干貨分享丨生命元素系列之硼族、碳族、氮族和硫族元素
前文我們已經挨個介紹了氫、堿和堿土元素篇和過渡金屬元素篇，這一篇我們來介紹那些元素周期表右邊的的硼族、碳族、氮族和硫族元素。
第三部分：硼族、碳族、氮族和硫族元素篇
第13組：硼族元素
到目前為止，還沒有令人信服的證據表明硼（B, Z = 5）是人體必需的元素。硼被認為是維管植物生長發育所必需的，如硅藻，海藻和藍藻。它可能在骨骼和關節的發育中起作用，作為膳食補充劑可以有效預防或治療關節炎。硼可以穩定和延長維生素D和雌激素的半衰期，這對骨骼健康至關重要。
硼霉素是一種從革蘭氏陽性鏈霉菌中分離出來的聚醚-大環酯類抗生素。它通過對細胞質膜產生不利影響導致鉀離子從細胞中流失來殺死革蘭氏陽性細菌。體外研究表明硼霉素可以抑制臨床分離的HIV-1毒株的復制，通過阻斷后期感染和成熟步驟來發揮其抗HIV活性。含硼化合物作為治療藥物正在開發中，不僅針對微生物或腫瘤系統，而且針對許多疾病固有的細胞信號傳遞過程。Anacor制藥公司目前有幾種含硼化合物產品正在開發之中。Borinic picolinate（AN0128）是一種硼酸酯對痤瘡和輕至中度特應性皮炎具有抗微生物和抗炎活性。AN2690（Kerydin）是FDA批準的外用抗真菌藥物或內生毛癬菌引起的腳趾甲真菌病。
鋁（Al, Z = 13）是地殼中重量最豐富的金屬。它在人類生物學中沒有已知的作用，但確實存在。有證據表明鋁可能與人類的急性和慢性疾病有關。然而似乎只有在腎衰竭或腎臟發育不全（嬰兒）的情況下才會出現問題。然后Al吸收到血液中會導致Al在大腦中沉積，甚至導致癡呆死亡。鋁存在于許多商業產品中，包括化妝品。
鋁可能通過產生活性氧而損害線粒體生物功能，這反過來線粒體功能受損又會導致氧化應激。氧化應激被認為可以導致某些神經退行性疾病，如阿爾茨海默病和帕金森病。鋁鹽在疫苗中用作佐劑。佐劑被認為可以通過招募抗原專業抗原提呈細胞（APC）來促進免疫免疫應答，將疫苗接種部位的抗原傳遞到APC或通過激活APC來制造細胞因子和促進T細胞反應。鋁鹽仍被用作佐劑硫酸酯，其是最古老和最常用的佐劑之一，現在正在重新考慮疫苗配方，因為其毒性存在問題。
鎵（Ga, Z = 31）化合物用于治療和診斷。放射性核素68Ga（半衰期1.1 h，電子捕獲衰變）可以使用68Ge/68Ga發電機有效地產生，消除了放射性藥物在現場有回旋加速器的需要。其短半衰期使得68Ga標記的放射性藥物在臨床應用中很受歡迎，例如腫瘤成像。67Ga（半衰期3.3天，電子捕獲隨后γ發射）閃爍，在腫瘤學中用于檢測患者的惡性腫瘤，包括何杰金氏和非霍奇金淋巴瘤。
硝酸鎵（Ga(NO3)3, Ganite）能抑制皮下植入腫瘤的生長。它已經完成了治療兒童腦腫瘤，成神經細胞瘤、橫紋肌肉瘤、非霍奇金淋巴瘤和難治性實體瘤的一期臨床試驗和復發或難治性非霍奇金淋巴瘤患者的II期臨床試驗。在研究GaNO3抗腫瘤活性的過程中，注意到在許多患者中鈣水平，血中氨氮含量下降。硝酸鎵目前也在囊性纖維化患者的I期臨床試驗。非氧化還原活性Ga3+可以抑制（氧化還原活性）鐵(III)依賴途徑，包括細菌中的鐵途徑。
銦（In, Z = 49）在人體中沒有已知的生物學作用。放射性核素111In，發射器半衰期為2.8天，用于臨床診斷成像。例如111In-CHX-A DTPA曲妥珠單抗（銦-赫賽汀）即將進入乳腺癌成像臨床試驗，一項II期試驗正在評估111In ibritumomab tiuxetan與90Y ibritumomab tiuxetan, rituximab, fludarabine, melphalan聯合用于干細胞B細胞非霍奇金淋巴瘤患者移植的副作用。
鉈（Tl, Z = 81）以其毒性而聞名，尤其是Tl+，它可以干擾K+途徑（有時稱為超鉀）。同位素205Tl（豐度70%，核自旋1/2）對核磁共振檢測敏感。使用通過電子捕獲而衰變的201Tl（半衰期73 h）在放射診斷成像（SPECT）。
第14組：碳族元素
碳（C, Z = 6）占人體的18.5%，是人體中第二豐富的元素，它的氧化態從+4（二氧化碳，碳酸氫鹽）到-4（碳氫化合物）。我們不會在這里討論生命和藥物的有機化學，只是提到最近對一氧化碳的生物學和醫學興趣。
身體大約每天血紅素加氧酶從血紅素分解中產生3-6 mL的一氧化碳。因為一氧化碳在體內是一種具有信號功能的天然代謝物，它是一種有趣的藥物。特別是金屬羰基配合物如[Ru(CO)3Cl(甘氨酸酸酯)]（CORM-3）具有釋放一氧化碳分子的潛能，可以靶向運送一氧化碳至目標靶點。使用這種藥物對預防移植器官排斥反應、炎癥、內皮氧化損傷是有保護作用的。
硅（Si, Z = 14）在人體中存在水平較高（總約21克），但尚不清楚此元素對我們的生理功能是否重要。目前還沒有已知編碼Si的特定人類基因。一些纖維硅酸鹽石棉礦物已知對健康有害。
在過去的三十年里，許多研究都在確定Si在人體中的重要性。硅可能是骨形成所必需的，用于合成膠原蛋白及其衍生物和基質礦化。攝取生物可利用硅可以增加骨密度，并且補充硅對動物和人類都有直接的積極作用，增加骨密度和強度。
含硅的酞菁（Pc4）是目前在臨床試驗中的第二代光敏劑，可通過凋亡殺死腫瘤細胞和淋巴樣細胞。Pc4已完成光化角質病、鮑文氏病、皮膚癌、I期或II期蕈樣肉芽腫光動力治療的I期臨床試驗，它正在進入IA-IIA期皮膚T細胞非霍奇金淋巴瘤細胞光動力療法的I期臨床試驗。
沒有證據支持鍺（Ge, Z = 32）對人的重要性，然而含鍺制劑被作為健康長生不老藥出售，并聲稱對包括癌癥和艾滋病在內的幾種疾病有益。雖然鍺化合物致突變性、致癌性和致畸性普遍較低，但是鍺中毒導致腎功能衰竭甚至死亡的病例、貧血、肌病和胃腸道紊亂均有報道。Bis-2-carboxyethylgermanium倍半氧化物（Ge-132）目前在癌癥、燒傷和肝炎的治療以及一些心血管疾病方面很有潛力。
40年前，錫（Sn, Z = 50）被認為是動物生長所必需的，并被預言對人類來說是必不可少的，但現在幾乎沒有證據證明這一點。我們很廣泛接觸到餐具和使用的食品包裝盒都有微量錫（約16毫克）。目前錫在臨床醫學上的唯一用途是光動力學治療藥物purlytin （Rostaporfin, SnIV乙基etipurin）。Purlytin用于不同癌癥的臨床試驗，包括皮膚基底細胞癌，艾滋病中的卡氏肉瘤患者和胸壁的乳腺轉移。許多有機錫化合物都有抗癌和抗病毒活性，但沒有一個達到臨床試驗。最近的例子包括三丁基錫（IV）羽扇豆酰硫化氫富馬酸，對白血病和黑色素瘤有活性。
一般來說，鉛（Pb, Z = 82）對人體的毒性很大。如果吸入或攝入，會影響神經系統系統，長期接觸會導致大量的不良反應，包括貧血、腎病、絞痛樣腹痛和腦損傷。在成人中，幾乎99%被吸收的鉛在紅細胞中積累30至35天，使其分散到肝臟、主動脈、大腦、肺和脾臟等軟組織。Organo-lead化合物如烷基-PbIV化合物代謝為神經毒性代謝物。這些代謝產物在肝臟中由細胞色素p450依賴的單加氧酶催化形成。鉛抑制由ALA脫水酶和鐵螯合酶催化的血紅素合成步驟。
放射性同位素212Pb（半衰期10.6 h， β−發射，迅速生成α-發射體212Bi）對靶向α粒子治療和放射免疫治療有用。衰變導致兩種短壽命α粒子的發射，對細胞核有很強的治療活性。放射標記化合物212Pb-TCMC-曲妥珠單抗具有臨床前抗腫瘤活性，與人表皮生長因子受體2的細胞外區域結（HER2）。HER2是一種酪氨酸激酶受體，在許多細胞表面過表達，212Pb內化后會產生一定劑量的α-輻射。
第15組：氮族（致煙原）
人體含有約3%（總約2公斤）氮（N, Z = 7），存在于許多生物分子中，包括氨基酸，蛋白質，堿基，RNA和DNA，使它成為一個基本元素。在N生物化學中，-3（NH3）到+5（硝酸鹽）的氧化態都是重要的。
一氧化氮（NO）的無機化學近年來引起了人們的關注。這個反應自由基是人體內重要的信號分子，負責調節許多生物過程包括神經傳遞，平滑肌收縮和免疫反應。它是通過一氧化氮合酶利用NADPH和氧氣將精氨酸轉化為瓜氨酸而產生的。有三種NOS亞型：內皮細胞（eNOS）、神經元細胞（nNOS）和誘導細胞（iNOS）。神經元NOS負責在神經組織中產生NO，并參與細胞交流，eNOS在血管中產生NO并參與血管舒張，iNOS位于心血管和免疫系統在促炎細胞因子刺激下產生大量NO。
圖1. NOS酶產生NO
13N是PET成像中使用的正電子發射同位素。它的半衰期極短，在回旋加速器中產生。13N-氨已投入使用，用于心臟PET成像。它是注射給藥，在血液中作為一種13NH3（微量）和13NH4+（主要）的平衡混合物。中性13NH3分子很容易擴散穿過血漿和細胞膜，一旦進入肌細胞與質子化形式重新平衡，然后通過谷氨酰胺合成酶被困在谷氨酰胺中。有毒的氨轉化為尿素，由腎臟排出體外，通過尿素循環，包括六種酶和兩種線粒體轉運體。
人體有大約0.9公斤必需元素磷（P, Z = 15），高達90%存在于骨骼和牙齒中的磷灰石中，其余存在于細胞外液和軟組織中。磷(III)具有良好的化學性質，但作為還原劑，它的強度太大，無法在大多數生物體中找到。磷(V)在生物分子DNA和RNA結構框架中的磷酸二酯鍵中起著重要作用。多聚磷酸鹽酯被活細胞用來運輸細胞能量，尤其是ATP。磷在體內的穩態改變會產生有害的后果。血清中低水平的磷酸鹽，可以導致橫紋肌溶解，呼吸衰竭、溶血和心力衰竭。高磷血癥（在血清中磷酸鹽水平升高）與慢性腎臟疾病有關。
骨形成由交聯膠原蛋白、骨鈣蛋白和骨橋蛋白用等量的磷酸鈣礦物精細地控制成骨細胞共同形成。成骨細胞分解骨作為持續動態重塑和修復的一部分流程。磷-32（半衰期14.3天）是一種放射核素，用于治療和診斷腫瘤學以及一般生化追蹤。用于惡性腫瘤的檢測，因為癌細胞比正常細胞積累更多的磷酸鹽。Phosphocol P32是一種32P放射性標記藥物，用于治療不同的癌癥，并作為治療癌癥相關癥狀，如胸膜或腹膜積液。
砷（As, Z = 33）最廣為人知的可能是它對人體的毒性作用。急性砷中毒的癥狀表現包括腹瀉、嘔吐、尿血、肌肉痙攣，最終死亡。砷是人體內的一種超微量元素，人類血液中只有4-30 nM，半衰期約為2 h。在世界許多地方長期接觸砷是一個嚴重的問題。當體內As水平過高時，它是由存在于肝細胞的亞砷酸鹽甲基轉移酶轉化為單甲基和二甲基砷，并迅速通過尿液排出。砷酸通過一種生化現象被稱為砷溶解產生AsIII降低ATP水平，砷(III)對硫醇具有很高的親和力，并能抑制酶活性如丙酮酸脫氫酶。
圖2. 含砷藥物分子結構
盡管砷化合物有毒，但它確實有一些治療功效。早在18世紀，基于碳酸氫鉀的三氧化二砷（As2O3）溶液被稱為福勒溶液治療多種疾病。Salvarsan和Neosalvarsan在20世紀早期被使用作為抗生素治療梅毒。三氧化二砷（As2O3）是一種被批準的藥物用于早幼粒細胞白血病的治療，并在臨床試驗中進行治療其他幾種癌癥包括不能切除的肝細胞癌和非小細胞癌肺癌。在水中，As2O3形成As(OH)3，可通過甘油進入細胞運輸途徑(aquaglyceroporins)。美拉胂醇是一種治療非洲錐蟲感染的有機砷。Darinaparsin, s -二甲基谷胱甘肽正在進行癌癥治療的臨床試驗。這種藥與三氧化二砷相比，能誘導更高的細胞內砷積累和細胞死亡，系統毒性則較低。
含銻（Sb, Z = 51）的化合物在醫學上已經使用了幾個世紀。最重要的應用是使用有機銻治療利什曼病。酒石酸銻(III)鉀在二十世紀早期被規定用于黏膜皮膚利什曼病和內臟利什曼病。不幸的是，副作用很嚴重，毒性較小的SbV化合物于20世紀40年代引入。兩個配方葡胺銻酸鹽（葡聚糖）和鈉stibogluconate （Pentostam）仍在用于治療利什曼病。有人提出SbV是一種前藥，被寄生蟲或宿主細胞還原為SbIII。這些銻的靶標被認為是一種低分子的利什曼原蟲中含有豐富的硫醇錐蟲硫酮。除了錐蟲硫還原酶，錐蟲硫酮提供細胞內還原環境以避免氧化應激。實驗研究表明SbV被還原為SbIII，然后將SbIII與錐蟲硫酮結合形成復合物，最后巰基交換抑制錐蟲硫酮還原酶。
圖3. 嬰兒利什曼原蟲的還原錐蟲硫胱甘肽還原酶與NADPH和SbIII結合
長期接觸銻對從事金屬采礦、冶煉和冶煉、煉油、垃圾焚燒、燃煤發電廠和室內靶場的人來說是一種風險，都可能造成呼吸道刺激、塵肺病、皮膚銻斑及胃腸道癥狀。在治療環境中，銻的毒副作用是心臟毒性和胰腺炎，這兩種疾病都常見于HIV和內臟利什曼病合并感染。
鉍（Bi, Z = 83）化合物長期以來一直被用作抗菌劑，作為一種藥物來消除熱氏螺桿菌，這是一種革蘭氏陰性細菌，是消化性潰瘍等胃腸道疾病的致病菌。膠體亞檸檬酸鉍（De-Nol）和次水楊酸鉍（Pepto-Bismol）用于預防和治療胃潰瘍和十二指腸潰瘍。舒博金是一種用于傷口愈合的局部軟膏，含有沒食子酸鉍作為其主要成分之一。沒食子酸鉍通過在凝血級聯中激活哈格曼因子（因子XII）以加速凝血。Bi3+是一種高酸性金屬離子（pKa 1.5），常與氫氧根或氧化物橋的配合物或在亞檸檬酸鉍的情況下的檸檬酸橋形成聚合物。
由于觀察到鉍化合物作為抗癌劑的興趣正在增長，順鉑化療前給予鉍可減少相關的毒副作用。鉍213是一種半衰期為45.6分鐘的α-發射體。213Bi-lintuzumab的I期試驗證明了對復發患者或難治性AML服用放射性藥物的安全性高達37MBqkg-1。
第16組：硫族元素
氧（O, Z = 8)，宇宙中第三豐富的元素（在H和He之后），氧是地殼中按重量計算的元素中最豐富的，氧氣是支持細胞呼吸的重要氣體。我們呼吸的空氣中氧氣體積占21%，我們身體質量的一半以上是氧（49/80千克）。基態O2(3O2)，雖然是強氧化劑，但相對不活潑。激發態氧(1O2)具有很強的破壞性，可以殺死細胞（光動力療法的基礎）。體內氧的氧化態范圍為0 (O2)到-2 (H2O)。
氧穩態對所有脊椎動物的生存都至關重要。我們的身體已經進化到確保我們所有細胞的最佳氧合，從進入肺部開始，然后體內氧氣的循環和輸送。氧是一個關鍵的電子受體在氧化還原反應中產生ATP, ATP是人體細胞功能所需的直接能量來源。氧也是制造或分解許多細胞成分的重要底物，包括信號介質。缺氧是包括心肌和大腦缺血與癌癥在內的嚴重病理發展的重要因素。高氧（組織和器官中氧氣供應過剩）也會有有害后果，如產生高濃度活性氧（ROS: 1O2, O2−，H2O2, OH.），破壞了氧化劑和抗氧化劑的平衡，導致細胞和組織損傷。
了解ROS在體內信號的作用是一個重要的研究領域。H2O2除了作為一種破壞性的氧化劑來抵御病原體外，它還能起到第二信使的作用。其產生和降解以及需要硫醇的氧化產生了適當的信號條件。缺氧誘導因子（HIF）是一種對病理生理低氧反應的轉錄因子，通過上調氧水平，引發缺氧的生物反應。低氧誘導因子的脯氨酸羥化酶結構域（PHD）選擇性地羥化HIF脯氨酸殘基。HIF蛋白水平對當前O2濃度的依賴性，由PHD介導酶是構成組織中缺血和炎癥事件的氧合反應最重要的生物傳感器系統之一。因此，抑制這些酶，導致HIF穩定，具有治療組織應激和損傷潛力。
硫（S, Z = 16）是一種必需元素，參與氧化過程中的許多生化過程，狀態范圍從−2（硫化物）到+6（硫酸鹽）。它是身體中第七豐富的元素（約160克）。
硫化合物在代謝反應中既是電子供體又是電子受體。蛋氨酸（Met）和硫醚氨基酸調控主要代謝和催化活性，啟動蛋白質合成并經歷可逆氧化還原反應以保護蛋白質完整性。細胞內豐富的巰基三肽谷胱甘肽（GSH）是一種防御性生物分子，可對抗藥物、污染物和致癌物等有毒異種生物。作為抗氧化劑，谷胱甘肽直接或作為谷胱甘肽過氧化物酶輔助因子參與保護細胞免受氧化應激。硫氧還蛋白具有二硫醇-二硫化物活性位點，是一類參與體內氧化還原信號傳遞的氧化還原蛋白，由TXN基因編碼。半胱氨酸（Cys）是在人體內生物合成的，作為一種酶促反應參與親核試劑。存在于我們的皮膚，頭發和指甲中角蛋白二硫鍵是這種蛋白質強度的主要原因。
硫化氫（H2S）是一種劇毒氣體，是哺乳動物的信使分子。很大程度上由胱硫氨酸β合酶和胱硫氨酸γ裂解酶（CSE）催化Cys或其衍生物形成。H2S信號的一個機制是蛋白中活性Cys殘基硫化反應（過硫化物RSSH）的形成。硫水合作用對于調節炎癥和內質網應激信號以及血管張力起了重要作用。H2S還有一些其他的藥理靶點包括K(ATP)、ATP敏感鉀通道和瞬時受體潛在通路，NF-κB核易位，細胞外信號調節激酶和Akt（蛋白激酶B）。動脈粥樣硬化是心血管疾病發病率和死亡率的主要原因。內源性H2S產生有利于動脈粥樣硬化的防治，由CSE基因缺失引起的內源性H2S水平降低加快了疾病的發生。硫化物普遍存在于鐵硫氧化還原蛋白鐵氧還原蛋白中。Fe/S團簇為在線粒體中組裝在支架上的蛋白質，運輸出去，然后并入鐵氧還蛋白。
人體內只有大約4毫克硒（Se, Z = 34），但它是必不可少的，也是遺傳密碼的一部分。硒通過硒蛋白發揮其生物學功能。
與20種標準氨基酸不同，Sec是由其tRNA上的絲氨酸生物合成的。將硒插入到絲氨酸中，形成第21個氨基酸硒半胱氨酸由終止密碼子UGA編碼，這是三個終止密碼子之一。在非硒蛋白基因的mRNA翻譯密碼子中，產生具有氧化還原和信號功能的25個硒蛋白。將UGA密碼子識別為Sec插入位點，而不是停止需要一個硒蛋白mRNA中的Sec插入序列元件和一個唯一的硒半胱氨酸- tRNA，兩者都能被特化蛋白因子識別。
硒在谷胱甘肽過氧化物酶中具有硒半胱氨酸的抗氧化作用（GSH-Px），也存在于其他硒蛋白中，如1型碘甲狀腺原氨酸59-脫碘酶，在甲狀腺激素的激活和失活中很重要。然而，大多數硒蛋白和含硒生物分子的功能仍不清楚。硒蛋氨酸和硒甲基硒-l-半胱氨酸正處于健康個體前列腺癌的治療預防的I期試驗中。硫化硒是一種抗真菌劑，它被用作洗發水的添加劑，用于治療頭皮屑和某些類型的皮炎。
碲（Te, Z = 52）一直被認為是一種有毒的非必需元素，但是有機和無機碲化合物的藥理性質研究揭示了在醫學上的一些潛在應用。其中一種藥物是AS101，一種無毒的TeIV用于治療外生殖器疣的II期臨床試驗的化合物，作為標準化療方案的添加劑治療新診斷的老年AML患者和AML患者的轉化骨髓增生異常綜合征患者，并作為骨髓癌癥患者化療引起的毒性的預防劑。口腔和腹腔給藥AS101的研究顯示該藥明顯減輕了糖尿病和炎癥性腸病的臨床表現。葡聚糖硫酸鈉誘導結腸炎模型中，AS101通過下調結腸細胞因子水平（IL-17和IL-1β）和阻斷白細胞（中性粒細胞和巨噬細胞）的結腸遷移發揮其抗炎和抗凋亡活性。
小結
在這一篇中，頻繁出現了“有毒”的金屬，特別是一些投毒案的社會新聞，往往會觸動我們的神經，但是這里想強調的是“萬物皆有毒，只要劑量足”。不管是我們常見的鋅、銅、鐵，還是談之色變的鉛、砷、汞，超量服用都會有生命危險。但不同金屬安全攝入量是不同的。只要控制在安全范圍內，重金屬并不會傷害我們。甚至有些重金屬元素是我們人體所必需的。例如缺銅可能導致智力下降，缺鐵會引發貧血，缺鋅免疫力會下降等等。
還有一些元素隨著人類的認知水平的提高，評價居然發生了大反轉。比如砷，從古老的砒霜，到治療腫瘤的新藥，毒藥變良藥。也許還有很多元素，新的身份新的功能等待著研究者們的解鎖。
