人体化学知多少

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　　常量元素与微量元素

　　在人体中，人们根据元素的含量，将人体所必需的化学元素划分为常量与微量两种：常量元素占人体重的99.95%以上，包括氧、碳、氢、氮、钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁11种元素。其中，碳、氧、氢、氮四种元素占人体重的95%以上，钾、钠、钙、镁、氯、硫，约占人体重的4%～5%。微量元素指人体所需要量很少，但不可或缺的一些元素，包括铁、锌、铜、锰、碘、钴、锶、铬、硒等。微量元素虽然在人体中需求量很低，但其作用却非常大。比如锌，该元素对人体多种生理功能起着重要作用：参与多种酶的合成；加速生长发育；增强创伤组织再生能力；增强抵抗力等。人体中的微量元素溶融在人体的血液里。如果缺少了这样那样的微量元素，人就会得病，甚至导致死亡。

　　由四元素掌控的人体小宇宙

　　对于人体的组成，有人说是由细胞构成的，但归根结底，人体不过主要是由占据了原子总数99.5%的四种元素所组成，即：氢（H，62.7%）、氧（O，23.8%）、碳（C，11.8%）和氮（N，1.17%），这让我们不得不感叹这四种元素的神奇力量！

　　那究竟是什么力量让这四种元素掌控了人体这个强大的小宇宙呢？正如前述，氢氧元素的含量占据前二位，是由于人体大部分是由水（由两个氢原子和一个氧原子组成，约占重量的60%）组成的，所以我们常说“没有水就没有生命”。如同空气可将瘪瘪的皮球撑得圆圆的，水也将每个细胞及整个人体的结构塑造成型，接着，生命中的一切活动便在水的温暖怀抱中进行。碳尽管排行第三，却在生命元素中有着至高无上的地位，那是因为它的强大的键合功能，为人体制造出所需的无以计数的有机化合物，进而组装成人体的结构。众所周知，元素间的化学反应都是通过元素间键的形成或者断裂来进行的，一个碳原子有多达4个的键合“手臂”，这不仅赋予了碳自身之间可以形成单键，双键和三键以及成环的化学反应能力，而且还使它可以与其他众多元素有着同样灵活多变的键合方式，所以我们的生命也被称作碳基生命。至于排行第四的氮，则在人体的蛋白质（比如酶）以及核酸（DNA和RNA）等重要的组分中肩负着无以取代的使命。它像一个魔法棒，将人体的结构激活，使人体具有了生命力，人体这个小宇宙便开始生生不息地演绎着自己的故事。当然还有其他许多的生命元素在辅佐着这个小宇宙的运行。

　　生命来源于海洋

　　也许你会问，元素周期表中一共有92种天然元素，大自然为什么单单选择这四种简单的元素来塑造我们人类呢？这就涉及到我们人体化学起源的问题。

　　眾所周知，宇宙在形成的过程中制造了各种元素，并用它那魔力非凡的力量造就了地球这个元素星球。接着，地球又依靠自己创造了大海这个更为独特的元素海洋，最终，在海洋中孕育出各种不同元素组合的生命体。尽管从最初到最终，元素是传承的，但因为各自所处的环境不同，所以各自的元素比例也有不同。例如，人体中就没有宇宙中含量很高的氦（He）元素，那是因为He是个不活泼的元素，对于我们这个需要活力的生命体而言，它就变得一无是处；再例如地球中含量较高的硅（Si）元素，在我们的人体中含量甚微！这与同样为四配位键合方式的碳相比，命运就显得如此悬殊了！原因就在于Si的四配位键合方式太弱，承担不起人体对各种大小分子多种多样的需求，只有淡出生命圈！而最有意思的则是海洋中的元素，它们与我们人类体液中的成分（离子）如此接近，这着实证明了我们的生命来源于海洋。

　　从单细胞开始，生命体在38亿年的漫长岁月中，与周遭环境（海洋、陆地及天空）中的所有元素经历了数不尽的相携、相融、相斥的历练后，最终进化成能与所处环境中的各种元素相处得游刃有余的元素集合体。所以说，人类是在不断地反复试错和淘汰中最终选定了如今的元素比例含量，这是自然选择的结果，是自然让人类修炼成一个高度灵敏、高效且具有各种强大功能（语言，创造工具等）的元素集合体。

　　此时，也许你又在想能不能把人体中含有的所有元素都放在一起，通过加热加压等手段将它们组合成生命体？答案是否定的。然而一个小小的受精卵细胞（约0.2毫米）却可以完成此项任务—通过不断吸收母体传来的各种营养元素而成长为一个完整的生命体。这种由众多元素集合到生命体的过程其实至今仍有许多不解之谜，有待人类继续深入探索。

　　人体是化学反应网络

　　从上图中，我们可以看到，对人体的最本质的探索最终还是要在分子层面上进行，而这就离不开化学。接下来便要更进一步说说在人体这个元素集合体内所发生的化学反应。

　　说起化学反应，人类接触的第一个化学反应就是燃烧反应，熊熊的火焰发出了光，放出了热，反应迅速而剧烈。实际上，人体内也在进行着同样的燃烧反应，或者叫呼吸，它是人体中经消化吸收得到的葡萄糖、氨基酸和脂肪酸等与人体吸入的氧气发生的反应。只不过人体内的这个燃烧反应要温和含蓄得多，原因就在于体内有一种叫作酶（enzyme，酵素）的蛋白质（或者RNA），它可以在体温体液的环境下让化学反应得以实现并能快速逐步进行，能量也是逐步释放，合成出腺嘌呤核苷三磷酸（又称腺苷三磷酸，简称ATP）这样的能量分子，避免了因能量的大量释放而使体温上升太快致使人体机能失常的结果。

　　酶的催化效率极高，催化反应速率可达到非催化反应速率的108～1020倍，例如我们在咀嚼米饭（或馒头）时很快就能感觉到甜味，这是因为食物中的淀粉在唾液中的淀粉酶的催化下很快转变成带有甜味的麦芽糖和蔗糖。而通常这个反应在体外是需要花一段时间进行的。

　　此外，酶具有高度的专一性，一种酶只能作用于特定的物质，所以人体内每个化学反应都有对应的酶相匹配。人体内存在着几千种酶，正因为如此，在充满了各种物质的细胞里，依然能发生准确无误而又秩序井然的化学反应，可以说专一性的酶功不可没！

　　事实上，人体内发生的化学反应被称作“代谢”。而发生的一连串化学反应被称作“代谢途径”，不同的代谢途径再连接起来就形成了一个庞大的化学反应网络，这个精密复杂的“代谢网络”，日夜不停地为人体的生命活动提供了物质和能量。因此，如何保证代谢网络的正常运行成为科学家们的研究热点。

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　　酒后不开车，开车不喝酒，不做“酒司机”。对于司机的饮酒检测，警察使用的是非酶催化反应—用装有重铬酸钾的仪器检测司机是否酒后开车。只要司机向一个管中吹气，如果观察到管中的橘红色物质变绿，就可以证实司机喝酒了。反应只需要一步：

　　反應却需要两步，先在乙醇脱氢酶的作用下生成乙醛，如果此时体内没有下一步反应的催化酶—乙醛脱氢酶，那么有毒的乙醛就会在体内积累，造成身体不适或者醉酒。而往往酒量好的人，是因为体内的乙醛脱氢酶已将乙醛迅速转变为毒害性很小的乙酸了。通过对以上两个乙醇氧化成乙酸的不同过程的比较，我们可以清楚地理解人体中所进行的化学反应的特点，那就是必须有高效高度专一的酶的作用，并逐步进行。

　　欧阳兴梅