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干貨分享丨生命元素系列之鹵族和惰性氣體元素
前文“干貨分享丨生命元素系列之硼族、碳族、氮族和硫族元素”我們已經(jīng)介紹了那些相對來說比較活潑的元素，最后這一篇我們以活潑的鹵素和極其穩(wěn)定的惰性氣體元素來為這整個系列進(jìn)行收尾。
第四部分：鹵族和惰性氣體元素篇
第17組：鹵素
人體內(nèi)有大量的氟（F, Z = 9，約3克），以氟化物的形式存在,可能是必不可少的。但令人驚訝的是，人們似乎對具體的攝取和運(yùn)輸機(jī)制知之甚少。可能存在特定的HF轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（在酸性條件下，真空下）和F-/H+共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或F-/OH-反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。
氟離子是鹵化物離子中最小、堿性最強(qiáng)的。加入氟化物的水對牙齒和骨骼有好處。氟化物對諸如Ca2+這樣的硬金屬離子具有很高的親和力。它取代羥基磷灰石中的羥基離子（Ca5(PO4)3OH），它是牙齒和骨骼的主要成分，使其變成更堅固、更堅硬的氟磷灰石（Ca5(PO4)3F）。建議26-35 µM的少量氟化物即可加強(qiáng)搪瓷。全身接觸氟化物會改變骨骼穩(wěn)態(tài)和牙齒牙釉質(zhì)發(fā)育。氟斑牙的發(fā)生與氟的劑量和暴露時間有關(guān)。在世界上許多地方，地下水中的氟化物含量超過了建議的水平會導(dǎo)致氟中毒，然后發(fā)展為氟骨癥。
氟化物似乎通過絲裂原激活蛋白激酶AMPK調(diào)節(jié)其信號通路活性，可導(dǎo)致基因表達(dá)改變，細(xì)胞應(yīng)激和細(xì)胞死亡。我們體內(nèi)的氟代謝依賴于滲透系數(shù)的pH值，脂質(zhì)雙分子膜對氟化氫的影響是氟離子的一百萬倍。這就意味著氟化物能夠在反應(yīng)中以HF的形式輕易地穿過細(xì)胞膜到體液間的pH值梯度，這就是為什么攝入后，由于胃吸收快，血漿中的氟化物含量迅速上升。氟化鋁和氟化鈹被用作許多酶的抑制劑。他們作為磷酸鹽的模擬物，可激活異三聚體GTP結(jié)合蛋白。還有很多含氟藥物，如麻醉藥、抗生素、抗腫瘤藥以及消炎藥。氟-18標(biāo)記的脫氧葡萄糖（電子俘獲，半衰期110分鐘）是在病理生理過程中的葡萄糖代謝中PET成像檢測變化最廣泛使用的示蹤劑之一。18F-fluorodeoxyglucose-positron發(fā)射斷層掃描（18F-FDG-PET）也用于篩查、定位和隨訪包括惡性腫瘤、感染和自身免疫過程在內(nèi)的高代謝過程。
氯（Cl, Z = 17）普遍存在于人體內(nèi)（約96克）。Cl-在體液中的濃度很高（血液中約100 mM），并在細(xì)胞區(qū)室中受到調(diào)節(jié)（例如，在細(xì)胞質(zhì)中為25 mM，細(xì)胞核中4mM）。氯與氟不同，但與溴和碘相同，能以氧化形式存在于體內(nèi)。
Cl-的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白已被鑒定。Cl-(SCN-) 在包括腸、肺、汗腺和腎臟在內(nèi)的許多器官中是由囊性纖維化跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)因子（CFTR）介導(dǎo)的，CFTR是一個由1480個氨基酸組成的cAMP激活A(yù)TP門控陰離子通道糖蛋白。編碼CFTR的基因突變可能降低其對氯化物的運(yùn)輸能力或細(xì)胞表面表達(dá)，從而導(dǎo)致條件囊性纖維化和一種由于先天性輸精管缺乏癥而導(dǎo)致的男性不育。
氯的高氧化態(tài)也在體內(nèi)發(fā)揮作用。白細(xì)胞（中性粒細(xì)胞）產(chǎn)生的次氯酸是一種強(qiáng)氧化劑（漂白劑），可以根除所有類型細(xì)菌。盡管它被我們的免疫系統(tǒng)所利用，但它對我們自己的細(xì)胞也可能是致命的，這要取決于劑量。在中性粒細(xì)胞中，血紅素酶髓過氧化物酶使用過氧化氫將氯轉(zhuǎn)化為HOCl。
人體中（約0.2克）和血液中（3.2-5.6 µg/mL）有大量的溴（Br, Z = 35），每日膳食攝入2-8 mg溴化物（魚、谷物和堅果），越來越多的證據(jù)表明，這是必不可少的。嗜酸性粒細(xì)胞過氧化物酶是一種由EPX基因編碼并產(chǎn)生HOBr和HOCl鹵過氧化物酶。即使在生理濃度下，氯化物含量要高得多，它優(yōu)先選擇溴化物而不是氯化物來生產(chǎn)溴化物劑。
最近一篇論文得出結(jié)論，溴是所有動物必需的微量元素，因?yàn)锽r−（在轉(zhuǎn)化為HOBr時）是過氧化物素催化生成硫亞胺交聯(lián)的必需輔因子，在體內(nèi)組織發(fā)育基底膜IV型膠原支架翻譯后修飾中至關(guān)重要。需要更多的研究來證實(shí)溴的營養(yǎng)價值。
雖然人體內(nèi)只有大約16毫克碘，但碘（I, Z = 53）以甲狀腺激素的形式對甲狀腺是必不可少的，特別是三碘甲狀腺原氨酸（T3）和甲狀腺素（四碘甲狀腺原氨酸，T4），由甲狀腺過氧化物酶從甲狀腺球蛋白中的碘素（碘）和酪氨酸合成。這些激素在調(diào)節(jié)成長與發(fā)展中起著重要作用。碘缺乏會導(dǎo)致甲狀腺腫（德比郡頸），碘酸鹽的補(bǔ)充，如食鹽中的碘酸鹽可以避免此病發(fā)生。C-I鍵的重要性可以與體內(nèi)較輕的鹵素進(jìn)行對比。
Na+/I−轉(zhuǎn)運(yùn)體（NIS）在碘代謝和甲狀腺功能中起重要作用。NIS是一種整合的質(zhì)膜糖蛋白，甲狀腺I−從血液中轉(zhuǎn)移運(yùn)可能通過選擇性地將NIS靶向到基底外側(cè)膜。它還調(diào)節(jié)I−在其他組織中的運(yùn)輸，包括唾液腺，胃粘膜和哺乳期的乳腺，其中I−被轉(zhuǎn)移到乳汁中用于哺乳期新生兒的甲狀腺激素生物合成。NIS是一個理想的使用放射性碘化物診斷和治療甲狀腺癌及其轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)。將NIS轉(zhuǎn)導(dǎo)到各種癌細(xì)胞中，使其易于被破壞已有報道。值得注意的是，超過80%的人類乳腺癌樣本表達(dá)內(nèi)源性NIS，使放射性碘化物的診斷和治療有可能有潛在用途。
砹-211（At, Z = 85）是一種半衰期為7.2小時的α發(fā)射體，是理想的消除主要位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常組織中的腫瘤細(xì)胞的放射性藥物。例如，它們可以用于靶向治療，而沒有鄰近正常組織毒性的風(fēng)險，而這種風(fēng)險有時會發(fā)生在β發(fā)射器上。這個特性適用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)等敏感部位。一項(xiàng)試點(diǎn)臨床研究評估了其可行性，以211At標(biāo)記的抗腱霉素嵌合單抗81 C6治療復(fù)發(fā)性惡性腦腫瘤的安全性和有效性。放射治療劑211At-MX35 F(ab(2))2也有在卵巢癌復(fù)發(fā)完全臨床緩解的婦女中完成I期藥代動力學(xué)研究。
第18組：惰性氣體
氦（He, Z = 2）在醫(yī)學(xué)上的探索是有限的，雖然考慮輔助治療呼吸道疾病，如哮喘，臀部和細(xì)支氣管炎。它也顯示出保護(hù)心肌缺血的功效，盡管保護(hù)機(jī)制尚不清楚。使用氦氣在手術(shù)室代替CO2來給正在進(jìn)行腹腔鏡腹部手術(shù)的病人的腹部充氣正在進(jìn)行評估。氦是一個更好的選擇，因?yàn)樗梢苑乐购粑嶂卸净颊叩墓餐膊?dǎo)致CO2潴留。氦離子顯微鏡提供器官非常精細(xì)的成像和超極化氦（HP 3He）肺MRI可用于正常和病變肺的成像。
我們呼吸的空氣中約1%是氬氣（Ar, Z = 18），主要來自于地殼中40K放射性衰變。氬已被應(yīng)用于電外科；氣體放電可對組織誘發(fā)非接觸方式的淺表熱效應(yīng)（氬等離子體凝固）。20世紀(jì)70年代，它首次用于開放手術(shù)，后來又用于內(nèi)窺鏡檢查。其使用的例子包括修復(fù)手術(shù)中可能發(fā)生的出血或潰瘍，血管損傷，靜脈曲張和腫瘤，以及失活和收縮腫瘤和阻塞組織。
氪（Kr, Z = 36）氣體，為四極同位素83Kr（核自旋I = 9/2，自然豐度11.5%）可用于氣道成像（MRI），特別是區(qū)分疏水和親水表面。
氙（Xe, Z = 54）用作全身麻醉。它對甘氨酸位點(diǎn)有很高的親和力n -甲基- d -天冬氨酸（NMDA）受體，不同于大多數(shù)其他臨床NMDA受體拮抗劑，它沒有神經(jīng)毒性。特別值得注意的是使用氙作為一種添加在新生嬰兒的通風(fēng)混合物中，以防止腦損傷。氙-133（半衰期5.2天，β−衰變）用于SPECT對肺部的放射成像，并測量血流量。超極化129Xe（核自旋I = 1/2，豐度26%）是一種MRI造影劑用于肺內(nèi)氣體流動的成像。
氡（Rn, Z = 86）是一種有毒的放射性（致密）氣體，由長壽命氣體分解而產(chǎn)生（數(shù)十億年）放射性鈾（和釷）通過226Ra在土壤、巖石和水中。衰變氡產(chǎn)生放射性固體（氡子），它們是輻射源，附著在灰塵上微粒，然后被吸入。這種吸入物與肺癌有關(guān)。氡接觸也可能導(dǎo)致產(chǎn)生有毒的活性氧。溶解的氡孕婦的血液循環(huán)可能會有不利的后果，包括發(fā)育遲緩大腦發(fā)育甚至死亡。氡在家中積聚是一個潛在的問題。常見的同位素是222Rn（來自238U），半衰期為3.8天的α-發(fā)射體和220Rn（α-發(fā)射體，半衰期56 s）由224Ra的α-衰變得到。
系列小結(jié)
我們已經(jīng)非常簡單地回顧了元素周期表中的元素在人類生活中的作用。特別是，我們試圖確定哪些要素是人所必需的，并指出其他要素用于或可用于診斷和治療的要素。藥用無機(jī)物質(zhì)很多化學(xué)仍有待探索。與藥用有機(jī)化學(xué)相比，該領(lǐng)域尚處于起步階段。更詳細(xì)地介紹了生物化學(xué)的背景，包括元素的影響環(huán)境對自然元素的選擇可以在最近的動物中找到Williams等人的出版物。要編制一份決定性元素的必需品清單并不容易�，F(xiàn)在添加到礦物質(zhì)補(bǔ)充劑中的元素主要是受多年前的營養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。這樣在規(guī)定的營養(yǎng)條件下的實(shí)驗(yàn)研究，動物的生長是昂貴的和相互依賴的元素的生物化學(xué)和各種有機(jī)輔助因子會使解釋復(fù)雜化。此外，我們不僅想知道哪些因素是正常生長所必需的，而且還想知道它們的生化功能是什么，哪些特定種類（元素的化學(xué)形式）是至關(guān)重要的。
