生物无机化学1

1、生物无机化学生物无机化学Bioinorganic chemistry主讲教师主讲教师 霍涌前霍涌前计亮年院士简介计亮年院士简介 著名生物无机化学家。著名生物无机化学家。1934年年4月月20日出生于日出生于上海市。上海市。1956年毕业于山东大学化学系。毕业年毕业于山东大学化学系。毕业后曾先后在北京大学、南京大学、核工业部衡后曾先后在北京大学、南京大学、核工业部衡阳工程学院、广东工业大学、中山大学、美国阳工程学院、广东工业大学、中山大学、美国西北大学、瑞士巴塞尔大学、香港科技大学和西北大学、瑞士巴塞尔大学、香港科技大学和同济大学等任访问学者、教授、访问教授、兼同济大学等任访问学者、教授、访问教

2、授、兼职教授和化学院院长等工作。职教授和化学院院长等工作。2003年年11月当选月当选为中国科学院院士。为中国科学院院士。1986年至年至1991年当选为中年当选为中国化学会第国化学会第22届和届和23届理事会理事，在国际届理事会理事，在国际3种刊物和国内种刊物和国内4种刊物担任编委。种刊物担任编委。勤奋劳动是一种生命的享受，它也是寻求勤奋劳动是一种生命的享受，它也是寻求生命快乐的探索，生命快乐的探索，人必需通过自己的勤奋努力挖掘自己的命人必需通过自己的勤奋努力挖掘自己的命运和追求幸福运和追求幸福 计亮年计亮年p 科学团队研究了许多科学团队研究了许多金属酶的生物合成和纯金属酶的生物合成和纯化化

3、, ,酶的化学修饰、结构、酶的化学修饰、结构、功能和酶活性之间规律功能和酶活性之间规律及其应用。及其应用。 16周周 32课时课时 课程进程安排课程进程安排第四章第四章 近代结构分析方法在近代结构分析方法在生物无机化学中的应用生物无机化学中的应用 4 4学时学时第一章第一章 绪论绪论 3 3学时学时第二章第二章 生物金属配生物金属配位化学基础位化学基础 3 3学时学时第三章第三章 环境生物环境生物无机化学无机化学 4 4学时学时脑底模型与脑痴呆脑底模型与脑痴呆铬中毒铬中毒DNADNA荧光显微镜荧光显微镜DNA图像图像根瘤菌根瘤菌钼铁蛋白钼铁蛋白第五章第五章 氧载体氧载体 2 2学时学时第六章第

4、六章 金属蛋白质金属蛋白质 2 2学时学时第七章第七章 光合作用和固氮作用光合作用和固氮作用 2 2学时学时河河蚌蚌淡蓝淡蓝色血色血乌贼乌贼绿色血绿色血 蚯蚓蚯蚓玫瑰红色血玫瑰红色血虾、河蟹虾、河蟹淡青色血淡青色血蜗牛蜗牛透明的血透明的血昆虫昆虫绿色血绿色血大天蚕蛾大天蚕蛾 -胡萝卜素、核黄胡萝卜素、核黄素和黄素素和黄素- -核苷酸核苷酸 菜粉蝶菜粉蝶家蚕家蚕鱼类鱼类两栖两栖类类爬行爬行类类鸟类鸟类哺乳类哺乳类人类人类 西方贵族的蓝色血液是否真实西方贵族的蓝色血液是否真实第八章第八章 过渡金属的生物过渡金属的生物化学化学 4 4学时学时离子通道离子通道第九章第九章 生物体中的碱金属及其跨膜运生

5、物体中的碱金属及其跨膜运输输 4 4学时学时第十章第十章 非金属微量元素非金属微量元素的生物化学的生物化学 3 3学时学时总结总结 生物无机化学主要知识点生物无机化学主要知识点 1 1学时学时跨膜运输跨膜运输考考 勤：缺勤勤：缺勤3次以上，无成绩。次以上，无成绩。平时作业：一定全做。期末交。平时作业：一定全做。期末交。 学习委员排好学号。学习委员排好学号。课堂笔记：每章不少于课堂笔记：每章不少于3页。页。开卷考试：笔记开卷考试：笔记30%、教材、教材50%。期末成绩：考勤期末成绩：考勤20%、作业、作业20%、 笔记笔记30%、考试、考试30%考核办法考核办法第一节第一节 第一章第一章 绪论绪

6、论生物无机化学生物无机化学一门一门新兴的边缘学科新兴的边缘学科第二节第二节生物无机化学在发展生物无机化学在发展中的研究课题中的研究课题第三节第三节 生物体中的无机元素生物体中的无机元素及其生物功能及其生物功能 在在分子水平分子水平上研究生物体内与无上研究生物体内与无机元素有关的各种相互作用的学科。机元素有关的各种相互作用的学科。生物无机化学定义生物无机化学定义第一节第一节 生物无机化学生物无机化学一门新兴的边缘学科一门新兴的边缘学科 从分子、原子水平上研究金属与从分子、原子水平上研究金属与生物配体之间的相互作用。生物配体之间的相互作用。 基基本本任任务务Bioinorganic chemist

7、ry初期阶段初期阶段 18世纪中叶至世纪中叶至20世纪初。主世纪初。主要研究生物体的化学组成。要研究生物体的化学组成。发展阶段发展阶段 20世纪初至世纪初至20世纪下叶。世纪下叶。生物体内主要物质的代谢生物体内主要物质的代谢途径基本确定。途径基本确定。 20世纪下叶至今。蛋白质世纪下叶至今。蛋白质与核酸成为研究的焦点。相与核酸成为研究的焦点。相继获得了多种基因工程的产继获得了多种基因工程的产品，大大推动了医药工业和品，大大推动了医药工业和农业的发展。农业的发展。一、生物无机化学发展史一、生物无机化学发展史分子生物分子生物学阶段学阶段 1717世纪以前，主要炼丹、炼金、医世纪以前，主要炼丹、炼金

8、、医 用化学。特点：没有形成理论体系。用化学。特点：没有形成理论体系。 1717世纪中叶到世纪中叶到1919世纪末，明确了化世纪末，明确了化 学的科学性。学的科学性。 从从1919世纪末至今。主要成果：化学世纪末至今。主要成果：化学 键理论、现代检测仪器的完善。键理论、现代检测仪器的完善。 环境化学、功能材料化学、生命化环境化学、功能材料化学、生命化 学、能源化学等热点领域。学、能源化学等热点领域。三个时期三个时期古代古代化学化学现代现代化学化学近代近代化学化学未来未来化学化学化学发展简史化学发展简史阿瑟阿瑟柯南道尔爵士柯南道尔爵士，1859年生于苏格兰年生于苏格兰爱丁堡。曾入爱丁堡。曾入爱丁

9、堡大学爱丁堡大学医学院就读，医学院就读，后定居伦敦。由于并不热衷医务，使他后定居伦敦。由于并不热衷医务，使他有许多空闲时间从事有许多空闲时间从事福尔摩斯探案福尔摩斯探案的书的书写工作。柯南写工作。柯南道尔一生曲折离奇。他是道尔一生曲折离奇。他是个个历史学家、捕鲸者、运动员、战地通历史学家、捕鲸者、运动员、战地通讯记者讯记者。曾亲自参与两件审判不公的案。曾亲自参与两件审判不公的案子，并运用他的侦探技巧证实那罪犯其子，并运用他的侦探技巧证实那罪犯其实是清白的。实是清白的。1902年，柯南道尔因在年，柯南道尔因在布布尔战争尔战争中于南非野战医院的优异表现荣中于南非野战医院的优异表现荣封封爵士爵士。逝

10、于。逝于1930年。年。血液的实验血液的实验-死尸死尸 的皮肤颜色的皮肤颜色烟丝的化学实验烟丝的化学实验土壤的化学实验土壤的化学实验毒品的实验毒品的实验福尔摩斯的知识福尔摩斯的知识20世纪中叶世纪中叶初期阶段。著名的化学家初期阶段。著名的化学家Kendrew 和和Perutz解答了肌红蛋白和血红蛋解答了肌红蛋白和血红蛋白的白的X射线结构的问题。射线结构的问题。1970年年美国加州美国加州Virginia州举行的国际州举行的国际生物无机化学学术讨论会。生物无机化学学术讨论会。1970年年生物无机化学生物无机化学在美国创刊。在美国创刊。1977年年成立了国际生物无机化学协会。成立了国际生物无机化学

11、协会。1995年年成立了国际生物无机化学学会。成立了国际生物无机化学学会。生物无机化学发展里程碑生物无机化学发展里程碑 四种不同的四种不同的 螺旋螺旋1970年，年，美国美国，无机化学与模型研究方法，无机化学与模型研究方法1976年，年，英国英国，无机化学和生物交叉学科，无机化学和生物交叉学科1991年，年，英国英国，金属识别、储存、输送，金属识别、储存、输送1993年，年，美国美国，固氮酶结构、作用机理，固氮酶结构、作用机理1995年，年，德国德国，金属离子对基因调节影响，金属离子对基因调节影响2001年，年，意大利意大利，神经系统生物无机化学，神经系统生物无机化学2003年，年，澳大利亚澳

12、大利亚，金属离子在细胞的交，金属离子在细胞的交通图交通干线的划分和金属离子的走向通图交通干线的划分和金属离子的走向二、生物无机化学发展的推动力二、生物无机化学发展的推动力 蛋白质和其他生物分子高分辨蛋白质和其他生物分子高分辨结构的迅速测定。结构的迅速测定。 用于结构及动力学测定的高效用于结构及动力学测定的高效光谱仪器的应用。光谱仪器的应用。 生物工程在创造新的生物相关结生物工程在创造新的生物相关结构中的广泛应用，如基因定点突变构中的广泛应用，如基因定点突变技术等。技术等。 2003年，美国科学家彼得年，美国科学家彼得阿格雷和罗德阿格雷和罗德里克里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子麦金农，分别

13、因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。 Peter Agre Roderick MacKinnon 诺贝尔奖诺贝尔奖 Diverse transport processes maintain the cell in a steady state that is not in equilibrium.Atomic Force Microscope Atomic Force Microscope 1.1.原子力显微镜原子力显微镜 1986年年Binnig、Quate和和Gerber发明了第一发明了第一台原子力显微镜。台原子力显微镜。AFM工作

14、原理图工作原理图u原子力：以探針扫原子力：以探針扫描观察样品表面，当描观察样品表面，当二者接近时产生范德二者接近时产生范德华力或静电排斥力华力或静电排斥力 。v观察活的生命样品观察活的生命样品2.X射线光电子能谱射线光电子能谱光电子的能量分布曲线光电子的能量分布曲线 采用特定元素某一采用特定元素某一X光光谱线作为入射光，实验测定谱线作为入射光，实验测定待测元素激发出一系列具有待测元素激发出一系列具有不同结合能的电子能谱图。不同结合能的电子能谱图。元素定性分析元素定性分析 元素定量分析元素定量分析 维生素维生素B12的的X射线光电子能谱图射线光电子能谱图可从可从B12中中180个原子中检个原子中

15、检测出其中的一个测出其中的一个Co原子原子hX-ray photoelectron spectroscopyX-ray photoelectron spectroscopy四种不同的四种不同的 螺旋螺旋 折叠片折叠片3.3.共振拉曼光谱共振拉曼光谱蛋白质二级结构的鉴定蛋白质二级结构的鉴定 多肽链借助氢链排多肽链借助氢链排列成沿一个方向上具有列成沿一个方向上具有周期性结构的构象。周期性结构的构象。a)鲸脑球肌球素的结构鲸脑球肌球素的结构b)鲸脑球肌球素的吸收光谱鲸脑球肌球素的吸收光谱c)血红素的环呼吸振动引起血红素的环呼吸振动引起的吸收的吸收4.荧光显微镜荧光显微镜Fluorescence mi

16、croscopeFluorescence microscope 用于观察能激发出荧用于观察能激发出荧光的结构。光的结构。 用途：免疫荧光观察、用途：免疫荧光观察、基因定位、疾病诊断。基因定位、疾病诊断。Fluorescence image, DNA in blue and Microtubules in greenThe concentration of free Ca2+ is represented by different colors, red being the highest and blue the lowest. 1982年，年，IBM瑞士苏黎瑞士苏黎士 实 验 室 的 葛士

17、实 验 室 的 葛 宾 尼 和宾 尼 和海海罗雷尔研制出世界上第罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜。一台扫描隧道显微镜。1986年宾尼和罗雷尔被授年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。予诺贝尔物理学奖金。a hair cell in the inner ear of a bullfrog5.Scanning electron microscope (SEM) Figure. X-ray crystallography. Protein structure6.X-ray crystallography第二节第二节 生物无机化学生物无机化学在发展中的研究课题在发展中的研究课题一、金属酶和金属蛋

18、白的结构和功能一、金属酶和金属蛋白的结构和功能二、金属离子及其配合物与生物大分子的相互作用二、金属离子及其配合物与生物大分子的相互作用 三、生物矿化三、生物矿化四、电子传递方法四、电子传递方法五、金属离子和细胞的相互作用五、金属离子和细胞的相互作用六、离子载体六、离子载体八、金属酶和模拟酶的应用八、金属酶和模拟酶的应用七、探针和金属药物七、探针和金属药物一、金属酶和金属蛋白的结构和功能一、金属酶和金属蛋白的结构和功能叶绿素结构叶绿素结构金属蛋白金属蛋白 细胞色素细胞色素 金属硫蛋白金属硫蛋白 金属酶的化学模拟金属酶的化学模拟 酶的修饰及固定化酶的修饰及固定化 血红蛋白血红蛋白离子通道、离子载体

19、离子通道、离子载体二、金属离子及其配合物与二、金属离子及其配合物与生物大分子的相互作用生物大分子的相互作用 金属离子与生物金属离子与生物大分子结合后，发大分子结合后，发生明显的生物化学生明显的生物化学效应。效应。 分子识别分子识别 金属配合物对肽金属配合物对肽键的化学切割键的化学切割 离子探针离子探针 三、生物矿化三、生物矿化 生物矿物材料（骨头、牙齿、生物矿物材料（骨头、牙齿、软骨、蛋壳等）是由矿物与基质构软骨、蛋壳等）是由矿物与基质构成的复合材料，具有高度的装配有成的复合材料，具有高度的装配有序性，又特殊的理化性质、可控的序性，又特殊的理化性质、可控的动态性质。动态性质。l诱导分子膜作为分

20、子膜板诱导分子膜作为分子膜板的定向成核。的定向成核。l利用超分子组装体系合成利用超分子组装体系合成纳米材料。纳米材料。l微结构的构筑等。微结构的构筑等。 四、电子传递方法四、电子传递方法u 电子传递着生物大分子的活性电子传递着生物大分子的活性 u 生命中的电子能量传递链生命中的电子能量传递链 u 电子激发链调节着生命大分子的构象电子激发链调节着生命大分子的构象 五、金属离子和细胞的相互作用五、金属离子和细胞的相互作用 金属的摄入、转运、分布以及它们表金属的摄入、转运、分布以及它们表现的生物效应得化学基础。现的生物效应得化学基础。 载体蛋白载体蛋白膜转运蛋白膜转运蛋白通道蛋白通道蛋白协助扩散协助

21、扩散六、离子载体六、离子载体 离子载体是一些能够极大提高离子载体是一些能够极大提高膜对某些离子通透性的载体分子。膜对某些离子通透性的载体分子。 NaNa+ +-K-K+ +泵的结构与工泵的结构与工作模式示意图作模式示意图:M:MW W=120,000Da=120,000Da:M:MW W=50000Da=50000Da结结构构功功能能 维持细胞内低维持细胞内低NaNa+ +高高K K+ +的离子环的离子环境。境。七、探针和金属药物七、探针和金属药物例如，用半径与锌相近的钴离子作探针，例如，用半径与锌相近的钴离子作探针，代替羧肽酶中的锌，从而根据含钴酶的光代替羧肽酶中的锌，从而根据含钴酶的光谱推

22、断羧肽酶中锌的配位环境。谱推断羧肽酶中锌的配位环境。用锰离子做探针，根据含锰羧肽酶的核磁用锰离子做探针，根据含锰羧肽酶的核磁共振谱确定了羧肽酶中锌和一水分子或羟共振谱确定了羧肽酶中锌和一水分子或羟基相连。基相连。 用一些其他的金属元素替代生物用一些其他的金属元素替代生物无机化合物中的原有金属元素，从无机化合物中的原有金属元素，从而用各种波谱方法来研究和确定体而用各种波谱方法来研究和确定体系的结构和作用。系的结构和作用。金属药物金属药物u 用无机化学和有机化学的理论和方法合用无机化学和有机化学的理论和方法合成具有特定功能的药物，研究各种反应以成具有特定功能的药物，研究各种反应以了解药物的结构了解

23、药物的结构性质性质生物效应关系。生物效应关系。u 无机抗癌药：二氯茂鉄、卡铂等。无机抗癌药：二氯茂鉄、卡铂等。u 解毒剂：解毒剂：EDTAEDTA的钙盐。的钙盐。u 治疗糖尿病药：钒化合物。治疗糖尿病药：钒化合物。u 治疗白血病药：砷化合物。治疗白血病药：砷化合物。无机化学与药物无机化学与药物无机化学的开发是现代医学发展的需要无机化学的开发是现代医学发展的需要八、金属酶和模拟酶的应用八、金属酶和模拟酶的应用钼铁硫原子簇钼铁硫原子簇钼硫醇钼硫醇钼二硫代氨基甲酸钼二硫代氨基甲酸钼氰负离子钼氰负离子一种立方烷型一种立方烷型Mo-Fe-S簇合物的结构示意图簇合物的结构示意图两种线型两种线型Mo-Fe-

24、S簇合簇合物的结构示意图物的结构示意图 研究金属酶的结构与功研究金属酶的结构与功能合成它们的模拟物，以推能合成它们的模拟物，以推动它们在生产中的应用。动它们在生产中的应用。固氮酶模拟研究固氮酶模拟研究第三节第三节 生物体中的无机生物体中的无机元素及其生物功能元素及其生物功能 生命必需元素生命必需元素 生物体的必须元素存在于正常组织之中。生物体的必须元素存在于正常组织之中。 在各物体中有一定的浓度范围。在各物体中有一定的浓度范围。 如果从机体排除这种元素将会引起特殊的如果从机体排除这种元素将会引起特殊的生物化学变化，重新引入这种元素，上述生物化学变化，重新引入这种元素，上述变态将可以消失。变态将

25、可以消失。 至少有至少有2626种生物体的必须元素。种生物体的必须元素。 占人体总重量低于占人体总重量低于0.010.01的元素的元素人人体体中中的的元元素素常量常量元素元素微量微量元素元素 C、H、O、N、P、S、Cl、Na、Mg、K和和Ca等等11种，约占体重的种，约占体重的99.25。Rb、As、B、Ti、Al、Ba、Nb和和Zr等等8种。种。Bi、Sb、Be、Cd、Hg和和Sb等等6种。种。必需微必需微量元素量元素非必需微非必需微量元素量元素有毒微有毒微量元素量元素占人体总重量高占人体总重量高于于0.01的元素的元素铁、锌、铜、铬、锰、铁、锌、铜、铬、锰、硒、镍、钴、氟、碘、硒、镍、钴

26、、氟、碘、钼、钒、锡、硅、溴等钼、钒、锡、硅、溴等1515种种。元素元素主要功能主要功能缺乏症缺乏症过量症过量症Fe参与多种新参与多种新陈代谢过程陈代谢过程贫血、龋齿、贫血、龋齿、无力无力智力发育缓智力发育缓慢、肝硬化慢、肝硬化Cu血浆蛋白和多血浆蛋白和多种酶的重要成分种酶的重要成分低蛋白血症、低蛋白血症、贫血、冠心病贫血、冠心病肝硬化、类肝硬化、类风湿风湿Zn控制酶的代谢活性控制酶的代谢活性部位等部位等贫血、高血压、贫血、高血压、侏儒症侏儒症头昏、肠胃头昏、肠胃炎、皮肤病炎、皮肤病Ca传递神经脉冲、肌传递神经脉冲、肌肉收缩、释放激素、肉收缩、释放激素、心律调节心律调节软骨畸形、软骨畸形、痉挛

27、痉挛胆结石、胆结石、粥样硬化粥样硬化Mg蛋白质生物合成蛋白质生物合成惊厥惊厥麻木症麻木症表表1.常见微量元素对人体健康的影响常见微量元素对人体健康的影响克汀病克汀病碘缺乏碘缺乏呆、小、聋、哑、瘫呆、小、聋、哑、瘫侏儒侏儒先天畸形先天畸形锌缺乏锌缺乏厌食、生长障碍，骨厌食、生长障碍，骨畸形畸形克山病克山病硒缺乏硒缺乏心律不齐，心脏扩大，心律不齐，心脏扩大，心率衰竭，休克心率衰竭，休克大骨节病大骨节病硒缺乏有关硒缺乏有关肌肉萎缩、发育障碍，肌肉萎缩、发育障碍，行动蹒跚行动蹒跚硒中毒硒中毒硒过量硒过量脱发脱甲，皮肤潮红、脱发脱甲，皮肤潮红、神经、牙齿损害神经、牙齿损害表表2.2.微量元素引起的地方病

28、微量元素引起的地方病 黑皮病黑皮病慢性砷中毒慢性砷中毒皮肤色素过渡沉着、皮肤色素过渡沉着、神经性皮炎，致癌神经性皮炎，致癌水俣水俣(yu)(yu)病病慢性甲基慢性甲基汞中毒汞中毒感觉障碍、共济失调，感觉障碍、共济失调，语言、智力障癌语言、智力障癌骨痛病骨痛病慢性镉中毒慢性镉中毒易骨折、骨质疏松、易骨折、骨质疏松、软化变形，疼痛软化变形，疼痛地方性地方性氟中毒氟中毒水中氟过量水中氟过量氟斑釉齿、氟骨病、氟斑釉齿、氟骨病、心脏病心脏病鬼剃头鬼剃头铊中毒铊中毒脱发、头晕、乏力、脱发、头晕、乏力、食欲不振，视物模糊食欲不振，视物模糊表表2.2.微量元素引起的地方病微量元素引起的地方病( (续续) ) 微量元素引起的地方病微量元素引起的地方病 地方性甲地方性甲状腺肿状腺肿碘缺乏碘缺乏地方性地方性克汀病克汀病呆呆小小聋聋哑哑瘫瘫侏儒、先天畸形侏儒、先天畸形厌食、生长障碍，骨畸形厌食、生长障碍，骨畸形锌缺乏锌缺乏六旬母亲肩背侏儒儿子六旬母亲肩背侏儒儿子3030载，用坏载，用坏2020个背篼个背篼 硒缺乏硒缺乏克山病克山病心律不齐，心心律不齐，心脏扩大，心率脏扩大，心率衰竭，休克衰竭，休克大骨节病大骨节病 肌肉萎缩、发育肌肉萎缩、发育障碍、行动蹒跚障碍、行动蹒跚地方性硒中毒地方性硒中毒硒过量硒过量脱发脱甲，皮肤潮红、神经、牙齿损害脱发脱甲，皮肤潮红、神经、牙齿损害微量元素引起的地方病