生物无机化学导论

1、 主讲人：黄月琴 化学与化工系参考书目：生物无机化学原理S. J. Lippard and J.M. Berg 著，席振峰，姚光庆等译北京大学出版社，2000生物无机化学导论计亮年，中山大学出版社，1992生命科学中的微量元素王夔主编，中国计量出版社，1991 顾名思义，生物无机化学是介于生物化学和无机化学之间的边缘交叉学科。新兴学科，研究内容十分广泛。研究什么呢？生物科学： 一切有生命的东西 细菌 植物 动物 人无机化学：(莫勒定义) 元素及其化合物1982 莫勒定义无机化学：除去碳氢化合物和其大部分衍生物外，无除去碳氢化合物和其大部分衍生物外，无机化学是对所有元素和它们的化合物的性质和机化

2、学是对所有元素和它们的化合物的性质和反应进行实验研究和理论解释的。反应进行实验研究和理论解释的。 生物无机化学是在无机化学和生物化学的生物无机化学是在无机化学和生物化学的发展和推动下产生的，他是介于无机化学和生发展和推动下产生的，他是介于无机化学和生物化学之间的一门物化学之间的一门边缘科学边缘科学。 生物无机化学虽然已成为近些年（约生物无机化学虽然已成为近些年（约20年）年）十分活跃的学科领域之一，但是还处于生长期。十分活跃的学科领域之一，但是还处于生长期。因此，要给他下一个严格的定义，无疑也是困因此，要给他下一个严格的定义，无疑也是困难的。但是，简单地说，所谓生物无机化学，难的。但是，简单地

3、说，所谓生物无机化学，就是利用无机化学特别是配位化学的理论和方就是利用无机化学特别是配位化学的理论和方法，去研究和阐明参与生物体（尤其是人体）法，去研究和阐明参与生物体（尤其是人体）中化学反应的痕量元素（痕量金属元素）所起中化学反应的痕量元素（痕量金属元素）所起的作用及它们同生物功能之间的相互关系的一的作用及它们同生物功能之间的相互关系的一门科学。门科学。1. 研究内容：研究内容：在分子水平上研究生物体内与无机元素(金属和非金属)有关的各种相互作用。研究重点：研究重点：研究金属与生物配体形成的具有生物活性的配合物的组成、结构、状态和功能。现实生活中随处可见与生物无机相关的问题：矿泉水：K+,

4、Na+, Ca2+, Mg2+ 生命必需元素吃饭为什么要加盐？NaClNa在植物中含量少。而对人类是必需的。补碘、补锌、补铁、补钙为什么补？高效补钙可能吗？缺铁性贫血？北京市6岁以下儿童铅超标69（1999年统计）生物环保：用微生物、藻类、植物治理污水凤眼莲吸收Cd2+、Pb 2+、Hg2+等重离子大宝天天见：SOD蜜，SOD：一种含Zn蛋白，超氧化物歧化酶，能有效去除氧自由基，抗衰老功能。包括：物质传输，信息传递生物催化，能量转换随着微量分析技术的提高，无机元素的功能更多地被发现，几乎渗透到生命过程的各个阶段。现已认识到，无机元素不仅对维持生物大分子的结构至关重要，而且广泛参与各种生命过程。

5、1960s1970s，更多无机元素在生物体中被发现1970，Vinginia国际生物无机化学讨论会Bioinorganic Chemistry论文集1971，Bioinorganic Chemistry创刊1979，更名 J. Inorganic Biochemistry，本领域重要杂志1973，开始出版的系列丛书，H. Sigel主编Metal Ions in Biological Systems1983，定期召开国际生物无机化学会议（两年一届）生物无机化学是蓬勃发展的研究领域研究特点：工作比较零散，发展初期，不系统。 特别是早期的工作，主要是生物学家、营养学家从医学、免疫、环保等方面研究各

6、自遇到的问题，没有系统地从化学的角度进行研究。两种角度生物学家，强调生理、病理作用化学家，分子水平，研究其状态与功能生物活性配合物金属离子本身（或其水合离子）常常并没有某种生物活性，只有与具有特定结构的配体结合成配位化合物后，才表现出特定的活性。e.g. Fe2+ + O2 Fe3+O2Fe2+ hemeHb 可逆载氧配位原则：生物配体与金属的结合，遵循Lewis软硬酸碱规则。常见生物活性配合物的功能：常见生物活性配合物的功能：固碳叶绿素（Mg）固氮固氮酶（Mo）载氧血红蛋白（Fe）肌红蛋白（Fe）蓝铜蛋白（Cu）生物解毒金属硫蛋白（Cu、Zn）细胞色素P450（Fe）常见生物活性配合物的功能

7、：常见生物活性配合物的功能：细胞调节钙调蛋白ATP配合物各种酶系统生物矿化钙结合蛋白膜运送离子载体内稳态调控胰岛素+GTF（Cr）铁传递蛋白+铁蛋白生物防御SOD（Zn）谷胱甘肽过氧化物酶（Se）3. 研究方法研究方法逐步模拟：用再现生命现象的模拟体系，用化学的理论、方法和手段进行研究。特别是配位化学的方法。模拟思路：生物活性配合物 M 活性中心M+ 生物离子探针生物离子探针用大小相近、配位类型相似的金属离子来模拟生物体内金属离子的状态和功能。探针离子 待测离子Ln3+ (Pr3+, Nd3+) Ca2+Co2+ Zn2+Mn2+ Mg2+Tl+ K+ 光、电、磁活性 惰性可用谱学方法测试 特

8、征配体：特征配体：用简单的金属配合物模拟复杂的生物原型铁卟啉 血红素人工离子载体 模拟酶 用化学方法再现生物功能用化学方法再现生物功能光合作用 光解水制氧固氮 合成氨艰难而意义重大绿色为生命必需元素绿色为生命必需元素 99.95%宏量元素宏量元素O, C, H, N, P, S, Ca, Na, K, Cl, Mg微量和痕量元素微量和痕量元素Fe, Zn, Cu, V, Cr, Mn, Mo, Co, Ni Sn, F, I, Se, Si, As, B, Cd,Hg,Pb.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

9、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

10、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, CdZn, 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l分子量约为分子量约为64 500l可以看成是可以看

11、成是4个肌红蛋个肌红蛋 白的集合体白的集合体l四个亚基，分两种类型四个亚基，分两种类型 （ 和和 ）l 亚基含亚基含141个氨基酸个氨基酸 亚基含亚基含146个氨基酸个氨基酸l亚基之间不存在任何共亚基之间不存在任何共 价键价键 l每个亚基都各含一个铁每个亚基都各含一个铁 (II)血红素血红素b辅基辅基6.4 5.5 5.0 nmn一条多肽链一条多肽链(珠蛋白珠蛋白)n一个一个Fe(II)血红素血红素bn分子量分子量17000n不同不同Mb的的AA数目和排数目和排列顺序不完全相同。人体列顺序不完全相同。人体Mb有有152AAn铁卟啉埋藏在疏水袋中铁卟啉埋藏在疏水袋中nFe(II)的第五配位位置的

12、第五配位位置为组氨酸咪唑侧链的为组氨酸咪唑侧链的NnFe(II)的第六配位位置的第六配位位置是氧分子是氧分子n75%肽链由肽链由alfa螺旋构螺旋构成成放射性造影显像放射性造影显像 用于胃、心肌、脑和肿瘤的显像用于胃、心肌、脑和肿瘤的显像 抗癌药物顺铂1965年，B. Rosenberg电场对细菌生长的影响细胞分裂受到抑制，300倍大的菌丝Pt电极培养液中加了NH4Cl其它电极则无此现象。进一步研究表明，电流作用，使Pt Pt2+溶液生成cis-Pt(NH3)2Cl2抑制细胞分裂1969，Rosenberg 抗癌活性与DNA上的G结合，抑制DNA复制1970s，临床 商业化肾毒性，头颈部癌 泌

13、尿系统毒性 铂、铂族化合物第二代、第三代cis-DDP的抗癌活性来自于其水解产物的抗癌活性来自于其水解产物碱基碱基嘌呤嘌呤N7与相邻的两个鸟嘌呤结合占与相邻的两个鸟嘌呤结合占65；与相邻的两个鸟嘌呤及腺嘌呤结合占；与相邻的两个鸟嘌呤及腺嘌呤结合占25顺铂作用机理：顺铂作用机理：DNA是主要靶分子(1). 链间交联机理使癌DNA双链两个相邻面上的B1-N7链间交联(2). 螯合机理cis-Platin与G的N-7和O=CG螯合，氢键断裂(3).链内交联机理顺铂与同一跳链上相邻的GG之N7配位。cis-GGcis-GADNA向固定向固定方向弯曲方向弯曲抑制抑制DNA复制复制阻碍细阻碍细胞分裂胞分裂反式构型没有活性的原因 A是与Pt结合牢固的保留基团，X是离去基团，反式异构体的X取代速度比顺式快510