生物无机化学漫谈，本文主要内容关键词为：无机化学论文,生物论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
从60年代末，一门新兴的边缘学科——生物无机化学诞生至今已有40多年的历史。回顾这一学科的产生与发展的历史会不难看出，它是伴随人们探索生命现象的逐渐深入而自然产生的结果。从着眼于细胞水平上的生物学，到从分子水平上解释生命现象的生物化学，人类对生命的认识进入了一个崭新的境界。神秘而复杂的生命现象归根到底是许多生物分子间有组织的化学反应的表现。难怪诺贝尔奖获得者美国医学教授A.Kornberg疾呼“把生命理解成化学”。在生命体中这些化学反应是一系列有组织的、配合准确、默契的化学反应的复杂组合，从而实现了由低级运动到高级运动形式的转化。对这些极富特点的化学反应的理解，使人们将化学研究的观点和方法引入到这一领域，从而把对生物系统化学本质的研究引向了亚分子水平。在这一过程中，人们从个别金属离子在生化反应中所起的作用逐渐认识到生命活动无不与金属离子有着千丝万缕的联系。即没有金属离子就没有生命。于是着眼于金属离子与生物大分子相互作用的新学科——生物无机化学产生了。它的产生不仅推动了人们对生命现象的认识步伐，而且也为无机化学开辟了一个新的研究领域。由于生物无机化学所包含的内容十分丰富，要将这门学科所涉及的内容完全反映在一篇文章中显然是不合适的。这里仅就作者对这门学科的一些感悟介绍给读者，如能从这篇短文中获得一点启发那是作者最大的心愿。
一、生命元素的存在形态是生物进化的一个标志
现代科学研究认为，我们赖以生存的地球形成于50亿年前。地球是由超恒星核聚变引发的宇宙大爆炸所产生的尘埃，由这些尘埃聚集所形成的地球蕴涵者由核聚变所产生的极其丰富的化学元素。那时元素存在形态自然是一些无机物，生命在那时不能产生是由于地球地质、气候环境不仅不适应于生命体生存，更重要的是这种环境不能形成生命产生所必需的物质形态。漫长的地貌变化使地球表面形成了变化多端的特殊环境，地表元素分布的不均性与生命这种特殊物质形态的形成有着密切的联系。当地球表面的这种变化达到一定程度时，早期的生物便产生了。这是40亿年前的情形。当时大气中主要是还原性气氛，因此，早期的生物应该是厌氧型生物。海藻的形成为改善大气的气氛作出了巨大的贡献。这种生物的光合作用，便产生了氧气。大气漫漫由还原性气氛变为氧化型气氛。于是某些厌氧型生物在环境的迫使下，逐渐进化为需氧型生物。进而出现了不同需氧生物体内的需氧代谢系统。产生了含有不同金属的氧载体，如含铜的血蓝蛋白、含铁的血红蛋白和肌红蛋白等。尽管厌氧型生物通过进化产生利用环境氧的系统，即产生了有氧代谢以摆脱氧对其所产生的毒性。尽管生命进化到现在如此高度，我们也不难发现在我们的体内仍然存在着氧对我们产生的毒副作用。有氧代谢的生物体由于不能在有氧代谢过程中对氧的利用达到尽善尽美的程度，对细胞毒性的超氧负离子便是生物利用氧中所产生的副产物。为了彻底消除超氧负离子对机体歧化酶（SOD）就是一个典型。 不难看出这是环境迫使生物体就范的折中结果。因为生物本身花费了高昂的代价，它也没有完全摆脱这种潜在毒性。因为有许多与自由基有关的副作用的消除重任都落在了SOD的肩上。生物体中的Ca，Mg元素也是一个典型的例子。 研究发现Mg开始就存在于原始细胞中，从进化的角度上讲，它是参与生命体产生的较早的元素，因此，生物体具有了较为完善的代谢机制。由于它所产生的疾病就比较少见，而Ca元素产生具有神经传递功能的高等生物体，从生物进化进程的角度上看，它是比较“新”的元素。因而在某种程度上具有代谢机制的不完善性，因此，现在常常出现与Ca代射有关的疾病。如动脉粥样硬化和胆结石等。
生命从早期以无机物为主的地球上产生开始就与无机物存在着联系。海洋中许多金属元素的种类和含量与人体血液中金属元素的种类和含量有着惊人的正相关，可能说明我们的祖先来自于海洋。我们可能就是从海洋爬上陆地的生物的后代。生物体中的元素不仅打上了环境的烙印，而且生物的进化是从组成生物体的分子的进化开始的。在此过程中，金属元素形态的变迁发挥着重要的作用。
二、金属元素不同存在形态具有不同的生物学活性
如果我们将生命理解成化学反应，那么参与反应物种的不同形态由于不同的化学性质，必然导致在这一反应中扮演着不同的角色。显然，金属元素不同存在形态应该具有不同的生物学活性是很容易理解的。
在生物体中与金属元素有关的物质的生物功能无不与金属元素的存在形态有着必然的联系。 我们知道Fe[2＋]在空气中很容易被氧化成Fe[3＋]。在生物体形成的早期的地球，由于存在大量的Fe[2＋]，因此，就很容易发生着这种氧化作用，以致于海水可能成为红色。这恐怕是最早的一种有氧“呼吸”。而人们呼吸所吸入的氧气是通过结合于流淌在血液中的血红蛋白及肌红蛋白的Fe[2＋]上，尽管氧分子直接与Fe[2＋]结合，但并不发生氧化作用。且这种结合是可逆性的。这是真正意义上的氧合作用而不是氧化作用。如果发生氧化作用那将是可怕的事。为什么不会发生氧化作用？原来在血红蛋白和肌红蛋白分子中的Fe[2＋] 是处于蛋白链所“营造”的特殊环境的结果，这种特殊性在于Fe[2＋] 被脂溶性的环境所包围。正是由于这种特殊的结合方式才赋予存在于血红蛋白和肌红蛋白中的Fe[2＋]特殊的性质， 也就造成了血红蛋白和肌红蛋白所具有的可逆性载氧功能。细胞色素C 也是一种含有铁的金属蛋白，它所承担的功能是传递电子，而实现电子传递的作用在于其中铁的价态变化。之所以这种含铁蛋白中的铁能够发生Fe[2＋]和Fe[3＋]的转化，就在于在这种蛋白质中的铁离子处于蛋白质所“营造”的水溶性环境。要特别指出的是金属元素的结合形态不仅包含金属元素与生物大分子的键合方式，还应包括这种结合体的分子构象。看起来似乎杂乱无章的蛋白质构象中蕴涵着维系分子特定构象极其丰富的相互作用信息。毫不夸张地讲，没有构象就没有生命。当然在日常生活中，许多微量元素补剂是否有好的补充效果与这种补剂中元素的结合形态有着密切关系。像这样的例子是很多的，这里就不一一赘述了。总之金属元素的存在形态不同其生物效应不同这是一个普遍规律。它不仅适应人体必需元素，而且也适应有害元素。
三、从生物无机化学看生命过程中化学反应的特点
我们已经认识到生命过程本身就是一个化学反应过程，即使我们对这一过程的许多细节还不十分清楚，但人们在对已有所认识的事例中，感受到这些化学反应有着特殊性。下面仅举几个例子来领悟这些特殊性的根源。
“隔室效应”是生命反应过程中一个非常典型的特点。我们知道化学反应总是在一定条件下才能发生，反应条件不同，所发生的化学反应不同。具有使我们惊讶不已的生物功能在一定程度上讲，与生物体所能提供的各种反应条件下的本领有着密切联系。细胞膜的“隔室效应”为生命反应有序性及选择性提供了某种程度上的保障。“隔室效应”将细胞的内外分开，形成一定的反应环境。这是维持细胞内特殊反应所必须。每种细胞就像一个特定的“反应器”。同时细胞膜的特殊组成使这种膜具有“隔而不断”的特性。它具有选择性地使某些物质可以穿越，以维持细胞内正常的代谢反应。
高度的分子组装是生命体中又一个显著特点。在一定意义上讲生命体就是一个由无机物和有机物分子高度组装体。从下面所举的一例中让我们来感受这种分子组装的作用以及它的意义。
我们知道生物体赖以生存的是食物。食物在生物体内先通过一系列酶促反应降解为简单的糖和脂肪酸等，葡萄糖和脂肪酸再缓慢地进行生物氧化。生物体从这一过程中获得能量。人在不停的呼吸中实际上在体内进行着使糖和脂肪酸的生物氧化，吸入氧气，摄入有机物，呼出二氧化碳和水。从本质上讲，呼吸作用与这些物质的燃烧反应一样。从这个意义上讲，“生命的燃烧”是有一定道理的。然而我们却没有感受强烈地燃烧。是我们的感觉不对，还是根本没有发生像燃烧一样的反应？其实它确实是一种特殊的燃烧反应。这种特殊性在于反应的历程有所不同。我们平时所说的燃烧反应，之所以非常激烈与分子氧和有机物间直接发生电子转移有关。生物体对有机物的氧化是通过一个称之为呼吸链的电子传递过程完成的。在这一过程中所要氧化的有机物并不是直接与分子氧发生作用，也不是一步完成的。这一氧化还原反应是通过一系列氧化还原电对间的电子传递过程实现的，且这些氧化还原电对在细胞膜上按电位由低到高的顺序排列的。有机物失去的电子首先传递给于呼吸链中的第一个电子接受体，然后在有序排列的电对间将电子一步一步传递下去，最后把电子传递给分子氧而形成最终产物水。由呼吸链所得到的产物几乎与底物在炉子中燃烧所形成的物质没有多大差别。不过，这种炉子是一种非常惊人的冷炉，物质在其中燃烧几乎不产生热量。自然界这种巧妙的氧化反应使其最大限度地减少氧化反应的能量浪费。这是分子工程最伟大的佳作之一。之所以如此，这与担负电子及质子传递体在线粒体膜上有序的排列是分不开的。每种分子的排列都使它们起着一种高效的电子“戽斗队”作用。即就是说，首先它们按电极电势的顺序有效的排列。在空间上造成了发生反应的先后顺序。假如将呼吸链中的所有电子载体在溶液中混合起来，必然不会产生对能量这种高效利用。
四、从元素的性质看有毒元素的毒性
在漫长的生物进化过程中生物在各种原则的控制下从环境中选择了不同的元素作为必需元素，同时这些元素也承担着相应的功能。如具有不易变价的Zn离子存在于许多酶中起到路易斯酸作用，相应的酶多与催化水解反应有关。而易于变价的过渡金属离子Fe，Cu，Mn等存在于许多氧化还原酶中。也就是说这些酶的功能与酶中所含金属元素的基本性质相符合。有趣的是很多有毒元素与必需元素只是一步之遥！如Ca是必需元素，而Sr是有害元素。Mg是必需元素，而Be是有害元素。P 是必需元素，而As是有害元素。这样的例子是很多的，这种现象也是普遍的。只所以如此，恐怕也正是由于它们具有相似的化学性质所致。从化学反应这个意义上讲，它们是“平等”的，没有利害之分。但由于生物在长期的进化过程中依照各种原则选择了其中的一种元素，生物本身自然也适应了它。但这种适应是建立在极度微妙的相互作用之上，因此哪怕仅微弱的变化，生物体也可能无法接受。于是这种无法替代的角色也从另一个方面反映了生物对元素的高度选择性。