生物无机化学漫谈

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Ｆｅ2+上，尽管氧分子直接与Ｆｅ2+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Ｆｅ2+是处于蛋白链所“营造”的特殊环境的结果，这种特殊性在于Ｆｅ2+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Ｆｅ2+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Ｆｅ2+和Ｆｅ3+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。
　　

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