必需元素與人體健康

生物體內有特殊生理功能的必需元素按含量分為大量必需元素和微量必需元素。大量必需元素是指含量占生物體總重量萬分之一以上的元素，如C、H、O、N、P、K、Ca、Mg等。其中C是基本元素，C、H、O、N、P、S 6種元素是組成細胞的主要元素，大約共占細胞總量的97%。微量元素通常是指生物生活所必需，但是需要量卻很少的一些元素，如Si、B、Cu、Zn等。另有必需痕量元素及對人體健康有害的污染元素。

1 大量必需元素

1.1 Na、K、Mg、Ca的作用

鈉、鉀（Na、K）常以其鹽酸鹽的形式存在。K+通常在細胞內，Na⁺一般在細胞周圍的體液里。Na⁺、K⁺和Cl-等離子的首要作用是控制細胞、組織液和血液內的電勢平衡，對體液的正常流通和控制體內的酸堿平衡都是必要的。Na+在生物體內的主要功能是調節滲透壓，保持細胞最適宜的水位，同時通過Na⁺的作用，將葡萄糖、氨基酸等營養物質輸入細胞，故有“鈉泵”之稱。一般說來，動物體需Na⁺多，而植物體需K⁺多。如果食物K⁺含量過高，就會使動物體內的Na⁺被排泄過度。故在食草動物的飼料中，加入一定量的NaCl，以保持Na⁺、K⁺間的適當平衡。在人體中保持Na⁺、K⁺的適宜濃度，是保持神經和肌肉的正常興奮性所必需的。過多攝入Na⁺容易引起血壓升高；高K+血癱瘓是一種罕有的病態，體內產生大量的K⁺，結果引起全身性肌肉無力或癱瘓。

鎂（Mg）能激活膽堿脂酶、膽堿乙酰化酶、磷酸酶等。Mg²⁺對中樞神經系統有抑制作用。人體內缺Mg，可能使人情緒激動，愛尋釁鬧事，出現一系列運動神經興奮性增強癥狀；Mg含量太高會導致局部或全身麻木或癱瘓。

鈣（Ca）是構成細胞壁和動物骨骼的重要成分，在人體內99%的Ca都在骨骼和牙齒之中，其余主要分布于體液內。適宜的Ca²⁺濃度是肌肉正常收縮所必需的，而對維持心肌有節奏地收縮Ca²⁺顯得尤為重要。Ca對抑制神經肌肉興奮、促進凝血和保持細胞完整性有重要作用。缺Ca會引起發育不良，身材矮?。籆a太多會引起骨質增厚和軟骨的鈣化。

1.2 N、P、C的作用

氮（N）是組成蛋白質的重要組成元素。在蛋白質中含有16%~18%的N，所以說沒有N就沒有蛋白質，也就沒有生命。植物也不例外，據統計，全世界的作物在一年內，要從土壤中吸取超過4×10⁷t氮，也正因為這樣，必須經常增施氮肥。

磷（Ｐ）也是組成生物體的重要元素。據測定，人體里約有1 kg的P，骨和齒中含P最多。P也是構成植物細胞核中核蛋白的重要物質。在體內90%的磷是以PO43-的形式存在。H₂PO₄-/HPO₄^2-緩沖對維持人體的體液的pH值有重大的意義；也是人體內能量——三磷酸腺苷（ATP）的主要來源。

碳（C）占細胞總量的18%，是構成生物體的最基本元素。一切動植物體中的有機質，都是碳的化合物——蛋白質、油脂、淀粉、糖以至葉綠素、血紅素、激素等。

1.3 O、S的作用

氧（O）占細胞總量的65%是生命活動不可缺少的元素，沒有O就沒有生命。一個成年人，在平靜的狀況下，每天要呼吸10~12m³的空氣，相當于吸入0.4~0.5 m³的O₂，才能滿足新陳代謝的需要。O不僅以游離O₂的形式或作為水（H₂O）的一部分而起作用，而且是生命過程中許多極為重要的分子中的元素。另外，地球上的生物免遭紫外線傷害是因為離地面20~30 km處有一種臭氧保護層。當氧分子吸收了波長小于185 nm的紫外線就形成臭氧，其反應式為：3O₂+hγ 2Ｏ₃。當被波長為25nm左右的紫外線照射后，又會分解為O₂。因此，O₃消耗了太陽輻射到地球上的能量的5%，吸收了大量紫外線，起了保護生命的作用。S存在于動植物蛋白質和生物化合物中。如組成蛋白質的半胱氨酸具有一個氫硫基（—S—H），且作為蛋白質的一部分，對其結構和功能是極為重要的。

（—S—H）很易氧化產生二硫鍵（—S—S—），而二硫鍵對連接多肽鏈，維持蛋白質的一級結構和空間結構起著重要作用。

2 微量元素

2.1 Cr、Mo、Mn、Fe、Co的作用

鉻（Cr）是葡萄糖代謝過程中胰島素的利用所必需的一種元素，特別是對促進胰島素從簡單物質合成脂肪的過程中所必需的。Cr對維持身體的膽固醇正常水平起重要作用，幾乎每個有動脈粥樣硬化癥狀且死于冠狀動脈病人的主動脈中都未能檢查到Cr。服用Cr劑對于恢復由動脈粥樣硬化所導致的血液病變有著良好的作用。而Cr⁶⁺對人體有毒，對人的消化道和皮膚均有剌激性。飲用含Cr⁶⁺的污水將引起貧血、腎炎、神經炎等內科疾病。含Cr⁶⁺的污水還被認為是致癌物質。

鉬（Mo）是催化嘌呤轉化為尿酸的代謝過程最后一步反應的酶的組分。Mo還參與有毒醛類的新陳代謝，對細胞里能量轉移反應，以及發揮某些腸酶的功能都是必不可少的。但人體攝入過量的Mo（是人體所必需的痕量元素），會引起痛風癥、膝內翻癥和骨多孔癥。

錳（Mn）是人體必需的元素之一，是多種氧化酶的組分，參與許多酶促反應。Mn對生長、生殖、碳化化合物及脂肪的代謝起重要作用。一般動物和鳥類缺Mn將影響骨骼的生長（如畸形）、卵巢或精巢發育不良。但人體內Mn的含量不能過高，否則會引起頭疼、精神病以及產生昏昏欲睡之感。

在有機生命所必需的痕量金屬元素中，似乎無法確定哪一種是最重要的。但是，如果把心跳和呼吸停止作為死亡的最終判斷的標準，那么鐵（Fe）在此標準中是最重要的金屬元素。動物的血液之所以是紅色的，是由含Fe的血紅蛋白而造成的。Fe²⁺被4個N原子所配位，剩下2個位置，其中1個為蛋白質分子中組氨酸的N原子所占據，另一個被O₂或H₂O占據。因為配位在Fe²⁺上的O₂和H₂O是可互換的，血紅蛋白在肺部結合氧，然后隨血液輸送到體內需氧部位，在那里O₂被H₂O取代出來（血紅蛋白結構示意見圖1）。

鈷（Co）是維生素B₁₂分子的一個重要組分。維生素B12能促進紅血球的增加和肌肉蛋白的合成。據研究，如果草飼料中缺少Co，將會引起被飼養動物嚴重的脫毛癥，然而只要在飼料中加入微量Co，每晝夜1 mg，便可治好脫毛癥。

2.2Si、Ｃu、Ag的作用

硅（Si）是正常生長和骨骼鈣化所不可缺少的元素。Si在人的主動脈壁內的含量隨年齡的增長而減少，因此Si的缺乏與動脈粥樣硬化有關。所有的植物都含有Si，特別是蘆葦莖桿和竹子中含Si更多，其作用主要是增加基桿和葉子的硬度。鳥的羽毛和動物的毛發均含有Si，人體中含Si約為萬分之一。

硼（B）是植物生長不可缺少的微量元素之一，對植物體內的酶代謝起重要的調節作用。牛羊吃了含B過多的作物，會得腸炎，獸醫學上稱為“硼腸炎”。

銅（Cu）是體內幾種重要酶的組成成分，對造血起著重要的作用。健康成人體內約含80 mg的Cu，其中含Cu量高的臟器是肝、腦、腎。Cu有助于血管、腱和骨的形成，缺Cu的動物會變得虛弱、血管和骨頭易碎。長期缺Cu的人會引起心臟病。有資料報導，每天服阿司匹林能有效地預防中風，這是由于它的水解產物水楊酸能從血液中銅藍蛋白的銅庫里把銅輸送給細胞。

銀（Ag）是很好的消毒劑，每升水中只含一千億分之二克的Ag⁺便足以使大多數細菌死亡。我國內蒙古一帶的牧民，常用銀碗盛馬奶，可以長期保存而不變酸，這是由于極少量的銀以Ag+溶于水，殺死了細菌，古埃及在兩千多年前，已知道把銀片覆蓋在傷口上進行殺菌。AgNO₃在醫藥上常用作收斂劑與腐蝕劑，用于治療潰瘍和慢性肉芽創面。

2.3 Zn的作用、Cd和Hg的毒性

鋅（Zn）是人體必需的元素之一。成人體內約含1.4~2.3 gZn，含Zn最多的是毛發、牙齒和神經系統。紅血球的Zn全部以碳酸酐酶存在。Zn是合成DNA、RNA、蛋白質所必需的原料。缺Zn會使嬰兒發育不良。先天性缺Zn的嬰兒，剛出生就呆傻，其原因是母親懷孕后期和嬰兒剛出生的幾個星期里，腦子正處于迅速成長階段，這時腦細胞里要大量合成DNA、RNA和蛋白質。如果正在此時母親或小孩缺少Zn，大腦就發育不好，且這種變化是不可逆的。如果及時檢查孕婦和嬰兒的Zn水平，缺Zn者補Zn，就可能減少一部分先天性呆傻，這項工作對優生是有意義的。

鎘（Cd）和汞（Hg）是空氣、水和食物中的污染物。當Cd進入人體后，由于Cd²⁺取代了骨骼中的Ca，從而引起極痛苦的“骨痛病”。Cd在腎臟中聚積是引起高血壓的重要原因，因為Cd在體內能置換Zn，干擾某些酶的作用。

Hg的毒性在很大程度上決定于它的存在形式。難溶性的甘汞（Hg₂Cl₂）用作瀉劑；水溶性的升汞（HgCl₂）則有劇毒，誤服1~2 g即能致命，這是因為Hg²⁺與含硫的蛋白質有高度的親和力。汞能干擾人體中酶和其他蛋白質的合成和功能，對腎臟損害特別厲害，使它喪失從血液中排除廢物的能力。另一類脂溶性的有機汞（如甲基汞）比水溶性的更毒。因為它除能滲透于人體一切組織外，還能滲入血漿、紅細胞和神經系統而積聚于腦內，使腦遭到永久性的破壞。

2.4 鹵素的作用

氟（F）在正常骨骼中僅含0.01%~0.03％，并以CaF2形式存在于骨質和牙釉中，少量的F對預防齲齒有效，牙齒的琺瑯質中F的濃度高，將糖轉化為致腐酸的菌酶的活動就可能受到抑制。飲用水中含F以1 ppm為宜，超過2 ppm則會使牙釉受損，易發生齲齒。長期飲用F濃度多于10 ppm的水，則有可能得“氟骨病”?；颊吆粑щy，不能彎腰，此病的別號叫“駝背”。脊柱的不正常生長，導致腿部肌肉無節制收縮，最終癱瘓。

氯（Cl）在體內是與Na⁺、K⁺一起結合，共同發生作用。消化食物的胃酸（HCl），是從血液中的NaCl衍生而來的。其他胰液、膽汁里的助消化的化合物，同樣也是血液中的NaCl和KCl形成的。視網膜對光脈沖的反應有賴于Na⁺、K⁺和Cl^-的適當濃度。

溴化物（NaBr、KBr）在醫藥上用作鎮靜劑；NaF是一種殺蟲劑。碘是人體甲狀腺產生和分泌甲狀腺激素的原料。缺碘會引起一系列的新陳代謝紊亂，導致癡呆癥或大脖子多?。ㄋ追Q）。另外，碘配成碘酊，外用作消毒劑。內服復方碘溶液治療甲狀腺腫大。

3 痕量元素和污染元素

痕量元素（表1），其中如V、G、Mn、Fe、Co、Cu、Zn和Mo是過渡金屬元素，具有獨一無二的化學鍵特點，這使它們在酶分子中特別重要。另外，對人體健康危害極大的元素有鈹、鎘、汞、砷、鉛，它們統稱為污染元素。