西北大學(xué)生物無機(jī)化學(xué)優(yōu)秀課件

1、1第第2 2章章 與生物無機(jī)研究有關(guān)的配位化學(xué)原理與生物無機(jī)研究有關(guān)的配位化學(xué)原理 熱力學(xué)要點(diǎn)熱力學(xué)要點(diǎn) 動(dòng)力學(xué)要點(diǎn)動(dòng)力學(xué)要點(diǎn) 生物體中金屬離子的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)生物體中金屬離子的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu) 配合物中配體的反應(yīng)性配合物中配體的反應(yīng)性 模型配合物和自組裝概念模型配合物和自組裝概念 22.1 熱力學(xué)要點(diǎn)熱力學(xué)要點(diǎn) 軟硬酸堿概念 螯合作用和Irving-Williams序列 配體的pKa值 氧化還原電位的調(diào)節(jié) 生物高分子的作用31.1.軟硬酸堿概念軟硬酸堿概念軟：體積大且易被極化硬：體積小且不易被極化硬酸親硬堿，軟酸親軟堿如：Ca2易和羧基上氧原子結(jié)合， ，F(xiàn)e3易和羧酸根或酚基氧配位，C

2、u2易和組氨酸的氮配位。4金屬硫蛋白是一種富含半胱氨酸的低分子量蛋白質(zhì)，分子量600010000，它的一個(gè)生物功能是保護(hù)細(xì)胞，在這類小分子蛋白中，幾乎3035的氨基酸是半胱氨酸殘基，其巰基最容易結(jié)合軟金屬離子，如Cd2+,Hg2+,Pb2+,Tl+，以防止等金屬離子的毒害作用。52. 螯合作用和Irving-Williams序列 EDTA是一個(gè)常見螯合劑，可用于醫(yī)藥上螯合活體中存在的過量毒性金屬，也可以用作食品添加劑，螯合必須元素，限制細(xì)菌對(duì)它的利用，從而防治食物腐敗。 生物體中存在的卟啉、咕啉是螯合配體的例子，能螯合不同氧化態(tài)的多種金屬離子，這些螯合單元提供了在生物中廣泛存在、能被利用的生物

3、無機(jī)功能基團(tuán)，細(xì)胞色素（Fe）、葉綠素（Mg）和維生素B12（Co）就是其中的幾例。6CH3SCHCH3CH3CHCH3SCH2CH2CH2CH2COOHCOOHH3CH3CFeNNNN血紅素血紅素c維生素維生素B12EDTA7Ca2Mg2Mn2Fe2Co2Ni2Zn2Irving-Williams序列是生物無機(jī)化學(xué)研究另一個(gè)常用無機(jī)化學(xué)原理。83. 配體的pKa值生物體中大部分金屬離子的正電荷，對(duì)結(jié)合于配位層的質(zhì)子配體的酸性陰離子（共軛堿）起穩(wěn)定作用。H2O + M2+- H+ H+M-OH+-logK(25oC,0.1mol/L)無 14.0 Ca2+ 13.4Mn2+ 11.1Cu2+

4、10.7Zn2+ 10.0M2+9配位水脫質(zhì)子生成羥基配體，是幾種金屬酶催化水解機(jī)理中所假定的一個(gè)步驟。兩個(gè)或幾個(gè)金屬離子與一個(gè)質(zhì)子配體的配位，甚至?xí)筽Ka值驚人地降低。Fe3+ + H2OFe(OH)2+ + H+2Fe3+ + 2H2OFe2(OH)24+ + 2H+Fe(OH)2+ + H+Fe(OH)2+ + H2OFe(OH)2+ + H2OFe(OH)3 + H+Fe(OH)3 + H2OFe(OH)4- + H+pKa=2.2pKa=2.9pKa=3.5pKa=6pKa=1010這說明了如果沒有配體的支撐，水合鐵（這說明了如果沒有配體的支撐，水合鐵（III）離）離子以及許多其它

5、金屬離子配合物都不能在子以及許多其它金屬離子配合物都不能在7左右左右的生理的生理pH下存在。其他質(zhì)子生物配體的二聚或多下存在。其他質(zhì)子生物配體的二聚或多聚金屬離子相當(dāng)普遍的存在著。如，在鐵硫蛋白聚金屬離子相當(dāng)普遍的存在著。如，在鐵硫蛋白中發(fā)現(xiàn)三橋聯(lián)的中發(fā)現(xiàn)三橋聯(lián)的3硫三鐵單元，在牛紅血球超硫三鐵單元，在牛紅血球超氧化物歧化酶中發(fā)現(xiàn)橋聯(lián)氧化物歧化酶中發(fā)現(xiàn)橋聯(lián)咪唑基銅（咪唑基銅（II）鋅（鋅（II）。）。114. 氧化還原電位的調(diào)節(jié)改變金屬中心的配位原子和立體化學(xué)，能使電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的電位發(fā)生很大變化。配合物配合物E1/2/VCu(O-sal)2en-1.21Cu(Me-sal)2-0.90Cu(E

6、t-sal)2-0.86Cu(S-sal)2en-0.83Cu(i-Pr-sal)2-0.73Cu(t-Bu-sal)-0.66在Cu(O-sal)2en中引入大的R基團(tuán)，配合物幾何構(gòu)型由平面四方向四面體畸變，從而使電位提高； Cu(S-sal)2en中的S時(shí)軟配體，易和Cu(I)結(jié)合，從而也提高了Cu(I)/Cu(II)的還原電位。12配體的類型和立體化學(xué)對(duì)Cu(I)/Cu(II)電位的影響，在某些含銅的蛋白質(zhì)中也表現(xiàn)出同樣的影響。在這里，高氧還電位的獲得，是蛋白質(zhì)用2個(gè)組氨酸的咪唑基和一個(gè)半胱氨酸的巰基側(cè)鏈為配體，通過配位幾何構(gòu)型向平面三角形畸變來實(shí)現(xiàn)的。有時(shí)，盡管殘基對(duì)金屬不一定是配位關(guān)

7、系，但是電位還會(huì)受金屬離子周圍殘基具有的局部介電常數(shù)影響，這一現(xiàn)象和簡(jiǎn)單配合物中溶劑對(duì)氧化還原電位的影響類似。135. 生物高分子的作用在生物環(huán)境中，金屬中心的熱力學(xué)穩(wěn)定性，不僅由金屬內(nèi)在的對(duì)某一氧化態(tài)的傾向性、配體組合和配位幾何構(gòu)型所決定，而且也由生物高分子通過它們的三維結(jié)構(gòu)、控制立體化學(xué)及提供配體的能力所決定。非配體的殘基對(duì)某些影響因素也有貢獻(xiàn)：局部的親水性或曾水性、配位部位的空間位阻、能與金屬配位層中成鍵或非鍵原子相互作用以提高或降低穩(wěn)定性的氫鍵基團(tuán)等。真正想了解金屬在生物體中的功能如何，必須對(duì)金屬和核酸及蛋白質(zhì)鍵合時(shí)的種種因素加以闡明。14自然界中最有效的螯合劑可能是能折疊的蛋白質(zhì)鏈，

8、它能給金屬中心提供所需立體化學(xué)環(huán)境各種取向的氨基酸殘基配體。如，牛紅血球超氧化酶歧化酶(Cu2Zn2SOD)中的鋅結(jié)合部位，當(dāng)透析脫金屬后，這一結(jié)合部位還是特定的。Cu(II)占據(jù)Zn(II)位置，生成Cu2Cu2SOD，但過量的Zn（II）還可以反過來取代Cu(II)，這說明，鋅在這一部位有重要的功能，這一特定部位能以某種方式，確保必需金屬離子的特殊作用。152.2 動(dòng)力學(xué)要點(diǎn)動(dòng)力學(xué)要點(diǎn) 配體交換速率 取代反應(yīng) 電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)161. 配體交換速率第一過渡系除了第一過渡系除了Cr3+、Co3+，其他金屬離子的水交，其他金屬離子的水交換速率都非?？?。一般低電荷金屬離子比高電荷金屬換速率都非常快。

9、一般低電荷金屬離子比高電荷金屬離子與配體交換速率快，第二、第三過渡系金屬配合離子與配體交換速率快，第二、第三過渡系金屬配合物與第一過渡系同族對(duì)應(yīng)配合物相比，動(dòng)力學(xué)惰性要物與第一過渡系同族對(duì)應(yīng)配合物相比，動(dòng)力學(xué)惰性要大的多。如，當(dāng)順鉑大的多。如，當(dāng)順鉑Pt(NH3)2Cl2通過失去配體通過失去配體Cl-和和DNA結(jié)合后，即使長時(shí)間透析這一含鉑的生物高結(jié)合后，即使長時(shí)間透析這一含鉑的生物高分子，鉑也不能被交換出來。分子，鉑也不能被交換出來。當(dāng)和螯合配體結(jié)合時(shí)，第一過渡系金屬離子的配體交當(dāng)和螯合配體結(jié)合時(shí)，第一過渡系金屬離子的配體交換速率明顯減小。如，金屬卟啉在動(dòng)力學(xué)上相當(dāng)惰性，換速率明顯減小。如，

10、金屬卟啉在動(dòng)力學(xué)上相當(dāng)惰性，但其軸向配體則能進(jìn)行通常的快速配體交換。但其軸向配體則能進(jìn)行通常的快速配體交換。17很多金屬卟啉中包含鍵合很強(qiáng)的金屬離子，即使很多金屬卟啉中包含鍵合很強(qiáng)的金屬離子，即使長時(shí)間進(jìn)行對(duì)抗強(qiáng)螯合配體的透析，其中的金屬長時(shí)間進(jìn)行對(duì)抗強(qiáng)螯合配體的透析，其中的金屬離子也不能和游離金屬離子交換。由于蛋白質(zhì)的離子也不能和游離金屬離子交換。由于蛋白質(zhì)的空間屏蔽作用，通常導(dǎo)致溶劑無法金屬離子配位空間屏蔽作用，通常導(dǎo)致溶劑無法金屬離子配位層，形成了這些蛋白質(zhì)核心的動(dòng)力學(xué)惰性，如果層，形成了這些蛋白質(zhì)核心的動(dòng)力學(xué)惰性，如果蛋白質(zhì)由于加熱或添加某一溶劑（如蛋白質(zhì)由于加熱或添加某一溶劑（如DM

11、SO）使）使其變性，則金屬常能釋放出來。其變性，則金屬常能釋放出來。182. 取代反應(yīng)金屬離子配位層中的一個(gè)配體被另一個(gè)配體所取金屬離子配位層中的一個(gè)配體被另一個(gè)配體所取代，可以有締合或解離代，可以有締合或解離2種途徑。配位數(shù)低的金屬種途徑。配位數(shù)低的金屬離子傾向于進(jìn)行締合機(jī)制的配體取代反應(yīng)，配位離子傾向于進(jìn)行締合機(jī)制的配體取代反應(yīng)，配位數(shù)高的則采取解離的途徑。發(fā)生在蛋白質(zhì)或核酸數(shù)高的則采取解離的途徑。發(fā)生在蛋白質(zhì)或核酸鍵合的金屬中心的取代反應(yīng)則復(fù)雜的多，其原因鍵合的金屬中心的取代反應(yīng)則復(fù)雜的多，其原因是進(jìn)入的配體與金屬中心附近的基團(tuán)的相互作用，是進(jìn)入的配體與金屬中心附近的基團(tuán)的相互作用，以及

12、這些反應(yīng)的偶合改變了大分子的構(gòu)象。以及這些反應(yīng)的偶合改變了大分子的構(gòu)象。193. 電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移到過渡金屬離子，或從過渡金屬離子轉(zhuǎn)移出來，可以用內(nèi)界機(jī)理和外界機(jī)理2種反應(yīng)途徑來描述。內(nèi)界電子轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)，是存在一個(gè)或多個(gè)直接與反應(yīng)物配位層相連的橋式配體。如Co(NH3)5Cl2+ Cr(H2O)62+Co(H2O)62+ Cr(H2O)5Cl2+ + 5NH4+5H+20外界電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)理中，兩個(gè)氧化還原對(duì)相互接外界電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)機(jī)理中，兩個(gè)氧化還原對(duì)相互接近，并和它們所締合的溶劑分子形成所謂的近，并和它們所締合的溶劑分子形成所謂的“前驅(qū)前驅(qū)配合物配合物”，這樣，電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)并沒有伴隨氧化

13、劑，這樣，電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)并沒有伴隨氧化劑和還原劑配位層之間的配體交換。和還原劑配位層之間的配體交換。我們至今還不知道涉及一對(duì)金屬蛋白間的內(nèi)界電子我們至今還不知道涉及一對(duì)金屬蛋白間的內(nèi)界電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。雖然這樣的內(nèi)界機(jī)理不能完全排除，但轉(zhuǎn)移反應(yīng)。雖然這樣的內(nèi)界機(jī)理不能完全排除，但要形成必需的橋聯(lián)配體過渡態(tài)，蛋白質(zhì)的空間位阻要形成必需的橋聯(lián)配體過渡態(tài)，蛋白質(zhì)的空間位阻是很難克服的。金屬蛋白分子間或分子內(nèi)存在金屬是很難克服的。金屬蛋白分子間或分子內(nèi)存在金屬中心，而金屬中心之間的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)是目前極受中心，而金屬中心之間的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)是目前極受關(guān)注的課題。長程電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)能以相當(dāng)大的速率關(guān)注的課題。長程電

14、子轉(zhuǎn)移反應(yīng)能以相當(dāng)大的速率（10 s-1），在高達(dá)），在高達(dá)3nm的距離內(nèi)發(fā)生。的距離內(nèi)發(fā)生。212.3 生物體中金屬離子的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)生物體中金屬離子的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)配位數(shù)配位數(shù)3：平面三角，三角錐，：平面三角，三角錐，T形形配位數(shù)配位數(shù)4：平面四方，四面體：平面四方，四面體配位數(shù)配位數(shù)5：四方錐，三角雙錐：四方錐，三角雙錐配位數(shù)配位數(shù)6：八面體：八面體22配合物配合物d軌道配位場(chǎng)分裂圖軌道配位場(chǎng)分裂圖232.4 配合物中配體的反應(yīng)性配合物中配體的反應(yīng)性v 中心金屬離子具有改變配體對(duì)外界底物反應(yīng)性中心金屬離子具有改變配體對(duì)外界底物反應(yīng)性的能力；的能力；v 配位后，配體酸性通常增強(qiáng)，易發(fā)生水解；配位后，配體酸性通常增強(qiáng)，易發(fā)生水解；v 中心金屬離子具有模板效應(yīng)，促使反應(yīng)物在其中心金屬離子具有模板效應(yīng)，促使反應(yīng)物在其周圍排列縮合生成配體。周圍排列縮合生成配體。242.5 模型配合物和自組裝概念模型配合物和自組裝概念模型配合物：復(fù)制模型、推測(cè)模型1978年，IUPAC在日本召開的仿生化學(xué)會(huì)議上，J.M.Lehn教授首次系統(tǒng)地