化学元素与生命健康

化学元素与生命健康云南大学化学科学与工程学院王林第一讲绪论生命科学中的元素(微量元素)是一门新兴的由多学科相互渗透的边缘学科.它与化学、生物学、医药学、环境科学、地学、食品学、营养学等有着密切关系。目前研究表明化学元素，特别是微量元素在与人体生物分子的有机联系中，起着关键步骤的调控作用，并且化学元素不像某些维生素能在人体内自行合成，从这个意义说，人体所需营养中，它们甚至比维生素更为重要。化学元素主要来自饮食空气和各种外源性物质，因此易产生缺乏或过量积累。通过对化学元素特别是微量元素与健康相关性及其内在联系究，在某些疾病，特别是微量元素缺乏，过量积累及失控等造成的疾病（包括一些地方病）的防治方面有所发现和改善.一.常量元素和微量元素目前已知天然存在的化学元素有92种,在人体已发现81种.人体必需的常量元素有11种,占人体总质量的99.95%,是人体不可缺少的造体元素.人体中其余70余种元素是微量元素,仅占人体总质量的0.05%.存在于生物体(植物和动物)内的元素大致分为四类1).必需元素(essentialelement):按在人体内含量不同又可分为常量元素(majorelement)和微量元素(traceelement).2).可能有益和辅助营养元素3).沾染元素4).有毒元素人体中每一元素呈现的不同生物效应,效应的强弱决定于特定器官或体液中该元素的浓度及其存在的形态.对于必需元素和有益元素,各有一段最佳健康浓度,有的具有较大的体内恒定值,而有的却很小.如Zn.而有的最佳浓度和中毒浓度之间只有一个狭窄的限安全限度,如Cu、Se等.除了25种必需元素外,还有20～30种普遍存在于组织中的元素,这些元素的浓度是变化的.它们的生物效应还未被完全弄清,因此上述元素界限的划分不是固定不变的,随研究深入,还可能修正.常量元素在人体中的组成％％Ｏ６５.５Ｓ０.２５Ｃ１８.０Ｎa０.１５Ｈ１０.０Ｃl０.１５Ｎ３.０Ｍg０.０５Ｃa１.０Ｐ１.０Ｋ０.３５微量元素在人体内的含量％％Fe0.0057Cr8.6×10-5Zn0.0033Mo7.0×10-6Cu1.4×10-4Co4.3×10-6Sn4.3×10-5F5.3×10-6I4.3×10-5V1.4×10-7Mn3.0×10-5SiNi1.4×10-5Se第二节元素的主要来源一．河流河流汇集来自其流域可溶性物质，因此其组成随气候、地质情况和大城市的出现而变化。一般说来：温带区域河流以含较多钙离子和碳酸根离为特征。热带潮湿地区河水各成分被稀释，但却含有较多Al、Fe、Si和有机物。流过干旱地区的河流，则以含有较大量的钠离子、氯化物和硫酸盐为特征。二.海洋海水中主要阳离子是Na+、K+、Mg2+、Ca2+阴离子是Cl-、SO42-、HCO3-三.土壤土壤中所含元素较广,如C、N比岩石明显多。稍贫的有As、Br、Cd、Hf、I、Pb、Se、Sn、Zr、Tl。稍富的为B、Ca、Cl、F、Hg、K、Mg、Na、Sr。由于土壤类型不同，会有差别。四.大气大气圈质量5.3×1018kg,其中80%停留在约10Km高度以下的对流层.这是生物化学家最感兴趣的区域。以N和O为主要成分,还有H、CO、CO2、CH4、SO2、H2S、NO、NO2等。城市和工厂附近大气中还含有重金属化合物，砷化合物、氟化合物、石棉等烟雾飘尘，由于雨水冲淋和沉降作用，其对生物的影响是不可忽视的。第三节生物体中的元素分布一.分布状况C、H、O、N大量存在于生物体内的有机物中，P为含量最多的无机元素之一，同时也是构成许多活性化合物的重要结构单元的元素。Na、K、Mg、Cl、Ca、S为次丰元素。前四种是体液和细胞质的主要成分。Ca构成生物体的骨架物质。S是有机物的组份，Na不是植物的必需元素因此植物主要向动物提供K而不能提供足够的Na。所以要补充食盐。含量较低的有重要金属元素如V、Fe、Mn、Co、Cu、Zn、Mo及非金属元素I、Se等微量元素。其他如Sr、Ge、Ba、Al、Pb、Cd、As等一些元素虽然到处都有，目前尚未被证实是否是人体或其它生物体所必需的。二.人体组织中的微量元素分布是及不均匀的.有些是脏器组成部分之一,并有重要生理功能.如甲状腺的碘,红细胞内的铁,造血器官中的钴,脂肪组织中的钒,肌肉组织里的锌等.在人体中的主要蓄积部位(%):Fe:血色素(70.5),F:骨(98.9),Zn:肌肉(65.2)，Cu:肌肉(34.7),V:脂肪(90),Se:肌肉(88.3)Mn:骨(43.3),I:甲状腺(87.4)······第四节微量元素与食物营养一.平衡膳食组成在人体的营养生理需要与膳食之间建立平衡关系.新陈代谢导致每天都有一定的无机盐排出体外,需由膳食补充,无机盐在食物中分布很广,一般能满足需要.不过从实用观点看,较易缺乏的无机元素有Ca、Fe、I，特别是正在发育生长的儿童、青少年孕妇和乳母。这三种元素的缺乏是比较普遍的。在我们吃的食品中有的化学物是有意加入的，有的是在各种生产活动中带进的，还有一些是食品中自然存在的。多样化的膳食是获得各种适量基本营养素的最好方法。《黄帝内经》:“五谷为养,五果为助,五畜为益,五菜为充”.广谱而平衡的膳食原则,同时也是避免食品中有毒物质达到有害剂量的科学方法之一.二.理想食物中的化学元素栖息于大自然中的动物能从多样性食物中获得各种所需元素,避免了这些元素的不足或过量摄取.但人们“纯化了”的食物却导致了某些“文明病”.一般说,含铬(Cr)量较高的有坚果,谷类,其次是动物的饱和脂肪。锰(Mn)在坚果和叶采类及茶叶中含量较丰此外谷、麦、通心粉中也有一定含量钴（Co）在虾、鱼中含量较多，其余含量较少。铜在牡蛎中含量很大，肝、肾、羊排、葵花籽油、蔬菜、坚果中含量超过5ppm。瘦肉和鱼是最丰富的锌源，在蛋黄，小麦、玉米、茶叶、白扁豆，可可，酵母等中含量超过20ppm。硒（Se）存在量较低，人们对它的需求量也相对较少，通常含于肉类中，但硒的缺乏可造成地方病，需求助外加硒制剂来补充。豆荚类和动物脏器中含大量钼（Mo）。钼是牛奶里一种酶的组分，牛奶也是其来源。食品中大量使用食品添加剂,如:抗凝胶剂:硅酸铝钙,硅酸镁等.防腐剂:抗坏血酸钙,苯甲酸钠,山梨酸钾等.稳定剂:藻酸钙等.各种添加剂:硫酸铝铵,碳酸镁等.色素：柠檬黄，喹啉黄，日落黄，二蓝光酸性黄，胭脂红，诱惑红等。第五节微量元素的毒性一.元素缺乏及过量积累的毒性必需元素:生长ab浓度缺乏最适中毒致死例：Zn,Cu,生长非必需（金属）元素:生长浓度可耐受中毒致死a例：Pb,Cd等二.食品中金属毒物问题1.自然环境:因地区条件特殊,土壤、空气、水中某些金属含量较高，这种环境里生长的动、植物体内往往也有较高的这类金属。2.食品生产加工中的机械、管道、容器等在一定条件下可能污染食品：如酸性食品可从上釉的陶瓷中溶出铅和镉，机械摩擦使金属粉尘掺入面粉等。3.农用化学物质和工业三废污染:农药中的有毒金属引起土壤污染,工业的废气、废渣、废水不合理排放。4.食品包装