第1章生物無機化學緒論

1、生物無機化學生物無機化學 Bioinorganic Chemistry主講：李主講：李 珺珺陳陳 濤濤 主要內(nèi)容主要內(nèi)容n1 1 生物無機化學概述生物無機化學概述n2 2 與生物無機研究有關(guān)的配位化學原理與生物無機研究有關(guān)的配位化學原理n3 3 重要的生物配體及其金屬配合物重要的生物配體及其金屬配合物n4 4 氧載體氧載體n5 5 生物氧化還原反應中的金屬蛋白和金屬酶生物氧化還原反應中的金屬蛋白和金屬酶n6 6 固氮作用及其化學模擬固氮作用及其化學模擬n7 7 光合作用及其化學模擬光合作用及其化學模擬n8 8 催化水解反應的金屬酶催化水解反應的金屬酶n9 9 生物體內(nèi)金屬離子的選擇、攝取和調(diào)控

2、生物體內(nèi)金屬離子的選擇、攝取和調(diào)控一、概論一、概論生物學有機化學、 N、生命的基本物質(zhì)生命的基本物質(zhì): 蛋白質(zhì)、糖、蛋白質(zhì)、糖、 脂肪、核酸脂肪、核酸無機元素無機元素Na、K、Ca、Mg、ClNa：電荷載體，滲透壓平衡：電荷載體，滲透壓平衡K：電荷載體，滲透壓平衡：電荷載體，滲透壓平衡Mg：結(jié)構(gòu)，水解酶，異構(gòu)酶：結(jié)構(gòu)，水解酶，異構(gòu)酶Ca：結(jié)構(gòu)，觸發(fā)劑，電荷攜帶：結(jié)構(gòu)，觸發(fā)劑，電荷攜帶高等動物必需高等動物必需微量元素微量元素的發(fā)現(xiàn)歷史的發(fā)現(xiàn)歷史 元素元素年代年代元素元素年代年代鐵（鐵（Fe）17世紀世紀鉻（鉻（Cr）1959碘（碘（I）1850錫（錫（Sn）1970銅（銅（Cu）1928釩（釩（

3、V）1971錳（錳（Mn）1931氟（氟（F）1971鋅（鋅（Zn）1934硅（硅（Si）1972鈷（鈷（Co）1935鎳（鎳（Ni）1974鉬（鉬（Mo）1953砷（砷（As）1975硒（硒（Se）19572020世紀世紀7070年代成為獨立學科年代成為獨立學科生物學生物學無機化學無機化學生物無機化學生物無機化學Bioinorganic ChemistryJournal of Inorganic Biochemistry n研究對象研究對象：無機元素在體內(nèi)的存在形式、結(jié)構(gòu)、：無機元素在體內(nèi)的存在形式、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與生物活性之間的關(guān)系。性質(zhì)與生物活性之間的關(guān)系。n研究手段研究手段：配合物化學、超

4、分子化學：配合物化學、超分子化學 生物無機化學研究的范圍固有元素Steady State 金屬蛋白 微量元素固有元素non-Steady State 過量，缺乏 基因疾病外來金屬元素 毒性，污染 微量元素外來金屬元素 藥物 成像劑 放射性同位素金屬金屬元素元素研究方法生物無機化學生物無機化學物理和結(jié)構(gòu)化學物理和結(jié)構(gòu)化學作用機理作用機理溶液化學溶液化學溶液作用方式溶液作用方式合成化學合成化學模型化合物模型化合物二、生命體中的元素二、生命體中的元素Beneficial 10Essential 18Harmful 5生命必需元素 (essential elements)l維持生命所必需的元素維持生命

5、所必需的元素l存在于正常的組織中存在于正常的組織中l(wèi)在各種物種中保持一定的濃度范圍在各種物種中保持一定的濃度范圍l若從機體排出將引起生理和結(jié)構(gòu)的變態(tài)若從機體排出將引起生理和結(jié)構(gòu)的變態(tài),重新引入，上述重新引入，上述變態(tài)消除。變態(tài)消除。H C O N P S Cl I Na K Ca Mg Mn Fe Co Cu Zn Mo有益元素 beneficial elements The life can merely be maintained, but not healthy. 沒有這些沒有這些“有益有益元素元素”生命尚可維持，但并不能生命尚可維持，但并不能認為是健康的。認為是健康的。B F Si S

6、e V Sr Sn Cr Ni W有害元素 harmful elements At a certain level, these elements can result in poisoning.Pathological changes in physiology and morphology, can be observed.一定濃度之下，會引起中毒反應，可覺察到生理上或形一定濃度之下，會引起中毒反應，可覺察到生理上或形態(tài)上的病變，甚至導致細胞壞死態(tài)上的病變，甚至導致細胞壞死。Cd Hg Pb As Be體重70kg的人體中元素的平均含量元素元素含量含量/g/g人人1 1元素元素含量含量/g

7、/g人人1 1H6580Cl115C12590Fe6N1815Zn12O43550Mn1P680Mo1S100Co1Na70Cu1K250Ni1Mg42I1Ca1700O, C, H, N, P, +S, Ca, Na,K, Cl, MgFe, Zn, Cu, V, Cr.Bulk Elements： 11種，它們構(gòu)成人體總重量的種，它們構(gòu)成人體總重量的99.95%。其中主族元素是蛋白質(zhì)、糖、核。其中主族元素是蛋白質(zhì)、糖、核酸等生命物質(zhì)的基本材料。酸等生命物質(zhì)的基本材料。Trace Elements： 它們在生物體內(nèi)的含量小于它們在生物體內(nèi)的含量小于0.05%，但卻起著重要的作用。，但卻起著重

8、要的作用。不同的金屬離子與蛋白結(jié)合不同的金屬離子與蛋白結(jié)合蛋白質(zhì)及肽蛋白質(zhì)及肽酶酶水解酶水解酶羧肽酶羧肽酶(Zn)(Zn)氨肽酶氨肽酶(Mg, Zn)(Mg, Zn)磷酸脂酶磷酸脂酶(Mg, Zn, Cu)(Mg, Zn, Cu)氧還酶氧還酶氧化酶氧化酶(Fe, Cu, Mo)(Fe, Cu, Mo)羥化酶羥化酶(Fe, Cu)(Fe, Cu)超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶(Cu, Zn, Mn)(Cu, Zn, Mn)異構(gòu)酶及合異構(gòu)酶及合成酶的輔酶成酶的輔酶維生素維生素B B1212輔酶輔酶(Co)(Co)調(diào)節(jié)蛋白和調(diào)節(jié)肽調(diào)節(jié)蛋白和調(diào)節(jié)肽鈣調(diào)蛋白鈣調(diào)蛋白(Ca)(Ca)人血漿促生長因子人血漿促

9、生長因子(Cu)(Cu)鋅指蛋白鋅指蛋白(Zn)(Zn)運送及儲存蛋白運送及儲存蛋白電子載體電子載體細胞色素細胞色素(Fe)(Fe)鐵硫蛋白鐵硫蛋白(Fe)(Fe)藍銅蛋白藍銅蛋白(Cu)(Cu)金屬儲存金屬儲存及運送蛋白及運送蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白鐵蛋白鐵蛋白(Fe)(Fe)運鐵蛋白運鐵蛋白(Fe)(Fe)金屬硫蛋白金屬硫蛋白(Cu,(Cu,Zn, Hg, Cd.)Zn, Hg, Cd.)膠原蛋白膠原蛋白(Ca)(Ca)載氧蛋白載氧蛋白血紅蛋白血紅蛋白(Fe)肌紅蛋白肌紅蛋白(Fe)血藍蛋白血藍蛋白(Cu)血釩蛋白血釩蛋白(V)碳酸酐酶碳酸酐酶金屬離子與核酸作用金屬離子與核酸作用金屬離子會

10、使金屬離子會使DNA熔點升高。金屬離子和熔點升高。金屬離子和DNA 的磷酸結(jié)合，使帶負電的磷酸結(jié)合，使帶負電的磷酸基之間的排斥作用減弱，穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)。的磷酸基之間的排斥作用減弱，穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)。金屬離子與生物小分子作用金屬離子與生物小分子作用生物小分子生物小分子 光敏氧化物質(zhì)光敏氧化物質(zhì)葉綠素葉綠素(Mg)(Mg)無機硬組織無機硬組織骨及軟骨骨及軟骨(Ca, P, Si)(Ca, P, Si)離子載體離子載體纈氨霉素纈氨霉素(K(K+ +) ) 離子霉素離子霉素 (Ca(Ca2+2+) ) 生命必需無機元素在生物體中的主要生理功能生命必需無機元素在生物體中的主要生理功能n催化作用催化作用 已

11、知眾多的酶中，大約已知眾多的酶中，大約1/31/3涉及金屬元素涉及金屬元素 n結(jié)構(gòu)作用結(jié)構(gòu)作用 穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)、維持蛋白質(zhì)特定構(gòu)象穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)、維持蛋白質(zhì)特定構(gòu)象 n調(diào)控作用調(diào)控作用 堿金屬和堿土金屬離子在生物體內(nèi)調(diào)控堿金屬和堿土金屬離子在生物體內(nèi)調(diào)控 作用；且離子流可通過細胞膜和各種界作用；且離子流可通過細胞膜和各種界 面?zhèn)鬟f信息面?zhèn)鬟f信息n輸運作用輸運作用 某些含金屬元素的生物大分子是電子、某些含金屬元素的生物大分子是電子、 雙氧的載體雙氧的載體 Bertrand定則-最適宜濃度定律最適宜濃度定律n每一種元素，在生物體內(nèi)都有一個安全的最佳每一種元素，在生物體內(nèi)都有一個安全的最佳濃度范圍。

12、濃度范圍。n元素濃度超過一定界限后，不管是哪種元素都元素濃度超過一定界限后，不管是哪種元素都是潛在的有害元素。是潛在的有害元素。體內(nèi)元素濃度生物效應關(guān)系圖體內(nèi)元素濃度生物效應關(guān)系圖元素濃度元素濃度有益生物效應有益生物效應 缺乏缺乏 適合適合 中毒中毒 死亡死亡微量生命必需元素含量異常對哺乳動物的影響微量生命必需元素含量異常對哺乳動物的影響元素元素不足的影響不足的影響過量的影響過量的影響Zn侏儒病，發(fā)育不全，皮炎侏儒病，發(fā)育不全，皮炎貧血癥貧血癥Ca畸形骨骼，手足抽筋畸形骨骼，手足抽筋動脈粥樣硬化，膽結(jié)石動脈粥樣硬化，膽結(jié)石Fe貧血癥貧血癥擴尿癥，鐵塵擴尿癥，鐵塵Mg驚厥驚厥麻木麻木Cu貧血癥，

13、頭發(fā)卷曲或褪色貧血癥，頭發(fā)卷曲或褪色黃疸，威爾遜氏病癥黃疸，威爾遜氏病癥Co貧血癥貧血癥心力衰竭，紅細胞增加心力衰竭，紅細胞增加V血性膽固醇降低血性膽固醇降低生長減弱生長減弱有毒元素過量對哺乳動物的影響有毒元素過量對哺乳動物的影響元素元素過量的影響過量的影響B(tài)e吸入引起肺癌吸入引起肺癌Hg腦炎，神經(jīng)炎腦炎，神經(jīng)炎Sb心臟病心臟病Pb貧血癥，腦損傷，腎癌貧血癥，腦損傷，腎癌Cd高血壓高血壓有毒元素元素濃度元素濃度有益生物效應有益生物效應可耐受可耐受 中毒中毒 死亡死亡國際生物無機化學會議國際生物無機化學會議（ICBIC）簡介簡介 ICBIC 1970年年 美國美國 無機化學與模型研究方法無機化學

14、與模型研究方法ICBIC0 1976年年 英國英國 無機化學和生物交叉地帶發(fā)展無機化學和生物交叉地帶發(fā)展ICBIC1 1983年年 意大利意大利 ICBIC2 1985年年 葡萄牙葡萄牙ICBIC3 1987年年 荷蘭荷蘭ICBIC4 1989年年 美國美國ICBIC5 1991年年 英國英國 金屬識別、儲存、輸送和組裝金屬識別、儲存、輸送和組裝ICBIC6 1993年年 美國美國 固氮酶的分子結(jié)構(gòu)以及自然界固氮酶的分子結(jié)構(gòu)以及自然界 N2轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镹H3的功能及其機理的功能及其機理ICBIC7 1995年年 德國德國 金屬離子對基因調(diào)節(jié)影響金屬離子對基因調(diào)節(jié)影響International-

15、Conference-on-Biological-Inorganic-ChemistryICBIC8 1997年年 日本日本 丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺ICBIC9 1999年年 美國美國 ICBIC10 2001年年 意大利意大利 中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生物無機化學中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生物無機化學ICBIC11 2003年年 澳大利亞澳大利亞 金屬離子在細胞的交通圖，金屬離子在細胞的交通圖， 以及許以及許 多交通干線的劃分多交通干線的劃分 和金屬離子的走向和金屬離子的走向ICBIC12 2005年年 美國美國ICBIC13 2007年年 奧地利奧地利ICBIC14 2009年年 日本

16、日本ICBIC15 2011 Vancouver, CanadaICBIC16 2013 Grenoble, FranceICBIC17 2015.07 Beijing, China國際應用生物無機化學國際應用生物無機化學學術(shù)討論會（學術(shù)討論會（ISABC）簡介）簡介 ISABC1 1990年年 武漢武漢 金屬藥物和抗癌藥金屬藥物和抗癌藥ISABC2 1992年年 廣州廣州 生物礦化和生物材料生物礦化和生物材料ISABC3 1994年年 澳大利亞澳大利亞 利用生物電子轉(zhuǎn)移利用生物電子轉(zhuǎn)移 設計制作生物傳感器設計制作生物傳感器ISABC4 1997年年 南非南非 環(huán)境生物無機化學環(huán)境生物無機化學

17、ISABC5 1999年年 希臘希臘 地中海貧血地中海貧血International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry ISABC6 2001年年 英國英國ISABC7 2003年年 墨西哥墨西哥ISABC8 2004年年 香港香港 小分子修飾使蛋白小分子修飾使蛋白 酶功能改變和關(guān)閉酶功能改變和關(guān)閉ISABC9 2006年年 阿根廷阿根廷 ISABC10 2009年年 匈牙利匈牙利ISABC11 2011年年 西班牙西班牙 巴塞羅那巴塞羅那ISABC12 2013年年 中國中國 廣州廣州ISABC13 2015年年 愛爾蘭愛爾蘭 Galwa

18、y王夔王夔計亮年計亮年倪嘉纘倪嘉纘 生物無機化學家，中科院院士血紅蛋白血紅蛋白(Hemoglobin)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)結(jié)合氧的部位結(jié)合氧的部位血紅素輔基血紅素輔基第第5個部位來個部位來自蛋白的第自蛋白的第93位位His血紅素中血紅素中Fe的配位的配位egtg2egtg2肌紅蛋白肌紅蛋白(Myoglobin)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)帶有咪唑基的游離帶有咪唑基的游離血紅素與血紅素與CO結(jié)合結(jié)合肌紅蛋白與肌紅蛋白與CO形成的復合物形成的復合物氧合肌紅蛋白氧合肌紅蛋白CO對對Fe的親和力遠遠高于氧！的親和力遠遠高于氧！葉綠素葉綠素在自然界中，在自然界中，維生素維生素B B1 21 2常常以 輔 酶 的 形以 輔 酶

19、的 形式 存 在 ， 是式 存 在 ， 是最 主 要 的 輔最 主 要 的 輔酶之一。酶之一。VBVB1212對 維 持 肌 體對 維 持 肌 體正 常 生 長 以正 常 生 長 以及 紅 細 胞 的及 紅 細 胞 的產(chǎn) 生 都 是 極產(chǎn) 生 都 是 極其重要的。其重要的。 鑒于生物無機化學正處于向前發(fā)展的鑒于生物無機化學正處于向前發(fā)展的階段，并迅速向各方面滲透，對其研究內(nèi)階段，并迅速向各方面滲透，對其研究內(nèi)容，目前只能作一大致概括容，目前只能作一大致概括 。主要有：。主要有：生物無機化學研究的內(nèi)容生物無機化學研究的內(nèi)容 (1). 金屬離子及其化合物與生物大分子的相互作用金屬離子及其化合物與生

20、物大分子的相互作用n與核酸、核苷酸的相互作用 金屬離子對DNA構(gòu)象的影響；金屬離子特別是金屬配合物對不同構(gòu)型DNA選擇性的結(jié)合。(2).金屬蛋白和金屬酶化學結(jié)構(gòu)與功能的研究金屬蛋白和金屬酶化學結(jié)構(gòu)與功能的研究（a）金屬離子的成鍵位置（b）活性中心周圍微環(huán)境（c） 蛋白鏈在保證金屬離子正常工作的貢獻（d） 蛋白鏈與底物的結(jié)合方式(3). 電子傳遞反應電子傳遞反應n生命過程的核心是能量傳遞，而能量傳遞的中心過程是電子傳遞。生物體內(nèi)電子傳遞與化學反應中的電子傳遞有著重要的區(qū)別；n研究生物介質(zhì)的中長程電子傳遞是生物無機化學的一個重要方向。 (4). 生物礦化生物礦化n自然界中，無論是細菌、微生物，還是

21、植物、動物，都可以在體內(nèi)形成礦物，稱為生物礦物材料（骨、牙、軟骨、軟體動物外骨骼、蛋殼等）。它們是礦物與基質(zhì)構(gòu)成的復合材料，其高度的裝配有序性、特殊的理化性質(zhì)、可控的動態(tài)性質(zhì)和特殊的生物功能都引起人們的關(guān)注。n研究生物礦化這一生物無機化學基本反應，有望在醫(yī)學和新材料的應用方面取得突破。(5).(5).金屬離子與細胞相互作用的研究金屬離子與細胞相互作用的研究n是金屬攝入、轉(zhuǎn)運、分布以及它們的生物效應的化學基礎；n是解釋生物效應的分子機理的必需。n細胞復雜的反應體系：組分、多物種、多反應、反應物定位。n事實上，生物化學所研究的所有生物分子都只存在于細胞內(nèi)。n硒硒：地方性疾病克山病克山病心臟損傷性疾病大骨節(jié)病大骨節(jié)病慢性對稱性畸形骨關(guān)節(jié)病(6)(6). 探討常見的疾病的發(fā)病與某些金屬元素與非金屬元素之間的關(guān)系，研究調(diào)節(jié)和控制這些元素來防止病變的發(fā)生。一些在藥用上有較大價值的元素釩一些在藥用上有較大價值的元素釩： (7).(7).合成新藥合成新藥 合成抗癌藥物，抗艾滋病藥物，研