(gè)現(xiàn)象與我們將電能儲(chǔ)于蓄電池的過程十分相似。研究發(fā)現(xiàn)，這種蓄電池般的特殊化合物，竟然全是有機(jī)磷化物，以三磷酸腺苷(atp)為代表，遍及人體各部。以后，各項(xiàng)生命活動(dòng)所需的能量，再由有機(jī)磷化物氧化供應(yīng)。又如鎂離子，它能激活人體中的許多酶。一旦人體內(nèi)的鎂離子濃度過低，蛋白質(zhì)的合成就會(huì)出差錯(cuò)或中斷。某些地區(qū)食道癌發(fā)病率高，很可能就是那里的土壤缺鎂的緣故。即使是植物，它的葉綠素中也含有大量的鎂，是其進(jìn)行光合作用所不可或缺的元素。為此，人們稱鎂離子為太陽能最好的轉(zhuǎn)換器。被譽(yù)稱為“生命火花”的

3、鋅，它包含在許多蛋白質(zhì)中，是大多數(shù)酶的必要組成成分，能激活腸磷酸酶及肝、腎過氧化氫酶，也是合成胰島素的必需元素。心臟病、肝脾腫大、性腺功能減退和癌癥等，都與鋅在人體中的含量不正常有關(guān)。體內(nèi)缺鋅的兒童，常表現(xiàn)出食欲不振、味覺不靈敏、身高和體重都發(fā)育不良。鈷是維生素b12的一個(gè)必需組分。維生素b12由細(xì)菌生成，且為哺乳動(dòng)物生長(zhǎng)所必需。人體內(nèi)缺乏鈷，腸道細(xì)菌便無法合成維生素b12。其次，有些酶催化反應(yīng)，也需要b12作為酶的輔因子，例如參與核糖核酸(rna)的合成。而rna與神經(jīng)纖維的功能有關(guān)，因此缺鈷就會(huì)引起神經(jīng)退化。醫(yī)生們認(rèn)為，它很有希望成為治療某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的基礎(chǔ)。鈷還能防止脂肪在肝中積累。急

4、性青光眼發(fā)作時(shí)，血中鈷含量往往會(huì)減少，而采用“鉆食”療法能使患者的眼壓很快恢復(fù)正常。從以上事實(shí)可以看出，生物體內(nèi)的元素含量雖少，但它們的作用和功能確實(shí)對(duì)生命現(xiàn)象有巨大的影響，成為生命科學(xué)所不能忽視的一個(gè)方面。近年來，這方面的研究已逐漸形成了一門嶄新的學(xué)科。由于人們通常把鐵、銅、鋅、錳、鈷、鋁和鉻等元素金屬離子及它們所成的絡(luò)合物，列為無機(jī)化學(xué)的研究范疇，所以這一門研究生物體內(nèi)無機(jī)物與生命現(xiàn)象的嶄新學(xué)科，被稱為生物無機(jī)化學(xué)。生物無機(jī)化學(xué)在探索生命現(xiàn)象中的作用生物無機(jī)化學(xué)一般從研究小分子(例如鉀、鈉、鈣、鎂等離子)對(duì)生物體的作用入手。例如蛋白體，它是生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)。生物體各種組成部分的自我更新或

5、新陳代謝，歸根結(jié)底是通過成千上萬種化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，而這些化學(xué)反應(yīng)幾乎又都是在一類特殊的蛋白質(zhì)酶的催化之下進(jìn)行的。酶是鎂、鋅、錳、銅等金屬元素不可缺少的組成部分。酶作為催化劑，其催化效率高得驚人。例如同樣是使過氧化氫分解成為氧氣和水，過氧化氫酶的催化效率比一般化工廠常用的無機(jī)催化劑高出一千萬倍!有些酶的催化效率甚至比催化相同化學(xué)反應(yīng)的非生物體催化劑高十萬億倍!換句話說，在相同的條件下，用普通催化劑催化需要一年甚至一百萬年才能完成的化學(xué)反應(yīng)，酶只需要一秒鐘。也就是說，弄清金屬元素和酶的結(jié)構(gòu)、關(guān)系，就非常有可能人工合成出高催化效率的酶，使化學(xué)工業(yè)發(fā)生一場(chǎng)根本性的變革。在這方面，固氮制肥料的研究已取得

6、了不少成績(jī)。倘若根據(jù)遺傳工程學(xué)，把固氮基因轉(zhuǎn)移到小麥、水稻、玉米等主要糧食作物根系的細(xì)菌中去，就能使它們獲得大豆那樣的固氮能力，為作物提供氮肥。還有人設(shè)想，把固氮基因干脆轉(zhuǎn)移到動(dòng)物甚至人體腸道細(xì)菌的細(xì)胞中去，以實(shí)現(xiàn)腸道細(xì)菌利用所固定的氨態(tài)氮來制造氨基酸、蛋白質(zhì)等，達(dá)到部分營(yíng)養(yǎng)自造的目的。這并非空想，因?yàn)榘紫伜痛缫丫邆浯斯δ?，它們的腸內(nèi)都有固氮細(xì)菌，能靠含氮量很低的食物生活?，F(xiàn)已有人在蠶絲生產(chǎn)上努力，如果最終能把產(chǎn)生絲蛋白的基因引入細(xì)菌細(xì)胞中，使它具備合成絲蛋白的能力，那么就可以在發(fā)酵罐中生產(chǎn)蠶絲，大大縮短生產(chǎn)周期，使整個(gè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。當(dāng)前，由于環(huán)境受到污染，某些化學(xué)元素進(jìn)入人體，從而引起

7、疾病已是不爭(zhēng)事實(shí)。例如汞是水俁病的根源；鎘積聚在腎臟、動(dòng)脈和肝中，會(huì)干擾某些需鋅的生物酶的作用。而通過生物無機(jī)化學(xué)的研究表明，由于鎘和鋅的性質(zhì)相似，而鎘對(duì)某些腎組織比鋅有更大的親和作用，因此它能不可逆地取代鋅，從而改變了依靠鋅的一切生物化學(xué)反應(yīng)，最終引起尿蛋白癥、糖尿病、水腫甚至癌癥等。所以，研究化學(xué)元素的作用，將有助于防治因環(huán)境污染所引起的各種疾病，做到對(duì)癥下藥，有的放矢。生物無機(jī)化學(xué)的研究顯示，食鹽在人體內(nèi)的作用主要由鈉離子實(shí)現(xiàn)，它能調(diào)節(jié)血液的酸堿度，使其維持恒定，以適合于細(xì)胞的新陳代謝。最近，關(guān)于食鹽的研究又有驚人的發(fā)現(xiàn)，利用食鹽可以選擇嬰兒的性別。其基本原則是，欲生男孩，女性在懷孕前應(yīng)多吃一些咸食，以增加體內(nèi)的鈉和鉀的含量；欲生女兒，就多吃乳酪、牛奶、雞蛋，未發(fā)酵的干酪、甜黃油等含鈣和鎂豐富的食物。研究者認(rèn)為，這