生物无机化学：探索生命现象的利器

夏　阳

提到生命现象，人们总认为它神秘莫测。即使是关心者，也往往被那些蛋白质、肽链、核糖核酸、基因、遗传密码等等复杂的结构和特殊的功能所苦恼。

诚然，生命现象本身是十分复杂的，因此生命科学显得很高深。但如果将它作为元素问题探讨，那么它就变得简单多了。

新学科的诞生

生物是从低等进化为高等的，今日的复杂生物也是由亿万年前的简单物质发展而来。而元素称得上是生物的基础，它们在生物的生长、发展、衰弱和死亡过程中起着极其重要的作用。

例如磷，近年的研究表明，它的某些化合物是人体内部的能源“供应站”。所有的食物经人体代谢——氧化反应之后，所释放的能量除一部分以热能形式失散于体内之外，其余大部分则被同时发生的吸热反应所利用，储存于某些特殊的化合物中。这个现象与我们将电能储于蓄电池的过程十分相似。研究发现，这种蓄电池般的特殊化合物，竟然全是有机磷化物，以三磷酸腺苷(ATP)为代表，遍及人体各部。以后，各项生命活动所需的能量，再由有机磷化物氧化供应。

又如镁离子，它能激活人体中的许多酶。一旦人体内的镁离子浓度过低，蛋白质的合成就会出差错或中断。某些地区食道癌发病率高，很可能就是那里的土壤缺镁的缘故。即使是植物，它的叶绿素中也含有大量的镁，是其进行光合作用所不可或缺的元素。为此，人们称镁离子为太阳能最好的转换器。

被誉称为“生命火花”的锌，它包含在许多蛋白质中，是大多数酶的必要组成成分，能激活肠磷酸酶及肝、肾过氧化氢酶，也是合成胰岛素的必需元素。心脏病、肝脾肿大、性腺功能减退和癌症等，都与锌在人体中的含量不正常有关。体内缺锌的儿童，常表现出食欲不振、味觉不灵敏、身高和体重都发育不良。

钴是维生素B₁₂的一个必需组分。维生素B₁₂由细菌生成，且为哺乳动物生长所必需。人体内缺乏钴，肠道细菌便无法合成维生素B₁₂。其次，有些酶催化反应，也需要B₁₂作为酶的辅因子，例如参与核糖核酸(RNA)的合成。而RNA与神经纤维的功能有关，因此缺钴就会引起神经退化。医生们认为，它很有希望成为治疗某些神经系统疾病的基础。钴还能防止脂肪在肝中积累。急性青光眼发作时，血中钴含量往往会减少，而采用“钻食”疗法能使患者的眼压很快恢复正常。

从以上事实可以看出，生物体内的元素含量虽少，但它们的作用和功能确实对生命现象有巨大的影响，成为生命科学所不能忽视的一个方面。近年来，这方面的研究已逐渐形成了一门崭新的学科。由于人们通常把铁、铜、锌、锰、钴、铝和铬等元素金属离子及它们所成的络合物，列为无机化学的研究范畴，所以这一门研究生物体内无机物与生命现象的崭新学科，被称为生物无机化学。

生物无机化学

在探索生命现象中的作用

生物无机化学一般从研究小分子(例如钾、钠、钙、镁等离子)对生物体的作用入手。

例如蛋白体，它是生命现象的物质基础。生物体各种组成部分的自我更新或新陈代谢，归根结底是通过成千上万种化学反应来实现，而这些化学反应几乎又都是在一类特殊的蛋白质——酶的催化之下进行的。酶是镁、锌、锰、铜等金属元素不可缺少的组成部分。酶作为催化剂，其催化效率高得惊人。例如同样是使过氧化氢分解成为氧气和水，过氧化氢酶的催化效率比一般化工厂常用的无机催化剂高出一千万倍!有些酶的催化效率甚至比催化相同化学反应的非生物体催化剂高十万亿倍!换句话说，在相同的条件下，用普通催化剂催化需要一年甚至一百万年才能完成的化学反应，酶只需要一秒钟。

也就是说，弄清金属元素和酶的结构、关系，就非常有可能人工合成出高催化效率的酶，使化学工业发生一场根本性的变革。在这方面，固氮制肥料的研究已取得了不少成绩。

倘若根据遗传工程学，把固氮基因转移到小麦、水稻、玉米等主要粮食作物根系的细菌中去，就能使它们获得大豆那样的固氮能力，为作物提供氮肥。还有人设想，把固氮基因干脆转移到动物甚至人体肠道细菌的细胞中去，以实现肠道细菌利用所固定的氨态氮来制造氨基酸、蛋白质等，达到部分营养自造的目的。这并非空想，因为白蚁和船蛆早已具备此功能，它们的肠内都有固氮细菌，能靠含氮量很低的食物生活。现已有人在蚕丝生产上努力，如果最终能把产生丝蛋白的基因引入细菌细胞中，使它具备合成丝蛋白的能力，那么就可以在发酵罐中生产蚕丝，大大缩短生产周期，使整个生产实现工业化。

当前，由于环境受到污染，某些化学元素进入人体，从而引起疾病已是不争事实。例如汞是水俣病的根源；镉积聚在肾脏、动脉和肝中，会干扰某些需锌的生物酶的作用。而通过生物无机化学的研究表明，由于镉和锌的性质相似，而镉对某些肾组织比锌有更大的亲和作用，因此它能不可逆地取代锌，从而改变了依靠锌的一切生物化学反应，最终引起尿蛋白症、糖尿病、水肿甚至癌症等。所以，研究化学元素的作用，将有助于防治因环境污染所引起的各种疾病，做到对症下药，有的放矢。

生物无机化学的研究显示，食盐在人体内的作用主要由钠离子实现，它能调节血液的酸碱度，使其维持恒定，以适合于细胞的新陈代谢。最近，关于食盐的研究又有惊人的发现，利用食盐可以选择婴儿的性别。其基本原则是，欲生男孩，女性在怀孕前应多吃一些咸食，以增加体内的钠和钾的含量；欲生女儿，就多吃乳酪、牛奶、鸡蛋，未发酵的干酪、甜黄油等含钙和镁丰富的食物。研究者认为，这些食谱能对卵巢产生化学影响，卵巢又将影响到卵子对精子的选择，从而组合成男或女的染色体，最终孕育成男婴或女婴。

生物无机化学在探索生命现象中所显示出来的非凡作用，已引起了科学家的极大关注。它的前景未可限量。