第七章 生物无机与超分子化学

1、1 第七章第七章 生物无机化学和超分子化学生物无机化学和超分子化学123生物无机化学生物无机化学 生命体的无机化学， 研究生物体内的金属元素和其它无机元素在生物体内的形态、结构特征、特性和功能, 从分子水平上研究它们与生物分子相互作用的科学。主要内容：主要内容： Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+, Zn2+, Cu2+，Con+ a. 金属离子在生命体中的作用b. 金属离子中毒和解毒 c. 生物固氮 主要方法：模拟主要方法：模拟无机离子同生物体内各种酶的关系与作用。a.用大小相近配位类型相似离子取代生物体系中金属离子。SalicylideneiminatoN,N-亚乙基二（水

2、扬醛缩亚胺）根 b.用简单金属配合作为生物原形的模型化合物研究原形某些特征，如卟啉铁，Co(salen)等人工载氧体 c.用化学方法再现生物体系的某种功能，如用二（二丁二酮肟）合钴()模拟维生素B12辅酶。3，4重要的生物配体重要的生物配体(1)氨氨基基酸酸455667蛋白质蛋白质蛋白质由氨基酸构成，氨基酸彼此以肽键结合成肽链，再由一条或多条肽链按特殊方式组合成蛋白质分子。肽键是由一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基结合失去一分子水而成多个氨基酸以这种方式首尾相接形成肽链，肽链中的氨基酸已经不再是原来的完整的分子，称为氨基酸残基。超过十个残基的肽称为多肽。78以各种氨基酸按一定顺序排列构成的肽

3、键骨架-蛋白质的基本结构。蛋白质的相对分子量可高达106，小的也有104以上。蛋白质的一级结构在蛋白质多肽链中，一个肽键的羰基氧可能和另一个肽键的亚胺氢形成氢键： 89通过氢键形成的多肽链的空间排布，即多肽链主干的构象。二级结构一般有两种：螺旋结构和 折皱结构蛋白质的二级结构螺旋结构910蛋白质中常见的一种二级结构，肽链主链绕假想的中心轴盘绕成螺旋状，一般都是右手螺旋结构，螺旋是靠链内氢键维持的每个氨基酸残基（第n个）的羰基氧与多肽链C端方向的第4个残基（第n4个）的酰胺氮形成氢键。在典型的右手-螺旋结构中，螺距为0.54nm，每一圈含有3.6个氨基酸残基，每个残基沿着螺旋的长轴上升0.15n

4、m。-螺旋结构的主要特征为：肽链以螺旋状盘卷前进，每圈螺旋由3.6个氨基酸构成，螺圈间距（螺距）为5.44埃；螺旋结构被规则排布的氢键所稳定，氢键排布的方式是：每个氨基酸残基的NH与其氨基侧相间三个氨基酸残基的CO形成氢键。这样构成的由一个氢键闭合的环，包含13个原子。因此，-螺旋常被准确地表示为3.613螺旋。螺旋的盘绕方式一般有右手旋转和左手旋转，在蛋白质分子中实际存在的是右手螺旋。11折皱结构1112蛋白质三级结构1213蛋白质四级结构1314氨基酸和金属离子配位时，一方面利用分子中的-COO-基氧原子和金属发生共价结合，另一方面是由-NH2基中的氮原子提供孤电子对与金属离子形成配键。但

5、在丝氨酸，苏氨酸和酪氨酸中的-OH基也能进行配位。另外，组氨酸的咪唑基，半胱氨酸的SH基以及蛋氨酸的-C-S-C-(硫醚)基都是重要的配位基团。 肽与金属离子配位时，一般以肽分子中的O或N原子作为配位原子。 氨基酸，肽和蛋白质和金属离子的配合肽与金属离子配位时，一般以肽分子中的O或N原子作为配位原子。蛋白质与金属离子结合与氨基酸或短肽链有所不同。在金属蛋白质分子中，两个配位原子之间往往隔着数目很多的氨基残基。起配位作用的氨基酸残基有：半胱氨酸，蛋氨酸，酪氨酸，谷氨酸，天冬氨酸，赖氨酸，精氨酸和组氨酸。 1415核苷，核苷酸和核酸 腺苷酸的形成1516生物体内的核苷酸可以游离存在，也可以进一步结

6、合成核酸。由核糖核苷酸连接成的是核糖核酸(RNA),由脱氧核糖核苷酸连接成的是脱氧核糖核酸(DNA). 16嘧啶和 嘌呤腺嘌呤 胸腺嘧啶 尿嘧啶 鸟嘌呤 氧氨嘧啶17171818腺嘌呤胸腺嘧啶氧氨嘧啶鸟嘌呤19含金属离子的生物分子在生命体中的主要功能含金属离子的生物分子在生命体中的主要功能191920金属蛋白：含有金属离子的蛋白质。金属酶：能执行催化功能的金属蛋白, 金属酶之外的其它金属蛋白：大致可分为电子载体蛋白, 小分子载体蛋白，金属贮运蛋白, 金属调节蛋白等四大类.金属蛋白 a. 电子载体蛋白主要有三种, 含铁血红素的细胞色素类蛋白, 含Fe-S簇合物的铁硫类蛋白和含Cu的蓝铜蛋白, 它

7、们利用具有氧化还原性的金属离子Cu2+/Cu+, Fe3+/Fe2+作为生物体中电子接受的载体蛋白中心, 成为生物体中电子传递链的重要环节。a. b. 小分子载体蛋白主要包括O2, NO, CO等小分子的结合和运载蛋白, 其中氧运载蛋白有血红蛋白-肌红蛋白类, 血蓝蛋白和蚯蚓血红蛋白三类, 血红蛋白是以血红素为辅基的含铁金属蛋白, 蚯蚓血红蛋白是含双核铁的金属蛋白, 血蓝蛋白是含铜中心离子的金属蛋白。21 c. 金属贮运蛋白主要是指一些承担生命必须元素在体内贮存和转运作用的金属蛋白, 主要有Fe, Zn, Cu蛋白, 如铁蛋白(ferritin)是铁的贮存蛋白, 每个蛋白分子内腔可贮存4900

8、个无机铁离子, 以避免过量铁离子对其它生物分子的毒害作用, 而当生物体需要铁时, 又可从中取出, 由运铁蛋白(transferring)输送到需要铁的生物分子的合成过程中去。 d.金属调节蛋白是近几十年来发现的， 具有重要生物功能的一类金属蛋白。生物体中某些蛋白质能够在金属离子的调制下生成具有各种特定蛋白质结构或结构域的金属蛋白, 它们与其它蛋白质或核酸作用, 结合于特定的部位, 从而启动或调制一系列后续的生物化学反应, 或者控制和调节DNA和RNA的转录, 翻译和表达, 其中最典型的有以Ca调蛋白(Calmodulin)为代表的钙结合蛋白。 重金属蛋白和近年来发现的各种锌指类蛋白(zinc

9、finger proteins)。22金属酶金属酶 (metalloenzymes) 金属酶是一种以三级结构的蛋白质大分子为配体的金属配合物, 它具有独特的催化活性, 是生物体中广泛存在的生物催化剂。 生物体中各种复杂的生物化学反应能在温和条件下(室温, 常压, 中性介质)下迅速进行, 根本原因在于生物体中存在着各种具有高催化效率的酶。它的催化效率比一般普通的无机有机催化剂高7-13个数量级, 例: 1mol Fe3+在0C, 1秒内可以催化分解10-5mol H2O2, 同样条件下, 1mol H2O2酶可催化分解105 mol H2O2。 酶的催化作用具有高度专一性, 即一种酶只作用于某一

10、类或某一种特定的物质(底物), 在现已知的2000多种酶中, 约有1/3酶在行使其催化活性时需要金属离子作辅助因子, 这些金属离子或是直接参与了催化活性部位的构成, 或是它的存在有利于底物和酶的结合, 或是通过稳定的酶分子构象起到调控活性的作用。金属离子与酶蛋白的结合强度也各不相同, 根据强度差异, 可分为金属酶和金属激活酶。23金属酶一般含有化学计量的金属离子作为辅因子(cofactor), 它们与蛋白肽链之间的结合相当牢固, 通常金属-酶蛋白配合物的结合常数达到107-108mol-1 L。金属激活酶虽然也需要金属离子的参与才能表现出活性, 但金属离子与酶蛋白并不牢固结合。金属酶参与金属酶

11、组成的主要是过渡金属离子, Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Mo, Ni等, 它们在氧化还原酶、 转移酶、水解酶、聚合酶、异构酶和连接酶六大类酶中以金属酶的形式存在, 并发挥着独特的作用:A a. Lewis酸的作用, 带正电荷的金属离子通过吸电子诱导效应使底物局部显正电性, 从而使羧基或水分子易于对底物进行亲核攻击, 导致底物分子水解, 如在许多水解酶(羧肽酶, 碳酸酐酶)中Zn2+ 的作用。24 c. 模板作用, 金属离子通过立体化学特性, 对酶或底物的空间构象进行调整, 促使酶与底物具有相互匹配的构象, 从而激活或增强酶的活性, 例如: 某些金属离子对以磷酸吡哆醛为辅因子的酶的活

12、性的增强作用, 就是这种模板效应的具体体现.a. d. 结构固定作用: 金属离子能固定酶蛋白的特定几何构象, 以便于某一特定底物附着其上, 这种结构固定作用在肝醇脱氢酶中十分明显。A b.桥联作用, 底物与酶蛋白同时结合在金属离子上, 以金属离子为桥梁使得底物分子与酶分子更易接近, 甚至处于同一配位球体内, 便于各种酶促反应的进行, 如羧肽酶中Zn2+起底物肽链的锚柱作用, 在它的桥联作用下, 才开始一系列的构象变化, 完成肽链上端氨基酸的水解反应.a. e.电子传递作用, 在许多氧化还原酶中, 金属离子通过氧化态的变化起着电子传递的作用, 如细胞色素酶中Fe2+/Fe3+中心和超氧化物歧化酶

13、中Cu+/Cu2+ 中心等.25金属激活酶金属激活酶 (metal-activated enzymes)在生物体的众多酶中, 有一种需要由金属离子或金属配合物激活其生物活性, 以实现其催化底物的生物反应的功能, 这一类酶称为金属激活酶。 辅因子若为金属离子, 金属离子称为激活剂, 若为配合物, 配合物称为辅酶。 在金属激活酶中, 金属离子或金属配合物与蛋白质肽链结合较弱, 金属离子是作为此类酶的辅因子起作用的, 它们在酶促反应中,可以稳定底物的构型, 使之适合于酶蛋白的结合, 或使底物的构型有利于它在蛋白质上的取向和反应, 也可以因其结合, 改变蛋白质的构象, 或通过电荷作用, 改变蛋白质分子

14、的电荷分布, 使离域底物与其它分子结合。比如Mg2+可以激活许多酶, 所有作用在象ATP这些核苷上的酶都需要Mg2+作为辅酶, 典型的Mg2+激酶有己糖激酶, 葡糖激酶, 磷酸核糖激酶, 吡哆醛激酶等。 ATP ：腺苷三磷酸26宏量金属元素宏量金属元素 Na+, K+ Na+：体液中浓度最大和交换最快的阳离子。 血浆中Na+浓度达1.5210-3 molL-1主要功能：调节渗透压，保持细胞中最适水位， 通过钠泵作用 将葡萄糖、氨基酸等营养物质输入细胞 参与神经信息的传递；保持血液和肾中的酸碱平衡。 K+：半径比Na+大，电荷密度较低，扩散通过脂质蛋白细胞膜 时几乎与水一样容易。 细胞液中含K+

15、 浓度为1.5410-3 molL-1 主要功能：某些内部酶的辅基，起激活酶的作用。 葡萄糖的新陈代谢作用需要高浓度的K+, 用核糖体进行蛋白质合成也需要高浓度的K+ K+起着稳定细胞内部结构的作用。2627Na+, K+在细胞内外分布不均匀细胞内部：K+：15410-3 molL-1, Na+：1010-3 molL-1细胞外部：Na+：15210-3 molL-1，K+：510-3 molL-1离子泵的机制2728钠泵的运行机理钠泵的运行机理 实验证实：实验证实：浓度极低的VO43-(109mol L-1) 即可抑制ATP酶在ATP水解反应 中的催化反应。PO43- 形成的不稳定的五配位中

16、间体容易断键，完成水解，VO43- 形成的五配位物种既不断键又不能发生后继的构象转化，K+仍然留在 细胞膜的外壁上。 ATP ：腺苷三磷酸28Na+扩散29Ca2+ Ca2+在细胞内的浓度: 10-5mol-1L-1 , 在细胞外的浓度: 10-3molL-1 钙也是依靠金属泵机制维持这种浓度分布的，这种浓度分布可防止碳酸盐和磷酸盐在细胞内沉淀， Ca2+的主要生物功能： (a) 稳定蛋白质构象，如 DNA酶和微生物蛋白酶中的Ca2+的作用 (b) 形成各种生物体的固体骨架物质， 如骨骼和生物壳体, 大部分 是由羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)12组成的； (c) 促进血液凝固和调节心律

17、。 (d) 引发某些生理活动的功能，肌肉收缩的触发器，释放激素的 信史等； 2930钙媒介蛋白与结合而被激活30羧基COO-刺激 Ca2+流入 与媒介蛋白结合 媒介蛋白激活 增加酶催化活性细胞外内Ca2+受刺激31Mg2+ Mg2+是一种内部结构的稳定剂和细胞内酶的辅因子, 细胞内的核苷酸以Mg2+配合物的形式存在。 Mg2+倾向于与磷酸根结合, 所以Mg2+对于DNA复制和蛋白质生物 合成是不可缺少的。 Mg2+在光合作用中具有重要功能。叶绿素a：Mg2+ 的大环化合物, 能吸收可见光区的红光和蓝至近紫外光, 为光合作用提供能量。3132Fe2+ Fe是人体中最丰富的过渡金属元素，一般含量为

18、45g, 铁在人体中的分布和功能是多样的。3233 (a) 血红蛋白血红蛋白(Hb)和肌红蛋白和肌红蛋白(Mb) 血红蛋白血红蛋白(Hemoglobin Hb)：血液中红细胞的主要成分，在成熟的红细胞中，Hb占湿重的32，干重的97。血液中的红色即是由红细胞中的Hb造成的。主要功能：运输和呼吸O2和CO2，人体肺部吸入的O2约有98是由红细胞中的Hb运送到全身的组织中去，其余2溶解在血液中。肌红蛋白肌红蛋白(Myoglobin, Mb)：主要功能：肌肉中的载氧物质，贮存和提供肌肉活动所需要的氧，在氧气分压较低的情况下，它与氧的结合能力比Hb强，在肌肉缺氧时，它便释放O2以供肌肉收缩的需要，在人

19、的心肌，鸟的飞翔肌肉中，Mb的含量很高。3334Hb和Mb: 血红素(heme)为活性中心的金属蛋白血红素: Fe()和原卟啉形成的金属卟啉配合物Hb和和Mb的结构的结构卟吩卟吩血红素血红素卟啉卟啉3435以Fe()为中心离子的蛋白质配合物，一条多肽链和一个Fe()-血红素基团组成。分子量约为17000，肽链上的组氨酸残基的咪唑侧链和血红素基团中的Fe()配位，使两者连接在一起。Mb的结构不同生物的Mb蛋白的氨基酸数目和排列顺序不完全相同。人体Mb含152个氨基酸，巨头鲸含153个氨基酸, 但二级结构和三级结构是类似的，由八段螺旋和一些非螺旋松散肽链折叠缠绕而成特殊的空间构象。3536Hb 的

20、结构的结构 四个Mb的集合体, 相对分子量为65000， 含两种亚单元: 和 每个亚单元含有一条多肽链和一个血红素基团，链含有141个氨基酸，链含有146个氨基酸。亚单元之间不存在共价键。和亚单元中：Fe()是中心离子，6个配位基，4个被卟啉环中的N原子所占据，第五个位置被组氨酸(his) 残基的咪唑侧链的N原子所占据。3637I. 保护血红素基团中Fe()不被氧化到Fe()Hb和Mb中蛋白质链的功能II. 保证肌红蛋白和血红蛋白的可溶性III. 降低血红素对CO的亲和力3738血红蛋白和肌红蛋白的功能血红蛋白和肌红蛋白的功能 血红蛋白：负责输送，从肺部摄取O2然后通过血液循环将O2(Hb)

21、输送到各组织中去； 肌红蛋白：负责贮存，从血红蛋白处接受氧气，和肌红蛋白结(Mb) 合的氧气被贮存，以供细胞呼吸所用。Hb载输送氧气时， 与O2的结合和解离取决于O2的分压22OPHbHbOK 氧饱和度：可结合氧的最高摩尔数实际结合氧的摩尔数Y2222OO22OOKHbPKPHbO YHbO HbKHbPHb1KP Hb + O2 = HbO2肺泡中氧气的分压约为100mmHg*, 高于静脉血的氧气分压，血红蛋白可从肺泡中摄取氧，形成氧合血红蛋白。细胞组织中氧的分压为40mmHg, 又低于动脉血氧的分压，血液循环所带来的氧可以释放到组织中去，起输送氧气的作用。3839人体中血红蛋白和肌红蛋白的

22、氧合曲线曲线下部： P(O2)很小时, Y改变缓慢， P(O2)增大时，Y急剧上升曲线上部较平坦：P(O2)从100mmHg80mmHg时,Y降低0.02，当人从平原进入高山时，肺部的P(O2)变化较大，但肺部血液中Y变化较小，仍然保持着人体组织中O2的供应。曲线中部较陡：在P(O2)变化不大的情况下，也能保证血液流经较低的组织时，释放出足够的氧气以供组织需要。(Hb中的一个血红素与O2结合后会引起亚单元构象的微妙变化，有利于其它三个血红素基团与O2的结合 Y pH值有较大影响 39肌红蛋白为单体蛋白,没有合作效应,氧合程度与氧分压之间具有正常关系，氧合曲线呈抛物线形。 MbPh Bohr效应

23、40氧合血红蛋白和氧合肌红蛋白中氧合血红蛋白和氧合肌红蛋白中FeO2的结构的结构 磁性 伸缩振动频率 Fe-O-O键角 Fe-O键长自由O2分子 顺磁性 1554.7cm-1 180 HbO2 反磁性 1107cm-1 156 167pm(183pm) MbO2 1103cm-1 115 183pm 超氧化物 1145 cm-1（以此对比提出模型）Pauling 模型：Weiss模型： 40O2与金属配位，金属上电子流到O2反键轨道键级变小，反磁性 所有电子配对d5低自旋单同O2-单电子配对41Hb和和Mb与与O2的结合的结合 第六个配位位置结合O2以后, Fe()变成低自旋, 离子半径下降为

24、75pm, 被O2配位的Fe () 便移动到卟啉环的平面内。41氧合作用中铁原子的位置移动75pm.迫使轴向配体咪唑基相应地移动。这将带动肽链作相当大的移动而引起亚基间的结合断裂，四聚体结构变得松散，使血红素的第六配位位置较为暴露而促使了血红蛋白的氧合作用。因此有一个亚基结合氧以后，血红蛋白的氧合能力迅速提高。这种效应称为亚基间的合作效应。 未和O2配位前：Fe()为高自旋,半径较大(92pm),不能插入卟啉环的四个氮原子之间，Fe()高出血红素的平面约60pm。42人工合成载氧体人工合成载氧体 载氧体的先决条件：可逆地结合O2第一个人工合成载氧体人工合成载氧体 ：Co()-schiff 碱的

25、螯合物Co(salen)轴向的第五个位置还可被其它配体所取代: Py, Mepy, PPh3, THF或NCS- 等苯环上的H也可被CH3, CH3O, Cl, Br等取代, -(CH2)2-可被-(CH2)3-NH-(CH2)3-, -(CH2)3-O-(CH2)3- 等取代42SalicylideneiminatoN,N-亚乙基二（水扬醛缩亚胺）根43 人工合成的Co()-Schiff 碱的螯合物载氧体的其它系列： 43Co(acacen) Co(acacen)(B)(Y) B=py,CN-py,DMF,H2OY=O2或空位 除此还有钴的卟啉化合物如Co(TPP)(OCH3)以及其它大环化

26、合物四苯基卟啉44人工合成铁载氧体 困难：Fe() O2 FeO2 Fe()-O- Fe() . 利用空间位阻效应，防止二聚体形成 解决方法：尖桩篱笆型Fe-卟啉的结构 Fe()遇氧不可逆地通过氧桥形成稳定二聚体，失去结合氧的能力25C， 吡啶溶液中存在约20h 20C，稳定存在数日氧合和脱氧平衡氧合和脱氧平衡4445具有载氧功能的帽状Fe()-卟啉配合物顶部的孔隙可以让亲脂的氧分子自由地出入, 低温使它形成二聚体的反应速率大大降低。 4546()利用低温，减缓二聚体的形成速率 虽不具空间位阻，却可在45低温下，在溶液中可逆地结合O2。带咪唑基团的Fe()-卟啉配合物4647() 利用刚性支撑

27、 将改性的硅胶通过3-咪唑丙基(IPG)把Fe(TPP)(B)2和表面的硅原子结合在一起,然后在氦气中加热, 脱去轴向的B配体(吡啶或哌啶), 产生活性配位位置, 形成类似于Hb和Mb中Fe()的五配位卟啉配合物(IPG)Fe(TPP), 该配合物活性位置能可逆地结合氧 。(IPG)Fe(TPP)(B)2 氧合脱氧平衡氧合脱氧平衡47TPP: 四苯基卟啉48细胞色素细胞色素P-450酶酶细胞色素：一类氧化还原酶，是卟啉型配体与Fe配位的一组血红素蛋白，Fe原子处于埋藏在蛋白质分子内的卟啉配位环境中， 通过活性部位上的Fe() 和Fe()之间的穿梭变化而起作用。 细胞色素P-450酶：一种单加氧

28、酶(monooxygenase)， 以Fe卟啉为活性中心， 能够使氧通过催化作用加合于底物的一族酶的总称。 RH + 1/2 O2 R-OH主要存在于动物的肝, 脾和肾的内质网, 肾上腺皮质的线粒体以及一些细菌中。取名为”P-450” 是因为它的卟啉在蓝色至近紫外区所特有的吸收带(Soret带450 nm) 在这些分子的羰基配合物(该蛋白质在还原型时形成CO配合物)中红移至450 nm处。由397个氨基酸残基组成, 相对分子质量约为45000。4849P-450 的催化循环 49RH ROH 利于生物体排除毒品、类固醇前体和农约等疏水化合物底物竞争反应50细胞色素细胞色素(cytochrome

29、) C 唯一可溶的细胞色素，最典型的氧化还原蛋白酶，在呼吸链的细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶之间传递电子。 5051Zn2+ Zn 在人体中的含量为23g, 仅次于铁，比Cu高6倍，人体中的Zn，大约1/31/4储存在皮肤和骨骼中，血液中的锌，12-20在血浆，75-80在红细胞-，3在白细胞 每个红细胞中的含锌量是白细胞中的25倍以上。红细胞中的锌主要在碳酸酐酶中。Zn2+易与PO43结合，磷酸酯被碱性磷酸酯酶水解的过程与 Zn有密切的关系。Zn2+可以促进创口愈合，可以将视网膜固定在脉络膜上，Zn还在遗传学上，人体的骨骼发育等生理活动中起重要作用侏儒症就是先天性缺锌的结果。5152碳酸酐酶

30、碳酸酐酶(carbonic anhydrase) 催化反应： CO2+ H2O = H2CO3活性位置含一质子传递基团，可以是氨基酸残基(可能是His组氨酸64) 或某种缓冲分子，有复杂氢键系统和众多H2O,在pH值较低的情况下，Zn()是四配位的，而当与之结合的水分子发生电离时，可能是五配位的。52 H O O: C Zn H O O H H O Zn H + HCO3- 组氨酸咪唑中N催化活性基团可能是Zn- H2O Zn()在pH较低时四配位pH较高时53羧肽酶羧肽酶 羧肽酶A(carboxypeptidase A, CPA): 催化蛋白质羧端肽键的水解，含有一条307个氨基酸残基的蛋白

31、质链加上一个Zn()离子，分子量依赖于不同的来源，由3000035000。椭球形分子，大小为500042003800pm, 在晶体中含有45的水，而CPA的活性正和水有关。 5319654酸碱催化机理, 受谷氨酸270激活的水分子释放出OH-, OH- 进攻肽键的羰基碳原子，同时，酪氨酸248的-OH基团提供一个质子给肽键的氮原子。完成肽键的水解。它还是一种酯酶，催化活性比肽酶高约5103倍。CPA的催化机理5454极化作用Lewis酸谷氨酸酪氨酸精氨酸55Cu2+ 铜在人体中的含量为100150mg, 是一种重要的痕量元素，主要作用是进行氧化还原反应。铜存在于12种酶中，如血蓝蛋白，超氧化物

32、歧化酶，蓝铜蛋白等.(a) 血蓝蛋白血蓝蛋白(henocyanin) 血蓝蛋白在某些动物的血液中是载氧体，比如蜗牛, 章鱼,螃蟹等。天然的血蓝蛋白分子量约78106。每个分子含120个亚单元，有着特征的深蓝色，O2分子结合在两个Cu+上, 55（组氨酸碱性基团）56 (b) 超氧化物歧化酶（超氧化物歧化酶（superoxide dismutase SOD） 牛超氧化物歧化酶结构示意图牛超氧化物歧化酶结构示意图 SOD 可以清除人体的超氧负离子自由基, 被誉为人体中的清道夫，具有防御氧的毒性，抗腐蚀损伤，延缓衰老，防治肿瘤等多种生物功能。56当单电子传递当单电子传递,O2得到一个电子产生超氧负离

33、子得到一个电子产生超氧负离子自由基自由基: O2 +e O2. O2. 高破坏高活性高破坏高活性,它能它能进一步产生其他有害机体的自由基进一步产生其他有害机体的自由基. O2. + H+ HO2. HO2. +HO2. O2 + H2O2H2O2 + e- OH- + HO . 羟基自由基具有更高的反应活性羟基自由基具有更高的反应活性,能够与多种能够与多种化合物反应化合物反应,产生有害的自由基产生有害的自由基.超氧化物歧化超氧化物歧化酶能催化酶能催化O2. 自由基的歧化反应自由基的歧化反应O2. + O2. + 2H+ H2O2 + O2生成的生成的H2O2再经过过氧化氢酶催化分解为再经过过氧

34、化氢酶催化分解为H2O 和和 O2 H2O2 + H 2O2 2H2O + O257牛超氧化物歧化酶牛超氧化物歧化酶Cu与与Zn的结合部位的结合部位Cu2Zn2SOD活性部位的喇叭筒结构活性部位的喇叭筒结构 喇叭筒结构可使 SOD能够高效率地清除氧自由基57天门冬氨酸精氨酸苏氨酸5859血浆中9095的铜结合在铜蓝蛋白中，这是一种蓝色的蛋白质，分子量为151000，每个分子中含有8个铜原子，4个为Cu(), 四个为Cu()，蓝色来源于Cu()。在铁的新陈代谢中，Fe()氧化成Fe()需要铜蓝蛋白的催化氧化，以利于Fe()和蛋白质的结合形成运铁蛋白，然后将铁输运到骨髓合成血红蛋白，铜蓝蛋白还能在

35、肝脏中将Fe()还原到Fe()，用于合成血红蛋白，可见，没有铜，铁氧气就不能传递，不能结合在血红素中，红细胞就不能成熟，缺铜也会引起贫血症。(c.)铜蓝蛋白头发和皮肤的颜色都与人体中的黑色素有关，黑色素是由酪氨酸氧化生成的，体内有一种酶，叫酪氨酸酶，能够催化这种氧化反应。而酪氨酸酶就是一种含铜酶， 遗传性的白化症就是由于先天性缺乏酪氨酸酶或黑色素而导致的。白癜风也和缺铜有关.5960Co2+ B12目前已知唯一含Co的生物分子, 是唯一含金属离子的维生素。人体中Co的含量为25mg, 主要集中在肝脏中。B12 是一种反磁性的Co的配合物，B1 2 的结构是1957年Dorothy C. Hod

36、gkin和其合作者通过X-射线衍射确定的。Hodgkin也因此获得了1964年的Nobel化学奖。60在B12辅酶中含有Co-C键，这是在生命系统中发现的第一种有机金属化合物，在自然界中是罕见的。 5-脱氧腺苷基维生素B12 ，B12辅酶61B12和B12辅酶形式参与多种重要的新陈代谢，具有多种生理功能，如参与蛋白质的合成，叶酸的储存，以及硫醇酶的活化，其主要功能是促使红细胞成熟，缺少B12，血液中会出现一种没有细胞核的巨红细胞，引起恶性贫血症。VB12可以发生1电子或2电子还原，分别生成Co()(VB12r)和Co()(VB12s)配合物，Co()配合物为强亲核性，在VB12的生理功能中起重

37、要作用，它容易通过氧化加成甲基化，如：1212B3B3VCo(I)CH IVCo(II)CH I VB12(CoI)与三磷酸腺苷(ATP)反应，联结上5-脱氧腺苷基（可以在腺苷与钴之间形成CoC或Co-R键,）即生成B12辅酶。6162B12辅酶在某些特殊酶的存在下，可以催化某些异构化反应，如： B12辅酶也可以催化某些相邻碳原子之间的取代基交换反应，如哺乳动物体内在B12辅酶协助下的甲基丙二酰辅酶A转变为丁二酰辅酶A的反应.这种催化反应可以概括为：即相邻两个碳原子之间的R与H交换。62632. 金属中毒与解毒金属中毒与解毒 (1) 金属中毒金属中毒 (a) 封闭了生物分子必要的功能基团, 使

38、生物分子丧失正常功能 例：亲硫的Hg(), Pb(), Cd()容易和蛋白质分子中 的Cys(半胱氨酸)残基的巯基(-SH)结合, 而后者处于 很多酶的活性部位; (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。6364a. 汞中毒 主要的金属离子中毒: 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, 转

39、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.6465b. 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取

40、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地半胱氨酸残基地-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较高，说明镉的代谢和钙的代谢之间存在某种联系, 钙含量高时, 镉吸收少。6566c. 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的

41、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。d. 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。6667 硒是有益身体健康

42、的, 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.e. 硒中毒 6768f. 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Al

43、3+穿透生物细胞, 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

44、有关, 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。6869(2) 解毒解毒 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:细菌清除重金属的几种机制细菌清除重金属的几种机制(a) 与外膜的结合作用，与外膜的结合作用， (b) 通过化学还原或甲基化通过化学还原或甲基化 作用形成易挥发物种，作用形成易挥发物种，(c) 被配体或蛋白质结合，被配体或蛋白质结合， (d) 用离子

45、通道运出细胞外用离子通道运出细胞外6970 酵母, 真菌, 高等植物以及动物体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() 0.40 Cs+ 0.334可以看出18-冠-6 (0.260.32nm)的直径内腔与K+有最好的尺寸匹配，表现出最强的配位能力和最高的选择性（是Na+的55倍，Cs+的42倍）9091为了提高冠醚对某一离子的识别能力和选择性，人们对高度对称性的冠醚进行修饰和引入功能性基团，侧臂，手性等。一些低对称性

46、的冠醚对某些特定离子的识别能力反而更高将18-冠-6中的两个O被N代替后，提高了对Ag+的络和能力，但对K+的识别能力降低了 (软硬酸碱原理) 。例：9192刚性的冠醚分子中引入额外的亚甲基，改变分子对称性, 是设计和合成高选择性主体化合物的一条新途径。例：冠醚 环腔尺寸 Li+/Na+选择性12-冠-4 0.1614-冠-4 0.14nm 16.3Li+直径：0.152nm9293例：两种结构的冠醚, 相对于未引入刚性脂肪族环的15-冠-5, 对碱金属离子的键合能力都有较大提高。在柔性的冠醚上引入刚性的脂肪族环可以使构型固定化, 提高对金属离子的键合能力。三种不同结构的冠醚对若干一价金属离子

47、的萃取率三种不同结构的冠醚对若干一价金属离子的萃取率化合物化合物 萃取率萃取率 Na+ K+ Rb+ Cs+ Ag+ Tl+15-冠冠-5 4.52 4.40 4.29 3.74 5.00 5.08(a) 13.1 7.6 6.8 6.2 55.3 34.6(b) 41.0 14.5 12.7 6.2 65.0 45.09394b. 臂式冠醚臂式冠醚(lariat ethers) 在冠醚环上引入功能侧臂，由于在臂中有供电子的原子，在配位过程中可以产生诱导的三维空间，因而增加了对金属离子的配位能力和配位选择性。 9495比如在低对称性的冠状化合物13-冠-4中引入具有给电子原子的侧臂后，对Li+

48、的萃取率高达50，而母体只有0.8，顺式的含环己基的冠醚为Li+/Na+ 的选择性达到15.4 。9596臂式冠醚的冠醚环上具有杂原子硫时, 对Ag+, Hg2+ 等重金属离子有强的键合能力 9697 (c)对Pr3+显示了高的配位选择性, 而(b)则对 Nd3+表现了高的选择性, 尺寸匹配效应和供电子原子的取向可能是导致其特殊的选择性的原因。臂式冠醚有碳支点和氮支点等不同类型，以氮为支点的臂式冠醚较之以碳为支点的臂式冠醚有一定的柔性, 在配位过程中可以调节诱导的三维空间, 对于稀土离子显示了特殊的配位能力和配位选择性。9798双冠醚双冠醚( bis-crown ethers) 在一个分子内同

49、时有两个冠醚冠醚单元的双冠醚，可以通过形成夹心的配合物提高与金属离子的配位能力 9899环尺寸小于Na+, K+直径但可以形成2:1的开式夹心结构，对Na+的萃取率高于单冠醚。当n =2时比n =3时对Na+ 有更强的键合能力直链烷烃为桥链的比酮型双冠醚对轻稀土离子有更大的键合强度99桥链100穴醚穴醚(dyptands) 大二环与金属离子络合的示意图大二环与金属离子络合的示意图按其结构可分成两大类：大二环和大三环型筒状三环大穴醚络合金属离子示意图筒状三环大穴醚络合金属离子示意图100101当金属离子的直径与穴醚的空腔大小匹配时，两者有较强的离子-偶极相互作用和离子键合能力，可形成高度稳定的配

50、合物。几种筒状大三环穴醚几种筒状大三环穴醚101102球状大三环穴醚空腔直径为0.320.34 nm直径 0.40nm三种穴醚对碱金属，碱土金属离子的配位稳定常数三种穴醚对碱金属，碱土金属离子的配位稳定常数(lgKs)(a)(b)(c)穴醚穴醚 Na+ K+ Rb+ Cs+ Ca2+ Sr2+ Ba2+(a) 1.6 3.4 4.2 3.4 4.1 6.7 8.2 (b) 1.8 2.5 3.3 2.8 2.4 2.8 5.3(c) - 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 3.7102103(2)环糊精分子识别（环糊精分子识别（cycoldextrins CD） a. 环糊精简介环糊精简介

51、 环糊精是一定数量的D-(+)-吡喃葡萄糖单元通过-1,4-苷键首尾相连成环的大环化合物, 常见的有、三种不同的类型, 分别含有6, 7, 8个葡萄糖单元。103104含含6、7、8个葡萄糖结构单位的环糊精分别称个葡萄糖结构单位的环糊精分别称为为、环糊精。环糊精。 类类 别别 孔径孔径 与与I2显示的颜色显示的颜色环糊精环糊精 +150.5 0.6nm 青色青色环糊精环糊精 +160.0 0.8nm 黄色黄色环糊精环糊精 +177.4 1.0nm 紫褐色紫褐色t105 环糊精由葡萄糖结构单位相互以环糊精由葡萄糖结构单位相互以1，4苷键相连苷键相连接组成。其构型象一个上大下小而无底的桶。顶部有接

52、组成。其构型象一个上大下小而无底的桶。顶部有来自来自C2、C3的的12个羟基（相互间以氢键相连是刚性结个羟基（相互间以氢键相连是刚性结构）；底部有来自构）；底部有来自C5的的6个羟甲基；分子空腔的内壁个羟甲基；分子空腔的内壁则由则由CH、CC、CO键形成，具有疏水性。键形成，具有疏水性。 环糊精具有极性的外侧和非极性的内侧。它可以环糊精具有极性的外侧和非极性的内侧。它可以与非极性的分子形成包合物（与非极性的分子形成包合物（Inclusion complex）而溶于极性溶剂。而溶于极性溶剂。106环糊精及其衍生物具有不同尺寸的疏水性内腔和亲水性表面，具有手性微环境，可选择性地键合各种有机，无机以

53、及生物分子形成主客体或超分子化合物, 环糊精与客体分子形成配合物时, 存在着疏水相互作用, 范德华相互作用, 氢键, 静电相互作用等106107环糊精在与客体分子包结形成配合物的过程是,其空腔内溶剂分子的释放，主客体之间弱键的形成，客体分子的脱溶剂化以及其溶剂分子重组的协同过程。 107108b. 天然环糊精的分子识别天然环糊精的分子识别 由于CD空腔边缘-OH间的氢键网络作用而具有一定的刚性，因此，客体分子与空腔间的尺寸匹配在决定主客体间所形成的配合物稳定性中起重要作用。环糊精三种不同的类型的空腔尺寸分别为0.174，0.262，0.427 nm3。通过选用金刚烷甲酸作为模型底物分子, 考查

54、-, -, - 三种环糊精主体分子的包结配位能力, 发现-环糊精与之可以形成最稳定的超分子配合物, 这可能是金刚烷骨架结构的直径大约为0.7nm, 与-环糊精的空腔尺寸最匹配。最适合包结单环芳烃（苯，苯酚）等; 与萘环匹配, 适于和筒状和球状分子结合, 与金刚烷, 二茂铁以及环状二烯的过渡金属配合物均能形成高度稳定的配合物; 与蒽菲等三环芳烃结合最稳定, 其空腔可容纳芘和甾体化合物等大尺寸的客体分子, 可以与12-冠-4包结形成完美的晶体结构, 与C60, C70等富勒烯分子形成化学计量为2:1的包结物。 108109例：-CD与溴化十六烷基三甲基季胺盐(CTABr)在水, 乙醇-水, 和N-

55、甲基乙酰胺(NMA)-水溶液中的包结配位作用不同溶剂对环糊精的包结配位作用的影响随着体系中有机溶剂含量的增加, 超分子体系的稳定性下降溶剂 KS/dm3mol-1 溶剂 KS/dm3mol-1 H2O 22401M EtOH 2000 0.5M NMA 11902M EtOH 1670 1M NMA 11403M EtOH 690 2M NMA 6204M EtOH 450 3M NMA 270-CD与与 CTABr 在不同溶剂中的配位作用在不同溶剂中的配位作用不同的溶剂对CD的包结配位能力有影响109110例：对4-羟基-偶氮基-4-甲酸与-环糊精在水溶液中和二甲基甲酰胺(DMF)中分别采用

56、轴向和赤道向两种不同的配位模式。不同的溶剂甚至可以改变包结配位模式110111溶剂的酸度和离子强度也会对主客体配合物的稳定性产生影响, 如对硝基苯酚与环糊精的配位作用, 在pH = 9时最大, 因为对硝基苯酚在酸性和碱性条件下达成不同的平衡, 环糊精对碱性条件下的共轭形式包结能力更强。当使用强碱性的溶剂时, 环糊精羟基发生脱质子作用或空腔疏水性遭到破坏, 丧失了对客体分子的包结配位能力。 酸性条件酸性条件 碱性条件 111112c. 化学修饰环糊精的分子识别化学修饰环糊精的分子识别 (a) 拥有电荷中心的化学修饰的环糊精拥有电荷中心的化学修饰的环糊精 拥有电荷中心的化学修饰的环糊精由于取代基团

57、可以与合适客体分子产生库仑相互作用，使主客体间在范德华力和疏水相互作用的基础上增加新的识别点，而在特定情况下使这种静电力上升到形成配合物的主要驱动力，从而产生特殊的分子识别效果。1molL-1 NaOH下：-CD对芳香基氨基酸无包结能力，Cu2-CD 对色氨酸的包结能力比-CD提高了10倍,Cu2+电荷中心的引入可以对氨基酸阴离子产生静电相互作用增加配合物的稳定性。-环糊精双铜配合物（Cu2-CD） 112113例：带负电荷的磷酰基-CD与带正电荷的芳香客体分子通过磷酸-阳离子桥形成稳定的超分子配合物, 如果CD上的磷酸基团被磷酸酶催化水解离去, 则主体对客体分子的键合能力下降, 在某种条件下

58、将从客体分子释放出来。113114(b) 拥有生色基团的化学修饰的环糊精 对荧光物质从极性环境进入到非极性环境中时，它们的量子产率一般会增加，荧光强度增加，环糊精的空腔为疏水性，当荧光客体进入环糊精空腔后，荧光强度会增加，因此，环糊精空腔可作为荧光增感剂。ab荧光大大增强，荧光发射峰蓝移，表明其从水溶液中进入-CD疏水空腔cd荧光强度更高，蓝移程度更大，表明取代基与-CD空腔的作用。a. N-甲基苯胺甲基苯胺b. N-甲基苯胺甲基苯胺-CDc.单单(6-苯胺苯胺-6-脱氧脱氧)-CDd.单单6-(间间-甲基苯胺甲基苯胺)-6-脱氧脱氧-CD 荧光客体与荧光客体与CD空腔作用时荧光光谱的变化空腔

59、作用时荧光光谱的变化114115荧光基团修饰的环糊精作为光谱探针115116带有生物素(Biotin)的丹酰修饰-CD, 在与客体包结后, 荧光性质发生了抗生物素蛋白(Avidin)效应, 116受Guost影响荧光强度下降非极性环境中极性环境中整体比上述荧光强度增，但受Guost影响不大1-二甲基氨基-5-萘磺酰基117在抗生物素蛋白的存在下, 修饰环糊精的荧光强度比没有抗生素蛋白存在时的荧光强度高三倍。 荧光寿命研究表明, 在抗生素蛋白存在时, 丹酰基团并没有暴露在大量水中, 而是在抗生素蛋白的疏水区域。没有抗生素蛋白存在时, 加入脱氧胆酸客体后, 修饰环糊精的荧光强度下降, 表明丹酰基团

60、从环糊精疏水空腔中而进入水中，而有抗生素蛋白存在时, 加入脱氧胆酸客体后, 修饰环糊精的荧光强度没有明显下降, 表明抗生素蛋白扰乱环糊精衍生物的包结现象。1-二甲基氨基-5-萘磺酰氯(丹酰氯, Dansyl chloride), RCH COOHH2N+N(CH3)2SO2ClN(CH3)2SO2NHCHRCOOH+ HCl118(d) 桥联环糊精的识别 将环糊精通过各种功能基团或特定的桥链基团连接后，相邻CD空腔可能协同参与对形状与尺寸适合的客体分子的包结配位作用，扩展分子键合能力形成高稳定性的超分子配合物。 乙二胺双桥联乙二胺双桥联环糊精环糊精甲基橙分子甲基橙分子例：乙二胺双桥联-CD与甲