逍遥学能 2017-10-27 13:03
现行中学、中专《化学》教材中，对“化学元素”部分侧重介绍了它们的理化性质、原子结构等，对它们的生理功能或者说它们在生命体中的作用却较少提及。笔者在这些年的教学实践中，把元素的理化性质等结合生理功能一起介绍，发现更能激发学生的学习兴趣，同时拓宽了学生的知识面，收到了良好的效果，现将一些常见元素的生理功能综述如下：
1．碱金属（第IA族）
钠和钾是生物必需的重要元素，在高等动物体内是按比例存在的。Na+、K+对于维持体液渗透压和平衡有一定的作用；若组织中的Na+、K+浓度增高，可提高神经肌肉的兴奋性，当食物中钠不足时，会影响有机体内的新陈代谢和消化作用。而钾对植物体内糖类等的形成有很大影响，缺钾时禾本科植物的籽实及块根、茎作物的根茎的淀粉含量就会显著降低；同时，钾对植物机械组织的发育也起着重要的作用，施用钾肥可以促进纤维管束的发育，使厚角组织的细胞加厚，使韧皮部导管发育良好。
植物在生长期内需要很多钾肥，尤其是一些经济类作物如麻类、向日葵、根茎作物（马铃薯、甜菜）对钾的需要量更大。农村中常用草木灰做钾肥，其主要成分是K2CO3，其次是KCl和少量K2SO3，所以草木灰中90%以上的钾肥是水溶性的，易被植物吸收，此外草木灰中尚含有较多的磷和钙。
锂在人体内不参与新陈代谢，也不参与蛋白质或血浆结合，大量锂盐会引起中毒，主要影响中枢神经系统，产生疲倦、昏睡、呕吐、腹泻等。锂盐可治疗狂郁精神病。
2．碱土金属（第VIIA族）
镁是动植物必需的营养元素，镁对人的肌肉的新陈代谢有相当重要的意义，是多种酶的激活剂，是细胞内的重要阳离子，对中枢神经系统有抑制作用。镁是叶绿素的组成部分，而且在糖类的代谢中起着重要作用，在植物的结实过程中需要较多的镁。
钙也是动植物必需的营养元素，是构成植物细胞壁和动物骨骼的主要成分，人体内钙的99%存在于骨骼和牙齿中，其余主要分布于体液内，参与某些重要的酶反应。而钙能降低神经和骨骼的兴奋性，当血钙过低时可发生手足抽搐；钙离子可增强心肌兴奋——收缩偶联，有利于心肌收缩；钙可以降低毛细血管通透性，因此可用钙制剂（如葡萄糖酸钙）治疗荨麻疹、过敏性皮炎；血钙还参与血液的凝固作用；钙还能中和生物体内的有机酸，对动植物体液的几种生理平衡起着重要的作用。
值得起提出的是，镁的存在对钙的吸收有密切关系，缺镁时显著地影响钙的代谢作用。有文献认为锶也是人体必需的微量元素之一，它是骨骼、牙齿的组成部分，在机体中起着促进钠排出、减少钠吸收的生理功能。
3．硼族元素（第IIIA族）
硼是植物生长和发育所必需的微量元素之一，虽然植物需要硼的量很少，但缺硼时，植物的根、茎等器官的生长发育就将受到阻碍，特别对于甜菜、马铃薯、萝卜等块根作物以及棉花、亚麻、烟草、苜蓿等影响很大，硼肥对葡萄和苹果生长所起的良好效果也得到证明。此外，硼还可以增进植物的抗病力。
铝在动植物组织中广泛分布着，其生理功能尚不明确。
4．碳族元素（第IVA族）
碳是一切有机物的最基本组成元素。
硅则是哺乳动物和有机体正常生长和骨骼钙化所不可缺少的。硅在人的主动脉壁内含量较高，主要存在于胶原和弹性蛋白中，其在主动脉壁内的含量随年龄增长而减少，硅的缺乏与老年人动脉粥样硬化有关。鸟类的羽毛和动物的毛发、皮肤以及许多乔本科植物中都有硅，芦苇茎杆和竹子中硅的含量更高。植物体中的硅（以SiO2而不是纯硅的形式）是根部从土壤中吸收的。
人若长期吸入含硅的粉尘将引起一种叫“矽肺”的慢性病，这是一种对人体健康危害较大的职业病，会造成劳动力丧失甚至死亡。
锡被认为是人体中必需的微量元素之一，有促进蛋白质及核酸反应，维持黄酶活性的生理功能。
铅是本族元素中对人类健康危害较大的元素，它能够在体内积聚而引起铅中毒，中毒者有疲倦、失眠、体衰、早死和不孕、流产、死胎等症状。各种铅化物的毒性不同，在体内溶解度大的毒性大，如碳酸铅、一氧化铅，汽油中的防震剂四乙基铅、硫酸铅等；而溶解度小的毒性小，如硫化铅、硅酸铅等。
5．氮族元素（第VA族）
氮是构成蛋白质的重要元素之一（蛋白质中含氮量约为16%），蛋白质在生物体内所起的许多特殊变化是一切生命过程的基础，没有蛋白质就没有生命，蛋白质是生命的表达形式。
虽然氮是维持动、植物生命现象所不可缺少的元素，大气中又有取之不尽的游离N2，但是除豆科植物等的根瘤菌和土壤中的固氮菌类能将空气中的氮固定下来供植物吸收利用外，一般动植物都不能直接利用空气中的游离氮，而需通过人工合成各类氮肥才能被植物吸收合成为植物蛋白质，动物则通过摄食植物或其它动物获得蛋白质。
磷也是生物体组成中的重要元素，动植物的多种蛋白质中都含有磷，在脊椎动物的骨骼中还含有大量的磷酸钙。磷以磷酸根的形式参与许多代谢过程，例如构成磷脂、形成腺苷三磷酸（ATP）、磷酸葡萄糖等，此外，磷酸一氢盐和磷酸二氢盐（HPO42-，H2PO4-）还是很重要的缓冲剂，对于维持体液酸碱平衡起着重要作用。
三价砷剧毒，如As2O3（俗称砒霜）能和体内巯基（-SH）反应，阻碍体内酶的正常作用。五价砷（如As2O5）在十分大量时才有毒。
6．氧族元素（第VIA族）
氧在生物界所起的作用是相当重要的，绝大部分生物靠氧实现呼吸作用，而生物体死后，腐烂过程也靠氧的作用使复杂有机体分解为较简单的物质，最后变成CO2、水和氮重新参加自然界中总的物质循环。
硫是构成蛋白质的重要元素之一（主要构成甲硫氨酸和半胱氨酸），普通蛋白质中硫的含量约为0.3-2.5%，动物体中的硫大部分存在于毛发、软骨等组织内。
硒是人体必需的微量元素之一，在体内总量为14-20mg，在组织和器官中分布广泛，尤以肝、胰、肾、心等器官含量较多。硒是谷胱苷肽过氧化物酶的重要组成成分，该酶有抗氧化作用，是重要的自由基清洁剂，对细胞膜有保护作用。
硒对有害重金属具有解毒功能，在体内可与重金属汞、镉、铅等结合形成金属硒蛋白复合物而解毒，并使有害金属排除体外。另外，硒还有促进生长发育、保护视觉器官及抗肿瘤的作用。
7．卤族元素（第VIIA族）
氟是广泛分布于生物体各组织中的一种元素，正常骨骼中含氟0.01-0.03%，牙釉中含0.01-0.02%，在齿骨中以CaF2形式存在。少量氟对预防龋齿有效，饮水中含氟以1ppm为宜，但也不宜过多，饮水中含氟若超过2ppm，反而会使牙釉受损，发生龋齿。
氯是人体必需的宏量元素，在机体中，氯离子除与钾离子、钠离子合作参与生理作用外，还是多种体液（包括血、尿等）的成分，Cl-还能激活唾液淀粉酶，并能形成胃液中的盐酸，所以当食物中缺少NaCl时就会发生胃酸减少、食欲不振、软弱无力、生长迟缓、生殖反常等现象。当然，过量摄入NaCl对于高血压病人也是有危害的。
溴的化合物对于中枢神经系统有抑制作用，医学上常把溴化钾（KBr）、溴化钠（NaBr）和溴化铵（NH4Br）混合为“三溴合剂”用做镇静剂。此外，溴蒸汽能刺激眼膜，使人流泪，所以在军事上溴的某些有机化合物（如溴丙酮、溴化苄和溴醋酸乙酯等）被装在催泪弹里，用做催泪剂。
碘是生命必需的微量元素之一，在高等哺乳动物中，碘主要集中在甲状腺里，是甲状腺素的组成部分。对于人体而言，甲状腺素能促进物质和能量代谢，细胞中大约有100种以上的酶系统受甲状腺素的调节。因此，若膳食中缺碘，会使甲状腺素分泌减少，降低肌体新陈代谢，同时导致甲状腺结构改变，表现为“地方性甲状腺肿大”；若婴幼儿甲状腺发育不全，则发生呆小病（克汀病），表现为生长发育迟缓，智力低下或痴呆。我国在碘缺乏病的防治中，采取食盐加碘（实际是加碘酸钾KIO3）的方法取得很好的效果。当然，大量碘对人体来说是有毒的，甚至会使人中毒死亡。碘单质是一种氧化剂，有较强的消毒作用，常溶于酒精，配成2%碘酊（碘酒）用做皮肤消毒剂，碘酒不能与红汞（红药水）同时涂用，因为I2能将红汞分子中的汞原子氧化成刺激性很强的Hg2I2。
8．第IB、IIB族元素
铜是人体必需微量元素之一，在体内组成含铜金属酶，常以铜蛋白的形式存在。铜参与造血过程，促进无机铁变为有机铁，有利于吸收；铜还能促进铁由储存场所进入骨髓，加速血红蛋白的合成。缺铜可造成贫血，近期的研究还表明，铜与身高有密切的关系：当骨细胞中铜不足时，酶系统的活性降低，并延缓了蛋白质的代谢作用，导致骨组织生长缓慢、身材矮小（乌克兰科学家发现，身材矮小的学生比身材高大的学生饮食中铜的含量少50%-60%）。另外，有人发现，缺铜也是引起“少白头”的原因之一，甚至还会引起白癜风和脱发。
银离子是良好的消毒剂，常被用于医药上，但银在生物体内是否参与生理作用尚不清楚。
锌是生物体必需的微量元素之一。在植物体内，锌参与植物细胞的呼吸过程，并促进蛋白质的氧化，影响生长素的形成，同对于叶绿素的形成、糖类的积聚、种子的生长等都有很大的影响，因此锌对于许多植物，特别是柑桔和油桐的生长、发育和产量有重大意义。在动物和人体内，锌也非常重要。锌是人体中100多种酶的组成成分，在组织呼吸及物质代谢中具有重要作用，研究表明，锌能促进蛋白质合成，并通过唾液蛋白——含锌蛋白对味觉和食欲起促进作用，并促进性器官的发育和性功能的正常，同时对智力发育也起促进作用。“伊朗侏儒症”就是典型的缺锌病。
镉和汞对人体而言则是有毒的。严重的镉中毒会引起极痛苦的“骨痛病”。汞的化合物分水溶的和脂溶的两类，水溶的如HgCl2是剧毒的，因为Hg2+与含硫的蛋白质有很强的结合力，在人体内，Hg2+对肾脏组织损害特别厉害，会使其丧失从血液中排除废物的能力。蛋白质可做为Hg2+的解毒剂，因为他们可与Hg2+紧密结合而沉淀下来。脂溶的有机汞（如甲基汞）更毒，它能渗透入脑中或细胞中并沉积下来。汞中毒会引起古怪的神经症状，甚至死亡。
9．其它副族元素
钒也是生物体必需的微量元素之一，它广泛存在于动植物和人的脂肪中，有促进造血机能，抑制胆固醇合成的作用，钒对于某些土壤中的固氮菌是必需的；在海中动物血细胞中，钒含量高达4%，血液因此变为绿色。
氧化态为+3的铬是人和动物的糖和脂肪代谢，特别是胆固醇代谢所必需的微量元素，由于食物过分精制而造成的缺铬，是患动脉粥样硬化症的重要原因。氧化态为+6的铬对人体有毒，其毒性类似于砷。
钼是参与嘌呤类到尿酸代谢中一种酶的成分。固氮酶中含有铁蛋白和铁钼蛋白，在自然固氮催化过程中起着决定性作用。
锰也是生物体必需的微量元素之一。Mn2+是多种氧化酶的组成成分，也能提高其它酶的活性，对组织中的氧化还原过程有极大影响，对血液的循环、生成也有关系。缺Mn2+会导致贫血和儿童骨骼畸变；但若吸入大量锰盐粉尘会引起神经系统慢性中毒和肺炎。
10．VIII族元素（铁系元素）
铁、钴、镍均是生物体内必需的微量元素。
铁的生理功能主要是构成血红蛋白，参与O2，CO2的运输及交换，并参与组成呼吸酶类（在植物体内是形成叶绿素的必要条件）。人体铁缺乏时引起缺铁性贫血，同时一些含铁酶活性降低，会造成智能发育障碍。
钴是维生素B12的组成成分，而维生素B12又是红细胞形成的一个重要因素，有促进红细胞成熟的作用。当缺钴时会导致维生素B12不能正常合成，从而使红细胞不能正常成熟，成为“巨幼红细胞”，最终引起恶性贫血。
镍有刺激造血功能，促进红细胞再生的生理功能。
来源：化科院素质教育网