第1章生物无机化学绪论

1、生物无机化学生物无机化学 Bioinorganic Chemistry主讲：李主讲：李 珺珺陈陈 涛涛 主要内容主要内容n1 1 生物无机化学概述生物无机化学概述n2 2 与生物无机研究有关的配位化学原理与生物无机研究有关的配位化学原理n3 3 重要的生物配体及其金属配合物重要的生物配体及其金属配合物n4 4 氧载体氧载体n5 5 生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶n6 6 固氮作用及其化学模拟固氮作用及其化学模拟n7 7 光合作用及其化学模拟光合作用及其化学模拟n8 8 催化水解反应的金属酶催化水解反应的金属酶n9 9 生物体内金属离子的选择、摄取和调控

2、生物体内金属离子的选择、摄取和调控一、概论一、概论生物学有机化学、 N、生命的基本物质生命的基本物质: 蛋白质、糖、蛋白质、糖、 脂肪、核酸脂肪、核酸无机元素无机元素Na、K、Ca、Mg、ClNa：电荷载体，渗透压平衡：电荷载体，渗透压平衡K：电荷载体，渗透压平衡：电荷载体，渗透压平衡Mg：结构，水解酶，异构酶：结构，水解酶，异构酶Ca：结构，触发剂，电荷携带：结构，触发剂，电荷携带高等动物必需高等动物必需微量元素微量元素的发现历史的发现历史 元素元素年代年代元素元素年代年代铁（铁（Fe）17世纪世纪铬（铬（Cr）1959碘（碘（I）1850锡（锡（Sn）1970铜（铜（Cu）1928钒（钒（

3、V）1971锰（锰（Mn）1931氟（氟（F）1971锌（锌（Zn）1934硅（硅（Si）1972钴（钴（Co）1935镍（镍（Ni）1974钼（钼（Mo）1953砷（砷（As）1975硒（硒（Se）19572020世纪世纪7070年代成为独立学科年代成为独立学科生物学生物学无机化学无机化学生物无机化学生物无机化学Bioinorganic ChemistryJournal of Inorganic Biochemistry n研究对象研究对象：无机元素在体内的存在形式、结构、：无机元素在体内的存在形式、结构、性质与生物活性之间的关系。性质与生物活性之间的关系。n研究手段研究手段：配合物化学、超

4、分子化学：配合物化学、超分子化学 生物无机化学研究的范围固有元素Steady State 金属蛋白 微量元素固有元素non-Steady State 过量，缺乏 基因疾病外来金属元素 毒性，污染 微量元素外来金属元素 药物 成像剂 放射性同位素金属金属元素元素研究方法生物无机化学生物无机化学物理和结构化学物理和结构化学作用机理作用机理溶液化学溶液化学溶液作用方式溶液作用方式合成化学合成化学模型化合物模型化合物二、生命体中的元素二、生命体中的元素Beneficial 10Essential 18Harmful 5生命必需元素 (essential elements)l维持生命所必需的元素维持生命

5、所必需的元素l存在于正常的组织中存在于正常的组织中l在各种物种中保持一定的浓度范围在各种物种中保持一定的浓度范围l若从机体排出将引起生理和结构的变态若从机体排出将引起生理和结构的变态,重新引入，上述重新引入，上述变态消除。变态消除。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. 没有这些没有这些“有益有益元素元素”生命尚可维持，但并不能生命尚可维持，但并不能认为是健康的。认为是健康的。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.一定浓度之下，会引起中毒反应，可觉察到生理上或形一定浓度之下，会引起中毒反应，可觉察到生理上或形态上的病变，甚至导致细胞坏死态上的病变，甚至导致细胞坏死。Cd Hg Pb As Be体重70kg的人体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种，它们构成人体总重量的种，它们构成人体总重量的99.95%。其中主族元素是蛋白质、糖、核。其中主族元素是蛋白质、糖、核酸等生命物质的基本材料。酸等生命物质的基本材料。Trace Elements： 它们在生物体内的含量小于它们在生物体内的含量小于0.05%，但却起着重要的作用。，但却起着重

8、要的作用。不同的金属离子与蛋白结合不同的金属离子与蛋白结合蛋白质及肽蛋白质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)氧还酶氧还酶氧化酶氧化酶(Fe, Cu, Mo)(Fe, Cu, Mo)羟化酶羟化酶(Fe, Cu)(Fe, Cu)超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶(Cu, Zn, Mn)(Cu, Zn, Mn)异构酶及合异构酶及合成酶的辅酶成酶的辅酶维生素维生素B B1212辅酶辅酶(Co)(Co)调节蛋白和调节肽调节蛋白和调节肽钙调蛋白钙调蛋白(Ca)(Ca)人血浆促生长因子人血浆促

9、生长因子(Cu)(Cu)锌指蛋白锌指蛋白(Zn)(Zn)运送及储存蛋白运送及储存蛋白电子载体电子载体细胞色素细胞色素(Fe)(Fe)铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe)(Fe)蓝铜蛋白蓝铜蛋白(Cu)(Cu)金属储存金属储存及运送蛋白及运送蛋白和结构蛋白和结构蛋白铁蛋白铁蛋白(Fe)(Fe)运铁蛋白运铁蛋白(Fe)(Fe)金属硫蛋白金属硫蛋白(Cu,(Cu,Zn, Hg, Cd.)Zn, Hg, Cd.)胶原蛋白胶原蛋白(Ca)(Ca)载氧蛋白载氧蛋白血红蛋白血红蛋白(Fe)肌红蛋白肌红蛋白(Fe)血蓝蛋白血蓝蛋白(Cu)血钒蛋白血钒蛋白(V)碳酸酐酶碳酸酐酶金属离子与核酸作用金属离子与核酸作用金属离子会

10、使金属离子会使DNA熔点升高。金属离子和熔点升高。金属离子和DNA 的磷酸结合，使带负电的磷酸结合，使带负电的磷酸基之间的排斥作用减弱，稳定双螺旋结构。的磷酸基之间的排斥作用减弱，稳定双螺旋结构。金属离子与生物小分子作用金属离子与生物小分子作用生物小分子生物小分子 光敏氧化物质光敏氧化物质叶绿素叶绿素(Mg)(Mg)无机硬组织无机硬组织骨及软骨骨及软骨(Ca, P, Si)(Ca, P, Si)离子载体离子载体缬氨霉素缬氨霉素(K(K+ +) ) 离子霉素离子霉素 (Ca(Ca2+2+) ) 生命必需无机元素在生物体中的主要生理功能生命必需无机元素在生物体中的主要生理功能n催化作用催化作用 已

11、知众多的酶中，大约已知众多的酶中，大约1/31/3涉及金属元素涉及金属元素 n结构作用结构作用 稳定大分子结构、维持蛋白质特定构象稳定大分子结构、维持蛋白质特定构象 n调控作用调控作用 碱金属和碱土金属离子在生物体内调控碱金属和碱土金属离子在生物体内调控 作用；且离子流可通过细胞膜和各种界作用；且离子流可通过细胞膜和各种界 面传递信息面传递信息n输运作用输运作用 某些含金属元素的生物大分子是电子、某些含金属元素的生物大分子是电子、 双氧的载体双氧的载体 Bertrand定则-最适宜浓度定律最适宜浓度定律n每一种元素，在生物体内都有一个安全的最佳每一种元素，在生物体内都有一个安全的最佳浓度范围。

12、浓度范围。n元素浓度超过一定界限后，不管是哪种元素都元素浓度超过一定界限后，不管是哪种元素都是潜在的有害元素。是潜在的有害元素。体内元素浓度生物效应关系图体内元素浓度生物效应关系图元素浓度元素浓度有益生物效应有益生物效应 缺乏缺乏 适合适合 中毒中毒 死亡死亡微量生命必需元素含量异常对哺乳动物的影响微量生命必需元素含量异常对哺乳动物的影响元素元素不足的影响不足的影响过量的影响过量的影响Zn侏儒病，发育不全，皮炎侏儒病，发育不全，皮炎贫血症贫血症Ca畸形骨骼，手足抽筋畸形骨骼，手足抽筋动脉粥样硬化，胆结石动脉粥样硬化，胆结石Fe贫血症贫血症扩尿症，铁尘扩尿症，铁尘Mg惊厥惊厥麻木麻木Cu贫血症，

13、头发卷曲或褪色贫血症，头发卷曲或褪色黄疸，威尔逊氏病症黄疸，威尔逊氏病症Co贫血症贫血症心力衰竭，红细胞增加心力衰竭，红细胞增加V血性胆固醇降低血性胆固醇降低生长减弱生长减弱有毒元素过量对哺乳动物的影响有毒元素过量对哺乳动物的影响元素元素过量的影响过量的影响Be吸入引起肺癌吸入引起肺癌Hg脑炎，神经炎脑炎，神经炎Sb心脏病心脏病Pb贫血症，脑损伤，肾癌贫血症，脑损伤，肾癌Cd高血压高血压有毒元素元素浓度元素浓度有益生物效应有益生物效应可耐受可耐受 中毒中毒 死亡死亡国际生物无机化学会议国际生物无机化学会议（ICBIC）简介简介 ICBIC 1970年年 美国美国 无机化学与模型研究方法无机化学

14、与模型研究方法ICBIC0 1976年年 英国英国 无机化学和生物交叉地带发展无机化学和生物交叉地带发展ICBIC1 1983年年 意大利意大利 ICBIC2 1985年年 葡萄牙葡萄牙ICBIC3 1987年年 荷兰荷兰ICBIC4 1989年年 美国美国ICBIC5 1991年年 英国英国 金属识别、储存、输送和组装金属识别、储存、输送和组装ICBIC6 1993年年 美国美国 固氮酶的分子结构以及自然界固氮酶的分子结构以及自然界 N2转变为转变为NH3的功能及其机理的功能及其机理ICBIC7 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 美国美国 ICBIC10 2001年年 意大利意大利 中枢神经系统的生物无机化学中枢神经系统的生物无机化学ICBIC11 2003年年 澳大利亚澳大利亚 金属离子在细胞的交通图，金属离子在细胞的交通图， 以及许以及许 多交通干线的划分多交通干线的划分 和金属离子的走向和金属离子的走向ICBIC12 2005年年 美国美国ICBIC13 2007年年 奥地利奥地利ICBIC14 2009年年 日本

16、日本ICBIC15 2011 Vancouver, CanadaICBIC16 2013 Grenoble, FranceICBIC17 2015.07 Beijing, China国际应用生物无机化学国际应用生物无机化学学术讨论会（学术讨论会（ISABC）简介）简介 ISABC1 1990年年 武汉武汉 金属药物和抗癌药金属药物和抗癌药ISABC2 1992年年 广州广州 生物矿化和生物材料生物矿化和生物材料ISABC3 1994年年 澳大利亚澳大利亚 利用生物电子转移利用生物电子转移 设计制作生物传感器设计制作生物传感器ISABC4 1997年年 南非南非 环境生物无机化学环境生物无机化学

17、ISABC5 1999年年 希腊希腊 地中海贫血地中海贫血International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry ISABC6 2001年年 英国英国ISABC7 2003年年 墨西哥墨西哥ISABC8 2004年年 香港香港 小分子修饰使蛋白小分子修饰使蛋白 酶功能改变和关闭酶功能改变和关闭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 巴塞罗那巴塞罗那ISABC12 2013年年 中国中国 广州广州ISABC13 2015年年 爱尔兰爱尔兰 Galwa

18、y王夔王夔计亮年计亮年倪嘉缵倪嘉缵 生物无机化学家，中科院院士血红蛋白血红蛋白(Hemoglobin)的结构的结构结合氧的部位结合氧的部位血红素辅基血红素辅基第第5个部位来个部位来自蛋白的第自蛋白的第93位位His血红素中血红素中Fe的配位的配位egtg2egtg2肌红蛋白肌红蛋白(Myoglobin)的结构的结构带有咪唑基的游离带有咪唑基的游离血红素与血红素与CO结合结合肌红蛋白与肌红蛋白与CO形成的复合物形成的复合物氧合肌红蛋白氧合肌红蛋白CO对对Fe的亲和力远远高于氧！的亲和力远远高于氧！叶绿素叶绿素在自然界中，在自然界中，维生素维生素B B1 21 2常常以 辅 酶 的 形以 辅 酶

19、的 形式 存 在 ， 是式 存 在 ， 是最 主 要 的 辅最 主 要 的 辅酶之一。酶之一。VBVB1212对 维 持 肌 体对 维 持 肌 体正 常 生 长 以正 常 生 长 以及 红 细 胞 的及 红 细 胞 的产 生 都 是 极产 生 都 是 极其重要的。其重要的。 鉴于生物无机化学正处于向前发展的鉴于生物无机化学正处于向前发展的阶段，并迅速向各方面渗透，对其研究内阶段，并迅速向各方面渗透，对其研究内容，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：生物无机化学研究的内容生物无机化学研究的内容 (1). 金属离子及其化合物与生物大分子的相互作用金属离子及其化合物与生

20、物大分子的相互作用n与核酸、核苷酸的相互作用 金属离子对DNA构象的影响；金属离子特别是金属配合物对不同构型DNA选择性的结合。(2).金属蛋白和金属酶化学结构与功能的研究金属蛋白和金属酶化学结构与功能的研究（a）金属离子的成键位置（b）活性中心周围微环境（c） 蛋白链在保证金属离子正常工作的贡献（d） 蛋白链与底物的结合方式(3). 电子传递反应电子传递反应n生命过程的核心是能量传递，而能量传递的中心过程是电子传递。生物体内电子传递与化学反应中的电子传递有着重要的区别；n研究生物介质的中长程电子传递是生物无机化学的一个重要方向。 (4). 生物矿化生物矿化n自然界中，无论是细菌、微生物，还是

21、植物、动物，都可以在体内形成矿物，称为生物矿物材料（骨、牙、软骨、软体动物外骨骼、蛋壳等）。它们是矿物与基质构成的复合材料，其高度的装配有序性、特殊的理化性质、可控的动态性质和特殊的生物功能都引起人们的关注。n研究生物矿化这一生物无机化学基本反应，有望在医学和新材料的应用方面取得突破。(5).(5).金属离子与细胞相互作用的研究金属离子与细胞相互作用的研究n是金属摄入、转运、分布以及它们的生物效应的化学基础；n是解释生物效应的分子机理的必需。n细胞复杂的反应体系：组分、多物种、多反应、反应物定位。n事实上，生物化学所研究的所有生物分子都只存在于细胞内。n硒硒：地方性疾病克山病克山病心脏损伤性疾病大骨节病大骨节病慢性对称性畸形骨关节病(6)(6). 探讨常见的疾病的发病与某些金属元素与非金属元素之间的关系，研究调节和控制这些元素来防止病变的发生。一些在药用上有较大价值的元素钒一些在药用上有较大价值的元素钒： (7).(7).合成新药合成新药 合成抗癌药物，抗艾滋病药物，研