细胞工程在生物制药中的应用及其发展前景 论文一样的一篇

论生命细胞与元素周期系

在自然界存在的90种元素中，人体内约含有60多种，像是一座蕴藏着各种金属的“矿藏”，它们构成人的健康和生命活动不可缺少的部分。其中钠、钾、钙、镁、碳、氮、氢、氧、硫、磷、氯等11种属必需的宏量元素，集中在周期表前头20个元素之内；已为人们所知的必需微量元素，象铁、锌、锰、铜、钴、钒、铬、硒等十余种，多属于第一长周期的元素。各国科学家虽然做过个别工作，但对它们的总体宏观研究尚少。此外，对于自然界中的稀有和稀散元素的生化效应，例如第二、三长周期包括铂系在内的元素，更是所涉不多。就它们对机体的生化和生理效应而言，究竟遵循怎样的自然规律呢？

在探索生命起源及其奥秘的进军中，酶、蛋白质、基因遗传、细胞生物学直至医学的迅速发展，趋向于用化学语言进行表达，使得当今研究微量元素与生物体的关系，已构成现代生命科学中一个极富活力的领域。难怪诺贝尔奖金获得者、美国医学教授A.Kornberg疾呼，要“把生命理解成化学”了。

一 s区和p区元素的纵横规律

近几年来，我们研究小组选用一种世界性的淡水纤毛虫——四膜虫上海株（Tetrahy-mena，Shanghaiensis）作实验的生物细胞模型，较系统地探讨了周期表中ⅠA、ⅡA、ⅢA。ⅣA、部分ⅤA、ⅥA等主族元素对细胞生长分裂的作用。发现它们对细胞的刺激、促进作用或毒性抑制的强弱，具有如下的变化趋势（见表1）：

表1部分主族元素对细胞的作用

具有较宽的促进生长浓度范围，表示该元素离子的营养作用较好；抑制生长分裂的浓度低，表示它具有较大的毒性。Ⅲ价以上的主族元素为阴离子形式或类阳离子存在。

由此可见，当主族元素处于一定的化合稳态时，它对生物细胞的营养或毒性作用，主要与元素本身的性质或周期表中的位置有关。根据上述规律性，便可判断某元素的有益或毒害作用，从而给生物微量元素对机体的作用探讨提供重要的参考和预示。Se、As虽也属人体必需的微量元素，但浓度稍高即显剧毒。

曾有人提到，某些毒性元素较集中于周期表右下方，这恰符合我们归纳的规律性范围。

二 d区过渡元素的生物周期关系

我们得到过渡元素对虫群生长的相对增殖率R与元素离子浓度c的27个系列曲线。图1中R＞100％的数值为生化促进作用，而R＜100％的数值为毒性抑制作用。按美国科学家Luckey有关药性的动物试验分类法，这里多数过渡元素的R－c曲线呈β型，即低浓药物显示一定程度的刺激或促进作用；Rh和W这两种元素离子，即使在极低浓度下也没有看到促进作用，它们只显示抑制情形，属α型。

将R-c系列曲线中各元素离子开始促进虫群增殖的浓度经浓度单位换算后依原子序数Z作图，得图2。这里值得注意的是，在同一周期里，并不像主族元素那样，出现从左至右有规律的变化情形，而是形成了一条峰峦起伏的曲线。这正是过渡元素与四膜虫细胞作用的特性表征。

将过渡元素在海水中的丰度（图3）与图2对比，由两条曲线起伏相映的情形可见，过渡元素在海水中的丰度峰值基本上与促进的元素图相对应。对于丰度较大的元素，因生物细胞在海湖中长期生存进化已适应的关系，其刺激虫群增殖所需的浓度也较大；对于丰度较小的稀有元素，其刺激虫群生长分裂所需的浓度相应则低。仔细比较两图，个别情形不尽一致，例如Fe峰的相对位置差得悬殊些，可能是它在海水中的丰度属各离子存在形式（包括Fe2+、Fe3+乃至含Fe的多核聚合物等）的总和，而我们的实验只采用了Fe2+离子之故。

四膜虫是一种单细胞原生动物，既相当于多细胞生物的一个细胞，又是一个能独立进行各种生命活动和繁衍后代，并能传递遗传性状的完整生物体。我们用的是上海四膜虫，无性繁殖系。以它作细胞模型进行受刺激促进或被抑制的试验，可显示或反映生命细胞与自然环境的依存关系。当自然界中脊椎动物由海洋移向海滨时，它们体内那些依赖宏量和微量元素的种种化学系统，已经在长期进化中被稳定了下来。其中各种化学元素量是不同的，因而当生物接受环境中的外加物质时，它的反响系统也将有所差别。以上两图（图2和图3）相互呼应的情形，反映了有机细胞的进化历程，从而强力支持生命起源和进化的海洋说。

与s区元素比较起来，d区过渡元素离子的外层出现8-18e（如 Fe2+、Co2+等）或18e（如Zn2+）的电子构型。它们具有较高的有效核电荷和较小的离子半径，因而极化作用较强，在溶液体系中容易使配位水分子发生分解。许多金属离子在水溶液中是以水合离子存在的，其水解反应可写成：

现以第一过渡系列[M(H2O)x-1(OH)](n-1)+配离子的一级稳定常数logβ1依中心原子M的原子序数Z作图，示于图4a；将图 4a与图 2比较看出，各个元素起伏或消涨的趋势两者一致，即具有较大稳定常数的元素，其起始促进浓度相对也高，反之亦然。说明各元素离子在本实验中的存在形态（四膜虫培养体系的pH值为7.2），很可能即是经微弱水解与OH-基结合的配离子。这也许是第一过渡系阳离子作为生物微量元素时，与ⅠA、ⅡA主族阳离子，以及其余主族元素阴离子不存在共同规律性的原因之一。

有人认为，水解能力随表示离子极化能力的离子势e2/r的增大而增加，我们根据实验中各元素的化合价态，由阿伦尼乌斯的离子半径算得离子势（图4b）。由此可见，离子势的变化趋向虽也粗略近似，但远不如一级羟基配离子稳定常数的趋向（图4a）吻合。这说明，采用过渡元素的稳定化合态做生物细胞的试验，当这些无机离子尚未与生物大分子结合之前，可由它们形成羟基配离子的稳定性得到合理的解释。

至于同一副族元素之间的关系，与同一主族元素之间的变化趋势相同，即较重元素的生物毒性相对较大。

三 f区稀土元素的归属

我们对稀土元素的研究发现，轻稀土元素La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+和Eu3+六种离子对细胞的生长均有明显的促进作用；重稀土元素如 Tm3+、Yb3+离子虽也有一定的刺激促进，但浓度稍大即显出毒性抑制作用。它们之间具有如下趋势（表2）：

表2三价稀土元素对四膜虫生长的影响

由表2看出，随着稀土系列Z的增加，促进作用的浓度区间由宽变窄，而抑制虫群生长分裂的浓度也愈来愈小，从而表明轻稀土的促进作用优于重稀土元素。其中Y3+的排列是按通常离子半径递减的次序。这从细胞层次上与我国农业以轻稀土做微肥对作物有增产效果相符。我们提出，它们可能归纳为新的一类辅助营养元素，称“nutritious nonessential elements”，即既不是维持生命所必需，也不属于对人体有强烈毒害的元素。

当元素处于稳定的化合态时，它对生物体细胞的营养或毒性作用，主要与元素本身的性质或它在周期表中的位置有关。在生命起源和进化的过程中，看来生物更喜欢选择较轻的元素，并且是与海洋环境中的丰度及其生物利用度紧密相关的。

基于上述研究揭示，原来生物体内似乎杂乱无章的几十种微量元素，变成主次分明、深浅有别的图谱，它们以演奏生命交响曲的音符融汇成“生物体内的化学元素图谱”（见图5）。

综观生物元素在周期表中所占的位置，近似动物体型，或许“潜示”生命的存在？随着生物进化的结果和规律性，自然界向人们展示出一幅更加丰实绚丽的元素周期系。它不仅表明各元素及化合物的物理、化学性质，看来也能预示它们的生物学性质。从而给无机化学，首先是生物无机化学、配位化学和生命科学增添了有趣的活力。