生物無機化學：探索生命現(xiàn)象的利器

夏　陽

提到生命現(xiàn)象，人們總認為它神秘莫測。即使是關心者，也往往被那些蛋白質、肽鏈、核糖核酸、基因、遺傳密碼等等復雜的結構和特殊的功能所苦惱。

誠然，生命現(xiàn)象本身是十分復雜的，因此生命科學顯得很高深。但如果將它作為元素問題探討，那么它就變得簡單多了。

新學科的誕生

生物是從低等進化為高等的，今日的復雜生物也是由億萬年前的簡單物質發(fā)展而來。而元素稱得上是生物的基礎，它們在生物的生長、發(fā)展、衰弱和死亡過程中起著極其重要的作用。

例如磷，近年的研究表明，它的某些化合物是人體內部的能源“供應站”。所有的食物經(jīng)人體代謝——氧化反應之后，所釋放的能量除一部分以熱能形式失散于體內之外，其余大部分則被同時發(fā)生的吸熱反應所利用，儲存于某些特殊的化合物中。這個現(xiàn)象與我們將電能儲于蓄電池的過程十分相似。研究發(fā)現(xiàn)，這種蓄電池般的特殊化合物，竟然全是有機磷化物，以三磷酸腺苷(ATP)為代表，遍及人體各部。以后，各項生命活動所需的能量，再由有機磷化物氧化供應。

又如鎂離子，它能激活人體中的許多酶。一旦人體內的鎂離子濃度過低，蛋白質的合成就會出差錯或中斷。某些地區(qū)食道癌發(fā)病率高，很可能就是那里的土壤缺鎂的緣故。即使是植物，它的葉綠素中也含有大量的鎂，是其進行光合作用所不可或缺的元素。為此，人們稱鎂離子為太陽能最好的轉換器。

被譽稱為“生命火花”的鋅，它包含在許多蛋白質中，是大多數(shù)酶的必要組成成分，能激活腸磷酸酶及肝、腎過氧化氫酶，也是合成胰島素的必需元素。心臟病、肝脾腫大、性腺功能減退和癌癥等，都與鋅在人體中的含量不正常有關。體內缺鋅的兒童，常表現(xiàn)出食欲不振、味覺不靈敏、身高和體重都發(fā)育不良。

鈷是維生素B₁₂的一個必需組分。維生素B₁₂由細菌生成，且為哺乳動物生長所必需。人體內缺乏鈷，腸道細菌便無法合成維生素B₁₂。其次，有些酶催化反應，也需要B₁₂作為酶的輔因子，例如參與核糖核酸(RNA)的合成。而RNA與神經(jīng)纖維的功能有關，因此缺鈷就會引起神經(jīng)退化。醫(yī)生們認為，它很有希望成為治療某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的基礎。鈷還能防止脂肪在肝中積累。急性青光眼發(fā)作時，血中鈷含量往往會減少，而采用“鉆食”療法能使患者的眼壓很快恢復正常。

從以上事實可以看出，生物體內的元素含量雖少，但它們的作用和功能確實對生命現(xiàn)象有巨大的影響，成為生命科學所不能忽視的一個方面。近年來，這方面的研究已逐漸形成了一門嶄新的學科。由于人們通常把鐵、銅、鋅、錳、鈷、鋁和鉻等元素金屬離子及它們所成的絡合物，列為無機化學的研究范疇，所以這一門研究生物體內無機物與生命現(xiàn)象的嶄新學科，被稱為生物無機化學。

生物無機化學

在探索生命現(xiàn)象中的作用

生物無機化學一般從研究小分子(例如鉀、鈉、鈣、鎂等離子)對生物體的作用入手。

例如蛋白體，它是生命現(xiàn)象的物質基礎。生物體各種組成部分的自我更新或新陳代謝，歸根結底是通過成千上萬種化學反應來實現(xiàn)，而這些化學反應幾乎又都是在一類特殊的蛋白質——酶的催化之下進行的。酶是鎂、鋅、錳、銅等金屬元素不可缺少的組成部分。酶作為催化劑，其催化效率高得驚人。例如同樣是使過氧化氫分解成為氧氣和水，過氧化氫酶的催化效率比一般化工廠常用的無機催化劑高出一千萬倍!有些酶的催化效率甚至比催化相同化學反應的非生物體催化劑高十萬億倍!換句話說，在相同的條件下，用普通催化劑催化需要一年甚至一百萬年才能完成的化學反應，酶只需要一秒鐘。

也就是說，弄清金屬元素和酶的結構、關系，就非常有可能人工合成出高催化效率的酶，使化學工業(yè)發(fā)生一場根本性的變革。在這方面，固氮制肥料的研究已取得了不少成績。

倘若根據(jù)遺傳工程學，把固氮基因轉移到小麥、水稻、玉米等主要糧食作物根系的細菌中去，就能使它們獲得大豆那樣的固氮能力，為作物提供氮肥。還有人設想，把固氮基因干脆轉移到動物甚至人體腸道細菌的細胞中去，以實現(xiàn)腸道細菌利用所固定的氨態(tài)氮來制造氨基酸、蛋白質等，達到部分營養(yǎng)自造的目的。這并非空想，因為白蟻和船蛆早已具備此功能，它們的腸內都有固氮細菌，能靠含氮量很低的食物生活。現(xiàn)已有人在蠶絲生產(chǎn)上努力，如果最終能把產(chǎn)生絲蛋白的基因引入細菌細胞中，使它具備合成絲蛋白的能力，那么就可以在發(fā)酵罐中生產(chǎn)蠶絲，大大縮短生產(chǎn)周期，使整個生產(chǎn)實現(xiàn)工業(yè)化。

當前，由于環(huán)境受到污染，某些化學元素進入人體，從而引起疾病已是不爭事實。例如汞是水俁病的根源；鎘積聚在腎臟、動脈和肝中，會干擾某些需鋅的生物酶的作用。而通過生物無機化學的研究表明，由于鎘和鋅的性質相似，而鎘對某些腎組織比鋅有更大的親和作用，因此它能不可逆地取代鋅，從而改變了依靠鋅的一切生物化學反應，最終引起尿蛋白癥、糖尿病、水腫甚至癌癥等。所以，研究化學元素的作用，將有助于防治因環(huán)境污染所引起的各種疾病，做到對癥下藥，有的放矢。

生物無機化學的研究顯示，食鹽在人體內的作用主要由鈉離子實現(xiàn)，它能調節(jié)血液的酸堿度，使其維持恒定，以適合于細胞的新陳代謝。最近，關于食鹽的研究又有驚人的發(fā)現(xiàn)，利用食鹽可以選擇嬰兒的性別。其基本原則是，欲生男孩，女性在懷孕前應多吃一些咸食，以增加體內的鈉和鉀的含量；欲生女兒，就多吃乳酪、牛奶、雞蛋，未發(fā)酵的干酪、甜黃油等含鈣和鎂豐富的食物。研究者認為，這些食譜能對卵巢產(chǎn)生化學影響，卵巢又將影響到卵子對精子的選擇，從而組合成男或女的染色體，最終孕育成男嬰或女嬰。

生物無機化學在探索生命現(xiàn)象中所顯示出來的非凡作用，已引起了科學家的極大關注。它的前景未可限量。