生物無機(jī)化學(xué)（自然科學(xué)門類）

生物無機(jī)化學(xué)（自然科學(xué)門類）自然科學(xué)門類01簡介發(fā)展歷程研究方向在中國的發(fā)展目錄03020405研究熱點(diǎn)研究方法類型目錄0706基本信息生物無機(jī)化學(xué)又稱生物配位化學(xué)。是無機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科的交叉領(lǐng)域，20世紀(jì)60年代以來逐步形成的。其研究對象是生物體內(nèi)的金屬（和少數(shù)非金屬）元素及其化合物，特別是痕量金屬元素和生物大分子配體形成的生物配合物，如各種金屬酶、金屬蛋白等。側(cè)重研究它們的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-生物活性之間的關(guān)系以及在生命環(huán)境內(nèi)參與反應(yīng)的機(jī)理。為便于研究，常用人工模似的方法合成具有一定生理功能的金屬配位化合物。簡介簡介生物無機(jī)化學(xué)又稱無機(jī)生物化學(xué)和生物配位化學(xué)。為生物化學(xué)和無機(jī)化學(xué)間的交叉學(xué)科。生物無機(jī)化學(xué)主要研究生物體內(nèi)存在的各種元素，尤其是微量金屬元素與體內(nèi)有機(jī)配體所形成的配位化合物的組成、結(jié)構(gòu)、形成、轉(zhuǎn)化，以及在一系列重要生命活動中的作用。生物體內(nèi)存在有鈉、鉀、鈣、鎂、鐵、銅、鉬、錳、鈷、鋅等十幾種元素，它們能與體內(nèi)存在的糖、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸等大分子配體和氨基酸、多肽、核苷酸、有機(jī)酸根、O2、Cl-、HCO3-等小分子配體形成化合物，主要是配位化合物。研究方向研究方向生物無機(jī)化學(xué)醞釀于20世紀(jì)50年代，誕生于60年代。在短短的半個世紀(jì)有了很大發(fā)展?；仡欉@段歷史對于人們今后如何開展生命科學(xué)中的化學(xué)問題研究頗有啟發(fā)。早在化學(xué)與生物學(xué)融合而又分化出生物化學(xué)的時候，就孕育著從生物化學(xué)中再分化的問題。生物化學(xué)研究的對象是各種生物功能分子，生物學(xué)家多注意功能，但是化學(xué)進(jìn)入這個領(lǐng)域之后，注意結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。當(dāng)時最為直接的結(jié)構(gòu)測定方法是x-射線晶體結(jié)構(gòu)分析，而獲得生物大分子單晶是一個難題。當(dāng)Perutz因其對肌紅蛋白和血紅蛋白的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理研究而獲得諾貝爾化學(xué)獎時生物無機(jī)化學(xué)就開始萌芽。于是在生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)之間開始結(jié)合，產(chǎn)生了一個以測定生物功能分子結(jié)構(gòu)和闡明作用機(jī)理為內(nèi)容的新領(lǐng)域。與此同時，在生物化學(xué)深入到涉及金屬離子的生物過程時，必然地與當(dāng)時正在迅速發(fā)展起來的配位化學(xué)結(jié)合。原來研究溶液配位化學(xué)的主要學(xué)者均紛紛研究生物配體和金屬離子的溶液化學(xué)。R.ams，nD.Perrin，mirskh，ams等等先后進(jìn)人這個領(lǐng)域，使之成為生物無機(jī)化學(xué)的另外一個分支。到后來人們認(rèn)為，晶體結(jié)構(gòu)與生物介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)未必相同，應(yīng)該研究溶液中的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象。恰在此時，核磁共振技術(shù)大發(fā)展，為研究生物大分子的溶液結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。于是開拓了結(jié)構(gòu)化學(xué)和溶液化學(xué)結(jié)合、探索含金屬生物大分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的新領(lǐng)域。生物無機(jī)化學(xué)的另外一個分支是通過合成模型化合物或結(jié)構(gòu)修飾研究結(jié)構(gòu)-機(jī)理關(guān)系，它是合成化學(xué)介人生物無機(jī)化學(xué)的結(jié)果。這三個分支構(gòu)成了延續(xù)30多年的生物無機(jī)化學(xué)的主流。發(fā)展歷程發(fā)展歷程1970年，在美國Virginia州舉行了國際生物無機(jī)化學(xué)討論會，僅19篇報(bào)告，并由匯編“生物無機(jī)化學(xué)”。1971年，美國著名化學(xué)家zer主編的雜志BioinorganicChemistry創(chuàng)刊，1979年更名為J.InorganicBioChemistry1995年，r和I.Betini再次發(fā)起成立國際生物無機(jī)化學(xué)學(xué)會（TheSocietyofBiologicalInorganicChemistry）并于1996年出版會刊“J.ofBiologicalInorganicChemistry”JBIC”，僅僅幾年時間該刊已躍居國際上最有影響的刊物之一。1983年起，由I.Bertini，，B.G．MalmstromandH.Sigel組成生物無機(jī)化學(xué)國際會議組織委員會，決定每兩年召開一次會議。Advancesinbioinorganicchemistrysincethe1970shavebeendrivenbythreefactors:*Rapiddeterminationofhigh-resolutionstructureofproteinsandotherbiomolecules;*Utilizationofpowerfulspectroscopictoolsforstudiesofbothstructuresanddynamics;*Thewidespreaduseofmacromolecularengineeringtocreatenewbiologicallyrelevantstructures.在中國的發(fā)展在中國的發(fā)展生物無機(jī)化學(xué)生物無機(jī)化學(xué)的蘊(yùn)生和發(fā)展差不多經(jīng)歷了半個世紀(jì)，而作為一個獨(dú)立學(xué)科的建立，卻是1969年以來的事情，通常人們把國際期刊JournalofInorganicBiochemistry的創(chuàng)立（1971年）作為標(biāo)志。眾所周知，這個學(xué)科是在無機(jī)化學(xué)和生物學(xué)的相互交叉、滲透中發(fā)展起來的一門邊沿學(xué)科。它的基本任務(wù)是從現(xiàn)象學(xué)上以及從分子、原子水平上研究金屬與生物配體之間的相互作用。而對這種相互作用的闡明有賴于無機(jī)化學(xué)和生物學(xué)兩門學(xué)科水平的高度發(fā)展。由于應(yīng)用理論化學(xué)方法和近代物理實(shí)驗(yàn)方法研究物質(zhì)（包括生物分子）的結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和分子能級的飛速進(jìn)展，使得揭示生命過程中的生物無機(jī)化學(xué)行為成為可能，生物無機(jī)化學(xué)正是這個時候作為一門獨(dú)立學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。生物無機(jī)化學(xué)在中國較早就有一些不同學(xué)科的研究者在如生物礦化等方面開展工作；但是作為一門學(xué)科的出現(xiàn)，似應(yīng)以全國第一次生物無機(jī)化學(xué)會議（1984年，武漢）的召開為標(biāo)志?？傊瑥?0年代初，中國從事不同學(xué)科的化學(xué)家順應(yīng)國際上這一新學(xué)科的發(fā)展，不少人紛紛轉(zhuǎn)到生物無機(jī)這塊園地進(jìn)行耕耘。研究熱點(diǎn)研究熱點(diǎn)·金屬蛋白和金屬酶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)·金屬離子及其配合物與生物大分子的作用研究金屬作為DNA探針，與DNA定位結(jié)合，DNA定位切割—金屬核酸酶DNA分子光開關(guān)基因芯片DNA生物傳感器DNA計(jì)算機(jī)生物礦物電子傳遞反應(yīng)生命過程的核心問題之一是能量轉(zhuǎn)換（如呼吸和光合作用），而能量轉(zhuǎn)換的中心過程是電子傳遞，因此在蛋白質(zhì)和核酸介質(zhì)中長程電子傳遞（long-rangeelectrontransfer）是近幾年來生物無機(jī)化學(xué)研究的熱門課題之一。DNA究竟是一根分子導(dǎo)線還是絕緣體，是邇來激烈爭論的焦點(diǎn)。

類型金屬酶：離子載體葉綠素類型金屬酶：生物無機(jī)化學(xué)許多金屬蛋白能催化體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，是生物體中的催化劑。金屬原子與蛋白質(zhì)結(jié)合較強(qiáng)的稱金屬酶，較弱的稱金屬激活酶。金屬酶中金屬原子常是活性中心的組成部分，如羧肽酶和碳酸酐酶都是鋅酶，前者能催化肽和蛋白質(zhì)分子羧端氨基酸的水解，后者能催化體內(nèi)代謝產(chǎn)生的二氧化碳的水合反應(yīng)。一系列的金屬酶還含其他金屬離子，許多氧化還原酶含價態(tài)可變的鐵、銅、鉬、鈷等過渡金屬元素，如固氮酶是含鐵、鉬原子的酶，由鐵蛋白和鐵鉬蛋白組成，在生物體中能催化氮合成氨的反應(yīng)。維生素B12和B12輔酶：生物無機(jī)化學(xué)維生素B12是鈷原子和可啉的配位化合物，鈷原子與可啉環(huán)中四個氮原子結(jié)合，在軸向又與連結(jié)于可啉環(huán)的一個核苷酸的苯并咪唑基相連，此外還與一個氰根配位。當(dāng)氰根被另一個腺苷基代替時，即為B12輔酶。B12對機(jī)體的正常生長和營養(yǎng)、細(xì)胞和紅細(xì)胞的生成以及神經(jīng)骨髓系統(tǒng)的功能有重要作用。B12的生理功能均以輔酶形式實(shí)現(xiàn)。葉綠素具有類似于卟啉環(huán)的結(jié)構(gòu)，含有鎂原子，其中鎂與環(huán)的四個氮原子結(jié)合。在植物光合作用中，葉綠素能起將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的作用。離子載體為一類能與堿金屬、堿土金屬等元素結(jié)合，生成脂溶性配位化合物，從而增大金屬離子透過生物膜可能性的物質(zhì)。離子載體有天然和合成的兩種：天然離子載體如纈氨酶素等，能使正常情況下不易通過線粒體內(nèi)膜的鉀離子得以順利通過；合成的離子載體主要為冠醚，如二苯并18-冠-6為環(huán)狀多醚，其中央空穴的大小，決定與金屬離子配位的選擇性。二苯并18-冠-6的堿金屬配位化合物的穩(wěn)定性有以下次序：K+>Na+>Cs+>Li+。研究方法研究方法生物無機(jī)化合物的模擬生物無機(jī)化學(xué)含金屬元素的生物無機(jī)化合物的功能常能用較簡單的金屬配合物或類似物來模擬，此種化合物稱模型化合物。模型化合物常具有被模擬體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或有一定的有關(guān)生物活性。通過模型化合物的研究，常能了解復(fù)雜的被模擬體系的結(jié)構(gòu)與其功能間的關(guān)系。例如，曾合成一系列籬笆式、帽式、尾巴堿式的血紅素，它們并無肽鏈，但能像血紅蛋白、肌紅蛋白一樣可逆地結(jié)合和放出氧分子。通過模型化合物的研究，了解到血紅素必須存在于疏水環(huán)境中，周圍的位阻效應(yīng)是保證血紅蛋白、肌紅蛋白可逆結(jié)合氧分子的條件，而其中的二價鐵必須具有不被氧化成三價的必要結(jié)構(gòu)因素。又如，通過對一系列銅與多肽配位化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究，了解到藍(lán)銅蛋白分子中銅原子周圍有扭曲的四面體配位，使藍(lán)銅蛋