生物无机化学漫谈

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Ｆｅ2+在空气中很容易被氧化成Ｆｅ3+。在生物体形成的早期的地球，由于存在大量的Ｆｅ2+，因此，就很容易发生着这种氧化作用，以致于海

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