有机体结构基础与矿物元素吸收（Ⅰ）

一、有机体基本元素与生理功能

化学元素是物质结构的基本成分，结构是决定功能的基础，功能是物质运动的表现形式。

（一）生物体基本元素：

组成有机体的基本元素约有30种之多，其中碳（C）、氢（H）、氧（O）和氮（N）约占细胞质量的99%。C、H、O和N利用电子对分别形成1、2、3或4个稳定的共价键，如O-O、O-H、C-N等。以共价键连接的碳骨架分子被称为有机化合物，碳骨架与氢的化合物称为烃，也叫碳氢化合物。碳原子之间还可形成碳碳双键（C=C）和碳碳三键（C≡C），但生物体中基本上没有碳碳三键。

C元素具有独特性质，能连接成各种稳定的链状或环状化合物。生物分子中除了以C形成的链状或环状化合物外，还有许多类型的杂环化合物，如嘌呤、嘧啶等，在生命活动中发挥非常重要的作用。

继C、H、O、N之后，比较丰富的生命元素是Ca、P、K、Mg、Cl、S、Na等，其中P和S能形成水解自由能较高的键（如磷酸酐键、硫酯键），使得含P、S的化合物（如ATP和乙酰辅酶A）在生命活动中适合担当能量载体的角色。在细胞溶胶中，Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、Cl^—多以单原子的离子态形式存在，维持电解质、渗透压和酸碱平衡，参与神经传导、离子跨膜运输等生理生化活动。

微量元素铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn）和超微量碘（I）、硒（Se）、钴（Co）是某些蛋白质、酶、激素等活性物质的结构成分或中心原子，是生理代谢的必需元素，涉及中和、异构、取代、加成、裂解、氧化还原等反应过程。

（二）化合键——离子键、共价键和配位键

化合键是连接原子间的桥梁，化合条件不同，形成键的性质各异，得到的化合物结构、性质、作用都不同。

1、离子键（Ionic Bond）：阴阳离子通过静电引力形成的键叫离子键或盐键。离子化合物一般由金属阳离子（或铵根）与阴离子通过离子键结合形成。在干燥固态条件下，离子化合物通常很稳定；遇水后，水分子通过水合作用削弱离子间的静电吸引，化合物溶解并解离成水合离子。常用饲料矿物元素添加剂，如硫酸盐、磷酸盐等都是离子化合物，遇水极不稳定，易解离。

2、共价键（Covalent Bond）：成键原子间通过共用电子对形成的化学键称为共价键，两原子的电负性差值一般在1.7以下。肽键、糖苷键、酯键等生物大分子中的连接键都是共价键。共价键可分为极性共价键和非极性共价键。同种元素或电负性接近甚或相同的原子形成的共价键为非极性键；不同原子形成的共价键为极性键，如O-H为极性键，电子对会偏向电负性较大的O原子。共价键键能多在300～500 kJ/mol，强度较大，化合物稳定，在一般条件下不易断裂。

3、配位键（Coordinate Bond）：配位键是一种特殊的共价键，区别在于配位键的电子对全部由成键原子的一方提供。Fe、Cu、Zn、Mn等原子接受N、O等原子提供的电子，按路易斯酸碱理论，配体是路易斯碱，金属离子为路易斯酸。氨基酸或羟基蛋氨酸的双齿配位原子（O、N）与金属元素结合成五元螯合环，反应体系的熵值增加，使螯合物比单齿配合物更稳定，这一现象被称为螯合效应。受螯合效应影响，螯合物在水溶液中稳定性高，不易解离，在消化道内以分子态而不是离子态吸收。

（三）疏水作用、氢键和范德华力

1、疏水作用（Hydrophobic interaction）属于非化学键，非极性分子或分子的非极性基团在水环境中互相吸引、聚集，将原本在其表面形成有序结构的水分子释放出来，导致体系熵增。因此，疏水作用本质上是熵驱动的。疏水效应在蛋白质折叠、生物膜的形成、生物大分子之间的相互作用以及酶对底物分子的催化过程中发挥关键作用。

2、氢键（Hydrogen bond）：也不是化学键，通常表示为D–H···A，其中D–H为氢供体；A为氢受体，是带有孤对电子、电负性大的原子，常见为N、O、F。氢键强度介于共价键与范德华力之间，常见键能约20–40 kJ/mol。

3、范德华力（van der Waals bond）：分子或基团由于电荷分布不均匀而产生偶极，范德华力是分子间或原子间由于偶极相互作用而产生的一种弱静电吸引力。范德华力不属于化学键，没有方向性和饱和性，键能通常在2–20 kJ/mol之间。

生物体通过转录将和翻译将氨基酸按mRNA上的密码子序列以共价键连接成肽键，形成多肽链。多肽链经过盘绕、卷曲、折叠产生构型不同、功能各异的蛋白质。蛋白质的空间构型主要由氢键、疏水作用、范德华力等弱相互作用维持，部分蛋白质还依靠二硫键等共价键进一步稳定。由于这些作用力较弱，容易断裂和重新形成，使蛋白质构象具有柔性和可调节性，从而实现酶催化、信号转导、物质运输等生命活动。

（四）常见生物分子官能团：共价键把碳原子连接成碳骨架，骨架上的特定原子或原子团称为官能团，化合物的功能主要取决于官能团的化学性质和在三维空间的排布。常见的官能团如下：

二、有机体结构基础

结构是实现功能的物质基础，只有了解动物体结构及解剖学、组织学、生理学和生物化学等相关内容，才能深入理解结构与功能的统一性。以下简述动物体的基本结构，为描述矿物元素的代谢机理及其营养价值提供理论依据。

（一）系统：依据解剖学和生理学，动物有机体主要分为八大系统，消化系统、骨骼系统、肌肉系统、泌尿系统、生殖系统、呼吸系统、神经系统和循环系统。系统是由一系列不同功能器官连接在一起形成的体系，在每一个体系中各组织器官相互联系、协调，并按照各自的功能整合成为统一行动，完成一个共同的生理活动。

（二）器官：器官是由多种类型的组织按各自的功能组合在一起，共同行使一些特定生理功能的聚合体，如心脏、肺脏和肝脏等。

（三）组织：组织是由结构与功能相同的细胞组合成的集合体，一般分为肌肉组织、神经组织、上皮组织和结缔组织四大类。

（四）细胞：细胞是组织的基本单元，是实现生命活动的基本单位，机体所有生物化学反应和生理功能都以细胞及其代谢为基础。

细胞代谢的基本要素表现为分解与合成的对立统一法则。新陈代谢是一个复杂的网络，大部分反应是可逆反应，是动态的而非静态的，底物被消耗，产物被移除，反应终难达到一个平衡。这种远离平衡的状态，正是机体生命活动的基本特征。

三、细胞结构与矿物元素吸收

细胞是生物结构和功能单位，也是物质和能量代谢的场所。细胞内区室化的各组分的大小比例、结构形状、反应特征、功能都有很大的差异，正是因为这些差异，才使得各部位存在着物质和能量的流动。

细胞结构包括细胞膜、细胞核和细胞质三个部分：

（一）细胞膜（Cell membrane）

细胞膜是包裹细胞的最外层膜，也叫质膜（Plasma membrane）。细胞质中有许多细胞器，包裹细胞器的膜叫细胞器膜。细胞膜与细胞器膜结构相似但功能不同。细胞膜将细胞与外界环境分隔开，通过H⁺、K⁺、Ca²⁺等离子和一些大分子进行物质、能量和信息交换，维持细胞相对稳定的内环境；而细胞器膜使细胞在时间、空间和功能上实现了区室化，保证了各细胞器结构的独立性和细胞整体功能的统一性。

细胞膜主要由脂质、蛋白质和糖类组成：

1、细胞膜脂质：细胞膜脂质以磷脂为主，其次为胆固醇。细胞膜中的磷脂主要是甘油磷脂，以甘油为骨架，甘油的两个羟基与两分子脂肪酸形成酯键，第三个羟基与磷酸形成酯键，磷酸再与一个极性头基（如胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇）结合，形成磷脂的亲水头部。两条脂肪酸链构成疏水尾部。磷酯结构如下，

细胞膜脂质分子种类很多，但结构有共同点：都是双嗜性分子，即同时具有亲水和疏水两部分。亲水头部为极性端，对水有亲和力，因此面向水；另一端两条平行的长烷烃链是疏水基团，为非极性尾部，避开水，面向膜中央。

2、细胞膜蛋白：细胞膜上镶嵌着100多种不同生理功能的蛋白质，参与膜内外物质交换、能量转运和信息传递，如跨膜蛋白、离子泵和ATP酶等。具体可分为以下几类：

（1）受体蛋白：能识别并结合特定信号分子，如激素、神经递质，引起细胞反应。

（2）通道蛋白：形成亲水通道，允许特定离子或小分子通过，部分通道蛋白受配体或电压调控，如乙酰胆碱受体是一种配体门控离子通道，乙酰胆碱与其结合后，通道开放，Na⁺内流，引起细胞膜去极化，导致细胞内Ca²⁺释放和肌肉收缩。

（3）载体蛋白：通过构象变化转运物质，其中离子泵可消耗ATP，逆浓度梯度转运离子。

（4）抗原标志性蛋白：主要参与免疫识别、抗原递呈和细胞间相互作用。

3、细胞膜糖类：以低聚糖或多聚糖为主，糖链与细胞膜蛋白共价结合形成糖蛋白或与膜脂共价结合形成糖脂。糖蛋白和糖脂的糖链突出到细胞膜外侧，细胞之间借此进行识别和信息传导，与细胞免疫、黏附、细胞癌变以及药物、激素的作用密切相关。

（二）细胞核（Nucleus）

细胞核被核膜包围，核膜由两层膜构成，外层与内质网连接，核内含染色质、核仁和核基质。

1、染色质（Chromatin）：染色质是遗传物质的载体，主要成分是脱氧核糖核酸（DNA）和组蛋白。染色质在细胞分裂期高度螺旋化，形成染色体（Chromosome）。

2、核仁（Nucleolus）：核仁是rRNA合成与核糖体组装的场所，呈粒状，富含蛋白质和RNA分子，RNA经核仁运送到细胞质。

3、核基质（Nuclear matrix）：透明液体，内含染色体和核仁。

DNA是遗传信息的载体，决定动物生长发育、遗传与变异等生命现象。遗传信息储存在DNA的特定核苷酸序列（基因）中，通过DNA复制传递给子代；通过转录和翻译，将信息经mRNA传递到蛋白质，由蛋白质表达遗传信息。蛋白质是由20种氨基酸组成的大分子物质，都有氨基（-NH₂）和羧基（-COOH），这是共性；各氨基酸侧链基团结构不同，性质各异，这是差异性。正是这种共性与差异性，使得4种核苷酸与20种氨基酸之间的遗传信息转换成为可能，从而将核酸语言转换为蛋白质语言，实现DNA指令向蛋白质功能的表达。

（三）细胞质（Cytoplasm）

细胞膜以内，细胞核以外的物质被统称为细胞质，其中含有多种细胞器（Organelle），如线粒体、内质网、高尔基体、溶酶体和微体等。

1、线粒体（Mitochondria）：线粒体既有线状又有粒状形体，每个线粒体有两层膜，外层包裹整个线粒体，内层折叠成嵴（Crista），赋予更大的膜面积。线粒体内膜包围的腔室为基质（Matrix），基质中含三羧酸循环所需的酶类、中间代谢产物以及线粒体DNA、RNA和核糖体等；而电子传递链复合体和ATP合酶则镶嵌在内膜上。

线粒体是细胞有氧呼吸和能量转换的中心，其中脱氢酶、铁硫中心、细胞色素氧化酶等参与脱氢、电子传递、质子泵出、氧的还原和能量生产等一系列生化反应。经过三羧酸循环和氧化磷酸化反应，糖类（特别是葡萄糖）、脂肪和部分蛋白质分子分解产生的化学能转换为细胞代谢需要的有效能，并以ATP作为载体，储存或转运，因此线粒体被称为有机体生物发电厂。

2、内质网（Endoplasmic reticulum, ER）：内质网是蛋白质合成与加工、脂质合成的主要场所，是贯穿整个细胞质的膜性网络。粗面内质网表面附着核糖体，核糖体以mRNA为模板合成肽链，肽链进入内质网腔后折叠成一定构型的蛋白质；滑面内质网则主要合成脂肪酸、甘油酯等脂质，并参与脂质组装和膜结构形成。

3、高尔基体（Golgi network）：由多层扁平膜囊堆叠而成的结构称为高尔基体，是蛋白质和其他一些大分子物质加工、修饰、包装和转运的场所，是细胞的物流中心。

4、溶酶体（Lysosome）：呈泡状，由单层膜组成，含多种水解酶，如蛋白酶、核酸酶和磷酸酶等，主要负责分解以吞噬（Phagocytosis）或吞饮（Pinocytosis）方式摄入胞内的大分子物质，是细胞的消化车间。

5、微体（Microbody）：也叫过氧化物酶体，由单层膜包围，呈球形或卵圆形小体。微体中含过氧化氢酶（Catalase, CAT）、尿酸氧化酶（Urate oxidase）、D-氨基酸氧化酶（D-amino acid oxidase）和其他氧化酶类，氧化体内产生的活性氧（ROS），有解毒作用，是细胞的清道夫。

四、小结

为阐明矿物元素特别是微量元素的吸收机理，本文已系统描述有机体的元素组成、化合键类型及细胞结构基础。在此基础上，有机体结构基础与矿物元素吸收（Ⅱ）将阐述物质的吸收流程，包括矿物元素的吸收路径、基本机制以及不同类型矿物元素添加剂吸收的差异，为合理利用矿物元素添加剂提供依据。