《高等无机化学》课件.ppt

1、第8章 生物无机化学,掌握生物无机化学基本概念 掌握金属蛋白的分类及其作用 掌握仿生合成基本概念及原理 了解金属中毒的原因及解毒机理 了解金属离子在生命体中的作用 了解生物固氮的意义及方法,目标 (b) 置换了生物分子中必需的金属离子 例：Be()能置换Mg() 进入激酶, 但Be()不能使这些酶 具有生物活性; (c) 改变了大生物分子的活性构象, 生物大分子的功能发挥取决于其特定的构象, 而不适当的金 属离子可能改变甚至破坏这种构象。,2. 汞中毒,汞具有较高的蒸气压, 汞蒸气能被肺吸收, 溶解于血液中, 然后进入大脑, 对中枢神经造成不可逆转的伤害。 汞和汞的化合物在某些厌氧细菌的作用下

2、, 转变为(CH3)2Hg和CH3Hg+, 在鱼类和哺乳动物体内发现的汞化合物多为CH3HgX。 RHgCl能和细胞膜作用, 改变细胞膜的通透性, 破坏血红细胞。 汞对蛋白质和酶的作用, 是由于它和蛋白质中的半胱氨酸残基的巯基结合, 堵塞了酶的-SH基团, 抑制了SH-酶的活性. 汞中毒的病症是颤抖, 呆滞, 运动失调, 严重时死亡。 最严重的汞中毒病例发生在日本的水俣, 被称作”水俣病”, 是因为当地的渔民吃了含CH3HgCl的鱼, 患上了这种病。,3. 镉中毒,镉中毒主要来自镉金属和Cd() 盐以及它的螯合物, Cd()的毒性作用可能是因为Cd()和Zn() 性质相似, 可以在许多含锌酶中

3、取代锌, 从而抑制了含锌酶的活性. 如：碱性磷酸酯酶, 醇脱氢酶, 碳酸酐酶等含锌酶都可以因为镉的取代而失去活性. Cd()可以强烈地与蛋白质半胱氨酸残基的-SH结合, 抑制-SH-酶的活性。 由于Cd2+半径与Ca2+ 半径大小相近, 能取代骨骼中的Ca2+而引起骨痛病，但是饮食的性质可以影响镉的吸收, 当饮食中钙的含量低时, 在肝和肾中积累的镉含量比钙含量高50%,钙含量高时, 镉吸收少，说明镉的代谢和钙的代谢之间存在某种联系。,4. 铅中毒,Pb和Hg() , Cd()相似, 会抑制-SH酶的活性, 铅中毒的典型症状是贫血。这是由于卟啉的代谢过程出现混乱造成的。 铅实际上影响到血红素合成

4、的各个阶段, 常影响到铁嵌入卟啉环的过程。 工业中有机铅是一个重要的铅来源, 如汽油中的抗爆剂Et4Pb, 在体内会分解为无机Pb(), Pb()不仅影响卟啉的代谢过程, 而且还会在神经组织中积累起来, 伤害脑和神经, 尤其影响儿童的智力发展。,5. 铍中毒,铍已经成为一个环境污染的严重问题, 铍的毒性机制就是由于铍能够和Mg()竞争, 而且由于它具有更大的电荷/半径比值, 它的结合能力强于Mg()。有好几种酶的活性可被Be()抑制, 而且这种抑制一旦产生, 使用Mg()置换也难于失其再生, Be()也破坏DNA的合成, Be()特别容易在细胞核内积累, 抑制核分裂能力。,硒是有益身体健康的,

5、 因为它能阻止过氧化氢的氧化作用, 但是过量的硒会引起器官畸变. 如在饮食中每克食物中的硒含量若大于5g, 会引起肝坏死和肌肉营养不良症。 家畜吃了富硒的饲料会患家畜晕倒症(急性硒中毒). 但是, 如果每克食物中的硒含量为3g的日常剂量却又可以促进羊的生长。 金枪鱼体内的汞含量很高, 但观察不到金枪鱼有任何中毒现象, 同时发现金枪鱼体内的硒含量也非常高, 而且当动物食用金枪鱼肉时, 可以缓解汞中毒, 这说明硒的存在可以抑制汞的毒害作用.,6. 硒中毒,7. 铝中毒,铝的毒性主要来自它的高Z/r值, 因此它与硬的氧配体(磷酸盐)能形成比Ca2+, Mg2+离子更稳定的配合物, 如果让Al3+穿透

6、生物细胞, 它将是一个很强的毒素. 因为它干扰磷酸根离子正常的生理功能. 在生理pH条件下, 几乎所有溶解的Al3+ 都是以Al(OH)4- 形式存在, 作为一个带负电荷的物种, 不容易穿透生物膜, 也不象Al3+ 那样结合磷酸根离子. 因此, Al3+ 通常不穿透人体的关键性器官如大脑的细胞。 如果消化系统和排泄系统的正常保护机制遭到破坏, 则会造成Al3+ 离子可能在体内蓄积, 使骨骼败坏(骨骼软化症)和大脑受损(导致痴呆症)。 硅酸盐在生理pH条件下, 生成可溶性的铝硅酸盐而促进Al的排泄。 铝在人体中的吸收部位与钙相同, 主要位于小肠的上部, 其吸收可能与Ca2+竞争可溶性蛋白有关,

7、从而干扰Ca, P 的代谢, 铝的毒性主要表现在对神经, 骨骼和细胞遗传三个方面的毒害。,第二节 金属离子中毒和解毒,2.2 解毒方法及原理,1. 细菌解毒的几种机制,细菌发展了对有害离子(如Cd2+, Pb2+, Ag+, 汞及砷化物)的抵御能力, 包括用跨膜离子泵将这些离子运出细胞, 将它们氧化和还原成较大挥发性或较小毒性的物种, 或者利用简单配体, 蛋白质及细胞膜将这些离子结合或螯合除去等。,(a) 与外膜的结合作用 (b) 通过化学还原或甲基 化作用形成易挥发物 种 (c) 被配体或蛋白质结合 (d) 用离子通道运出细胞 外,细菌清除重金属的几种机制,酵母, 真菌, 高等植物以及动物体

8、内都含用来结合重金属的金属硫蛋白(MT), 它们是富含半胱氨酸的小分子蛋白, 它是参与铜, 锌体内平衡的重要蛋白质, 对于其它非必需金属来说, MT的作用是解毒, MT对金属吸收的顺序是： Zn() Pb() Cd() Cu(), Ag(), Hg(), Bi() MT同时在体内还起到协调锌铜含量的稳态调控的作用。研究表明, MT是在体内过量金属离子的诱导下合成的, 实验发现, 如果动物饲料中Cd2+, Cu2+, Zn2+的量增加, 则动物肝, 肾等器官中合成的MT的量也会增加。 如果事先给动物注射小剂量的有害金属Pb2+, 然后再注射大量Pb2+, 则不会发生中毒现象, 而一次性地注射大量

9、Pb2+, 则引起动物中毒。 原因是在少量Pb2+ 诱导下, 动物体内合成了一定量地MT, 起到了预防的作用, 增强了肌体抵御重金属离子毒性的机能。 MT所提供的生物体的自身解毒作用及某些元素对金属毒性的抗据作用是有限的。,2. 金属硫蛋白(MT)的解毒机理,3. 解毒剂的解毒原理,利用配位能力更强的配体将有害金属离子从其结合部位夺取下来, 形成更稳定的而且对生物体无害的配合物, 并且能够迅速排出体外。 同时, 一个有效的解毒剂还应满足药理学要求, 如较好的水溶性, 能抗代谢降解, 容易通过细胞膜, 与有毒金属生成的配合物容易排出体外等。,常见的几种重要的金属中毒解毒剂：,Lewis气 (Cl

10、-CH=CH-AsCl2)是一种气体有机砷化合物, 能引起人的肺及皮肤发生溃烂, 在第二次世界大战中被纳粹用作化学武器, BAL可以有效地解除其毒性, 此外, BAL还可以解除Hg, Au, Tl, Al中毒, 但对Pb的效果较差, BAL有较好的水溶性和脂溶性, 但选择性较差。,(a) 2,3-二巯基丙醇(BAL, 不列巅抗Lewis毒气剂),(b) 二巯基丁二酸钠,与BAL相似, 二巯基丁二酸钠也能与体内蛋白质和酶分子上的巯基竞争夺取重金属离子, 从而发挥解毒作用, 它对酒石酸锑钾的解毒效力是BAL的10倍, 而毒性仅为BAL的3.5%, 临床上用于治疗Sb, Pb, Hg, As 的中毒

11、和预防Cd, Co和Ni中毒。,D-青酶胺是青霉素水解生成的水溶性物质, 其结构是在半胱氨酸上附加两个甲基, D-青酶胺和N-乙酰-D-青酶胺分子中也含有形成螯合物的供体S, N, O, 能牢固地螯合Cu2+, Cr3+, Au+, Pb2+, Hg2+等重金属离子, 形成稳定而可溶性的配合物, 由尿排出。青酶胺能排除人体中过量的铜, 是治疗Wilson病的有效药物。,(c) D-青酶胺和N-乙酰-D-青酶胺,能和Be2+形成稳定的配合物, 是治疗铍中毒的有效解毒剂, 水杨酰胺(SAM)也具有同样的作用。,(d) 金精三羧酸(ATA),(e) 氨羧螯合剂 以EDTA为代表的氨羧螯合剂是成员最多

12、的解毒剂系列, 包括有乙二胺四乙酸(EDTA), 环己烷二胺四乙酸(CDTA), 二乙三胺五乙酸(DTPA), 三乙四胺六乙酸(TTHA), 双乙氨基硫醚四乙酸(BADS)等, 均用于治疗重金属中毒, 氨羧螯合剂因对多种金属离子具有强的螯合能力而著称, 但这同时也带来了副作用, 长期使用会导致人体内必须的金属离子的正常浓度的下降, 影响诸多金属酶的活性, 引起严重的后果。,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义 3.2 仿生合成的技术原理 3.3 仿生合成示例,3.1 仿生合成的发展及定义,l 仿生合成的发展及现状 l 仿生合成的定义 l 仿生合成材料,第三节 无机材料仿生合成

13、,3.1.1 仿生合成的发展及现状,3.1 仿生合成的发展及定义,早在几百万年前,自然界就已经形成了结构高度有序的无机-有机复合材料,例如牙床、骨骼、贝壳等。 20世纪中期，仿生合成的概念才被提出。 在当代，随着研究的深入,仿生合成的概念被应用于更 多的领域,仿生合成在开辟合成新型材料的途径方面的前景不可限量。,第三节 无机材料仿生合成,3.1.2 仿生合成的定义,3.1 仿生合成的发展及定义,仿生合成 (biomimetic synthesis) 也称：有机模板法(organic template approach) 模板合成(template synthesis),将生物矿化的机理引入无机

14、材料合成，以有机物的组装体为模板，去控制无机物的形成，制备具有独特显微结构特点的无机材料，使材料具有优异的物理和化学性能。,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,生物矿化,生物矿化是指在生物体内形成矿物质（生物矿物）的过程。,3.1.2 仿生合成的定义,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,生物矿化的特征,生物矿化区别于一般矿化的显著特征是它通过有机大分子和无机物离子在界面处的相互作用从分子水平控制无机矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的多级结构和组装方式。 生物矿化中，由细胞分泌的自组装的有机物对无机物的形成起模板作用，使无机矿物具有一定的形状、尺寸、取

15、向和结构。,3.1.2 仿生合成的定义,第三节 无机材料仿生合成,生物矿化的基本阶段,l 有机大分子预组织 l 界面分子识别 l 生长调制 l 细胞加工,3.1.2 仿生合成的定义,3.1 仿生合成的发展及定义,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,(1) 有机大分子预组织,在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境，该环境决定了无机物成核的位置。但在实际生物体内矿化中有机基质是处于动态的。,3.1.2 仿生合成的定义,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,3.1.2 仿生合成的定义,(2) 界面分子识别,在已形成的有机大分子组装体的控制下，无机物从溶液中在有机/

16、无机界面处成核。分子识别表现为有机大分子在界面处通过晶格几何特征、静电势相互作用、极性、立体化学因素、空间对称性和基质形貌等方面影响和控制无机物成核的部位、结晶物质的选择、晶型、取向及形貌。,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,3.1.2 仿生合成的定义,(3) 生长调制,无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元，同时形态、大小、取向和结构受到有机分子组装体的控制。,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,3.1.2 仿生合成的定义,(4) 细胞加工,在细胞参与下亚单元组装成高级的结构。 该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因。,第三节 无机材料仿

17、生合成,3.1.3 仿生合成材料,3.1 仿生合成的发展及定义,利用生物矿化或其他方法制备的类似生物矿物结构的，具有特殊的物理、化学性能的新型材料。,微米级仿生合成材料极好的隔热隔声材料; 纳米级精细孔结构的分子筛,可以根据粒子大小对细颗粒进行准确的分类,如筛选细菌与病毒; 仿生合成的磷灰石材料具有新骨组织构架,有望用于骨移植手术中。,第三节 无机材料仿生合成,3.2 仿生合成的技术原理,第三节 无机材料仿生合成,先形成有机物的自组装体，无机先驱物在自组装聚集体与溶液相的界面处发生化学反应，在自组装体的模板作用下，形成无机/有机复合体，将有机物模板去除后即得到有组织的具有一定形状的无机材料。,

18、3.2 仿生合成的技术原理,模板 在仿生合成技术中起到举足轻重的地位，模板的千变万化，是制备结构、性能迥异的无机材料的前提。 目前用作模板的物质主要是表面活性剂,因为它们在溶液中可以形成胶束、微乳、液晶和囊泡等自组装体。,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,l 纳米材料的仿生合成 l 薄膜和涂层的仿生合成 l 多孔材料的仿生合成 l 类生物矿物结构的无机仿生材料的合成,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.1 纳米材料的仿生合成,利用表面活性剂在溶液中形成反相胶束、微乳或囊泡（这相当于生物矿化中有机大分子的预组织）。,其内部的纳米级水相区域限制了无机物成核的位置和

19、空间（相当于纳米尺寸的反应器）。,目前已合成了半导体、催化剂和磁性材料的纳米粒子,如CdS、ZnS、Pt、Co、Al2O3和Fe3O4等。,在此反应器中发生化学反应即可合成出纳米微粒。,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.1 纳米材料的仿生合成,反胶束法合成一维无机纳米结构及其有序超结构,混合反胶束介质中合成的羽毛状BaWO4纳米线超结构,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.1 纳米材料的仿生合成,反胶束法合成一维无机纳米结构及其有序超结构,混合反胶束介质中合成的树状BaCrO4纳米带超结构,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.2 薄

20、膜和涂层的仿生合成,使基片表面带上功能性基团（表面功能化），然后浸入过饱和溶液，无机物在功能化表面上发生异相成核生长，从而形成薄膜或涂层。,仿生合成可以制备一定图案的膜和涂层。在基质表面沉积惰性的有机分子层,将该有机分子层用离子或电子刻蚀成一定图案，然后将刻蚀的区域表面功能化，使无机物从溶液中析出时仅在刻蚀区域沉积。,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.2 薄膜和涂层的仿生合成,带活性头基X的三氯硅烷在具有表面羟基的玻璃片上的自组装单层,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.2 薄膜和涂层的仿生合成,l 可以在低温下以低的成本获得材料 l 不用后续热处理就

21、可能获得致密的晶态膜 l 能够制备厚度均匀、形态复杂和多孔的膜 l 基体不受限制，包括塑料和其它温度敏感材料 l 微观结构易于控制 l 可以直接制备一定图案的膜,仿生合成薄膜和涂层的优点,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.3 多孔材料的仿生合成,多孔材料仿生合成的机理,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.3 多孔材料的仿生合成,聚合物-表面活性剂混合胶束模板法合成的空壳球状CaCO3粒子,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.3 多孔材料的仿生合成,鸡蛋壳膜模板法合成的具有多级结构的TiO2大孔网状材料,第三节 无机材料仿生合成,3.

22、3 仿生合成示例,3.3.3 多孔材料的仿生合成,l 孔尺寸可调 l 可以在低温下一步合成材料 l 可以制备一定形状的多孔材料,仿生合成多孔材料的优点,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.4 类生物矿物结构的无机仿生材料的合成,磷酸钙骨泥（Calciumphosphatecement，CPC） 又称自固化磷酸钙。 20世纪80年代中期，Brown和Chow首先发现了水化磷酸钙骨水泥，从而为磷酸钙在骨缺损方面的应用开辟了新的途径 CPC在1991年获得美国食品与药物管理局批准用于临床,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.4 类生物矿物结构的无机仿生材料的合

23、成,CPC是由固相和液相两种原料以一定的比例调成糊状后植入体内，在体内环境下自行固化的骨水泥。 化学成份 固相主要由各种磷酸钙盐组成，如磷酸四钙，磷酸三钙，磷酸二氢钙，无水磷酸氢钙等至少两种，一种偏酸性，一种偏碱性。 液相可以使蒸馏水，稀酸，血清，血液等,第三节 无机材料仿生合成,第四节 生物固氮,生物固氮： 在常温常压的温和条件下实现N2 到NH3的转化 生物固氮的机理很复杂，但最重要的原因是因 为固氮酶的存在。,固氮 由游离N转化为硝态氮或氨态氮的过程,第四节 生物固氮,4.1 固氮酶及其机理模型 4.2 化学模拟生物固氮,第四节 生物固氮,4.1 固氮酶及其机理模型,1. 固氮酶,固氮酶

24、含有两种非血红素铁硫蛋白： 钼铁蛋白：M=220000270000，约含1200个氨基酸残基， 每分子中含有2个Mo, 2432个Fe, 以及同数量的S, 功能是结合底物N2, 是固氮酶的主体。 铁蛋白：M=5500070000，273个氨基酸残基， 每分子中含有4个铁，4个硫，不与N2直接作用， 起激活传递电子的作用， 对氧很敏感。,两种酶单独存在时，均无活性，两者等摩尔比结合时活性最佳,2. 固氮酶作用机理,ATP：三磷酸腺苷 ADP：二磷酸腺苷,只有在Mg() 的作用下, ATP才能和铁蛋白结合.,3. 钼铁蛋白催化N2还原的机理,1973年，卢嘉锡等从结构化学和过渡金属原子簇的角度，提

25、出了网兜结构模型,H型网兜结构模型 F 型福州模型 N2在网兜上的配位方式,N2采取投网方式与之结合，N2 进入网中，和底部的铁以端梢方式配位，同时与网口的两个铁，一个钼以侧基方式结合。 N2分子被垫底原子的作用力顶住， N2分子的三键有1/3伸入兜口，2/3 仍然留在兜口外。底部的铁与N2作用，可拉长N2。网口的三个金属原子提供电子，与周围的H3O+一起，可实现加氢还原。,4. 固氮酶活性中心模型,第四节 生物固氮,4.2 化学模拟生物固氮,1. 水溶液中的固氮,固氮酶催化N2, N3-, N2O, C2H2, RCN和RNC等许多底物的还原反应是在水溶液中进行的。 Schrauzer等用Na2Mo2O4(cys)2作催化剂，NaBH4还原剂，在常温常压