生物无机化学2

1、生物无机化学生物无机化学Bioinorganic chemistryBioinorganic chemistry主讲教师主讲教师 霍涌前霍涌前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 n蛋白质的结构、蛋白质的性质。蛋白质的结构、蛋白质的性质。n应用晶体场理论知识解决生物无机应用晶体场理论知识解决生物无机化学中配合物的电子光谱、磁性。化学中配合物的电子光谱、磁性。n第一节第一节 蛋白质蛋白质n第二节第二节 核酸及其金属配合物核酸及其金属配合物n第三节第三节 生物无机化学体系中的配位生物无机化学体系中的配位化学原理化学原理主要内容主要内容教教学学重重点点p掌握蛋白质空间结构。掌握蛋白质

2、空间结构。p掌握掌握DNADNA双螺旋结构模型要点。双螺旋结构模型要点。p应用晶体场理论知识解决生物无机化学应用晶体场理论知识解决生物无机化学中配合物的电子光谱、磁性等。中配合物的电子光谱、磁性等。p了解混配配合物的形成及其生物意义。了解混配配合物的形成及其生物意义。教学目标及基本要求教学目标及基本要求p 生物无机化学中配合物的电子光谱、生物无机化学中配合物的电子光谱、磁性。天然氧载体的作用原理。磁性。天然氧载体的作用原理。 教学难点教学难点图图. .氨基酸的分子结构氨基酸的分子结构第一节第一节 氨基酸氨基酸 氨基酸的缩写符号氨基酸的缩写符号 名称名称三字符号三字符号丙氨酸丙氨酸Ala精氨酸精

3、氨酸Arg天冬氨酸天冬氨酸Asp半胱氨酸半胱氨酸Cys谷氨酰胺谷氨酰胺Gln谷氨酸谷氨酸Glu/Gln组氨酸组氨酸His异亮氨酸异亮氨酸Ile甘氨酸甘氨酸Gly名称名称三字符号三字符号天冬酰胺天冬酰胺Asn亮氨酸亮氨酸Leu赖氨酸赖氨酸Lys甲硫氨酸甲硫氨酸Met苯丙氨酸苯丙氨酸Phe脯氨酸脯氨酸Pro丝氨酸丝氨酸Ser苏氨酸苏氨酸Thr色氨酸色氨酸Trp酪氨酸酪氨酸Tyr缬氨酸缬氨酸Valn按按R R基团结构特点基团结构特点：脂肪族氨基酸、：脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸。芳香族氨基酸和杂环氨基酸。n营养学角度营养学角度：必需氨基酸、非必需：必需氨基酸、非必需氨基酸。氨基酸。n按按R

4、 R基团极性基团极性：非极性氨基酸、疏：非极性氨基酸、疏水氨基酸。水氨基酸。一、氨基酸的分类一、氨基酸的分类赖氨酸赖氨酸：促进大脑发育，能促进脂肪代谢，：促进大脑发育，能促进脂肪代谢，调节松果腺、乳腺等，防止细胞退化。调节松果腺、乳腺等，防止细胞退化。 色氨酸色氨酸：促进胃液及胰液的产生。：促进胃液及胰液的产生。苯丙氨酸苯丙氨酸：参与消除肾及膀胱功能的损耗。：参与消除肾及膀胱功能的损耗。 蛋氨酸蛋氨酸：参与组成血红蛋白、组织与血清，：参与组成血红蛋白、组织与血清，有促进脾脏、胰脏及淋巴的功能。有促进脾脏、胰脏及淋巴的功能。苏氨酸苏氨酸：有转变某些氨基酸达到平衡功能。：有转变某些氨基酸达到平衡功

5、能。 分类分类 从营养学角度从营养学角度共有共有10种种异亮氨酸异亮氨酸：参与胸腺、脾脏及脑下腺的调：参与胸腺、脾脏及脑下腺的调节以及代谢；脑下腺属总司令部作用于甲节以及代谢；脑下腺属总司令部作用于甲状腺、性腺。状腺、性腺。 亮氨酸亮氨酸：作用平衡异亮氨酸。：作用平衡异亮氨酸。缬氨酸缬氨酸：作用于黄体、乳腺及卵巢。：作用于黄体、乳腺及卵巢。 精氨酸精氨酸：精氨酸与脱氧胆酸制成的复合制：精氨酸与脱氧胆酸制成的复合制剂是主治梅毒、病毒性黄疸等病药物。剂是主治梅毒、病毒性黄疸等病药物。 组氨酸组氨酸：但对幼儿却为必需氨基酸。但对幼儿却为必需氨基酸。 复复习习二、氨基酸的立体异构和旋光性二、氨基酸的立

6、体异构和旋光性n光吸收：光吸收：在近紫外区在近紫外区(220-300nm)只有酪氨只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。完全吸收完全吸收完全透过完全透过吸收黄色光吸收黄色光光谱示意光谱示意表观现象表观现象复合光复合光Why ? ? ?6颜色与光的关系颜色与光的关系透过光和吸收光是互补色光。透过光和吸收光是互补色光。 紫外吸收光谱、可见吸收光谱都属于紫外吸收光谱、可见吸收光谱都属于电子光谱，它们都是由于价电子的跃迁而电子光谱，它们都是由于价电子的跃迁而产生的。利用物质的分子或离子对紫外和产生的。利用物质的分子或离子对紫外和可见光的吸收所产生的紫外可见光谱

7、及吸可见光的吸收所产生的紫外可见光谱及吸收程度可以对物质的组成、含量和结构进收程度可以对物质的组成、含量和结构进行分析、测定、推断。行分析、测定、推断。 l 在有机化合物分子中有在有机化合物分子中有电子、电子、电子、未电子、未 成键成键n电子。当分子吸收一定能量的辐射能电子。当分子吸收一定能量的辐射能 时，这些电子就会跃迁到较高的能级，此时时，这些电子就会跃迁到较高的能级，此时 电子所占的轨道称为电子所占的轨道称为反键轨道反键轨道。 l 小分子有机物电子的跃迁类型小分子有机物电子的跃迁类型: *、n*、 、 n*l 常见跃迁类型：常见跃迁类型： *、n*、*、n* 远紫外区远紫外区150nm，

8、测定，测定C-C、C-H 等。等。紫外区紫外区150230nm，测定，测定-OH、-NH 2等。等。E1带带 ，190nm， 芳香环芳香环C=C-C=C等。等。K(E2)带带 ，217nm，共轭多烯，共轭多烯-C=C-C=O-等。等。B 带带，250 nm芳香芳香环或其杂环的吸收。环或其杂环的吸收。R带带。 200400nm， C=O、C=S、N=O、N=N、C=N等。等。*n* n* 酪氨酸酪氨酸 (2S,3R)-2-氨基氨基-3-对对 羟苯基丙酸羟苯基丙酸 max = 275nm 苯丙氨酸苯丙氨酸 2-氨基氨基-3-苯基丙酸苯基丙酸 max = 257nm 色氨酸色氨酸 -吲哚基丙氨酸吲哚

9、基丙氨酸 max = 280nm图图. .几种氨基酸的几种氨基酸的UVUV谱图谱图图图. . 氨基酸在人体的存在形式氨基酸在人体的存在形式 存储功能蛋白存储功能蛋白 抗体抗体 酶酶 运输功能运输功能 肌动蛋白肌动蛋白 结构蛋白结构蛋白荷尔蒙荷尔蒙第二节第二节 蛋白质蛋白质一、一、分分类类血红蛋白血红蛋白问题：血红蛋白如何运输问题：血红蛋白如何运输O2、CO2、Fe2+？离子通道离子通道问题：离子通道如何运输金属离子？问题：离子通道如何运输金属离子？ 金属离子与生物大分子结合后，会发金属离子与生物大分子结合后，会发生明显的生物化学效应。生明显的生物化学效应。 n肽键：脱水后形成写作肽键：脱水后形

10、成写作-CO-NH-。n肽单位：肽键的四个原肽单位：肽键的四个原子和与之相连的两个子和与之相连的两个-碳碳原子所组成的基团。原子所组成的基团。n肽链主链上的重复结构肽链主链上的重复结构称为肽单位或肽基。称为肽单位或肽基。二、肽二、肽 图图. 肽链的相互作用肽链的相互作用多肽链拆分。多肽链拆分。 n测蛋白质分子测蛋白质分子多肽链数目。多肽链数目。 n二硫键断裂。二硫键断裂。一级结构一级结构三、蛋白质三、蛋白质1 1、蛋白质的结构、蛋白质的结构 图图. . 蛋白质结构及蛋白质结构及二硫键二硫键n肽链的主链在空间的排列肽链的主链在空间的排列, ,或规则的几何或规则的几何走向、旋转及折叠。走向、旋转及

11、折叠。蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 图图.左手和右手螺旋左手和右手螺旋 - -螺旋：肽平面螺旋：肽平面的键长和键角一定的键长和键角一定, ,肽键的原子排列呈肽键的原子排列呈反式构型反式构型, ,相邻的肽相邻的肽平面构成两面角。平面构成两面角。蛋白质分子为右蛋白质分子为右手手 - -螺旋。螺旋。a-helix right-handed 3.6 aa per turn hydrogen bond N-HO=C图图.three polypeptide intertwinedProtein structureProtein structure Secondary -折叠：由两条或折叠：由两条或 多

12、条几乎完全伸展多条几乎完全伸展 的肽链平行排列，的肽链平行排列， 通过链间的氢键交通过链间的氢键交 联而形成的。联而形成的。两种类型：两种类型： 平行式、反平行式平行式、反平行式图图. . - -折叠折叠平行式、反平行式平行式、反平行式根据根据X射线衍射射线衍射分析，角蛋白的空分析，角蛋白的空间结构有间结构有-螺旋结螺旋结构构(-角蛋白角蛋白)和和-折折叠片层结构叠片层结构(-角蛋角蛋白白)两种类型。前者两种类型。前者如如羊毛羊毛，后者如，后者如丝丝心蛋白心蛋白。 角蛋白角蛋白 图图. . - -转角转角 图图. .超二级结构超二级结构-helix-sheet图图.Secondary stru

13、ctures, -helix and -sheet, have regular hydrogen-bonding patterns.蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构图图. .蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构Tertiary structureQuaternary structure图图. .蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构寡聚蛋白寡聚蛋白亚基亚基四级结构四级结构亚基的种类数亚基的种类数量以及各个亚基量以及各个亚基在寡聚蛋白质中在寡聚蛋白质中的空间排布和亚的空间排布和亚基间的相互作用。基间的相互作用。图图. .蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构一级结构一级结构二级结

14、构二级结构超二级结构超二级结构结构域结构域三级结构三级结构亚基亚基四级结构四级结构2、蛋白质分子中的共价键与次级键、蛋白质分子中的共价键与次级键图图. .蛋白质的结构蛋白质的结构n维系蛋白质分子的一级结构维系蛋白质分子的一级结构 肽肽 键、二硫键键、二硫键n维系蛋白质分子的二级结构维系蛋白质分子的二级结构 氢氢 键键n维系蛋白质分子的三级结构维系蛋白质分子的三级结构 疏水相互作用力、氢键疏水相互作用力、氢键 范德华力、盐键范德华力、盐键n维系蛋白质分子的四级结构维系蛋白质分子的四级结构 范德华力、盐键范德华力、盐键 图图.蛋白质的作用力蛋白质的作用力a.离子键离子键 b.氢键氢键 c.疏水相互

15、作用力疏水相互作用力 d.范德华力范德华力 e.二硫键二硫键 f.酯键酯键疏水相互作用力疏水相互作用力u在蛋白质多肽链的空间折在蛋白质多肽链的空间折 叠、生物膜的形成、生物叠、生物膜的形成、生物 大分子之间的相互作用以大分子之间的相互作用以 及酶对底物分子的催化过程中常常起着及酶对底物分子的催化过程中常常起着关键的作用。关键的作用。u非极性分子之间或分子的非极性基团之非极性分子之间或分子的非极性基团之间在水环境中相互吸引并聚集在一起，间在水环境中相互吸引并聚集在一起，而把原来处在非极性基团附近的水分子而把原来处在非极性基团附近的水分子排挤出去排挤出去，使周围水分子的熵值增加。，使周围水分子的熵

16、值增加。疏水相互作疏水相互作用力对维持三用力对维持三级结构特别重级结构特别重要。要。 二硫键越多，二硫键越多，蛋白质分子构蛋白质分子构象越稳定。象越稳定。离子键离子键 氢键氢键范德华力范德华力 疏水相互作用力疏水相互作用力图图. .蛋白质的多种作用力蛋白质的多种作用力3 3、蛋白质分子结构与功能的关系、蛋白质分子结构与功能的关系【例【例】镰刀形贫血病患者血红细胞合成了镰刀形贫血病患者血红细胞合成了一种不正常的血红蛋白。正常血红蛋白第一种不正常的血红蛋白。正常血红蛋白第6 6位残基是极性谷氨酸残基，患者血红细位残基是极性谷氨酸残基，患者血红细胞中换成了非极性的缬氨酸残基。使血红胞中换成了非极性的

17、缬氨酸残基。使血红蛋白细胞收缩成镰刀形，输氧能力下降，蛋白细胞收缩成镰刀形，输氧能力下降，易发生溶血。易发生溶血。- -氨基戊二酸氨基戊二酸- -氨基异戊酸氨基异戊酸Comparison of normal and sickle cell hemoglobin图图. u豆腐豆腐是大豆蛋白质的浓溶液加热加盐而是大豆蛋白质的浓溶液加热加盐而成的变性蛋白凝固体。成的变性蛋白凝固体。u高温消毒高温消毒使杂菌的菌体蛋白质变性失活，使杂菌的菌体蛋白质变性失活，致使杂菌以达到灭菌的目的。致使杂菌以达到灭菌的目的。u人体衰老人体衰老、皮肤变粗糙、干燥是因蛋白、皮肤变粗糙、干燥是因蛋白质逐渐变性，亲水性相应减弱

18、的结果。质逐渐变性，亲水性相应减弱的结果。u紫外线照射可引起紫外线照射可引起白内障白内障。眼球晶体蛋。眼球晶体蛋白质的变性凝固。白质的变性凝固。蛋白质的变性蛋白质的变性 酶的催化作用酶的催化作用调节作用调节作用( (多肽类激素多肽类激素) )运输功能运输功能运动功能运动功能免疫保护作用免疫保护作用( (干扰素干扰素) )接受、传递信息的受体接受、传递信息的受体蛋白质的生物功能蛋白质的生物功能n依据蛋白质的外形：球状蛋白质、纤维状蛋白质依据蛋白质的外形：球状蛋白质、纤维状蛋白质简单蛋白、简单蛋白、结合蛋白结合蛋白 简单蛋白简单蛋白n清蛋白和球蛋白：广泛存在于动物组织中。清蛋白和球蛋白：广泛存在于

19、动物组织中。n谷蛋白和醇溶谷蛋白：植物蛋白。谷蛋白和醇溶谷蛋白：植物蛋白。n精蛋白和组蛋白：存在与细胞核中。精蛋白和组蛋白：存在与细胞核中。n硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中。分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋织中。分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。白。 结合蛋白结合蛋白n色蛋白：血红蛋白、细胞色素等。色蛋白：血红蛋白、细胞色素等。n糖蛋白：细胞膜中的糖蛋白等。糖蛋白：细胞膜中的糖蛋白等。n脂蛋白：血清脂蛋白：血清 - -、 - -脂蛋白等。脂蛋白等。n核蛋白：细胞核中的核糖核蛋白等。胃蛋白酶、核蛋白：细胞核中的核糖核蛋白等。胃蛋

20、白酶、酪蛋白、角蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等。酪蛋白、角蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等。4 4、蛋白质的分类、蛋白质的分类Fibrous proteins: important structural proteins (silk fibroin, keratin in hair and wools )Protein structure 角蛋白角蛋白 初原纤维初原纤维 微管微管图图. .纤维蛋白纤维蛋白第三节第三节 氨基酸、肽和蛋氨基酸、肽和蛋白质的金属配合物白质的金属配合物 -氨基酸氨基酸而言，最常见是二齿配体，以而言，最常见是二齿配体，以-碳上的碳上的氨基氨基和和羧基羧基作为配位基团同金属离作为配

21、位基团同金属离子配位，形成具有五元环结构的较稳定的子配位，形成具有五元环结构的较稳定的螯合物。螯合物。 肽与金属离子配位时，除肽与金属离子配位时，除末端氨基、末端末端氨基、末端羧基和氨基酸残基侧链羧基和氨基酸残基侧链的某些基团可作为的某些基团可作为配位基团外，肽键中的配位基团外，肽键中的羧基和亚氨基羧基和亚氨基也可也可能参与配位。能参与配位。一、氨基酸、肽的金属配合物一、氨基酸、肽的金属配合物二、蛋白质的金属配合物二、蛋白质的金属配合物 在金属蛋白质分子中，两个配位原子之间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酸残基。往往隔着数目很多的氨基酸残基。 一类是一类是金属和蛋白质

22、牢固地结合在一起金属和蛋白质牢固地结合在一起，金属离子是蛋白质的组成部分，将金属离金属离子是蛋白质的组成部分，将金属离子移去或用其它离子取代时，金属蛋白的子移去或用其它离子取代时，金属蛋白的活性也就随之失去。活性也就随之失去。另一类是另一类是金属和蛋白质结合较弱金属和蛋白质结合较弱，金属极，金属极易通过渗析法被除去，且金属与蛋白质之易通过渗析法被除去，且金属与蛋白质之比不恒定。比不恒定。第四节第四节 核酸及其金属配合物核酸及其金属配合物u 核酸的分子结构核酸的分子结构u 金属离子及其配合物与核苷金属离子及其配合物与核苷酸和核酸的相互作用酸和核酸的相互作用Defendants bloodBloo

23、d fromdefendants clothesVictims bloodDNA fingerprinting can help solve crimes DNA probes can identify a bacterial clone carrying a specific geneRadioactive DNATransfercells tofilter1SolutioncontainingprobeTreat cellson filter toseparateDNA strands2Add probeto filter3ProbeDNAGene ofinterestSingle-str

24、andedDNA from cellHydrogen-bondingAutoradiography4Developed filmColonies of livingcells containinggene of interestCompare autoradiographwith master plate5Master plateFilterpaperBacterial colonies containingcloned segments of foreign DNA生物芯片技术生物芯片技术瑞士的内科医生瑞士的内科医生Friedrich Miescher从外科医院包扎伤口的绷带上的脓从外科医院

25、包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称为核素。酸性化合物，将其称为核素。 p 1953年年Watson和和Crick创立的创立的DNA双双螺旋结构模型，为遗传学进入分子水螺旋结构模型，为遗传学进入分子水平奠定了基础，成为现代分子生物学平奠定了基础，成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。发展史上最为辉煌的里程碑。发发现现结构确定结构确定一、核酸的分子组成及电子光谱一、核酸的分子组成及电子光谱 核苷核苷 戊糖戊糖+碱基碱基(OH)(OH)图图. .核苷分子结构核苷分子结构1 1胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONN

26、NH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2图图. .核苷分子结构核苷分子结构2 2图图.脱氧核苷酸的结构脱氧核苷酸的结构图图. .脱氧核苷二磷酸、脱氧核苷三磷酸、双脱氧核苷酸的结构脱氧核苷二磷酸、脱氧核苷三磷酸、双脱氧核苷酸的结构 1953年，年，J. Watson和和F. Crick根据根据DNA结晶的结晶的X-衍射图谱衍射图谱和分子模型，提出和分子模型，提出了了DNA双螺旋结构双螺旋结构模型，对模型的生模型，对模型的生物学意义作出了科物学意义作出了科学的解释和预测。学的解释和预测

27、。 核酸的分子结构核酸的分子结构图图.DNA.DNA双螺旋模型双螺旋模型1 1图图.DNA双螺旋模型双螺旋模型2双螺旋稳定的力双螺旋稳定的力n氢键氢键n碱基堆积力碱基堆积力 疏水相互作用疏水相互作用 范德华力范德华力n离子键离子键在核酸分子中，由在核酸分子中，由于嘌呤碱和嘧啶碱于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系，具有共轭双键体系，一般在一般在260nm260nm左右左右有最大吸收峰，可有最大吸收峰，可以作为核酸及其组以作为核酸及其组份定性和定量测定份定性和定量测定的依据。的依据。核酸的性质核酸的性质图图. DNA的紫外可见光谱的紫外可见光谱 二、金属配合物与二、金属配合物与DNA的相互作用的相互

28、作用 n金属离子与核苷酸的相互作用金属离子与核苷酸的相互作用 n金属配合物与金属配合物与DNA的相互作用的相互作用 n金属离子与金属离子与DNA作用引起的疾病作用引起的疾病举例举例 nDNA与药物与药物 D Drugrug design design金属抗肿瘤药物的研究金属抗肿瘤药物的研究 未来未来DNA计算机计算机工作原理是以瞬间发生的化学反工作原理是以瞬间发生的化学反应为基础，通过和酶的相互作用，应为基础，通过和酶的相互作用，将反应过程进行分子编码，对问将反应过程进行分子编码，对问题以新的题以新的DNA编码形式加以解答。编码形式加以解答。1995年首次报道科学家用年首次报道科学家用“编编程

29、程”DNA链解数学难题取得突破。链解数学难题取得突破。和普通的计算机相比，和普通的计算机相比，DNA计算计算机的优点是体积小，存储的信息机的优点是体积小，存储的信息量却超过目前任何计算机。量却超过目前任何计算机。哥伦比亚大学的哥伦比亚大学的Milan Strojanovic正在讲解其正在讲解其DNA计算机的工作原计算机的工作原理理 DNA计算机用于存储信息的空间仅为普通计算计算机用于存储信息的空间仅为普通计算机的几兆分之一。其信息可存储在数以兆计的机的几兆分之一。其信息可存储在数以兆计的DNA链中。每个链本身就是一个微型处理器。链中。每个链本身就是一个微型处理器。DNA计算机只需几天时间就能完

30、成迄今为止所计算机只需几天时间就能完成迄今为止所有计算机曾进行过的任何运算。有计算机曾进行过的任何运算。所耗费的能量所耗费的能量仅为普通计算机的十亿分之一。仅为普通计算机的十亿分之一。电子计算机一小时能进行许多次运算，但是一电子计算机一小时能进行许多次运算，但是一次只能进行一次指令运算。次只能进行一次指令运算。DNA计算机一次能计算机一次能进行进行10亿个指令计算。亿个指令计算。人脑的功能介于两者之间。人脑的功能介于两者之间。预预测测关于关于DNA的研究的研究 彼得彼得沃特豪斯和王明沃特豪斯和王明波是澳大利亚联邦科学与波是澳大利亚联邦科学与工业研究组织植物产业部工业研究组织植物产业部堪培拉实验

31、室的科研人员。堪培拉实验室的科研人员。1997年，他们在研究植物年，他们在研究植物病毒时发现，通过基因抑病毒时发现，通过基因抑制可以培育出蓝玫瑰。因制可以培育出蓝玫瑰。因此荣膺此荣膺“澳大利亚总理科澳大利亚总理科学奖学奖”。第三节第三节生物无机化学生物无机化学体系中的配位化学原理体系中的配位化学原理 晶体场理论及其应用晶体场理论及其应用 过渡金属配合物的电子光谱过渡金属配合物的电子光谱 过渡金属配合物的磁性过渡金属配合物的磁性 混配配合物的形成及其生物意义混配配合物的形成及其生物意义 从细胞水平、分子水平到电子水平，从从细胞水平、分子水平到电子水平，从DNA基本分子碱基到基本分子碱基到DNA，

32、以至，以至RNA，阐，阐明了小分子配合物和生物大分子之间相互明了小分子配合物和生物大分子之间相互作用和识别机制。作用和识别机制。 提出在金属酶模型化合物结构提出在金属酶模型化合物结构-性质性质-功功能之间的一系列规律，比较研究各种模拟能之间的一系列规律，比较研究各种模拟酶到天然酶与底物的作用，阐明了它们与酶到天然酶与底物的作用，阐明了它们与生物大生物大 分子的结构特征及其与功能之间的分子的结构特征及其与功能之间的关系和作用机理。关系和作用机理。 计亮年计亮年, ,中山大学化学与化学工程学院中山大学化学与化学工程学院生物无机化学的历史回顾生物无机化学的历史回顾 金属离子有条不紊，准确控制、调节和

33、指金属离子有条不紊，准确控制、调节和指挥着生物体内千变万化的化学反应挥着生物体内千变万化的化学反应。研究金属离子和生物配体的相互作用研究金属离子和生物配体的相互作用。金属离子在生物体的物质输送、信息传递、金属离子在生物体的物质输送、信息传递、生物催化和能量转换中起着关键作用生物催化和能量转换中起着关键作用。 生物体自身的金属离子控制着自己的生命生物体自身的金属离子控制着自己的生命过程过程, 是靠生命自己去点燃并照亮生命，是靠生命自己去点燃并照亮生命， 这或这或许才是人得以生生不息的真缔许才是人得以生生不息的真缔。 前言前言例例总统的内幕新闻总统的内幕新闻胡佛先前家境贫寒，学生时代仅以打零工才胡

34、佛先前家境贫寒，学生时代仅以打零工才 勉强维持学业。后又职微薪薄，寄人篱下。勉强维持学业。后又职微薪薄，寄人篱下。当时，开采金矿滤过矿金后就丢弃了。在胡当时，开采金矿滤过矿金后就丢弃了。在胡佛凭借他掌握的化学知识，断定这些佛凭借他掌握的化学知识，断定这些“废物废物”中仍有尚多的黄金，便搞起中仍有尚多的黄金，便搞起“废物利用废物利用”。1929年，年，腰缠万贯腰缠万贯的胡佛成为美国第三十一届总统。的胡佛成为美国第三十一届总统。4Au + 8CN + 2H2O + O2 = 4Au(CN)2 + 4OH 2Au(CN)2 + Zn = 2Au + Zn(CN)42 例例美国总统华盛顿死亡原因美国总

35、统华盛顿死亡原因u美国第一任总统华盛顿在完成了历史赋予他的美国第一任总统华盛顿在完成了历史赋予他的使命之后，于使命之后，于1798年初冬，回到了自己离别年初冬，回到了自己离别16年年的家乡弗农山庄。的家乡弗农山庄。66岁的他准备在这里安度自己岁的他准备在这里安度自己的晚年，一年后，死神奇迹般地夺去了他的生命。的晚年，一年后，死神奇迹般地夺去了他的生命。 身体放血改新颜，提身体放血改新颜，提神醒脑又亮眼，思维清神醒脑又亮眼，思维清晰无悲愁，运动内脏益晰无悲愁，运动内脏益睡眠，听力敏锐精神旺，睡眠，听力敏锐精神旺，声音洪亮每一天。声音洪亮每一天。十二世纪歌谣十二世纪歌谣例例血红蛋白的主要功能血红蛋

36、白的主要功能 佩鲁兹佩鲁兹(M.F.Perutz)，1914年出年出生于奥地利。维也纳大学毕业后在生于奥地利。维也纳大学毕业后在英国剑桥大学攻读英国剑桥大学攻读X射线结晶学，射线结晶学，测定血红蛋白立体构造，于测定血红蛋白立体构造，于1958年年发表血红蛋白的立体结构模型。发表血红蛋白的立体结构模型。 肯德鲁肯德鲁 (J.C.Kendrew)，1917年年出生于英国牛津。出生于英国牛津。1947年成为剑桥年成为剑桥彼得豪斯学院研究员和剑桥医学研彼得豪斯学院研究员和剑桥医学研究理事会分子生物学实验室副主任。究理事会分子生物学实验室副主任。肯德鲁用特殊的肯德鲁用特殊的X射线衍射技术及射线衍射技术及

37、电子计算机技术描述了肌球蛋白螺电子计算机技术描述了肌球蛋白螺旋结构中氨基酸单位的排列。肯德旋结构中氨基酸单位的排列。肯德鲁测定了肌球蛋白的结构。鲁测定了肌球蛋白的结构。 1962年诺贝尔化学奖得主年诺贝尔化学奖得主 离子种类离子种类在细胞中的作用在细胞中的作用Fe2+或或Fe3+血红蛋白、细胞色素血红蛋白、细胞色素Na+维持膜电位维持膜电位K+参与蛋白质合成和某些酶促合成参与蛋白质合成和某些酶促合成Mg2+叶绿素叶绿素、磷酸酶、磷酸酶、 Na+-K+泵泵Mn2+肽酶肽酶Cu2+酪氨酸酶、抗坏血酸氧化酶酪氨酸酶、抗坏血酸氧化酶Co2+肽酶肽酶Mo2+硝酸还原酶、黄嘌呤氧化酶硝酸还原酶、黄嘌呤氧化

38、酶Ca2+钙调素、肌动球蛋白、钙调素、肌动球蛋白、ATP酶酶表表2 阳离子在细胞中的作用阳离子在细胞中的作用1923192319351935年贝特和范弗莱克提出晶年贝特和范弗莱克提出晶体场理论。体场理论。l配合物中中心原子和配位体之间的相互作用，配合物中中心原子和配位体之间的相互作用，主要来源于正负离子之间的静电作用。主要来源于正负离子之间的静电作用。l配位体所形成的负电场使原来简并的配位体所形成的负电场使原来简并的5个个d 轨道轨道在配位场中发生了分裂。在配位场中发生了分裂。l电子优先填充在较低能量轨道上，电子填入电子优先填充在较低能量轨道上，电子填入分裂轨道比处于为分裂轨道的总能量要低，分

39、裂轨道比处于为分裂轨道的总能量要低，这种能量下降值称为晶体场稳定化能这种能量下降值称为晶体场稳定化能 。一、晶体场理论及其应用一、晶体场理论及其应用 晶体场理论要点晶体场理论要点M的的d轨道角度分布图轨道角度分布图d d轨道的能级分裂轨道的能级分裂正八面体配位场图正八面体配位场图 电子云极大值正好与配位体迎头相撞。电子云极大值正好与配位体迎头相撞。受到较大的推斥，使轨道能量升高较多。受到较大的推斥，使轨道能量升高较多。d轨道在轨道在oh场中轨道能级的分裂图场中轨道能级的分裂图 自由离子自由离子 d d轨道轨道球形场球形场Esd(x2y2)dz2,dxz,dxy,dyz10Dqt t2g2geg

40、由于八面体配位体的作用，使中心离子由于八面体配位体的作用，使中心离子d d轨道分裂成两组。轨道分裂成两组。表表3 3 生物体系中某些金属与配位体生物体系中某些金属与配位体金属金属配位体配位体生物体系生物体系Mn咪唑咪唑丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶Fe卟啉、咪唑卟啉、咪唑 血红素、氧化酶、过氧化氢酶血红素、氧化酶、过氧化氢酶Fe含硫配位体含硫配位体铁氧化还原蛋白铁氧化还原蛋白Co咕啉环咕啉环维生素维生素B12Zn-NH2，咪唑，咪唑胰岛素、碳酸酐酶胰岛素、碳酸酐酶Zn(-RS)2醇脱氢酶醇脱氢酶Pb-SH-氨基乙酰丙酮脱水酶氨基乙酰丙酮脱水酶Ni半胱氨酸半胱氨酸脲酶脲酶Cu咪唑、酰胺咪唑、酰胺白蛋白

41、白蛋白表表4 一些金属酶及金属激活酶一些金属酶及金属激活酶金属酶金属酶金属金属离子离子金属激活酶金属激活酶金属金属离子离子碳酸酐酶碳酸酐酶Zn2+柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶K+羧基肽酶羧基肽酶Zn2+丙酮酸激酶丙酮酸激酶K+、Mg2+过氧化物酶过氧化物酶Fe2+丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶Mn2+、Zn2+过氧化氢酶过氧化氢酶Fe2+精氨酸酶精氨酸酶Mn2+己糖激酶己糖激酶Mg2+磷酸水解酶磷酸水解酶Mg2+磷酸转移酶磷酸转移酶Mg2+蛋白激酶蛋白激酶Mg2+、Mn2+锰超氧化锰超氧化物歧化酶物歧化酶Mn2+磷酯酶磷酯酶CCa2+二价第一过渡金属离子八面体弱场配合二价第一过渡金属离子八面体弱场配合物

42、稳定性次序符合埃文物稳定性次序符合埃文-威廉斯规律。威廉斯规律。 Mn2+Fe2+ Co2+ Ni2+ Zn2+1 1、生物配合物的热学稳定性、生物配合物的热学稳定性表表5 某些金属碳酸酐酶的稳定常数某些金属碳酸酐酶的稳定常数(pH=5.5)金属离子金属离子Mn2+Co2+Ni2+Cu2+Zn2+logK3.87.29.511.010.5人体全身的铁量人体全身的铁量3g3g5g5g。例例铁铁在人体中具有造血功能，参在人体中具有造血功能，参与血蛋白、细胞色素及各种酶与血蛋白、细胞色素及各种酶的合成，促进生长。的合成，促进生长。铁还在血液中起运输氧和营铁还在血液中起运输氧和营养物质的作用。养物质的

43、作用。生生理理功功能能血红素结构模型图血红素结构模型图细胞色素细胞色素P450单加氧酶单加氧酶 (铁卟啉铁卟啉)：降解和：降解和 催化近催化近300种脂溶性化合物起着解毒作用种脂溶性化合物起着解毒作用。血红素酶血红素酶 (铁卟啉铁卟啉)：运进氧气、二氧化碳：运进氧气、二氧化碳。过氧化氢酶过氧化氢酶 (铁卟啉铁卟啉)：催化：催化H2O2 分解，防止分解，防止过氧化氢在体内积累的保护酶过氧化氢在体内积累的保护酶。肌红蛋白肌红蛋白 (铁卟啉铁卟啉)：贮存氧气。：贮存氧气。细胞色素细胞色素C (铁卟啉铁卟啉)：电子传递。：电子传递。一氧化氮酶一氧化氮酶 (铁卟啉铁卟啉)：神经信息传递。：神经信息传递。

44、例例部分酶的功能部分酶的功能杨树质体兰素结构图杨树质体兰素结构图牛超氧化物歧化酶牛超氧化物歧化酶活性部位结构图活性部位结构图 在两个光合系统之间，在两个光合系统之间，细胞色素细胞色素 f 或质体蓝素或质体蓝素起着桥梁作用。起着桥梁作用。 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶催化超氧化物阴离催化超氧化物阴离子自由基歧化为过子自由基歧化为过氧化氢与氧气。氧化氢与氧气。 例例铜铜例例离子载体离子载体疏水性小分子，可溶于双脂层。疏水性小分子，可溶于双脂层。缬氨霉素能转运缬氨霉素能转运K+ DNP可转运可转运H+离子霉素可转运钙离子离子霉素可转运钙离子可动离子载体可动离子载体通道离子载体通道离子载体缬氨霉素的分

45、子结构缬氨霉素的分子结构 磁矩测定血红蛋白磁矩测定血红蛋白 Fe() 的五配位的的五配位的6个电子。个电子。处于高自旋状态处于高自旋状态 t2g4eg2，离，离 子半径比较大，所以放不进子半径比较大，所以放不进 卟啉平面卟啉平面。 结合结合O2后，电子的分裂能后，电子的分裂能 增大，电子尽可能在增大，电子尽可能在t2g轨轨 道，处于低自旋道，处于低自旋t2g6eg0 ，具，具 有反磁性，引起半径缩小，有反磁性，引起半径缩小， 铁离子落在卟啉平面上，有铁离子落在卟啉平面上，有 利于输送利于输送O2 。化学机理化学机理6th coordination position O2、CO binding

46、sitep许多金属蛋白质体系常常涉及电子传许多金属蛋白质体系常常涉及电子传递链，一般是按照它们的氧化还原电递链，一般是按照它们的氧化还原电位值顺序排列。在金属酶体系中各种位值顺序排列。在金属酶体系中各种过渡金属电对的氧化还原电位数值，过渡金属电对的氧化还原电位数值，将决定它在电子传递过程中的方向。将决定它在电子传递过程中的方向。配位离子的电对配位离子的电对 /VCo(H2O)63+/Co(H2O)62+Co(NH3)63+/Co(NH3)62+Co(en)63+/Co(en)62+Co(CN)63+/Co(CN)62+1.84+0.10-0.26-0.832 2、配合物的氧化还原稳定性、配合物

47、的氧化还原稳定性表表6 Co()/Co()配位离子的还原电对配位离子的还原电对E呼吸链的作用是接受还原性辅酶上的氢原呼吸链的作用是接受还原性辅酶上的氢原子对子对(2H+2e)，使辅酶分子氧化，将电子对，使辅酶分子氧化，将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子(O2-)与质子对与质子对(2H+)结合，生成水。电子对结合，生成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生和无机磷发生磷酸化反应，生成成ATP。呼吸链中的组成呼吸链中的组成Q 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线

48、粒体内膜 1/2O2+2H+ H2O 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 e-Cytc e-e-e-e-NADH+H+ NAD+ 由于细胞由于细胞90%以上的质量是水，水分以上的质量是水，水分子与金属离子可形成水合离子。在生子与金属离子可形成水合离子。在生物体中的配合物形成反应，实际上是物体中的配合物形成反应，实际上是一些生物配体与金属周围水分子的交一些生物配体与金属周围水分子的交换反应。换反应。 3 3、配位体取代反应动力学、配位体取代反应动力学222222CuCuCuCuCuCu氨基酸氨基酸配合物氨基酸+清蛋白 清蛋白-氨基酸配合物清蛋白-氨基酸配合物=清蛋白-氨基酸与人体内配位体相比，解毒剂

49、与有害金属与人体内配位体相比，解毒剂与有害金属离子形成的配合物应具有更大的稳定性。离子形成的配合物应具有更大的稳定性。若有害金属离子已进入细胞内部与生物配若有害金属离子已进入细胞内部与生物配体结合，则要考虑解毒剂是否能达到离子体结合，则要考虑解毒剂是否能达到离子存在的部位，形成的中间配合物是否能顺存在的部位，形成的中间配合物是否能顺利透过细胞膜进而排泄出体外。利透过细胞膜进而排泄出体外。 例例 选择解毒剂的条件选择解毒剂的条件与有害金属离子形成混配配合物对解毒作与有害金属离子形成混配配合物对解毒作用更为有利。一方面形成混配配合物有更用更为有利。一方面形成混配配合物有更高的稳定性；另一方面两种不

50、同的配体在高的稳定性；另一方面两种不同的配体在混配配合物中可以产生明显的协同作用，混配配合物中可以产生明显的协同作用，有利于解毒剂进入细胞和将金属离子带出有利于解毒剂进入细胞和将金属离子带出细胞外。细胞外。金属与类金属的解毒金属与类金属的解毒剂剂乙二胺四乙酸二钠钙。乙二胺四乙酸二钠钙。适应证：铅、铁、镉、锰、钴、适应证：铅、铁、镉、锰、钴、铜、镍及其他重金属中毒。铜、镍及其他重金属中毒。 二乙烯三胺五乙酸。二乙烯三胺五乙酸。适应证：铅、钴、铁、锌、铬、锰中毒。适应证：铅、钴、铁、锌、铬、锰中毒。羟乙基乙烯双氨三乙酸。羟乙基乙烯双氨三乙酸。适应证：铁剂中毒。适应证：铁剂中毒。二巯基丙醇。适应症：

51、砷、汞、锑中毒。二巯基丙醇。适应症：砷、汞、锑中毒。 金属与类金属的解毒剂金属与类金属的解毒剂巯巯基基络络合合剂剂 二巯基丁二酸钠。适应症：锑、二巯基丁二酸钠。适应症：锑、汞、铅、砷、锌、镉、钴、镍汞、铅、砷、锌、镉、钴、镍中毒。中毒。青霉胺。适应症：铅、汞、锑、青霉胺。适应症：铅、汞、锑、铬、镍、锌、镉、铋等中毒。铬、镍、锌、镉、铋等中毒。促排灵。排铅作用更强。促排灵。排铅作用更强。适应症：铅、钴、锌、锰、铁中毒。适应症：铅、钴、锌、锰、铁中毒。 二巯基丙磺酸钠。适应症二巯基丙磺酸钠。适应症: :砷、砷、汞、铋、铬、铅等中毒。汞、铋、铬、铅等中毒。1、配位体的电子光谱、配位体的电子光谱通过电

52、子光谱的理论解析就可以从分通过电子光谱的理论解析就可以从分子和电子能级水平上去探讨和研究生子和电子能级水平上去探讨和研究生物金属在生物配合物中的信息。物金属在生物配合物中的信息。生物配体包括蛋白质、核酸、酶等有生物配体包括蛋白质、核酸、酶等有机分子，它们对光的特征吸收峰通常机分子，它们对光的特征吸收峰通常出现在紫外光区。出现在紫外光区。二、过渡金属配合物的电子光谱二、过渡金属配合物的电子光谱 酪氨酸酪氨酸 max275nm 苯丙氨酸苯丙氨酸 max257nm 色氨酸色氨酸 max280nm几种氨基酸的几种氨基酸的UV谱图谱图例例几种氨基酸的紫外可见吸收光谱几种氨基酸的紫外可见吸收光谱 例例 核

53、酸的紫外吸收光谱核酸的紫外吸收光谱例如核酸中的瞟例如核酸中的瞟吟环和嘧啶环的共吟环和嘧啶环的共轭双键系统中的轭双键系统中的*跃迁吸收峰，跃迁吸收峰，最大吸收峰在最大吸收峰在260nm左右的波段，左右的波段，并在并在230nm处有一处有一低谷。低谷。图图. DNA的紫外可见光谱的紫外可见光谱 在光合作用的反应中吸收光能的色素称为在光合作用的反应中吸收光能的色素称为光合色素。光合色素。图图 主要光合色素的结构式主要光合色素的结构式叶绿素叶绿素类胡萝卜素类胡萝卜素藻胆素藻胆素 高等高等植物植物藻类藻类 分子内具有分子内具有许多共轭双键，许多共轭双键，能捕获光能，能捕获光能，捕获光能能在捕获光能能在分

54、子间传递。分子间传递。640660nm的红光的红光 430450nm的蓝紫光的蓝紫光v叶绿素叶绿素a在红光区的吸收峰比叶绿素在红光区的吸收峰比叶绿素b的高，蓝紫的高，蓝紫光区的吸收峰则比叶绿素光区的吸收峰则比叶绿素b的低。的低。 v阳生植物叶片的叶绿素阳生植物叶片的叶绿素a/b比值约为比值约为3 1，阴生植，阴生植物的叶绿素物的叶绿素a/b比值约为比值约为2.3 1。对橙光、黄光吸收较少，对橙光、黄光吸收较少，尤以对绿光的吸收最少。尤以对绿光的吸收最少。有两个强吸收峰区有两个强吸收峰区2、荷移光谱、荷移光谱如在细胞色素如在细胞色素 P450光谱中存在两光谱中存在两个峰个峰363和和446nm，

55、是是LM荷移跃迁。荷移跃迁。 配位体对金属的荷移配位体对金属的荷移 金属对配金属对配位体的荷移位体的荷移三、过渡金属配合物的磁性三、过渡金属配合物的磁性 磁性是配合物的基本性质之一，在配位磁性是配合物的基本性质之一，在配位化学中利用有效磁矩可以判断配合物中心离化学中利用有效磁矩可以判断配合物中心离子未配对电子数、健型及立体化学构型等。子未配对电子数、健型及立体化学构型等。通过实验从磁化率测量中得到有效磁矩通过实验从磁化率测量中得到有效磁矩有有效：效：有效有效=2.83()1/2 为摩尔磁化率，可由实验测得；为摩尔磁化率，可由实验测得；T为绝为绝对温度，对温度，有效单位为玻尔磁子有效单位为玻尔磁

56、子(BM)。 表表4 血红蛋白血红蛋白(八面体八面体)的磁性的磁性Fen+配合物配合物有效有效/(BM) 分裂分裂组态组态纯自旋纯自旋自旋态自旋态Fe2+脱氧血红蛋白脱氧血红蛋白5.44t2g4 eg24.90高自旋高自旋O2 血红蛋白血红蛋白0t2g6 eg00低自旋低自旋CO血红蛋白血红蛋白0t2g6 eg00低自旋低自旋Fe3+F血红蛋白血红蛋白5.76t2g3 eg25.92高自旋高自旋H2O血红蛋白血红蛋白5.65t2g3 eg25.92高自旋高自旋CN血红蛋白血红蛋白2.50t2g5 eg01.73低自旋低自旋磁矩测定血红蛋白磁矩测定血红蛋白 Fe() 的五配位的的五配位的6个电子。个电子。处于高自旋状态处于高自旋状态 t2g4eg2，离，离 子半径比较大，所以放不进子半径比较大，所以放不进 卟啉平面卟啉平面。 结