一、钴的生物化学作用

对于钴的生物化学作用，由于世界范围内对维生素B₁₂作了大量的研究，积累了丰富的资料，因此人们往往把注意力集中在维生素B₁₂和B₁₂辅酶的生物化学性质及它们的构-效关系，对离子钴的直接生物化学作用所知较少。但是，这方面的知识又是我们了解钴的毒性作用的基础，所以，在这里对离子钴和生物分子的相互作用作些简单介绍。

（一）与生物物质结合

1.氨基酸  钴很容易与氨基酸反应。通常认为这种结合是通过氮原子或SH进行的。前者的例子如钴与组氨酸的咪唑环反应，产生一种非常稳定的配合物。在二氢硫辛酸中，钴能和SH基不可逆地结合形成配合物。钴也能与半胱氨酸和胱氨酸形成配合物。

2.蛋白质  钴与蛋白质的反应依赖于pH值的变化。根据所研究的蛋白质不同，在pH=7～9之间某点，这种亲和能力最大。如与胰岛素在pH=8时亲和力最大，而对还原角蛋白，则pH=9，在血清中，二价钴与清蛋白组分牢固地结合在一起，两者的亲和力在pH=6.7～8.6之间有一个明显的增加。清蛋白被认为是血清中钴的转移蛋白。

钴也能与血浆蛋白如α-球蛋白、β-球蛋白和血纤维蛋白原结合。在血纤维蛋白中，钴能引起其构象的改变，导致正常血凝的紊乱。

3.钴在生物体液里的溶解度  金属钴和钴盐可以在体液和组织液里溶解。颗粒状的金属钴容易溶解，当有氧存在时，其溶解度急剧增加。有人认为，在仔细粉碎的金属颗粒表面溶于水介质时，覆盖着一层氧化物、氢氧化物和碱式碳酸盐以及硫酸盐。因此，钴的初始溶解度应该依赖于表面组成的溶解性。

在体外，溶解了的钴离子与蛋白质和一些弥散的小分子（可能是氨基酸和肽）结合。钴能与肌肉和其它组织匀浆中的小分子牢固地结合，90%钴离子可以在这个组分中发现。在血清中，钴也能与蛋白质结合。体液中小分子与钴结合的倾向可能影响着钴对细胞膜的渗透性。

（二）对酶活性的影响

这里只讨论钴离子对酶活性和酶促反应的影响。

实验表明，在体外Co（Ⅱ）能够取代某些金属激活酶中其它的二价阳离子，如Zn²⁺、Mg²⁺和Mn²⁺等。钴取代后的金属激活酶的活性有一定的变化。

在碳酸酐酶和碱性磷酸脂酶中通常是含锌（Zn（Ⅱ））的，Co（Ⅱ）能替代其中的锌离子，但是，取代后Co（Ⅱ）酶活性和溶解度均有所下降。羧肽酶A在体内含有Zn（Ⅱ），但在体外其它二价阳离子取代锌后也有催化功能。不过，Co（Ⅱ）的取代效果最佳，其活性与含锌羧肽酶A相当。

钴同样也是某些Mn（Ⅱ）酶的最佳取代剂。许多Mn（Ⅱ）激活酶（如磷酸葡萄糖酶），当被Co（Ⅱ）取代时仍有活性，但其活性通常比Mn（Ⅱ）酶为低。

钴能激活酰基转移酶的模型化合物，这说明该酶中有一种金属，它牢固地与蛋白质相结合，对酶的活性是必需的，加入钴可能是除去了所有与该金属键合的氨基酸。钴离子能增加受酰基转移模型酶催化的乙酰-L-亮氨酸的水解速度，但它却降低了氯乙酰-L-苯丙氨酸的水解速度。

钴对酶活性的影响与其浓度和酸根的种类有很大关系。如对LupineAsotobactor和Rhizobia培养液中的脱氢酶活性，当加入钴的浓度在0.001～0.01mg/L之间时有增加倾向；例如，0.01mg/L浓度的钴可使脱氢酶的活性增加40%，但当浓度达到0.1～50mg/L时，对酶的活性有抑制作用。

在兔子的小肠中注入少量钴可使β-碱性磷酸脂酶的活性增加90%。但当钴的浓度达到0.25～40mg/kg时，就可以部分或全部抑制葡聚糖酶的生物合成。注入0.05～1mg/kg的钴并不影响兔子的血清脂肪酶的活性，但浓度为2～5mg/kg的钴可使酶活性增加10%。

当钴的浓度低于10mg/kg时，可以激活磷酸酯酶。另一研究表明，0.3～0.5mg/L的钴能微弱增加面包酵母中的酸性磷酸脂酶的活性，但碱性磷酸脂酶的活性增加达35～55%。

豆瘤中的氢化酶极大地受钴的激活，表明钴与酶结合在一起，并参加氧化还原反应的电子转移。

CoCl₂、Co（NO₃）₂、CoSO₄能增加人体中胰脂肪酶的活性。氰化钾能抑制氧化酶，加氯化钴可以使酶的活性得到部分恢复，这可能是因为钴离子与自由氰根反应的缘故。少量钴可以激活豆科植物叶子和根瘤中硝酸还原酶的活性；但是，较高浓度的钴则使酶活性降低，导致萎黄病。在酵母细胞的培养液中加入钴可以增加细胞壁中酵母聚糖的生物合成。

Volpin，M.E.andNovodarova，G.N.。根据均相催化和酶催化之间可能存在的联系，提出钴催化剂可能具有生物活性，某些钴的催化剂在亚细胞水平参与（同化作用）哺乳动物的线粒体和微生物的载色体中的电子传递，钴催化剂在氧化还原链中以醌式的组分（辅酶Q）进行生化反应，从中获得电子。在此过程中与酶存在竞争。此外，还研究了钴螯合物作为催化剂产生活性氧自由基，它们的靶分子是DNA和RNA，故钴化合物有可能成为抗肿瘤、抗炎药物。因此，研究新的具有较高生物活性的钴化合物是很有意义的。

AndersHammershai等提出了一类新的含钴药物的模型。作者从抗癌药物顺铂能特异地与DNA结合这一点推论，有些金属配合物如能与DNA结合，也可能具有抗癌活性。他们合成了[Co（H₃CsarNHCH₂PyRu（NH₃）₅）]（PF₆）₅（CoRu）这个化合物，并用吸收光谱研究了它与DNA和脂多糖的作用。从242和420nm的吸收表明它们之间发生反应，CoRu/DNA-P的摩尔比为1.16，据此推测，这种CoRu的配合物可能成为药物。

二、无机钴的代谢

（一）吸收与排泄的平衡

原子吸收和原子发射光谱分析结果表明，一般人每天从食物中摄入无机钴的量为140～580μg。Schroeder认为，一般人从食物中获得的钴为290μg/d，饮水摄入10μg/d，呼吸空气吸入0.1μg/d，通常只要每天摄入钴300μg就能维持代谢的正常平衡。较早报道为5～25μg，这种差别可能与测定方法和地区不同有关。

摄入消化道的钴主要在小肠上端被吸收，尿液是排泄的主要途径，也有少量钴由肠道、汗腺、头发等途径排出。尿、粪、汗及毛发的钴的排泄量每天分别为200、94、4及0.04μg。钴一般不在人体内积累。给大鼠注射放射性Co，24h由尿内收回30%，6天内收回63%，而粪便内收回的钴仅为12%。

平衡研究表明，钴的吸收率在20～95%之间，吸收是否受组织中钴浓度的影响还不清楚。

（二）钴-铁吸收作用

考虑到钴和铁之间电子结构的相似，它们在小肠中被吸收时可能存在着某种关联性。动物实验和人体观察表明，铁的吸收率增加时，常伴随着钴吸收的增加，缺铁人体中钴的吸收率比正常人高一倍（分别为40%和80%）。

将钴和铁同时给药时，它们的摄入存在着一种相互制约的作用，钴对铁的抑制作用往往大于铁对钴的抑制作用，这一发现很有意义，在治疗某种贫血症时，医生常常采用铁-钴联合治疗手段。

其它金属离子也能影响钴的吸收，锰和钴同时给药也存在这种制约作用。当钴和蛋白质一道摄入时，钴的吸收也发生下降。

（三）钴在胃-肠区域吸收的机制

针对钴是如何从肠腔内进入血液的，有人提出了二步运行机制：

（1）初始摄入（可能是扩散）；

（2）主动运输跨越粘膜细胞。

在第二步即主动运输中，假定钴和铁竞争某些运输蛋白的结合位点，因此钴对铁的抑制作用大于铁对钴的吸收的影响。因此，有理由认为钴对这些蛋白的亲和力比铁要大。但由何种蛋白完成这一过程至今尚不清楚，同时也不知道这些结合位置是否与初始吸收有关。此外，也可能存在这样的一种运输机制，即钴的吸收与铁无关。

（四）血液中钴的运输

估计血浆中钴的含量在0.008～0.058mg/kg（湿组织）范围内。其中，只有5～10%钴给合在B₁₂配合物中，它的运输由特定的维生素B₁₂运输蛋白完成。离子钴在血浆中的运输过程还不了解。在体外，血清中加入放射性钴时，发现大多数钴与清蛋白组分结合在一起。

三、维生素B₁₂的代谢

（一）维生素B₁₂的合成

维生素B₁₂只能在微生物如某些细菌和藻类中合成。对人和单胃动物而言，合成B₁₂是在肠的下部，刚好低于吸收部分，因此无法利用，必须从外界补充B₁₂，B₁₂的主要来源有：

（1）以其它动物作为食物（人、食肉动物）；

（2）自己的排泄物（兔子、家禽）；

（3）泥土、受污染的水等。

人类主要通过肉、鱼和蛋等食物来获得B₁₂。反刍动物在它们的前胃有合成B₁₂的能力，然后这些配合物很容易在含腺胃里吸收。当土壤里钴缺乏时，需要在饲料或饮用水中添加简单钴盐，或和肥料混施，甚至直接喷洒在土壤上，以保证钴的充足来源。

（二）人体维生素B₁₂的代谢

1.吸收和排泄  维生素B₁₂的生理吸收位置主要在回肠处。通常，食物中少量的B₁₂在一种特殊运输蛋白——内因子（IF）帮助下被吸收，内因子（IF）是胃壁细胞分泌的一种粘蛋白，维生素B₁₂入胃后先与内因子结合以防止维生素B₁₂被胃内的微生物破坏，并协助和促进维生素B₁₂的吸收。吸收机制如下：

首先食物中的B₁₂从它的结合形式（通过胃蛋白酶和盐酸的作用）解离出来，形成B₁₂-IF复合物。该复合物转移到吸收点，与肠粘液结合，然后，B₁₂可能从IF-蛋白中解离出来，与其它运输蛋白结合。

当所给的B₁₂量很大并超过正常范围时（例如为了治疗和实验研究），扩散机理也起作用。但是，扩散的效率是很低的，大约只有1%通过扩散被吸收。

在尿液和粪便中都会出现B₁₂，前者与没有被代谢过程改变有关，后者则是体内微生物合成的结果。

2.运输和贮存  各种体液和细胞里都含有特定的B₁₂结合体，因此未被结合的自由B₁₂很难在细胞内或机体中长期存在。

血液中B₁₂、Ⅱ、Ⅲ（简称TCⅠ、TCⅡ、TCⅢ）结合，运至肝脏、骨髓及全身。TCⅠ和TCⅢ在与B₁₂结合后，周转和清除速度均很慢，多数处于饱和状态，二者结合的维生素B₁₂不到B₁₂总量的10%，因此，它们在维生素B₁₂的运输中意义不大。TCⅡ的周转率很快，几乎所有TCⅡ均处于不饱和状态，因而担负着维生素B₁₂的主要运输任务。

维生素B₁₂的主要贮存器官是肝脏，大约占人体B₁₂总量的30～60%，并几乎全以脱氧腺嘌呤核苷钴胺素的形式存在。此外，B₁₂含量较高的器官还有肾、脾和肺等。

四、钴的毒性

与其它微量元素一样，当土壤、植物、动物饲料以及人类食物中添加极少量钴时，通常有营养作用。但是，如果加入量太多，则有可能抑制机体的生长，甚至导致严重的中毒事故。由于生物个体因素的差异，钴在机体中营养浓度与毒性浓度存在着巨大差别。

（一）微生物和植物

0.04～2mg/kg钴就能抑制藻类的生长；5～20mg/kg以上的钴能抑制不同种类放线菌的生长，某些细菌的生长则可被1～2mg/kg的钴所减缓。

在意大利，当酸性、碱性或中性土壤中Co的浓度超过10～40mg/kg时，钴就会对燕麦发生长产生有害的影响。当土壤中钴的浓度达到0.3～1.4mg/L时，就会导致燕麦的减产。

在澳大利亚，土壤液中钴的浓度为0.03～0.14mg/kg即低于对燕麦产生毒性作用的10%水平。当钴的含量达到25mg/kg土壤时，麦子的苗尖就会受到损伤。对于稻谷类作物，毒性水平的钴就会减少稻穗或叶片。

大豆种子若在播种前于0.1%的硫酸钴溶液中浸泡，结果由于钴过量导致20%的植物得了一种缺绿病。在萎黄的叶子里，叶绿素和蛋白质的含量都比正常叶子为少。在对大豆的另一项研究中，有人报道MgSO₄能部分抗拮钴的毒性，而柠檬酸铁铵对过量的钴没有任何作用。

用大于36.8mg/kg的硫酸钴溶液处理黄豆的种子或叶子，就会导致叶子患缺绿症，阻碍苗的生长；轻微的缺绿症可以加某种铁盐治疗。在卷心菜的水培养液里加入0～5mg/L钴，结果发现产量降到原来的一半时，表层叶子中钴的含量高达30mg/kg干重。

（二）动物

由天然饲料中钴过量而引起家畜中毒的事故发生的可能性是很小的。许多年前就有人发现，小牛每45kg体重能消耗50mg钴，但仍能代谢正常；羊每天摄入160mg钴，连续8个星期仍无有害的结果，但剂量再大时则会产生中毒事故。后来，在新西兰有人做了一个实验，5只母羊都死于3盎司①CoSO₄·7H₂O的剂量。但是应该注意到，这个剂量意味着每只羊分配3.5g，其值大大超过正常供应量，除非是由于人为的差错，自然界中基本上是不可能发生的。在澳大利亚有人报道说，牛牯中毒的症状并非很独特，事实上与缺钴症状相似。在被工业污水严重污染的土壤上，卷心菜的钴含量达0.69/mg/kg，胡萝卜达0.88mg/kg，但是用它们喂养的家兔并未出现异常症状。

有人研究了动物吸入含钴灰尘后的反应。仓鼠吸入2～160μg/L氧化钴后，只有1%停留在肺内，而且6天后全部消失。动物长期吸入0.1mg/m³的钴尘，肺功能并未受到影响。当仔猪吸入0.1～1.0mg/m³含钴金属粉尘时，就可检测到肺的病变。

动物的毒理试验还表明，钴过量会对动物的蛋白质、氨基酸、辅酶和脂蛋白的合成产生有害的影响。例如，施用氯化钴后，动物生长发育停滞、体重减轻、血糖增加、肾上腺皮质增生，导致卟啉尿症并损伤胰腺上皮细胞。

（三）人

1966年，美国通过一项控制发酵麦芽饮料中使用钴的法令。在此以前，制造商为了增加饮料泡沫的稳定性并防止其喷出，饮料中使用的各种钴盐如草酸钴、氯化钴和硫酸钴的浓度高达1.2mg/L。

关于制造和使用硬质合金时产生的粉尘毒性。这些合金如钨合金通常掺有钴粉末，在制造和使用过程中会产生大量颗粒状粉尘，含有大量金属钴及其氧化物，其颗粒大小只有0.4～3.6μm，完全可以透过肺泡膜进入血液中。在湿法冶炼钨合金过程中，空气中钴的浓度可达到0.01～0.02mg/m³。

钴可导致血球蛋白的增加。在从事钨合金工业的人中，已发现一种肺组织纤维化的致命症状，这与空气中钴的含量太高有关。在制造硬质合金产生的粉尘中，钴在钴-钨合金中毒性增加可能与在钨接触时钴的溶解性更强有关。

在较为富裕的国家里，人们的食物范围很广，而且通常来自几个地区，因此人得钴缺乏症的机会远比反刍动物为少。但是，在生产力水平较低的地区，那里几乎所有食物都来自本地区的谷物和动物，因而存在得钴缺乏症的可能性。非洲、亚洲和南美洲部分地区，某些营养上的疾病最终归因于钴摄入太少是可以理解的。

人体进行钴治疗时，可能出现某些不适应症状，如皮肤潮红、胸骨后疼痛、皮肤炎症、耳鸣、恶心呕吐、神经性耳聋等等。每天施用钴盐3～4mg/kg，即可引起甲状腺肿大症。饮用加钴过多的啤酒，常可导致机体的慢性钴中毒，主要表现为心力衰竭、酸中毒、心源性休克、心电图异常以及与心肌机能有关的血清酶活性显著增加。当病人停止治疗并配以适当药物后，上述症状均可消失而恢复正常。

ShiXianglin等利用ESR自旋捕获技术研究了Co（Ⅱ）催化产生自由基的问题。他们用的体系是：过氧化物（Cumene-OOH，tert-butyl-OOH和H₂O₂），Co（Ⅱ）及半胱氨酸，自旋捕获剂足5，5-二甲基-1-吡咯N-氧化物（DMPO），pH=7.2。实验结果表明，所产生的自由基有碳中心自由基（RC·），烷氧自由基（RO·）及羟自由基（·OH）。值得注意的是，Co（Ⅱ）仅与过氧化物反应不会产生自由基，在反应体系中必须有巯基化合物存在，如谷胱甘肽、半胱氨酸、青霉素胺或N-乙酰半胱氨酸，这说明巯基化合物（—SH）在Co（Ⅱ）催化产生自由基中的作用。

通过以上研究，推测钴的毒性与其催化产生自由基有关。